Pohony a prevody. Pohony a ich umiestnenie v kĺboch

Transkript

1 Pohony a prevody Pohon droj momentu (sily) pre pohon jednotlivých kĺbov robota (manipulátor, chápadlo, nohy v prípade mobilných robotov...) alebo kolies jeho podvoku -je to ariadenie na riadenú konveriu iného typu energie na mechanickú (typicky elektricko-mechanickú) Pohon sa skladá a nasledujúcich častí: -riadiaca jednotka (v prípade potreby vybavená snímačmi) -jednotka ovládania výkonu (elektronický menič, ventily) -motor -prevod Pohony a ich umiestnenie v kĺboch rotačný motor s guličkovouskrutkou alebo lineárny motor rotačný motor + prevod dopomala aleborotačný motor + guličkováskrutka alebo lineárny motor rotačný motor + prevod dopomala

2 Prevody rodelenie a vlastnosti Prevod ariadenie na konveriu jednej formy mechanickej energie na inú alebo jej prenos od droja do miesta spotreby Prevody sa v robotickej konštrukcii používajú na: -konveriu rotačného pohybu na iný rotačný pohyb s odlišnou rýchlosťou alebo myslom otáčania (pri achovaní alebo mene osi otáčania) -konveriu rotačného pohybu na translačný pohyb a opačne -prenos momentu od motorov (umiestnených blíko ákladne) do vdialeného kĺbu (ápästia) Prevody rodelenie a vlastnosti Najčastejšie používané typy mechanických prevodov: -oubené prevody: ávitovkový prevod, hrebeňový prevod, planétová prevodovka -harmonická prevodovka -cykloidná prevodovka -guličková (valčeková) skrutka -oubené remene (reťaové prevody) Kvôli existencii sklu sa v robotike nepoužívajú trecie prevody ani štandardné remeňové prevody (vhodné len pri rýchlostných systémoch!)

3 Mechanický prevod -gear M 2,ω2 M,ω 1 1 pastorok 1 2 Prevod do pomala - reduktor: (prevod do rýchla multiplikátor) Prevodové číslo ω1 ω 2 = i M = M. 2 1 i η. i = i = 1,2 2 > koleso Dôvody aplikácie prevodu do pomala v konštrukcii robota: -štandardné (elektrické) motory poskytujú príliš malý moment a na druhej strane sa krútia príliš vysokými rýchlosťami... M M X J i opt () i m m m dx i = = () i = = = J i J J = 2 m m M ε J J ε J m m m iε m Optimaliácia prevodového pomeru J ε + i J ε + i = J J i m i + J = 0 2 i M m J m ω m min 1: i J ω 0 i opt i

4 Zložený prevod,ω,ω ,ω4 1,ω 1 2,ω 2 3,ω 3 3,ω = ω ω vložené koleso sa pridáva kvôli: -oddeleniu hnacieho a hnaného kolesa -mene smeru otáčania hnaného hriadeľa i 1,3 =. = η 1,3 =η 1,2.η 2,3 3 1 hnaný hriadeľ predlohový hriadeľ hnací hriadeľ ω1 2 4 i 1,4 = =. ω η 1,4 =η 1,2.η 3,4 Prevodovka rône druhy realiácie rovnobežné osi otáčania rônobežné osi otáčania mimobežné osi otáčania čelné súkolesie s vonkajším oubením spur/helical gear kuželové súkolesie s uhlom osí 90 o bevel gear ávitovkový (šnekový) prevod -worm gear Tvar bočnej krivky ubov: priame, šikmé, šípové, oblúkové... Zväčšovaním stykovej plochy sa nižuje účinnosť, ale narastá aťažiteľnosť. Od hodnoty 90% nadol... Vysoké prevodové čísla + vlastnosť samosvornosti, ale účinnosť len asi 70% vájomná premena rotačného a translačného pohybu, účinnosť až 90% hrebeňový prevod rack and pinion

5 Planétová (epicyklická) prevodovka = Reduktor: -centrálne koleso je vstup -unášač je výstup -korunové koleso je afixované Prevodový pomer i = n n c u = c + c k Prevodové čísla do 1:10 v jednom stupni, účinnosť 80% Harmonická prevodovka Vynáleca WalterMusser Prihláška patentu roku 1955

6 Harmonická prevodovka harmonic drive oválny hnací disk s pružným krúžkom pružné púdro pevný prstenec Reduktor - najbežnejší variant: -pevný prstenec je afixovaný -oválny hnací disk je vstup -pružné púdro je výstup Prevodový pomer pruž i = pev pruž = 2 pev pruž Výhody: prevodové čísla až do 1:300, účinnosť až 90%, kompaktnosť Nevýhody: pružnosť a vlnenie momentu, len na vyššie prevod. pomery Cykloidná prevodovka P L Prevodový pomer i = P L L Výhody: prevodové čísla až do 1:200, vysoká tuhosť a aťažiteľnosť Nevýhody: nižšia účinnosť, výrané vlnenie výstupného momentu

7 Ložiskový reduktor TwinSpin fy SPINEA Výhody: prevodové čísla až do 1:200, vysoká tuhosť a hladký chod Guličková skrutka (ball screw) F,v s M,ω π F = 2 Mη s ω v = f. s = s 2π s stúpanie ávitu (lead) Výhody: účinnosť až 90%, bevôľový prevod, vysoká tuhosť

8 Valčeková skrutka (roller screw) Výhody: oproti guličkovej skrutke vyššia statická aj dynamická áťaž Realiácia lineárneho motora s guličkovou/valčekovou skrutkou

9 Oubený remeň teeth (timing) belt and pulley Prevodové číslo i = A B Ložiská klné alebo valivé Ložiská vedenia (bearings - guides) Výhody valivých ložísk: menší súčiniteľ trenia menej častá údržba (dopĺňanie maiva) vyššia životnosť práca pri vyšších otáčkach (teplotách) malý romer v axiálnom smere Nevýhody: väčší romer v radiálnom smere (vonkajší priemer) vyššia hlučnosť menšia odolnosť voči mechanickým ráom a preťaženiu

10 Ložiská Valivé ložiská: - guličkové, valčekové, ihlové, kuželíkové... Radiálne alebo axiálne prevedenie, kombinované riešenie: Ložiská -vedenia Lineárne ložiská, vedenia, guľové kĺby,...

11 Pohony pre použitie v robotoch Pneumatické - pneumatický valec, pneumatický sval Hydraulické -hydraulický valec, rotačný motor? Elektrické - solenoid, JS motory, striedavé motory, krokové motory -rotačné aj lineárne varianty Iné druhy pohonov - spaľovacie motory -reaktívne motory -systémy na báe liatin s tvarovou pamäťou -systémy na báe magnetostrikcie -iné Pneumatický pohon dvojčinný princíp jednočinný princíp Používané tlaky typicky 5-7 atm = kpa Výhody: lineárny pohyb (tlak aj ťah), vysoká rýchlosť, nastaviteľné obmedenie vyvíjanej sily, čistá prevádka, níka hmotnosť aj cena Nevýhody: obmedená riaditeľnosť a níka presnosť polohovania (stlačiteľnosť vduchu), potreba aplikácie droja tlakového vduchu a prídavných ariadení na jeho úpravu, výšená hlučnosť

12 F = π. d p. 4 2 Pneumatický pohon F = π. p. 2 2 ( d 1 d ) 4 2 Náhrada pneumatického valca elektrickým motorom a guličkovou skrutkou

13 Pneumatický pohon rotačný variant Pneumatický pohon rotačný vhodný napr. pre ovládanie ventilov resp. realiáciu rotačných pohybov v rámci obmedeného uhla otočenia (1/4 otáčky a viac). Pohony tohto typu pracujú typicky na báe štruktúry s lineárne sa pohybujúcim valcom a hrebeňovým prevodom Pneumatický pohon príklad aplikácie lineárna pneumatická os fy Origa chápadlo fy Shunk chápadlá fy Festo robot fy Milacron robot fy Elwood robot Tron-X fy Festo

14 Pneumatický sval Pneumatický sval príklad aplikácie

15 Hydraulický pohon Pascalov ákon P 1 = P 2 Používané tlaky: typicky 1500/3000 PSI = cca 100/200 atm = 10/20 MPa Výhody: lineárny pohyb, dobrá dynamika, veľké vyvíjané sily, dobrý pomer výkon/vlastná hmotnosť, vysoká tuhosť a presnosť polohovania, možnosť aplikácie vo výbušnom prostredí, hladký chod pri níkych rýchlostiach Nevýhody: vysoká cena, únik tlakovej kvapaliny, veľké vlastné romery, potreba externého droja tlaku, nevhodné pre pohyb vysokými rýchlosťami, teplotná ávislosť Hydraulický pohon F 1 2 π d1. p = 4 v q = π. d F v ( d d ) p2 = π 4 = π. 4. q ( d d ) 1 2

16 Hydraulický pohon rotačný variant Hydraulický pohon príklad aplikácie robot fy Kawasaki áchranársky robot ENRYU demoličný robot fy Brokk váracie kliešte chápadlo

17 Solenoid najjednoduchší elektrický pohon Solenoid poostáva indukčnej cievky a pohyblivého feromagnetického jadra, ktoré je po vybudení magnetického poľa vo vnútri cievky buď vytláčané smerom von alebo vťahované smerom dnu. Typicky sa používa len jedna polarita prúdu (silové pôsobenie len v jednom smere) a pohyb v opačnom smere abepečuje mechanická pružina. Podľa smeru aktívneho pohybu sa delia na typ push alebo pull (pri prechode prúdu magnetické pole vytláča alebo vťahuje jadro) Použitie v aplikáciách, kde je potrebné krátke (typicky len dvojpolohové) lineárne polohovanie, napr. v elektrickom štartéri spaľovacích motorov, ako rône ápadky resp. vo ventiloch. Napájanie 12V alebo 24V. Elektrické motory F = B. I. L Generovanie magnetického poľa permanentný magnet alebo indukčná cievka Generovanie prúdu - v prípade statorovej cievky pripojením napätia -v prípade rotora pripojením napätia ce klné kontakty alebo v prípade asynchrónneho motora indukciou napätia do vinutia v skrate, ce ktorý následne preteká prúd. Existenciu indukovaného napätia možno v prípade motorov brať ako paraitný efekt (hoci v prípade generátorov je to presne naopak :-) U ind = B. L. v

18 Elektrické motory B = µ. µ. H 0 r 0 µ = 1, T/Am -1 Magnetiačná krivka B=f(H) c,f koercitivita b,e -retentivita Typické hodnoty µ r: Magnetická oceľ Nikel Permalloy (78,5% nikel a 21,5% oceľ) Mumetal (75% nikel, 2% chróm,5%, meď a 21,5% oceľ) Metglas (amorfná lúčenina želea, kobaltu, niklu, bóru a kremíka).. až JS motor s permanentným magnetom (PM DC motor) kefka komutátor rotor s komutátorom Výhody: dobrá dynamika, vysoká rýchlosť a presnosť polohovania, pri aplikácii moderných magnetických materiálov vysoké momenty a malé vlastné romery, dobrá riaditeľnosť a jednoduchý výkonový menič Nevýhody: typicky vyžadujú sprevodovanie do pomala (aplikácia prevodov prináša problémy s vôľami a pružnosťami!), potreba údržby (uhlíky!!!), nemožnosť aplikácie vo výbušnom prostredí, treba aplikovať brdy na afixovanie polohy pri odpojení napájania

19 JS motor s permanentným magnetom Konštrukčné prevedenie s diskovým rotorom Polovodičové meniče Menič je ariadenie určené na premenu druhu (parametrov) elektrického napájania. Možno rolíšiť 4 rône typy meničov, ktorých niektoré možno ložiť o série 2 meničov jednoduchšieho typu: - usmerňovač AC/DC - striedač DC/AC - striedavý menič AC/AC (transformátor alebo kombinácia usmerňovač a striedač) - jednosmerný menič DC/DC (pracujúci na princípe šírkovej modulácie) Podľa možnosti ovládať parametre výstupu tieto ďalej delíme na: - neriadené (napr. usmerňovač obsahujúci len diódy) - riadené (napr. riadený usmerňovač AC/DC obsahujúci tyristory s možnosťou ovládať efektívnu hodnotu výstupného napätia alebo frekvenčný menič AC/AC s možnosťou riadenia frekvencie výstupného napätia) Pon. nabíjačky k spotrebnej elektronike sú typicky realiované nie ako jednoduchá kombinácia transformátora a usmerňovača, ale ako sériová kombinácia usmerňovača sieťového napätia, striedača na vyššiu frekvenciu, transformátora a ďalšieho usmerňovača. Vhľadom na transformáciu napätia s vyššou frekvenciou je možné výrane nížiť romery transformátora a tým celej nabíjačky...

20 SCR Silicon Controlled Rectifier Tyristorový menič s JS výstupom (nereveračné) L N 1-fáový usmerňovač (1-impulový) 1-fáový usmerňovač (2-impulový, tv.grätovo apojenie) L 1 L 2 L 3 N 3-fáový usmerňovač (3-impulový) 3-fáový usmerňovač (6-impulový) Tyristorový menič s JS výstupom (reveračné) JM 1-fáový usmerňovač (2-impulový) JM 3-fáový usmerňovač (6-impulový)

21 Tranistorový impulový menič s JS výstupom Tranistorový menič (reveračný -H-most) JM Princíp šírkovo-impulnej modulácie (PWM) Bekefkový JS motor (BLDC motor) 2-fáový (90 fáový posun medi statorovými napätiami) alebo 3-fáový variant (120 posun) Snímanie polohy rotora Hallove sondy, meranie indukovaného alebo IRC snímač Hallove sondy Brushless DC Stator 2 a 3-fáového BLDC motora Výhody: dobrá dynamika, vysoká účinnosť, beúdržbovosť Nevýhody: vhodné skôr na rýchlostné riadenie, ložitejšie riadenie ako JS motor

22 Asynchrónny motor s kotvou nakrátko (SCIM) Squirrel cage induction motor stator rotor Výhody: níka cena, vysoká spoľahlivosť beúdržbovosť, aj do výbušného prostredia Nevýhody: ložité riadenie polohy potreba aplikácie vektorového riadenia Tranistorový 3-fáový striedač T 1 T 3 T 5 A B C M T 2 T 4 T 6 Princíp šírkovo-impulnej modulácie (PWM) pri generovaní harmonického napájania

23 Hybridný krokový motor (Hybrid stepper motor) Tento typ krokových motorov obsahuje axiálne magnetiovaný rotor. Alternatívne je rotor vyrobený len magneticky aktívneho materiálu, pričom tento typ sa volá reakčný KM Výhody: prirodene diskrétne ariadenie, v bežných aplikáciách netreba aplikovať spätnú väbu (snímač polohy) ani prevodovku (vysoký moment v prípade hybridných KM) Nevýhody: nespojitosť pohybu pri níkych rýchlostiach, hlučnosť, obmedený výkon, problémy so rýchliteľnosťou a reonanciami Hybridný krokový motor V prípade 4-fáového napájania sa motor po každých 4 krokoch posunie o 1 ub, na celú otáčku teda urobí 4 x Z R krokov, Z R je napr. 50 Princíp činnosti

24 Hybridný krokový motor U N U N A (B) A B C D C (D) Unipolárne apojenie Bipolárne apojenie Spôsoby napájania Unipolárne napájanie A Hybridný krokový motor A A D B D B D B C Základné 4-taktné A-B-C-D C Modifik. 4-taktné AB-BC-CD-DA C 8-taktné A-AB-B-BC-C-CD-D-DA A A A B B B C C C D D D A.C A.C A.C B,D B,D B,D Bipolárne napájanie Spôsoby riadenia

25 Hybridný krokový motor A A A D B D B D B C C C Drobenie, trojuholníková modulácia Drobenie, lichobežníková modulácia Drobenie, harmonická modulácia A.C A.C A.C B,D B,D B,D Spôsoby drobenia kroku Špeciálne druhy motorov -motory pre priamy náhon (megatorque direct drive motor) Výhody: netreba prevodovku vyrábajú sa motory až do 250 Nm

26 Špeciálne druhy motorov -lineárne a plošné motory Špeciálne druhy motorov Prevedenie inchworm (piadivka) Bimorfné prevedenie (pieo legs) 1 - tube 2 -lateral pieo 3 - clutching pieo 4 - shaft 1 -substrate 2 -pieoelectric layer 3 -passive layer 4 -mechanical contact area 5 - track Pieoelektrické motory

27 Špeciálne druhy motorov Pieoelektrický motor s postupnou vlnou Porovnanie elektrických, pneumatických a hydraulických pohonov Vlastnosť Elektrický Hydraulický Pneumatický Zdroj energie Vonkajší droj (verejná sieť) Elektrický alebo spaľovací motor Elektrický alebo spaľovací motor Zásobník energie Limitovaný (akumulátor) Limitovaný (hydraulický ak.) Dobrý (ásobník stlačeného plynu) Spotreba energie Níka Stredná Vysoká Rotačný pohyb Dobrá ria-diteľnosť (DC) Níke rýchlosti, dobrá riaditeľnosť Vyššie rýchlosti, slabá riaditeľnosť Lineárny pohyb Náročné riadenie Veľké sily, dobrá riaditeľnosť Stredné sily, slabá riaditeľnosť Bepečnosť Iskrenie DC motora Možný únik horľavého oleja Možnosť explóie tlakových prvkov

28 Shape Memory Alloy Systémy na báe liatin s tvarovou pamäťou (SMA) Rône liatiny, typicky NiTi (Nitinol). Ak sa pri ibovej teplote deformuje vonkajšou silou tvar, po ahriatí na vyššiu teplotu sa vráti do pôvodného tvaru. Zmena dĺžky o 2-5%, veľké sily, ale slabá dynamika. Ohrev možno realiovať prúdom prechádajúcim vodičom. Systémy na báe liatin s tvarovou pamäťou (SMA) Kráčajúci mobilný robot Stiquito na báe SMA pohonov

29 Ďalšie nové typy pohonov vhodných pre robotiku 1. Pieoelektrické pohony (PZT) vhodné pre konštrukciu umelých svalov. Vynačujú sa dobrým pomerom výkon/hmotnosť, dobrou dynamikou aj vysokou účinnosťou. Majú však ásadnú nevýhodu v malej mene dĺžky cca len 0,1%, čiže skôr o vyvíjanie premenlivej sily ako pohyb samotný Elektroaktívne polyméry (EAP) ešte nedosahujú výhodné parametre čo sa týka pomeru výkon/hmotnosť ani nevyvíjajú veľké sily. Vývoj prebieha napr. v NASA 3. Elektrické svaly na báe uhlíkových nanotrubíc v aeorogelovom obale v tvare tenkej fólie. Po aplikácii elektrického napätia vykaujú menu romeru v priečnom smere až 220% voči pasívnej hodnote, dynamiku meny až 40% a 1 milisekundu pri teplote -196 do 1538 C... 1 kubický centimeter má hmotnosť 1,5 mg resp. 1 g tohto materiálu vytvorí fóliu s plochou 30 m 2. Vývoj prebieha na texaskej univerite v Dallase. 4. Pohony na báe javu gigantickej magnetostrikcie (materiály ako napr. Tb-Fe, Tb-Fe-Co, Tb-Dy-Fe...) Sú vyvíjané extrémne vysoké sily pri menších menách geometrických romerov. Integrácia pohonnej jednotky do jedného celku riešenie firmy Schunk

30 Porovnanie rônych typov motorov Porovnanie rônych typov motorov Prevaté od Hirose et al.

31 Akumulátory pre pohon mobilných robotov Dnes sa v technickej praxi používajú nasledovné druhy akumulátorov: - olovené batérie s elektrolytom kyseliny sírovej. Výhodou je níka cena v prepočte na jednotku obsiahnutej energie. Môžu poskytovať vysoké prúdy, sú ale ťažké a trpia samovybíjaním. V beúdržbovom/gélovom prevedení nie je potrebné dolievať elektrolyt resp. nehroí jeho únik. Ekologický problém s olovom. Nap. 2 V na článok. - nikel-kadmiové akumulátory vykaujú pomerne vysoký počet nabíjacích cyklov, dobrú skladovateľnosť a relatívne rýchle nabitie. Poskytujú však pomerne níku energetickú hustotu, majú pamäťový efekt a kadmium predstavuje opätovne ekologický problém. Jeden článok poskytuje napätie 1.2V. - metal-hydridové akumulátory poskytujú výrane vyššiu energetickú hustotu, vysoký počet nabíjacích cyklov (500 a viac), minimálny pamäťový efekt a dobrú skladovateľnosť be samovybíjania. Je potrebné dávať poor na prílišné nabitie a prílišne vybitie, kedy hroí poškodenie akumulátora. Napätie 1.2 V na článok. - lítium-iónové vykaujú vysokú hustotu najmä s ohľadom na níku hmotnosť článkov, dobrú skladovateľnosť. Sú ale pomerne drahé, je potrebné ložitejšie riadenie procesu nabíjania a sledovanie priebehu vybíjania. Majú relatívne menší počet nabíjacích cyklov (cca ), nenesú veľký prúdový odber a majú horšené parametre pri níkych teplotách. Podobné vlastnosti majú aj lítium-polymérové akumulátory. Napätie 3.6 V na článok - nové typy: lítium-sírové akumulátory, kondenátory na báe uhlíkových nanovlákien Porovnanie rônych typov akumulátorov Prevaté prospektu firmy QUEST

32 Porovnanie rônych typov akumulátorov Prevaté článku Progress in Energy and Combustion Science Porovnanie rônych typov akumulátorov

33 Uchovávanie energie v kondenátoroch Sú dostupné kondenátory s kapacitou viac ako F, ale dajú sa nabíjať len na malé napätia, cca do 2,5 až 2,7 V. Ich špecifická energetická kapacita je relatívne níka cca 5 Wh/kg (Li-ion akumulátory dosahujú až 200 Wh/kg. Výhodou však je schopnosť dodávať obmedený čas vysoký výkon až 10 kw/kg (Li-ion batérie len cca 1 kw/kg). Lineárne s poklesom kapacity však klesá aj napätie, atiaľ čo pri elektrochemických článkoch napätie je napätie po kritickú hranicu približne konštantné. Medi výhody možno aradiť aj schopnosť rýchleho nabíjania. U I t U I Energy density =, Power density = m m Uchovávanie energie v otrvačníkoch Flywheel energy storage (FES) otrvačníky s otáčkami viac ako 100 tisíc ot/min s uložením rotora v magnetických ložiskách a vo vákuu predstavujú aujímavú alternatívu k elektrickým resp. elektrochemickým drojom energie. Dosahujú sa výkonové hustoty až 400 Wh/kg. Obmedujúcim faktorom je pevnosť materiálov, ktorá určuje maximálne otáčky, ktorými sa otrvačník môže rotáčať.

34 Uchovávanie energie v ásobníkoch stlačeného vduchu Stlačený vduch sa uchováva pri tlaku okolo 30 MPa (300 atmosfér). Nie je veľmi efektívny ásobník energie okolo 50 Wh na liter (135 Wh/kg). Je to ale ekologický a lacný ásobník, nevýbušný, môže spolupracovať s inými druhmi pohonov (napr. elektrickým). Pri svojej činnosti navyše ako vedľajší efekt generuje chlad, ktorý sa môže využívať na iné účely. Iné spôsoby ískavania energie pre mobilné roboty Solárna energia fotovoltaické panely Solárne žiarenie má vo vdialenosti Zeme od Slnka (nad hranicou atmosféry) intenitu cca 1,361 kw/m 2. Na povrch Zeme dopadá cca 1 kw/m 2. Účinnosť solárnych panelov v ávislosti od technológie dosahuje 20 30%, viacvrstvové riešenia ale poskytujú až 45% účinnosť.

35 Iné spôsoby ískavania energie pre mobilné roboty Termoelektrické generátory využívajúce ako droj energie ropad rádioaktívneho materiálu napr. Plutónium alebo Stroncium (RTG radioisotope thermoelectric generator). Vhodné napr. pre komické sondy pre vdialené oblasti slnečného systému, kde už nie je dostatočná energia slnečného žiarenia (Jupiter a ďalej) resp. ak nechceme, aby bola činnosť robotov obmedovaná dostupnosťou slnečného žiarenia (Curiosity na Marse). Iné spôsoby ískavania energie pre mobilné roboty Indukčný prenos energie pomocou energetického (elektromagnetického) poľa