Автоматизированное мобильное оборудование, которое транспортирует товары на складах и в грузовых центрах, а также выполняет сборочные операции, продолжает повышать спрос на системы передачи энергии и управления движением. Фактически, по данным компании, к 2026 году мировой рынок мобильных роботов достигнет почти 15 миллиардов долларов researchandmarkets.com. Почти все они работают на электродвигателях, которые изначально относительно дороги, но обладают высокой управляемостью, очень низкой стоимостью владения благодаря экономичному использованию электроэнергии для питания и скромным требованиям к техническому обслуживанию. Транспортные средства общего назначения (UTV) и вездеходы (ATV) — вот несколько примеров.

Конечно, многие автономные наземные транспортные средства (AGV) и другие профессиональные сервисные роботы (в том числе для логистики, дистанционного контроля и рынков вне дорог) оснащены подсистемами для выполнения очень специфических задач, ранее выполнявшихся вручную. Для этого требуется сложное управление движением. Геометрия разнообразна и включает в себя широкий спектр захватов, линейных приводов, многоосевых платформ и кинематических подсистем для манипулирования и транспортировки полезных грузов.

Даже для выполнения конечных задач, таких как быстрый отбор товаров со стеллажей для хранения и их совместная укладка в коробки для транспортировки, электроприводы часто более эффективны, чем пневматика, традиционно используемая для захвата. Это связано с тем, что электроприводы потребляют энергию только во время работы, что позволяет операторам управлять (например) электропогрузчиками и погрузочно-разгрузочными машинами в течение всего дня и заряжать их только на ночь.

Там, где мобильные устройства работают от встроенной аккумуляторной батареи — и в традиционных внедорожных транспортных средствах, которые не являются автономными, но также включают автоматизированные системы и приводы, — такая эффективность имеет решающее значение. Технологии перемещения с прямым приводом, включая линейные двигатели для концевых приводов (и тяговые двигатели для колесных приводов), являются ведущими вариантами для конструкций с особо высокими требованиями.

Другим профилем движения, типичным для подсистем мобильных роботов — особенно для узлов определения местоположения, таких как системы обнаружения света и определения дальности (ЛиДАР) и другие системы слежения на автономных транспортных средствах, — является прецизионное вращательное движение с высокими рабочими циклами.

Напомним, что ЛиДАР служит для составления карты окружающей мобильного робота обстановки, чтобы избежать других транспортных средств и опасностей.

Такие системы обнаружения движения являются основой функциональности автономных мобильных роботов (AMR), которые перемещают товары на фабриках и складах от места происхождения к месту назначения, часто определяемому на лету. В дополнение к бескаркасным лазерным сенсорным системам с приводом от двигателя в этих AMR обычно используются средства управления движением на базе ПК, которые управляют сервомоторами с приводом на колеса, одновременно подключаясь к ERP-соединениям для обеспечения функциональности IIoT.

Системный инженер Allied Motion Technologies Джеффри Ширер подтвердил некоторые особенности растущего уровня автоматизации погрузочно-разгрузочных работ. Во многом эта тенденция является результатом все более экономичных поставок материалов и производства роботизированных технологий, впервые разработанных для аэрокосмического и военного применения. Его компания поставляет на этот рынок подсистемы для AGV и другого оборудования, работающего на батарейках.

“Мы видим много новых конструкций движения для роботизированных систем, направленных на автоматизацию обработки материалов. На складах и погрузочно-разгрузочных машинах AGV растет спрос на автономные тележки для транспортировки материалов, и в них часто используются двигатели постоянного тока в паре с датчиками и электроникой для привода тяговых колес”, — сказал Ширер.

Некоторые конструкции также включают приводы с шариковыми винтами по оси Z для подъема и опускания поверхностей для погрузочно-разгрузочных работ, и для них обычно требуется тормоз с отключением питания.

Другие конструкции, такие как тележки для стрижки травы, транспортные средства для очистки солнечных панелей и машины охраны, должны подниматься и спускаться по крутым склонам (более ±30°) и работать в полностью автономном режиме. По сути, это дизайн движения, отметил Ширер.

“Мы также удовлетворили потребности этих быстрорастущих отраслей, предоставив в дополнение к нашим двигателям приводы постоянного тока”, — сказал Питер Зафиро из LinMot USA. “Разработчики транспортных средств могут просто использовать выбранную ими самим входящую мощность — даже питание от аккумулятора или использовать мощность, поступающую с рельсов. Затем, отключив это поступающее питание, наши двигатели могут работать от источника питания шины постоянного тока, предусмотренного в конструкции автомобиля. Такая установка — небольшие приводы постоянного тока, распределенные по всему автомобилю, — намного лучше, чем наличие большого (и тяжелого) трехфазного инвертора”.

Конечно, двигатели в автономном погрузочно-разгрузочном оборудовании должны быть надежными. По словам вице-президента Sensata Technologies по промышленным решениям Мэтта Лесняка, бескаркасные бесщеточные двигатели постоянного тока Sensata BEI Kimco удовлетворяют этим требованиям и достаточно хорошо вписываются в узкие места роботизированных соединений.

В конце концов, слишком большая мощность в роботизированных конструкциях не нужна и вредна; каждый двигатель должен выдавать только ту мощность, которая необходима для его конкретной оси. Зафиро подтверждает, что многие современные конструкции достигают этого благодаря бесщеточным двигателям постоянного тока, получающим более высокое разрешение при меньших усилиях, поскольку коэффициент мощности двигателя невелик. По словам Зафиро, такие проекты требуют больше предварительной прикладной работы, но эти дополнительные усилия в конечном итоге окупаются с лихвой.

“AGV для сборки автомобилей используют наши коробки передач bldc на своих тяговых колесах”, — сказал Ширер. “AGV для сборки самолетов также используют наши мотор-редукторы bldc с параллельным валом для своих тяговых колес, а некоторые бортовые AGV для перевозки поддонов вскоре могут использовать наши мотор-колеса bldc”. Он привел и другие конкретные примеры.

В складских установках высокой плотности с рельсовым управлением (также называемых установками AS/RS), которые часто работают бок о бок с мобильной робототехникой, редукторы bldc его компании работают на тяговых колесах и окружающих конвейерах.

Несмотря на то, что они не являются автономными мобильными роботами, все более тяжелые квадроциклы и внедорожники UTV, а также спрос конечных пользователей на более роскошные впечатления от езды привели к росту популярности рулевого управления с электроусилителем (EPS) и даже конструкций с проводным управлением, в которых традиционная рулевая тяга в этих электромобилях отсутствует.

Новых форм приведения в действие электродвигателей на строительной, внедорожной и военной технике также предостаточно. Некоторое оборудование для посева и сбора урожая теперь оснащено автоматизированными модулями, поэтому фермерам больше не нужно управлять этими транспортными средствами. Там, где повышение эффективности и снижение веса оправдывают инвестиции, многие гидравлические системы также заменяются электрическими на этих автомобилях.

Бесщеточные двигатели в мобильной робототехнике пример 1: Компания Allied Motion Technologies недавно поставила мотор-редуктор bldc для замены гидравлического привода открывания и закрывания бронированной двери на транспортном средстве для перевозки войск.

Бесщеточные двигатели в мобильной робототехнике пример 2: Производитель двигателей поставил на вторичный рынок двигатель bldc — с контроллером — для подключения к рулевому колесу и автономного управления сельскохозяйственным оборудованием.

Бесщеточные двигатели в мобильной робототехнике пример 3: Один машиностроитель, производящий виноградоуборочный комбайн, изучает возможность замены гидравлических двигателей своей конструкции на бортовые электрические. Основная причина здесь заключается в том, что гидравлические двигатели и шланги могут протекать и загрязнять пищевые продукты.

Бесщеточные двигатели в мобильной робототехнике пример 4: Одна новая электрическая газонокосилка для верховой езды использует электродвигатели производителя для привода колес и ножей.

Массовая настройка также довольно типична для компонентов и подсистем движения, которые используются в автономных конструкциях. Часто главной целью является сокращение общего количества деталей конструкции. По словам Ширера из Allied Motion Technologies, в некоторых лидарных системах используются двойные двигатели bldc MegaFlux его компании в паре с высокоскоростными энкодерами — в полностью индивидуальном исполнении.

“Еще одним примером полностью индивидуального решения для перемещения является привод сиденья для военной машины. Наше комплексное системное решение сочетает в себе бесщеточный двигатель, приводную электронику, коробку передач с параллельным валом и шариковый винт”, — отметил он.

В подобных случаях производитель добился большого успеха, модифицировав стандартные изделия с помощью специальных обмоток двигателей, электроники и коробок передач в соответствии с конкретными областями применения.

“Малые и средние компании вступают в сферу робототехники, создавая инновационные технологии для медицинской, потребительской и промышленной отраслей”, — сказал Томер Голденберг из Elmo Motion Control.

У этих небольших компаний (в отличие от крупных производителей роботов) нет специальных подразделений по зондированию или обратной связи, подразделениям движения или сервоприводов, а также подразделениям управления.

“Эти небольшие производители роботов полагаются на производителей технологий движения, которые предоставляют им продукты и инструменты для упрощения внедрения систем движения и сокращения времени выхода на рынок”, — сказал Голденберг. “Таким образом, обращение к производителям сервоприводов, которые могут предоставить комплексные решения по единой технологии, очень выгодно для небольших производителей роботов”, — заключил Голденберг.

“Мы также наблюдаем, как компании, занимающиеся автоматизацией лабораторий, производством потребительских товаров и даже стартапы разрабатывают подвижных сотрудничающих роботов; они значительно меньше, чем предложения типичных робототехнических компаний”, — согласился Джонас Проэгер из Трехдинамическое управление движением“Большинство из этих разработок направлены на то, чтобы помочь людям выполнять повторяющуюся работу или поднимать тяжести, и все они нацелены на то, чтобы иметь обучаемые функции, поэтому роботов не нужно программировать — и любой, кто может выполнять работу, может также научить робота выполнять ее или помогать в этой работе”, — сказал Проэгер.

Разнообразные конструкции автономных транспортных средств и мобильных роботов также требуют специализированных трансмиссий. Так считает президент GAM Enterprises Крейг Ван ден Эйвонт (Craig Van den Avont). Его компания поставила изготовленные на заказ усиленные узлы коробки передач, которые способны выдерживать высокую нагрузку (выдерживают вес AGV) даже при установке в ступицы колес компактных автомобилей.

Вот одна из проблем: то, как вес транспортного средства распределяется на приводной вал колеса, приводит к значительной радиальной нагрузке на подшипники узла. Стандартные шарикоподшипники с канавками, установленные в непосредственной близости, не соответствуют требованиям. Это связано с тем, что нагрузки на колеса в неспециализированных узлах приводят к прогибу выходного вала и шестерни, что, в свою очередь, ускоряет износ. Пары конических роликоподшипников с предварительным натяжением выдерживают значительные радиальные нагрузки, но являются относительно тяжелыми и снижают эффективность — неприемлемый компромисс для конструкций, работающих от аккумулятора.

Другим решением этой проблемы от немецкого производителя зубчатых колес Framo Morat является узкая конструкция зубчатого колеса со ступицей, в которой используются стандартные шарикоподшипники для поглощения радиальной нагрузки транспортных средств на колесный узел. Внутри коробки передач входной вал двигателя и выходной полый вал привода расположены концентрически, поэтому радиальные усилия, проходящие через полый вал, центрируются между сдвоенными шарикоподшипниковыми опорами. Узкий зазор между этими подшипниками максимизирует жесткость выходного вала при изгибе.

Конечно, не все мобильные конструкции имеют морфологию четырехколесного автомобиля. Поставщик роботов и искусственного интеллекта Autonomous Solutions Inc. (ASI) продолжает предлагать своего робота Chaos с “высокой мобильностью”. Он имеет четыре непрерывных гусеницы, которые могут свободно поворачиваться, как рычаги, — как если бы гусеницы на танке были отсоединены от корпуса танка на конце натяжного ролика. Здесь восемь бескаркасных моментных двигателей Parker Bayside приводят в движение эти свободно движущиеся гусеницы, заставляя их преодолевать камни, бревна и водные преграды. Скорость составляет до 6,5 миль в час, а грузоподъемность в непрерывном режиме — до 100 фунтов (или 275 фунтов при слегка ограниченных возможностях) для применения в реальных условиях при наблюдении, разведке мин, обезвреживании взрывоопасных предметов (EOD) и других опасных миссиях.

GAM Enterprises также поставляла подсистемы для такого рода автоматизированных проектов. На такой пересеченной местности способ, которым колеса транспортного средства преодолевают камни, бордюры и грязь, требует наличия специализированных узлов трансмиссии, способных выдерживать значительные ударные нагрузки.

Но даже в более контролируемых условиях внутри помещений полезны усиленные приводы на колеса. “В настоящее время мы наблюдаем стремительный рост технологий, предназначенных для автоматизированных складских приложений, особенно тех, которые предназначены для автоматизированных транспортных средств”, — сказал Проэгер. “Иногда они устанавливаются на рельсы, но многие конструкции работают независимо и на механических колесах. Мы не можем назвать ни один из этих проектов, хотя знаем, что такие проекты используются лидерами отрасли”.

Всенаправленные мекановые колеса были изобретены в 1970-х годах и до 1990-х годов в основном использовались Военно-морским флотом США. Колеса весьма полезны на транспортных средствах, таких как AGV, поскольку они позволяют двигаться в любом направлении без поворота по кругу. Это обеспечивает быстрые перемещения в замкнутых системах внутренней логистики, а также в условиях, когда мобильным роботам приходится перемещаться по множеству конвейеров.

Как и omni wheels (довольно схожий дизайн), колеса Mecanum в настоящее время производятся и используются широким кругом производителей оборудования и организаций, включая команды FIRST Robotics, разрабатывающие роботизированные транспортные средства образовательного уровня, а также те, кто создает гораздо более сложные промышленные образцы.

Фактически, еще одна проблема проектирования колесных приводов AGV и аналогичных конструкций заключается в том, что аксиально установленные электродвигатели с многоступенчатыми цилиндрическими или планетарными передачами (распространенными в обычных колесных и ременных передачах) часто слишком велики. Таким образом, для решения этой проблемы один настраиваемый и компактный привод на колеса включает в себя бесщеточный двигатель постоянного тока от Dunkermotoren и специальную передачу от Framo Morat, упомянутую ранее.

Планетарная передача дополняет двигатели постоянного тока с электронной коммутацией (бесщеточные) серии BG компании Dunkermotoren; конический редуктор соединяет двигатель с входным валом ступичных передач, обеспечивая очень мощный привод на колеса. КПД двигателя более 90% и легкая передача с малыми потерями обеспечивают максимальную эффективность. Двигатели Dunkermotoren работают от 10 до 60 В постоянного тока; версии с напряжением 24 В могут выдавать мощность 1100 Вт и 2600 Вт с перерывами. Также имеется встроенная электроника регулирования скорости и позиционирования. Дополнительная функция безопасного отключения крутящего момента (STO) с помощью программного обеспечения для управления двигателем может защитить находящийся поблизости персонал и оборудование там, где это необходимо.

Другие поставщики двигателей также поставляют на рынок AGV колесные диски в сборе. Мир дизайна имеет освещал ITA в Виттенштейне в прошлом; эта модульная колесная ось с сервоприводом оснащена сдвоенными серводвигателями и спиральными планетарными редукторами, на которых установлены колеса Vulkollan — аналогичные колесам Vulkollan, предлагаемым Framo Morat и Dunkermotoren. Двигатели iTAS обеспечивают большой крутящий момент при наклоне и обладают высокой удельной мощностью для использования на AGV, которые перемещают особенно тяжелые тележки.