Използване на Енерго-спестяващи механизми в роботиката



Дата03.09.2016
Размер130.81 Kb.
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.

d x D x L [мм]

Ход [мм]

F[N]

k[N/m]10^ -3

Ep[J]

1.6 x 20 x 110

50

50,8

0,99

1,2375

1.6 x 16 x 77.5

50

96

1,92

2,4

2,5 x 20 x 120

50

199

3,98

4,975

4 x 50 x 99

50

297,5

5,95

7,4375

5 x 40 x 205

50

397

7,94

9,925

6,3 x 50 x 250

50

515

10,3

12,875

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 манипулатора описан в патента на Riderstrom [1], подвижните звена са траслационно по

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
Русия са разработени електрозадвижвани [12] и [15] и пневматични манипулатори с акумулиране на енергията [11].

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
България в периода 1985-1989г. са разработени, изследвани и внедрени гама от манипулатори задвижвани от “енерго-спестяващи” механизми с акумулатори на механична енергия. Новото при тях е използуването на гърбични механизми за добавяне на енергия в процеса на спиране, което е защитено с международни патенти и авторски свидетелства [16 - 20].

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.

Едно 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.

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
лезена е свободно лагеруван в колянната ос, но има едностранен ограничител (подобно на човешкото коляно) действуващ като заключващ механизъм. При движение на крака напред, свободно люлеещият се глезен се самозаключва и остава заключен до пълното издаване на крака напред и през време на стоенето върху него. За да се осигури свободното люлеене на глезена, въжетете за задвижване на стъпалото минават през оста на коляното (фиг.5.).

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 извършва 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.

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: = (използувана енергия / товар х пропътувано разстояние). Относителното измерване на механичната ефективност на вложената енергия се получава от коефициента cmt , показващ енергията изразходена само от двигателите [7]. Стойностите на cet и cmt за човек, ходещи роботи и различни транспортни средства са показани в таблица 1.
Таблица 1.







cet

cmt




Ходене на човек

0.2

0.05

Роботи

Ходещ робот “Азимо” на Хонда

3.2

1.6

Роботът “Denise” на T.U. Delft

5.3

0.08

Роботът “Spring Flamingo” на MIT

2.8

0.07

Ходещия механизъм “Dynamite” на McGeer




0.055

Роботът на Корнелския университет

0.2

0.04

Други


Модерен безмоторен самолет




0.02

Модерен автомобил

0.06

0.015

Колоездач

0.04

0.01

Товарен влак

0.012

0.003

Товарен вагон

0.004

0.001



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.

  1. Geran Arvid Henning Riderstrom. “Mechanical arm”. Pat. 568546 (Sweden), Int.Cl. B 25 J 9/00, (1975).

  2. Gomes, M., Ruina, A Walking Model with No Energy Cost. A. In revision, J. of Theor. Biology, (2005). http://ruina.tam.cornell.edu/research/topics/locomotion_and_robotics/papers/walking_model_no_energy.pdf

  3. Gomes, M., Ruina, A. A five-link 2D brachiating ape model with life-like motions and no energy cost. In revision, J. of Theor. Biology, (2005) http://ruina.tam.cornell.edu/research/topics/locomotion_and_robotics/papers/five_link_2d/five_link_2d.pdf

  4. http://www.pakkograff.ru/mode.607-id.1161

  5. http://www.recuper.ru/index.htm

  6. Stainov G.S. Replacement of damphers with spring accumulators in a pneumatically driven link. Проблеми на Техническата кибернетика и роботиката. V.54 (2004), pp.30-37. ISSN 0204-9848

  7. Steven Collins, Andy Ruina, Passive Dynamic Models of Human Gait. Poster Abstract from Engineering Foundation Conference on Biomechanics and Neural Control of Human Movement, Mt. Sterling, Ohio, June 1-6, (1996).

  8. Steven Collins, Andy Ruina, Russ Tedrake, Martijn Wisse. Efficient Bipedal Robots Based on Passive- Dynamic Walkers. Science Magazine, Vol. 307, Pages 1082-1085, (2005).

  9. Tad McGeer. ”Passive Dynamic walking.” The International Journal of Robotic research v.9. pp.62-82, (1990)

  10. Tad McGeer. Passive bipedal running. Proc. R.Soc.London, series B, Biological Sciences V240,No1297 (1990).

  11. Акинфиев Т.С. и др. Манипуляционние системи резонансного типа. Машиноведение No.1 (1982).

  12. Болотин, Л.М. и др. Цикловие роботи с аккумуляторами механической энергии. Основи построения привода. Станки и инструмент No.4. (1984).

  13. Дарина Съботинова, Генчо Стайнов, Недко Шиваров, Тодор Тодоров, Иван Богоев. Многопозиционен манипулатор за обслужване на технологичен процес при термообработка в кипящ слой. Проблеми на Техническата кибернетика и роботиката. Кн.36 (1992), pp.75-81. ISSN 0204-9848.

  14. И.Богоев, Г.Стайнов. Математическая модель автоколебательного ротационного звена с кулачковым механизмом для добавления энергии. Конференция “РОБКОН 5” кн.III Варна, 09 - 11 октомври (1989),.

  15. Корендясев, А.И. и др. Цикловие роботи с аккумуляторами механической энергии. Многопозиционние системи с одной и несколькими степенями подвижности. Станки и инструмент No.6. (1984).

  16. Стайнов Г. и С др. Модул на манипулатор. No 37263, (patented in USSR - No.1472250) (1988).

  17. Стайнов, Г. и др. Модул на манипулатор. НРБ No. 44245, (1988), also patented in:US - pat No.4,744,266 (1988), Sweden - No.462788(1988), Italy - Pat. No.1144 (1988).. 44245.

  18. Стайнов, Г. и др. Манипулатор А.С. No. 37268 (1985).

  19. Стайнов, Г. и др. Манипулатор. А.С. No. 46809 (1986).

  20. Стайнов, Г. и др. Промишлен манипулатор. No 46348- BG No. 46183-USSR (1993).

  21. Стайнов, Г., М.М.Константинов, Т.К.Танев. Манипулатор с механично акумулиране на енергия. Проблеми на Техническата кибернетика и роботиката кн.29. (1988). ISSN 0204-9848.

  22. Стайнов, Г.,О.Манолов,В.Толев,А.Янакиев. Экспериментальные исследования манипулятора с аккумулированием механической энергии. Конференция РОБКОН-4. кн.1. София (1987).

  23. G.Staynov. Modules for manipulators and robots utilising self-exited oscilations. Конференция РОБКОН-4. кн.1. София (1987).

  24. И.Богоев, Г.Стайнов. Математическая модель автоколебательного ротационного звена с кулачковым механизмом для добавления энергии. Конференция “РОБКОН 5” кн.III Варна, 09 - 11 октомври (1989).

  25. G.S.Stainov. Manipulators with self-excited oscillation modules for electronics. Electronic Technology Symposium’90.Budapest, (1990).




2.



Поделитесь с Вашими друзьями:


База данных защищена авторским правом ©obuch.info 2019
отнасят до администрацията

    Начална страница