回転エンコーダーの改良により、モバイルロボットの省電力化

2017年10月3日Jeff Smoot著

回転エンコーダーの改良により、モバイルロボットの省電力化

商業用モバイルロボットは、機器やサービスの広大な市場を生み出す可能性を秘めています。近年の研究によると、空中ドローンの機会だけで$18億以上2022以上に飛躍することが期待されています。地上では、人間よりも迅速かつ費用対効果の高い作業をする移動ロボットが、工業、商業、国内向けなど、さまざまな状況下で利用されています。人間には不適切な環境や、反復作業または物理的に要求の厳しい作業から作業者から解放するために、協力的な役割を果たしています。

一部の企業では、他社に先駆けて、すでに効率性を向上させ顧客サービスを改善させるために移動ロボットの使用を促進しています。その一例がアマゾンです。同社の多くの倉庫では、ロボットが選んだ箱を作業者がピッカーに直接持ち込むために困難な取り出しや持ち運びを行っています。次にピッカーは、ロボットが適切な場所に箱を返す前に、精密に進化した人間の認知や運動の技能を適用して、希望する製品を選択します。アマゾンが実店舗の小売業者からシェアを獲得し続け、食料品市場に参入するなか、このアマゾンの倉庫内だけでモバイル・ウェアハウス・ロボットの需要が急増すると予測されます。

移動にはバッテリー駆動が必要であり、その結果、車両全体のエネルギー効率が動作範囲を最大化するための重要な関心事となっています。ロボットの長時間作業やフル稼働での長距離移動を可能にするためには、限られた電力予算を慎重に管理することが不可欠です。これは、食糧援助を提供するためにできる限り長距離の移動を求められるドローン、オペレーターの収益を向上させるため最大限の稼働時間を提供しなければならない倉庫のアシスタント、あるいは充電1回あたりの作業量が市場での需要に直結する掃除機や芝刈機などの家庭用ロボットなど、あらゆる種類のロボットに当てはまる事実です。さらに、効率を高めることで設計者は、ロボットにより小型のバッテリを搭載して費用、サイズ、重量を自由に管理することができます。

いつでもどこでも省エネルギーを実現

飛行範囲や動作時間の根本的な改善には、オンボードのサブシステム全体にわたって細かいエネルギー節約が必要となります。多くの場合、移動ロボットは、カメラ・ジンバルのようなアクチュエータまたは配置メカニズムを作動させるためのいくつかの電気モーターを備えており、モータコントローラ効率がわずかに向上しただけでも、全体的な利得を大幅に改善することができます。モーターの制御と整流は、ローターの角変位を常時把握することに大きく依存しています。この作業を達成するには、光学エンコーダーが一般的な選択ですが、最低消費電力から最高消費電力までの消費電流が2倍以上になります。さらに、正しい動作を保証するために定期的なクリーニングが必要となります。磁気エンコーダーを使うでメンテナンスの回数を減らすこともできますが、これもまた電力を消費します。

容量性ベースの回転エンコーダーにより消費電力を削減

容量技術に基づくCUIのAMT回転エンコーダーは、電力効率に優れた代替品です。デジタル式ノギスと同じ動作原理を採用したセンサーは、可変コンデンサを形成する固定本体と1つの可動要素から構成されています。エンコーダーが回転すると、このコンデンサは、シャフトの位置と回転の方向を計算するために使われる独自の予測可能な信号を生成します。

AMT10エンコーダーは、同等の光学エンコーダーの電流の10分の1未満を引き出しますが、これはマルチ・モータシステムで大幅な省電力を実現します。AMT10と競合する光学磁気エンコーダーと磁気エンコーダーの例を比較したものが以下の表です。

エンコーダーのモデル タイプ 動作電圧 最高解像度での電流 4モーター・システムの動力
AMT10 容量性 5V 6mA 0.12W
競合他社 1 光学式 5V 85mA 1.7W
競合他社 2 磁気 5V 160mA 3.2W
容量技術を使う回転エンコーダーは、光学または磁気で消費される電力の10%未満が必要です

容量ベースの回転エンコーダーは、他のオンボードサブシステムのすべてのニーズを満たすために十分な電力を節約するだけでなく、サービス頻度も光エンコーダーより少なくなります。ただし、精度を回復するためにクリーニングが必要になる場合があります。磁気エンコーダーは、耐久性に優れているものの光学式または容量式よりも精度が低く、光学エンコーダーのほぼ2倍の電力消費が必要となる可能性があります。

ロボットにさまざまなタスクに対する複数のモーターが搭載されている場合は、光学式または磁気式ローター位置エンコーダーのすべてを容量エンコーダーに置き換えることで、全体の電力予算から節約してGPSモジュール、無線通信、またはセンシングのようなサブシステムを実行することが可能です。これにより、より多くのバッテリーのエネルギーを使用して、車両の動作範囲を拡大することができます。

容量技術を利用した回転エンコーダーは、エキサイティングなモバイルロボットの発展にはさほど貢献しませんが、消費電力の節約を可能にします。さらに一般的に言えば、様々なアプリケーションの作成者が現在直面している厳格な新しい効率規制を満たすのに役立てることもできます。欧州連合のIEC 60034 - 30 -1標準がその一例です。しかし、これらの小型でエネルギー効率の良い機器のおかげで、モーター駆動の機器はどこでもこれまで以上に少ない電力でさらに長時間の稼動を実現できます。

役に立つリソース

「Energy-Conscious Sensing for Mobile Motor Drives」の技術論文の全文をお読みください
この注目製品で容量回転エンコーダー技術の詳細をご覧ください
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Jeff Smoot

Jeff Smoot

アプリケーション・エンジニアリングおよびモーション・コントロール担当副社長

2004年にCUIに入社して以来、Jeff Smootは製品の開発、サポートおよび市場投入に重点を置いて、同社の品質管理およびエンジニアリング部門を活性化してきました。顧客の成功を第一に考えたJeffはアプリケーション・エンジニアリングチームの立ち上げを主導し、設計プロセスにおけるエンジニアに対し、現場やオンラインでのエンジニアリング設計・技術サポートを強化しました。仕事以外では、アウトドア(スキー、バックパッキング、キャンプ)を楽しみ、妻や4人の子供と共に時間を過ごします。そしてJasonはずっとデンバー・ブロンコスを応援しています。

 
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