Сравнение шагающих и колёсных роботов: конструкция, производительность и требования к двигателям

Определения шагающих и колёсных роботов

Шагающий робот

Шагающие роботы имитируют биологическое движение, используя несколько суставов и исполнительных механизмов для обеспечения гибкой локомоции. Обычно они опираются на высокоточные алгоритмы управления походкой и динамическое моделирование, что обеспечивает лучшую адаптацию к сложным типам местности. Конструкция таких роботов включает приводы с несколькими степенями свободы и эффективные системы управления двигателями, например одногий робот StaccaToe, разработанный в Университете Массачусетса в Амхерсте.

Колёсный робот

Колёсные роботы используют простые, но эффективные колёсные приводы. Как правило, они имеют более низкую стоимость производства и более высокую скорость, что делает их подходящими для большинства промышленных и коммерческих применений. Движение обеспечивается электродвигателями, вращающими колёса для линейного или поворотного движения, что позволяет эффективно работать на ровных поверхностях. Пример — четырёхколёсный робот Legacy V2, разработанный командой BR университета Saban.

Сравнение производительности (на примере Legacy V2 и StaccaToe)

В таблице ниже приведены ключевые различия между шагающими и колёсными роботами по мобильности, сложности управления и требованиям к моторной системе:

Выбор двигателей для шагающих роботов: баланс высокого момента и точного управления 

Шагающие роботы должны работать в сложных условиях: подниматься по склонам, преодолевать препятствия и двигаться по неровной поверхности.

Для обеспечения таких движений необходимы не только высокий крутящий момент, но и способность поддерживать непрерывную мощность при сохранении точности и устойчивости.

Поэтому при выборе двигателей для шагающих роботов необходимо учитывать крутящий момент, точность движения и энергоэффективность.

Баланс крутящего момента и точности управления

Основная задача двигателей шагающего робота — обеспечить высокий крутящий момент при одновременном сохранении точности и минимальных вибраций. Распространённое решение — использование модульного сустава, включающего бесщёточный двигатель постоянного тока (BLDC), редуктор и энкодер.

• Высокая точность

Обычно применяются BLDC-двигатели с высокоточными энкодерами или встроенными сервоприводами. Замкнутый контур управления обеспечивает точную обратную связь по положению и моменту, повышая стабильность и повторяемость движений.

• Быстрый отклик

Использование двигателей с низкой инерцией ротора или решений с прямым приводом / малым передаточным числом, совместно с высокочастотными драйверами, обеспечивает быстрый разгон и торможение, что важно для динамичных движений (прыжки, амортизация при приземлении).

Высокая производительность и энергоэффективность

Для шагающих роботов критически важна возможность длительной непрерывной работы. Поэтому необходимо оптимизировать энергоэффективность двигателей.

На этапе проектирования выбираются высокоэффективные двигатели и приводы, позволяющие увеличить время работы без потери производительности. Это также снижает потери энергии и повышает автономность робота.

Интегрированные системы управления и динамическая адаптация

Шагающие роботы также требуют высокоинтегрированных систем управления, способных динамически регулировать выходные параметры двигателей в зависимости от различных задач движения. Двигатели должны не только обеспечивать стабильную мощность, но и быстро реагировать, а также адаптироваться к изменяющимся нагрузкам и условиям окружающей среды.

Поэтому система управления двигателями должна поддерживать многорежимное регулирование, такое как замкнутый контур управления по положению, скорости и крутящему моменту, чтобы обеспечить гибкую и точную настройку состояния движения робота при выполнении сложных задач.

Практическое применение

В одногом роботе StaccaToe привод AK80-9 KV100 V3.0, установленный в коленном суставе, обеспечивает высокий крутящий момент и быстрый отклик. Это позволяет роботу эффективно передвигаться по сложной местности, сохраняя точность управления.

Благодаря многоконтурному управлению (позиция, скорость, момент и гибридный режим MIT) привод может точно адаптироваться к изменениям нагрузки при выполнении сложных движений и преодолении препятствий, обеспечивая устойчивость и манёвренность.

Приводы AK10-9 V2.0 KV60 и AK60-6 V1.1 KV80, используемые в голеностопе и стопе, также обеспечивают высокоточную регулировку момента, что гарантирует гибкость и устойчивость при выполнении таких задач, как прыжки и балансировка на носке.

Ключевые параметры

Выбор двигателей для колёсных роботов: оптимизация высокой эффективности и гибкого управления

По сравнению с шагающими роботами, колёсные роботы в большей степени зависят от устойчивого крутящего момента и эффективности трансмиссии, чем от высокодинамичного момента в суставах.

Колёсные роботы обычно работают на относительно ровных поверхностях, выполняя задачи быстрого перемещения, точного позиционирования и эффективного выполнения операций. Хотя требования к проходимости у них ниже, чем у шагающих роботов, высокая скорость и манёвренность требуют точных двигательных систем и продвинутого управления приводами.

Поэтому при выборе двигателей для колёсных роботов необходимо учитывать высокую выходную мощность, энергоэффективность и точность управления.

Высокий крутящий момент и высокая эффективность

• Высокий крутящий момент

Колёсные роботы требуют высокого крутящего момента при запуске, ускорении и изменении нагрузки (например, при транспортировке грузов или движении по уклонам). Распространённым решением является использование BLDC-двигателей в сочетании с планетарными редукторами, что позволяет значительно увеличить выходной момент при сохранении быстрого отклика. Такая конфигурация обеспечивает стабильный и непрерывный крутящий момент на низких скоростях, гарантируя надёжность и устойчивость движения даже при больших нагрузках и длительной работе.

• Высокая энергоэффективность

Колёсные роботы часто работают в непрерывном режиме, поэтому эффективность системы является ключевым фактором автономности. Использование высокоэффективных BLDC-двигателей в сочетании с алгоритмами FOC (Field-Oriented Control, векторное управление) позволяет снизить электрические потери и тепловыделение. Кроме того, бесщёточная конструкция уменьшает механическое трение, повышая общий КПД системы.В реальных условиях это не только увеличивает срок работы от батареи, но и повышает надёжность системы, что особенно важно для логистики, складских систем и промышленной автоматизации, где требуется высокая эффективность и стабильная работа.

Дифференциальный и всенаправленный привод

При выборе двигателей колёсные роботы обычно используют дифференциальные или всенаправленные приводы для повышения мобильности и точности управления:

• Дифференциальный привод

Путём регулирования разницы скоростей между левыми и правыми колёсами робот осуществляет повороты и изменяет скорость. Такой подход отличается простотой, эффективностью и широко применяется в задачах, где важны стабильность и простота управления.

• Всенаправленный привод

С использованием всенаправленных колёс (omni-wheels) робот может плавно двигаться в любом направлении. Это особенно подходит для задач, требующих высокой манёвренности в ограниченном пространстве или высокой точности позиционирования.

Эффективные приводные системы и управление

Для повышения общей эффективности и обеспечения длительной стабильной работы колёсные роботы используют высокоэффективные приводные системы и интеллектуальное управление двигателями.

Такие системы способны динамически регулировать выходные параметры двигателей в зависимости от требований задачи, одновременно минимизируя энергопотребление за счёт точного управления. Благодаря точной регулировке крутящего момента и скорости колёсные роботы могут выполнять задачи плавно и эффективно в широком спектре применений.

Практическое применение

В соревновании University Rover Challenge (URC) 2024 команда TMR использовала привод CubeMars AK70-10 KV100, который соответствует ключевым требованиям колёсных роботов — высокому крутящему моменту, высокой энергоэффективности и точному управлению.

Это позволило роботу сохранять стабильность и эффективность при выполнении длительных задач с высокой нагрузкой, тем самым повысив его отзывчивость и общую эксплуатационную производительность.

Ключевые параметры

Выбор подходящего типа робота для вашей задачи

Преимущества и области применения шагающих роботов

Проходимость и гибкость

Ключевое преимущество шагающих роботов заключается в их высокой способности адаптироваться к сложной местности. Они могут легко преодолевать лестницы, неровные поверхности и препятствия, что делает их особенно подходящими для сложных условий, таких как ликвидация последствий катастроф и военная разведка.

Оптимизация двигателей и систем управления

Благодаря использованию высокоэффективных приводов и современных алгоритмов управления, шагающие роботы способны значительно повысить устойчивость движения при одновременной оптимизации энергопотребления. Это особенно важно для длительных миссий, таких как поисково-спасательные операции и полевые разведывательные задачи.

Применение

Ликвидация последствий катастроф: передвижение по завалам и доступ к труднодоступным зонам для поиска выживших

Военная разведка: работа на пересечённой местности и выполнение сложных разведывательных задач

Преимущества и области применения колёсных роботов

Эффективность и стабильность

Колёсные роботы демонстрируют высокую эффективность на ровных поверхностях, обеспечивая высокую скорость и производительность. Они широко применяются в промышленной автоматизации, складской логистике и системах транспортировки материалов.

Выбор двигателей и производительность

Колёсные роботы обычно используют BLDC-двигатели и приводы, отличающиеся высокой эффективностью, низким уровнем шума и длительным сроком службы. Эти характеристики делают их идеальными для задач, требующих непрерывной и стабильной работы.

Применение

Автоматизированные склады: эффективная транспортировка товаров и повышение общей производительности

Обработка материалов: быстрая и точная доставка грузов на производстве и в логистических центрах

Шагающие или колёсные роботы: как выбрать?

Выбор между шагающими и колёсными роботами зависит от нескольких ключевых факторов:

• Требования к местности: шагающие роботы лучше подходят для неровных поверхностей и среды с большим количеством препятствий

• Скорость и энергоэффективность: колёсные роботы оптимальны для высокоскоростной и энергоэффективной работы на ровных поверхностях

• Бюджет и стоимость обслуживания: шагающие роботы требуют более высоких начальных вложений и сложного обслуживания, тогда как колёсные роботы являются более экономичным решением

Заключение

Выбор между шагающими и колёсными роботами определяется балансом между требованиями задачи и приоритетами производительности.

Шагающие роботы превосходят в сложных условиях и задачах, требующих высокой гибкости и точного управления движением, тогда как колёсные роботы обеспечивают более высокую эффективность и экономичность в структурированных средах.

При этом выбор двигателя играет ключевую роль как основа приводной системы, напрямую влияя на общую производительность и стабильность системы. Оптимальный результат достигается за счёт грамотной интеграции конструкции робота и моторной системы, что позволяет найти наилучший баланс между производительностью, эффективностью и стоимостью.