Pogonski sistemi robotaUradio:

Stefan ivkovi

VTNovi BeogradStrana 2/30

VISOKA TEHNIKA KOLA STRUKOVNIH STUDIJA NOVI BEOGRAD

Seminarski rad

- Pogonski sistemi robota -

Student: Stefan ivkovi Profesor: dr.Vesna otra br. indeksa: 174/12

Jun, 2015.

Sadraj

1. Uvod.........................................................................................................32. Elektromotori jednosmerne struje.............................................................7 2.1.1. Princip rada i matematiki model....................................................7 2.1.2. Nain postavljanja motora..............................................................9 2.1.3. Prenos pogonskog momenta...........................................................112.2. Motori naizmenine struje.....................................................................172.3. Korani motori.......................................................................................202.4. Elektrohidraulini pogon........................................................................21 2.4.1. Komponente i princip rada.............................................................21 2.4.2. Nain postavljanja motora..............................................................242.5. Pneumatski pogon..................................................................................273. Zakljuak...................................................................................................294. Literatura ..................................................................................................30

1. UvodU poetku primene automatske mainske manipulacije u industriji korieni su prosti industrijski manipulatori kao pretea industrijskih robota. Takvi manipulatori koji su opsluivali maine obino su imali pneumtaski pogon. Zglobove manipulatora pokretali su cilindri na bazi komprinovanog vazduha. Takav pogon omoguavao je pouzdan i veoma brz rad ureaja. Bez obzira na te kvalitete pneumatski pogon se vrlo retko sree kod savremenih robota. Problem je u tome to se takav pogon teko regulie, odnosno teko je ostvariti kretanje po zadatom zakonu. Ranije smo rekli da manipulatori za opsluivanje maine nisu ostvarivali neko zadato kretanje ve su samo pomerali hvataljku iz jedne take u drugu. Za zaustavljanje su korieni mehaniki graninici pa se nije postavljao sloeniji problem regulacije. Pneumatski pogon pokrene zglob, a zglob se zaustavlja udarom u graninik. Ovaj vrlo prost nain pogona nije mogao zadovoljiti sve vee zahteve, pa se, bez obzira na usavravanje, pneumatski pogon izbacivao iz upotrebe u robotici. Ipak, treba rei da je u poslednje vreme razvijen uspean pneumatski servo-sistem koji bi mogao zadovoljiti sloene zahteve koji se postavljaju pred savremene robote.Tipovi pogona kod robota Jedan od prvih, a jo uvek jednako aktuelnih pogonskih sistema u robotici je hidraulini pogon. U cilindru se nalazi ulje pod pritiskom. Pritisak, posredstvom klipa, pokree zglob robota. Regulacija kretanja ostvaruje se regulijom pritiska u cilindru i protoka ulja kroz cilindar. Napajanje cilinda uljem i regulacija protoka vri se pomou ureaja koji se naziva servorazvodnik. Kako se u sklopu servorazvodnika nalazi i elektromotor koji pokree klip razvodnika, to obino govorimo o elektrohidraulinom pogonu.Prednosti hidraulinog pogona su znatne. Pre svega, mogue je ostvariti visoke pritiske u cilindrima, pa time i veoma velike sile u zglobovima robota. Dovoljno je setiti se bagera kaikara ija "ruka" se pokree hidraulinim pogonom. Zahvaljujui toj mogunosti postizanja velikih sila roboti sa hidraulinim pogonima nemaju reduktore to znatno pojednostavljuje konstrukciju. Treba jo rei da je hidraulini pogon pojednako pogodan i za translatorna i rotaciona pomeranja. Najvee prednosti hidraulini pogon iskazuje u primeni kod tekih robota. Ovi roboti, namenjeni manipulisanju sa veim teretima (od 100 kg pa i vie), moraju ostvariti velike pogonske sile i momente u svojim zglobovima. Hidraulini pogon, za razliku od drugih, vrlo lako ostvaruje takve sile. Pored toga, robot nema reduktor, a nije potrebna ni kompenzacija statikog optereenja.Uz sav opisani znaaj koji poseduje hidraulini pogon, u poslednje vreme se uoava tendencija prelaska na elektrini pogon robota. Ranije je elektrini pogon korien za lake i srednje robote,

a danas se i teki roboti sve vie projektuju kao elektrini. Njihova iroka upotreba posledica je najpre injenice da je njihova regulacija relativno jednostavna, a zatim i nekih nedostataka hidraulinih pogonskih sistema. Hidraulini pogon ima ogranienu maksimalnu brzinu klipa u cilindru, pa je otuda ograniena i brzina robota, a takoe uvek prisutan problem curenja ulja. Uz konstatciju da se sve vie elektrini pogon robota treba ukazati i na niz problema koje takav pogon donosi. Dananji motori za jednosmernu struju jo uvek imaju prilino velike brzine obrtanja (na primer 3000-4000 obrtaja u minutu), a ostvaruju relativno male pogonske momente (na primer do 20 Nm). Zato su neophodni reduktori koji e smanjiti brzinu i poveati momenat. Prenosni odnosi reduktora moraju nekada biti prilino veliki (i do 300 puta). Poto je trenje u reduktoru uvek prisutno, gubi se dobar deo snage (kod dobrih reduktora do 15%), pa je to jedna od nepogodnosti ovakvog pogona. Sledei problem je mesto postavljanja elektromotora. Da bi se postigla bolja statika uravnoteenost robota motori se esto postavljajuju tako da su udaljeni od zglobova koje pokreu. Zato je potrebno projektovati mehanizam kojim e se pogon preneti od motora do zgloba. Takav mehanizam ne samo da uslonjava konstrukciju robota ve donosi i neke druge probleme kao to je, na primer, problem elastinih deformacija i oscilacija u prenosnom mehanizmu.Poseban nedostatak elektromotora jednosmerne struje je postojanje komutatora sa etkicama. Kod takve komutacije javlja se varnienje, smanjuje se dozvoljena brzina obrtanja, a dopunska nepogodnost nastaje zbog troenja etkica. Ovi problemi, medutim, reavaju se razvojem motora bez etkica (engl. brushless motors) tj. motora sa elektronskom komutacijom. Kod manjih robota sreu se esto i korani elektro motori (engl. stepping motors), veoma pogodni za povezivanje sa raunarom. Meutim, budui da rade u otvorenoj sprezi, jo uvek nije razreeno pitanje njihove potpune pouzdanosti u smislu preciznog pozicioniranja pogotovo u radu sa veim teretima.Ukaimo sada i na neke nove mogunosti elektrinog pogona. Neke su ve u potrebi, a neke su stvar blie ili dalje budunosti. Kako je jedan od glavnih nedostataka elektromotora njihov mali pogonski momenat, a ovaj zavisi od magnetnog polja u motoru, to je usavravanje usmereno ka razvoju snanih stalnih magneta ije bi snano polje omoguilo vei pogonski momenat. Tako se ve uveliko proizvode motori sa samarijumom-kobalt magnetima koji su omoguili znatno poveanje pogonskog momenta pri istim dimenzijama motora. To je ipak samo kvantitativni napredak. Neto kvalitativno novo predstavljaju takozvani motori za direktni pogon. esto se koristi engleski termin direkt drajv (direct drive). Ovi motori, zahvaljujui izuzetno snanim magnetima i specifinoj konstrukciji, ostvaruju izuzetno velike pogonske momente, pa vie nema potrebe za reduktorom. Takvi motori postavljaju se direktno u zglobove i nema posebnog

prenosnog mehanizma. Direkt drajv motori su jo u eksperimentalnoj fazi ali se od njih u robotici dosta oekuje.Jo jedna novost u pogonu robota je upotreba motora za naizmeninu struju. U robotici se pojavljuju tek od skora prvenstveno zbog toga to je regulacija ovih motora, a to znai i upravljanje robotom sloenije.

Sada emo progovoriti i par rei o nekim idejama koje predstavljaju dalju budunost u oblasti pogona robota. Ve smo ranije, govorei o razvoju robota, uoili da je jedan od osnovnih pravaca njihovog daljeg usavravanja tenja ka sve veoj univerzalnosti u smislu mogunosti kretanja. Cilj u dalekoj perspektivi je postizanje pokretljivosti koja bi bila ravna ovekovoj. Otuda sve vea slonost robota sa ovekom, odnosno sa nekim delovima ovekovog tela (na primer ruka robota) ili pak slinost sa ivotinjama (etvoronone i estonone maine). Zato je prirodna tenja da se doe do pogonskog sistema koji bi nalikovao miiima i stoga bio najprikladniji za ovakve konstrukcije.

Miii oveka i ivotinja sastoje se od miinih vlakana sposobnih za kontrakciju. Kontrakcijom miia ostvaruju se sile koje pokreu telo. Ako bismo eleli da ostvarimo vetaki pogon sa istim osobinama, odnosno vetaki mii, neophodno je prvo konstruisati jedan tanki izdueni mehaniki element sposoban za kontrakciju, dakle vetako miino vlakno. Takvi elementi slagali bi se u snopove i na taj nain formirali miie.

Ovde moemo povui paralelu izmeu vetake inteligencije i vetakog kretanja. Vetaka inteligencija podrazumeva niz metoda kojima se formiraju raunarski programi koji su sposobni za odreene inteligentne postupke. U pitanju je, na primer, mogunost uenja, sticanja iskustva i na bazi toga donoenja logikih i inteligentnih odluka. Zatim, tu su metode prepoznavanja oblika, analize i sinteze govora, itd. Da bi se realizovali svi ovi algoritmi, neophodno je raspolagati digitalnim raunarom i on, zajedno sa svim programima, formira elektronski mozak. Osnovni sastavni deo ovakvog mozga je tranzistor, odnosno u novije vreme kompletna sloena tranzistorska kola integrisana u minijaturne ipove. Vratimo se sada vetakom kretanju. Da bi postigli kretanje koje verno odgovara kretanju oveka ili ivotinje opet je neophodno raspolagati jednim osnovnim elementom. To bi se moglo nazvati mehanikim ekvivalentom tranzistora i u stvari je vetako miino vlakno. Kako smo rekli, to je mehaniki element sposoban za kontrakciju. Integrisanom elektronskom kolu odgovarao bi snop vlakana, dakle mii. Ova analogija je i strukturna i funkcionalna. Naime, oba ova sklopa sastoje se od osnovnih elemenata koji deluju kao jedna funkiconalna celina.

Danas se na vie mesta vre istraivanja radi razvoja vetakog miia. Poznato je, na primer, da je bilo pokuaja da se on realizuje na bazi komprimovanog vazduha. Ipak, moemo rei da do sada nije naeno pravo reenje za konstrukciju vetakog miia. Tako, ovaj pogon robota ostaje kao ideja koja e se realizovati tek u blioj ili daljoj budunosti. No, u svakom sluaju, razvoj takvog pogona doprinee daljem poveanju univerzalnosti kretanja robota. U daljem tekstu ove

glave razmotriemo najvanije tipove pogonskih sistema u robotici. To su: razliite vrste elektromotora, hidraulini pogon i pneumatski pogon. Posebnu panju obratiemo na mesto postavljanja motora i na nain prenosa pogonskog momenta. Konano, razmotriemo i mogunost kompenzacije statikog optereenja. Najvie mesta daemo elektromotorima jednosmerne struje i hidraulinom pogonu poto su to danas najei pogonski sistemi.

Pogonski motori robota deluju veinom u zglobovima mehanizma izazivajui pomeranja u zglobovima. Tako, pokreui zglobove motori pokreu ceo robot. Na slici 1 ematski je prikazan lanac jednog robota i edjstvo pogonskih momenata oznaenih sa P1,P2,...,Pn. Kao to se vidi, svaki motor pokree jedan zglob. Meutim, postoje eme robota, na primer ASEA-ema, kod kojih je dejstvo motora znatno sloenije.

Slika 1. ema lanaca i ema dejstva pogona

2. Elektromotori jednosmerne struje

Kao pogonske elemente u robotici esto sreemo elektromotore jednosmerne struje sa stalnim magnetom. Objasniemo princip rada ovih motora i izvesti matematiki model. Ukazaemo i na razliite konstrukcije motora.

Prodiskutovaemo kasnije nain postavljanja motora kod manipulacionih robota i nain prenoenja pogonskih momenata od motora od odgovarajuih zglobova.

2.1.1. Princip rada i matematiki model

Da bismo objasnili princip rada motora jednosmerne struje sa stalnim magnetom i izveli matematiki model posluiemo se pojednostavljenim odelom prikazanim na sl. 2a.Posmatraemo okvir kroz koji protie struja i, a koji se nalazi u magnetnom polju indukcije B. Na delove okvira AB i CD deluju Lorencove sileF = i1Bgde je 1 duina delova AB odnosno BC. Ove dve sile izazivaju spreg sila momentaM = Fd cos0 = 1 Bd cos0Ovaj momenat izaziva obrtanje okvira oko ose O'O''. Vidimo da je proporcionalan struji kroz okvir. Da bi se odravao uvek isti smer struje u gornjem i donjem delu okvira, tj. da se ne bi promenio kada deo BC doe gore, koristi se komutator K. Provodnici C1 I C2 koji se naslanjaju na komutator nazivaju se etkice.

Slika 2. Princip rada motora jednosmerne struje

Slika 3. Razliiti oblici rotora i motora

Slika 4. Motor bez etkica

Ukaimo sada na neke razliitosti u konstrukcijama postojeih motora. Prvo emo rei da se rotori sreu u dva osnovna oblika: cilindrinom i ploastom. Slika 3 prikazuje oblik rotora sa metodom komutacije, nain postavljanja parova stalnih magneta i spoljanji izgled motora. Oigledno je da ploasti rotor omoguava krau ali iru formu motora.Mogue je i zameniti uloge rotora i statora. Tada se na rotoru nalaze parovi stalnih magneta, a na statoru namotaji kroz koje protie struja. ema je prikazana na slici 4. Oigledno, tada ne postoji komutator sa etkicama pa se izmena smera struje u namotajima obezbeuje posebnim elektronskim sistemom. Zato govorimo o elektronskoj komutaciji i elektronskom komutatoru. Ovakve motore bez etkica nazivamo esto i engleskim terminom brales (brushless) motori. Elektronska komutacija omoguava motorima znatno vee radne brzine, izbegnut je problem troenja etkica, kao i varnienja. Treba rei da ovakva komutacijanije jednostavna. Uestanost promene smera struje mora biti usklaena sa brzinom obrtanja motora.2.1.2. Naini postavljanja motoraU ovom delu razmatra se nain i mesto postavljanja motora koji pokreu zglobove robota. Analizu emo poeti od zglobova ake. Na slici 5 a je prikazan trei segment minimalne konfiguracije i segment ake i jedan mogui nain postavljana motora. Motori su postavljeni direktno u zglobovima koje pokreu. Na slici, motori koji pokreu zglobove S4,S5,S6 oznaeni su M4,M5,,M6. Ovaj nain omoguava jednostavnu konstrukciju, meutim, ima dosta nedostataka. aka postaje glomazna i to sa jedne strane poveava optereenje robota, a sa druge strane smanjuje mogunosti kretanja zglobova ake.

Slika 5. Naini postavljanja motora za pogon ake

Drugi nain, koji je ei, polazi od ideje da motore treba postavljati to blie osnovi robota jer se tako smanjuje statiko optereenje. Kada su u pitanju zglobovi ake i motori koji ih pokreu, jedan raspored motora koji sledi ovu ideju prikazan je na slici 5(b). Motori su postavljeni iza lakta i predstavljaju kontrateinu. Pogonski momenti se od motora prenose osovinama do odgovarajuih zglobova.

Slika 6. Naini postavljanja motora za pokretanje minimalne konfiguracije

Analiziraemo pogon zglobova minimalne konfiguracije. Razmotriemo prvo zglobove S3 i S2 tj. lakat i rame robota (sl. 3.6). Jedna od mogunosti je smetanje motora uz same zglobove kao to je prikazano na slici 6(a). Ovakav pristup pojednostavljuje konstrukciju prenosa pogonskog momenta od motora na zglob. Primetimo da ovde svaki motor deluje izmeu dva susedna segmenta. M3 pokree zglob S3, i deluje izmeu segmenata 2 i 3 tako to stator vezujemo za segment 2, a rotor preko odreenog prenosnog mehanizma za segment 3. Slino vai za motor M2 koji deluje izmeu segmenta 1 i 2. Ovo je ematski prikazano na slici 7(a). Razmotriemo jo jednu mogunost. Motori M2 i M3 mogu se postaviti na mesta prikazana na slici 6(b). Za motor M2 koji pokree rame S2 vai sve to je malopre reeno, ali pitanje motora M3 je sloenije. Ovaj motor pokree lakat S3. Svojom osovinom rotora, preko prenosnog mehanizma, motor je vezan za segment 3. Stator motora moe se vezati na dva naina. U prvom sluaju stator vezujemo za segment 2 i time dobijamo da motor M3 deluje izmeu segmenata 2 i 3. Ovaj sluaj je, dakle, po dejstvu motora ekvivalentan nainu prikazanom i opisanom pod (a). Ovo je ematski prikazano na slici 7(b).

Slika 7. Otvoreni i zatvoreni lanci

U drugom sluaju stator motora M3 vezujemo za segment 1. Tada motor deluje izmeu segmenata 1 i 3. Na ovaj nain dobijamo vezu izmeu segmenata koji nisu susedni (sl. 7c).Ostalo je i da se razmotri zglob S1 tj. obrtanje robota oko vertikalne ose. Taj zglob vezuje segment 1 sa podlogom i motor M1 se uvek vezuje izmeu tih segmenata. Pri tome stator moe biti uvren na segmentu 1 ili na podlozi.2.1.3. Prenos pogonskog momentaProblem prenosa pogonskog momenta od motora do zgloba je vano i dosta opirno pitanje. Naime, postoji veliki broj razliitih reenja prenosnog mehanizma i nemogue ih je sve predstaviti. Zato emo se ovde zadrati na nekoliko primera koji su relativno esto korieni. Tako italac dobija odreenu predstavu o ovom problemu. Kao prvo uoavamo sledee: motori jednosmerne struje daju male momente i velike brzine obrtanja. Ove pojmove malo i veliko treba shvatiti uslovno. Mislimo da su momenti mali u odnosu na momente koji su potrebni za pokretanje robota, a brzine su velike u odnosu na brzine kojima se obru zglobovi robota pri nekom uobiajenom kretanju. Zbog ovoga prenosni mehanizam uvek sadri reduktor koji u odreenom odnosu poveava pogonski momenat (na primer N puta) i u istom odnosu smenjuju brzinu obrtanja (takoe N puta). Ovaj odnos naziva se prenosni odnos reduktora, ili stepen redukcije. Najjednostavnija realizacija reduktora je u obliku para zupanika (slika 8) iji su poluprenici u odnosu 1:N.

Slika 8. Prenos pogonu preko reduktora

U praksi, da bi se ostvario eljeni prenosni odnos reduktora neophodno je redovno vezati nekoliko parova zupanika i tako u nekoliko koraka ostvariti eljenu redukciju. Naime, jasno je da se ne moe praviti par zupanika iji bi poluprenici bili u odnosu, na primer, 1:300. U sluaju vie parova javlja se problem zazora. U svakom kontaktu dva tela, pa tako i zupanika, javlja se prazan hod ili zazor, dakle malo pomeranje koje ne moemo kontrolisati. Otuda je poeljno izbegavati vei broj parova zupanika da se zazor ne bi umnoavao. Jedan nain da se ovaj problem rei je konstrukcija specijalnih vrsta reduktora koji uspevaju da ostvare velike prenosne odnose sa jednim ili bar sa malim brojem zupastih parova. Od takvih konstrukcija u robotici se najee koriste tzv. harmonik drajv (harmonic drive) reduktori. Princip rada ovih reduktora objasniemo koristei sliku 9.Osnovni funkcionalni delovi su ulazna elipsa oznaena na slici sa (e), takozvani generator talasa (engleski: wave generator) oznaen sa (g) i kuite (k). Izmeu elipse i generatora talasa nalazi se eliptini kuglini leaj, pa je tako omogueno meusobno obrtanje ova dva elementa, a generator i kuite u zupastoj vezi. Osovina motora uvruje se za elipsu koja se onda obre brzinom motora. Tako predstavlja ulaznu brzinu reduktora. Kuite emo smatrati nepokretnim i tada e zupci kuita odreivati obrtanje generatora. Generator je od elastinog materijala i obre se stalno menjajui pravac deformacije. Generator se vezuje za izlaznu osovinu reduktora. Ova osovina pokree zglob robota, pa njenu brzinu oznaavamo sa q. Da bismo jasno prikazali odnos ulazne brzine i izlaza q posluiemo se prvo jednim pojednostavljenjem. Pretpostaviemo da je broj zuba generatora za jedan manji od broja zuba kuita. To znai da, ako se ulazna elipsa obrne za pun krug, utiskujui pri tom zube generatora u zube kuita, generator e se pomeriti za jedan zub unazad. Proizlazi da je obrtanje generatora znatno sporije. Ako se posmatra uopteno, generator e se obrnuti za onoliko zuba koliko ih ima manje nego na pun krug, utiskujui pri tom

zube generatora u zube kuita, generator e se pomeriti za jedan zub unazad. Proizlazi da je obrtanje generatora znatno sporije. Ako se posmatra uopteno, generator e se obrnuti unazad za onoliko zuba koliko ih ima manje nego na kuitu. Neka je to ugao n. Ugao obrtanja je takav, gde je ugao koji odgovara jednom zubu. Dakle, ako se ulazna osovina obrne za pun krug tj. onda e se izlazna osovina obrnuti unatrag za . Prenosni odnos reduktora sada postaje:

Slika 9. Harmonik drajv reduktor

U ovom odnosu smanjuje se izlazna brzina i poveava izlazni moment.Treba jo rei da se harmonik drajv reduktori odlikuju jako malim zazorom ali se s druge strane mora voditi rauna o uvijanju reduktora pri prenosu veih optereenja.Do sada smo smatrali da se pogonski momenat poveava u istom odnosu u kome se smanjuje brzina. Meutim, zbog unutranjih trenja u reduktoru gubi se deo snage. To se uzima u obzir tako to prenosni odnos brzine ostaje N, a prenosni odnos momenta postaje , gde je takozvani koeficijent korisnog dejstva reduktora, tj. odnos izlazne i ulazne snage. Sada relacija postaje:

Slika 10. Jedan zglob robota

Slika 11. Laktasta emamanipulacionog robota

Koeficijentje uvek manji od jedinice jer je izlazna snaga manja od ulazne. Kod harmonik drajv reduktora koji se odlikuju visokim koeficijentom korisnog dejstva on moe iznositi okvirno od 0,6 do 0,9.Sada emo prikazati nekoliko primera prenosnih mehanizama za pgon manipulacionih robota. Slika 10 prikazuje spoljni izgled jednog zgloba i moguu emu pogona zgloba. Reduktor R1 direktno se nastavlja na motor M1 tako da moemo govoriti o sklopu motor-reduktor. Stator ovog sklopa uvren je za segment "j-1", a rotor, preko izlazne osovine i para zupanika, za segment "j". Ovde oigledno ne postoji neki sloen prenosni mehanizam.Na slici 11 prikazan je spoljanji izgled jedne minimalne konfiguracije robota laktaste eme.

Na slici 12 prikazana je ema pogona zgloba S1 koji predstavlja obrtanje celog robota oko vertikalne ose. Stator je uvren za postolje, a rotor, preko osovine i para zupanika, obre segment 1, a time i ceo robot.Na slici 13 prikazana je ema pogona ramena S2. Sklop motor-reduktor (M2 - R2) preko zupastog para pokree zglob. Stator je vezan za segment 2, a rotor preko zupanika za segment 1.

Slikqa 12. ema pogona zgloba S1

Slika 13. ema pogona ramenog zgloba

Na slici 14 prikazane su dve mogue realizacije prenosa pogona na zglob lakta S3. U sluaju (a) motor M3 i reduktor R3 vezani su u jedinstven sklop. Stator je uvren za segment 2. Rotor pokree par zupanika, a zatim se pogon prenosi preko prenosnog lanca do segmenta 3. U ovoj varijanti i motor i reduktor smeteni su blizu osnove robota ime je smanjeno optereenje. Mana ovog prenosa je to se svaki zazor lanca ili njegovo elastino istezanje pokazuje direktno kao greka u pomeranju segmenta 3. Ovo posebno treba imati u vidu ako se zna da u ovom sluaju lanac prenosi veliku silu jer se radi o pogonu iza reduktora. Sluaj (b) ispravlja ovu manu. Prvo uoavamo da su motor i reduktor sada razdvojeni. Pogonski momenat motora M3 prenosi se osovinom do zgloba lakta, gde preko para zupanika ulazi u reduktor R3. Izlazna osovina reduktora vezuje se i pokree segment 3. Ovde primeujemo da prikazana dugaka osovina prenosi mali moment jer se radi o momentu motora pre reduktora. Eventualna greka usled zazora i elastinog uvijanja osovine posredstvom reduktora smanjuje se N puta. Tako, ovakav prenos omoguava manje greke koje bi bile posledica zazora ili elastinih deformacija. S druge strane, u ovom sluaju smo reduktor udaljili od osnove robota i time poveali optereenje. Ovde nismo imali kao cilj diskusiju o prednosti jedne ili druge varijante prenosa ve su nam obe varijante sluile samo kao ilustracija razliitih mogunosti.

Slika 14. Dve mogunosti za prenos pogona zgloba lakta

Slika 15. Pogon translatornog zglobaSledei primer odnosi se na pogon translatornog zgloba. Slika 15 predstavja jednu mogunost za pokretanje translatornog zgloba. Stator motora uvren je za segment "j-1", a rotor preko osovine, jednog zupanika i zubaca na segmentu "j", pokree segment "j". Drugi est nain pokretanja translatornih zglobova je pomou zavojnih vretena.2.2. Motori naizmenine strujeMotori za naizmeninu struju u robotici se jo uvek sreu ree nego motori za jednosmernu struju, bez obzira na njihove veoma dobre pogonske karakteristike i jednostavnu konstrukciju. Glavni problem lei u sloenosti regulacije ovih motora. Meutim, razvojem elektronike i postupaka regulacije servo-motori za naizmeninu struju koriste se sve vie. Objasnimo princip rada asinhronog (indukcionog) i sinhronog motora.

Slika 16. Kavezni rotor (a) i motor sa rotorom oblika olje (b)

Asinhroni motor za naizmeninu struju sastoji se od rotora i statora. Na statoru se nalaze namotaji koji se prikljuuju na izvor naizmenine struje. Rotor motora je kratko spojen, dakle nema komutatora i etkica. Rotor motora moe biti motan (sa eljenim brojem faza) ili, to je ee, moe biti kaveznog tipa. Kavezni rotor (sl. 16a) sastoji se od ipki koje su na krajevima povezane provodnim prstenovima. Konano, rotor moe biti oblika olje (sl. 16b) to omoguava smanjenu masu i inerciju zato to gvozdeno jezgro vie nije u sastavu rotora.

Slika 17. Obrtno magnetno polje - ema trofaznog statora (a) vezanog u zvezdu (b)

Objasnimo prvo takozvano obrtno magnetno polje koje je kljuni efekat za rad indukcionog motora. Ako stator sa trofaznim namotajima (sl. 17) prikljuimo na izvor trofazne naizmenine struje (fazna razlika), u unutranjoj e se obrazovati tzv. obrtno magnetno polje. Moemo ga predstaviti vektorom konstantnog inteziteta koji se obre ugaonom brzinom , gde je frekvenca struje. Ovu brzinu zovemo sinhrona brzina. Obrtno polje moemo postii i dvofaznim sistemom (fazna razlika) ako se polovi postave kao to je prikazano na slici 18.

Slika 18. Obrtno magnetno polje - ema dvofaznog statora

Slika 19. Monofazni stator i magnetno polje

Regulacija brzine ovih motora ostvaruje se promenom frekvencije napajanja statora ime se menja sinhrona brzina. Ovi motori su relativno skoro uli u iru primenu kod robotskih sistema. Razlog lei u sloenosti regulacije ovog pogona. Meutim, savremena elektronika omoguava uspenu regulaciju ovih motora i to u veoma irokom opsegu (od brzine O do nekoliko hiljada obrtaja u minuti). Budui da sinhroni motori imaju veoma dobre pogonske karakteristike (stalan momenat u irokom opsegu brzina) njihova primena u robotici doivljava nagli rast.

2.3 Korani motoriJedna veoma specifina vrsta elektromotora su takozvani korani motori (engleski stepper motors, stepping motors). Naziv dolazi otuda to se oni kreu u vidu niza diskretnih uglova pomeraja-koraka. Kako se brojem ovih koraka moe upravljati, to na nain ostvarujemo i upravljanje poloajem i nije potrebna povratna sprega. Zato kaemo da se ovi motori koriste u otvorenoj sprezi. S obzirom na to da se upravlja diskretnim pomeranjima, ovi motori su veoma pogodni za sprezanje sa upravljakim raunarom. Obino se koriste kod robota manjih nosivosti.

Slika 20. Dve vrste koranih motora

Objasnimo princip rada ovih motora na primeru prikazanom na slici 20a. Kada se kroz namotaje AA' propusti struja, tada kraj A postane juni pol elektromagneta. Rotor sa stalnim magnetom e se tada postaviti tako da mu severni pol (N) bude naspram take A. Ako se sada struja propusti kroz namotaje BB', a ostavi se da tee kroz AA', tada e A i B biti juni polovi. Rotor e se sada obrnuti za 45o i postaviti tako da severni pol bude izmeu A i B. Sada se iskljuuje struja u namotajima AA', pa e se rotor obrnuti za jo 45o da bi severni pol bio naspram take B. Ovakav postupak se nastavlja dok rotor ne obrne pun krug. Tako dobijamo obrtanje rotora sa konanim korakom koji iznosi 45o. Korak se moe smanjiti poveavanjem broja polova na statoru. Jedan drugaiji tip koranog motora prikazan je na slici 20b. Prikazani motor ima korak od 30o, a korak se moe smanjiti poveavanjem broja polova. Kod koranih motora digitalni izlaz iz upravljake jedinice (signali napona+-5V) treba dovesti na prekidaku emu koja e obezbediti proticanje struje iz izvora napajanja kroz odreene namotaje.

2.4. Elektrohidraulini pogonU prethodnim odeljcima videli smo da se kod robota pokretanih elektromotora, a namenjenih za rad sa veim teretima javljaju odreeni problemi. Potrebni su reduktori sa velikim prenosnim odnosima i mora se voditi rauna o uvijanju reduktora kao i o elastinoj deformaciji prenosnog mehanizma. Hidraulini pogoni prikladni su za ovakve namene jer se opisani problemi u njihovom sluaju ne javljaju. To je otuda to hidraulini pogoni mogu ostvariti veoma velike sile i momente, pa reduktori nisu potrebni ni za najvea optereenja. Pogoni se tako i postavljaju da nije potreban sloen prenosni mehanizam. U ovom odeljku opisaemo princip rada i matematiki model hidraulinih motora i nain njihovog postavljanja kod robotskih sistema.2.4.1. Komponente i princip radaElektrohidraulini pogonski sistem sastoji se, u principu, od hidraulikog cilindra sa klipom i servorazvodnika sa magnetnim motorom.

Slika 21. Hidraulini cilindar

Prikladni su za ovakve namene jer se opisani problemi u njihovom sluaju ne javljaju. To je otuda to hidraulini pogoni mogu ostvariti veoma velike sile i momente, pa reduktori nisu potrebni ni za najvea optereenja. Pogoni se tako i postavljaju da nije potreban sloen prenosni mehanizam. U ovom odeljku opisaemo princip rada i matematiki model hidraulinih motora i nain njihovog postavljanja kod robotskih sistema.

Slika 22. Zakretni hidraulini motor

Cilindar sa klipom prikazan je na slici 21. Napajanje se vri hidraulikim uljem veoma male stiljivosti. Ako se ulje pod pritiskom dovodi na ulaz C1 tada e se klip pomeriti udesno. Zapremina V1 e se poveati, a V2 smanjivati. Kroz izlaz C2 oticae ulje iz cilindra. Ukoliko elimo da ostavrimo kretanje ulevo, promeniemo smer protoka ulja. C2 postaje ulaz, a C1 izlaz. Protok i razlika pritisaka odreuju ne samo smer ve i brzinu kretanja klipa. Klip dalje vezujemo za odreene spoljanje mehanizme koje elimo pokrenuti i koje nazivamo spoljanjim optereenjem (na primer zglob rotora).Na istom principu mogue je ostvariti i obrtno kretanje (sl.22). Umesto klipa postoji rotor sa krilima. Tako, ostvarujui pritisak na krilo rotora, dobijamo obrtno kretanje. ema na slici 22 omoguava obrtanje za ugao od priblino 360o. Drugaije konstrukcije, meutim, omoguavaju kontinualno obrtanje bez ogranienja.Servorazvodnik se sastoji od razvodnika i magnetnog motora sa oprunom povratnom spregom. Objasnimo prvo konstrukciju i nain rada motora. Na prednjoj i lenoj strani (sl. 23.) postavljena su uspravno dva ploasta stalna magneta.Ovim se postie da cela gornja ploa bude severni pol (N), a donja juni pola (S). U prorezima A i B javie se sada jako magnetno polje. U unutranjost konstrukcije smeta se kvota sa namotajima. Presek K-K oznaen na slici 23. prikazan je na slici 24.

Slika 23. Konstrukcija magnetnog motora

Slika 24. Princip rada magnetnog motora

Ako se kroz namotaje pusti struja smera prikazanog na sl. 24a, na kraju A e se indukovati severni, a na kraju B juni pol. Usled toga kotva e se obrnuti ulevo. Ako se smer ovi struja promene (sl. 24b), kotva e se obrnuti udesno. Zajedno sa kotvom pomera se i leptir koji zatvara desni ili levi dovod ulja (D1,D2) kao to je prikazano na slici 24. Pretpostavimo da je kroz namotaje putena struja i da se kotva obrnula ulevo pomerajui leptir udesno i time zatvarajui otvor D2 za protok ulja (sl.25a). Sada ulje kroz desnu liniju ostvaruje pritisak na desnu stranu klipa razvodnika i on se pomera ulevo (pomeranje z). Desni glavni dovod ulja Pn2 je sad zatvoren. Iz levog glavnog dovoda Pnl i kroz vod C1 ulje protie u cilindar. Klip cilindra pomera se udesno (pomeranje s), a ulje otie kroz C2 i povratni vod R. Pomeranjem klipa pomeraju se i spoljanji mehanizmi vezani za klip.

Slika 25. Cilindar sa servorazvodnikom

Pomeranjem razvodnika ulevo dolazi do elastine deformacije opruge povratne sprege. Pri odreenoj veliini deformacije elastini momenat poee da pomera leptir ulevo ime se delimino otvara dovod D2. Proticanje ulja kroz D2 smanjie pritisak sa desne strane klipa razvodnika no, on je jo uvek vei od pritiska sa leve strane, pa klip nastavlja kretanje ulevo. Pritisci se izjednauju kada se izjednae protoci kroz D1 i D2 tj. kad leptir bude vertikalan a kotva motora horizontalna (sl. 25b). Klip razvodnika se zaustavlja i u tom poloaju (z) uspostavljena je ravnotea momenta motora i elastinog momenta opruge. Tom poloaju razvodnika odgovara odreeni protok iz glavnog dovoda Pnl kroz cilindar, a time i odreena brzina pomeranja klipa u cilindru. Kako moment motora zavisi od struje i, to moemo rei da protok kroz cilindar (i kretanje klipa z) zavisi od struje motora. Promenom struje promeniemo moment motora, pomeriti razvodnik (tj. promeniti z) i tako promeniti protok kroz cilindar.2.4.2. Nain postavljanja motoraU ovom odeljku razmatra se, pomou nekoliko primera, nain postavljanja hidraulinih pogona za robot. Videli smo ve da hidraulini motori mogu biti konstruisani tako da kao izlaz daju ili translatorno ili obrtno kretanje. Kako zglobovi robota mogu biti translatorni ili obrtni, to izgleda logino da se translatorni motori, dakle cilindri, koriste za pogon translatornih zglobova, a rotacioni motori za pogon rotacionih zglobova. Meutim, hidraulini cilindri se esto koriste za pogon i translatornih i rotacionih zglobova.

Razmotrimo prvo sluaj rotacionih hidraulinih motora. Oni se uglavnom postavljaju u zglobove robota gde bez reduktora ostvaruju traeni pogonski momenat. To je mogue zahvaljujui velikom izlaznom momentu i maloj brzini ovih motora. Moe se jo rei da postoje i takozvani brzohodni hidraulini motori koji se odlikuju velikom brzinom i manjim izlaznim momentom. Kod takvih motora reduktor je neophodan, pa je njihova primena u nekoliko slina primeni elektromotora. Posmatrajmo zglob "j" robota. Neka je u pitanju rotacioni zglob pokretan rotacionim hidraulinim motorom. Izlazni momenat motora (Pmj) je jednak pogonskom momentu u zglobu (Pj) ukoliko je veza direktna. Tako je:

Ako je veza ostvarena preko para zupanika odnosa tada je:

Slino vai i za vezu obrtanja motora (ugao ) i obrtanja zgloba (ugao). Ako je veza direktna tada je:

a ako postoji zupasti par tada je:

Slika 27. Pogon translatornog zgloba

Vea raznolikost je u sluaju primene hidraulinih cilindara dakle motora koji proizvode translatorno kretanje. Prikazaemo to sa nekoliko primera.U prvom primeru (sl.27) posmatraemo translatorni zglob S3 jednog zamiljenog robota. Sam zglob realizovan je u vidu jednog duguljastog segmenta (segment 3 na slici) koji se izvlai kroz odgovarajue leite postavljeno na segmentu 2. Hidraulini motor M3 direktno pokree zglob tako to je cilindar vezan za segment 2, a klip za segment 3.Oigledno da je ovde izlazna sila klipa, u stvari, pogonska sila zgloba( ), a pomeranje u zglobu jednako je pomeranju klipa().

Slika 28. Dve mogunosti pogoni rotacionog zgloba

Sledei primer predstavlja jedno reenje pogona rotacionog zgloba. Neko je to neki zglob Sj (sl.28a). Cilindar se vezuje za segment "j-1" a klip za segment "j" na nain prikazan na slici. Ovo je vrlo est nain postavljanja hidraulinih cilindara. Karakteristino je da postoji nelinearna veza izmeu kretanja klipa (pomeranje sj) i obrtanje zgloba (ugao qj) kao i izmeu pogonske sile klipa (FMj) i odgovarajueg momenta oko ose zgloba (Pj).Druga mogunost za pogon rotacionog zgloba prikazana je na slici 28.(b). U pitanju je pogon preko zupaste letve. U ovom sluaju veza izmeu kretanja klipa i obrtanja zgloba je linearna. Primer je dat za sluaj pokretanja prvog zgloba S1.

2.5. Pneumatski pogonRazmotrimo na kraju pneumatski pogon robota. To je jedan od najstarijih naina pokretanja robota. Pneumatski pogon zasniva se na pokretanju klipa u cilindru pomou pritiska komprimovanog vazduha. Dakle, nain rada je u nekoliko slian hidraulinom pogonu ali uz bitnu napomenu - vazduh je, za razliku od ulja, stiljiv. Jo treba naglasiti da pneumatski pogon radi sa znatno niim pritiscima nego hidraulini.

Slika 29. Cilindri jednosmernog i dvosmernog dejstva

Danas se pneumatski pogon kod robota sree prilino retko. Glavni problem je u regulisanju kretanja, odnosno u ostvarivanju eljenog kretanja klipa (zadata promena brzine). Zato se pneumatski pogon prvenstveno nalazi kod prostih industrijskih manipulatora. U tim promenama klip u cilindru se pod pritiskom kree od jednog kraja do drugog po nekom nelinearnom zakonu na koji ne utiemo. To je esto dovoljno za prosto premetanje radnih predmeta. Objasniemo ukratko ovakav rad pneumatskog cilindra, mada treba rei da se u poslednje vreme razvijaju i uspeni pneumatski servosistemi. Komprimovani vazduh se, po pravilu, dobija iz glavnog fabrikog kompresa, odnosno rezervoara smetenih u njegovoj blizini. Fabrika razvodna mrea obezbeuje komprimovani vazduh na radnom mestu robota-manipulatora. Pneumatski cilindar moe biti jednosmernog i dvosmernog dejstva. Cilindar jednosmernog dejstva moe proizvoditi silu samo pri kretanju u jednom smeru (sl.29a). Kretanje u drugom smeru vri se pod dejstvom povratne opruge. Ulazni otvor oznaen je sa C1, a C2 je izlazni otvor kroz koji se vazduh isputa u spoljanju sredinu. Naime, kod pneumatskog pogona, za raziliku od hidraulinog, radni fluid se ne vraa u rezervoar pa nema povratnog voda. Kod cilindra dvosmernog dejstva (sl. 29b) vazduh pod pritiskom moe da se dovodi i na otvor C1 i na otvor C2. Tako se moe ostvariti sila u oba smera.

Slika 30. Princip rada pneumatskog cilindra

ema cilindra sa klipom prikazana je na slici 30. Kada se vazduh pod pritiskom pusti korz otvor C1 klip se brzo pokree u smeru od A1 ka A2 (udesno na slici 30a). Vazduh koji se nalazio u cilindru sa desne strane klipa istie pri tome kroz otvor C2. Kada klip doe u neposrednu blizinu poloaja A2, istureni deo klipa zatvorie iroki prolaz otvora C2 (sl.30b). Ipak, vazduh nastavlja da istie kroz uski prolaz otvora. Ovo isticanje kroz uski prolaz je znatno sporije, pa e doi do sabijanja vazduha sa desne strane klipa to e bitno usporiti kretanje klipa. Tako, klip e konano stii u poloaj A2 ali nee udariti velikom brzinom. Ovakvo usporenje bilo je neophodno da bi se izbegao jak udar i oteenje cilindra. Ako se na otvor C2 stave dopunski priguivai, moe se postii sporije pomeranje klipa u cilindru celim putem kretanja.Treba, na kraju, spomenuti i neke komponente koje se po pravilu sreu kod pneumatskog pogona: ureaji za filtriranje i lubrifikaciju vazduha, priguivai buke itd. Priguivae buke posebno spominjemo jer pneumatski pogon karakterie jaka buka koja nastaje prilikom isputanja vazduha u spoljanju sredinu.

3. Zakljuak

S obzirom na izuzetno iroku primenu robota u gotovo svim granama industrije, proizvodnje, montae i mnogih drugih aspekata modernog drutva, pored svih drugih aspekata njihove konstrukcije (senzori, upravljanje, kontrola, programiranje...) posebno velika panja poklanja se pogonskim sistemima. Moderni roboti esto moraju da rade sa veoma velikim teretima i da manipuliu istim u sloenom trodimenzionalnom prostoru. S obzirom na injenicu da se roboti najveim delom koriste tamo gde e raditi 24 asa dnevno, 7 dana u nedelji, dakle bez prekida, to njihovi pogonski sistemi moraju da ispunjavaju veoma sloene i stroge propise i zahteve koji se tiu sigurnosti, izdrljivosti, pouzdanosti i to manje potronje energije i lakog i jeftinog odravanja. Zbog veoma irokog dijapazona primena robota, uvek je potrebno vrlo paljivo izabrati odgovarajui vid pogona koji u to boljoj meri odgovara datim uslovima eksploatacije.

4. Literatura

1. Osnove robotike", Tomislav Pavli, Visoka tehnika kola u Bjelovaru2. Industrijski roboti", Prof.Dr. Dragan Milutinovi3. Industrijski i mobilni roboti", Seminarski rad, ilji Zaim, Univerzitet u Tuzli4. Mobilni roboti", Muhamed Heri, Seminarski rad, Univerzitet u Tuzli5. Pogonski sistemi kod robota", Predavanja, Elektrotehniki fakultet u Banja Luci6. Krstulovi Ante: "Uvod u industrijsku robotiku", Zagreb, 20037. urina Tugomir; Crnekovi Mladen: "Industrijski roboti", Zagreb8. Kovai Zdenko; Bogdan Stjepan; Kraji Vesna: "Osnove robotike"9. Zlatan Car, beleke sa predavanja kolega Proizvodni strojevi, alati i naprave"10. Autorizovana predavanja Dr.sc. Bahrudin ari, docent, Univerzitet u Tuzli