Drehcodierer-Verbesserungen sparen Energie in mobiler Robotik

3. Oktober 2017 von Jeff Smoot

Drehcodierer-Verbesserungen sparen Energie in mobiler Robotik

Die kommerzielle mobile Robotik hat das Potenzial, riesige Märkte für Ausrüstung und Dienstleistungen aufzubauen. Allein die Geschäftschancen für Flugdrohnen sollten nach jüngsten Forschungen bis 2022 auf über 18 Milliarden US-Dollar ansteigen. Auf dem Boden werden mobile Roboter in einer enormen Vielfalt von Szenarien eingesetzt – industriell, kommerziell und häuslich –, um Aufgaben schneller und kostengünstiger als Menschen zu erledigen, um in Umgebungen zu arbeiten, die für Menschen ungeeignet sind, oder um kollaborative Rollen zu übernehmen und Arbeiter von sich wiederholenden oder körperlich anspruchsvollen Aufgaben zu entlasten.

Einige Unternehmen bereiten bereits den Weg für den Einsatz der mobilen Robotik, um die Effizienz zu steigern und den Kundenservice zu verbessern. Ein Beispiel ist Amazon. In vielen Lagerhallen des Unternehmens erledigen Roboter das mühsame Abrufen und Tragen, um ausgewählte Behälter direkt zu den menschlichen Kommissionierern zu bringen. Der Kommissionierer nutzt dann seine fein entwickelten menschlichen kognitiven und motorischen Fähigkeiten und wählt die gewünschten Produkte aus, bevor der Roboter den Behälter wieder an seinen korrekten Ort zurückbringt. Da Amazon auch weiterhin die Anteile stationärer Händler erobert und jetzt auch in den Lebensmittelmarkt einsteigt, wird die Nachfrage nach mobilen Lagerrobotern in diesem Bereich allein den Erwartungen nach in die Höhe schnellen.

Die Mobilität treibt die Notwendigkeit eines batteriebetriebenen Betriebs an. Infolgedessen wird die Energieeffizienz im gesamten Fahrzeug von entscheidender Bedeutung, um den Betriebsbereich zu maximieren. Eine sorgfältige Verwaltung eines begrenzten Leistungsbudgets ist von wesentlicher Bedeutung, damit der Roboter bei voller Ladung länger arbeiten oder weiter reisen kann. Das stimmt, egal, ob es sich um eine Drohne handelt, die so weit wie möglich reisen muss, um Nahrungsmittelhilfe zu leisten, um einen Lagerassistenten, der zur Steigerung der Einnahmen des Betreibers eine maximale Verfügbarkeit zur Verfügung stellen muss, oder um einen Hausroboter wie einen Staubsauger oder Rasenmäher, dessen Marktattraktivität unmittelbar vom Arbeitsvolumen abhängt, das er zwischen dem Aufladen erledigen kann. Größere Effizienz gibt den Designern zusätzliche Freiheit in Bezug auf die Verwaltung von Kosten, Größe und Gewicht, da sie es den Robotern ermöglicht, mit kleineren Batterien weitere Strecken zurückzulegen.

Kleine Einsparungen machen – überall

Sinnvolle Verbesserungen im Flugradius oder bei der Betriebszeit erfordern eine Vielzahl von kleinen Energieeinsparungen über alle On-Board-Subsysteme hinweg. Da mobile Roboter oft über mehrere Elektromotoren verfügen, um Stellantriebe oder Positioniermechanismen wie Kameratragrahmen zu bewegen, kann eine geringe Zunahme bei der Motorsteuerungseffizienz einen viel größeren Gesamtgewinn liefern. Das Steuern und Kommutieren des Motors hängt ganz entscheidend von der Kenntnis der Winkelverschiebung des Rotors zu jedem Zeitpunkt ab. Optische Encoder sind eine beliebte Wahl zum Erledigen dieser Aufgabe. Doch sie können ihren Stromverbrauch von der niedrigsten bis zur höchsten Auflösung mehr als verdoppeln. Außerdem müssen Sie regelmäßig gereinigt werden, um einen korrekten Betrieb zu gewährleisten. Der Einsatz magnetischer Encoder kann dazu beitragen, die Wartungsanforderungen zu reduzieren, aber auch diese können sehr energieaufwändig sein.

Kapazitivbasierte Drehcodierer sparen Energie und mehr

Die AMT-Drehcodierer von CUI basieren auf kapazitiver Technologie und sind eine energieeffiziente Alternative. Unter Verwendung des gleichen Funktionsprinzips wie ein digitaler Vernier-Messschieber umfasst der Sensor einen festen Körper und ein bewegliches Element, die zusammen einen variablen Kondensator bilden. Wenn sich der Encoder dreht, erzeugt dieser Kondensator ein einzigartiges, aber vorhersagbares Signal, das zur Berechnung der Position der Welle und der Drehrichtung verwendet werden kann.

Der AMT10 Encoder verbraucht weniger als ein Zehntel des Stroms eines vergleichbaren optischen Encoders, wodurch in einem mehrmotorigen System erhebliche Energieeinsparungen erzielt werden können. Die nachfolgende Tabelle vergleicht den AMT10 mit Beispielen konkurrierender optischer und magnetischer Encoder.

Encoder-Modell Typ Betriebsspannung Strom bei höchster Auflösung Strom im 4-Motor-System
AMT10 Kapazitiv 5 V 6 mA 0,12 W
Mitbewerber 1 Optisch 5 V 85 mA 1,7 W
Mitbewerber 2 Magnetisch 5 V 160 mA 3,2 W
Drehcodierer mit kapazitiver Technologie verbrauchen weniger als 10 % des Stroms, der von optischen oder magnetischen Drehcodierern verbraucht wird

Kapazitivbasierte Drehcodierer sparen genügend Strom, um die gesamten Bedürfnisse anderer On-Board-Subsysteme zu erfüllen, und benötigen weniger Wartung als optische Encoder, die zur Wiederherstellung der Genauigkeit eine Reinigung erfordern können. Obwohl magnetische Encoder robust sind, sind sie dennoch oft weniger genau als optische oder kapazitive Encoder und können fast zweimal so viel Strom wie ein optischer Encoder verbrauchen.

Wenn ein Roboter über mehrere Motoren für verschiedene Aufgaben verfügt, kann der Austausch aller optischen oder magnetischen Encoder durch kapazitive Encoder die Gesamtspannungsversorgung derart verkleinern, dass ein Subsystem wie ein GPS-Modul, eine drahtlose Kommunikation oder ein Sensor betrieben werden kann. Also kann ein größerer Teil der Akkuenergie zur Erweiterung des Arbeitsbereichs des Fahrzeugs verwendet werden.

Drehcodierer, die die kapazitive Technologie einsetzen, könnten bei der spannenden mobilen Robotik-Revolution eine kleine Rolle spielen, wodurch die Energieeinsparungen viel größer sind, als man sich vorstellt. Genereller gesagt können sie auch Herstellern vieler verschiedener Anwendungen bei der Erfüllung der strengen neuen Effizienzvorschriften behilflich sein, die jetzt in Kraft treten: Ein Beispiel wäre der IEC 60034-30-1 Standard der EU. Doch dank dieser kleinen energieeffizienten Geräte könnte motorgetriebene Ausrüstung überall länger laufen und immer weniger Energie verbrauchen.

Hilfreiche Ressourcen

Lesen Sie den gesamten technischen Beitrag „Energiebewusste Abtastung für mobile Motorantriebe“
Erfahren Sie mehr über kapazitive Drehcodierer-Technologie in unserem Produkt-Spotlight
Sehen Sie sich unsere gesamte Reihe von modularen AMT-Encodern an

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Jeff Smoot

Jeff Smoot

VP of Application Engineering & Motion Control

Seit Jeff Smoot im Jahr 2004 zu CUI stieß, hat er die Qualitäts- und Engineering-Abteilungen der Firma revitalisiert. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der Entwicklung, Unterstützung und Markteinführung von Produkten. Mit dem Fokus auf dem Erfolg des Kunden hat er auch die Einrichtung eines Application-Engineering-Teams vorangetrieben, um den Ingenieuren und Technikern während des Designprozesses online und vor Ort eine bessere Design- und technische Unterstützung zu bieten. Nach der Arbeit genießt Jeff die freie Natur (Skifahren, Rucksackreisen, Camping), verbringt Zeit mit seiner Frau und vier Kindern und ist ein lebenslanger Fan der amerikanischen Football-Mannschaft Denver Broncos.

 
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