Consideratii Privind Actionarea Electrica In Robotica

CUPRINS

CUPRINS

INTRODUCERE

CAPITOLUL I. GENERALITĂȚI DESPRE ROBOTICĂ, CONSTRUCȚIA ROBOȚILOR ȘI IMPORTANȚA ACESTORA

Introducere în lumea roboților

Particularități ale roboticii

Ce este un robot

Clasificarea roboților

Domeniul roboticii în accepțiunea modernă

Roboții industriali

Generațiile de roboți existente

Structura roboților industriali

Domenii de utilizare a roboților

Caracteristicile și funcțiile roboților industriali

De la roboți industriali la roboți militari

Aspecte generice cu privire la roboții militari

Roboți utilizați în diverse aplicații militare

CAPITOLUL II. ACȚIONAREA ELECTRICĂ UTILIZATĂ ÎN CONSTRUCȚIA ROBOȚILOR INDUSTRIALI ȘI A MICROROBOȚILOR.

2.1. Generalități ale sistemelor de acționare

2.1.1. Structura sistemului de acționare electrică

2.1.2. Definiții. Sisteme de acționare electrică

2.1.3. Avantajele folosirii acționării electrice în robotică

2.2. Locul electronicii de putere în acționarea electrică

2.3. Motoare electrice utilizate în cadrul sistemului de acționare pentru construcția roboților industriali și a microroboților

2.3.1. Motorul de curent continuu

2.3.2. Motorul de curent alternativ

2.3.3. Motorul pas cu pas

2.3.4. Servomotoare

2.4. Importanța motoarelor electrice

CAPITOLUL III. BRAȚ ROBOTIC ACȚIONAT ELECTRIC

3.1. Destinație

3.2. Prezentarea generală a brațului

3.3. Forme în care putem găsi brațul robotic

3.4. Etapele construirii brațului robotic

3.5. Prezentarea schematică a brațului robotizat

3.6. Exemplificarea modului de pornire și de inversare al sensului de rotație al motorului de c.c folosit în acționare

3.7. Acționarea electrică a brațului robotic

3.8. Schema bloc a sistemul de acționare al brațului robotic

3.9. Modelarea 3D a brațului robotic

3.10. Contribuții personale

Concluzii și dezvoltări ulterioare

Bibliografie

Listă de abrevieri

Anexe

INTRODUCERE

Datorită evoluției tehnologiei se impune a se cunoaște direcțiile majore spre care tebuie să ne îndreptăm atenția, să facem cercetări și să fim conștienți de o continuă dezvoltare în majoritatea domenilor de activitate.

Studiul privind robotica reprezintă o adevărată provocare pentru oricare dintre noi, fiind un domeniu vast ce necesită cunoștințe însemnate din mai multe domenii.

Acționarea electrică ce o întâlnim foarte des în domeniul roboticii, necesită deasemenea o abordare specială de care trebuie să ținem cont, mai ales dacă dorim să o folosim.

Am ales această temă deoarece consider că este de actualitate și are o reală importanță în toate domeniile de existență dar și din dorința de a face cercetări și a studia conceptele de ,,robot ̓̓ ̓ și ,,acționare electrică ̓ ̓ .

În această lucrare mi-am propus să prezint importanța acționărilor electrice în construcția roboților, să aduc în prim plan elementele componente unui sistem de acționare, precum și realizarea unui studiu cu privire la motoarele electrice utilizate în aceste acționări. Un alt obiectiv al lucrării este de a prezenta sistemul de acționare electrică folosită pentru a pune în funcțiune un braț robotic construit, și de a sublinia gradul ridicat de aplicabilitate pe care acest braț îl are.

Lucrarea este structurată pe trei capitole, fiecare capitol prezentând puncte cheie ale subiectului, iar în funcție de bibliografia studiată, aspectele studiate încercând să sintetizeze o lucrare solidă din punct de vedere teoretic și aplicativ.

CAPITOLUL I. intitulat “GENERALITĂȚI DESPRE ROBOTICA, CONSTRUCȚIA ROBOȚILOR ȘI IMPORTANȚA ACESTORA ” cuprinde definirea conceptelor de “robot”, “roboți industriali”. Ceea ce se prezintă în capitol sunt elemente definitorii ale roboticii. Am prezentat diverse definiții a ceea ce înseamnă un robot, am făcut o clasificare a roboților, am prezentat schema bloc a unui robot, și am încercat să aduc detalii de actualitate.

În acest capitol se subliniază importanța roboților în societate, avantajele acestora precum și gradul ridicat de utilizare pe care îl au atât în domeniul civil cât și în sistemul militar.

CAPITOLUL II. Intitulat “ASPECTE PRIVIND ACȚIONAREA ELECTRICĂ UTILIZATĂ ÎN CONSTRUCȚIA ROBOȚILOR INDUSTRIALI ȘI A MICROROBOȚILOR ” cuprinde definirea conceptului de “acționare electrică” și a prezentării principalelor elemente componente ale acesteia.

Acest capitol prezintă un studiu al motoarelor folosite în acționările electrice și a structurilor de bază precum și aspecte generale legate de Electronica de putere.

CAPITOLUL III. intitulat “BRAȚ ROBOTIC ACȚIONAT ELECTRIC” cuprinde partea aplicativă a lucrării mele. Acesta relatează îmbinarea conceptelor de robotică cu cele de actionare electrică.

În acest capitol se prezintă brațul robotic pe care l-am construit având ca obiective atât prezentarea acționării electrice folosite pentru a-l pune în mișcare cât și sublinierea importanței brațului. Voi prezenta etapele construirii brațului, a componentelor folosite, a motoarelor utilizate în acționarea electrică precum și partea de comandă al brațului.

CAPITOLUL I. GENERALITĂȚI DESPRE ROBOTICĂ, CONSTRUCȚIA ROBOȚILOR ȘI IMPORTANȚA ACESTORA

1.1. Introducere în lumea roboților

Din cele mai vechi timpuri, omul a căutat să-și ușureze munca, aceasta să fie preluată parțial ori în totalitate de o mașină. O consecință a dezvoltării tehnice, a avântului tehnologiei și automatizării, a cibernetizării complexe a proceselor de producție, axată pe dorința omului de a-și diminua activitățile, a constituit-o apariția robotului, un automat care preia parțial sau în totalitate muncile acestuia.

Particularități ale roboticii

Robotica reprezintă o ramură a științei și tehnologiei cu un pronunțat caracter multidisciplinar și care vizează automatizarea în aproape toate domeniile de activitate ale omului, devenind astfel simbolul tehnologiei avansate în societatea modernă. Pentru a îndeplini chiar o misiune foarte simplă, este nevoie de sisteme complicate care acoperă mai multe discipline ce sunt prezentate în figura 1.1.

Figura.1.1. Robotica, domeniu multidisciplinar

Ce este un robot?

Denumirea de robot a fost introdusă pentru prima dată de scriitorul ceh Karel Čapek în lucrarea sa “Roboții universali ai lui Rossum”, (1920) plecând de la cuvântul “robota” = muncă, activitate de rutină. Cuvântul “robot” este de origine slavă și definește o muncă executată forțat.

Oricât de ciudat ar părea, nu există o definiție standard pentru termenul de robot. Institutul de Robotică din America definește robotul ca “fiind un manipulator reprogramabil multifuncțional proiectat pentru a muta materiale, piese, scule sau dispozitive specializate prin mișcări variabile programate pentru performanța unor sarcini diferite.”

John Engelberger, un pionier al industriei roboților spunea că: “Nu pot defini un robot dar recunosc unul îndată ce îl văd”.

Merriam-Webster descrie un robot ca “o mașină care arată ca un om și execută mișcări complexe (cum ar fi vorbitul și mersul)”, sau ca “un dispozitiv care efectuează automat task-uri complicate și adeseori repetitive”, sau mai simplu “un mecanism însoțit de controlul automat”.

Potrivit Enciclopediei Britanice un robot este “orice mașină care operează automat înlocuind efortul uman, chiar dacă nu se aseamănă cu o ființă umană sub aspectul fizic sau nu prezintă maniere asemănătoare omului”.

Din lucrarea lui Karl Capek “Roboții universali ai lui Rossum” au fost enunțate și extrase “cele trei principii ale unui robot” de către scriitorul Isac Assimov, și anume:

“Un robot nu poate leza o ființă umană sau nu poate asista inactiv la o primejdie în care este implicată aceasta;

Un robot trebuie să se supună comenzilor date lui de către ființele umane, cu excepția acelora care nu respectă primul principiu;

Un robot trebuie să se protejeze pe sine însuși de la vătămări, cu excepția cazurilor în care s-ar încălca primele două principii”.

1.1.3. Clasificarea roboților

a) Din punct de vedere al gradului de mobilitate se clasifică în două categorii: roboți ficși și mobili.

b) Din punct de vedere al informației de intrare și a metodei de instruire se clasifică astfel: roboți acționați de om; roboți cu sistem de comandă cu relee (secvențial); roboți cu sistem secvențial cu program modificabil; roboți repetitori (cu programare prin instruire); roboți inteligenți.

c) Din punct de vedere al structurii constructive a roboților aceștea se clasifică în 5 categorii de roboți: roboți cartezieni; roboți cilindrici; roboți sferici; roboți tip scară; roboți articulați; roboți paraleli.

d) Din punct de vedere al sistemului de coordonate roboții sunt în sistem de: coordonate carteziene(18%); cilindrice(33%) și sferice(40%).

e) Din punct de vedere al sistemului de acționare sunt clasificați în patru categorii: roboți cu acționare electrică, hidraulică, pneumatică și mixtă(hibridă).

f) Din punct de vedere al sistemului de comandă roboții sunt clasificați în: roboți cu comandă punct la punct( nu contează traiectoria propriu-zisă); roboți cu comandă pe contur care implică coordonarea mișcării axelor; roboți cu comandă pe întreaga traiectorie care implică toți parametrii de mișcare.

g) Din punct de vedere al preciziei de poziționare: sub 0,1mm; (0,1÷0,5)mm; (0,5÷1)mm; (1÷3)mm; peste 3mm.

h) Din punctul de vedere al tipului de programare: cu programare rigidă (fără posibilități de corecție); cu programare flexibilă (există posibilitatea modificării programului); cu programare adaptivă (există posibilitatea adaptării automate a programului în timpul funcționării).

În Anexa I sunt redate structuri mecanice de roboți.

1.1.4. Domeniul roboticii în accepțiunea modernă

Robotica a câștigat o popularitate importantă la începutul anilor 1900, acestă perioadă fiind considerată epoca modernă în domeniul roboticii.

În 1927 în filmul science fiction “ Metropolis ” a lui Fritz Lang, a apărut primul robot de sex feminin Maria. Câțiva ani mai târziu, în 1959, John McCarthy și Marvin Minsky au pus bazele Laboratorului de Inteligență Artificială de la Institutul de Tehnologie Massachuttes. Prima mână robot a fost creată de Heinrich Erst în 1961, iar în 1962 apare primul robot industrial denumit “Unimate”.

General Motors folosește robotul industrial pentru a executa munca primejdioasă de pe liniile de asamblare.

Anul 1966 deține un loc special în istoria roboticii. În acest an la Institutul de Cercetare de la Stanford a fost creat primul robot mobil denumit “Shakey ” care putea să cunoască și să reacționeze la proprile sale acțiuni cu mediul înconjurător. Tot la Stanford, în laboratorul de inteligență artificială Victor Scheinman (student la inginerie mecanică) a creat “Stanford Arm”.

În 1976 Shiego Hirose a făcut un robot diferit Soft Gripper la Institutul de Tehnologie din Tokyo. Acest robot era conceput să se înfășoare de obiecte. NASA în 1977 lansează sonda Voyager, cu scopul de a explora în afara sistemului solar. Producătorul de automobile Honda a desfășurat programul de roboți humanoizi care a avut 11 versiuni.

Spre sfârșitul secolului 20, robotica a avut parte de multe schimbări în ceea ce privește funcționalitatea roboților. Odată cu trecerea timpului și-a făcut apariția roboți din ce în ce mai sofisticați care pot recunoaște mediul, pot face diferența sunetelor sau observa obiectele aflate în mișcare.

Robotica ocupă astăzi un loc foarte important în societate deoarece are implicații în domenii ale tehnologiilor avansate și o întâlnim atât în cadrul aplicaților industriale cât și în aplicații neindustriale. În ceea ce privește aplicațiile industriale, există o gamă largă de produse care au ajuns la maturitate tehnologică, iar în ceea ce privește domeniile emergente sunt structurate noi direcțiile majore de cercetare. Spre deosebire de domeniul mecatronicii , robotica este o știință integratoare (verticală) care este orientată spre servirea direct a unei plaje destul de limitate de domenii de interes conexe . Actual, domeniul roboticii include trei subdomenii majore și anume: , apare primul robot industrial denumit “Unimate”.

General Motors folosește robotul industrial pentru a executa munca primejdioasă de pe liniile de asamblare.

Anul 1966 deține un loc special în istoria roboticii. În acest an la Institutul de Cercetare de la Stanford a fost creat primul robot mobil denumit “Shakey ” care putea să cunoască și să reacționeze la proprile sale acțiuni cu mediul înconjurător. Tot la Stanford, în laboratorul de inteligență artificială Victor Scheinman (student la inginerie mecanică) a creat “Stanford Arm”.

În 1976 Shiego Hirose a făcut un robot diferit Soft Gripper la Institutul de Tehnologie din Tokyo. Acest robot era conceput să se înfășoare de obiecte. NASA în 1977 lansează sonda Voyager, cu scopul de a explora în afara sistemului solar. Producătorul de automobile Honda a desfășurat programul de roboți humanoizi care a avut 11 versiuni.

Spre sfârșitul secolului 20, robotica a avut parte de multe schimbări în ceea ce privește funcționalitatea roboților. Odată cu trecerea timpului și-a făcut apariția roboți din ce în ce mai sofisticați care pot recunoaște mediul, pot face diferența sunetelor sau observa obiectele aflate în mișcare.

Robotica ocupă astăzi un loc foarte important în societate deoarece are implicații în domenii ale tehnologiilor avansate și o întâlnim atât în cadrul aplicaților industriale cât și în aplicații neindustriale. În ceea ce privește aplicațiile industriale, există o gamă largă de produse care au ajuns la maturitate tehnologică, iar în ceea ce privește domeniile emergente sunt structurate noi direcțiile majore de cercetare. Spre deosebire de domeniul mecatronicii , robotica este o știință integratoare (verticală) care este orientată spre servirea direct a unei plaje destul de limitate de domenii de interes conexe . Actual, domeniul roboticii include trei subdomenii majore și anume: ,,robotica industrială”, ,, robotica pentru servicii” și respectiv ,, robotica pentru aplicații spațiale și de securitate”, cele din urmă ocupând deasemenea un rol important. (Figura 1.2).

Figura.1.2. Domenii majore de interes actual și de perspectivă în robotică

1.2. Roboții industriali

Actual, roboții industriali reprezintă punctul de intersecție al ultimelor descoperiri dintr-o serie de domenii: mecanică, automatică, electronică, calculatoare și sisteme de acționare.

Robotul industrial reprezintă acel manipulator, multiscop, reprogamabil, controlat automat, progamabil pe trei sau mai multe axe care poate fi fix sau mobil, utilizat în aplicații de automatizări industriale.

1.2.1. Aspecte cu privire la generațiile de roboți existente

Avem robotul neadaptiv din generația I-a care se caracterizează prin faptul că, conducerea mișcării pe axe se realizează prin sisteme de reglare numerice; există posibilitatea de programare, reprogramare și memorare a programului; programul este relativ rigid iar dacă în timpul funcționării apar modificări ale mediului de lucru, aceste modificări nu sunt sesizate și nu pot duce la modificarea programului, acești roboți funcționând în condiții riguros determinate (piesa ce trebuie prelucrată trebuie să se găsească mereu în aceeași poziție).

Robotul adaptiv din generația a II-a, are un sistem de comandă mai evoluat și un program flexibil. La acești roboți există posibilitatea de a modifica programul de funcționare chiar în momentul când se efectuează operațiile, în concordanță cu modificările ce au loc în mediu. Pe baza informațiilor date de sistemul senzorial.

Roboții inteligenți din generația a III-a, sunt echipați cu senzori evoluați și includ elemente de inteligență artificială capabilă să interacționeze cu mediul. În cadrul acestor roboți există capacitatea de a elabora un model informațional; un model al mediului de lucru având capacitatea de a învăța pe baza experienței anterioare. Roboții din această generație au posibilitatea adaptării automate a programului în timpul funcționării și acceptă comenzi orientate pe sarcină.

1.2.2. Structura roboților industriali

Un robot industrial se compune practic din trei părți principale și anume: sistemul de comandă, sistemul de acționare și sistemul mecanic.

În figura 1.3. se prezintă schema bloc de principiu a unui robot industrial

Figura.1.3. Schema bloc a unui robot industrial

Figura.1.4 prezintă antropomorfismul structural, un element important în construcția unui robot, astfel:

Sistemul de comandă are rolul creierului și al sistemului nervos uman;

Sistemul de acționare are rolul sistemului muscular al omului;

Sistemul cinematic este echivalentul sistemului osos;

Sistemul senzorial are ca și echivalent pe cel senzorial al omului.

Influența primelor trei sisteme asupra celui senzorial (de măsurare) este evidentă.

Figura.1.4. Antropomorfismul structural

Sistemul de comandă dă comenzi sistemului de acționare pe baza informaților recepționate de la senzori. Sistemul de acționare realizează punerea în mișcare a sistemului cinematic.

Sistemul cinematic al roboților industriali corespunde brațului și mâinii

umane.Acesta este construit dintr-un lanț cinematic format din elemente rigide interconectate prin cuple de rotație sau translație care permit mișcarea lor relativă.

1.2.3. Domenii de utilizare a roboților

În prezent, roboții se utilizează în toate domeniile activității umane. Aceste activități urmăresc satisfacerea unor necesități individuale de grup sau sociale. Aplicațiile roboților pot fi în domeniile industriale și neindustriale.

În figura 1.5 sunt prezentate o serie de domenii în a căror componență intră și robotica.

Figura.1.5. Robotică, aplicație în alte domenii decât cel industrial

Statisticile privind tipurile de roboți arată sugestiv creșteri importante ale numărului acestora corespunzătoare unor aplicații neindustriale. Această dezvoltare, chiar spectaculoasă, în direcția aplicațiilor neindustriale, justifică faptul că robotica urmează să joace un rol însemnat în restructurarea civilizației milenului al III-lea și în cele ce urmează se vor trece în revistă principalele subdomenii unde roboții își gasesc aplicabilitatea:

În medicină întâlnim sisteme robotizate pentru diagnoza prin ecografie, anumite sisteme robotizate pentru intervenții neuro-chirurgicale, vehicule ghidate pentru transportul bolnavilor, medicamentelor, alimentelor, pentru activități de curățenie, dezinsecție în spitale etc.

În construcții avem vehiculul ghidat pentru asfaltarea șoselelor, sisteme robotizate pentru stropirea betonului în construcția tunelurilor, robotul mobil pentru cofraje glisante, sistem robotizat pentru inspectarea fațadelor cladirilor și montarea sau demontarea schelelor metalice etc.

În administrația locală se utilizează vehiculul automat pentru curățarea

zăpezii de pe autostrăzi, sisteme robotizate pentru inspecția și întreținerea automată a canalelor, sisteme automate de sortare al gunoiului în vederea reciclării, vehicul ghidat automat pentru decontaminarea solului.

În agricultură, putem găsii sisteme robotizate de plantare a răsadurilor, sisteme robotizate de culegere a fructelor și a florilor, sisteme automatizate de tundere a oilor etc.

În comerț, transport și circulație sunt folosite vehicule ghidate automat pentru întreținerea curățeniei pe suprafețe mari (peroane gări, autogări și aerogări), sisteme robotizate de curățare automată a fuselajului și aripilor avioanelor, sistem automatizat de alimentare cu combustibil a autovehiculelor etc.

Hotelurile și restaurantele pot avea sisteme robotizate de pregătirea automată a sălilor de restaurant, de conferință, sisteme de manipulare automată a veselei etc.

Siguranță și pază , în acest domeniu întâlnim roboții mobili de pază pe timpul nopții în muzee, roboții mobili pentru detectarea și dezamorsarea minelor etc.

1.2.4. Caracteristicile și funcțiile roboților industriali

Avantajele utilizării roboților industriali rezultă odată cu implementarea lor în diferite domenii cu scopuri economice sau sociale. Din această cauză avantajele utilizării roboților se pot categorisi în: avantaje economice; avantaje sociale generale; avantaje sociale suplimentare;

În general, robotul industrial trebuie să realizeze următoarele funcții generale:

– să acționeze asupra mediului înconjurător folosind dispozitive de prehensiune;

– să poată să obțină informații despre mediu și despre propria stare și să prelucreze aceste informații, conform cerințelor sistemului central de comandă;

– să interacționeze cu operatorul uman sau cu alți roboți, inclusiv cu scopul instruirii acestuia;

– să ia decizii pentru realizarea sarcinilor dorite;

Pentru executarea funcțiilor complexe de producție robotul trebuie să aibă:

– organe de lucru – ,,mâini ̓̓ ̓ cu acționări și uneori organe de deplasare în spațiu (,,picioare ̓ ̓ sau alte mecanisme);

– sistem de comandă sau calculator cu memorie( el poate fi reprezentat printr-un calculator electronic centralizat care realizează o comandă în grup a mai multor roboți înzestrați cu mecanisme de comandă individuale mai

simple);

– complex de traductori , indicatori ai stării mediului exterior, precum și traductorii organelor de lucru ale robotului. ̓ ̓

,,Dintre caracteristicile unui robot precizia ocupă un loc deosebit de important în definirea indicelui global de performanță ̓ ̓

1.3. De la roboți industriali la roboți militari

1.3.1. Aspecte generice cu privire la roboții militari

În context militar termenul de robot este definit ca fiind un aparat care funcționează cu energie, simte, gândește și acționează.

În ziua de astăzi, aproape toate organizațiile militare se folosec de roboți pentru a executa anumite sarcinii periculoase care nu pot fi executate manual de către soldați. Asistăm la o dezvoltare spectaculoasă în ceea ce privește roboții militari.

Motivul cel mai important și acceptat de toți cei interesați pentru eforturile tot mai mari în dezvoltarea roboților militari este protecția vieții umane și, în plan secund, de reducere a costurilor materiale. Schimbările actuale ale situației în politica de securitate au făcut ca militarii să nu mai fie întrebuințați, în caz de necesitate, numai pentru apărarea propriei țări, ci oriunde în lume. În acestă situație pierderile sunt și mai greu de suportat oricât de nobil ar fi scopul în particular.

Utilizări ale roboțililor militari sunt: strângerea de informații, depistarea țintelor, recuperarea și dezarmarea focoaselor active, sprijin logistic, curățarea mediilor toxice, plantarea de senzori, deminare, refacerea șoselelor avariate, neutralizarea forțelor ostile, acțiuni în medii ostile, spionaj.

O forță motrică în dezvoltarea roboților militari o constituie mărirea capacității absolute în cazul executării unei misiuni. În prezent un aspect mult mai important îl reprezintă posibilitatea de a angaja un număr cât mai mic de oameni. Acesta se produce datorită, specializării tot mai mari a domenilor de activitate, pentru care sunt necesari militari cu o calificare tot mai ridicată și cu o pregătire care cere un efort tot mai mare.

1.3.2. Roboți utilizați în diverse aplicații militare

Primii roboți militari au fost introduși pe câmpul de luptă odată cu

Izbucnirea celui de-al Doilea Război Mondial. Germanii inventaseră robotul Goliath.

Goliath(nume complet- Leichter Landungstäger Goliath )

Era un vehicul folosit pentru distrugeri controlat de la distanță cunoscut sub numele de Beetle Tank de către aliați. Folosit de Wermarcht în cel de-al Doilea Război Mondial acest vehicul cu șenile avea 1,2 metri lungime, 0,61 metri lățime, 0,30 metri înălțime. Putea căra o cantitate de explozibil de 70-100 Kilograme și avea multiple scopuri: distrugerea de tancuri, demolarea clădirilor și a podurilor,împrăștierea infanteriei inamice. Figura.1.6. Goliath

Roboți au construit și sovieticii: Teletank-ul

Un tanc robot controlat de la distanță cu ajutorul undelor radio. Acesta a fost produs în Uniunea Sovietică din 1930 până în anul 1940. A fost folosit în cel de-al Doilea Război Mondial. Construite pe modele de tanc deja existente T-18, T-26, T-38, BT-5. Figura.1.7. Teletank-ul

Un Teletank era controlat prin radio, bătaia maximă a undelor era de 1500 m. Dotări: mitralieră, aruncător de flăcări, fumigene și câteodată cu o

bombă de 700 Kg( bombă care se află într-o cutie blindată). Au fost construite pentru a folosi arme chimice, dar nu au fost folosite în acest scop niciodată.

Din categoria roboților militari folosiți în momentul de față de organizațiile militare avem: Daksh, Goalkeeper, PackBot, MARCbot.

Daksh

Este un robot folosit la ora actuală ce funcționează cu baterii și are un sistem de control ce îi permite localizarea, apucarea și distrugerea unor obiecte într-un mod care să nu afecteze împrejurimiile.

Rolul acestui robot este de a recunoaște Dispozitivele Explozive Improvizate (IED). Este folosit și pentru dezamorsarea bombelor. Se poate urca pe scări pentru a ajunge în anumite zone având rolul a cerceta materialele periculoase . Folosind brațul său, poate ridica un obiect suspect și poate să scaneze folosind dispozitivul portabil cu raze X. Figura.1.8. Robot militar Daksh

Goalkeeper

Folosit în organizația militară, are rolul de a ajuta la protecția vaselor, a ambarcațiunilor de rachete. Este format dintr-un tun automat și un radar care detectează racheta. Este un sistem automat care poate fi folosit și pentru protecția spațiului aerian. Figura. 1. 9. Robot militar Goalkee

Warrior

  Are șenile și cântărește aproximativ 200 kg, este destul de puternic pentru a remorca o mașină dar și destul de îndemanatic încât să-i deschidă portbagajul folosindu-se de mâner. Odată cu lansarea robotului Warrior, prevăzut cu un braț mecanic solid, roboții militari tocmai au devenit mai mari și mai adaptabili. Urcă  scări, Figura.1.10. Robot militar Warrior

se deplasează pe teren accidentat și îndeplinește sarcini ce variază de la delicat la distructiv.

Warrior este  invenție a lui iRobot,  Bedford,  Massachusetts, companie binecunoscută pentru aspiratorul robotic Roomba dar și pentru o linie de

PackBots cu telecomandă, utilizați de forțele de luptă ale Statelor Unite pentru dezamorsarea unor explozibili și alte sarcini periculoase. Două prototipuri de roboți au fost trimise să examineze clădiri distruse în cadrul centralei

nucleare Fukushima Daiichi.

MarcBot

Este folosit pentru a inspecta obiecte suspecte. Este un robot ieftin , mic și destul de comun folosit în armată. Arată ca o jucărie, are o cameră înalțată care este utilizată pentru a inspecta foarte bine teritoriul. Are capacitatea de a funcționa 6 ore dacă bateriile sunt încărcate complet. Mai este folosit de soldați pentru a detecta materiale și obiecte periculoase. Figura.1.11. Robot militar MarcBot

Este adevărat că roboții vor juca un rol decisiv pe câmpul de luptă al viitorului. Forțele armate dispun deja de un număr mare de sisteme, echipamente care acționează mai mult sau mai puțin independent de om.

CAPITOLUL II. ASPECTE PRIVIND ACȚIONAREA ELECTRICĂ UTILIZATĂ ÎN CONSTRUCȚIA ROBOȚILOR INDUSTRIALI ȘI A MICROROBOȚILOR

2.1. Generalități ale sistemelor de acționare

2.1.1. Structura sistemului de acționare electrică

Sistemul de acționare ce intră în componența unui robot cuprinde toate sursele energetice ale robotului precum și elementele de control ale acestora. Așadar prin sistem de acționare se va înțelege ansamblul motoarelor și convertoarelor care au rolul de a obține energia mecanică necesară funcționării robotului precum și a unor dispozitive suplimentare cu rolul de a controla acest transfer energetic. Un astfel de sistem va cuprinde o sursă primară de energie; un sistem de conversie al energiei primare în energie mecanică; un sistem pentru transmisia energiei mecanice la articulația corespunzătoare și un control al parametrilor caracteristici ale acestor sisteme. În figura 2.1 este redată schema bloc a unui sistem de acționare cu motoare electrice.

Figura. 2.1. Schema bloc a unui sistem de acționare cu motoare electrice

Sistemul de acționare cuprinde:

Convertorul electric (transformator, redresor, convertor de frecvență) care transformă energia electrică primită de la o sursă externă cu anumiți

parametri în energie electrică cu parametri adaptați cerințelor sarcinii.

Convertor electromagnetic (motor electric, electromagnetic), care transformă energia electrică primită de la convertorul electric în energie mecanică caracterizată prin parametri (turație, cuplu, poziție, forță) adecvați sarcinii; Conversia se poate realiza direct (direct drive), dacă parametrii sunt compatibili, sau prin intermediul unor organe de adaptare a paramerilor mecanici (transmisii prin roți dințate, curele, lanțuri, sistem șurub piuliță).

Subsistemul de comandă, care asigură reglarea subsistemului de forță pentru concordanța dintre mărimea de comandă și cea comandată, pe baza informațiilor de la sistemul de condcere al procesului tehnologic și a observațiilor achiziționate de la senzori.

Pentru construcția roboților și a microroboților întâlnim următoarele tipuri de acționări: acționare electrică; acționare hidraulică; acționare pneumatică; acționare mixtă (electro-hidraulică; electro-pneumatică; pneumo-hidraulică).

O utilizare pe scară largă o au acționările electrice, datorită facilităților de control pe care le pot asigura.

Alegerea sistemului de acționare se face în principal în funcție  de: mediul de lucru, viteza și distanța de deplasare, precizia de poziționare, capacitatea de manipulare . În figura 2.2 se prezintă tipurilor de acționări utilizate pentru construcția roboților și gradul de utilizare al acestora.

Figura 2.2. Sisteme de acționare și gradul de utilizare .

2.1.2 Definiții. Sisteme de acționare electrică

Un sistem de acționare electrică are rolul de a transforma energia electrică în energie mecanică, iar scopul de bază este punerea în mișcare a unei mașini de lucru, receptorul de energie mecanică.

Se disting trei structuri de bază ale sistemelor de acționare electrică: elementare sau clasice, automatizate și complex automatizate. În componența acestora pot intra un singur motor de acționare( sisteme de acționare electrică individuală) sau mai multe, fiecare motor acționând doar un singur organ al unei mașini complexe de lucru.

Sistemele elementare de acționare electrică- posedă ca element central un motor, care poate fi privit ca un convertor electromecanic, alimentat la intrare printr-un întreruptor și eventual printr-un dispozitiv electric de reglare de la rețea, transmite la ieșirea sa energie mecanică unei mașini de lucru. Între motor și mașina de lucru poate exista o transmisie mecanică. Dispozitivul de protecție are rolul de a întrerupe energia electrică furnizată motorului, dacă elementele sistemului sunt incompatibile cu buna funcționare. Mărimile de comandă sunt date manual și pot exista uneori dispozitive de afișare și înregistrare.

Utilizări ale acestora ar fi: acționări individuale fără pretenții deosebite cu privire la pornirea, reglarea turației și frânarea motorului electric de acționare, cum ar fi pompe, ventilatoare, betoniere, mașini simple de ridicat, benzi transportoare, unele mașini-unelte simple.

Sistemele automatizate de acționare electrică realizează pornirea, frânarea și reglarea turației după anumite legi, putând menține în anumite limite și toleranțe diferite mărimi electrice și mecanice( limitare de curent, de cuplu, menținerea constantă a turației. Utilizări ale acestor acționări: acționări cu pornire și frânare automate, ca ascensoare, standuri de probă.

Sistemele complex automatizate de acționare electrică cuprind grupe de acționări și unități de prelucrare a informației, dispuse în ordine ierarhică( mărimile de iesire ale unităților de rang superior, acționează asupra celor de rang inferior). Aceste sisteme include și cele două sisteme prezentate anterior , cel elementar și cel automatizat. În aceste sisteme se pot distinge grupe de funcțiuni, după necesitățile tehnologice care primesc mărimile prescrise, respectiv ordinea operațiilor de la un dispozitiv de comandă automat supraordonat.

Acesta primește la rândul său ordine de la un dispozitiv central, de obicei un calculator de proces. Aceste sisteme având o structură complex automatizată se întâlnesc în cadrul sistemelor conduse de calculator, în industria prelucrătoare de metale, la laminoarele asistate de calculator.

În Anexa III sunt redate cele 3 structuri de bază ale sistemelor de acționare electrică.

2.1.3. Avantajele folosirii acționării electrice în robotică

Acționarea electrică, conform cu [Drim85], [ Ispa04], tinde să devină cea mai răspândită variantă de acționare a roboților datorită unor avantaje evidente , cum ar fi:

Disponibilitatea energiei electrice în majoritatea mediilor în care acționeză roboții, mai puțin mediile explozive;

Alimentarea destul de simplă cu energie electrică de la rețea sau autonomie totală, prin echiparea cu baterii de acumulatoare;

Fiabilitatea ridicată și gabaritul redus ale motoarelor electrice realizate la ora actuală;

Modalități simple de reglare a parametrilor cinematici și dinamici;

Compatibilitatea cu sistemul de comandă și sistemul senzorial;   

Compatibilitatea cu sistemele de comandă , cu traductoarele de măsură a deplasărilor și vitezei și cu sistemul senzorial;

Posibilitatea de reglare a vitezei în limite largi;

 Precizia de poziționare ridicată

Prețurile moderate datorită faptului că elementele acțiionării sunt standardizate în producție de serie în întreprinderi specializate.

Principalul dezavantaj al acționărilor electrice constă în necesitatea utilizării unor mecanisme suplimentare pentru reglarea parametrilor cinematici și dinamici( viteze, forțe, momente) la valorile impuse de funcționarea robotului, utilizarea organelor de transmisie pentru adaptarea parametrilor mișcării; realizarea unui raport redus între puterea dezvoltată și greutatea proprie.

Sistemele de acționare electrică se aplică la roboții cu capacități de încărcare mici, dar la care obiectul manipulat trebuie să efectueze mișcări spațiale complexe. Acționarea electrică nu se poate folosi la roboți pentru operații de vopsire sau acoperiri superficiale din cauza pericolului de explozie.

2.2. Locul electronicii de putere în acționarea electrică

Electronica de putere intră în componența unui sistem de acționare și are ca scop conversia energiei electrice dintr-o formă în alta, având posibilități de reglare a parametrilor de tensiune, curent, frecvență și randament, conform cerințelor pe care le impune sarcina utilizatorului.

Electronica de putere este considerată o ramură distinctă a Electronicii industriale și include două părți esențiale:

Electronica de putere ca sistem de conversie a energiei – transformă energia dintr-o formă în alta și reprezintă acea parte a electronicii industriale care tratează tensiunea și curentul ca și mărimi purtătoare de energie.

Electronică de comandă și reglaj- se ocupă în principal cu prelucrarea semnalelor necesare echipamentelor și reprezintă acea parte a electronicii industriale care tratează tensiunea și curentul ca și semnale electronice, purtătoare de informație.

Figura 2.3. Electronică de putere

Domenii ale activității umane în care echipamentele electrice încorporează sisteme electronice de putere sunt prezentate în figura 2.4.

Aplicații casnice: aspiratoare, mașini de spălat, plite electrice, cuptoare cu microunde, roboți de bucătărie, instalații de încălzire, instalații de aer condiționat, calculatoare, aparatură audio- video etc.

Transport de bunuri și persoane: trenuri electrice, metrouri, tramvaie, trolee, locomotive, macarale, ascensoare etc.

Domeniul comercial și de afaceri: cititoare de coduri, aparatură de birou, calculatoare, case de marcat, iluminat ornamental etc.

Domeniul industrial: acționările reglabile( cu motoare electrice) a utilajelor, instalaților, mașinilor unelte și roboților industriali, cuptoare prin arc etc.

Energetică: instalații din centralele de de producere a energiei electrice( termocentrale, hidrocentrale, centrale nucleare, echipamente pentru parcuri eoliene, solare, geotermale.

Telecomunicații: instalații de încărcare a acumulatorilor, antene radio telecomandate, surse de putere în curent continuu etc.

Medicină: roboți de laborator, echipamente de investigație radiologică, tomograf, rezonanță magnetică nucleară (RMN), aparatură medicală etc;

Domeniul aeronautic și aerospațal: avioane, sateliți, instalații de urmărire și comunicații etc.

Domeniul militar: rachete, rampe de lansare telecomandate, vehicule militare, instalații de urmărire radar, instalații de ghidare etc.

În multitudinea aplicațiilor ce încorporează echipamente electronice de putere, o pondere importantă o dețin acelea în care se produce lucru mecanic, deplasare cu ajutorul motoarelor electrice. Aceste sisteme de acționare electrică reprezintă consumatorul principal( 70%) din energia electrică produsă. Pentru electronica de putere aplicațiile de referință sunt cantonate în domeniul acționărilor electrice. Studiul electronicii de putere interacționează adesea cu alte discipline cum ar fi mașinile electrice, acționările electrice , discipline care țin de comanda și controlul sistemelor electronice.

Figura.2.4. Domenii în care echipamentele electronice încorporează sisteme electronice de putere

Un sistem electronic de putere se compune din componente electronice primare si dispozitive semiconductoare. În figura 2.5 sunt prezentate aceste componente.

Figura 2.5. Componente ale unui sistem electronic de putere

Diodele, tiristoarele și tranzistorii sunt componente principale ale electronicii de putere.

Figura 2.6 prezintă o analiză comparativă între componentele semiconductoare, fiecare funcționând la o anumită putere și având viteze de comutare diferite.

Figura 2.6. Analiză comparativă privind puterea și viteza de comutare a dispozitivelor electronice semiconductoare.

În Anexa IV sunt redate simboluri ale componentelor electronicii de putere .

Electronica de putere ca sistem de conversie

Conversie cc-cc prin care se modifică și se controlează valoarea tensiunii.

Convertorul poate fi realizat și cu tranzistoare bipolare sau MOSFET precum și tiristoare GTO.

Chopperele sunt convertoare electronice care transformă energia de curent continuu în energie de curent continuu (cc-cc). O caracteristică a chopperelor este aceea că pot furniza la ieșire o tensiune a cărei valoare medie poate fi reglată în conformitate cu cerințele aplicației în care sunt utilizate. Una dintre cele mai des întâlnite aplicații a chopperelor de putere este acționarea motoarelor de curent continuu prin modificarea tensiunii lor de alimentare.

Tipuri de convertoare c.c- c.c : coborâtoare de tensiune( step-down); ridicatoare de tensiune( step- up);

Convertoarele c.c- c.c pot funcționa cu filtre de curent la ieșire sau pot fi realizate cu filtre de tensiune incluse în structura lor sau atașate la ieșire.

Conversie ca-cc numită și redresare, poate controla valoarea tensiunii continue și valoarea curentului alternativ.

Conversie cc- ca numită și inversie, produce tensiune sinusoidală cu amplitudine și frecvență controlabilă( invertoare).

Invertoarele reprezintă instalații care transformă energia de curent continuu în energie de curent alternativ de o anumită formă, amplitudine și frecvență. Dacă la ieșirea invertorului se conectează un grup de redresoare cu

filtru, întregul ansamblu reprezintă un convertor de tensiune continuă.

Din punct de vedere constructiv, invertoare se pot realiza cu: tranzistoare; tiristoare. Sunt utilizate pentru alimentarea motoarelor cu inducție; tracțiune electrică; instalații industriale; surse de tensiune înaltă

Conversie ca- ca numită și cycloconversie, modifică și controlează amplitudinea și frecvența tensiunii alternative.

Convertoarele de curent alternative sunt circuite care transformă energia sub formă de curent alternativ tot în energie sub formă de curent alternative dar cu alți parametrii. Astfel, se pot modifica unul sau mai mulți din următorii parametrii:

– valoarea efectivă;

– frecvența, perioada, pulsația;

– forma de variație a tensiunii la ieșire.

2.3. Motoare electrice utilizate în cadrul sistemului de acționare pentru construcția roboților industriali și a microroboților

2.3.1. Motorul de curent continuu

Cel mai mare număr de sisteme de acționări electrice cu viteză reglabilă folosesc motoare de curent continuu. Aceasta se datorează în principal performanțelor obținute în regimurile de pornire, frânare și reversare, prin folosirea unei comenzi mai simple și mult mai ieftine decât în cazul actionarilor cu mașini asincrone.

Acționările electrice cu motoare de curent continuu se caracterizează prin simplitata modelării și prin performanțe statice și dinamice deosebite. Cuplul dezvoltat este produsul vectorial dintre fluxul inductor și curentul indus și nu depinde de viteza sau poziția rotorului.

Principiul de funcționare

Motorul de curent continuu transformă energia electrică de curent continuu în energie mecanică. Prezintă o serie de avantaje cum ar fi posibilitatea reglării vitezei în limite largi și posibilitatea schimbării sensului de rotație destul de simplu.

Principiul de funcționare al motorului de c.c poate fi ilustrat cu schema din figura 2.7. în care un conductor de lungime l, alimentat la capete cu o tensiune continuă U și parcurs de un curent I, se găsește în câmpul magnetic de inducție .

Figura. 2.7 Principiului de funcționare al motorului de c.c.

Prin interacțiunea dintre curentul I și câmpul magnetic de inducție se produce o forță electromagnetică cu sensul dat de regula mâinii stângi și care va deplasa conductorul în acest sens. Valoarea sa se calculează cu:

(1.1)

Clasificarea motoarelor de curent continuu

Din punctul de vedere al modului de alimentare a înfășurării de excitație motoarele de curent continuu se împart în:

motoare de curent continuu cu excitație separată;

motoare de curent continuu cu excitație derivație;

motoare de curent continuu cu excitație serie;

motoare de curent continuu cu excitație mixtă.

Figura. 2.8. Clasificarea motoarelor de c.c după modul de alimentare a înfășurării de excitație.

La motorul cu excitație separată sunt utilizate două surse de tensiune continuă necesare alimentării înfășurării de excitație și a înfășurării rotorice. La acest motor curentul prin înfășurarea rotorică este egal cu curentul de alimentare, IA=I. Pornirea motorului se face prin reglarea tensiunii de alimentare UA, turația motorului se reglează cu reostatul Rc.

La motorul cu excitație derivație înfășurarea de excitație este conectată în derivație cu înfășurarea rotorică. Reostatul Rc care este conectat în serie cu înfășurarea rotorică este utilizat pentru limitarea curentului Ia la pornire, iar reostatul Rc conectat în serie cu înfășurarea de excitație este utilizat pentru reglarea turației. Între curenții din circuit există relația:

I= Ia+Iex (1.2)

La motorul cu excitație serie înfășurarea de excitație este conectată în serie cu înfășurarea rotorică. Reostatul Rp este utilizat pentru limitarea curentului Ia la pornire, iar Rc conectat în derivație cu înfășurarea de excitație, este utilizat pentru reglarea turației motorului. Între curenți există relația:

I=Ia+Iex. (1.3)

Motorul cu excitație mixtă are două înfășurări de excitație, o înfășurare fiind conectată în serie, iar cealaltă în derivație, cu înfășurarea rotorică. Reostatul Rp este utilizat pentru limitarea curentului Ia la pornire, iar Rc, conectat în serie cu înfășurarea de excitație derivație, este utilizat pentru reglarea turației motorului. Intensitatea curentului de alimentate este dată de relația:

I=Ia+Iexd (1.4)

Tensiunea electromotoare indusă într-o cale de curent a rotorului unui motor de curent continuu se calculează cu relația:

Ue = = KE (1.5)

unde p reprezintă numărul de perechi de poli; a- numărul de perechi de căi de curent; N- numărul de conductoare active ale rotorului; n- turația rotorului exprimată în rot/min; – fluxul magnetic inductor al unui pol, exprimat în Wb; KE- coeficient de proporționalitate.

Cuplul electromagnetic și randamentul motorului de curent continuu

Motorul de curent continuu primește de la rețeaua de alimentare P1,

P1= U Ia (1.6)

din care o parte o transformă în căldură prin efect Joule Lenz în circuitul de excitație:

Pex = U Ie (1.7)

și respectiv, în circuitul indusului:

pCu2 = Ra ( 1.8)

Dacă din puterea absorbită P1 se scad pierderile prin efect Joule-Lenz, se obține puterea electromagnetică P :

P = P1- Pex-pCu2 (1.9)

Scăzând din puterea electromagnetică P pierderile în fierul indusului pFe2 și

pierderile mecanice pm prin frecări și ventilație se obține puterea mecanică utilă la arbore P2:

P2 = P – pFe2 – pm (1.10)

Randamentul M al motorului de curent continuu are expresia:

M = = = (1.11)

Randamentul nominal al motoarelor de curent continuu este cuprins între 0,75 și 0,95 pentru puteri nominale cuprinse între 1kW și 10MW.

Cuplul electromagnetic se poate exprima în funcție de puterea electromagnetică P și viteza unghiulara a rotorului astfel:

M = = = = KMIa (1.12)

La motoarele de curent continuu cuplul electromagnetic M este un cuplul motor de antrenare. Raportul dintre puterea mecanică utilă la arbore al motorului P2 și viteza unghiulară de rotație a rotorului , reprezintă cuplul mecanic M2 al motorului de curent continuu:

M2 = (1.13)

Caracteristicile de pornire ale motorului de curent continuu

Pornirea motoarelor de c.c. este legată de valoarea curentului rotoric. Pornind de la relația care dă acest curent:

IA (1.14)

La pornire viteza de rotire Ω=0, deci și t.e.m:

E = KΦΩ=0 (1.15)

iar IA = (1.16)

Cum RA are valori foarte mici, curentul rotoric și cuplul de pornire MP = KΦIP au valori foarte mari. Pentru a nu cauza deteriorarea mașinii, curenții și cuplurile de pornire trebuie limitate în intervalul de timp al pornirii. Se menționează trei metode de pornire:

Pornirea prin conectarea directă la rețea

Această metodă de pornire se aplică la motoarele de putere mică( până la 6kW). La motoare de puteri medii și mari apare pericolul unor curenți de pornire de valori mari, care pot suprasolicita periile, bobinajul și arborele la încălzire, respectiv forțe și cupluri electrodinamice mari, ca și rețeaua de alimentare.

Pornire prin reducerea tensiunii aplicate U.

Pornirea prin reducerea tensiunii de alimentare se folosește în instalații de mare putere, când sunt necesare porniri dese și când folosirea unui reostat de pornire ar conduce la gabarite și consumuri de puteri mari. Metoda a căpătat răspândire odată cu dezvoltarea variatoarelor statice de tensiune continuă. Această metodă se apilică dacă tensiunea poate fi reglată după voie, cu o instalație specială. Deoarece fluxul trebuie să fie constant și cît mai mare, pentru a nu schimba valoarea fluxului odată cu variația tensiunii aplicate, motorul trebuie să aibă excitație separată.

Pornire prin introducerea în circuitul principal al motorului a reostatului de pornire Rp

Curentul de pornire devine, prin alegerea convenabilă a lui Rp:

Ip = = ( 2 – 2,5 ) Ia (1.17)

Această metodă se aplică la motoarele alimentate de la rețele cu tensiune constantă. Pe măsură ce turația motorului crește, crește și tensiunea electromotoare , curentul absorbit de motor scade; reostatul poate fi treptat scos din circuit astfel că, la sfârșitul pornirii, el să fie scurtcircuitat.

Este metoda cea mai răspândită. Reostatul de pornire este divizat în mai multe trepte care sunt comutate manual sau automat, pe măsura scăderii curentului și creșterii t.e.m.

Reglarea vitezei la motoarele de curent continuu

Viteza de rotație a motorului are expresia :

n = (1.18)

Neglijându-se căderea de tensiune, se poate scrie :

n (1.19)

Conform acestei relații, viteza de rotație poate fi reglată fie prin variația tensiunii alicate Um fie prin variația fluxului.

Reglarea prin variația tensiunii U

Dacă fluxul este constant, viteza variază proporțional cu tensiunea aplicată. Acest mijloc se poate aplica practic numai la motorul cu excitație separată, la care alimentarea motorului se poate face de la o sursă cu tensiune variabilă, obținându-se un reglaj foarte larg al turației, de la valori relativ mici la turație nominală.

Variația tensiunii U se poate obține și prin montarea în circuitul principal a unui reostat suplimentar, însă se obține un reglaj mic al turației, de 15- 20 % sub turația nominală.

Reglarea prin variația fluxului se face cu ajutorul reostatului de excitație. Viteza variază invers proporțional cu fluxul, deci cu curentul de excitație. Prin acestă metodă se obține un reglaj al turației d ela valoarea nominală în sus până la 2-3 ori turația nominală.

Schimbarea sensului de rotație

Din expresia : M = Km Ia (1.20)

rezultă că sensul cuplului produs, deci sensul rotație poate fi schimbat fie prin inversarea sensului fluxului , fie prin inversarea sensului curentului Ia . În acest scop trebuie să se inverseze legăturile, fie la excitație, fie la indus. Dacă se inversează ambele legături simultam, sensul de rotație nu se inversează.

În figura 2.9 sunt prezentate aplicatii ale sistemelor de actionare de curent continuu

Figura 2.9. Aplicații ale sistemelor de acționare de curent continuu

2.3.2. Motorul de curent alternativ

Motoarele de curent alternativ sunt acele mașini electrice având rolul de a transforma energia electrică de curent alternativ, în energie mecanică, materializată sub forma mișcării de rotație a rotorului( în cea mai mare parte).

În categoria motoarelor de curent alternativ intră motoarele asincrone și sincrone, cu pornire în sarcină, având nevoie de cuplu mare la pornire, cu turația constantă la variațiile cuplului, pentru care nu este necesar un reglaj continuu al turației; mediul în care se folosește poate fi coroziv sau cu vapori explozivi, în ceea ce privește condițile de funcționare se admit solicitări mecaniec( vibrații și socuri); motorul asincron este mai ieftin, mai robust având o pornire mai puțin pretențioasă decât cel sincron.

Funcționarea acestor categorii de mașini se bazează pe principiul producerii forței electromagnetice, în urma interacțiunii dintre două câmpuri magnetice.

În tehnica militară o utilizare mai largă o au motoarele de curent alternativ asincrone și ca urmare această categorie de motoare electrice va fi prezentată în continuare.

Clasificarea motoarelor de curent alternativ asincrone

După numărul de faze ale tensiunii de alimentare

motoare de current alternative monofazat;

motoare de current alternative bifazat;

motoare de current alternative trifazat;

După particularitățile constructive ale rotorului:

motoare de curent alternativ cu rotor bobinat( motoare de curent alternativ cu colector);

motoare de curent alternative cu rotor în scurtcircuit.

Motorul de curent alternativ monofazat

În compunerea motorului de curent alternativ monofazat intră statorul pe care este dispusă o singură înfășurare care se conectează la rețeaua monofazată de alimentare și rotorul care ,de obicei, este în scurtcircuit.

În figura 2.10 este reprezentată schema electrică a motorului de curent

alternativ monofazat. Înfășurarea statorică, fiind alimentată în curent alternativ monofazat, produce un flux magnetic pulsatoriu în timp și spațiu.

La motorul de curent alternativ monofazat se induc tensiuni electromotoare alternative, conform relației:

ue= (2.1),

Figura.2.10.Schema electrică a motorului

de curent alternativ monofazat

Motorul de curent alternativ monofazat prezintă dezavantajul că are cuplul de pornire nul, pentru ca să funcționeze este necesar să i se dea un impuls în direcția de rotație dorită. Datorită acestui dezavantaj, motorul de curent alternativ monofazat are o utilizare relativ restrânsă, de regulă se folosește pentru acționarea unor mecanisme de putere relativ mică.

Motorul de curent alternativ bifazat

Comparativ cu motorul de curent alternativ monofazat, în componența acestuia mai intră încă o înfășurare dispusă pe stator și decalată cu față de prima și se numește înfășurare suplimentară sau de pornire.

Schema electrică simplificată a motorului de curent alternativ bifazat este reprezentată în figura.2.11.

Pentru ca motorul să funcționeze este necesar ca cele două înfășurări( L1- înfășurarea principală și L2- înfășurarea auxiliară) să aibă același număr de spire și să fie alimentate cu tensiunile u1 și u2, de aceași valoare efectivă, dar decalate între ele cu .

Figura.2.11. Schema electrică a

motorului de curent alternativ bifazat

u1 = Umax sint (2.2)

u2 = Umax sin (2.3)

Practic, tensiunea alternativă bifazată nu se produce la scară industrială, de aceea alimentarea unui astfel de motor electric se asigură de la o rețea de curent alternativ monofazat. Pentru a putea realiza acest lucru în serie cu înfășurarea principală se conectează un condensator.

Cunoscând comportarea condensatoarelor și anume că relizează defazajul cu 90º înainte a curentului față de tensiune, rezultă că variația curentului prin înfășurarea principală va fi defazată cu 90º înaintea variației curentului prin înfășurarea auxiliară, fiind astfel îndeplinite condițiile impuse.

Schema electrică de conectare a unui astfel de motor la rețeaua de curent alternativ monofazat este reprezentată în figura 2.12.

Figura.2.12. Schema electrică de conectare a unui motor bifazat la rețeaua de c.a. monofazat

Funcționarea motorului de c.a. bifazat poate fi explicată după cum urmează: înfășurările statorice fiind alimentate de la rețeaua de curent alternativ sunt străbătute de curenții iL1 și iL2 ale căror variații sunt reprezentate grafic în figura 2.13.

Figura.2.13. Obținerea câmpului magnetic învârtitor în cazul motorului bifazat de c.a.

Puterile, pierderile și randamentul motorului de curent alternativ

La funcționarea în sarcină a motorului asincron trifazat, înfășurarea statorică absoarbe de la rețeaua de alimentare puterea activă:

P1 = 3 U1 I1 cos1 = U1I1cos ( 2.7)

O parte din putere se pierde prin efect Joule-Lenz în înfășurarea statorică, pCu1 = 3 R1 (2.8)

În circuitul magnetic al statorului apar pierderi în fier pFe1 , astfel avem puterea electromagnetică: P = P1 – ( pCu1 + pFe1) (2.9)

Diferența dintre puterea electromagnetică și pierderile în cuplul rotoric reprezintă puterea mecanică totală PM.

PM = P – p Cu2 (2.10)

În funcționarea motorului asincron mai apar și pierderi mecanice pm, prin frecări mecanice , pierderi prin ventilație pV și pierderi suplimentare ps .

Puterea mecanică utilă la arborele motorului este dată de relația:

P2 = PM – (pm – pv –ps ) (2.11)

Randamentul motorului asincron se definește ca raportul dintre puterea mecanică la arbore și puterea activă absorbită de înfășurarea statorică:

= (2.12)

Cuplul electromagnetic al mașinii asincrone este dat de relația:

M = ( 2.13)

În figura 2.14 sunt redate aplicații ale sistemelor de actionare de curent alternativ.

Figura 2.14. Aplicații ale sistemelor de acționare de curent alternativ

2.3.4. Motorul pas cu pas

Motoarele pas cu pas sunt dispozitive electro-mecanice care transformă informația numerică într-o mișcare mecanică, stabilind o corespondență direct univocă între informația primită și deplasarea unghiulară realizată. Aceste motoare sunt comandate în impulsuri și se deplasează pas cu pas, având posibilitatea de poziționare precisă a rotorului. Aceste motoare permit o mișcare controlată și pot fi folosite în domenii importante cum ar fi cele prezentate în figura 2.14.

Figura.2.14.Aplicații ale sistemelor de acționare cu motor pas cu pas

Avantajele folosirii MPP sunt: asigură univocitatea conversiei număr de impulsuri în deplasare și ca urmare pot fi utilizate în circuit deschis( buclă deschisă, fără măsurare și reglarea automată a poziției unchiulare); gamă largă a frecvențelor de comandă; precizie de poziționare și rezoluție mare; permit porniri, opriri, reversări fără pierderi de pași; memorează poziția; sunt compatibile cu comanda numerică.

Dezavantaje : unghi de pas de valoare fixă; viteză de rotație relative scăzută; putere dezvoltată la arbore de valoare redusă; randament energetic scăzut.

Motoarele pas cu pas pot fi clasificate în trei categorii principale: motor pas cu pas cu magnet permanent; motor pas cu pas cu reductanță variabilă și motor pas cu pas hibrid.

Motor pas cu pas cu magnet permanent

Caracterizat prin faptul că rotorul este un magnet permanent cilindric și polii magnetici sunt ficși. Există două tipuri de astfel de motoare: motoare pas cu pas cu comandă unipolară și respective motoare pas cu pas cu comandă bipolar.

În figura 2.19 a este prezentat motorul pas cu pas cu comandă unipolară cu 4 faze unde sunt alimentate fazele F1 și F2 ceea ce duce rotorul în poziția îndicată.

Figura 2.15. Motorul pas cu pas cu comandă unipolară

Dacă se acționează comutatorul K1 vor fi alimentate fazele F2 și F3, câmpul magnetic statoric este repoziționat iar rotorul se deplasează cu 90º.(figura 2.15.b). Alternând secvența de comandă a comutatoarelor K1 și K2, rotorul poate fi făcută să se deplaseze în orice direcție.

Figura 2.16.a prezintă configurația de comandă pentru un motor unipolar cu 4 faze iar figura 2.16 b este prezentată secvența de comutație a comutatoarelor de putere. Sunt alimentate de fiecare dată două faze ale motorului rezultând rotația câmpului magnetc statoric, care determină deplasarea pas cu pas a rotorului motorului.

Figura 2.16. Sistem unipolar cu patru faze a) configurație de comandă; b) secvența de comutație

În figura 2.17 este prezentată schema electric a unui motor pas cu pas cu comandă bipolar. Acest tip de motor nu este prevăzut cu o priză median, iar curentul prin întreaga înfășurare este inversat prin schimbarea alternativă a bornelor de alimentare. Comanda este identică cu cea a motorului cu comandă bipolară.

Figura 2.17. Motorul pas cu pas cu comandă bipolar

În figura 2.18 este prezentată schema electric a circuitului de comandă a motorului bipolar cu 4 faze în care comutatoarele sunt acționate întodeauna în perechi, K1 cu K4 și K2 cu K3.

Avantajele utilizării unui motor cu comandă bipolar reies și din figura 2.19 ( cuplul de lucru- funcție de viteza de rotație), în care sunt comparate performanțele unui motor unipolar cu echivalentul său bipolar.

Motoarele unipolare dezvoltă un cuplu mai mic la o viteză mai mică de rotație, iar la o viteză ridicată de rotație cuplurile dezvoltate de cele două tipuri de motoare sunt aceleași. Timpul comutării este mai mic la motoarele cu comandă unipolară, deoarece necesită doar 4 tranzistori de putere în loc de 8. Comandat corespunzător motorul cu comandă bipolar permite obținerea unor performanțe superioare la viteze mici și medii de funcționare.

Figura 2.18 Sistem bipolar cu patru faze Figura 2.19 Cuplul de lucru

a) configurația de comandă; în funcție de viteza de rotație

b) secvența de comutație A-motor unipolar; B-motor bipolar

Motorul pas cu pas cu reluctanță variabilă

La acest motor, rotația este obținută utilizând forța de atracție între componenta magnetizată( polul statorului produs de un current electric controlat) și componenta pasivă de oțel( polul rotorului).

În figura 2.24 este prezentată configurația unui motor cu reluctanță variabilă, în care statorul are 6 poli iar rotorul 4 poli.

Figura 2.24 Motorul pas cu pas cu reluctanță variabilă

În cazul a, faza AX este alimentată și polii rotorului 1 și 3 sunt aliniați cu înfășurarea AX.

În cazul b, când se întrerupe AX și se alimentează BY, polii 2 și 4 se orientează spre BY fiind cei mai apropiați de aceștea.

În cazul c, când se întrerupe BY și se alimentează CZ, polii 1 și 3 se orientează spre CZ.

Mărimi caracteristice ale motorului pas cu pas

Unghiul de pas

Pasul motorului reprezintă unghiul de rotație al rotorului, corespunzător unui impuls de comandă. Unghiul de pas depinde de numărul de perechi de poli, de numărul înfășurărilor de comandă decalate spațial una față de alta și de secvența de comandă a înfășurărilor statorului.

Unghiul de pas pentru un motor pas cu pas cu magnet permanent se calculează cu relația:

(3.1)

unde : p reprezintă valoarea unghiului de pas; ps- numărul perechilor de poli ai statorului; pr- numărul perechilor de poli ai rotorului.

Cuplul rezistent

La pornire când are loc alimentarea, este necesar un cuplu de o anumită valoare pentru a roti rotorul motorului pas cu pas, acesta fiind cuplul rezistent. Când se aplică un cuplu mai mare decât cuplul rezistent rotorul se va roti continuu. Cuplul rezistent este mai mare decât cuplul de lucru și acționează ca o frână puternică pentru a obține sarcina motorului nemișcată. La motorul pas cu pas hibrid și motorul pas cu pas cu magnet permanent întâlnim un cuplu de frânare chiar și când înfășurările statorului nu sunt alimentate și se numește cuplu de reținere.

Cuplul de lucru(dinamic)

Cuplul electromagnetic se poate define ca fiind derivata energiei magnetice în funcție de unghiul de rotație a rotorului, la un curent de excitație constant:

MS= – i=ct. (3.2)

Caracteristicile dinamice ale motoarelor pas cu pas sunt descries de curbele de variație a cuplului în funcție de viteza de rotație, curbele fiind prezentate în figura 2.23. Curba cuplului maxim în cazul unui motor care lucrează în sarcină( curba1) arată ca motorul pas cu pas poate fi pornit și oprit, fără a se pierde pași atunci când funcționează la o viteză de rotație constant.

Curba 2 arată cuplul maxim care se poate obține atunci când motorul este accelerat, respective decelerat de la viteza nominal.

Cuplurile limită;

Reprezintă un cuplu critic cvasistaționar, ca fiind valoarea maximă la care se poate mări cuplul rezistent, la o fecvență de comandă dată, fără a cauza ieșirea din sincronism a motorului( pierderea pașilior), acesta fiind invers proporțional cu fecvența de lucru.

Frecvența limită.

Caracteristica de sarcină limitată precum și caracteristicile dinamice limită( de pornire, oprire și reversare) s-au stabilit luând ca reper o frecvență de comandă dată. Astfel au fost definite cuplurile limită. Dacă se ia ca referință un cuplu rezistent dat, se poate define în mod similar frecvențele limită( critice) la funcționarea în regim static și dinamic(pornire, oprire, reversare).

2.3.4. Servomotoare electrice

Servomotoarele fac parte din categoria motoarelor electrice executate special pentru a fi utilizate în sistemele automate de poziționare și care în general sunt de puteri reduse(de ordinul kW).

Servomotoarele sunt motoare speciale, de curent continuu sau alternativ cu viteză de rotație reglabilă într-o gamă largă în ambele sensuri având ca scop deplasarea într-un timp precis a unui sistem mecanic , și realizând totodată poziționarea acestuia la sfârșitul cursei cu o anumită precizie.

Se impune servomotoarelor următoarele performanțe: gamă largă de modificare a vitezei în ambele sensuri; funcționarea stabilă la viteză foarte mică; constante de timp cât mai reduse; fiabilitate și robustețe ridicate; raport cuplu/moment de inerție cât mai mare; suprasarcină dinamică admisibilă mare; caracteristici de reglare liniare.

Servomotoarele electrice le întâlnim în diverse aplicații cum ar fi: acționarea roboților industriali universali, a mașinilor unelte cu comandă numerică, a perifericelor de calculator, în acționarea imprimantelor rapide, în tehnica aerospațială, instalații medicale.

Pătrțile componente principale ale unui servomotor electric sunt redate în figura.2.26.

Figura.2.26. Părțile principale ale unui servomotor

Clasificarea servomotoarelor

servomotoare de curent continuu

servomotoare asincrone și servomotoare sincrone;

servomotoare pas cu pas

Comportarea servomotorului este dată de următoarele ecuații:

ue = Reie + ( Le ie ) (4.1)

ua = Raia + ( La ia ) +e (4.2)

e = k(4.3)

m= k ia (4.4)

m- mv-mr = J , mv+mr= mR (4.5)

= f(ie) (4.6)

unde: Re și Ra sunt rezistențele infășurării de excitație respectiv rezistența

totală a circuitului indusului; Le , La sunt inductivitățile totale ale infășurării

de excitație respectiv indusului; ue și ua sunt valorile momentane ale

tensiunilor la bornele infășurării de excitație respectiv indusului; ie și ia

reprezintă valorile momentane ale curentului prin indus respectiv excitație;

e este t.e.m. indusă de campul de excitație.

Ecuațiile (4.1), (4.2) au rezultat din aplicarea legii inducției electromagnetice în lungul circuitului de excitație respectiv de indus.

Atât Le cât și La au fost introduse sub semnul derivatei întrucât sunt mărimi variabile cu sarcina.

Ecuația (4.3), (4.4) reprezintă expresiile t.e.m induse prin rotație și respectiv a cuplului electromagnetic, În aceste relații k este o constantă adimensională.

K= (4.7)

unde p reprezintă numărul de perechi de poli, N este numărul de conductoare iar a numărul de perechi de căi de înfășurare.

Ecuația (4.5 ) este ecuația fundamentală a mișcării în care J este momentul de inerție al servomotorului, mR este cuplul rezistent total care poate fi descompus în două componente , una de frecare vâscoasă mv și cealaltă, un cuplu mr independent de viteză.

2.3. Importanța motoarelor electrice

Folosirea motoarele electrice ne oferă posibilitatea de a duce o viață modernă. Frigidere, aspiratoare, aparate de aer condiționat, ventilatoare, hard disk-uri de calculator, ferestre automate de mașini și o mulțime de alte aparate și dispozitive, toate folosesc motoare electrice pentru a converti energia electric în energie mecanică utilă. Față de funcționarea aparatelor obișnuite pe care le folosim în fiecare zi, motoarele electrice sunt , de asemenea folosite în procesele industriale. Motoarele electrice sunt utilizate în procesul de producție al oricărui produs imaginabil, produs în fabrici moderne.

Datorită numărului aproape nelimitat de cereri de motoare electrice , nu este greu să ne imaginăm că există peste 700 de milioane de motoare de diferite dimensiuni în funcțiune în întreaga lume. Acest număr enorm de motoare și acționări de motoare are un impact semnificativ asupra lumii din cauza cantității de energie pe care o consumă. Mai mult de jumătate din energia electrică furnizată la nivel mondial este utilizată în acționări electrice . Din păcate , cele mai multe dintre aceste unități sunt bazate pe tehnologia veche și disipa 25% până la 40 % din energia furnizată care ar putea fi salvate prin sisteme de acționare electrică și electronică de putere modernă.

CAPITOLUL III. BRAȚ ROBOTIC ACȚIONAT ELECTRIC

Acest ultim capitol cuprinde partea practică a lucrării în care voi prezenta brațul robotic pe care l-am construit sub formă de prototip, având ca obiective punerea în evidență a importanței acestuia, a gradului ridicat de aplicabilitate pe care îl are , precum și utilitatea pe care o aduce domenului militar și de ce nu și în activitățile de zi cu zi. Un alt obiectiv al lucrării este de a pune în evidență acționarea electrică necesară funcționării brațului robotic.

Dezvoltarea tehnologiei și a informaticii avansate a generat evoluția roboților într-un mod rapid și complex. Brațul robotic construit este menit să vină în ajutorul nostru pentru a ne ușura munca și a ne ajuta la îndeplinirea mai promptă a obiectivelor.

Un braț robotic intră în componența multor roboți industriali și deasemenea intră și în componența roboților militari. Vorbim despre roboții EOD, de deminare care pentru construcție pe lângă mobilitatea pe care trebuie să o aibă, de facilitățile acestora, a comenzii, este clar că trebuie să aibă în componență și un braț robotic, cu un anumit număr de grade de libertate, pe care să fie montate camere video, un gripper, diferite tipuri de echipamente de urmărire( senzori de umezeală, senzori de fum).

3.1. Destinație

Acest braț robotic poate fi utilizat atât în viața civilă în cadrul roboților industriali precum si în domeniul militar, la echipamentele specifice militare. Brațul poate fi montat pe un vehicul și poate fi utilizat pentru executarea unor tipuri de operații cum ar fi: ridicarea de echipamente, transportul, anumite tipuri de lucrări genistice și de comunicații precum și pentru încărcarea cu muniție a pieselor de artilerie în timpul unei misiuni.

3.2. Prezentarea generală a brațului

În componența brațului robotic intră următoarele subsisteme principale :

Baza brațului

Brațul

Sursa de alimentare

Telecomanda

În figura 3.1 este prezentat brațul robotic acționat electric cu principalele elemente componente.

Figura 3.1. Prezentarea brațului robotic și a componentlor acestuia

Baza brațului

Este realizată din lemn fiind o structură solidă cu scopul de susținere a brațului.

Dimensiuni : 19cm lungime, 15cm lățime, 6cm înălțime

În componența acesteia intră un motor cu reductor de turație de 6 volți la care se ansamblează plăcuța rotativă pe care este prins brațul, prin care se realizează mișcarea cu 355º. Motorul este conectat la braț executând mișcarea specifică.

Brațul

Pentru construcția brațului am folosit ca și material textolitul, având bune proprietăți mecanice. În vederea acționării segmentelor ce formează brațul am folosit 4 motoare de 6 volți cu reductor de turație. Partea finală a brațului se încheie cu un gripper( are 1 motor) care poate îndeplini mai multe funcții.

Dimensiuni :

– înălțime totală 30 cm

– segment I 12 cm

-segment II 10 cm

– segment III 8cm cu tot cu gripper

Sursa de alimentare

Am decis să folosesc ca și sursă de alimentare a brațului robotic un redresor care transformă 230 volți în 12 respectiv 6 volți.

În figura 3.2 este prezentată schema electrică a redresorului, în care sunt notate valorile de tensiuni și curenti pe toate cele 5 trepte de lucru, măsurători efectuate în gol.

Valorile măsurate corespund aplicării la intrare a unei tensiuni de 230Vef,50Hz.

Pe treapta în care curentul livrat acumulatorului este minim, bornele comutatorului care se pun în contact sunt 12-7. Fără a avea conectat nimic pe ieșiri, curentul absorbit în gol de către primarul transformatorului este doar 2.6mAef.

Figura 3.2. Schema electrică a redresorului

În aceasta situatie, tensiunile masurate pe cele 4 prize mediane, legate la bornele 8, 9, 10,11, se obtin respectiv 215V, 195V, 180V, 165V.

Aplicând în continuare pe intrare aceeași tensiune de 230V-50Hz și mutând comutatorul pe fiecare din celelalte 4 trepte superioare de curent, curenții de mers în gol absorbiți în primar vor fi respectiv 3mA, 4mA, 5mA si 6.5mA borna 12 a comutatorului fiind pusă în contact consecutiv cu cate una din bornele 8, 9, 10 și 11.

Transformatorul este prevăzut cu două înfășurări secundare identice, astfel că este posibilă obținerea a două configurații diferite de redresor, anume redresor în punte, respectiv redresor cu punct median.

Poate fi folosit pentru încărcarea atât a acumulatoarelor de 12V cât și de 6V fără interventia altui comutator, ci prevazand 3 borne de iesire, una din ele fiind comuna celor doua tipuri de acumulatoare.

Utilizând bornele de ieșire marcate "+6V" si "-", la redresare participă doar 2 diode, în configuratie de redresor bialternanță cu punct median, fiecare fiind deschisă în câte o semialternanță, corespunzător fazării celor două înfășurări secundare.

Utilizând pentru sarcină bornele de iesire marcate "+12V" si "-", la redresare participă toate cele 4 diode, în configurație de punte Graetz, tensiunea alternativa aplicată fiind cea care rezultă prin înserierea ambelor înfășurări secundare.

Tensiunile în gol obținute pe cele 5 trepte, când borna 12 a comutatorului este pusa consecutiv în contact cu cate fiecare din bornele 8, 9, 10 si 11, sunt respectiv 5.3V, 5.7V, 6.3V, 6.8V si 7.5V, pe fiecare din cele doua infasurari secundare identice. Evident, în situația folosirii bornei de "+12V", când ambele secundare sunt înseriate, tensiunile aplicate punții redresoare vor fi duble, respectiv 10.6V, 11.4V, 12.6V, 13.6V si 15V.

Brațul robotic mai poate fi alimentat cu ajutorul unor acumulatori, cu o tensiune de 6 volți. Cand aceștea se descarcă pot fi încărcați folosind redresorul.

Alimentarea cu ajutorul acumulatorilor este utilă în zone în care nu avem acces la o sursă de curent.

Folosirea atât a acumulatoarelor, cât și a redresorului ne oferă beneficii care sunt evidente. În figura 3.3 sunt prezentate cele două modalități de alimentare a brațului robotic.

Figura 3.3. Metode de alimentare a brațului robotic

Telecomanda

Pentru comanda brațului robotic am folosit o telecomandă( Figura 3.4 ). Aceasta are în componență 10 butoane, câte 2 butoane pentru comanda unui motor. Conține și un întrerupător utilizat în a închide/deschide circuitul de alimentare a unui led ce intră în componența brațului robotic fiind necesară și o sursă de lumină. Conectarea între telecomandă și plăcuța de tranzit se face prin intermediul unui conductor cu 8 pini.

Dimensiuni: 10 cm lungime, 12 cm lățime.

Figura 3.4. Telecomandă braț robotic

Plăcuța de tranzit

Rolul acestei plăcuțe este de a face legătura între telecomandă și motoare, mai precis de a putea comanda motoarele. Pe plăcuță avem mufe de conectare a motoarelor( M1, M2, M3, M4, M5), mufă pentru conectarea ledului, mufă pentru conectarea sursei de alimentare. Avem și o mufă( GND) care realizează inversarea sensului de rotație al motorului. Plăcuța mai conține o mufă pe 8 biți la care se conectează cablul de la telecomandă.

Figura 3.5 prezintă această plăcuță, atât parte din față cu mufele tată, precum și partea din spate unde putem vedea traseele marcate.

Figura 3.5. Plăcuță de tranzit față-spate

Sursa de iluminat cu suport

Rolul de a lumina pe timp de noapte și cand este nevoie.

Este formată dintr-un led și un suport de susținere.

Suportul de susținere are la un capăt filet prin care se montează la braț.

Dimensiune : 15 cm Figura 3.8. Sursa de lumină cu suport

Cuvă pentru cățărat ( Nu se înțelege rolul acesteia!)

Cuva (Figura 3.9) se montează la brațul robotic când se dorește a se executa lucrări cum ar fi , montarea unui cablu pe un stâlp, cățărarea pe stânci, în zone unde nu se poate ajunge.

Figura 3.9. Cuvă- accesoriu al brațului robotic

3.3 Forme în care putem găsi brațul robotic

Cum am mai spus un braț robotic intră în construcția multor roboți, atât militari cât și a roboților industriali. Totul depinde de ceea ce se vrea a se face cu acesta.

Dacă acest braț este construit la dimensiuni mici, îl putem folosi în construcția roboților militari ( roboți de urmărire și recunoaștere, roboți EOD, etc.), roboți care nu necesită manipularea unei sarcini foare mare.

La dimensiuni medii și mari îl întâlnim la roboții industriali, la roboți care trebuie să acționeze o sarcină mai mare, să ridice, să manipuleze obiecte mai grele.

Brațul pe care l-am construit se poate realiza la diferite dimensiuni în funcție de scopul și obiectivele ce le avem de îndeplinit.

O să prezint două forme în care se poate afla brațul robotic construit :

Brațul robotic când are montat gripperul

În acest caz poate executa operații cum ar manipularea de obiecte în vederea îndeplinirii anumitor sarcini( îndepărtarea din cale a unor obstacole, ridicarea de bolovani, stânci, lemne etc). Figura 3.10 îl prezintă în această formă:

Figura 3.11. Brațul robotic cu gripperul montat

Când are montată cuva

Permite cățărarea în anumite locuri, montarea de cabluri, pătrunderea în clădiri, etc. Este ilustrat în figura 3.12 sub această formă.

Figura 3.12. Brațul robotic având cuva montată

3.4 Etapele construirii brațului robotic

Pentru a ajunge la forma finală, cea prezentată anterior s-au parcurs mai multe etape. În continuare vă voi face cunoscute procesele prin care au trecut fiecare parte componentă a brațului.

Construcția bazei

Baza am realizat-o din lemn fiind destul de stabilă. Am decupat părțile componente și le-am ansamblat. Am decupat și locașul în care am montat motorul ce realizează rotirea brațului. Pe urmă a urmat procesul de chituire și s-a încheiat cu vopsirea acesteia.

Mai jos sunt prezentate cateva imagini ce ilustrează etape ale construirii bazei:

Construcția telecomenzii

Pentru realizarea telecomandei s-au facut o serie de operațiuni:

Decuparea necesarului de cablaj

Realizarea schemei circuitului telecomenzii și desenarea acestuia pe cablaj

Realizarea procesului de corodare cu clorură ferică

Curățarea cablajului

Lipirea butoanelor și a comutatorului

Lipirea conductorului pe 8 biți

Verificarea telecomenzii

Construirea carcasei și vopsirea acesteia

Mai jos sunt prezentate imagini ale realizării telecomenzii:

Construcția brațului

Construcția brațului a constat în schițarea părților componente, decuparea acestora și montarea lor. Le-am montat în așa fel încât să pot să realizez articulațiile pentru a avea mobilitate.

Construcția gripperului

Pentru a putea construii gripperul prima dată mi-am facut o schemă a acestuia. Am schițat părțile componente, le-am decupat si pe urmă ansamblat. Acesta conține un motor de 6 volti cu reductor de turație curent continuu care închide și deschide brațele griperului.

Este o componentă importantă a brațului. Gripperul este cel care intră în contact cu obiectul, pe care îl ridică, îl manipulează.

Funcțiile gripperului sunt:

Prinderea

Eliberarea

Manipularea

Menținerea obiectului în cazul opririi de siguranță

Asigurarea stabilității în mișcarea

Protecția produsului manipulat

Asamblarea componentelor

Prin îmbinarea bazei, brațului, gripperului s-a realizat brațul robotic în forma în care este prezentat. Iar pentru a-l putea comanda am inclus și telecomanda și o sursă de alimentare.

Figura 3.13 prezintă brațul robotic complet ansamblat

Figura 3.13. Braț complet ansamblat

3.4 Prezentarea schematică a brațului robotizat

Brațul robotic construit are 4 grade de libertate.

pentru rotirea bazei am folosit 1 motor( M1) curent continuu de 6 volți, acesta rotește brațul cu 360º.

prima articulație 1 motor curent continuu 6 volți( M2), execută mișcare sus/jos 120º.

a doua articulație, 2 motoare curent continuu cu reductor de turație,( M3, M4), execută mișcare sus/jos 180º.

a treia articulație, 1 motor curent continuu( M5), acesta are rolul în a mișca gripperul cu 270º.

pentru a acționa gripperul am folosit un motor de curent continuu cu reductor de turație (M6).

În figura 3.14 este prezentat schematic brațul robotic

Figura 3.14. Prezentarea brațului robotic, principalele elemente ce îl acționează.

3.5 Acționarea electrică a brațului robotic

Partea electrică a brațului este formată din schema electrică a telecomenzii, a plăcuței de tranzit și a sursei de alimentare.

În figura 3.15 este reprezentată schema electrică a brațului robotic.

Figura 3.15 Schema electrică a brațului robotic

In realizarea sistemului de acționare electrică al brațului robotic intră următoarele componente:

10 butoane cu acționare prin apăsare cu revenire

1 întrerupător pentru LED

6 motoare curent continuu

1 sursă de alimentare

4 acumulatori R20

cabluri de legătură

mufe

1 led

3.6 Exemplificarea modului de pornire și de inversare al sensului de rotație al motorului de c.c folosit în acționare

Figura 3.16 Pornirea și inversarea sensului de rotație al motorului de c.c ce acționează brațul

Prin apăsarea butonului ( SW1), putem vedea sensul pe care îl parcurge curentul în circuit ce duce la pornirea motorului în sensul de rotație x. Culorile roșu și albastru sunt desemnatea pentru a arăta acest traseu. Se observă că roșu este conectat la borna( + ) a sursei și albastru la borna ( +) a motorului M1. Borna ( – ) a motorului M1 este conectată la borna ( – ) a sursei. Astfel motorul M1 se rotește în sensul x.

Pentru inversarea sensului de rotație al motorului M1 în direcția y se apasă butonul ( SW2), sensul de parcurgere este reprezentat prin culorile albastru și maro.

Se poate vedea că maro este conectat la borna ( -) a sursei și albastru la borna ( + ) a motorului M1 ceea ce duce la inversarea polarității și astfel motorul M1 va avea sensul de rotație y.

3.7 Motoare electrice folosite

Am folosit 2 motor cu angrenaje pentru rotirea bazei respectiv prima articulație.

Pentru articulația 2,3 și pentru gripper am folosit 3 motoare cu cutie de viteze 120:1 tip pololu.

În figura 3.16 este prezentat motorul pololu folosit.

Este un motor electric cu cutie de viteza cu raport de transmisie 120:1

Specificații:

Dimensiuni :  54.5 × 20 × 13.8 mm

Tensiunea de alimentare : 3 – 6 V

Curent : 80 mA ( fară sarcină )  0.8A (blocat)

Cuplu : 1.4Kg/cm

Figura 3.16. Motor cu cutie de viteze 120:1 tip Pololu

3.8 Schema bloc a sistemul de acționare al brațului robotic

Figura 3.17. Schema bloc a sistemului de acționnare al brațului robotic

3.9 Modelarea 3D a brațului robotic

Modelarea brațului robotic a fost realizată în programul SketchUp Make

Figura. 3.5 Modelarea brațului 3D – vedere lateral dreapta

Figura.3.6 Modelarea brațului 3D- vedere frontală

Figura.3.7 Modelarea brațului 3D- vedere de sus

Figura.3.3 Modelarea 3D- vedere din spate

Figura 3.4 Modelarea 3D- vedere lateral stânga

Figura 3.5 Modelarea 3D- vedere dreapta jos

3.10 Contribuții personale

Lucrarea de față este o realizare personală, aceasta a fost construită manual din materiale(lemn, tablă, textolit.), folosind și motoare de la mașini de jucărie. Partea mecanică am construit-o în așa fel încât să pot să realizez articulațiile iar prin folosirea motoarelor să poată fi acționată și să îndeplinească funcțiile pentru care a fost creat.

Faptul că am construit baza brațului, brațul, telecomanda și într-un final brațul robotic reprezintă o contribuție importantă, nu având nevoie doar de resurse materiale cât și de o documentare teoretică ridicată.

Comanda brațului robotizat( telecomanda) a fost realizată din aproape în aproape, de la proiectare, la desenarea schemei electrice pe cablaj, corodare cu clorură ferică, lipirea butoanelor și într-un final realizarea carcasei exterioare.

Gripperul a fost făcut deasemenea pas cu pas, am schițat părțile componente, le-am decupat și montat. Am folosit material plastic, suruburi, piulițe, un motor de curent continuu 6 volti. Astfel s-a obținut produsul final.

Am montat toate părțile componente într-o succesiune logică și am obținut într-un final brațul robotizat cu comandă manuală.

Datorită faptului că sursa de energie e foarte importantă în orice domeniu de activitate, m-am gandit la posibilitatea de a facilita acest lucru.

Brațul robotizat poate fi alimentat prin două moduri în funcție de de necesitate:

Dacă suntem într-o zonă în care putem avea acces la rețeaua de energie electrică putem conecta direct la aceasta folosind redresorul prezentat anterior.

Dacă suntem într-o zonă în care nu avem acces la energie electrică folosim acumulatorii cu care este dotat brațul robotic. Acestea pot fi încărcați folosind redresorul în momentul în care avem posibilitatea de al conecta la o sursă de energie electrică.

CONCLUZII ȘI DEZVOLTĂRI ULTERIOARE

Lucrarea abordează o temă de interes actual fiind de o importanță deosebită pentru societate. Atât domeniul roboticii cât și studiul acționărilor electrice sunt relevante în ceea ce privește evoluția științei și a tehnologiei.

Putem recunoaște că este bine să cunoaștem anumite criterii de alegere a unui motor electric necesar într-un sistem de acționare, să avem în vedere eventualele nereguli care ar putea să apară dacă folosim un anumit tip de motor, precum și beneficiile pe care le-ar aduce.

Aplicabilitatea brațului robotic este evidentă, acesta putând fi folosit atât în construcția roboților industriali, a roboților de servicii precum și în construcția roboților militari.

Brațul construit poate fi folosit cu succes în domeniul militar pentru executarea operațiilor specifice ce sunt necesare executarii unor misiuni periculoase.

Consider că am abordat tema într-un mod care pune în evidență importanța roboticii, a acționărilor electrice și a brațului robotic construit.

Brațul construit poate avea multiple îmbunătățiri. O primă îmbunătățire a brațului ar fi înlocuirea sistemului de comandă manuală, cu un sistem de comandă mult mai eficient, de tip wireless sau folosind o placă arduino. Se poate adăuga diferiți senzori( de fum, de umezeală, de detectare a radiațiilor).

Bibliografie

Autori români:

Silviu, Mihai, Petrișor, “Roboți industriali utilizați în aplicații speciale”, Editura Academiei Forțelor Terestre ,,Nicolae Bălcescu ̓ ̓, Sibiu, 2010.

Gacsádi, Alexandru –“Bazele roboticii” – Curs pentru uzul studenților, Universitatea din Oradea, 2008.

Mereț, N, “Roboții industriali și aplicațiile lor”, Editura Ștințifică și Enciclopedică, București, 1985.

Neagoe, M, “Cinematica roboților industriali”. Precizia roboților, Reprografia Universității ,,Transilvania ̓ ̓, Brașov, 2002.

Lucian, Ciobanu, “Sisteme de acționări electrice”, Editura Matrix Rom, București, 2008.

Marian, Pearsică, Mădălina, Petrescu, “Mașini electrice”, Editura Academiei Forțelor Aeriene “Henri Coandă”, Brașov, 2007.

Mircea, Popa, Constanțiu, Popescu Edy, Dumbravă, Ovidiu, Samoilescu, Stelian, Popescu, “Mașini electrice și acționări”, Editura didactică și pedagogică, București.

Stelian, Popescu, Dan, Mihoc, Edy, Dumbravă, Ovidu, Samoilescu, “Acționări și automatizări”, Editura didactică și pedagogică, București.

Suciu, Doru, Electronică de putere, Târgu Mureș, 2006.

Gacsádi, Alexandru, Electronică de putere, Universitatea din Oradea, 2009.

Autori străini:

Sandler, Ben, Zion , “Robotics Designing the Mechanisms for Automated Machinery”.

Paul E. Sandin, “Robot Mechanisms and Mechanical Devices Illustrated.

Edwin,Wise, Robotics Demystisfied.

Marc T. Thompson, Introduction to Power Electronics, 2005-2007.

Valery, Vodovozov, Introduction to Power Electronics.

Robert W. Erickson , Maksimovic, Dragan, Fundamentals of Power Electronics.

Infografie:

http://www.slideshare.net/Standardizare/27-bejan-simion-roboti, accesat în data de 22.11.2013

http://www.vatau.com/Robotica_Avansata_Laborator.pdf, accesat în data de 23.11.2013

http://www.ttonline.ro/articole/robotica-prezent-%C5%9Fi-perspective-economice-%C5%9Fi-tehnico-%C5%9Ftiin%C5%A3if, accesat la data de 23.11.2013

http://www.vatau.com/Robotica_Avansata_Laborator.pdf, accesat în data de 23.11.2013

http://weaponsandwarfare.com/?p=29000, accesat la data de 10.03.2014

http://patrickoth.blogspot.ro/2010/10/mechatronics-application-in-military.html, accesat la data de 12.03.2014

http://en.wikipedia.org/wiki/DRDO_Daksh, accesat la data de 26.03.2014

http://en.wikipedia.org/wiki/Goalkeeper_CIWS, accesat la data de 26.03.2014

http://taubird.com/blog/2012/02/15/warrior-un-robot-militar-si-nu-numai, accesat la data de 27.03.2014

http://en.wikipedia.org/wiki/MARCbot, accesat la data de 26.03.2014.

http://www.slideshare.net/anmolseth520/robotics-30421670, accesat la data de 16.04.2014

http://www.atelierulelectric.ro/articole/Actionarea%20motoarelor%20pas%20cu%20pas.pdf, accesat la data de 22.04.2014

http://www.robofun.ro/mecanice/motoare?product_id=344, accesat la data de 04.04.2014

http://what-when-how.com/electric-motors/the-importance-of-electric-motor-drives/ , accest la data de 26.04.2014.

http://www.eal.ei.tum.de/en/start/, accesat la data de 26.04.2014

LISTĂ DE ABREVIERI

c.c- curent continuu

c.a- curent alternativ

3D- Tri – dimensional

mm- milimetri

cm- centimetri

EOD- Explosive Ordnance Disposal

GND- Ground

M- motor

EP-Electronică de putere

IGBT- Insulated Gate Bipolar Transistor

MOS-  Metal Oxide Semiconductor

GTO- Gate Turn Off Thyristor

FET- Field Effect Transistor 

SCR- Semiconductor Controlled Rectifier

ANEXE

Anexa I Structuri mecanice de roboți

Anexa II Lista simbolurilor utilizate în text. Denumire și unitate de măsură

Anexa III Structuri de bază ale sistemelor de acționare electrică

Anexa IV Simboluri dispozitive electronice de putere

Observații: Raportându-ne la figura 1.3, m-aș fi așteptat să dezvolti în lucrare sistemul de acționare, privit prin prisma tuturor părților constitutive și nu numai despre motoare. Mă refer aici, în special la partea electronicii de putere. Ai extins foarte mult prezentarea motoarelor, fără a face o legătură foarte precisă cu domeniul roboticii. Mă refer aici la: exemple de acționări concrete cu motoare de c.c., motoare de c.a., servomotoare, MPP etc.

Partea practică are informație redondantă. Rafineaz-o un pic. De asemenea, fii atent cu pozele din parte practică să nu le repeți de prea multe ori.

Ai extins prea mult partea teoretică. Nu contest că ai scris lucruri bune, dar se putea mai concis. Dacă mai ai timp să ții cont de aceste indicații, ocupă-te de ele cât mai repede. Dacă nu, lasă așa cum este, doar să faci corecturle marcate cu roșu și subliniate. Ceea ce este subliniat fie trebuie șters fie corectat ca înțeles sau gramatical. Dacă există litere, grupuri de litere sau cuvinte scrise cu roșu, dar fără subliniere, aceea este sugestia mea de corectură. Atenție la diacritice. Anexele și prezentarea PPT sunt bune. Dacă intervin modificări în conținut, în urma observațiilor făcute de mine, care merită să fie expuse în PPT, iti vei completa prezentarea.

În rest este bine.

Succes!

Bibliografie

Autori români:

Silviu, Mihai, Petrișor, “Roboți industriali utilizați în aplicații speciale”, Editura Academiei Forțelor Terestre ,,Nicolae Bălcescu ̓ ̓, Sibiu, 2010.

Gacsádi, Alexandru –“Bazele roboticii” – Curs pentru uzul studenților, Universitatea din Oradea, 2008.

Mereț, N, “Roboții industriali și aplicațiile lor”, Editura Ștințifică și Enciclopedică, București, 1985.

Neagoe, M, “Cinematica roboților industriali”. Precizia roboților, Reprografia Universității ,,Transilvania ̓ ̓, Brașov, 2002.

Lucian, Ciobanu, “Sisteme de acționări electrice”, Editura Matrix Rom, București, 2008.

Marian, Pearsică, Mădălina, Petrescu, “Mașini electrice”, Editura Academiei Forțelor Aeriene “Henri Coandă”, Brașov, 2007.

Mircea, Popa, Constanțiu, Popescu Edy, Dumbravă, Ovidiu, Samoilescu, Stelian, Popescu, “Mașini electrice și acționări”, Editura didactică și pedagogică, București.

Stelian, Popescu, Dan, Mihoc, Edy, Dumbravă, Ovidu, Samoilescu, “Acționări și automatizări”, Editura didactică și pedagogică, București.

Suciu, Doru, Electronică de putere, Târgu Mureș, 2006.

Gacsádi, Alexandru, Electronică de putere, Universitatea din Oradea, 2009.

Autori străini:

Sandler, Ben, Zion , “Robotics Designing the Mechanisms for Automated Machinery”.

Paul E. Sandin, “Robot Mechanisms and Mechanical Devices Illustrated.

Edwin,Wise, Robotics Demystisfied.

Marc T. Thompson, Introduction to Power Electronics, 2005-2007.

Valery, Vodovozov, Introduction to Power Electronics.

Robert W. Erickson , Maksimovic, Dragan, Fundamentals of Power Electronics.

Infografie:

http://www.slideshare.net/Standardizare/27-bejan-simion-roboti, accesat în data de 22.11.2013

http://www.vatau.com/Robotica_Avansata_Laborator.pdf, accesat în data de 23.11.2013

http://www.ttonline.ro/articole/robotica-prezent-%C5%9Fi-perspective-economice-%C5%9Fi-tehnico-%C5%9Ftiin%C5%A3if, accesat la data de 23.11.2013

http://www.vatau.com/Robotica_Avansata_Laborator.pdf, accesat în data de 23.11.2013

http://weaponsandwarfare.com/?p=29000, accesat la data de 10.03.2014

http://patrickoth.blogspot.ro/2010/10/mechatronics-application-in-military.html, accesat la data de 12.03.2014

http://en.wikipedia.org/wiki/DRDO_Daksh, accesat la data de 26.03.2014

http://en.wikipedia.org/wiki/Goalkeeper_CIWS, accesat la data de 26.03.2014

http://taubird.com/blog/2012/02/15/warrior-un-robot-militar-si-nu-numai, accesat la data de 27.03.2014

http://en.wikipedia.org/wiki/MARCbot, accesat la data de 26.03.2014.

http://www.slideshare.net/anmolseth520/robotics-30421670, accesat la data de 16.04.2014

http://www.atelierulelectric.ro/articole/Actionarea%20motoarelor%20pas%20cu%20pas.pdf, accesat la data de 22.04.2014

http://www.robofun.ro/mecanice/motoare?product_id=344, accesat la data de 04.04.2014

http://what-when-how.com/electric-motors/the-importance-of-electric-motor-drives/ , accest la data de 26.04.2014.

http://www.eal.ei.tum.de/en/start/, accesat la data de 26.04.2014