Използване на Енерго-спестяващи механизми в роботиката
Изтегляне 130.81 Kb.
|
- Навигация на страницата:
- Ключови думи
- Публикацията е на основата на проект НТ-1510/05 финансиран от ФНИ.
- 2. Използване на енерго-спестяващи механизми в роботиката.
- 3. Заключение.
| Използване на Енерго-спестяващи механизми в роботиката*
Генчо Стайнов, ст.н.с. II ст. д-р инж., ЦЛМП - БАН 1113, София, ул. " Акад. Г. Бончев ", бл. 1 E-mail: gentcho@bas.bg Резюме: Докладът разглежда приложението в роботиката на енерго-спестяващите механизми, работещи в автоколебателен режим и осигуряващи функционирането и управлението на автоколебателната система. Предназначението на тези механизми е за задвижване на краката на ходещи роботи, задвижване на ръка на манипулатор и за реализиране на възвратно-постъпателни движения в машиностроенето. Заместването на класическите механизми с енерго-спестяващи води до многократна икономия на енергия, която според наличните изследвания надвишава 10 пъти. Ключови думи: енергоспестяващи механизми, пружинни акумулатори, акумулатори на механична енергия 1. Въведение. Осцилаторите са най-често срещаните природни феномени. Използуването на възможностите на осцилиращите системи се е променяло заедно с развитието на науката и техниката. За усъвършенствуване на механичните часовници Хюгенс през 1656г. е създал автоколебателна система от пружинно махало с период на колебанията независещ от ориентацията на часовника. При пружинното махало инерционните сили са компенсирани напълно от пружина, а двигателя се използува само за компенсиране на загубената енергия. Възвратно-постъпателни движения се срещат в повечето машини. С нарастване на масата и скоростта на движещите се тела нараства и необходимата за задвижването им енергия. В повечето случаи за безударно спиране се използуват демпфери. Типичен представител на такива машини са манипулаторите и роботите с циклични движения. За преместване на едно тяло, роботът би трябвало да изразходва само енергията за промяна на потенциалната му енергия и триенето в механизма. Традиционното електрозадвижване осигурява известна рекуперация на кинетичната енергия, чрез зареждане на кондензатор по време на спиране на двигателя, който обаче задържа малко енергия и за кратко време, поради което ефекта на рекуперация не се отчита при пресмятане на задвижването. Може да се постави въпросът достатъчна ли е енергията, която може да се съхрани в пружина. *Публикацията е на основата на проект НТ-1510/05 финансиран от ФНИ. В табл.1 е показана потенциалната енергия, която може да бъде съхранена в пружини по DIN с един и същ работен ход. Таблица 1.
Кинетичната енергия на тяло с маса 20 kg, движещо се със скорости 0,4, 0,6, 0,8 и 1 м/s е съответно 1.5, 3.6, 6.4 и 10J. Следователно кинетичната му енергия може да бъде преобразувана от сравнително малки пружини подобни на посочените в табл.1. Идеята да се задържа пружинното махало в крайните положения за пръв път е използувана за задвижване на манипулатори в “Electrolux” - Швеция (Riderstrom 1975). По-късно тази идея е доразвита в Русия (Корендясев, Саламандра, Тивес, Акинфиев, Бабицки и др. 1983) и в България (Стайнов, Константинов, Танев 1988). В Русия напоследък е разработена и бързодействуваща опаковъчна машина (Саламандра, 1995), в която е използувана автоколебателна система във вид на пружинно махало с регулируеми фиксатори в крайните положения. Установената икономия на енергия в реализираните конструкции е над 10 пъти. Икономията на енергия е особено необходима при автономните ходещи роботи. В Канада (Tad McGeer, 1990) и САЩ (Ruina, 1997) ходенето върху свободно осцилиращи крака е наречено “пасивно динамично ходене” и са разработени модели, при които разхода на енергия при ходене на робота се намалява (по подобие на ходенето на човека и животните) почти до разхода на енергия при търкаляне (Steve Collins, Andy Ruina, 2005). Необходимостта от икономия на енергия в различни области на техниката доведе до създаване на нови “енерго-спестяващи”механизми работещи в автоколебателен режим. Създават се нови решения за съставните елементи на автоколебателната система като фиксиращи устройства и акумулатори на механична енергия, както и нови алгоритми за управление. Новите еластомерни материали със силно изявен пиезоефект, поевтиняването на редкоземните постоянни магнити и развитието на материалите с памет на формата са предпоставка за създаване на акумулатори на механична енергия с възможност за директно добавяне на енергията и управляема характеристика. В България са проведени редица изследвания върху задвижвания на манипулатори с акумулиране на енергия, някои от които са защитени с национални и международни патенти. Разработени, изследвани и внедрени са и конструкции на манипулатори без двигатели, с пневматично задвижване на заключващият механизъм, който добавя загубената енергия. Трябва да се отбележи и че съхраняването на енергия в механични акумулиращи системи, води до най-малки загуби на енергия при превръщането й от кинетична в акумулирана потенциална и обратно, в сравнение с известните до сега начини за акумулиране (електрохимично, химично и топлинно акумулиране). Това качество, ги прави перспективни в промишлеността, където може да се очаква голям екологичен и икономически ефект от използуването им. 2. Използване на енерго-спестяващи механизми в роботиката. Първото известно използуване на “пружинно махало” за задвижване на манипулатори е в Швеция от Riderstrom в “Electrolux” (1975). В този манипулатор пружинното махало се задържа в крайните положения от фиксатори. В вертикална ос и ротационно в хоризонталната равнина (фиг. 1.). Всяко от звената се движи между две крайни позиции, в които става фиксирането му. Фиксиращите устройства са постоянни магнити а добавянето на енергия и освобождаването на фиксатора се извършва с електромагнити. Акумулатора на енергия в транслационното звено е цилиндрична спирална пружина, а в ротационното – плоска спирална пружина. Звената са постоянно свързани към пружините. Края на всяка пружина е подвижен и дава възможност за настройка на неутралното положение на всяко от звената. Важно предимство на този манипулатор е, че двете движения са динамично независими и се извършват едновременно. В Изследвани са възможностите за “резонансна настойка” на манипулатори с една и няколко степени на свобода и условията за “динамично развързване” на звената с взаимно зависими движения. . Получени са решения на оптимизационна задача на многопозиционни системи с една степен на свобода по отношение на бързодействието [15]. В тази работа е дадено решение на задачата за едномерни системи с реализиране на задвижването по диференциална схема и за многомерни системи (с няколко степени на свобода) - с осигуряване на условия за “динамично развързване” на двигателната система на манипулатора. Изработени са модели на бързодействуващи манипулатори с една и две степени на свобода с електрозадвижване (Фиг.2.). В В публикациите [13], [14] са изследвани ротационни модули на манипулатори, като са разгледани възможните схеми на реализация на ротационни и транслационни, двупозиционни и многопозиционни модули [24] , предложени са математични модели [21], [24] и [14] и са проведени изследвания върху експериментални образци [22], [14]. Тези механизми са с директно свързване на работния орган с еластичния елемент. Извършените изследвания поззволиха прилагането им за задвижване на работни органи с циклично движение, и показаха че са надеждни и непретенциозни по отношение на закона на изменение на ускорението при потегляне и спиране. Разработените у нас енерго-спестяващи задвижвания са реализирани в ротационните модули на разработените в ИТКР двупозиционни и многопозиционни манипулатори с товароносимост 50 и 500 N [13] и [14], фиг. 3. Проведените изследвания показват, че КПД при предаване на енергията от звеното към акумулатора и обратно, е висок, като за манипулаторите типове М51 и М53 е около 90 % поради ударите в подпружинните маси, загуби във воденето на пружината и конструктивни недостатъци. В [6] е е доказана икономията на енрегия при замяна на класическите пневматично задвижвани звена с енерго-спестяващи механизми. Описани са и основните им недостатъци: - удар от внезапно освобождаване на акумулатора; - чувствителност към монтажа, поради промяна на потенциална енергия на подвижните звена; - невъзможност да бъде спряно звеното между зададените позиции. В Русия фирмата “РЕКУПЕР” е специализирана в прилагането на т.н. “резонансна настройка” в различни циклови механизми. Във фирмата през 1994г. е разработена бързодействуваща опаковъчна машина, в която е използуван принципа на “пружинно махало” [4], [5] с което е постигната значителна икономия на употребяваната от машината енергия [4]. В тази машина за пръв път е използуван самозадържаща предавка за добавяне на енергията. Е В работата [7] на Steven Collins и Andy Ruina е описан автономен ходещ на два крака робот, с походка подобна на човешката (фиг.4.). Модела е продължение на работите на автора по динамика на крачещи роботи, състоящи се от пасивни ротационни звена, свързани с пружини. Бедрата на робота са на свободно въртящи се оси без двигатели. Всяко бедро е свързано с две противоположно действуващи пружини, които определят неутралното положение на крака. Колената са свободно окачени но с директно свързани с глезените пружини, двигатели и заключващи механизми. Ходилата са широки и оформени така, че да се осигури странична стабилност на робота. Робота има и малък торс окачен спрямо неутралното положение на двете бедра. Всяко от бедрата е твърдо свързано с балансираща тежест разположена в срещулежащата ръка на робота, с което се елиминира завъртането около остта му по време на ходене. Съотношението на дължините на бедрото и глезена се отнасят като 0.91:1, а масите им като 3,3: 1, с което се удовлетворяват изискванията за ходене с “пасивна динамика”. Г Освобождаването на коляното се извършва от електромагнитът 6, който изтласква ролката 4 заедно с рамото 3 до като ролката прескочи хоризонталния ръб на планката 5.Тялото на робота се поддържа в изправено положение по ъглополовящата на ъгъла между двете бедра с паралелограмен механизъм, двете рамена на който са свързани с бедрата (подобно на пергел). Пренасочването на скоростта на масовия център при престъпване от крак на крак /удара на стъпалото в земята/ е основния източник на загуби при ходене. При задвижваните ходещи роботи, подобно на движението на хората, най- подходящ момент за добавяне на енергия е преди отделяне на задния крак. Това става със задвижване на стъпалото, което и При изтласкващото движение стъпалото се завърта, изтегля въжето и завърта рамото В в същата посока до изходяща позиция, благодарение на действието на еднопосочния съединител. Най-важния критерий за оценка на транспортните средства е енергийната ефективност. Тя се измерва с два показателя – специфична цена на транспорта:
3. Заключение. Въз основа на казаното до тук може да се направи извода, че едно необходимо усъвършенствуването на “енерго-спестяващите” механизми е в посока на управлението на автоколебателните системи. Необходимостта от адаптивност е най-очевидна при ходещите роботи поради наличието на неопределености и случайни въздействия върху параметрите и структурата им. Управлението на автоколебателната система може да се извърши чрез специфичните й елементи: акумулатора на механична енергия, заключващите механизми и “клапана” за добавяне на енергия и е научно-приложен проблем с нарастваща актуалност. Освен икономията на енергия, уникална особеност на “енерго-спестяващият” механизъм е, че мощността му се определя от характеристиката на еластичния елемент. Тя може да достигне стойности трудно достижими за конвенционалното задвижване. Особено актуално е изследването и разработването на нови типове акумулатори с възможност за директно добавяне на енергия, както и предлагането на мерки за отстраняване на динамичното въздействие при освобождаване на акумулатора. Литература.
2. Изтегляне 130.81 Kb. Сподели с приятели:
|
манипулатора описан в патента на Riderstrom [1], подвижните звена са траслационно по
дно ново приложение и развитие на “енерго-спестяващи” механизми започна с работите на Макгиър [9] и [10], в които се поставят основите на икономичното ходене на роботите наречено от него“пасивно динамично ходене”. Той моделира ходенето на робот върху два свободно осцилиращи около една ос крака и доказва че при определени условия (Синхроннно люлеене по посока на движението и в напречната равнина, подходяща кривина на стъпалото, дължина и маса на краката), се получава устойчиво ходене на робот с високо разположен център на тежестта, с прави крака и с крака с колена. Той създава и незадвижвани модели на роботи (ходещи механизми), които се движат устойчиво по слабо наклонена плоскост. 
звършва краткотрайно бутащо движение със сила по-малка от теглото на робота. Добавянето на енергия се извършва в необходимия момент чрез свобождаване на пружина закрепена на стъпалото, в която се натрупва енергия през време на свободното движение на крака от малък електродвигател. Механизма за задвижване на робота е показан на фиг.6. Електродвигателят А през редуктор и еднопосочен (догонващ) съединител е свързан към коляното В и изтегля въжето Е, закрепено към коляното В, придвижвайки рамото С до като опре в упора D. При това стъпалото F се завърта и пружината G се натяга, натрупвайки необходимата за следващата стъпка енергия. При достигане на ролката В горна мъртва точка, механизма се заключва и стъпалото е в готовност за избутващо движение. В упора D е разположен електромагнит който изтласква рамото С в необходимия момент и освобождава стъпалото, което извършва изтласкващото движение под действие на силата на пружината.
= (използувана енергия / товар х пропътувано разстояние). Относителното измерване на механичната ефективност на вложената енергия се