Această lucrare are scopul de a prezenta proiectarea și realizarea unui robot de inspecții pentru suprafețe vertical. [301422]

Rezumat

Această lucrare are scopul de a prezenta proiectarea și realizarea unui robot de inspecții pentru suprafețe vertical.

[anonimizat].

[anonimizat]. [anonimizat].

[anonimizat]. Un alt subpunct descris este proiectarea sistemului de vacuum ce conține principiul de funcționare și sistemul de acționare și comandă a turbinei împreună cu desenele realizate în SolidWorks. Totodată, acest capitol conține și informații despre senzorii și traductoarele care sunt utilizate.

[anonimizat].

Summary

This paper project aims to present the design and implementation of an inspection robot for vertical surfaces.

[anonimizat].

The second chapter presents a brief history of the robots and their classification. It is also shown the drive system of the mobile robot and the inspection sensors used for these machines.

[anonimizat]. Another subsection that is described is the comprising vacuum system design and operating principle of the drive system and turbine control with the drawings in SolidWorks. However, this chapter contains information about sensors and transducers that are used.

[anonimizat].

CUPRINS

Introducere. Obiectivul lucrării …………………………………..……………..pag. 5

Generalități privind roboții ………………………………………………..……. pag. 6

Scurt istoric …………………………………………………………………..…. pag. 6

2.2 Clasificări ……………………………………………………………………… pag. 12

După tipul de locomoție ………………………………………………. pag. 12

După modul de acționare ……………………………………………… pag. 13

După tipul motorului de acționare………………………………………………….. pag. 13

După caracteristicile de comandă………………………………………..pag. 13

Sistemul de acționare al roboților mobili de inspecție ………………………… pag. 14

[anonimizat], brushless  …………………… pag. 15

Pneumatic ……………………………………………………………… pag. 28

Actuatori neconvenționali ……………………………………………… pag. 32

2.4 Senzori utilizați pentru roboți mobili de inspecție …………………………… pag. 36

Poziție …………………………………………………………………. pag. 40

Accelerometre și giroscoape …………………………………………… pag. 43

iii. Sistemul de teleoperare  ……………………………………………….. pag. 47

3. Proiectarea robotului…………………………………………………………………pag. 50

a. Variante constructive ……………………………………………………………pag. 50

b. Proiectarea structurii mecanice …………………………………………………pag. 56

c. Proiectarea sistemului de acționare ………………………………………………pag. 60

Despre motoare de curent continuu ……………………………………pag. 60

Alegerea motorului de acționare ……………………………………… pag. 65

Proiectarea  sistemului de comandă a motorului de current continuu …pag. 65

Schema electrică ………………………………………. pag. 65

Cablaj …………………………………………………. pag. 66

d. Proiectarea sistemului de vacuum ……………………………………………… pag. 67

Principiul de funcționare ……………………………………………… pag. 67

Sistemul de acționare și comandă aturbine …………………………… pag. 69

Motorul de current continuu fără perii. Generalități ….pag. 70

Modulul de comandă …………………………………pag. 71

e. Senzori și traductoare …………………………………………………………. pag. 71

Despre senzori și traductori ……………………………………………. pag. 71

Tipuri de senzori ……………………………………………….……… pag. 73

Concluzii …………………………………………………………………….… pag. 77

Bibliografie ………………………………………………………….………… pag. 78

Anexe …………………………………………………………………….……. pag. 80

Introducere.Obiectivul lucrării

Un aspect important din evoluția omenirii este reprezentat de folosirea uneltelor pentru a ușura cât mai mult munca omului. În această categorie se află și roboții, aceștia ocupând o poziție importantă datorită complexității pe care o prezintă.

Termenul robot provine din limba cehă ″robota″ care înseamă muncă. Acest termen poate fi definit ca fiind o instalație ce poate funcționa sub un regim mai simplu sau mai complex de automatizare, fiind o îmbinare de echipamente ce prezintă senzori și servomotoare controlate de un sistem de calcul. Roboții operează în spații care sunt influențate de factori externi (gravitația influențează funcționarea pe pământ), iar programarea trebuie făcută astfel încât robotul să execute o serie de mișcări în funcție de starea inițială și de informațiile pe care le are.

Beneficiile aduse de roboți vizează de la muncitori, industrie și până la orice țară scutind oamenii de la operații ușoare și până la operații periculoase ce nu pot fi realizate de către om, precum realizarea unor activități în spații periculoase și dăunătoare omului, efectuarea unor activități imposibil de realizat de către om sau chiar eficientizarea timpului necesar pentru efectuarea anumitor activități.

Scopul acestei lucrări este de a realiza un robot care este capabil să se deplaseze pe suprafețe verticale și care va fi adaptat ulterior pentru realizarea inspecțiilor suprafețelor pe care le va parcurge. La începutul acestei lucrări se va face un scurt istoric al evoluției roboților și o clasificare a acestora după mai multe criterii. Deasemenea, va fi abordat procesul de realizare al robotului și vor fi prezentate concluziile acestui proiect.

Acest proiect a fost ales datorită faptului că roboții care sunt capabili să se deplaseze pe verticală sau chiar cu capul în jos reprezintă o categorie care este încă la început de dezvoltare. Astfel, prin această temă se dorește aducerea unui aport în acest domeniu.

Acest robot are la bază principiul de funcționare al unui vehicul telecomandat, având ca elemente motrice și direcționale roți, iar pentru a putea sta pe suprafețele verticale, se folosește fenomenul de aspirație realizat cu ajutorul unei turbine centrifugale.

Tema va fi realizată parcurgând pașii următori: proiectarea structurii mecanice, proiectarea sistemului locomotor, proiectarea sistemului de realizare a vacuumului, proiectarea interfeței pentru senzori și sistemul de interfațare cu calculatorul, urmând a fi realizate și testate aceste sisteme.

Generalități privind roboții

2.1 Scurt istoric

Robotica își are originea încă din perioada antică, dar dezvoltarea modernă a început odată cu revoluția industrială când au început să se utiliezeze mecanisme complexe, fiind urmată de apariția electricității ce a dus la apariția unor roboți mult mai performanți. Prima utilizare a roboților moderni a fost în momentul în care au fost introduși în fabrici roboții industriali, care erau mașini simple și fixe ce erau capabile să efectueze operații de fabricare fără asistența oamenilor.

În următoarele rânduri va fi prezentată o scurtă istorie a roboticii din antichitate și până în prezent. Astfel, una din primele consemnări din antichitate a unui robot a fost in secolul IV î. Hr. și este prezentat sub numele de „Porumbelul zburător“ , fiind realizat de matematicianul grec Archytas din Tarentum. Acesta era un porumbel mecanic care era propulsat cu aburi.

Fig. 2.1 “Porumbelul zburător„ Fig. 2.2 “Porumbelul zburător„

În anul 1088 în Kaifeng, China, Su Song este un expert în calcularea calendarelor ce reușește să construiască primul ceas astronomic avansat. Acesta era prevăzut cu mecanisme mecanice ce reușeau să afișeze ora și să observe anumite fenomene astrologice. În Japonia, meșteșugarul Hisashige Tanaka realizează jucării cu mecanisme complexe, unele fiind realizate în așa manieră încât să fie capabile să servească ceaiul sau chiar să deseneze anumite caractere.

La sfârșitul secolului al XIX-lea, au fost realizate primele vehicule operate de la distanță sub forma mai multor tipuri de torpile. La începutul anilor 1870, John Ericsson a construit torpilele controlate de la distanță pneumatic, fiind urmat de Joan Louis Lay și Victor von Scheliha care au realizat torpilele comandate de la distanță cu fire electrice ghidate. În 1877 torpila Brennan este inventată de Louise Brennan. Aceasta este propulsată de două elice contra-rotative care sunt antrenate fiecare de un tambur pe care se află bobinat câte un fir. Trăgând cu voteză de fir, tamburul este antrenat într-o mișcare de rotație care este transmisă la elice. Diferența de viteză dintre fire duce la o diferență de rotație a elicelor, virând astfel torpila. Practic, aceasta este prima racheta comandată.

În anul 1898, Nikola Tesla face o demonstrație publică în care prezintă cum funcționeazătorpilele ghidate prin unde radio, având ca scop vânzarea acestora armatei americane. Archibald Low este numit și „ părintele sistemelor ghidate prin unde radio“, acesta reușind la Flaying Corps Royal în 1917 să controleze de la distanță avioane și rachete.

Primul robot umanoid a fost realizat de Fritz Lang în 1927 denumit „ The Maschinenmensch“. Deasemenea, este și primul robot care este descris într-un film.

Fig. 2.3 „ The Maschinenmensch“Fig. 2.4 Robotul Eric

Unul dintre primii roboți expuși la expoziția anuală „ Societatea inginerilor model“ din Londra a fost robotul Eric inventat de W. H. Richards. Acesta avea corpul format dintr-o armură de aluminiu cu unsprezece electromagneți și un motor alimentat la o sursă de 12 V. Putea să își miște mâinile și capul, fiind controlat de la distanță sau prin comenzi vocale.

Primul robot umanoid din armată a fost un soldat cu o trompetă ce a fost realizat de Friedrich Kauffman în Dresden, Germania și a fost folosit până în 30 aprilie 1950.

William Grey Walter, de la Institutul Neurologic din Bristol, Anglia, în anii 1948-1949 dorește să demonstreze că numărul bogat de conexiuni dintre un număr mic de celule ale creierului pot crea comportamențe foarte complexe. Se considera că secretul la cum funcționează creierul constă în modul în care erau făcute conexiunile. Roboții creațide acesta se numeau Elmer (1948) și Elsie (1949), aceștia fiind numiți și broaște țestoase datorită formei și mișcărilor lente pe care le realizau. Totuși, acești roboți erau capabili să își găsească traseul spre stația de reîncărcare când nu mai aveau multă energie.

Fig. 2.5 Robotul Elsie Fig. 2.6 Robotul Unimate

În 1954 George Devol a inventat primul robot programabil ce poate fi operat digital numit Unimat, ce a fost vândut la General Motors și instalat în anul 1961 într-o fabrică din Trenton, New Jersey pentru a ridica piese din metal fierbinte dintr-o mașina de turnare și pentru a le stivui. Acest robot a fost brevetat, acest pas fiind fundația pentru roboții industriali moderni.

La începutul anilor 1970, compania KUKA a construit primul robot industrial din lume cu șase axe conduse electromecanic și denumit FAMULUS. David Silver a inventat în anul 1974 robotul intitulat „ Brațul de Argint“. Acesta era capabil să realizeze mișcări fine ca ale brațului uman.

Fig. 2.7 Famulus

Takeo Kanade a creat primul braț cu acționare directă, în anul 1981, având motorul brațului în robot, eliminând astfel transmisiile lungi. În anul 1986, Honda a început cercetările și dezvoltarea unui program de creare a unor roboți capabili să interacționeze cu succes cu oamenii. Anul 1989 este un an favorabil pentru firma MIT care prezintă robotul Genghis, fiind faimos pentru construcția rapidă și ieftină, utilizând patru microprocesoare, douăzeci și doi de senzori și doisprezece servomotoare.

Fig. 2.8 Robotul Genghis

Anul 1994 doctorul John Adler aduce pe piața roboților, bisturiul cibernetic, un robot stereotactic performant realizat pentru radiochirurgie, fiind o alternativă pentru tratamentul tumorilor, care prezintă o acuratețe comparabilă cu cea dintr-o operație efectuată de către chirurgii umani.

P2, prescurtarea pentru „Prototype Model 2“, este un robot umanoid realizat de Honda și prezentat pentru prima dată în 1996. Acesta fiind parte integrantă a proiectului de dezvoltare a umanoizilor realizat de Honda. P2 este mai mic decât predecesorii săi dar mult mai uman în mișcările pe care le realizează.

Fig. 2.9 Robotul P2 Fig. 2.10 Robotul Sojourner

Deși toată lumea se aștepta ca acesta să funcționeze doar șapte zile, robotul Sojourner se închide în anul 1997 dupa 83 de zile de funcționare. Acest robot cântărește doar 10 kg, realizând operații semi-autonome pe suprafața planetei Marte, făcând parte din proiectul „Mars Pathfinder mission“. Acesta era echipat cu un program de evitare a obstacolelor și era capabil să planifice rute pe care le naviga pentru a studia suprafața planetei. Abilitatea de a naviga cu puține informații despre mediul înconjurător și împrejurimile din apropiere au permis robotului să reacționeze la evenimentele neplanificate.

În anul 1999, Sony îl prezintă pe AIBO, un câine robot care este capabil să interacționeze cu oamenii. Primele modele au fost vândute în 20 de minute.

Fig. 2.11 AIBO Fig. 2.12 ASIMO

Rezultatul cel mai avansat al proiectului cu umanoizi realizat de Honda a fost ASIMO. Acesta a fost prezentat în anul 2000 și era capabil să alerge, să meargă, să comunice cu oamenii, prezenta funcția de recunoaștere facială și a mediului în care se află. Deasemenea, era capabil să recunoască voci și staturi și știa să interacționeze cu mediul.

Autoturismele care se auto-conduc și-au făcut apariția la mijlocul primului deceniu al secolului 21, dar au mai trebuit efectuate multe îmbunătățiri. Cele 15 echipe care au participat în 2004 la „DARPA Grade Challenge“ nu au reușit nici una să parcurgă tot traseul deoarece nici un robot nu a reușit să parcurgă mai mult de 5% din cele 150 de mile ale cursei off road, lăsând premiul de 1 milion de dolari nerevendicat.

Fig. 2.13 Autovehicul care se auto-conduce Fig. 2.14 Noua versiune a lui Asimo

În 2005 apare o nouă versiune a lui ASIMO, acesta având încorporat noi comportamente și capacități.

Lumea divertismentului îl aduce în lumina reflectoarelor în 2007 pe robotul Tomy, destinat divertismentului, fiind un robot biped umanoid care poate merge ca ființele umane și realizează trucuri de divertisment și acțiuni speciale în „ Special Action Mode“.

Fig. 2.15 Robotul TOMY

Roboții comerciali și industriali sunt răspândiți peste tot, efectuând meserii, acțiuni care sunt mult mai ieftine decât cele efectuate de oameni sau cu o acuratețe și exactitate mult mai bună decât cea oferită de oameni. Deasemenea, efectuează meserii care sunt prea murdare pentru oameni, prea periculoase sau prea plictisitoare pentru a fi realizate de către oameni. Roboții sunt utilizați în procesele de fabricație, asamblare și ambalare, transport, explorare pe pământ și în spațiu, chirurgie, laboratoare de cercetare, în producția de masă și în alte domenii.

Clasificări

După tipul de locomoție:

Cu roți

Cu șenile

Cu ventuze

Comparând cele trei variante menționate mai sus, putem specifica avantajele și dezavantajele pentru fiecare tip de locomoție. Putem menționa că roțile sunt ușor de întreținut, au un consum redus de energie și aderență mică la sol, șenilele au o suprafață mare de contact, aderență mare la sol, diversitate mare de terenuri pe care pot fi folosite și viteză mică, iar locomoția cu ventuze prezintă ca avantaj deplasarea pe suprafețe lucioase și verticale, iar ca dezavantaj viteza redusă.

După modul de acționare:

Acționare hidraulică

Acționare pneumatic

Acționare electrică

Acționare hibridă (combinate)

Rolul sistemelor de acționare al roboților este de a realiza dispozitive de prehensiune și a obiectului manipulat pe o traiectorie, pe baza semnalelor furnizate de sistemele de comandă și a energiei furnizate de o sursă.

Avantajele acționărilor hidraulice sunt puterile mari de acționare, greutățile mici ale componentelor corespunzătoare puterilor, viteză mare, domenii de reglare a vitezelor în mod continuu, iar ca dezavantaje prezintă sensibilitate la modificarea temperaturii mediului ambiant și utilizarea unor echipamente de comandă uneori complicate.

La acționările pneumatice viteza de acționare este mare, există posibilitatea de conectare la rețeaua de aer comprimat, iar sensibilitatea este mică la modificările de temperatură. În schimb, se folosesc presiuni mici ( 4-5 daN/cm2), dezvoltând astfel forțe mici și compresibilitatea aerului și viteza de propagare a semnalelor sunt scăzute.

Acționările electrice asigură caracteristici dinamice superioare pentru un domeniu mare de reglare a vitezelor, precizie ridicată de poziționare, compatibilitate mare cu sistemele de comandă și construcția senzorilor, dar necesită utilizarea unor mecanisme suplimentare pentru adaptarea vitezelor unghiulare și a momentului motor la cerințele concrete de mișcare ale cuplelor conducătoare.

Acționările hibride îmbină avantajele acționărilor descriese mai sus dar au o construcție mai complexă, acest lucru ducând la apariția convertorilor electro, pneumo sau fluido-mecanice care transformă un semnal de intrare electric, fluidic sau pneumatic.

După tipul motorului de acționare:

Motor electric de curent continuu

Motor asincron

Motor pas cu pas

Motor de curent continuu cu comutație statică ( brushless DC)

După caracteristicile de comandă:

Cu servocomandă și conturare

Cu servocomandă punct cu punct

Fără servocomandă, programabil

Neprogramabil, cu dispozitive „ pick and place“

Sistemul de acționare al roboților mobili de inspecție

Sistemele de acționare sunt alcătuite din toate sursele energetice ale robotului dar și elementele de control direct al acestora. Deasemenea, prin sistem de acționare se ințelege și ansamblul de motoare și convertoare care dau energia mecanică care este necesară pentru deplasare împreună cu dispozitivele suplimentare ce controlează transferul energetic.

Un sistem deacționare este alcătuit din:

Sursă de energie primară

Sistem de conversie a energiei primare în energie mecanică

Sistem pentru transmia energiei mecanice la roți

Controler ce asigură controlul parametrilor caracteristici ai sistemului.

Schema structurala a unui sistem de acționare se poate reprezenta astfel:

Fig. 2.16 Schema structurală a unui sistem de acționare

Motorul este responsabil pentru transformarea energiei primare în energie mecanică, dezvoltând astfel forțe/momenteși/sau efectuarea mișcării. Astfel, putem discuta despre:

1)motoare electrice, rotative ( motoare pas cu pas, motoare de current continuu, motoare asincroane, motoare sincroane) sau liniare ( motoare pas cu pas liniare, motoare asincroane liniare);

2)motoare fluidice ( hidraulice sau pneumatice) liniare sau rotative.

Motorul pas cu pas

Motorul pas cu pas poate fi definit ca fiind un convertor electromecanic care realizează transformarea unui grup de impulsuri digitale într-o mișcare care este proporțională cu cea a axului său. Rotorul motorului pas cu pas are o mișcare care este formată din deplasări unghiulare care sunt de mărimi egale, successive și discrete, acestea reprezentând, de fapt, și pașii motorului. Pentru a putea afirma căun motor pas cu pas funcționează corect trebuie îndeplinită corespondența dintre numărul pașilor efectuați cu numărul impulsurilor de comandă ce sunt aplicate fazelor motorului. Poziția finală a rotorului este determinată de deplasarea unghiulară totală care este alcătuită dintr-un număr de pași egal cu numărul de impulsuri de comandă aplicată pe fazele motorului. Poziția aceasta este memorată până în momentul în care i se aplică un nou impuls de comandă.

Fig. 2.17 Motor pas cu pas

Putem afirma că motorul pas cu pas este un element de execuție ideal care este integrat în sistemul de reglare a poziției în circuitele deschise datorită proprietății de univocitate a conversiei impulsuri-deplasare, această proprietate fiind asociată și cu cea de memorare a poziției. O altă proprietate a motorului pas cu pas este că are capacitatea de a intra în sincronism față de impulsurile de comandă și în starea de repaus, motorul funcționând fără alunecare, iar frânarea are loc fără ca motorul să iasă din sincronism. Datorită acestei proprietăți, pornirile și opririle sunt fără pierderi de pași în tot domeniul de lucru.

Prin modificarea frecvenței impulsurilor de intrare, viteza unui motor pas cu pas poate fi reglată în limite largi. De exemplu, dacă pasul unghilar al motorului este de 1,8˚ atunci numărul de impulsuri necesare efectuării unei rotații complete este 200, iar pentru un semnal de intrare cu frecvența de 400 de impulsuri pe secundă, atunci turația motorului este de 120 de rotații pe minut. Frecvența de lucru a unui motor pas cu pas este de 1000-2000 pași/secundă,având pași unghiulari cuprinși între 0,3˚ si 180˚. Aplicațiile motoarelor pas cu pas sunt limitate, fiind utilizate în aplicațiile ce necesită putere mică și sunt caracterizate de mișcări rapide, precise și repetabile. Acestea pot fi folosite la plotere, unități de disc flexibil, deplasarea capului de imprimare la imprimantele serie, acționarea mecanismelor de orientare și prehensiune la roboți, deplasarea axială a elementelor sistemelor optice, pentru mașinile de găurit etc.

Fig. 2.18Motor pas cu pas bipolar

Avantajele motoarelor pas cu pas sunt:

Asigură univocitatea conversiei numărului de impulsuri-deplasări ce pot fi utilizate în circuitele deschise;

Au gamă largă a frecvențelor de comandă;

Precizie de poziționare;

Rezoluție mare;

Permite porniri, opriri și revărsări fără pierderi de pași;

Memoreză poziția;

Compatibilitate cu comanda numerică.

Dezavantajele utilizării motoarelor pas cu pas sunt:

Viteza de rotație este relativ mică;

Puterea care este dezvoltată la arbore este de valoare redusă;

Randamentul energetic este scăzut;

Incrementul de rotație este de valoare fixă pentru un motor dat.

Pentru alegerea unui motor pas cu pas, tipul de sarcină și tipul mecanismului de acționare sunt importante prin:

Necesitatea unei anumite rezoluții a sistemului mecanic;

Reducerea maselor și/sau a momentelor de inerție la axul motorului;

Reducerea forțelor și/sau momentelor la axul motorului;

Necesitatea unui profil de viteză pentru realizarea mișcărilor.

Motoarele pas cu pas pot fi liniare sau rotative, având numărul de înfășurări cuprins între unu și cinci. Există trei tipuri principale pentru construcția circuitului megnetic, și anume:

Cu reluctanță variabilă ( de tip reactive);

Cu magnet permanent ( de tip active);

Hibride.

Motorul pas cu pas cu reluctanță variabilă are statorul și rotorul cu dinți uniform distribuiți, totodată pe stator fiind montate și înfășurările de comandă, rotorul fiind pasiv. Când o fază sau mai multe faze sunt alimentate, rotorul se rotește în așa fel încât liniile de câmp magnetic se închid după un traseu de reluctanță minimă, adică dințiirotorici sunt fie față în față, fie sunt așezați după bisectoarea unghiului polilor statorici. Tipul acesta de motoare asigură pași unghiulari mici și medii, putând fi operat la frecvențe de comandă mari, dar nememorând poziția deoarece nu asigură cuplu electromagnetic în lipsa curentului prin fazele statorului și nu are nici cuplu de menținere.

a)b)

Fig. 2.19 Scema de principiu a unui motor pas cu pas cu reluctanță variabilă

Cu ajutorul figurii de mai sus putem deduce concluzii foarte importante ce sunt legate de modul în care se pot comanda motoarele pas cu pas. Astfel, în primul desen din fig. 2.17 este alimentată o singură fază statorică, AA’, rotorul deplasându-se în pași întregi:

,(2.1)

unde: f – numărul de faze ale statorului ( sunt trei faze: AA’, BB’, CC’)

z – numărul de dinți ai rotorului ( z = 2, avem un nord și un sud )

Acest mod de comandare este denumit secvență simplă. În tabelul 2.1 este prezentată o înșiruire de impulsuri de comandă a înfășurărilor de comandă:

Tabel 2.1 – Comandă în secvență simplă

În fig. 2.17 este prezentată cum poate fi comandată mișcarea rotorului dacă sunt alimentate simultan două faze ( AA’+BB’; BB’+CC’;CC’+AA’). Rotorul variază în pași întregi la jumatatea unghiului dintre polii statorici conform formulei (2.1), crescând astfel momentul pe care motorul îl dezvoltă.Modul acesta de comandare se numește în secvență dublă.

Tabel 2.2 – Comandă în secvență dublă

O altă metodă de comandă poate fi reprezentată de alimentarea unei faze, fiind urmată de alimentarea a două faze ( de exemplu: se alimentează faza AA’ după care se vor alimenta fazele AA’+BB’, fiind urmată de alimentarea fazei BB’ și alimentarea fazelor BB’+CC’ ș.a.m.d.). Pentru început, rotorul va fi în dreptul polilor care sunt statorici ( AA’ ), iar după va fi în diagonala polilor (AA’+BB’)ș.a.m.d, rotorul efectuând jumătăți de pași cu unghiuri ce au 30˚, acest tip de comandă fiind o secvență mixtă ce este prezentată în tabelul 2.3.

Tabel 2.3 – Comandă în secvență mixtă

Conform tabelelor 2.1, 2.2, 2.3, deducem că rotorul se va deplasa în sens orar dacă se vor aplica secvențele de impulsuri de la prima linie până la ultima linie, iar dacă secvențele de impulsuri sunt aplicate în sens invers față de cum sunt configurate, atunci rotorul de va roti în sens invers acelor de ceas.

Un alt aspect important care poate fi specificat este că în funcționarea motoarelor pas cu pas cu reluctanță variabilă, rotorul se poate deplasa în sens cunoscut fără să trebuiască schimbate înfășurările statorului. Comenzile care nu sunt necesare la schimbarea sensului curentului într-o înfășurare sunt denumite comenzi unipolare.

Singura metodă de comandă a unui astfel de motor este comanda bipolară deoarece trebuie schimbat periodic sensul curenților prin înfășurările statorice pentru a se asigura menținerea cuplului motor.

Avantaje:

asigură univocitatea conversiei număr de impulsuri /deplasare unghiulară deci pot fi utilizate în circuite de control în buclă deschisă;

gamă largă a frecvențelor de comandă;

precizie de poziționare și rezoluție relativ mare;

permit porniri, opriri și schimbari de direcție fără pierderi de pași;

memorează poziția;

compatibilitate cu tehnica numerică.

Dezavantaje

schema de alimentare și comandă trebuie adaptată la tipul motorului;

unghiul de rotație are valori fixe determinate de particularitățile constructive ale motorului;

viteza de rotație este limitată ;

momentul de torsiune (cuplul motorului) are valori relativ scăzute;

randament scăzut.

Domenii de utilizare:

echipamente periferice ale calculatorului (Imprimante, plottere, scanere );

mașini automate de gravat/decupat, mașini unelte cu comandă numeric;

sisteme de poziționare în industria optică (microscoape, proiectoare);

aparate foto și camere video;

roboți industriali,

ceasuri electronice.

Metode de comandă a motoarelor pas cu pas

Fig. 2.20 Comanda unui motor în buclă deschisă (sus) și buclă închisă (schema de jos)

Avantajul motoarelor pas cu pas este că acestea pot fi comandate în buclă deschisă, fără să fie necesară o buclă de reglare a poziției care să compare permanent poziția programată cu cea curentă care este furnizată de un senzor de pozție. Tipul acesta de comandă necesită funcționarea în sincronism a motorului pas cu pas și numărul de pași efectuați de motor trebuie să coincidă, pe tot parcursul funcționării, cu numărul de impulsuri de comandă transmise de unitatea de comandă. De aceea, la alegerea unui motor pas cu pas, pentru o anumită aplicație, trebuiesc parcurse următoarele etape:

Determinatea componentelor mecanismului de antrenare. Acest lucru constă în determinarea anumitor elemente ale proiectului, cum ar fi mecanismul, dimensiunile preliminare, distanța de deplasare, timpul de poziționare.

Determinarea rezoluției impuse motorului. Rezoluția motorului pas cu pas este definită ca fiind unghiul său de pas. Dacă antrenarea unei mase de rotație este directă, atunci rezoluția de deplasare a acesteia va fi:

(2.3)

unde N este numărul de pași necesar pentru efectuarea unei rotații complete. Pentru a mări această rezoluție trebuie utilizat un motor cu reductor:

(2.4)

în care, i este raportul de transmitere, supraunitar, al reductorului.

(2.5)

unde, este raza pinionului mecanismului de acționare.

Se alege profilul de viteză impus mișcării (de exemplu, trapezoidal, triunghiular, parabolic), pe baza profilului se calculează perioadele de accelerare/decelerare, frecvențele impulsurilor de comadă la accelerare/decelerare și momentul necesar accelerării.

Se calculează momentul care solicită motorul. Se vor calcula momentul de sarcină (), momentul de accelerare () și momentul necesar:

Se alege motorul adecvat din catalog. Cel mai important lucru care trebuie luat în calcul, este că trebuie să se situeze sub caracteristica de mers pentru cea mai mare frecvență de comandă preconizată.

Se verifică motorul selectat. Unul din cele mai importante criterii se referă la armonizarea momentelor de inerție, care este verificată cu ajutorul raportului:

Acest raport are valori optime în zona lui 2, valori corespunzătoare între 1 și 5 și valori admisibile între 1 și 10. Neîncadrarea într-o valoare corespunzătoare presupune refacearea unor pași ai alegerii motorului pas cu pas, de regulă, începând cu mecanismul de acționare.

Servomotorul de curent continuu

Fig. 2.21 Motor de curent continuu

Servomotorul de curent continuu este utilizat în foarte multe aplicații din domeniul mecanicii fine și mecatronicii (roboți industriali și de servicii, vehicule cu ghidare automată, periferice de calculator, automate de control și servire, automate bancare etc.), datorită următoarelor caracteristici:

Domeniu larg al puterilor/momentelor dezvoltate;

Moment de inerție redus al părților mobile, rezultând un raport mare putere/moment de inerție;

Posibilitatea să se regleze în limite foarte mari turația;

Greutate și volum mici;

Momentul impulsional este foarte mare și oferă o protecție la suprasarcini de scurtă durată.

Fig. 2.22 Principiul de funcționare a unui motor de curent continuu

Principiul de funcționare al unui motor de curent continuu se poate înțelege foarte ușor cu ajutorul figurii 2.22. Asupra conductorului parcurs de curentul electric, I, care este aflat într-un câmp magnetic de inducție, B, se exercită forța, , al cărei sens poate fi determinat cu “regula burghiului„ (vectorul B intră palmă, degetele fiind orientate de-a lungul lui I, iar degetul mare indică sensul forței). În cazul în care B și I sunt perpendiculare, mărimea forței poate fi determinată cu ajutorul expresiei:

. (2.6)

Se consideră că rotorul are raza r și că sunt dipuse pe acesta mai multe cadre dreptunghiulare. Constatăm că asupra jumătății din dreapta a conductorului, a cărui normală la suprafață este perpendiculară, pe inducția B, la un moment dat, se exercită o forță , care este îndreptată în jos. Apare un cuplu de forțe, care tinde să roteasă rotorul în sensul acelor de ceasornic. Pentru ca momentul mecanic, care acționează asupra rotorului să își mențină sensul, este nevoie de un comutator care va determina schimbarea ciclică a sensului curentului prin conductele motorului, pe măsură ce acesta se deplasează în câmpul magnetic.

În figura ce urmează este prezentată o schemă electrică care este echivalentă cu înfășurarea unui motor de curent continuu și în care au fost folosite următoarele notații:

U – tensiune de alimentare;

– tensiune contraelectromotoare;

I – curentul care trece prin înfășurare;

R – rezistența înfășurării;

L – inductanța înfășurării.

Fig. 2.23 Schema electrică echivalentă

Se scrie ecuația următoare:

(2.7)

Tensiunea econtraelectromotoare, , este proporțională cu viteza unghiulară a rotorului, :

(2.8)

Cu ajutorul relațiilor (2.6) și (2.7) putem deduce relația pentru viteza unghiulară:

(2.9)

Observând ecuția (2.8) putem deduce că tensiunea de alimentare a înfășurării, U, este parametrul principal care permite controlul vitezei unghiulare (turației) a motorului.

Realizarea comutării curenților pentru a menține sensul momentului, care asigură deplasarea rotorului, se va realiza cu ajutorul a două soluții care sunt diametral opuse:

Comutația mecanică;

Comutația electronică.

În schema următoare este prezentat principiul unui servomotor de curent continuu cu comutație mecanică.

Fig. 2.24 Motor de curent continuu cu comutație mecanică

Statorul înglobează polii magnetici, care sunt realizați cu ajutorul magneților permanenți, iar rotorul este bobinat și alimentat cu tensiune cu ajutorul unui sistem de colectare – perii. La fiecare lamelă a colectorului este scos fiecare capăt al unui conductor, comutarea sensului curentului realizându-se prin contactul cu una din cele două perii, care își păstrează polaritatea.

La servomotoare, periile sunt așezate în așa manieră încât vectorul curentului să fie menținut perpendicular pe direcția câmpului magnetic de excitație, pentru fiecare poziție a rotorului. Momentul rotorului rezultat este proporțional cu curentul care străbate înfășurările motorului, viteza unghiulară a motorului fiind proporțională cu tensiunea. Ecuațiile care definesc un motor de curent continuu sunt:

Momentul motor: (2.10)

Tensiunea conta-electromotoare: (2.11)

unde: este o constantă a momentului;

este o constantă a tensiunii

ω este viteza unghiulară a motorului.

Cel mai mare dezavantaj al acestui motor este dat de “limita de comutație„ deoarece apare o scânteiere puternică la perii, care reduce puternic durata de funcționare a motorului, parazitând semnalele radio și limitând nivelele curent/tensiune. Fiindcă soluția necesită rotația înfășurărilor care sunt alimentate cu curent și a colectorului aferent, efectele constau într-un moment de inerție mai mare și un regim termic mai nefavorabil, deoarece căldura care este dezvoltată, în special de rotor, are puține mijloace de disipare.

În cele mai recente soluții s-a dorit înlăturarea acestor lipsuri prin schimbarea rolurilor statorului și rotorului, respectiv polii magnetici, realizați din magneți permanenți, sunt amplasați în rotor, iar în stator sunt înfășurările care sunt alimentate cu tensiuni electrice. Aceste motoare au comutație electronică și sunt denumite motoare fără perii ( brushless DC motors = BLDC).

Fig. 2.25 Principiul de funcționare a unui motor de curent continuu cu comutație electronică

În figura de mai sus sunt prezentate șase cadrane electrice care sunt importante pentru motoarele cu trei înfășurări statorice, u-x, v-y, w-z, și doi poli rotorici, defazate între ele cu 60˚ (360ᵒ/(3 faze x 2 poli)). În fiecare cadran este prezentat cum trebuie să fie sensul curenților pentru a fi menținut un moment pentru deplasarea rotorului în sens orar. Pentru ca să fie riguroasă comutarea curenților prin înfășurările statorului, în sincronism cu poziția rotorului, este nevoie de un senzor care să determine permanent această poziție.

În figura 2.27 este prezentat un senzor de acest fel, fiind alcătuit din trei traductoare, de obicei, elemente Hall, în dreptul lor fiind un obturator care se deplasează solidar cu rotorul. Se presupune că dacă obturatorul se găsește în dreptul unui traductor, atunci ieșirea este “1„ logic, iar dacă traductorul nu este influențaț de obturator, ieșirea lui este “0„ logic. Astfel, senzorul generează 6 combinații binare distincte pentru fiecare cadran, sistemul de comandă trebuind să asigure pentru fiecare combinație, configurația de curenți prin înfășurări, care să corespundă unei anumite poziții a rotorului.

Fig. 2.26 Construcția rotorului

Fig. 2.27 Dispersia căldurii la motoarele de curent continuu cu și fără perii

Caracteristicile motoarelor de curent continuu fără perii sunt întâlnite la un număr foarte mare de motoare electrice precum: motorul sincron de curent alternativ, motorul pas cupas, motorul de curent alternativ cu inducție etc. Acest tip de motor poate fi definit ca fiind un motor sincron cu magneți permanenți, având tensiunea contra-electromotoare în formă trapezoidală.

Datorită soluției constructive pe care o au servomotoarele fără perii, acestea elimină toată căldura degajată prin stator pe cea mai scurtă cale către mediul înconjurător. Prin eliminarea comutatorului mecanic și a înfășurărilor statorice se obține un moment de inerție mai redus și o viteză unghiulară mai mare ale rotorului, dar și tensiuni de alimentare mai mari, comparativ cu motorul de curent continuu convențional.

Pneumatic

Acționările pneumatice rămân până în prezent cel mai comod și economic mod de acționare, mai ales datorită existenței rețelei de aer comprimat și posibilitatea de lucru în medii speciale, cum ar fi mediile explozibile, incendiare, cu câmpuri magnetice de mare intensitate, șocuri mari și vibrații. Acest tip de acționare este utilizat în general în construcția roboților industriali de putere mică și medie și în special la manipulare, însă prezintă o serie de problemele specifice care sunt legate de poziționare, reglarea vitezelor, frânare și blocare în poziția programată.

Dezavantajele majore pe care le prezintă sunt asigurarea vitezelor și accelerațiilor la nivele valorice riguroase, cu implicații determinate în precizia de poziționare.

Mărimile caracteristice ale unui mediu pneumatic sunt presiunea și debitul. Aceste două mărimi trebuiesc controlate și reglate, rezultând structura sistemului de acționare pneumatic. Această structură este prezentată în figura de mai jos.

Fig. 2.28 Structura unui sistem pneumatic de acționare a roboților

Funcțiiale elementelor componente:

De pregătire și preparare a mediului pneumatic de lucru, numit grup de preparare a aerului (alcătuit din filtru, regulator de presiune și ungător, fiind o construcție standard, ele putând fi atașate la intrarea în instalația de aer ce alimentează robotul);

De reglare și control a energiei pneumatice

Prin control asupra debitului (distribuitoare, supape de sens, reistențe fixe și reglabile sau drosele, regulatoare de debit)

Prin control asupra presiunii ( supape de presiune cu funcții de descărcare pe atmosferă, mecanisme de reglare discretă sau continuă a presiunii etc.);

De informare:

asupra stadiului de evoluție al elementelor de execuție;

asupra poziției în spațiu (senzori, limitatori de cursă);

asupra valorilor parametrilor reglați (senzori, traductori pneumatici de debit sau presiune, relee pneumatice);

De execuție (motoarele);

De conducere automată (elemente logice fluidice);

De îmbunătățire a funcționării (elemente uscătoare de aer; elemente de condens; acumulatoare pneumatice; elemente de descărcare rapidă; butoane și piloți pneumatici etc.)

Clasificarea motoarelor pneumatice:

Cursă limitată:

Motoare liniare (cilindri)

Motoare unghiulare

Motoare liniare incrementale

Fig. 2.29 Motor liniar

Cursă nelimitată (rotative)

Motoare cu piston

Motoare cu palete

Motoare cu angrenaj.

Fig. 2.30 Motor cu palete

Realizarea unei scheme de acționare pneumatică se realizează urmărind următorii pași:

Se face pornind din aval, de la componentele de putere impuse de mecanismele acționate, spre amonte, determinându-le tipul elementelor de execuție și fazelor lor de mișcare, în funcție de care se stabilesc structura elementelor de distribuție (numărul de poziții și de orificii), precum și elementele de reglare și control ale debitelor și presiunilor necesare.

Consumul total de aer din fazele simultane ale ciclogramei de evoluții dimensionează în final, prin diametrul nominal și presiunea maximă necesară, grupul de preparare al aerului.

În urma acestei analize se determină schema de acționare principală, necesară acționării elementelor motoare.

În paralel cu acest flux energetic trebuie avute în vedere și circuitele secundare care pot necesita, după caz, tot energie pneumatică (în zona mecanismelor de frânare, în zona cuplajelor sau ambreiajelor dintre elementele de execuție și mecanisme etc.).

Ca date inițiale cunoscute prin tema de proiectare sunt componentele necesare la ieșirea elementelor de execuție (datorită performanțelor tehnice impuse și ca urmare a calculelor cinematice și dinamice ale mecanismelor acționate).

Corespunzător simbolurlor din schema de acționare trebuiesc stabilite elementele pneumatice concrete și parametrii principali pentru fiecare element în parte (diametrul nominal și presiunea nominală de lucru).

Acești parametri se pot calcula pe baza datelor inițiale din tema de proiectare (obținute prin analiză cinematică și dinamică).

Din punct de vedere al posibilității de reglare, sistemele de acționare pneumatice sunt de două tipuri:

Sisteme de acționare nereglabile

Cursele efectuate de elementele cuplelor elementare corespund curselor tijelor motoarelor pneumatice sau pot fi limitate de opritori rigizi, aceștia având și rol de blocare în poziția realizată;

Vitezele sunt nereglabile;

Comanda se face numai cu ajutorul distribuitoarelor comandate electric sau pneumatic;

În cazul comenzilor integral pneumatice, se folosesc panouri de comandă ce utilizează logica, memorii, circuite basculante etc;

Aceste acționări se regăsesc în construcția roboților (manipulatoarelor) neevoluați.

Sisteme de acționare reglabile

Permit reglarea vitezelor și a pozițiilor elementelor acționate. Comanda lor este de regulă electrică și, mai rar, pneumatică.

Actuatori neconvenționali

Actuatorul este un subansamblu care produce un lucru mecanic ca răspuns la un semnal;structura lui nu mai poate fi descompusă în substructuri decât cu riscul de a pierde capacitatea de generare a mișcării.

Fig. 2.31 Tipuri de actuatori care utilizează o anumită formă de energie

Actuatorul include două componente de bază, una care furnizează energia necesară, în baza semnelelor primite de la sistemul numeric de comandă, cea de-a doua care transformă energia primită în energie mecanică, utilizată pentru dezvoltarea de forțe/momente și/sau efectuarea mișcărilor. În cazul utilizării energiei electrice, prima componentă poate fi implementată, de la caz la caz, cu un simplu releu sau cu un bloc de tranzistoare de putere, cu logica și circuitele de reacție adecvate, după cum, în cazul utilizării energiei hidraulice sau pneumatice, distribuirea acesteia se poate face cu ventile simple sau cu servoventile.

Conversia energiei de intrare în energie utilă de ieșire și căldură disipată se realizează prin intermediul câmpurilor electrice, magnetice, ca urmare a unor fenomene fizice: fenomenul piezoelectric, fenomenul magnetostrictiv, fenomenul de memorare a formei, ca urmare a dilatării corpurilor la creșterea temperaturii, a schimbărilor de fază, a efectului electroreologic, electrohidrodinamic, de diamagnetism. Mecanismul actuatorului transformă, amplifică și transmite mișcarea făcând acordul cu parametrii specifici scopului tehnologic.

Fig. 2.32 Structura actuatorilor

Miniaturizarea actuatorilor determină tehnologiile de prelucrare a reperelor componente. Pentru a asigura o bună prelucrabilitate și posibilități de asamblare a acestora, se utilizează frecvent tehnologiile neconvenționale (eroziune electrică, eroziune chimică, eroziune ultrasonică, prelucrare cu fascicul laser etc) precum și tehnologiile specifice microstructurilor și nanostructurilor.

Actuatorii prezintă următoarele particularități:

Sunt elemente component ale sistemelor de acționare mecatronice realizate în structură modularizată, care asigură atât fluxul de semnale de comenzi cât și fluxul de semnale de control;

Sistemele de acționare mecatronice sunt realizate ca și sisteme automate (echipate cu traductoare, senzori și elemente de inteligență artificial);

La sistemele de acționare mecatronice propagarea energiei și a informațiilor se realizează nu numai classic (elemente existente fizic), ci și cu ajutorul altor elemente (raze luminoase, câmpuri electrice sau magnetice).

Actuatorii reprezintă “mușchii„ roboților care primesc instrucțiuni de comandă ( de cele mai multe ori sub formă de semnal electric) și produc modificări în sistemul fizic prin generarea de forță, mișcare, căldură, debit etc. În general, actuatorii sunt utilizați împreună cu o sursă de energie și un mecanism de cuplare (cuplaj). Sursa de curent poate fi de curent continu, la tensiune și intensitate normal.

Pentru acționarea roboților se utilizează atât metode și dispositive clasice ( motoarele electrice de current continuu sau alternative, motoare pas cu pas, actuatoare pneumatice sau hidraulice) cât și metode și dispositive care, prin noutate, se pot numi neconvenționale (actuatori electrostatici, actuatori cu polimeri electroactivi, actuatori bazați pe lichide electro sau magnetoreologice, actuatori bazați pe material inteligente).

Dacă prin actuator se înțelege acel dispozitiv care acceptă la intrare o mărime de control (cel mai adesea un semnal electric) și produce o schimbare în sistemul fizic, generând o forță, o mișcare, căldură, un flux etc., atunci dispozitivele clasice de acționare formează o submulțime a actuatorilor.

Actuatorii pot fi clasificați în funcție de numărul de stări ale semnalului de ieșire ca fiind binari sau continui.

După semnalul de intrare al comenzii actuatorilor avem:

Actuatori comandați termic:

Pe bază de dilatare a gazelor și materialelor solide (cu elemente active bimetalice)

Pe bază de transformare de fază: – din aliaje cu memoria formei;

Cu ceară;

Fig.2.33 Efectul de memorie a formei

Actuatori comandați electric:

Electrostatici;

Piezoelectrici;

Electroreologici;

Fig. 2.34 Actuatori electrostatici

c) Actuatori comandați magnetic:

– Electromagnetici;

– Magnetostrictivi;

– Pe bază de ferofluide;

Fig. 2.35 Actuator magnetostrictiv cu structură bimorfă alcătuit din material activ

d) Actuatori comandați optic:

– Termo-, electro-, foto-strictivi;

– Piro-, piezo-electrici.

Fig. 2.36 Actuatori termici pe bază de dilatare a unor elemente active solide

e) Actuatori comandați chimic:

– pe bază de polimeri (geluri polimerice, polimeri conductivi, electrostrictivi)

– pe bază de reacții chimice.

2.4 Senzori utilizați pentru roboți mobili de inspecție

Rolul senzorului este de a transforma o mărime fizică de intrare (energie), provenită din mediu, într-o mărime electrică de ieșire, mărime ce poate fi măsurată, prelucrată și afișată. În diferite discipline, pe lângă noțiunea de “senzor”, se utilizează noțiunea de “traductor”.

Un traductor este un dispozitiv elementar, capabil într-un anumit domeniu de măsurare, să convertească o mărime fizică de intrare într-o mărime electrică de ieșire. Traductorul în sine nu conține elemente de procesare, scopul lui este doar realizarea conversiei.

Un senzor este un dispozitiv bazat pe un traductor, capabil să convertească o mărime neelectrică într-o mărime electrică și să o proceseze în concordanță cu un algoritm dat, cu scopul de a furniza o ieșire ușor interfațabilă cu un sistem de calcul.

Principala diferență față de noțiunea de traductor constă în natura neelementară a senzorului prin faptul că el este capabil să posede și alte funcții pe lângă cea de conversie de energie.

Într-un sistem mecatronic, senzorii și traductorii permit modulului de procesare obținerea de informații despre proces și mediu. Fără aceste dispozitive, sistemul nu poate funcționa. De multe ori, calitatea sistemului mecatronic este în cea mai mare parte dependentă de calitatea sistemului de senzori și traductoare.

Datorită marii diversități a principiilor de conversie a mărimilor fizice în mărimi electrice, precum și a soluțiilor de implementare a acestor principii, există și o multitudine de criterii de clasificare a senzorilor, dintre care vor fi enumerate câteva dintre cele mai importante.

O clasificare foarte importantă este clasificarea în funcție de tipul mărimii de ieșire:

Senzori analogici, pentru care semnalul de ieșire este în permanență proporțional cu mărimea fizică de intrare;

Fig. 2.37 Senzor de sunet analog

Senzori digitali, la care semnalul de ieșire poate lua un număr limitat de valori discrete, care permit cuantificarea semnalului fizic de intrare.

Fig. 2.38 Senzor digital de temperatura

Senzorii pot fi clasificați în funcție de tehnologiile utilizate pentru realizarea lor:

Tehnologii ale materialelor feromagnetice;

Tehnologii ale materialelor piezo-ceramice;

Tehnologii ale microelectronicii și microsistemelor;

Tehnologii ale straturilor subțiri;

Tehnologii pentru materiale sinterizate;

Tehnologii ale foliilor ș.a.

În funcție de tipul mărimii fizice de intrare, senzorii pot fi clasificați astfel:

Absoluți, când semnalul electric de ieșire poate reprezenta toate valorile posibile ale mărimii fizice de intrare, raportate la o origine aleasă;

Incrementali, când nu poate fi stabilită o origine pentru toate punctele din cadrul domeniului de măsurare, ci fiecare valoare măsurată reprezintă originea pentru cea următoare.

Din punct de vedere al numărului de valori posibile și ținând cont de problema semnalului de ieșire, se mai pot identifica două clase disticte, și anume:

Senzori binari, aceștia prezintă la ieșire doar două valori;

Senzori cu un număr mare de valori, pot fi analogici sau digitali și sunt utilizați pentru a măsura o mărime într-o anumită plajă.

O altă clasificare a senzorilor se poate face după numărul elementelor traductoare și de numărul de dimensiuni atribuite valorilor măsurate. Astfel, se poate afirma ca senzorii pot fi:

Scalari, un traductor, o mărime;

Vectoriali, măsurări dupa trei direcții ortogonale;

Matriceali, un anumit număr de traductoare care sunt dipuse după o matrice mono-, bi- sau tridimensională.

Dacă se combină ultimele două criterii de clasificare, atunci se pot realiza clasificări mai complexe ca cele din fig. 2.37.

Fig. 2.39 Clasificarea senzorilor după două criterii combinate

Din punct de vedere al domeniului în care sunt utilizați, senzorii pot fi clasificați astfel:

în industrie, în robotică, la controlul calității, la activitatea de birou etc.;

în protecția mediului;

în trasnporturi;

în automatizarea clădirilor și locuințelor.

Fig. 2.40Variantă de clasificare a senzorilor din dotarea roboților

Senzorii pot fi:

senzori interni, fiind denumiți și intero-receptori, servesc la obținerea unor informații legate de funcționarea robotului, cum ar fi poziția relativă a elementelor cuplelor cinematice, vitezele și accelerațiile liniare și unghiulare, deformațiile elementelor lanțului cinematic s.a.

senzori externi, sunt denumiți și extero-receptori, fiind utilizați la culegerea unor informații asupra mediului înconjurător și asupra interacțiunii robot/mediu;se folosesc la indetificarea prezenței și stabilirea tipului, poziției, orientării, culorii sau a altor proprietăți ale obiectelor din mediu.

Fig. 2.41 Clasificarea senzorilor externi

Senzori de poziție

Senzori de poziție absoluți, furnizează valoarea absolute a deplasării, care corespunde poziției curente a elementului mobil al cuplei cinematice considerate față de originea unui sistem de coordinate atașat cuplei;

Senzori de deplasare relativi, oferă mărimea relativă a deplasării, rezultată ca o diferență a valorilor corespunzătoare coordonatelor finale și inițiale ale elementului mobil.

După natura semnalului furnizat de sensor avem:

Senzori numerici incrementali care transformă deplasarea reală (care este o mărime continuă) într-o succesiune de impulsuri;

Discul incremental conține o rețea de zone active intercalate cu interstiții, toate de aceeași lățime. Lumina emisă de o sursă de lumină (LED) poate să treacă sau nu spre detectorul de lumină (o fotodiodă), funcție de poziția unghiulară a discului. Semnalul generat este amplificat și transmis sub formă de impulsuri spre dispozitivul de calcul (microcontroler).

Senzorii optici incrementali pot genera implusuri pe:

un canal ; in acest caz nu este posibilă determinarea sensului de rotație

două canale ; semnalele sunt decalate cu p/2 unul față de celălalt fiind posibilă astfel determinarea sensului de rotație și in plus multiplicarea cu 2 sau 4 a numărului de implusuri obținute

trei canale; permite generarea unui impuls la o rotație completă. Deci microcontrolerul poate face corecția necesară dacă se pierd impulsuri și ține evidența numărului de rotații complete.

Senzori analogici la care deplasarea reală este transformată într-o mărime continuă, modulate în amplitudine sau fază.

Cel mai simplu traductor de poziție este potențiometrul (Fig.2.43). Acesta convertește o deplasare mecanică într-un semnal electric, pe baza principiului divizorului de potențial.

Regula divizorului de tensiune se poate aplica pentru a determina tensiunea la iesirea unui circuit, fără sarcină la iesire (Fig.2.44). În acest caz ambele rezistoare sunt parcurse de același curent I, determinat cu legea lui Ohm:

După natura mărimii de intrare:

Senzori liniari, pentru măsurarea deplasărilor rectilinii;

Senzori rotativi, care măsoară deplasările unghiulare.

În figura de mai joseste prezentată o schemă a principalelor tipuri de senzori de poziție, dar și formele semnalelor de ieșire aferente.

Fig. 2.45 Clasificarea senzorilor de poziție

Pentru a măsura deplasările, amplasarea senzorilor trebuie făcută după un principiu foarte important, și anume, senzorul trebuie să măsoare direct deplasarea elementului final al cuplei cinematice, iar în momentul în care acest lucru nu este posibil, trebuie amplasat pe un element cât mai apropiat de cel final. Astfel, se vor elimina efectele unui lanț întreg de erori care nu pot fi suprimate constructiv și nu pot fi controlate de sistemul de comandă (jocuri în articulații, jocuri între flancurile angrenajelor dințate, deformații elastice ale mecanismelor de acționate etc.). Cea mai comodă soluție presupune cuplarea senzorului direct cu axul motorului de acționare, cu atât mai mult cu cât firmele constructoare livrează motoare electrice rotative echipate cu senzori incrementali sau absoluți ( eventual și cu tahogeneratoare pentru măsurarea vitezelor unghiulare) sau cilindri hidraulici/pneumatici care au încorporate sisteme pentru măsurarea deplasării tijei.

ii.) Accelerometre și giroscoape

Traductoarele care măsoară accelerația sunt denumite accelerometre. Există cinci tipuri de accelerometre de bază, și anume:

Piezoelectric;

Fig. 2.46 Accelerometru piezoelectric

Piezoelectric cu adaptor electronic în aceeași capsulă;

Piezorezistiv;

Cu capacitate variabilă;

Tip balanță cu forțe (servoaccelerometru).

Cu toate că au senzori electromecanici diferiți, toate accelerometrele folosesc variația sistemului masă-element elastic, denumit obișnuit senzor seismic (inerțial).

Accelerometrele piezoelectrice nu necesită tensiune de alimentare.Folosesc efectul piezoelectric al elementelor sensibile pentru a genera sarcină electrică la ieșire.Elementele piezoelectrice cu rol de elemente elastice produc sarcină electrică proporțională cu efortul aplicat.

Materialele piezoelectrice au o structură moleculară cristalină regulată cu o distribuție a sarcinilor care variază când sunt supuse la efort (materiale naturale sau artificiale cum sunt cristalele, materialele ceramice, unii polimeri).

Fig. 2.47 Accelerometru analog cu 3 axe

Materialele piezoelectrice au un dipol (separare netă a sarcinilor positive și negative de-a lungul unei direcții cristaline particulare) când sunt supuse la efort. În aceste material pot fi generate câmpuri electrice prin deformarea produsă de efort sau temperatură, determinând respectiv ieșirea piezoelectrică sau piroelectrică. Ieșirile piroelectrice sunt semnale perturbatoare mari, au loc în perioade lungi de timp și variații de temperatură.

Tipurile cele mai comune de accelerometre piezoelectrice sunt cele care lucrează prin compresie și cele cu torsiune. Variantele prin torsiune au izolație mai bună la efectele perturbatoare din mediul înconjurător cum sunt variațiile de temperatură și de efort ale bazei și sunt în general mai scumpe. Variantele tip grindă (fixată într-un singur capăt) care lucrează prin compresie sunt mai fragile și au bandă de frecvență limitată.

Accelerometrele piezoelectrice cu preamplificator electronic conțin un preamplificator electronic hibrid în miniatură și datorită semnalului mare de ieșire de pe impedanța mică de ieșire, nu mai au nevoie de cabluri speciale de legătură de zgomot mic. Cele mai multe necesită surse de curent constant de alimentare.Curentul de alimentare și semnalul de ieșire sunt produse pe aceleași două fire.Impedanța mică de ieșire oferă imunitate față de rezistența de izolație mică a cablului, zgomotului electric și a semnalelor perturbatoare.

Sensibilitatea accelerometrelor cu preamplificator încorporat este mai mare decât la accelerometrele piezoelectrice fără preamplificator. În partea electronică se pot introduce și funcții suplimentare , de exemplu, filter, circuite de protecție și autoindentificatoare, iar circuitele de condiționare exterioare sunt minime.

Sensibilitatea accelerometrelor piezoelectrice cu preamplificator electronic încorporat nu este afectată semnificativ de variațiile sursei de alimentare. Gama dinamică a tensiunii de ieșire este însă afectată de tensiunea de alimentare. La variații mari ale curentului de alimentare apar probleme la răspunsul în frecvență, când se comandă sarcini cu capacitate electrică mare.

Un dezavantaj al circuitelor electronice încorporate este limitarea gamei de temperaturi de lucru și a fiabilității.

Fig. 2.48 Accelerometru MMA8452Q

Accelerometrele piezorezistive conțin o punte Wheatstone de rezistoare, pe unul sau mai multe brațe, ce își schimbă valoarea rezistenței electrice sub acțiunea efortului. Deoarece senzorii sunt alimentați cu tensiune electrică exterioară, ieșirea poate fi cuplată în curent continuu pentru a răspunde și la condiții statice. Sensibilitatea unei punți Wheatstone variază direct proporțional cu tensiunea de alimentare (de excitație), care trebuie să fie stabilă și nezgomotoasă.

Traductoarele cu senzori piezorezistivi au impedanță mică și imunitate la zgomote.Sensibilitatea provine din răspunsul elastic al structurii și rezistivitatea materialului.

Senzorii sunt fabricați dintr-o singură piesă din Si, cu avantajul realizării întregului senzor într-un singur bloc de material omogen, adică stabilitate mai bună, coeficienți termici buni și fiabilitate mare. Sunt folosiți la eforturi mari, chiar dacă Si este un material fragil. Datorită răspunsului în current continuu, sunt folosiți la măsurători de lungă durată.

Accelerometrele piezorezistive de mare sensibilitate sunt proiectate cu amortizoare pentru a extinde gama de frecvență și posibilitățile de depășire a gamei dinamice.

Accelerometrele cu variația capacității electrice sunt realizate sub formă de condensatoare plane cu plăci paralele și dielectric aer, în care mișcarea este perpendiculară pe plăci.

Într-un accelerometru cu variația capacității , excitația este dată de un oscillator cu frecvență mare. Variațiile de capacitate ale senzorilor datorită accelerației sunt sesizate de o pereche de convertoare curent-tensiune.

Aceste accelerometre au cele mai bune caracteristici de funcționare.Dezavantajele sunt costul, gabaritul mare, complexitatea circuitelor de condiționare. Pentru detecția capacității se folosesc circuite de înaltă frecvență, frecvențele purtătoare fiind de peste 1000 ori mai mai mari decât frecvențele maxime ale semnalelor de ieșire.

Accelerometrele cu balanță de forțe sunt denumite tipic servometre și sunt folosite în sistemele de ghidare inerțiale, în aplicații de măsurare a vibrațiilor.

Toate accelerometrele descrise anterior sunt dispositive în buclă deschisă, în care ieșirea datorată deflexiei elementului sensibil se citește direct.

În accelerometrele cu servo control, sau în buclă închisă, semnalul de deflexie se folosește ca reacție într-un circuit care comandă fizic sau reechilibrează masa înapoi, în poziția de echilibru.Deplasările sunt menținute foarte mici prin reechilibrarea electrică a masei, crescând liniaritatea și acuratețea.

Giroscopul este un corp solid căruia i se imprimă o mișcare de rotație (în jurul unei axe de simetrie, de obicei), având scopul de a indica o anumită direcție (fixă în spațiu).

Un giroscop este alcătuit dintr-un rotor ( de obicei de forma unui disc), care este fixat într-un cadru astfel încât să se poată roti în jurul oricăreia dintre cele trei axe (în cazul unui giroscop cu trei grade de libertate). Punctul de fixare este, în principiu, central de masă și de simetrie, adică central discului.

Fig. 2.48 Giroscop

În afara mișcării balonului de rugbi, a gloanțelor, titirezului sau planetei Pământ, există și utilități practice ale giroscoapelor. Unele dintre ele, numite girocompase, girobusole sau girodirecționale, joacă un rol foarte important în sistemele de ghidaj și de navigație folosite la bordul avioanelor, navelor, rachetelor și proiectilelor. Girocompasul indică nordul geografic, iar legile inerției de rotație le fac instrumente mai de încredere decât busolele obișnuite care indică nordul magnetic și care pot da greș când sunt plasate în preajma echipamentelor electronice. Detectând orice deviere de la un curs prestabilit, girocompasul poate chiar transmite semnale către sistemele de navigație, fiind uneori folosite chiar la stabilizarea navelor în ape maritime și oceanice foarte agitate, prin măsurarea deviațiilor de la curs și compararea lor cu indicația girocompasului.

Pilotul automat cu care sunt dotate sistemele de navigație ale avianelor folosesc nu unul, ci mai multe giroscoape pentru asistarea sistemelor de navigație la determinarea direcției de mers și a celei de urmat. Un set de giroscoape orientate vertical detectează schimbările de înălțime (orientarea sus-jos a nasului aparatului de zbor) sau de înclinație a aripilor avionului de la planul orizontal de deplasare, prin crearea a ceea ce se numește un orizont artificial. Orizontul artificial este o linie verticală la care sistemele de navigație se raportează. Un alt set de giroscoape determină direcția de deplasare a avionului, capul-compas în termeni aviatici. Giroscopul direcțional este similar giroscopului folosit pe multe aparate. Computerul care controlează setările pilotului automat știe să reacționeze la indicațiile giroscoapelor, făcând corecțiile de curs necesare.

iii.) Sistemul de teleoperare

În mod generic, teleoperarea poate fi definită ca transmiterea la distanță, prin intermediul informatic, a semnalelor captate de un echipament și a comenzilor adresate echipamentului, decise de un operator sau de un sistem de reglare automată.

Aplicațiile de teleoperare au o structură generală care este alcătuită din următoarele component:

Un echipament care se află la o distanță de operator (spre exemplu un robot mobil), care este capabil să realizeze comenzile pe care le-a recepționat, datorită elementelor de execuție proprii;

Un sistem de traductoare care este instalat pe echipament și care furnizează informații despre evoluția mediului și despre gradul de executare a comenzilor;

Un sistem programabil poziționat la o distanță față de echipamentul operat, destinat să preia comenzile operatorului sau să realizeze operația de automatizare (un calculator de uz general sau unul dedicat);

Un mediu de transmisiune, prin care comunică cei doi corespondenți. Mediul poate să fie unul dedicate aplicației sau poate fi rețeaua de Intranet sau Internet, cu comunicație pe fir, prin modemuri radio, pe fibră optică etc.;

Fiecare corespondent are câte un software cu ajutorul căruia se exploatează resursele hardware. Principiul pe care se bazează programele din cele două calculatoare aflate în legătură se bazează pe principiul client/server.

Fig. 2.50Comanda de la distanță a unui robot

Din figura de mai sus putem deduce că pentru a se putea realize comanda de la distanță este necesar un calculator care să fie legat la internet și un alt calculator care să se poată utiliza pentru a putea comunica cu robotul. Camera video are rolul de a reda în timp real mișcările robotului.Comunnicarea dintre calculatorul CLIENT și calculatorul SERVER se realizează cu ajutorul unei aplicații, SERVERUL putând citi aplicația pe care o execută operatorul aflat în fața calculatorului CLIENT. Legătura dintre server și robot este realizată printr-o placă de achiziții care este conectată la un controler, unde este transmisă informația de la server.

Mediul de transmisiune nu influențează conținutul mesajelor schimbate de corespondenți. El este însă important din punctual de vedere al siguranței transmisiei și a al întârzierii. Întârzierea este determinată în cazul unor aplicații de reglare efectuată de la distanță (fie ea manuală sau automată), deoarece este văzută ca un timp mort al procesului reglat.

3. Proiectarea robotului

a) Variante constructive

Robotcu abilitați de cățărarecare utilizează adezivi sensibili la presiune

Roboții mobili cu abilități de cățărare și navigare pe suprafețe cu orice orientare fără să lase reziduri sau să distrugă suprafața pe care se deplasează au un potențial foarte ridicat în aplicații. Una din cele mai notabile situații este cea în care un robot poate fi folositor sau poate fi salvator de vieți, dar și să inspecteze coca navelor spațiale și să le repare.

Abilitatea șopârlei Gecko de a se cățăra pe suprafețe, indiferent că sunt umede sau uscate, netede sau dure, a atras atenția oamenilor de știință de secole.

Tehnologia adezivului uscat fibrilar sintetic încă nu a fost suficient de dezvoltat pentru a fi utilizată la roboții cățărători, totuși acest robot a fost realizat cu intenția ca mai târziu să poată utiliza acest gen de tehnologie. Cât timp adezivul uscat este încă în dezvoltare, robotul utilizează un polimer adeziv care are multe din caracteristicile adezivului uscat.

În scopul realizării unei forțe suficiente pentru a aduce adezivul în contact cu suprafața, robotul trebuie proiectat să mărească la maxim forța de presiune când suporții cu adeziv intră în contact cu suprafața care trebuie urcată. Axul de ieșire de la motor este conectat la un picior în formă triunghiulară, unde fiecare capăt al triunghiului ține ansamblul gleznei articulate care are un arc ce are rolul de a aduce înainte ansamblul la poziția inițială, robotul nefiind capabil să meargă înapoi.

Fig. 3.1 Modelul CAD al robotului (stânga) și prototipul ansamblat (dreapta). Fiecare picior are două grade de libertate permițând cățărarea și controlarea direcției

Fig. 3.2 Vedere laterală a robotului care se cațără pe suprafața verticală

Principiul de operare a robotului este următorul. În timpul deplasării două picioare sunt sincronizate și pășesc unison. Când motoarele pornesc, coada robotului presează pe suprafața pe care este situat , iar picioarele robotului încep să se rotească înainte. Cele două picioare care sunt lipite de suprafață, suportând greutatea robotului. Picioarele, care le urmează pe cele care se află deja în contact cu suprafața, ajung să intre și ele în contact cu suprafața de cățărare, ajungând să fie cinci puncte de contact cu suprafața, și anume, două picioare pe fiecare parte a robotului și coada. Cuplul motorului asigură un moment interior care presează piciorul din față pe suprafață și dezlipind piciorul din spate de pe suprafață. Atunci când forța nominală piciorului din spate ajunge la o valoare critică, adezivul începe să se dezlipească de pe suprafață, robotul făcând astfel următorul pas.

Unul dezavantajele construcției acestui robot este faptul că are o utilitate foarte mică în cazul în care adeziunea dă greș. În timpul fiecărui ciclu de pășire sunt doar două picioare lipite de suprafață, iar pășitul invers nu este posibil la acest prototip datorită masei robotului. Pe parcursul utilizării, pe picoarele robotului se adună praf și alte impurități care duc la degradarea rapidă a performanțelor adezivului. Din acest motiv, acești adezivi nu sunt pretabil pentru mediile exterioare, mersul pe pardoseli sau pentru sarcini cu termen lung.

Robot cățărător bazat pe controlul electric a tehnologiei de adeziune

Mulți roboți utilizează pompe cu vacuum sau roți magnetice pentru a se putea lipi de cât mai multe suprafețe verticale. Pompele cu vid pot fi utilizate doar pe pereți netezi și fără pori, iar roțile magnetice pot funcționa doar pe suprafețele feromagnetice. Ambele metode prezentate mai sus au o limită comună, și anume, desprinderea. Ventuzele și roțile magnetice au nevoie de o forță de desprindere în procesul de pășire. Roboții cățărători ar trebui să învingă astfel de forțe pentru a se desprinde, și este nevoie de o energie suplimentară de consum.

Un exemplu de robot care se cațără pe ziduri ce poate fi realizat este robotul cățărător care folosește electroadeziunea. Cum apar mereu noi modele de vehicule, cele mai simple sunt cele cu două roți. O altă soluție, sunt tancurile din armată, de exemplu. Configurația lor le ajută să treacă tot felul de obstacole. Simetria ajută la pășirea peste obstacole în ambele direcții de deplasare. Întreaga structură a robotului cățărător este prezentată în figura 3.3.

Fig. 3.3 Structura robotului

Întregul robot are o lungime de 700 mm, o lățime de 400 mm și o înălțime de 40 mm, având o greutate de 1,2 kg. Un modul wireless USBSS32 permite unui computer să controleze de la distanță robotul. În structura robotului există și un microcontroler care gestionează toate comenzile primite, senzorii și motoarele.

Sistemul de alimentare este realizat cu grijă, având un branșament de curent care alimentează circuitul de electroaderență și unul pentru alimentarea motorului și electonicii care este integrată.Cele două branșamente sunt separate pentru a elimina tensiunea înaltă. Pentru a funcționa, robotul are nevoie doar de o baterie de 5 V, fiind suficienți volți pentru a funcționa atât servomotorul cât și electronica integrată.

Dezavantajul major al acestui model este forța scăzută necesară pentru desprinderea robotului. Pentru a rezolva această problemă s-au luat următoarele măsuri. În primul rând este nevoie ca robotul să se strângă. Astfel nu mai este posibil să se detașeze câte un singur electrod, robotul reacționând ca o placă rigidă ce are mai mulți electrozi pe ea. Tensiunea este limitată deoarece dacă tensiunea este mai mare atunci crește și cuplul de conducere. Tensiunea crescută este încă insuficientă pentru a preveni dezlipirea. Este nevoie de un mecanism suplimentar pentru a preveni în continuare dezlipirea, în caz contrar robotul nu va fi în măsura să urce pe pereții verticali. A doua metodă este cea în care să se utilizeze o coadă care poate produce o forță pentru a preveni dezlipirea, când robotul va încerca să se dezlipească, coada va produce o forță de reacțiune. Cu toate acestea, coada poate aduce unele noi probleme pentru sistemul de cățărare al robotului, cum ar fi complicarea sistemului.

Acest robot este controlat de la distanță cu ajutorul unui calculator. Figurile 3.4 și 3.5 prezintă aderența robotului la sticlă dură și la o ușă de lemn.

Fig. 3.4 Robotul deplasându-se pe sticlă dură

Fig. 3.5 Robotul deplasându-se pe o ușă din lemn

Realizarea unui robot cățărător utilizând un mecanism cu șenile

Utilizarea roboților mobili în locuri înalte cum ar fi curățarea pereților exteriori de la clădirile înalte, lucrări de construcție, vopsirea vaselor mari și inspectarea rezervoarelor de stocare din centrele nucleare sunt necesare deoarece acestea sunt în prezent realizate, preponderent, de către operatorii umani și sunt extrem de periculoase. Din acest motiv, ca domeniu specific de cercetare a roboților mobili, un număr de roboți capabili să se urce pe suprafețe verticale au fost cercetați și dezvoltați peste tot în lume.

Fig. 3.6 Structura generală a robotului cățător

După cum este prezentat și în figura 3.6, robotul este alcătuit dintr-un cadru și din sistemul cu șenile. Pe cadru sunt montate pompa de vacuum, sursa de energie, modulul de control și sistemul de deplasare a robotului. Sistemul de deplasare este alcătuit în mare parte din două curele și roți de transmisie. Douăzeci de ventuze și valve mecanice sunt montate pe suprafața exterioară a fiecărei șenile și o șină de ghidare, care ghidează mișcarea ventuzelor conform rotației roții și controlează funcționarea supapelor mecanice. Articulațiile rotative, care sunt situate pe ambele părți ale robotului, previn tuburile pneumatice care leagă pompa de vid la ventuze să se răsucească în jurul roților.

Douăsprezece ventuze și valve mecanice sunt instalate pe cealaltă suprafață a fiecărei șenile și sunt asamblate cu bolțuri.La început, valvele mecanice sunt blocate datorită arcului din interiorul valvei care ține închis un orificiu. Dacă un rulment cu role este amplasat la capătul valvei este împins jos de profilul curbat al camei, libera circulație are loc între pompa de vid și ventuze, ventuzele lipindu-se de perete.

Robot cățărător pe diferite suprafețe verticale cu vacuum

Acest robot are o formă rotundă ce are ca și sistem de locomoție două motoare care acționează fiecare câte o roată diametral opusă, iar pentru a avea stabilitate, prezintă roți pasive. Acest sistem de locomoție permite atât deplasarea rectilinie, pe arc de cerc, cât și rotirea în punct fix. Particularitatea acestui robot de a sta pe peretele vertical este utilizarea unei perne de vacuum.

Fig. 3.7 Vederea explodată a robotului cățărător

Vacuumul este creat de un motor ce acționează o turbină centrifugală. Cavitatea în care se crează vacuumul este etanșată pe exterior de o manșeta de fibre. Manșeta cu fibre este izolată cu ajutorului unui inel de plastic, iar capetele fibrelor se mulează după forma suprafeței pe care reluază robotul. Mecanismul de rulare este situat în interiorul cavității cu vacuum.

În momentul în care turbina este acționată de motor, aerul din interiorul cavității este evacuat, făcând posibilă alipirea robotului pe suprafața pe care se află. Cu cât etanșarea dintre fibre și suprafață este mai bună, cu atât mai mult se dezvoltă o forță de apăsare mai mare.

b) Proiectarea structurii mecanice

În construcția robotului se utilizează un șasiu în formă pătrată pe care vor fi plasate organele de locomoție și de creare a vacuumului. Astfel, în figura 3.8 este prezentat șasiul realizat în SolidWorks, iar în figura 3.9 este prezentată realizarea practică a acestuia.

Fig. 3.8 Captură a șasiului din programul de proiectare CAD

Fig. 3.9 Șasiu realizat

În cele patru colțuri ale șasiului vor fi plasate patru roți care vor fi acționate cu ajutorul a patru servomotoare de curent continuu. Fiecare servomotor este fixat pe șasiu cu ajutorul unui lagăr.

Fig. 3.10 Captură a ansamblului șasiu-sistem de locomoție

Pe fiecare roată se va aplica un strat de cauciuc pentru a spori aderența dintre roțile robotului și suprafața pe care se deplasează.

Fig. 3.11 Captură a cauciucului aplicat pe roțiFig. 3.12 Captură a ansamblului cauciuc-roată

Sistemul de vacuum folosește un motor electric care acționează o elice care se rotește în interiorul unui tub pentru a avea eficiență maximă.

Fig. 3.13 Sistemul de vacuum

Tensiunea motorului electric este controlată cu ajutorul unui regulator de tensiune care este pre-programat de către producător.

Fig. 3.14 Regulator multicopter BL Sunrise 20A

Varianta constructivă finală a robotului este prezentată în figura de mai jos.

Fig. 3.15 Realizarea practică a robotului

c) Proiectarea sistemului de acționare

1. Despre motoare de curent continuu

i.) Interfațarea motoarelor de curent continuu

Datorită tensiunii și curentului de valori foarte mici furnizate la ieșirea microcontrolerelor, este nevoie de circuite de amplificare pentru acționarea motoarelor de curent continuu. O schemă simplă și eficientă pentru comanda acestor motoare este reprezentată de “puntea H” (în engleză H-bridge).

Fig.3.16 Schema electrică de conectare a motorului de curent continuu la o punte H

O punte H este construită din patru întrerupătoare. Când întrerupătorul S1 și S4 sunt închise (și întrerupătoarele S2 și S3 sunt deschise), o tensiune pozitivă va fi aplicată motorului. Prin deschiderea întrerupătoarelor S3 și S4 și închiderea lui S2 și S3, această tensiune este inversată, făcând posibilă rotirea motorului în sensul opus.

Fig. 3.17 Cele două stări de funcționare ale punții H

Aranjarea de tip punte H este în general folosită pentru a inversa polaritatea motorului, însă poate fi folosită și pentru frânarea motorului (motorul se oprește brusc datorită scurtcircuitării terminalelor sale) sau pentru a lăsa motorul să se rotească liber până la oprire.

Tabelul 3.1 Logica binară a acționării contactelor punții H

Punțile H pot fi contruite din componente electronice sau se găsesc într-un singur circuit integrat.

Fig. 3.18 Comandarea motorului de curent continuu cu ajutorul punții H realizată din tranzistori

Pentru a controla turația motoarelor de curent continuu există mai multe metode. Cea mai simplă ar fi înserierea unui rezistor variabil în circuitul de alimentare al motorului. Prin modificarea valorii rezistenței se modifică tensiunea aplicată motorului. Variația tensiunii nu este proporțională cu variația rezistenței, ci depinde și de curentul absorbit de motor. Această metodă nu este eficientă, având în vedere faptul că se pierde foarte multă energie prin disipare de căldură.

Cea mai des utilizată metodă de control a turației este comanda cu impulsuri modulate în lățime PWM (Pulse Width Modulation).

Fig. 3.19 Diagrama semnalului PWM de acționare a punții H

Variația turației motorului se face prin creșterea sau micșorarea timpului în care semnalul de comandă are valoarea 1 logic (tON). Astfel la un factor de umplere de 100%, motorul are turația maximă, deci tONeste maxim, iar tOFF este zero. La un factor de umplere de 50 %, motorul are jumatate din turația nominală deci tON= tOFF.Iar la un factor de umplere de 0 % motorul este oprit deci tOFFeste maxim, iar tONeste zero.

Locomoția robotului se realizează cu ajutorul servomotoarelor.

Un servomecanism este compus dintr-un motor de curent continuu care prin intermediul unui angrenaj de roți dințate antrenează un ax de ieșire. Pe axul de ieșire este montat un potențiometru cu rol de senzor de poziție. Arborele de ieșire al servomotoarelor nu face o rotație completă, ci doar 180 de grade

Fig. 3.20 Elementele componente ale unui servomotor

Circuitul de control are rolul de a modifica parametrii funcționali (poziție, viteză etc.) ai servomotorului în funcție de semnalul de intrare (referință). Determinarea poziției la care se află arborele servomotorului se face prin intermediul unui senzor de tip rezistiv (potențiometru). Modificarea unghiului de rotație al arborelui va determina modificarea poziției cursorului potențiometrului și implicit tensiunea de ieșire a acestuia. Valoarea tensiunii este utilizată de sistemul de control pentru a determina poziția/turația reală a servomecanismului, și comparând-o cu referința va rezulta semnalul de comandă pentru motorul de curent continuu.

Fig. 3.21 Schema de reglare automată a poziției și turației servomecanismului

Motorul servomecanismului nu este alimentat continuu, ci este controlat printr-o serie de impulsuri de tip ON/OFF. Durata unui ciclu este de 20 ms, din care valoarea standard pentru obținerea poziției de centru (90°) a servomecanismului, este de 1,5 ms în valoarea 1 și 18,5 ms în valoarea 0.

În acest interval circuitul de control compară, poziția unghiulară a axului servomotorului cu unghiul dorit, unghi dat de factorul de umplere al semnalului PWM. În funcție de valoarea obținută, circuitul de control va alimenta motorul de curent continuu cu o tensiune care să determine rotirea axului servomotorului în vederea anulării diferenței dintre cele două valori. Reductorul montat pe axul servomotorului amplifică cuplul dezvoltat de acesta.

Poziția de minim sau de maxim se obține la valori diferite pentru fiecare tip de servomecanism în parte. Cele mai uzuale valori sunt 1 ms pentru 180° și 2 ms pentru 0°.

Fig. 3.22 Exemple de funcționare cu intermitențe a servomecanismului

iii. Alegerea motorului de acționare26/

Fig. 3.23 Calculul momentului minim la roată

iv. Proiectarea sistemului de comandă a motoarelor de acționare

a) Schema electrică

S-a implementat o schemă electrică pentru controlul motoarelor de curent continuu și a motorul de creare a vacuumului. Controlul acestora se realizează cu ajutorul unui circuit integrat ATMEGA8. Acesta este un microcontroller AVR de 8 biți de înaltă performanță ce dispune două countere de 8 biți și unul de 16 biți cu moduri separate de prescalare și comparație. Acesta mai are încorporat trei canale PWM, 23 de linii input/output programabile și o tensiune de operare de 4,5-5,5 V. Programarea acestui microcontroler a fost realizată cu ajutorul programului MikroPascal.

Fig. 3.24 Schema electrică a sistemului de comandă a motorului

b) Cablaj

Fig. 3.25 Circuit imprimat

Circuitul imprimat s-a realizat direct pe șasiul robotului, iar piesele sunt prinse direct pe acesta, realizând în acest fel un dublu rol, și anume, acela de șasiu și cel de cablaj.

c) Proiectarea sistemului de vacuum

i. Principiul de funcționare

Mecanismul de adeziune este bazat pe atracția aerodinamică produsă de un sistem de vacuum care generează o zonă de presiune joasă în interiorul unei camere. Sistemul de vacuum este format dintr-un motor ce acționează o turbină care evacuează direct aerul spre exterior ca în figura de mai jos.

Fig. 3.26 Principiul de funcționare a unui sistem de vacuum cu turbină

Turația mare a turbinei face ca aerul să fie accelerat dinspre interiorul spre exteriorul turbinei. Astfel, aerul este atras din camera unde trebuie să se creeze vacuumul spre central turbine, iar apoi evacuate, luând astfel naștere zona de presiune scăzută.

Aerul evacuat este direcționat axial, în sens opus forței de atracție a mecanismului.

Pentru a genera si a menține vacuumul este nevoie de o camera care să cuprindă zona de presiune scăzută ca în figura 3.23.

Fig. 3.27 Camera de presiune scăzută

Această varintă de sistem de propulsie prezintă un raport foarte slab putere-greutate în comparație cu sistemele acționate de un motor cu ardere internă, care oferă mai multă putere la aceeași masă. O altă problemă este reprezentată de înmagazinarea energiei electrice. În prezent, se duce o muncă destul de importantă pentru a scădea masa acumulatorilor și de a mări capacitatea de stocare.

Fig. 3.28 Vederea explodată a unui sistem de creare a vacuumului cu elice

Acest sistem este folosit, cel mai adesea, la propulsarea aeromodelelor, și pentru că se găsește viabil pentru acest proiect s-a implementat în această lucrare. Spre deosebire de aeromodelism,unde este folosită propulsia sau forța cu care este expulzat aerul, în cazul de față, partea principală este cea de absorție, iar cea de expulzare a aerului fiind doar un avantaj.

Sunt necesare câteva calcule pentru a verifica cerințele minime pentru acest proiect.

Forța minimă de apăsare se poate calcula astfel:

Fig. 3.29 Calculul forței minime de aspirație

ii. Sistemul de acționare și comandăa turbinei

1. Motorul de current continuu fără perii. Generalități

Motorul fără colector și perii, este un motor electric sincron alimentat în curent continuu, care funcționează cu ajutorul unui sistem electronic de comutație. Comutarea câmpurilor electromagnetice necesare rotirii rotorului este comandată și controlată prin intermediul unui circuit electronic de către microprocesor.

Principalul avantaj este o comutare "fără scântei de perii", care reprezintă la motorul cu perii un factor de distorsiune a sistemului de alimentare de curent continuu, prin reinjectarea de impulsuri parazite în sens invers. Impulsurile de tensiune parazite deranjează pe alți consumatori conectați la aceeași rețea.

Durata de viață este sensibil mai mare în raport cu motorul cu colector, unde uzura periilor grafitoase o limitează și generează periodic probleme de service (întreținere).

Lipsa dispozitivului electromecanic, colector și perii, înlătură limitarea vitezei maxime dictată de încălzirea periilor colectoare existente la motorul de current continuu clasic.

Fig. 3.30 Motor Turnigy 2226-3000 EDF Outrunner

Kv:3000 rpm/V

Ex: Tensiune alimentare U=10V

Turatia max. n = U*Kv = 3000*10 = 30000 rot/min

Turația max: 44000 rot/min
Curent nominal: 4A
Curent maxim: 40A
Forța max: 1200gram
Tensiune de alimentare: 15V (4s)
Diametru ax: 4mm
Greutate: 98g

2. Modul de comandă

Motorul care acționează turbina este controlat de către un regulator dedicat pentru acest tip de motor. El primește comandă de la controler, iar mai departe se ocupă singur de controlul parametrilor funcționali ai motorului.

Programul implementat microcontrolerului a fost realizat în MikroPascal, iar controlul acestuia se realizează cu ajutorul unei interfețe realizate în C#.

Fig. 3.31 Interfața de control a robotului

4. Concluzii

Această temă a fost aleasă pentru a contribui la dezvoltarea roboților de inspecție a suprafețelor verticale. Materialele și echipamentele folosite în cadrul acestei lucrări au fost alese ca fiind printre cele mai ușoare materiale pentru a micșora consumul de energie necesar deplasării și alipirii la suprafața verticală.

Acești roboți ușurează munca oamenilor și este ușor de aflat poziția în care se află, viteza de deplasare, mediul în care se află și obstacolele pe care le întâmpină datorită senzorilor cu care sunt dotați.

În acest moment, robotul se poate deplasa doar pe o arie foarte mică deoarece este limitat de lungimea cablurilor care alimentează cu energie robotul de la o sursă de curent.

Robotul este controlat cu ajutorul unui calculator pentru ai indica direcțiile pe care să le urmeze și modul în care să se deplaseze pentru a evita obstacolele și pentru a ajunge la zonele deteriorate.

Pe viitor se dorește implementarea unui sistem de teleoperare cu telecomandă pentru a fi mult mai ușor de controlat, dar și realizarea unui sistem de alimentare a robotului cu baterii pentru a se efectua inspecții și la distanțe mult mai mari, nefiind limitat de lungimea cablurilor de alimentare de la sursa de curent. Totodată, se va implementa o cameră video pentru o vedere în timp real și o vedere cât mai reală a suprafeței pe care se află robotul, dar și pentru a evita obstacolele pe care le întâmpină pe traseul parcurs.

Bibliografie

[1] Giovanni Muscato, Domenico Longo, 6th International Conference on Climbing and Walking Robots and the Support Technologies for Mobile Machines, Editura Professional Engineering Publishing,London, 2003

[2] Tătar O., Mătieș V., Mândru D., Mini și micoroboți, Editura Todesco, Cluj-Napoca, 2005

[3] Claudiu Chiculiță, Laurențiu Frangu, Aplicații de teleprezență și teleoperare a roboților

[4] Mândru Dan, Curs Acționări în mecanică fină, 2014

[5] Rusu Călin, Curs Aparate și sisteme de măsură, 2013-2014

[6] Ciascai I., Sisteme electronice dedicate cu microcontrolere AVR, Casa Cărții de Știință, Cluj Napoca, 2006

[7] Michael P. Murphy, Wiliam Tso, Michael Tanzini, Metin Sitti, Waalbot: An agile small-scale wall climbing robot utilizing pressure sensitive adhesives

[8] Jizhong Xiao, Ali Sadegh, City-Climber: A new generation wall-climbing robots, The Citz College, Citz Universitz of New Zork, USA

[9] Hwang Kim, Dongmok Kim, Hojoon Yang, Kouhee Lee, Kunchan Seo, Dozoung Chang and Jongwon Kim, Development of a wall-climbing robot uusing a tracked wheel mechanism

[10] Guangzhao Cui, Keke Liang, Jinchao Guo, Huiping Li, Dongdong Gu, Design of a climbing robot based on electricallz controllable adhesion

[11] Popa Anton, Curs Mașini unelte, 2013

[12]http://webbut.unitbv.ro/Carti%20on-line/BSM/BSM/capitol5.pdf

[13]http://en.wikipedia.org/wiki/History_of_robots

[14]http://ep.etti.tuiasi.ro/site/Senzori_si_Traductoare/Cursuri/senzori_7.pdf

[15]http://www.used-robots.com/articles/viewing/the-first-industrial-robot-the-unimate

[16]http://www.ai.mit.edu/projects/genghis/genghis.html

[17]http://www.slideshare.net/gornoavavalentin/123393758-senzori

[18]http://www.sony.net/SonyInfo/News/Press_Archive/199905/99-046/

[19]http://www.robofun.ro/accelerometru_MMA8452Q

[20]http://ro.wikipedia.org/wiki/Giroscop

[21]http://www.robotics.ucv.ro/flexform/aplicatii/m1/Cerbulescu%20Claudia%20-%20Comanda%20motoarelor%20de%20curent%20continuu/

[22]http://www.ancient-origins.net/ancient-technology/steam-powered-pigeon-archytas-flying-machine-antiquity-002179

[23]http://datapeak.net/robotics.htm

[24]http://www.mec.tuiasi.ro/diverse/Curs_ASM.pdf

[25]http://mymechatronics.pbworks.com/w/page/64163823/Pneumatic%20System

[26]http://www.slideshare.net/gornoavavalentin/123393758-senzori

[27]http://webbut.unitbv.ro/Carti%20on-line/BSM/BSM/capitol4.pdf

[28]http://www.ai.mit.edu/projects/genghis/genghis.html

[29]http://science.howstuffworks.com/asimo.htm

[30]http://world.honda.com/news/2005/c051213.html

ANEXE