Zastosowanie Robotyki w Medycynie - fc.put.poznan.plfc.put.poznan.pl/materials/242-zrwm06nowy.pdf · Elektryczne Silniki piezoelektryczne ... Wykorzystywane w praktyce, a różnią

1

Zastosowanie Robotyki w MedycynieZastosowanie Robotyki w Medycynie

Wykład 5

Konstrukcja robotów medycznych

Piotr Sauer

Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów

Konstrukcja robotów medycznychKonstrukcja robotów medycznych

Główną cechą urządzeń medycznych jest bliska

interakcja z człowiekiem, którego zachowanie

jest w dużej mierze niemożliwe do przewidzenia.

Roboty medyczne:

◦ Struktura mechaniczna – przegubowa i napędzana,

◦ Interfejs człowiek-maszyna (HMI – Human-Machine

Interface),

◦ Narzędzia,

◦ Układy elektroniczne

◦ Oprogramowanie sterujące

Bezpieczeństwo jest kluczowym zagadnieniem

przy projektowaniu robotów medycznych

Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 2

2


Inne ograniczenia kliniczne:

◦ Funkcjonalność zależna od typu operacji –

projektowanie konstrukcji specjalistycznych

◦ Możliwość sterylizacji

◦ Przestrzeń robocza ograniczona przez urządzenia

medyczne(urządzenia radiologiczne, urządzenia do

znieczulenia, zestaw laparoskopowy itp.) wymuszając

odpowiednie ruchy ramion i pozycjonowanie podczas

działania

◦ Różne pozycjonowania między podobnymi

zabiegami

◦ Możliwość łatwego transportowania i odsunięcia

robota w przypadku wystąpienia komplikacji



Etapy realizacji robota medycznego:

◦ Modelowanie i charakterystyka gestów i interakcji:

Chirurg – robot,

Robot – pacjent,

Robot – środowisko.

◦ Wybór lub projektowanie kinematyki i napędów

przystosowanych do wymogów określonych przez

gesty

◦ Synteza sterowania i określenie HMI


3


Układy napędowe

◦ Pneumatyczne

◦ Hydrauliczne

◦ Elektryczne

◦ Silniki piezoelektryczne

◦ Układy napędowe z materiałów z tw. pamięcią

kształtu

Silniki pneumatyczne

◦ Zalety:

Czyste, można je sterylizować,

Szpitalna sieć sprężonego powietrza

Elementy dwustanowe - chwytaki, zaciski



Silniki pneumatyczne

◦ Zalety:

Czyste, można je sterylizować,

Szpitalna sieć sprężonego powietrza

Elementy dwustanowe - chwytaki, zaciski

◦ Wady:

Wysoka podatność,

Utrudnione sterowanie

◦ Zastosowanie w narzędziach chirurgicznych - napęd

frezów i wierteł

◦ Zastosowanie w operacjach na bijącym sercu -

stabilizator położenia serca – tzw. ośmiorniczka

(wyposażony w przyssawki podciśnieniowe) – brak

ucisku serca i nie zmniejsza jego wydajności


4




Siłowniki pneumatyczne


5







Układ z dławieniem na

wlocie

Układ z dławieniem na

wylocie

Układ z zaworem zwrotno-

dławiącym sterowanym

zaworem rozdzielającym

6




Przekaźnik

ciśnieniowy

Przekaźnik

czasowy

Zawór

rozdzielający


Mięśnie pneumatyczne


7


Bi-Muscular Driving System (BMDS)



Mięśnie BMDS


8




Napęd hydrauliczny


9


Napęd elektryczny

◦ Silniki prądu stałego: szczotkowe z komutacją

elektroniczną

◦ Silniki prądu zmiennego: asynchroniczne i

synchroniczne

◦ Silniki krokowe.



Silnik prądu stałego - budowa


• Stojan - najczęściej jest magneśnicą – wytwarza pole

magnetyczne

• jarzmo (2),

• bieguny główne z uzwojeniem wzbudzającym (3),

• bieguny pomocnicze (komutacyjne) (5),

• tarcze łożyskowe, trzymadła szczotkowe.

10




• Wirnik – najczęściej jest twornikiem (1)

• rdzeń (pakietu blach),

• uzwojenie twornika (8),

• komutator (9).




Komutator – osadzony na wale wirnika – wiele wycinków

Miedzianych umieszczonych na specjalnej piaście.

Izolator między wycinkami - mikanit

1 – wycinek komutatora,

2 – pierścień dociskowy,

3 – kołnierz izolacyjny,

4 – piasta.

11


Silnik prądu stałego – budowa

◦ Pole magnetyczne silnika – elektromagnesy

zasilane prądem stałym – prąd wzbudzenia.

◦ Wielkości opisujące maszynę prądu stałego::

Prąd wzbudzenia - If,

Prąd twornika - Ia,

Prąd obciążenia - I (oddawany lub pobierany z sieci),

Napięcie twornika - U,

Rezystancja obwodu twornika - Ra,

Rezystancja obwodu wzbudzenia - Rf,

Siła elektromotoryczna indukowana w tworniku - E,

Prędkość wirowania wirnika – n,

Moment elektrodynamiczny - M



Silnik prądu stałego – budowa

◦ Uzwojenie biegunów głównych – uzwojenie

wzbudzające – główne pole magnetyczne w

maszynie.

D1, D2 - szeregowe; E1, E2 - bocznikowe;

F1, F2 - obcowzbudne

◦ Uzwojenie twornika – umieszczone na wirniku

A1, A2

◦ Uzwojenia pomocnicze

Uzwojenie biegunów komutacyjnych – poprawa

warunków pracy maszyny.

B1, B2

Uzwojenia kompensacyjne

C1, C2


12


Silnik prądu stałego – charakterystyki


• Charakterystyka mechaniczna

n = f(I), n = f(M), U = const, Rf = const

• Charakterystyka momentu

M = f(I), U = const, Rf = const


Silnik prądu stałego - rodzaje


Silnik obcowzbudny,

Silnik samowzbudny: • bocznikowy,

• szeregowy,

• szeregowo-bocznikowy.

13


Silnik prądu stałego – bocznikowy i obcowzbudny


Silnik obcowzbudny stosowany w układach

napędowych z przekształtnikami tyrystorowymi.




Charakterystyka mechaniczna silnika bocznikowego

(przy pominięciu wpływu oddziaływania twornika).

a

E

ac

E

Ic

R

c

Un

N

N

n

nnn

0

Zmienność prędkości

3-8% (2-5%)

14




Charakterystyka momentu silnika bocznikowego (przy

pominięciu wpływu oddziaływania twornika).

aaM IcIcM 1


Silnik prądu stałego – szeregowy


Strumień zależy od prądu

obciążenia (przy zmianie

obciążenia zmienia się strumień –

wzrostowi momentu obciążenia

odpowiada wzrost prądu obciążenia

i wzrost strumienia zgodnie z

charakterystyką magnesowania

obwodu magnetycznego.

15




Charakterystyka momentu

Przy małym nasyceniu obwodu:

cI2cIcIcM MM




Charakterystyka mechaniczna

BI

A

cc

R

cIc

U

cIc

IRUn

E

ac

EE

ac

przy założeniu liniowej zależności strumienia od prądu

2cIM BM

An 1

16




Bardzo duża prędkość obrotowa przy małych obciążeniach

może doprowadzić do uszkodzenia silnika ze względu na

przekroczenie jego wytrzymałości mechanicznej

Silnik szeregowy nie może pracować w stanie jałowym

i musi być połączony z maszyną roboczą za pomocą

sprzęgła lub przekładni zębatej

Zaleta – duży moment rozwijany podczas

rozruchu


Silnik prądu stałego – szeregowo-bocznikowy


17


Silnik prądu stałego – rozruch


W chwili rozruchu prędkość obrotowa wirnika = 0, E =0,

równanie napięcia dla silnika ma postać:

Prąd rozruchowy pobierany przez silnik:

Prąd rozruchowy jest wielokrotnie większy od

prądu znamionowego.

racIRU

ac

rR

UI

acR

EUI




Prąd rozruchowy można ograniczyć przez:

• zmniejszenie napięcia zasilającego,

• włączenie w obwód twornika dodatkowego opornika

• o rezystancji Rar

W przypadku silnika bocznikowego – obwód wzbudzenia

w czasie rozruchu musi być zasilany całym napięciem

(musi być włączony przed rozrusznikiem).

Rozrusznik jest opornikiem kilkustopniowym dostosowanym

do pracy krótkotrwałej.

arac

rRR

UI

18





Silnik prądu stałego – regulacja prędkości


Prędkość silnika prądu stałego z dodatkową rezystancją w

obwodzie twornika Rar

Na zmianę prędkości wirowania wirnika mają wpływ:

• napięcie U,

• rezystancja Rar,

• strumień magnetyczny .

c

IRRUn aarac

19




Prędkość obrotową można regulować:

• przez zmianę napięcia zasilania twornika U,

• przez zmianę rezystancji w obwodzie twornika Rar,

• przez zmianę strumienia

Wykorzystywane w praktyce, a różnią się pod względem:

• zakresu regulacji,

• kierunku regulacji (góra, dół),

• ekonomicznym




Regulacja szeregowa polega na włączeniu rezystancji

regulacyjnej Rar w szereg z obwodem twornika (silniki

bocznikowe i szeregowe).

W tym przypadku mamy możliwość regulacji w dół – poniżej

prędkości odpowiadającej pracy na charakterystyce naturalnej

(od prędkości znamionowej do zera).

Regulacja nieekonomiczna –

straty na rezystorze

regulacyjnym.

20




Regulacja bocznikowa sprowadza się do osłabienia

strumienia magnetycznego.

• w silnikach bocznikowych – rezystancja regulacyjna Rfr

jest włączona w szereg w obwód wzbudzenia,

• w silniku szeregowym – rezystancja Rfr jest włączona

równolegle z obwodem wzbudzenia.

Regulacja bocznikowa jest regulacją w górę od wartości

nN do 3nN, jest regulacją ekonomiczną.




Prowadząc regulację prędkości przez zmianę strumienia,

nie należy nadmiernie osłabiać pola magnetycznego oraz

powodować zaniku prądu w obwodzie wzbudzenia

silnika.

21




Regulację prędkości obrotowej przez zmianę napięcia

twornika można uzyskać przez zastosowanie

tyrystorowych regulatorów napięcia.

Zmieniając napięcie zasilające twornik można przy

znamionowym obciążeniu regulować prędkość od zera do

wartości większej od prędkości znamionowej – w całym

zakresie regulacji prąd twornika nie zmienia wartości i zależy

tylko od obciążenia.


Silnik prądu stałego z magnesami trwałymi


Pole magnetyczne – magnesy trwałe

Stosowane materiały magnetyczne:

• materiały proszkowe z ferrytów baru,

• magnesy lane ze stopów alnico.

22




Kubkowy silnik prądu stałego

1 – wirnik kubkowy,

2 – magnes trwały stojana,

3 – rdzeń ferromagnetyczny,

4 – obudowa.




Silnik tarczowy (wirnikiem drukowanym).

Całe uzwojenie – szereg pojedynczych zwojów – ścieżki

miedziane naniesione na przeciwne strony tarczy i

zespawane na zewnętrznym obwodzie tarczy, a przeciwne

zakończenia ścieżek doprowadzone są do komutatora.

23





Silnik prądu stałego bezszczotkowy

◦ Silnik 2-pasmowy


24









25


Silnik krokowy


Silnik krokowy - przekształca impulsy elektryczne w

dyskretne ruchy mechaniczne (ciąg przesunięć

kątowych wirnika lub ciąg

przesunięć liniowych biegnika).

Droga kątowa lub liniowa, którą przebywa

wirnik lub biegnik, jest proporcjonalna do liczby

impulsów, a prędkość części ruchomej silnika do

częstotliwości tych impulsów.

Silnik przetwarza sygnał sterujący na ustalone

położenie wału bezpośrednio.


Silnik krokowy – podstawowe parametry


Moment trzymający (holding torque),

Bezprądowy moment spoczynkowy (detent

torque) – silniki wyposażone w magnes trwały,

Krok podstawowy, rozdzielczość kątowa

kroku (step/ angle resolution) : 15˚, 7.5˚, 3.6 ˚,

1.8 ˚, 0.9 ˚ ( liczba kroków: 24, 48, 100, 200,

400)

Prąd znamionowy uzwojenia (phase current)

Rezystancja uzwojenia (winding resistance)

Napięcie pracy uzwojenia

26


Silnik krokowy


Wartość skoku silnika krokowego o wirniku czynnym

Wartość skoku silnika krokowego o wirniku biernym

mp 2

360

nmZr

360

gdzie:

• p – liczba par biegunów,

• m – liczba pasm uzwojenia

sterującego

gdzie:

• Zr – liczba zębów wirnika,

• m – liczba pasm uzwojenia

sterującego,

• n=1 lub n=2.


Silnik krokowy z magnesami trwałymi


Rozpatrywany silnik ma

komutację czterotaktową –

czterem taktom

odpowiada pełen cykl

komutacji.

27


Silnik krokowy o zmiennej reluktancji


mR

Iz

Działanie silnika krokowego o wirniku reluktancyjnym

opiera się na wykorzystaniu momentu reluktancyjnego.

Strumień w obwodzie

magnetycznym


Silnik krokowy o zmiennej reluktancji


Silnik zbudowany jest z wirnika

o wielu zębach, wykonanego z

miękkiej stali.

Na stojanie nawinięte są

uzwojenia sterujące.

Wykonanie:

jednosegmentowe,

wielosegmentowe

Odmiany:

- symetryczne,

- niesymetryczne.

28


Silnik krokowy - sterowanie


Rozpatrując właściwości silnika skokowego należy

brać pod uwagę nie tylko cechy wynikające z

budowy samego silnika ale również układ

sterowania.

Układ sterowania odgrywa bowiem decydującą

rolę w kształtowaniu pożądanych charakterystyk

silników krokowych.




Zasadniczy rozwój silników krokowych zmierza

w kierunku zwiększenia liczby skoków, sprawności

i momentu obrotowego a zmniejszeniu inercji

mechanicznej.

O parametrach napędu skokowego decyduje

konstrukcja mechaniczna danego obiektu i silnika,

własności elektryczne i magnetyczne materiałów, z

których wykonano silnik oraz sposób zasilania jego

uzwojeń i wreszcie algorytm sterowania

29




Wśród silników krokowych można wyróżnić dwa

podstawowe typy: unipolarne (rys a), bipolarne (rys b) .




W silniku bipolarnym do zmiany pola

magnetycznego w rdzeniu wystarcza jeden

przełącznik dwupozycyjny, lub dwa tranzystory

włączane na przemian.

30




Zaleta sterowania bipolarnego - dobre

wykorzystanie momentu obrotowego dzięki temu,

że całe uzwojenie jest w stanie prądowym po

otrzymaniu impulsu.

Wada sterowania bipolarnego - bardziej

rozbudowany układu sterowania.




W przypadku silnika unipolarnego do kluczowania

prądu wystarczy jeden tranzystor na fazę.

Sterowanie unipolarne zapewnia przepływ prądu w

danym uzwojeniu tylko w jednym kierunku, podczas

gdy sterowanie bipolarne zapewnia przepływ prądu w

dwóch kierunkach.

31




Zaleta wariantu unipolarnego - prostszy układ

połączeń i mniejsza liczba tranzystorów,

Wada sterowania unipolarnego - jednocześnie

pracuje tylko połowa uzwojenia, a zatem nie wytwarza

się moment obrotowy o pełnej wartości.




RODZAJE STEROWANIA (KROK, ALGORYTMY

KOMUTACJI) :

• falowe,

• pełnokrokowe,

• półkrokowe,

• mikrokrokowe.

32




• W sterowaniu falowym - jednofazowym w danym

momencie zasilana jest jedna faza.

• Wynikiem tego rodzaju sterowania jest wykonanie

pełnego kroku.




WADA STEROWANIA FALOWEGO

Silniki o uzwojeniach unipolarnych wykorzystują

tylko 25%, a o uzwojeniach bipolarnych 50%

całkowitego uzwojenia silnika w danej chwili czasu.

Nie wykorzystuje się maksymalnego momentu

wyjściowego silnika

33




W sterowaniu pełnokrokowym (dwufazowym) w

każdej chwili czasu zasilane są dwie fazy.

Wynikiem tego rodzaju sterowania są takie same ruchy

jak przy sterowaniu jednofazowym z tym, że pozycja

wirnika jest przesunięta o pół kroku.




Sterowanie półkrokowe jest kombinacją sterowania

dwufazowego i jednofazowego. Co drugi krok jest

zasilana tylko jedna faza, a w pozostałych krokach

dwie fazy.

34


Silnik krokowy – sterowanie mikrokrokowe


Silnik krokowy jest silnikiem synchronicznym - stabilne

położenia wirnika są zsynchronizowane z polem

magnetycznym stojana.

Obroty wirnika uzyskuje się przez obracanie pola,

wirnik podąża do nowego położenia stabilnego.

Moment M wytwarzany przez silnik:

mechelrss

nMM

4

sin




W sterowaniu mikrokrokowym prądy w

uzwojeniach zmieniają się płynnie rozbijając w ten

sposób pełen krok na wiele mniejszych kroczków.

Dzięki pracy z mikrokrokiem możliwe jest

uzyskanie dokładniejszego pozycjonowania.

Istniej wiele różnych typów mikrokroków o

podziale od 1/3 do 1/32 pełnego kroku lub jeszcze

mniejszym.

35




Praca mikrokrokowa silnika - układ sterowania musi

wytworzyć sygnały o poziomach pośrednich pomiędzy

maksymalną i minimalną wartością sygnału źródła.

Prądy w pasmach silnika wytwarzają wektor

strumienia magnetycznego, którego położenie w

przestrzeni jest określone przez wartość tych prądów.


Czujniki - rezystancyjne


zwy Ul

xU

36




Potencjometryczny przetwornik linkowy HPS

obudowa z aluminium, długości pomiarowe 500 do

2000mm




Napędy liniowe,

maszyny numeryczne,

stoły X-Y i podobne.

Wielowrzecionowe

maszyny tnące

37


Czujniki indukcyjne zbliżeniowe


wyposażone w cewkę zasilaną

z oscylatora – zmienne pole magnetyczne

wielkiej częstotliwości

• czujniki dwustanowe,

• czujniki analogowe.

Zasięg działania: 30 – 60 mm


Czujniki indukcyjne zbliżeniowe


Czujniki serii Uprox (firmy TURCK) – zastosowano cewki powietrzne.

Cechy:

• 10 razy większa częstotliwość przełączania,

• zasięg działania o 100% większy,

• odporne na silne pole elektromagnetyczne prądu stałego i przemiennego,

• zakres działania taki sam dla wszystkich metali

38


Czujniki impulsowo-optyczne



Czujniki przyspieszenia


39







40


Czujniki siły


Dynamometry sprężynowe

◦ zakres pomiarowy: 200kN

◦ niedokładność – 1% (uwarunkowana liniowością i

stabilnością charakterystyk sprężyn)


Czujniki siły


41


Czujniki siły – tensometry rezystancyjne


S

lR



Tensometry rezystancyjne – układy mostkowe. Dla

kompensacji wpływów wahań temperatury -

tensometry kompensacyjne

42



Documents

Zastosowanie Robotyki w Medycynie - fc.put.poznan.plfc.put.poznan.pl/materials/242-zrwm06nowy.pdf · Elektryczne Silniki piezoelektryczne ... Wykorzystywane w praktyce, a różnią