- 1 -

Uvod u mobilnu robotiku Istosmjerni motori Koračni motori

Cilj vježbe: definirati teme iz mobilne robotike,ponoviti znanje o istosmjernim i koračnim i servo motorima, te kinematika robotske platforme Robotika je interdisciplinarna znanost i privredno – industrijska grana. Interdisciplinarna znanost je po tome što koristi spoznaje iz više područje znanosti (strojarstvo, elektrotehnika, računalstvo,psihologija,neuroznanost, itd.) u svrhu ostvarivanja svog cilja. Razvitkom robotike došlo je do podjele robotike na:

Industrijsku robotiku Mobilnu robotiku

Industrijska robotika

Stacionarni roboti (robotske ruke) koje se koriste za obavljanje nekog procesa u proizvodnji Teži izradi preciznijih i bržih robota Razvoj industrijske robotike usmjeruju i određuju industrijske potrebe Standardizacija u izvedbi robota i industrijske okoline koja ga okružuje

Mobilna robotika Primjena mobilne robotike:

Zamjena čovjeka kod opasnih poslova (otkrivanje i deaktiviranje mina, pregled nuklearnog reaktora, pregled uskladištenog otpada, pregled cijevi, ispitivanje visokonaponskih vodova)

Upotreba u vojne svrhe (izviđanja) Istraživanja na nepristupačnim ili opasnim mjestima Svemirska istraživanje Filmska industrija Zabava i edukacija

Izvedba robota temelji se na oponašanju kretanja ljudi ili životinja, te na oponašanju ljudskih ili životinjskih reakcija na neki podražaj iz okoline. Ponašanje robota je programirano od strane čovjeka i samim time je ljudski proizvod željenog ponašanja. Težnja je izraditi mobilni robot na što većem stupnju autonomnosti u smislu snalaženja u nepoznatom prostoru i obavljanja zadataka. Kada promatramo kretanje čovjeka možemo zaključiti da se ljudsko biće bez dodatnih pomoćnih sredstava može kretati isključivo po kopnu. Ukoliko čovjek želi provesti neko vrijeme na primjer pod vodom potrebna mu je specijalna opreme(boca s kisikom,maska,peraje,itd.). Isto tako ukoliko želi letjeti zrakom potrebna mu je dodatna opreme. Prema tome ljudsko biće je specijalizirano za kopneno kretanje. Jadna od bitnih podjela u mobilnoj robotici je podjela prema mediju u kojem ili po kojem će se robot kretati, pa tako imamo robite specijalizirane za kretanje po kopnu, vodi ili zraku, a toj podijeli možemo dodati i robote osposobljene za kretanje u svemiru ili po drugim planetima. Ovisno o vrsti medija po kojem se kreću mogu se podijeliti na:

- 2 -

Slika 1

Mobilni roboti su roboti koji imaju sposobnost kretanja (lokomocije) u prostoru, te mogućnost snalaženja u prostoru odnosno određivanje relativnog položaja.

Kretanje u prostoru ovisi o vrsti medija u kojem ili po kojem se kreću (zemlja, voda, zrak)

Snalaženje u prostoru ostvaruje se pomoću raznih senzora, kamera, mikrofona spojenih u sustav koji obavlja tu zadaću

Osim toga mobilni roboti mogu se podijeliti ovisno o načinu kretanja (lokomocije) po kopnu, stupnju autonomnosti, te po drugim kriterijima koji zajednički određuju koji će se sustavi upravljanja i navigacije primijeniti. Ovisno o načinu kretanja (lokomocije) po kopnu mogu se podijeliti na:

Mobilni roboti sa kotačima (wheeled) Mobilni roboti sa nogama (legged) Mobilni roboti sa gusjenicama (tracked) Zmijoliki (pužući) mobilni roboti (serpentine)

Slika 2 Ovisno o vrsti pogona mogu se podijeliti:

- 3 -

Slika 3 Kretanje robota najlakše je ostvariti pomoću raznih vrsta motora i prijenosa gibanja na kotače. Vrsta motora koje ćemo upotrijebiti kao pogonske motore ovisi o izvoru energije mobilnog robota. Najčešći izvor energije je akumulator ili punjiva baterija. To su izvori istosmjernog napona i struje, pa možemo zaključiti da bi najbolje bilo koristiti kao pogon istosmjerne motore. Istosmjerni motori: Istosmjerni strojevi su električni rotacioni strojevi s istosmjernom strujom u strujnom krugu priključka. Građa istosmjernih strojeva:

STATOR s uzbudnim namotom (kod manjih strojeva permanentni magnet) ROTOR s armaturnim namotom KOLEKTOR ili KOMUTATOR na rotoru

Slika 4a Slika 4b Slika 4c Princip rada:

- 4 -

Istosmjerna uzbudna struja statora ili permanentni magnet stvaraju magnatski tok indukcije B koji se zatvara od N pola preko zračnog raspora-rotora sa armaturmim namotom-zračnog raspora na S pol magneta, pa preko jarma na N pol magneta(slika 4b). Ukoliko pretpostavimo da će se u mobilnoj robotici za kretanje robota upotrebljavati manji istosmjerni motori, tada stator sa uzbudnim namotom zamjenjujemo permanentnim magnetom. U magnatskom polju permanentnog magneta nalazi se rotor sa svojim armaturnim namotom. Armaturni rotorski namot spojen je na kolektor (sakupljač) ili komutator (izmjenjivač) po kojem kližu četkice. Četkice su izrađene od električki vodljivog materijala (najčešće grafita) i preko njih se na rotor motora dovodi istosmjerni napon.

Dovedeni napon kroz armaturni (rotorski) namot protjera struju. Na smijemo zaboraviti da se sve to odvija u magnetskom polju permanentnog magneta, a na vodič protjecan strujom u magnetskom polju djeluje sila.Smjer sile određuje se pravilom lijeve ruke,(u dlan lijeve ruke ulaze silnice magnetskog polja, ispruženi prsti pokazuju smjer struje, uzdignuti palac smjer sile). Vrijednost sile može se izračunati po formuli F=B·I·l

B mag. indukcija ili gustoća magnetskog polja B=Φ/S[Vs/m²] I struja [A] l duljina vodiča [m]

Nastali par sila stvara okretni moment. M=F·D/2+F·D/2=F·D Slika 5 Kada se rotor okrene za 180º (na slici je prikazan jedan armaturni namot) tada se na kolektoru ili komutatoru zamijeni smjer struje jer se tada namot koji se nalazio kod N pola sada nalazi kod S pola i obrnuto, pa da bi se rotor i dalje rotirao u istom smjeru potrebno je zamijeniti smjer struje kroz namot što obavlja kolektor ili komutator. Promjenom polariteta dovedenog napona na četkice mijenja se smjer struje, a time i smjer sile i momenta pa dobivamo drugi smjer vrtnje motora. Promjenom iznosa napona mijenja se struja kroz namot, a time i vrijednost sile i momenta. Ukoliko se želi mijenjati brzina vrtnje motora to se može postići promjenom napona na rotoru, ali se promjenom napona mijenja struja, a time i moment. Generatorski rad istosmjernog stroja Istosmjerni kolektorski stroj može raditi kao generator ukoliko mu na rotor dovedemo mehaničku silu. Tada armaturni namot koji se nalazi u magnetskom polju rotira odnosno dolazi do presijecanja magnetskih silnica i do induciranja napona na armaturnom namotu. Taj napon se mjeri na četkicama kolektora i izgleda kao na slici 5. Kočni rad istosmjernog stroja Istosmjerni stroj u kočnom režimu radi kada se na obje četkice dovede isti napon odnosno isti potencijal, tada se rotor odnosno armaturni namot protivi mehaničkoj promjeni. U praksi kod

- 5 -

mobilnih robota se primjenjuje kada se naglo želi zaustaviti robot ili kada se robot nalazi na uzbrdici i treba ga zaustaviti. Bezkolektorski (brushless DC motori) Upotrebom motora kroz dulje vrijeme uvidjelo se da jedini nedostatak motora sa četkicama leži u samim četkicama, to jest u njihovom trošenju, te potrebi za zamjenom istrošenih četkica odnosno za servisom. Primjerice asinkroni kavezni motori koji nemaju četkice praktički nemaju potrebu za servisiranjem. Iz tog razloga razvijeni su DC motore bez četkica i kolektora. Razlika je u tome što je rotor izveden kao permanentni magnet, a u statoru se nalazi armaturni namot. Izvedba bezkolektorskih DC motora:

Slika 6 Princip rada bezkolektorskog motora:

Slika 7 a) b) c) Prebacivanjem vođenja struje sa namota na namot ostvaruje se rotacija (slika7 smjer a-b-c). Promjena smjera vrtnje ostvaruje se promjenom smjera dovođenja struje na namot(c-b-a), a brzina vrtnje mijenja se brzinom promjene struje iz namota na namot.

Da bi prebacivanje struje iz jednog namota na drugi namot bilo pravovremeno koristi se senzor položaja rotora (Hall senzor). Hall-efekt

- 6 -

Stavimo li metalnu ili poluvodički pločicu kroz koju teče struja u magnetsko polje pojavit će se na pločici napon koji djeluje okomito na ravninu što je čini smjer struje i smjer magnatskog polja. Taj napon se koristi kao detekcija prisutnosti magnetskog polja(slika 8). Slika 8 Karakteristike bezkolektorskih DC motora:

Zbog izostanka namota u rotoru (rotor je permanentni magnet) sam rotor se može napraviti tanji i dulji što uvjetuje manji moment inercije odnosno daje bolja dinamička svojstva

Mogućnost do četverostrukog preopterećenja ostvaruju se velika ubrzanja-servo pogoni Širok opseg regulacije brzine uz konstantan moment i dobra karakteristike kočenja Na rotoru nema gubitaka pa time ni zagrijavanja rotora

Princip upravljanja bezkolektorskim motorom:

Slika 9 Koračni motori Koračni motori slični su po izvedbi bezkolektroskim (brushless) DC motorima u tome što za rotor imaju permanentni magnet, a u statoru se nalazi armaturni namot, s tom razlikom što im nije potreban detektor položaja rotora. Način rada koračnih motora:

Koračni motori pretvaraju impulsnu električnu pobudu u koračni mehanički pomak Mehanički pomak može biti rotacija ili translacija što ovisi o izvedbi motora

Na slici 10 prikazan je osnovani princip rada koračnih motora. Karakteristike koračnih motora:

Koračna brzina od 100 do 10000 koraka u sec. Male dimenzije Niska cijena Pretvara digitalne impulse u mehaničko kretanje

- 7 -

Ne akumulira pogrešku položaja Moguće postići sporu sinkronu brzinu rotacije

Slika 10 Karakteristike koračnih motora:

Rezolucija rotacijskih koračnih motora Nk –broj koraka po okretaju άk (º)- iznos koraka u stupnjevima

Rezolucija translacijskih koračnih motora

Xk(mm)- iznos koraka

Odziv jednog koraka – θ(t) Pokazuje brzinu, oscilatornost, i točnost odziva Napon jedne faze se isključi Ua=0, a napon neredne faze se uključi Ub=U daje 1 korak.

Točnost koračnog motora Određena je točnošću izrade Izražava se maksimalnom relativnom pogreškom Δθm i iznosi±(1-5%)

Statički moment (moment držanja) Zanima nas ovisnost uspostavljenog momenta u motoru o pomaku rotora m=f(θ) 1.Stabilna ravnoteža-poravnanje pola rotora i statora 2.Nestabilna ravnoteža-poj rotora točno na sredini između dva pola statora

Dinamički moment (pull-out torque)

Zanima nas ovisnost srednje vrijednosti momenta u motoru o brzini vrtnje m=f(f). Maksimalna vrijednost momenta tereta(Mt=M) kojim se u stacionarnom stanju smije oteretiti koračni motor na određenoj brzini vrtnje, a da rotor ne ispadne iz sinkronizma s upravljačkom impulsima i motor se ne zaustavi.

- 8 -

Start-stop moment (pull-in torque) Moment tereta oblika trenja s kojim koračni motor pri zadanoj frekvenciji upravljačkih impulsa može startati, a da ne izgubi korak.

Princip rada

Podjela koračnih motora po:

Vrsti uzbude (elektromagnetska uzbuda ili permanentnim magnetom) Broju faza (Nf=2,3,4,5,6) Broju polova (Pr=1-90) Načinu kretanja (rotacijski, translacijski)

- 9 -

Slika 11 Na slici 11 prikan je dvofazni koračni motor, a u tablici stanja potrebni naponi za stvaranje rezultantnog statorskog polja. Oznake u zagradama odnose se za obrnuti smjer vrtnje.

Slika 12 Na slici 12 prikazan je isti motor kao na slici 11, samo u tablici stanja dan je prikaz napona za polukoračni hod motora. Kad je napon prisutan na obje faze tada rezultantno polje, odnosno magnetsko polje koje stvara stator je najgušće pod kutem od 45º, i rotor se okrene za 45º odnosno za ½ koraka. Servo motori Servo motorima moguće je regulirati kut zakretanja osovine, a to svojstvo koristi se u različite svrhe posebno kod automodelarstva ili aviomodelarstva, te naravno nalazi primjenu u mobilnoj robotici. Motori se proizvode u zatvorenom kućištu u kojem se nalaze svi sklopovi potrebni za rad motora. Blok dijagram sustavnih dijelova motora:

- 10 -

Dvostrukim linijama prikazane su mehaničke veze (osovine i zupčanici), a jednostrukim linijama električne veze. Signali iz senzora položaja i pulsno-širinskog naponskog pretvornika dovode se na komparator čiji izlaz upravlja motorom. Ukoliko su signali iz senzora položaja i pulsno-širinskog naponskog pretvornika isti tada je izlaz komparatora nula i ne djeluje na elektromotor. Ukoliko su signali različiti tada izlaz komparatora zakreče motor u lijevu ili desnu stranu ovisno o dobivenoj razlici signala. Senzor položaja je najčešće potenciometar koji ovisno o kutu zakreta dale određeni napon. Upravljački impulsi dovode se na pulsno-širinski naponski pretvornik koji pretvara dovedenu širinu impulsa u napon. Izgled upravljačkih impulsa:

Trajanja impulsa T1 izmosi od 0.5ms do 2,5ms, a kut zakreta za određeno trajanje impulsa ovisi o karakteristikama motora kojeg koristimo. Stanje logičke jedinice iznosi 4,8V i može se priključiti na mikrokontroler čiji izlaz iznosi 5V. Važno je napomenuti da broj impulsa koji se šalje motoru nije bitan za njegovo zakretanje, bitna je samo širina impulsa kojom zadajemo kut zakretanja motora. U praksi se upravljački impulsi na servo motor ciklički obnavljaju, jer na motor djeluju momenti koji mogu zakrenuti osovinu iz zadanog položaja, pa je stoga poželjno obnavljati impulse. Lokomocija Lokomocija je proces kod kojeg se pod djelovanjem sila kreče mobilni robot. Pod lokomocijom podrazumijevamo:

Kinematiku koja proučava geometrijske aspekte kretanja i daje odgovor na pitanje kako se robot kreče s obzirom na vrstu pogona.

Dinamiku koja proučava kretanje pod djelovanjem sila. S obzirom na mogućnosti kretanja robote dijelimo na:

Holonomne robote kod kojih se može upravljati sa svim varijablama kretanja odnosno roboti koji se kreču u svim smjerovima

- 11 -

Neholonomne roboti koji nemaju neovisno upravljanje svih varijabli kretanja i potrebno je izvoditi komplicirane manevre da bi ga se dovelo u željenu poziciju.

Slika 15

Slika 16

Robot sa diferencijalnim pogonom ima obično tri ili četiri kotača od kojih su dva pogonska sa ugrađenim encoderom a ostali kotači daju robotu za stabilnost. Pogonski kotači neovisno su upravljani. Skretanje robota ostvaruje se promjenom brzine vrtnje jednog od kotača. Zbog razlike (diferencije) u brzini vrtnje dolazi do skretanja robota. Takvim robotom je

Slika 17

- 12 -

lagano skretati, ali s druge strane vrlo je taško osigurati da se giba potpuno ravno jer svaka nepravilnost u podlozi po kojoj se kreče dovodi do neželjenog skretanja koje se ne može odometrijski ispraviti slika 17.

Osnovna mjerenja kod malih DC i koračnih motora Vrlo često u praksi se ne može doći do tvorničkih podataka o motoru, osim o vrijednosti njegovog nazivnog napona. Osnovna mjerenja kod malih motora za primjenu u mobilnoj robotici izvode se da bi se skupili osnovni podaci o motoru kao što je struja u praznom hodu i kratkom spoju, broj okretaja i moment motora. Prepoznavanje koračnih motora dvofazni, trofazni, određivanje faza, utvrđivanje koraka motora. Ti su podaci potrebni da bismo mogli projektirati elektroniku za upravljanje motorima, te kasnije pravilno programirali. Mjerenja kod malih DC motora sa permanentnim magnetom Struja praznog hoda i kratkog spoja: Podatak o nominalnom naponu motora najčešće je dostupan, te motor priključimo na nominalni napon, i pri tome mjerimo struju bez mehaničkog opterećenja rotora to jest mjerimo struju praznog

- 13 -

hoda motora, te nakon toga mjerimo struju kratkog spoja tako da zaustavimo rotor i izmjerimo struju. Za takvo mjerenje potreban nam je ampermetar i promjenjivi izvor napona(0-24V) sa strujnim limitom (0-5A). Mjerni podaci: Mjerna shema: Nom. Napon(V) Ipraz.hod(A) I krat.spoj(A) Prilikom priključka DC motora na nominalni napon možemo primijetiti da motor za vrijeme zaleta povuče struju kratkog spoja, a nakon toga struja padne na struju praznog hoda. Snaga motora Pmax=U x Iks Pph=U x Iph Pkor=Pmax-Pph Mjerenje brzine vrtnje motora: Podatak o brzini vrtnje motora bitan je zbog projektiranja redukcije, te je poželjno snimiti karakteristiku brzine vrtnje u ovisnosti o naponu u praznom hodu i prilikom opterećenja.

Za mjerenje potreban nam je tahogenerator ili neki drugi princip mjerenja brzine vrtnje motora. Osim toga potrebno je izmjeriti koliki je minimalni napon potreban za startanje motora u ovisnosti o opterečenju. Opterečenje motora moguće je simulirati jačim ili slabijim stiskom osovine. Podatak o minimalnom naponu potrebnom za start, te podaci iz tablice bitni su za programiranje upravljanja motorima.

U(V) O/sec 0% Opterećenja

O/sec 25% opterećenja

O/sec 50% opterećenja

O/sec 75% opterećenja

0,1 Un 0,2 Un 0,3 Un 0,4 Un 0,5 Un 0,6 Un 0,7 Un 0,8 Un 0,9 Un Un