Основной материал относится к области робототехнических манипуляционных систем и приводных устройств для исполнительных звеньев, в частности к бесколлекторным моментным электроприводам с постоянными магнитами (PMSM‑моментные приводы). Ключевыми аспектами исследования являются массогабаритные, энергетические и динамические характеристики приводов, а также их влияние на точность и быстродействие робототехнических манипуляторов.
Смежными областями, в которых изложенные идеи могут быть использованы, являются:
- приводы для антенных и поворотных платформ;
- электроприводы для экзоскелетов и медицинской робототехники (реабилитационные системы, робот‑ассистированные манипуляторы);
- сервисные и антропоморфные роботы, где критичны компактность, низкий уровень шума и безопасность взаимодействия с человеком;
- приводные системы прецизионных позиционных столов, оптических и радиолокационных платформ, где важны высокий момент при низкой скорости и малая инерция.
Актуальность темы обусловлена ростом требований к удельным энергетическим, массогабаритным и динамическим показателям приводов в условиях ограниченного пространства и необходимости безопасного взаимодействия с человеком. В современных робототехнических манипуляторах всё чаще требуется достигать высокой точности позиционирования, малой инерции звеньев и высокой энергоэффективности, что ограничено габаритами и массой традиционных PMSM‑мотор‑редукторных агрегатов.
Кроме того, при использовании редукторов возникают пульсации момента, эластичные связи и люфты, негативно влияющие на динамическую точность и безопасность контакта с человеком. В связи с этим возникает необходимость замены классических цилиндрических приводов на более компактные, высокомоментные и практически «безредукторные» решения, к которым относятся моментные PMSM‑приводы.
Существующие подходы к построению приводов для робототехнических манипуляторов включают:
- цилиндрические PMSM‑двигатели с гармоническими или планетарными редукторами — обеспечивают высокий момент на выходном валу, но увеличивают массу, размеры и механические потери, а также эластичные связи и люфты;
- шаговые двигатели и BLDC‑приводы со встроенными редукторами — применяются в менее ответственных и низкодинамичных системах, но имеют ограниченный диапазон моментов и высокую чувствительность к пульсациям;
- гидроприводы и пневмоприводы — используются в тяжёлых промышленных манипуляторах, но характеризуются низкой удельной энергоэффективностью и сложностью систем обслуживания.
Анализ показывает, что ни один из этих подходов не позволяет одновременно обеспечить высокий удельный момент, малую инерцию, компактность и высокую динамическую точность без использования редуктора. При этом для задач взаимодействия с человеком и прецизионных технологических операций редукторы и эластичные связи становятся существенным ограничением.
Моментные PMSM‑приводы рассматриваются как перспективный подход, поскольку совмещают высокий момент‑на‑массу, высокий КПД и возможность уменьшения или исключения редуктора, что соответствует современным требованиям к приводам робототехнических манипуляторов.
Основная идея заключается в использовании бесколлекторных моментных электроприводов с постоянными магнитами как основного источника вращающего момента исполнительных звеньев робототехнических манипуляторов. Концептуально это означает переход от классических цилиндрических PMSM‑мотор‑редукторных агрегатов к аксиальным синхронным машинам, интегрируемым непосредственно в конструкцию звена манипулятора.
Принцип работы устройства:
- активная зона формируется в аксиальном зазоре между торцевыми поверхностями статора и ротора, что обеспечивает аксиальное направление магнитного потока;
- магнитное поле статора вращается в торцевой плоскости, создавая высокий вращающий момент при низкой скорости;
- электромагнитный момент определяется усреднённым значением произведения магнитной индукции зазора и линейной плотности тока обмоток статора по активной поверхности статора.
Используемые узлы и агрегаты:
- бесколлекторный синхронный электродвигатель с постоянными магнитами на роторе (NdFeB или SmCo);
- многофазный инвертор с широкополосным ШИМ‑управлением;
- датчики положения (энкодеры) и/или силомоментные датчики;
- управляющий микроконтроллер с реализацией алгоритмов векторного или поля‑ориентированного управления и трапециевидной коммутации.
Для обоснования преимуществ моментных приводов используется анализ энергетических и динамических зависимостей, а также сопоставление с традиционными PMSM‑мотор‑редукторными агрегатами. Основные аналитические зависимости:
1. Электромагнитный момент:
2. Электромеханическая постоянная времени:
3. КПД:
для моментных приводов с высококоэрцитивными магнитами и отсутствием потерь в роторной обмотке возбуждения η достигает 94–96% в широком диапазоне нагрузок.
Кинематическая схема: манипулятор рассматривается как последовательная цепь вращательных звеньев, каждое из которых приводится в движение моментным PMSM‑приводом, интегрированным в сочленение звена (аналогично запястью, плечу, бедры и т.п.). Структурная схема замкнутой системы управления включает: датчик положения, силомоментный датчик (при наличии), контроллер, инвертор и моментный двигатель, образующие замкнутый электромеханический контур с высокой полосой пропускания.
Правильность и эффективность основной идеи подтверждаются:
- расчётными оценками удельного момента, электромеханической постоянной времени и КПД:
- удельный момент достигает 0,4–0,45 Н·м/А (по фазному току);
- электромеханическая постоянная времени — порядка нескольких миллисекунд;
- КПД в диапазоне 20–80% нагрузки — до 94–96%.
- экспериментальными данными и практическим опытом внедрения моментных приводов в промышленные и сервисные робототехнические системы, включая антенные и манипуляторные комплексы.
Сравнительный анализ с традиционными PMSM‑мотор‑редукторными агрегатами показывает:
- повышение удельного момента и снижение массы и габаритов по оси вращения;
- снижение механических потерь и люфтов, а также повышение динамической точности и устойчивости системы.
Эти результаты подтверждают адекватность предложенной концепции и её применимость для робототехнических манипуляторов.
Основная идея находит применение в следующих областях:
- антропоморфные и сервисные манипуляторы для взаимодействия с человеком;
- медицинские роботы и реабилитационные системы (экзоскелеты, силомоментные манипуляторы);
- приводы запястий, плеч, бёдер и голеней в гуманоидных системах;
- опорно‑поворотные узлы и вращательные платформы, требующие высокого момента при низкой скорости и минимальных габаритах.
Ограничения:
- повышенные требования к охлаждению и теплорассеянию при длительных режимах работы с большими токами;
- необходимость учёта эффектов частичного размагничивания при высоких температурах и перегрузках;
- сложность точной оптимизации магнитной системы и топологии обмоток для минимизации пульсаций момента и магнитного рассеяния.
Основные выводы сводятся к тому, что применение моментных бесколлекторных PMSM‑приводов с постоянными магнитами позволяет существенно повысить удельные массогабаритные, энергетические и динамические характеристики звеньев робототехнических манипуляторов, а их использование в задачах взаимодействия с человеком, силомоментного очувствления и прецизионного позиционирования демонстрирует высокую точность, малую инерцию и устойчивость к внешним возмущениям. При этом сравнение с традиционными PMSM‑мотор‑редукторными агрегатами показывает очевидные преимущества по удельному моменту, КПД, массе и механическим потерям, что делает моментные приводы более перспективным решением для современных робототехнических систем.
В связи с этим целесообразно развивать интеграцию силомоментных датчиков в моментные приводы для обеспечения высокоточного позиционного и силового управления, а также вести работу по оптимизации магнитных систем с учётом нелинейных эффектов насыщения и частичного размагничивания. Перспективным направлением представляется совершенствование алгоритмов бездатчикового управления и адаптация алгоритмов векторного и поля‑ориентированного управления под конкретные кинематические схемы и задачи манипуляторов на базе ATDS и аналогичных платформ.
АО «НПО «Андроидная техника» (входит в АО «Корпорация Робототехники») имеет многолетний опыт производства электродвигателей. Предприятие серийно выпускает высокомоментные синхронные бесколлекторные электродвигатели с постоянными магнитами серии АТ Drive в корпусном и бескорпусном исполнении мощностью от 60 Вт до 10,7 кВт. Технические характеристики электродвигателей позволяют в определенных случаях проектировать безредукторные схемы, что значительно увеличивает срок службы изделия. Электродвигатели серии АТ Drive отличаются высокой энергоэффективностью и способствуют снижению энергозатрат конечного продукта.
С 2024 года на предприятии серийно производятся синхронные бесколлекторные электродвигатели с постоянными магнитами ATМ 675х126Т для станков мощностью 16 кВт, которые высоко оценили профильные организации-потребители.
В 2025 году АО «ПК НПО «Андроидная техника» выпущена новая линейка сервоприводов ATDS, аналоги которых российского производства на сегодняшний день отсутствуют. Высокоточные приводные системы подходят для широкого спектра применения.
Возможность замены иностранных комплектующих на отечественные с целью снижения зависимости от поставщиков комплектующих западного производства и уменьшения влияния политических и валютных рисков. Применение электродвигателей серии AT Drive, включенных в реестр отечественной промышленной продукции в соответствии с Постановлением Правительства от 17.07.2015 г. № 719, позволит снизить российским производителям адвалорную долю конечного изделия и откроет возможности для получения различных видов государственной поддержки.