Densità di potenza nella robotica

È tutta una questione di coppia: robot per l'ispezione di tubi e condotte, robot di salvataggio in zone devastate, robot umanoidi... hanno tutti una cosa in comune - si tratta di robot mobili in grado di aiutare le persone. In questo articolo vi spieghiamo nel dettaglio alcuni dei requisiti della tecnologia di azionamento.

Uno dei requisiti base per gli azionamenti dei robot mobili è l'elevata densità di potenza. Per i robot questo significa solitamente una coppia elevata a fronte del minimo ingombro possibile. Per quanto riguarda la velocità, in generale nel campo della robotica sono sufficienti velocità inferiori a 1000 rpm, anche per i movimenti rapidi.

Motori DC: elevata densità di potenza

Solitamente i motori DC sono la prima scelta quando si tratta di avere una densità di potenza elevata. L'elevata coppia di spunto li rende ideali per le applicazioni di accelerazione. Un esempio tipico di motori DC? I motori maxon “ironless” con o senza spazzole. Questi modelli ad alta velocità estremamente efficienti di solito sono stretti e lunghi e presentano una coppia relativamente bassa. Per ottenere le coppie elevate richieste nella robotica, i motori vengono combinati con riduttori.

Se sono richiesti movimenti lineari con forze elevate, è possibile ricorrere a un design meccanico adeguato con rapporto di riduzione elevato senza incidere negativamente sui vantaggi dei motori ad alta velocità. Gli esempi di prodotti comprendono viti senza fine a passo ridotto e azionamenti cablati con puleggia di rinvio di piccole dimensioni.

Motori multipolo: coppia maggiore

È possibile ottenere coppie maggiori aumentando il numero dei poli magnetici. I motori maxon EC-4pole sono il primo passo verso i motori multipolo. In questo caso l'impiego di poli magnetici aggiuntivi comporta una maggiore complessità in fase di progettazione e assemblaggio. I motori DC brushless tradizionali con nucleo in ferro con fessure sono spesso progettati in versione multipolo, di conseguenza tendono a fornire velocità inferiori in presenza di coppie più elevate.

Motori EC flat:  quando potenza fa rima con convenienza

I motori flat multipolo maxon sono quelli che più soddisfano in assoluto l'ideale per la robotica. Questi motori a rotore esterno generano la forza alla massima distanza possibile dall'asse di rotazione, con una conseguente densità di potenza relativamente alta a velocità moderate. Tuttavia anche l'inerzia del rotore è elevata, con conseguente limitazione della dinamica. Il robot per la pulizia sottomarino Hullbug è un esempio di applicazione dei motori flat. Il tradizionale avvolgimento multitooth con nucleo in ferro e l'impiego di un magnete ad anello permanente isotropico magnetizzato in un'unica fase permettono di risparmiare costi di fabbricazione dei motori EC flat. Non viene quindi eseguito il complesso assemblaggio del magnete ad anello partendo dai singoli componenti.

Motori torque: molti poli, ma molto cari

I motori torque sono un classico esempio di motori con numero di poli particolarmente elevato: si tratta di motori elettrici a bassa velocità e coppia elevata con albero cavo. Spesso sono composti solo da rotore e statore e sono progettati direttamente all'interno dell'applicazione. In questo modo non sono necessari riduttori, cinghie, giunti o cuscinetti. Questi azionamenti diretti non presentano gioco e solitamente vengono impiegati nelle applicazioni dinamiche con controllo preciso. Gli azionamenti lineari sono invece un caso speciale. Dati i numerosi poli, i motori torque necessitano di frequenze di commutazione elevate. Il calore generato deve essere quindi dissipato tramite raffreddamento ad acqua.

Anche se i motori torque soddisfano alla perfezione i requisiti di coppia e dinamicità della robotica, l'assenza di una standardizzazione e le conseguenze importanti per la progettazione fanno sì che siano prodotti costosi. Di conseguenza per i robot vengono preferite combinazioni motore/riduttore modulari flessibili. Il tipo di motore e il design vengono selezionati a seconda dei requisiti specifici di potenza, spazio e, non da ultimo, costo.

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