ได้มีโอกาสมาทบทวน และรวบรวมข้อมูลของ Drive ที่ใช้ใน robot นั้นมีกี่แบบ และจุดเด่น / จุดด้อยเป็นอย่างไรโดยขอเขียนถึงกลไกชนิด rotary เท่านั้น
1.Direct-Drive
หมายถึง motor ที่พัฒนาแบบพิเศษให้มี แรงบิด และ Stiffness ที่สูงเพื่อใช้ขับ load ได้โดยตรง และไม่ต้องมี reduction (เช่น gearbox) หรืออุปกรณ์ส่งกำลังใดๆ Direct-Drive นั้นมีหลากหลายชนิด เช่น
แบบ Core, Outer Rotor ดู pic1 หรือ
แบบ Coreless, Inner Rotor ดู pic2 หรือ
แบบ Core, Inner Rotor ดู pic3 เป็นต้น
บทความนี้คงไม่ลงลึกว่าแต่ล่ะแบบใช้อย่างไร แต่ขอพูดในภาพรวมเป็นสำคัญ
จุดเด่น
1.มีประสิทธิภาพสูง และคงที่
จากที่นำ load (mechanism) มาติดตั้งโดยไม่ต้องมีอุปกรณ์อื่น เช่น gearbox หรือ coupling เป็นต้น ทำให้ประสิทธิภาพทางกลได้เต็มร้อย และคงที่
ลองคิดถึงระบบที่ต้องมี gearbox หรือ coupling ประสิทธิภาพทางกลจะลดลง และไม่คงที่ เช่นถ้าใช้ harmonic gear ประสิทธิภาพจะขึ้นกับอัตราส่วนของ load torque กับ rated torque และ ความเร็วรอบ เป็นต้น
2.ว่องไว/รวดเร็ว (Agility/Faster) และแม่นยำ (precise positioning)
-ว่องไว/รวดเร็ว (Agility/Faster)
ถ้าคุณต้องการระบบกลไกที่ตอบสนองแบบทันทีทันได และยังคงใว้ซึ่งความแม่นยำสูง Direct-Drive ตอบสนองคุณได้อย่างดี เพราะอะไรหลายท่านคงสงสัย ?
เพราะ mass moment of inertia ของระบบน้อยลงอย่างมาก
เพราะ เมื่อไม่มี gearbox หรือ coupling หรือกลไกส่งกำลังอื่นๆ ย่อมไม่ต้องมาห่วงกับ Stiffness และ Damping ของกลไกส่งกำลังอีกต่อไป ทำให้ควบคุม motor ที่ความเร่งเชิงมุมสูงๆได้ และยังคงแม่นยำ
**เมื่อ mass moment of inertia ของ load น้อยลง Acceleration/Deceleration Torque ย่อมน้อยลง
-แม่นยำ (precise positioning)
gearbox ไม่ว่าจะเป็น harmonic gear หรือ planetary gear หรือ cycloidal gear หรือ coupling เป็นต้น ทั้งหมดที่กล่าวมามี backlash / hysteresis loss จะมีมาก หรือมีน้อยก็ย่อมมี โดยส่งผลให้ ความแม่นยำลดลง และเกิด Vibration absorbers โดยไม่ได้ตั้งใจเป็นการเพิ่ม Damping ให้กับระบบโดยที่ไม่อยากได้
3.อายุยืนกว่า (Longer lifetime)
อายุของ Servo motor โดยส่วนใหญ่ มีอายุที่ 20,000 ชั่วโมง ส่วนอายุของ brake จะสั้นกว่า(แต่ปกติจะใช้น้อยกว่า) แต่เมื่อเทียบกับ อายุของ gearbox ไม่ว่าจะเป็น harmonic gear หรือ planetary gear หรือ cycloidal gear อายุจะสั้นกว่านี้ ส่วนใหญ่ 5000-7000 ชั่วโมง ซึ่งเป็นข้อจำกัดของ bearing หรือบางกรณีเสียหายที่ gear แบบสึกกร่อนที่ผิวเฟือง (Pitting) และยิ่ง gearbox ต้องทำงานที่ความเร็วสูงเท่าไร อายุก็ยิ่งสั้นเท่านั้น
4.เสียงไม่ดัง
5.เหมาะกับทุกระบบควบคุม (Control modes)
ไม่ว่าคุณจะเอาไปควบคุมแบบไหน Position, torque, impedance, velocity หรือ current control ก็ได้หมด ถึงแม้ว่า drive แบบ motor+gearbox หรือแบบอื่นๆจะสามารถใช้ Control modes ที่กล่าวมาได้ แต่จะเกิดปัญหาเรื่อง back drivability เพราะกลไกพวกนี้ มีแรงเสียดทาน มี mass moment of inertia ดังนั้นเมื่อออกแรงย้อนกลับย่อมต้องเกิดแรงต้าน และต้องใช้ค่าพวกนี้มาคิด ซึ่งเพิ่มความยุ่งยาก
** ปัญหา back drivability ของ drive แบบ motor+gearbox จะขึ้นกับชนิด gearbox และค่า backlash / hysteresis loss ว่ามีมากน้อยแค่ไหน
6.ใช้พื้นที่น้อย ? และติดตั้งง่าย
อันนี้ต้องดูเป็นรุ่นๆ ไปเพราะ Direct-Drive บางรุ่นมีมวล และขนาดใหญ่กว่า motor+gearbox เมื่อเทียบที่ Torque/speed เดียวกัน แต่ติดตั้งง่ายนี่แน่นอน
จุดด้อย
1.ราคาสูง2.mass moment of inertia Load ยิ่งสูงยิ่งใหญ่
ถ้าคุณต้องการไปใช้กับงานที่ มี mass moment of inertia สูงๆ คุณก็ต้องยอมรับขนาดที่ใหญ่ และหนักของ Direct-Drive ได้
3.Stiffness ?
สำหรับงานที่ load ก่อให้เกิด axial load และ radial load แบบ static มากๆ Stiffness ของ Direct-Drive อาจไม่พอ หรืออาจต้องใช้ขนาดที่ใหญ่เกินกว่าที่คำนวนเพื่อมารองรับ axial load และ radial load ที่สูงให้ได้
4.ไม่มีช่องว่างสำหรับความผิดพลาด
ในระบบที่ใช้ gearbox หรือ coupling นั้นยังมีอุปกรณ์ที่เสียหายแทน motor ในกรณีนี้คุณยังพอคำนวนผิดพลาดได้ แต่เมื่อใช้ Direct-Drive ถ้าคุณคำนวนผิดจะเกิดผล คือ พัง หรือไม่ อายุจะสั้นกว่าที่ควรเป็น
ปัจจุบัน Direct-Drive เริ่มมีให้เห็นมากขึ้น แต่ถ้าพิจารณาในหุ่นยนต์อุตสาหกรรมกรรมนั้น ผู้เขียนเองยังไม่พบแบรนด์ไหนที่ใช้ Direct-Drive มาเป็นชุดขับ ส่วนด้านหุ่นยนต์เดิน(รุ่นจำหน่ายจริง หรือใกล้จำหน่าย) ก็ยังไม่พบว่ามีการใช้ Direct-Drive ซึ่งในอุตสาหกรรมจะเห็น Direct-Drive ใช้ในพวก Workpiece Positioner (index table) และเครื่องจักรอัตโนมัติที่ต้องการความแม่นยำสูงมาก และทำงานเร็วมากในอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์ซะเป็นส่วนใหญ่
ในตอนต่อๆไป จะเขียนถึงชนิดชุดขับเคลื่อนที่เหลือ
--motor+gearbox
--Series Elastic Actuators
--Quasi-Direct-Drive