Tendências Em Robótica Estão Expandindo a Necessidade De Motores Em Miniatura

Histórico

Os avanços na automação e inteligência artificial estão impulsionando a inovação na robótica — expandindo-se para novas indústrias com o surgimento de designs robóticos menores e mais inteligentes. Novos desenvolvimentos em sistemas de visão e tecnologias de sensores exigem aplicativos criativos para robôs nas áreas médica, de armazenamento, segurança e automação de processos. As tecnologias disruptivas criam novas oportunidades para os motores em miniatura resolverem os desafios únicos do mercado de robótica, incluindo o controle previsível de ferramentas cirúrgicas, a navegação segura e eficiente pelos armazéns ou a resistência necessária para completar missões de segurança prolongadas.

Tendências emergentes em robótica

Tendência 1: Mobilidade e impressão
A transição para aplicativos robóticos colaborativos requer que os sistemas sejam móveis, hábeis e compactos. As tarefas normalmente realizadas por mãos humanas levam à necessidade de soluções motoras miniaturizadas que possam imitar o tamanho e as capacidades das mãos usadas para fazer o trabalho. O que isso significa para os produtos de controle de movimento?

Os atuadores robóticos requerem motores pequenos com alta densidade de potência para reduzir o tamanho e o peso geral, principalmente em soluções de múltiplas articulações (pulso, braço, cotovelo, torso). Soluções compactas melhoram a usabilidade, autonomia e segurança (tempo de reação mais rápido devido à menor inércia). Robôs humanoides, braços protéticos, exoesqueleto e garras robóticas normalmente têm requisitos para uma unidade pequena e de alta densidade de potência. A densidade de potência é a quantidade de energia (taxa de tempo de transferência de energia) gerada por unidade de volume do motor. Um motor gerando mais potência em um pacote menor aumenta a densidade de potência, o que é importante onde o espaço é limitado ou onde é necessária a produção máxima em um espaço fixo. A alta densidade de potência permite a miniaturização de mecanismos ou um aumento da capacidade nos projetos atuais, o que é crítico para reduzir o espaço consumido pelos elementos de movimento. A eficiência é fundamental para obter o máximo de potência possível de um determinado projeto, com motores DC sem escova desempenhando um papel importante na redução de tamanho em relação aos motores DC convencionais. Projetos de motores sem ranhuras, combinados com eficientes redutores planetários, oferecem uma unidade muito potente em um pequeno pacote. Quer seja a necessidade de uma configuração curta, plana, de perfil baixo ou um design longo e estreito, as soluções sem escova podem ser projetadas para atender aos requisitos específicos do cliente.

Destreza e agilidade requerem uma resposta dinâmica e operação suave. Os motores DC sem escovas e sem ranhura eliminam o torque de detenção e fornecem movimento dinâmico preciso com motores de baixa inércia. Em aplicações de alta dinâmica que requerem aceleração/desaceleração constante (como robôs delta e sistemas de manipulação), as características de alta aceleração são críticas. Motores DC sem núcleo e motores de passo com disco magnético, com baixíssima inércia, o que os torna a solução certa para tais aplicações.

Motores DC com escova sem ferro de alta eficiência são a melhor escolha para aplicativos móveis alimentados por bateria para estender a vida operacional entre cargas. Muitos aplicativos robóticos funcionam com bateria, portanto, exigem motores muito eficientes (até 90%) para fornecer um tempo de execução mais longo. Certas aplicações requerem alto torque em velocidades mais baixas, que podem ser obtidos combinando o motor com uma caixa de redução altamente eficiente (até 90%). Projetos ineficientes de caixa de redução afetam negativamente a eficiência geral do sistema, diminuindo o tempo de operação da bateria, ao mesmo tempo em que aumentam os custos.

Tendência 2: Solidez e vida prolongada
Os sistemas robotizados utilizados em aplicações inóspitas para humanos podem precisar suportar condições ambientais difíceis, incluindo choques e vibrações. A construção do motor desempenha um papel importante na confiabilidade e durabilidade. Motores com carcaças e flanges de metal são adequados para aplicações em ambientes adversos, incluindo vigilância, inspeção de dutos e esgotos industriais, patrulha da rede elétrica e veículos autônomos guiados em depósitos. Quando sob estes extremos de temperatura/pressão e outras condições perigosas, um motor bem projetado proporcionará vida útil adicional em relação aos motores padrão. Os robôs em aplicações cirúrgicas devem suportar ciclos repetidos de alta temperatura e pressão durante o processo de esterilização. Para atender a essas demandas, o projeto do motor inclui encapsulamento de componentes eletromecânicos e eletrônicos. As atualizações de design podem estender a vida útil do motor várias vezes, permitindo que o robô cirúrgico conclua muito mais cirurgias antes que a manutenção do controle de movimento seja necessária.

Tendência 3: Segurança e análise
Robôs colaborativos, trabalhando lado a lado com humanos, devem operar com segurança e previsibilidade quando confrontados com um obstáculo. Dispositivos de feedback, como encoders, termistores e sensores de corrente têm a função de proteger o operador, o paciente e o robô. Encoders de alta resolução fornecem a precisão necessária para atingir posições críticas repetidamente, melhorando o rendimento ao longo de um turno de trabalho. Termistores e outros dispositivos de temperatura alertam os operadores quando os limites de temperatura estão prestes a ser excedidos, permitindo que as operações sejam interrompidas temporariamente para determinar a origem do problema e as correções concluídas. Na linha de produção, uma falha do robô pode significar perda de produtividade. Por isso, a análise fornecida economizará tempo e dinheiro. Sensores de corrente de precisão podem detectar interações inadvertidas com o pessoal, parando o robô rapidamente antes que qualquer dano ou lesão ocorra.

Muitos sistemas robóticos também coletam vários dados relacionados ao trabalho concluído, bem como autodiagnóstico para facilitar a manutenção preditiva. Sensores térmicos ou de força integrados aos motores fornecem dados em tempo real para melhorar a produtividade, identificando rapidamente desvios esperados nos níveis de força. Uma força maior do que a esperada necessária para concluir a instalação de um parafuso pode alertar o sistema sobre um problema pendente, permitindo uma atualização rápida do sistema para continuar a produção. O aumento do consumo de corrente ao longo do tempo pode instituir ciclos de manutenção preventiva preditiva. Um robô cirúrgico forneceria os detalhes para uma substituição do motor para evitar a parada inesperada durante uma operação.

Tendência 4: Autonomia e controle multieixo
O futuro da robótica é continuar incorporando autonomia e aprendizado de máquina. Os aplicativos de armazenamento dependem de pedidos mais rápidos para enviar tempos com veículos autônomos que contam com navegação automática e informações precisas para operar com segurança. LiDAR (imagem, detecção e alcance de luz) é usado para capturar imagens 3D do ambiente durante a digitalização em taxas de atualização muito altas e contando com feedback de alta resolução com latência mínima. Sistemas de detecção óptica de fino alcance, juntamente com processadores de interpolação de alta capacidade, fornecem informações de posição incremental (16 a 20 Bits) em tempo quase real com um erro mecânico na faixa de 0,25 graus mecânicos. O uso de novas tecnologias de sensores, em conjunto com os mais recentes designs de motores otimizados, permite inovações quanto a onde e como os veículos autônomos podem operar.

Quando as tarefas que tradicionalmente exigiam intervenção humana são substituídas pela automação, a solução robótica requer a coordenação de vários eixos de movimento e, em alguns casos, a orientação de um sistema de visão. Aplicativos multieixo, como robôs cirúrgicos, estão aproveitando os protocolos de comunicação de interface serial (como BiSS ou SSI) que permitem conexões em cadeia de encoders para minimizar a complexidade da fiação. Mecanismos volumosos são simplificados pela incorporação de tecnologia de motor em miniatura juntamente com avanços na tecnologia de sensor contendo recursos de interface serial. Encoders com comunicação de interface serial fornecem informações de posição absoluta baseadas em tecnologia de detecção magnética, com resolução típica de 14 bits e precisão na faixa de 1 grau mecânico.

Tipos de motor em miniatura

O mercado de robótica é um grande consumidor de atuadores elétricos para executar movimentos. Diferentes tipos de motores, caixa de redução e encoders são usados e selecionados de acordo com os requisitos da aplicação, incluindo motores DC com escova sem ferro (corrente contínua), motores DC sem escova com e sem ranhuras e motores de passo, que incluem motores Can Stack, híbrido e com disco magnético. Cada tecnologia de motor tem benefícios exclusivamente adequados para suas respectivas aplicações de robótica.

Aplicações de robótica adequadas para motores em miniatura

Dispositivos cirúrgicos modernos — tanto ferramentas manuais tradicionais quanto dispositivos assistidos por robôs — têm requisitos de movimento extremamente exigentes e exatos. Esses requisitos podem ser atendidos trabalhando com um fornecedor de motores que tenha a amplitude necessária de tecnologia e vasta experiência com ferramentas manuais cirúrgicas tradicionais e dispositivos cirúrgicos assistidos por robô.

Robôs de serviço
Os aplicativos robóticos estão assumindo novas funções na inspeção não tripulada, segurança e patrulhamento em ambientes operacionais que não são seguros para humanos ou são altamente repetitivos. Esses sistemas vão muito além de apenas fornecer câmeras fixas e sistemas de alarme do passado. Os usos típicos incluem vigilância e inspeção de dutos e esgotos industriais, patrulha da rede elétrica e veículos autônomos guiados em depósitos.

Os motores DC com escovas e sem núcleo e os motores DC sem escovas, junto com caixa de redução e encoders complementares, são a solução de movimento ideal para fornecer alto torque e tempo de operação de bateria estendido em um pacote leve.

LiDAR
A tecnologia LiDAR permite que as máquinas acessem as condições ambientais atuais em 3D, desenvolvam uma resposta e, então, naveguem pela situação. As máquinas que usam LiDAR variam de pequenos robôs de serviço a grandes veículos autônomos, com o sistema LiDAR ideal sendo compacto, leve, preciso e econômico. Os clientes preferem configurações de motor plano para compactação e peso mínimo e encoders de média a alta resolução para feedback de precisão.

Pinças elétricas
Durante a última década, a conversão da tecnologia pneumática para elétrica na preensão industrial ganhou popularidade, pois as garras elétricas permitem um melhor controle da posição do dedo da garra, detecção de aderência e controle da força e velocidade de preensão.

Os motores DC sem escovas, juntamente com caixa de redução e encoders complementares, oferecem alta densidade de potência, baixa inércia, alta precisão e baixo peso necessários para atender aos requisitos da aplicação.

Robôs cirúrgicos
As aplicações de robôs cirúrgicos têm requisitos exclusivos em relação ao tamanho compacto, baixo peso, alta densidade de potência e esterilização. Embora nem todos os motores em um sistema robótico cirúrgico exijam uma solução esterilizável, outros requisitos podem se concentrar na solidez e durabilidade do motor, como em aplicações de autoclave. Nessas aplicações, os componentes eletrônicos (estator e componentes eletrônicos de comutação) são totalmente encapsulados em um epóxi termofixo, garantindo que as altas temperaturas e pressões encontradas no ambiente de autoclave a vapor não afetem adversamente os componentes eletrônicos.

No crescente campo dos robôs cirúrgicos, um alto grau de variabilidade torna inviável a criação de uma solução única para todas as aplicações do cliente. Mesmo dentro do sistema do cliente, pode haver diferenças distintas nos tipos de motores que estão articulando os vários eixos ou acionadores. Essas especificações exclusivas exigem soluções altamente personalizáveis (tanto elétrica quanto mecanicamente) para atender às necessidades do sistema robótico do cliente. A personalização do design para um aplicativo do cliente garante que as metas de desempenho sejam atendidas dentro de um tamanho de pacote definido. Compreendendo os pontos de carga de restrição, pode ser desenvolvida uma solução que atenda ao equilíbrio ideal de torque e velocidade no design mais compacto e leve possível.

Conclusão

A Portescap é uma empresa única que desenvolve diferentes tecnologias de motor, caixa de redução e encoder para fornecer a melhor solução para clientes com requisitos de energia abaixo de algumas centenas de watts mecânicos.

As ofertas de multitecnologia e experiência em colaboração da Portescap são grandes vantagens para os clientes — fornecendo várias opções de tecnologia para uma aplicação, cada uma oferecendo vantagens específicas para atender aos requisitos críticos. Os especialistas da Portescap, com décadas de experiência na solução das aplicações de movimento mais desafiadoras, criam soluções robóticas personalizadas e econômicas que não são possíveis com um motor padrão.

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Figura 1- Tipos de motor em miniatura