Исполнительные устройства мехатронных систем/роботов

Эта статья — часть материалов: кафедры Факультет робототехники

Введение

С помощью исполнительных механизмов робот передвигается(системы и устройства передвижения рассмотрены в отдельной статье) и меняют положение своих частей(а значит и форму тела). Направление, в котором может перемещаться какая-либо часть робота(или весь робот в целом) называется степенью свободы.
У монолитного робота(т.е. робота состоящего, как видит наблюдатель, из одного только корпуса) есть шесть степеней свободы: координаты положения - x,y,z и угловая ориентация: крён, тангаж и рысканье. Комплексно они определяют т.н. позу робота.
У немонолитного робота(т.е. робота, тело которого состоит из нескольких частей, которые наблюдатель может при рассмотрении дифференцировать друг от друга) имеются дополнительные степени свободы, которые позволяют ему сохранять некоторую подвижность даже если жестко зафиксированы два конца его тела(или части тела, к примеру, руки, состоящей из нескольких звеньев).
При разумном выборе типов исполнительных устройств для каждой из частей робота и качественной реализации их взаимодействия достигается гибкость и эффективность работы всего робота в целом. Подбор рабочих устройств - сложный этап в конструировании и в нём должны быть задействованы силы инженеров технологического, информационно-технического, микроэлектронного и непосредственно робототехнического профиля.

Типы исполнительных устройств робототехническими системами

Пневматические

Используют в качестве "рабочего тела" газ, к примеру, воздух.
Преимущества - дешевизна, надежность, простота настройки и управления, пожаробезопасность, нет необходимости в затратах на рабочее тело и его утилизацию, низкая цена.
Недостатки - как и в гидравлическом типе, из-за негерметичности трубок происходит потеря давления, что вызывает потерю мощности и скорости(а следствием этого является сложность в позиционном управлении роботом).
Примеры - пневмомоторы, моментальные пневмодвигатели, пневмоцилиндры.

Гидравлические

Во многом аналогичны пневматическим, но используют жидкость, к примеру, воду или масло.
Преимущества - имеют, пожалуй, самую высокую мощность(за счет высокого давления), крайне эффективны в циклическом режиме работы, малый вес, возможность подстройки многих параметров работы(за счет регулировки давления).
Недостатки - неидеальная герметичность трубок приводит к потере давления, масло может воспламеняться, потребность в устройстве, поддерживающем давление жидкости, необходимость утилизации и замены рабочей жидкости.
Примеры - гидроцилиндры, гидромоторы.

Электро-механические

Преобразуют электрическую энергию в механическую.
До сих пор являются самым распространенным типом исполнительных устройств, так как имеют целый ряд преимуществ: экологичность(не оставляют отходов, в отличие от гидравлических), сравнительно низкая цена, простота эксплуатации(в частности программирования, настройки, ремонта и модернизации), высокая скорость и эффективность работы(в маломощных устройствах), доступность источника питания(электричество доступно практически в любое точке земного шара), компактность. Недостатки - большая масса(в случае с двигателями больших размеров), создание вибраций, потребление электричества в обмотке в остановленном состоянии агрегата, поломки в случае подачи обратного усилия на сам привод(в некоторых случаях), потребность в охлаждении(в некоторых случаях).
Примерами являются сервоприводы, шаговые двигатели, электромагниты.

Электромагнитные

Используют преобразование электрической энергии в энергию прямолинейного движения звена исполнительного устройства.
Преимущества - быстродействие.
Недостатки - ограниченность сферы применения(поступательное движение в позиционном регулировании с малым ходом), высокое энергопотребление, перегрев обмотки при длительной работе.
Примеры - электрические муфты, магниты.

Гибридные

Используют несколько из вышеперечисленных типов в своей работе.

Источники