Avanços Na Solução De Movimento Em Robótica Com Rodas

INTRODUÇÃO

As expectativas dos engenheiros e cientistas para os próximos anos é de que os robôs sejam parte integrante de nossas vidas, estando presentes em todas as áreas, incluindo agricultura, hospitais, manutenção, construção e até mesmo em nossas casas. Eles têm potencial para substituir os humanos em muitas indústrias, especialmente naquelas em que precisão é um atributo necessário. Os robôs realizarão tarefas que são difíceis de se executar corretamente por trabalho humano ou substituirão humanos em condições consideradas perigosas. Em muitas dessas indústrias, as aplicações serão fortemente focadas em robôs acionados por rodas.

Robôs com rodas navegam pelo solo usando rodas motorizadas para se propelirem. Este design é mais simples do que usar esteiras ou pernas e, com o uso de rodas, fica mais fácil a criação do design, construção e programação para movimentos em terrenos planos e não tão acidentados. Os robôs com rodas são populares no mercado consumidor pois sua direção por diferencial proporciona baixo custo e simplicidade. Os robôs podem ter qualquer número de rodas, mas três rodas são suficientes para o equilíbrio estático e dinâmico. Rodas adicionais podem acrescentar equilíbrio, no entanto, mecanismos adicionais serão necessários para manter todas as rodas no solo, especialmente quando o terreno não for plano. A solução de movimento é composta por motores acoplados a caixas de redução que acionam as rodas, o que aumenta a capacidade de torque para melhor dirigibilidade.

Este artigo descreve a necessidade e demanda do mercado, requisitos de aplicação, critérios de seleção, vantagens tecnológicas e avanços futuros em robótica.

NECESSIDADES E DEMANDA DO MERCADO

Há uma enorme demanda por robôs a serem usados em hospitais para controle de infecções, serviços médicos, entrega de lixo hospitalar, entrega de amostras bioquímicas e tarefas médicas gerais. A demanda está cada vez mais diversificada com a atual pandemia de COVID-19 em todo o mundo. A indústria aeroespacial e de defesa (A&D) é outro mercado em crescimento, no qual os robôs desempenham um papel crucial na vigilância e operações militares. Um mercado futuro é a inspeção de dutos (por exemplo, em sistemas subaquáticos), no qual os dutos são inspecionados por robôs de condução e são feitas imagens para ajudar a identificar rachaduras ou falhas na infraestrutura. Os requisitos essenciais associados aos produtos usados nessas aplicações são:

Compacto e leve
Alto torque
Alta durabilidade (longa vida útil)
Baixo nível de ruído (Hospital e A&D)
Alta eficiência e baixo consumo de corrente

REQUISITOS DE APLICAÇÃO

(Figura 1)Os produtos típicos usados em robôs são motores DC com ou sem escovas, acoplados a caixas de engrenagem planetárias compactas. O requisito pode diferir levemente de aplicação para aplicação, mas as especificações típicas de soluções de movimento são:

Motor: motor sem núcleo DC com escovas/DC sem escovas
Configuração da caixa de redução: planetária – estágio de 2/3, proporção de 30:1 a 120:1
Tamanho da embalagem: <40 mm de diâmetro
Torque de saída da caixa de engrenagens: 4 a 8 Nm
Velocidade de saída da caixa de engrenagens: 50 a 150 rpm

CRITÉRIO DE SELEÇÃO

Selecionar um motorredutor é uma tarefa crucial para a criação do design de um robô para aplicações. Os aspectos essenciais que merecem foco estão ilustrados na Figura 2.

O primeiro passo na seleção de um motorredutor é determinar as condições operacionais e máximas que o produto terá. O fator mais crucial no design e seleção de um motorredutor é confirmar a velocidade e torque necessários observados na saída da roda.

Torque
É mais fácil determinar primeiro o torque de saída necessário e fazer o caminho inverso para escolher o motorredutor. O torque na roda deve ser determinado com base na aceleração do robô, diâmetro da roda, capacidade de carga (deve ser suficiente para puxar robô inteiro se alguns atuadores falharem ou as rodas estiverem escorregando), alcance da inclinação mínima ou superação de obstáculos. O atrito e a eficiência também devem ser considerados para se chegar ao torque final.

Velocidade
Depois de determinar a quantidade de torque necessária, o próximo passo é determinar a velocidade que a roda precisa para girar. Primeiro, determine a velocidade desejada da roda (ou seja, saída final) e então você estará pronto para escolher motorredutor. O fabricante do robô geralmente finaliza a velocidade na qual o robô deve conduzir e o diâmetro da roda determina a velocidade necessária na saída da roda.

Empacotamento
Depois de conhecer as características básicas de desempenho do motor de que você precisa, a próxima etapa é certificar-se de que composto do motor (encoder + freio + motor + engrenagens) se encaixa em seu robô e pode ser montada sem dificuldades. O encoder permite medir o quanto o eixo do motor gira, e o sistema de freio ajuda a manter o torque e oferece parada dinâmica em caso de emergência. Existem diferentes tipos de encoders e freios usados na robótica.

Tensão
A tensão de operação é usada para alimentar o motor. Normalmente, quanto maior a tensão, maior a capacidade de velocidade do motor. Você pode verificar a constante de tensão (constante de força contraeletromotriz) na folha de dados do motor para determinar a velocidade de rotação do motor por volt.

Temperatura de operação
Isso geralmente não é um problema, mas se composto do motor estiver enclausurado, certifique-se de que não sobreaqueça. A faixa de temperatura da dução é importante, pois pode afetar a vida útil da lubrificação e prejudicar o desempenho ao longo do tempo.

Peso
Você precisa saber a massa da carga para determinar o torque para a seleção do motor. Uma estimativa de massa (ou melhor ainda, uma massa real) é crucial para a escolha de um motor. Se você estiver criando o design com base em uma estimativa de massa, uma margem de segurança de aproximadamente 25% deve ser aplicada. Você pode verificar a constante de torque na ficha técnica do motor para saber a quantidade de torque de saída que obterá por ampere.

Custo
Às vezes, pode parecer tentador construir redutores do zero, pois eles podem sair mais bartos. No entanto, se você se dedicar à criação do design, montagem e teste do redutor, em geral é mais econômico obtê-lo de um catálogo padrão.

Precisão / Exatidão / Eficiência
O quanto de folga você pode tolerar em suas engrenagens? É possível, na maior parte dos casos, lidar com um pouco menos de precisão e exatidão nos motores de roda. Esses motorredutores são usados em vários terrenos e perfis de torque e, uma vez que todas as aplicações não exigem alto desempenho (como menos ruído/vibração), uma baixa precisão pode ser tolerada. No entanto, em um braço ou instrumento robótico, é necessário, geralmente, sistemas com folga baixa que são mais precisos e exatos.

Confiabilidade e ruído
Na maioria das aplicações, maior confiabilidade é o fator determinante e a pilha do motor deve sobreviver aos pontos de trabalho exigidos. Em algumas aplicações críticas, como robôs de vigilância, baixo ruído é um importante fator determinante, além da maior confiabilidade, e, portanto, o motor e a caixa de engrenagens precisam atender a ambos os requisitos.

Vejamos um exemplo. Para uma aplicação de robótica com rodas, uma especificação de produto para a solução de movimento é desenvolvida pela Portescap com as seguintes especificidades:

Informações do motor: - 35 GLT DC com escovas
Caixa de engrenagens principal: - caixa de engrenagens planetária, 3 estágios, dente reto, relação total da caixa de engrenagens de 99,8

VANTAGENS TECNOLÓGICAS

Muitos robôs com rodas usam direção por diferencial que utiliza rodas acionadas separadamente para o movimento. Um design mais balanceado é o de um robô de tração nas 4 rodas, que vem com 2 pares de rodas motorizadas. Cada par pode girar na mesma direção. Se os pares não operarem na mesma velocidade, o robô se moverá lentamente e não poderá se movimentar em linha reta. Um design ideal tem um mecanismo de direção por diferencial semelhante aos usados em um carro que permite que o robô vire à esquerda ou à direita e para isso apenas um motor é necessário. Outra configuração comum de robôs utiliza motores que acionam as rodas de forma independente, ao invés de direção por diferencial; neste caso, motores separados são necessários para acionar cada roda.

As especificações gerais da solução são definidas como:

Embalagem: - 32 mm de diâmetro x 115 mm de comprimento
Capacidade de torque de saída da caixa de engrenagens: 8 Nm
Velocidade de saída da caixa de engrenagens: 80 rpm
Expectativa de vida útil: - 1000 horas
Temperatura máxima: - 125 °C

Um produto da Portescap tem vantagem em termos de embalagem menor, maior capacidade de carga de torque e maior durabilidade, e pode ser adaptado para várias aplicações de robótica com rodas.(Figura 3)

AVANÇOS FUTUROS EM ROBÓTICA COM RODAS

A principal desvantagem dos robôs com rodas é o fato de não serem capazes de navegar bem em terrenos rochosos, declives acentuados ou áreas com baixo atrito. A demanda por desenvolvimento de um único robô que possa negociar estas limitações está aumentando a cada dia. Isso requer mudanças no mecanismo dos robôs, como esteiras (transmissão por diferencial), minicarregadeira de 4 rodas, 2 rodas com transmissão por diferencial + rodízio(s) passivo(s). Isso adiciona mais complexidade e requer um estudo detalhado com impacto no custo.

Sem uma grande mudança na arquitetura geral, as necessidades específicas são fornecidas para otimizar a solução de movimento. Este artigo destaca os aprimoramentos nas soluções de movimento que podem beneficiar o desempenho do robô com rodas em termos de durabilidade, eficiência e baixo ruído:

Soluções mais recentes de rolamentos — Rolamento de rolos de agulhas (Figura 4) — evita falhas de desgaste e oferece rotação suave das engrenagens planetárias nos pinos planetários
Caixa de engrenagens excelente — combinação de dentes de engrenagem com forças torcionais mais baixas para alcançar baixo ruído (Figura 5)
Análise avançada baseada em FEA — ajuda a identificar potenciais falhas e eliminá-las nos estágios iniciais da criação do design (Figura 6)
Simulação acústica avançada — oferece previsões de ruídos e permite a otimização do design para aplicações críticas nas quais o ruído é o foco principal (Figura 7).

ENTRE EM CONTATO COM UM ENGENHEIRO

Figura 1 - Compreenda as diferentes configurações típicas de eixo para robótica com rodas.
Figura 2 - Critérios de seleção do motor + caixa de engrenagens
Figura 3 - Composição motor + caixa de engrenagens
Figura 4 - Nova solução de rolamento
Figura 5 - Solução de caixa de engrenagens de baixo ruído
Figura 6 - Análise de FEA avançada
Figura 7 - Simulação acústica avançada