Как выбрать двигатели для марсохода? Почему всё больше робототехнических проектов выбирают приводные решения CubeMars?

Марсоходы (Mars Rovers) — это разновидность мобильных роботов, предъявляющая чрезвычайно высокие требования к приводной системе.

По сравнению с обычными колёсными роботами, марсоходам необходимо работать в более сложных условиях, таких как:

• Мягкий песчаный грунт

• Гравийные дороги

• Неровные препятствия

• Движение на большие расстояния

• Участки с крутыми склонами

Эти условия предъявляют более высокие требования к приводной системе.

Отличное приводное решение для марсохода должно не только обеспечивать достаточный выходной крутящий момент, но и учитывать:

• Высокую плотность крутящего момента

• Компактную конструкцию

• Точное управление движением

• Высокую надёжность

• Способность к длительной стабильной работе

Поэтому в процессе выбора двигателя для марсохода инженерные команды обычно не сосредотачиваются на одном параметре, таком как максимальный крутящий момент или максимальная скорость, а должны комплексно оценивать, способна ли вся приводная система удовлетворить требованиям к движению в сложных условиях.

В последние годы всё больше робототехнических проектов начали использовать высокоинтегрированные роботизированные приводы и высокопроизводительные бесщёточные двигатели, среди которых решения на базе двигателей CubeMars уже применяются в марсоходах, мобильных роботах и других роботизированных платформах, обеспечивая силовую поддержку сложных систем движения.

Почему марсоходам нужны специальные приводные двигатели?

Марсоходы обычно используют многоколёсные приводные конструкции, например конфигурации с четырьмя, шестью или даже большим количеством колёс.

Во время фактической работы транспортному средству необходимо справляться со следующими факторами:

• Изменением сопротивления грунта

• Увеличением нагрузки при подъёме

• Ударами о препятствия

• Риском пробуксовки колёс

• Ограничениями по пространству и весу

Поэтому приводные двигатели марсохода не могут просто ориентироваться на высокоскоростные характеристики, а должны уделять внимание следующим аспектам.

1. Высокий выходной крутящий момент: обеспечение проходимости на сложном рельефе

Марсоходам необходимо полагаться на свои колёса для создания достаточной движущей силы, чтобы преодолевать:

• Собственный вес

• Трение с грунтом

• Сопротивление склона

• Сопротивление препятствий

На выходной крутящий момент на колесе обычно влияют следующие факторы:

Выходной крутящий момент = Крутящий момент двигателя × Передаточное отношение × КПД передачи

Поэтому увеличение выходного крутящего момента в ограниченном пространстве является важным направлением при проектировании роботизированных приводных систем.

2. Высокая плотность крутящего момента: достижение большей мощности при ограниченном весе

Для марсоходов вес напрямую влияет на:

• Энергопотребление

• Время работы

• Нагрузку на конструкцию

• Проходимость по бездорожью

По сравнению с простым увеличением размера двигателя конструкция с высокой плотностью крутящего момента может обеспечивать более высокую выходную мощность при меньшем объёме и меньшем весе.

Это также является важной причиной того, почему высокоинтегрированные приводные модули получают всё большее внимание в области робототехники.

3. Точное управление: обеспечение согласованного движения нескольких колёс

Марсоходы обычно имеют несколько ведущих колёс.

Для обеспечения стабильного движения транспортного средства двигатели должны обеспечивать:

• Обратную связь по положению

• Управление скоростью

• Управление крутящим моментом

• Возможность управления движением в замкнутом контуре

Точная обратная связь может помочь системе управления:

• Регулировать скорость колёс

• Снижать пробуксовку

• Повышать способность преодолевать препятствия

• Повышать стабильность движения

4. Высокая надёжность: соответствие требованиям длительной эксплуатации

Марсоходы, луноходы и мобильные роботы для работы на открытом воздухе обычно должны работать в течение длительного времени.

Поэтому приводная система должна обеспечивать:

• Стабильную механическую конструкцию

• Хорошую способность к отводу тепла

• Надёжные характеристики управления

• Возможность непрерывной работы под нагрузкой

Ключевые характеристики при выборе двигателя для марсохода

1. Крутящий момент двигателя

Крутящий момент определяет, какую движущую силу способен создавать робот.

Для мобильных роботов пиковый крутящий момент может помочь системе справляться с:

• Подъёмом по склонам

• Внезапными нагрузками

• Преодолением препятствий

Однако фактический выбор двигателя не может основываться только на пиковом крутящем моменте; также необходимо учитывать возможности непрерывной выходной мощности.

2. Передаточное отношение

Передаточный механизм определяет скорость и крутящий момент на выходе двигателя.

Более высокое передаточное отношение обычно может обеспечить:

• Больший выходной крутящий момент

• Лучшую способность к движению на низкой скорости

В то время как более низкое передаточное отношение может обеспечить:

• Более быструю реакцию

• Более высокую скорость движения

Поэтому подбор должен выполняться с учётом массы транспортного средства, диаметра колёс и целевой скорости.

3. Размер и вес двигателя

Марсоходы обычно очень чувствительны к ограничениям по пространству и весу.

Традиционные приводные системы могут требовать:

• Двигатель

• Редуктор

• Энкодер

• Драйвер

Несколько компонентов устанавливаются отдельно.

Это решение увеличивает:

• Сложность конструкции

• Сложность сборки

• Вес системы

Поэтому высокоинтегрированные роботизированные приводы становятся выбором всё большего числа проектов.

Почему проекты марсоходов выбирают двигатели CubeMars?

1. Высокая плотность крутящего момента: сильная движущая сила при компактных размерах

Традиционные решения обычно требуют:

Двигатель + внешний редуктор + энкодер + драйвер

Такая конструкция может привести к:

• Увеличению объёма

• Более сложной установке

• Увеличению веса системы

В отличие от этого, серия CubeMars AK использует интегрированную конструкцию, объединяющую несколько основных компонентов, что позволяет создавать более компактные конструкции роботов.

Для марсоходов это означает:

• Меньшее монтажное пространство

• Меньший общий вес транспортного средства

• Более высокая эффективность выходной мощности
  
  

Это также является важной причиной, по которой робототехнические команды выбирают CubeMars в качестве приводного решения.

2. Планетарная редукторная конструкция: баланс между крутящим моментом и надёжностью

Марсоходам необходимо работать на низких скоростях и при высоких нагрузках.

Планетарная редукторная конструкция обладает такими преимуществами, как:

• Высокая несущая способность

• Высокий КПД передачи

• Компактные размеры

• Относительно высокое передаточное отношение

и другими преимуществами.

Серия CubeMars AK использует интегрированную планетарную редукторную конструкцию, которая может помочь мобильным роботам достичь более высокого выходного крутящего момента на колесе.

Например:

AK70-10 KV100 использует планетарную редукторную конструкцию с передаточным отношением 10:1, которая повышает выходные характеристики при сохранении динамического отклика, что делает её подходящей для таких применений, как роботизированные суставы и мобильные роботы.

3. Точное управление: соответствие требованиям согласованного движения нескольких колёс

Марсоходам необходимо не только «двигаться», но и «двигаться точно».

Двигатели CubeMars поддерживают несколько методов управления, включая:

• Управление положением

• Управление скоростью

• Управление крутящим моментом

• Режим управления MIT

Одновременно интегрированы высокоточные энкодеры для получения обратной связи о движении в реальном времени.

Для шестиколёсного марсохода точная обратная связь может помочь:

• Синхронизировать скорости колёс

• Повысить способность преодолевать препятствия

• Снизить пробуксовку

• Повысить стабильность движения

CubeMars обеспечивает привод марсохода RoboTeam Twente

Введение в проект марсохода RoboTeam Twente

Для разработки марсохода, способного адаптироваться к сложному рельефу, RoboTeam Twente выбрала двигатели CubeMars в качестве приводного решения для робота.

RoboTeam Twente — это междисциплинарная студенческая робототехническая команда из Нидерландов, состоящая из студентов Университета Твенте и Университета прикладных наук Саксион. Участники команды охватывают несколько областей, включая механическое проектирование, электронные системы, встроенное управление, разработку программного обеспечения и искусственный интеллект. Команда занимается разработкой передовых роботизированных систем и участием в международных соревнованиях марсоходов.

В рамках проекта марсоход должен выполнять задачи, аналогичные тем, с которыми сталкиваются реальные миссии по исследованию планет, включая:

• Движение по сложному рельефу

• Автономную навигацию

• Исследование окружающей среды

• Выполнение роботизированных задач

   

Поэтому приводная система должна одновременно обеспечивать:

• Высокий выходной крутящий момент

• Компактную конструкцию

• Стабильное управление

• Надёжность при длительной эксплуатации

Эти требования делают выбор двигателей и приводов ключевой частью разработки проекта.

Комбинации приводов с разными передаточными отношениями для баланса мощности и быстродействия

Во время работы различные требования к движению марсохода предъявляют разные требования к приводной системе.

Например, при столкновении с:

• Подъёмом по склону
• Мягким грунтом

• Гравийными препятствиями

и другими ситуациями роботу требуется более высокий выходной крутящий момент;

В то время как при выполнении:

• Регулировки скорости
• Точного управления движением

• Согласованной работы нескольких колёс

задач требуется более высокая способность к динамическому отклику.

Поэтому RoboTeam Twente использовала комбинацию приводов CubeMars с разными передаточными отношениями, чтобы достичь баланса между мощностью и гибкостью в соответствии с различными требованиями к характеристикам.

AK45-36 KV80: высокое передаточное отношение и высокая выходная мощность

CubeMars AK45-36 KV80 использует конструкцию с передаточным отношением 36:1.

Более высокое передаточное отношение позволяет эффективно увеличить выходной крутящий момент, обеспечивая роботу более высокую способность к движению на низкой скорости и несущую способность.

При работе марсохода в сложных условиях транспортному средству необходимо преодолевать:

• Сопротивление грунта
• Нагрузки на склонах

• Удары о препятствия

Поэтому высокий выходной крутящий момент очень важен для повышения проходимости робота.

Характеристики AK45-36 KV80 делают его подходящим для приводных сценариев, требующих высокой выходной мощности, обеспечивая стабильную и надёжную поддержку движения марсохода.

AK70-10 KV100: баланс между выходной мощностью и динамическим откликом

CubeMars AK70-10 KV100 использует конструкцию с передаточным отношением 10:1.

По сравнению с решениями с более высоким передаточным отношением, более низкое передаточное отношение может обеспечить:

• Более высокую скорость отклика
• Более гибкое управление движением

• Лучшие динамические характеристики

Для мобильных роботов не в каждом сценарии требуется максимальный крутящий момент.

В применениях, требующих быстрого изменения состояния движения и большей гибкости управления, AK70-10 KV100 может обеспечивать лучшие динамические характеристики.

Видео проекта:

Почему RoboTeam Twente выбирает двигатели CubeMars?

1. Высокий выходной крутящий момент соответствует требованиям движения по сложному рельефу

Во время работы марсоходу необходимо преодолевать:

• Песок

• Гравий

• Склоны

• Неровный грунт

По сравнению с обычными мобильными роботами, марсоход предъявляет более высокие требования к мощности на колёсах.

Приводы серии CubeMars AK объединяют бесщёточные двигатели с планетарными редукторными конструкциями, помогая мобильным роботам получать более высокую движущую силу за счёт увеличенного выходного крутящего момента при сохранении компактных размеров.

Для проектов марсоходов такая конструкция с высокой плотностью крутящего момента может помочь роботу достичь более высоких возможностей движения в условиях ограниченного пространства.

2. Высокоинтегрированная конструкция снижает сложность разработки системы

Традиционные роботизированные приводные решения обычно требуют отдельного выбора:

• Двигателя

• Редуктора

• Энкодера

• Драйвера

После этого выполняется механическое и управляющее согласование.

Для студенческих робототехнических команд или исследовательских проектов это увеличивает:

• Объём работ по механическому проектированию

• Время отладки

• Сложность интеграции системы

Роботизированные приводы CubeMars интегрируют основные компоненты движения, включая:

• Бесщёточный двигатель

• Редукционный механизм

• Энкодер

• Управление приводом

Обеспечивая более модульное силовое решение.

Такая конструкция может помочь команде больше сосредоточиться на:

• Конструкции марсохода

• Разработке алгоритмов управления

• Системах автономной навигации

Вместо того чтобы тратить значительное количество времени на решение базовых проблем интеграции привода.

3. Точное управление повышает стабильность движения марсохода

Марсоходы обычно используют несколько ведущих колёс для согласованного движения.

В сложных условиях роботу необходимо в реальном времени регулировать:

• Скорость колёс

• Выходной крутящий момент

• Состояние движения

Приводы CubeMars поддерживают управление в замкнутом контуре и предоставляют информацию о движении в реальном времени посредством обратной связи от энкодера, позволяя системе управления осуществлять более точное управление движением.

Это очень важно для марсоходов, которым необходимо выполнять задачи на сложном рельефе.

Для каких типов роботов подходят приводные решения CubeMars?

Помимо марсоходов, двигатели и приводы CubeMars также подходят для:

1. Мобильных роботов

Например:

• UGV

• Инспекционные роботы

• Уличные роботы

2. Промышленных роботов

Например:

• AGV

• Оборудование для автоматизации

• Интеллектуальные логистические роботы

3. Высокопроизводительных роботов

Например:

• Гуманоидные роботы

• Четвероногие роботы

• Роботизированные манипуляторы

Как выбрать подходящий двигатель для марсохода?

При выборе двигателя для марсохода можно следовать приведённым ниже шагам:

1. Определите вес робота

Включая:

• Корпус транспортного средства

• Аккумулятор

• Полезную нагрузку

• Механическую конструкцию

2. Определите параметры колёс

Включая:

• Диаметр колеса

• Тип шин

• Площадь контакта

3. Рассчитайте требуемый крутящий момент

Учитывайте:

• Максимальный уклон

• Сопротивление грунта

• Максимальную нагрузку

4. Подберите передаточное отношение

В соответствии с:

• Требованиями к скорости

• Требованиями к крутящему моменту

• Динамическим откликом

Выберите подходящее решение.

5. Подтвердите требования к управлению

Выберите:

• Управление скоростью

• Управление положением

• Управление крутящим моментом

Заключение

Выбор двигателя для марсохода заключается не просто в поиске двигателя с максимальным крутящим моментом, а в поиске наилучшего баланса между мощностью, конструктивными размерами, весом, точностью управления и общей надёжностью системы.

Для сложных мобильных роботов, таких как марсоходы, приводная система не только определяет, сможет ли робот двигаться, но также влияет на его проходимость, стабильность и общие характеристики в реальных условиях выполнения миссии.

CubeMars разработала высокоинтегрированные решения для управления движением в роботизированных приложениях, объединив:

• Высокопроизводительные бесщёточные двигатели

• Планетарные редукционные механизмы

• Обратную связь от энкодера

• Гибкие методы управления

Обеспечивая надёжную силовую поддержку для марсоходов, UGV, мобильных роботов и других интеллектуальных роботизированных платформ.

Применение приводного решения CubeMars в проекте марсохода RoboTeam Twente демонстрирует практическую ценность этого решения в области роботизированных исследований. Для команд, разрабатывающих проекты с участием марсоходов, луноходов, беспилотных мобильных платформ или исследовательских роботов, выбор подходящих роботизированных двигателей и приводных решений является важным шагом для повышения производительности системы и сокращения цикла разработки.

В будущем, по мере дальнейшего развития робототехнических технологий, высокопроизводительные, высокоинтегрированные и простые в развертывании приводные системы будут играть всё более важную роль в исследовании планет, промышленной автоматизации и автономной мобильной робототехнике.

CubeMars стремится предоставлять надёжные силовые решения для разработчиков роботов по всему миру, позволяя роботам достигать более высоких возможностей движения и исследования.