Привод для робота и экзоскелета

Роботы активно применяются в промышленности и являются одним из компонентов автоматизированных систем, которые позволяют увеличить производительность труда без снижения качества. Это дает возможность заменить человеческий труд на различных операциях производства, в том числе на участках с опасными факторами.

Основной проблемой при реализации робототехники является отсутствие подходящего привода, удовлетворяющего потребности по универсальности, адаптивности, экономичности, возможности рекуперации и быстродействию. Для решения задачи по созданию работоспособного привода для робототехники или экзоскелета необходимо решить основную задачу по оптимизации КПД привода в диапазоне эксплуатации. Существуют различные варианты реализации привода. К примеру, экзоскелет на искусственных мышцах, такая конструкция обречена на провал и годится разве что для протезирования, т. к. копирование человека и его структуры заведомо невыгодно. Человеческий организм далеко не идеален, да и КПД человека составляет всего 20 %. Другие разрабатываемые варианты: шестеренчатый/червячный редуктор, пневматика, гидравлика. Пневматику исключаем сразу по двум причинам: большая чувствительность к перепаду температур и отсутствие жесткости из-за сжимаемости газа. Гидравлический привод на основе возвратно-поступательного движения неперспективен в виду необходимости конвертации этого движения в поворотное. Главный недостаток редукторной схемы в его ограниченности — выходные обороты можно регулировать только входными оборотами электромотора.

 

Для примера рассмотрим вариант привода локтевого сустава на основе редукторной схемы (рис. 1). Для расчета электропривода, состоящего из редуктора и электромотора, необходимо задать исходные данные: максимальная грузоподъемность (150 кг) и скорость подъема этого груза (1,5 рад/с). Причем применять будем электродвигатель постоянного тока, т. к. им проще управлять, регулировать обороты в широких пределах.

Рис. 1. Привод локтевого сустава на основе редукторной схемы.

Для рычажной системы задаем данные: консоль с вылетом 0,8 м, угол раскрытия сустава 160°. Отсюда скорость подъема составит 1,2 м/с, длина описанной дуги 2,23 м, угловая скорость 86 гр/с. КПД электромотора 90 %, КПД редуктора 90 %. Из этих данных вычисляем необходимую мощность электромотора:
                  (150 кг•9,8 м/с2•2,23 м) / (1,85 с•0,9•0,9) = 2187 Вт.

Следовательно, необходим электромотор мощностью 2,2 кВт. Максимальные выходные обороты электродвигателя такой мощности из-за малых габаритов будут высоки, в пределах 45000 об/мин. Редуктор для перехода с 45000 об/мин на 14,3 об/мин будет с передаточным числом К=3146,8. Принимаем максимальное рабочее напряжение электромотора 24 В, следовательно, потребляемый максимальный ток составит 91,6 А. Максимальный крутящий момент такого электромотора будет:
Р = (Мкр•n) / 9549,  Мкр = (Р•9549) / n = (2,2•9549) / 45000 = 0,467 Нм.

При проектировании электромотора закладывают эффективный КПД при максимальной нагрузке и максимальном напряжении. Механическая характеристика электромотора с параллельным возбуждением при переменной нагрузке будет приближена к линейной.

Зависимость крутящего момента от потребляемого тока:
Мкр = (60•i•V) / 2wn = (60•91,6•24) / (2•3,14159•45000) = 0,466 Нм, М = См•Iя•Ф.

Зависимость оборотов выходного вала от разницы потенциалов напряжения:
                         n = (U–A•R) / Ce•Ф.

Зависимость потери энергии от тепловыделения обмотки протекающего в ней тока:
Рпотерь = iобм.2•rобм. = 91,62 • (24 / 91,6) = 2198 Вт,  R = (U–n•Ce•Ф) / i .

Максимальный КПД 85% при максимальных оборотах будет при нагрузке 0,116 Нм на валу, это соответствует 24 А. Из рис. 2 видно, что при снижении напряжения КПД электродвигателя стремительно снижается с ростом нагрузки. Это говорит о том, что привод, состоящий из электромотора и редуктора, будет эффективно работать только в частных случаях. Так, на примере видно, что при напряжении 24 В КПД в начале участка минимальное и своего максимума достигает только в середине диапазона нагрузки, после чего идет на спад. При напряжении 6 В, кривая КПД снижается еще стремительнее. Для рационального использования эффективного диапазона КПД электродвигателя необходимо правильно нагружать электродвигатель. Кривая такой нагрузки обозначена на рис. 2 цифрой 4, а соответствующая кривая КПД данной нагрузки цифрой 8.

Рис. 2. Эффективность работы привода на основе редукторной схемы. Зависимости оборотов эл. двигателя от нагрузки при: 24 В — № 1; 12 В — № 2; 6 В — № 3; при максимальном КПД — № 4. Кривая КПД от нагрузки при: 24 В — № 5; 12 В — № 6; 6 В — № 7; при различном напряжении — № 8.

Далее, развивая пример с поднятием груза, получим следующие результаты: момент от груза консоли составит: 150 кг•9,8 м/с2 •0,8 м=1176 Нм. Через редуктор с коэффициентом К=3146,8 на электродвигатель придет 0,37 Нм. При 24 В и полученной нагрузке обороты электродвигателя составят 43582 об/мин, суммарный КПД привода будет 70%. Скорость подъема груза составит 1,15 м/с. Теперь возьмем тот же груз и будем поднимать его медленней в два раза, со скоростью 0,57 м/с. Обороты электродвигателя будут 21082 об/мин, что соответствует напряжению 12 В. Потребляемый ток будет такой же 76 А. Суммарный КПД привода будет 42%. Поставить груз медленно и аккуратно получается крайне не эффективно с точки зрения рационального потребления электроэнергии. Из графика видно, что без груза также данный привод будет неэффективен. Использовать данную компоновку в режиме генератора для осуществления рекуперации также будет эффективно исключительно в частном случае, в остальном это будет также неэффективно. Такая ситуация со всеми системами приводов на основе электродвигателя с редуктором. В связи с чем нами предлагается использовать вместо редуктора вариатор с автоматической настройкой коэффициента редуктивности, зависящей от крутящего момента электродвигателя. Это позволяет использовать электродвигатель в диапазоне его максимального КПД.

В качестве вариатора выберем гидравлическую систему, т. к. в отличие от редуктора она более гибка в плане использования всего потенциала электромотора. По разработанной схеме входные обороты изменяются в эффективном диапазоне КПД электромотора, а выходные обороты будут такие, как того требует условие перемещения груза,. Таким образом мы получаем удобный адаптивный привод. Его основными преимуществами перед другими аналогами являются: минимальные габариты, вес, быстродействие и эффективность использования в широком спектре поставленных задач В разработанном приводе применён гидроцилиндр, выполненный в виде тороида с поршнями и лепестковым насосом. Все это в совокупности представляет собой гидростатический трансформатор или редуктор. Добавляя в лепестковый насос возможность менять рабочий объем за счет изменения эксцентриситета мы получаем бесступенчатый вариатор.

Рис.  3. Лепестковый насос с эксцентриситетом 3,5 мм.

На рис. 3 изображен лепестковый насос с эксцентриситетом 3,5 мм. Данное положение ротора насоса будет в случае максимального крутящего момента электромотора. С подачей меньшего потенциала на электромотор он будет выдавать меньший крутящий момент и соответственно меньше изменит эксцентриситет. Следовательно, насос будет перекачивать меньше рабочей жидкости за один оборот. Основной задачей привода является перемещение груза. Перемещение нам необходимо подконтрольное, точное, с разными угловыми скоростями и моментом, и его мы можем получить путем изменения выдаваемой мощности электромотора. Вариатор для простоты эксплуатации делаем автоматическим.

Итак, за счет подачи на электромотор изменяемого потенциала (мощности) меняется крутящий момент на выходе электромотора. Этот момент через ротор передается на лопасть насоса. Здесь необходимо регулировать площадь лопасти, чтобы он был эквивалентен давлению на лопасть. Организация зависимости изменения площади лопасти от крутящего момента электромотора, обеспечивается эквивалентная нагрузка на мотор. Далее необходимо добавить еще одну зависимость: это изменение площади лопасти от перепада давления в системе (тороиде). Получается, что регулировать изменение эксцентриситета ротора (площадь лепестка) будет сам электромотор за счет крутящего момента и давления рабочей жидкости в приводе. Для упрощения конструкции и ликвидации лишних магистралей, буферного бака, золотниковой системы, магистраль выполняется по короткозамкнутой цепи, что исключает кавитацию.
Для выполнения условия стопорения привода по умолчанию эксцентриситет в насосе равен нулю. Когда напряжение на мотор не подаётся, ротор насоса находится в центре статора и их оси совпадают. В этих условиях, при разнице давления в полостях тороида, перекачивания жидкости не будет, т. к. площади лопастей в насосе будут равны, благодаря этому привод будет застопорен без применения дополнительных устройств.

На рис. 4 изображен лепестковый насос с различным эксцентриситетом. Слева эксцентриситет равен 3,5 мм. Это положение ротора при максимальном крутящем моменте электромотора. В середине рисунка изображен насос с эксцентриситетом равным 1,75 мм, в этом положении насос будет перекачивать рабочую жидкость в обоих направлениях, но с разным расходом относительно верха и низа. На рисунке справа изображен насос с эксцентриситетом равным 0, это положение будет в случае, когда момент электромотора равен нулю, либо давление в системе превышает максимально допустимое.

Рис.  4. Лепестковый насос с различным эксцентриситетом.

Рис. 5. Крышка насоса.

На рис. 5 показана крышка насоса в разрезе. На ней изображена газовая пружина (вверху), ограничивающая изменение эксцентриситета, по парабо-лическому закону в зависимости от давления в системе. Пружина сжатия (в нижней части рисунка) ограничивает изменение эксцентриситета насоса от крутящего момента электромотора. Особенность работы данного насоса заключается в автоматической подстройке изменения эксцентриситета от изменения давления в системе и развиваемого крутящего момента электромотора. При одном режиме работы электромотора становится возможным получение различного давления в системе без перегрузки электромотора, что в случае с обычным насосом недостижимо. При критичных давлениях насос с постоянным рабочим объёмом будет работать с перегрузкой вплоть до остановки ротора и выхода из строя электромотора. В нашем случае с насосом, изменяющим рабочий объём, остановки ротора не будет, и максимально развиваемое давление уходит в теоретическую бесконечность. Это без учета перетечек и сил трения.

Рекуперация будет осуществляться путем перекачки рабочей жидкости через насос под действием перепада давления в полостях тороида. Регулироваться скорость перемещения сустава под действием внешних сил при рекуперации будет за счет нагрузки на электромотор, который работает в режиме генератора. Если требуется быстро опустить груз, то увеличивается нагрузка на генератор, что увеличивает момент на валу и приводит к изменению эксцентриситета в большую сторону. Соответственно изменяется площадь лепестка, через который прогоняется рабочая жидкость.

На рис. 6 представлена схема рекуперации. Общий КПД привода составляет 68,8%. Рекуперированная энергия для повторной работы составляет 55,7%

Рис. 6. Схема рекуперации.

Рис.  7. Рычажный механизм экзоскелета.

Данный привод был спроектирован для рычажного механизма экзоскелета (рис. 7), в котором используется 20 таких приводов. Модификация экзоскилета грузоподъемностью 300 кг весит 110 кг без учета веса источника питания. В качестве источника питания рассматривается свинцово-кислотная аккумуляторная батарея (60 Вт•часа/кг) весом 80 кг. Дальность хода без груза составляет 40 км или 8 часов непрерывной ходьбы со скоростью 5 км/ч без учета рекуперации. С рекуперацией 55 км или 11 часов ходьбы. С грузом 300 кг дальность хода экзоскелета составит 20 км или 4 часа непрерывной ходьбы со скоростью 5 км/ч без учета рекуперации. С рекуперацией 27 км или 5,4 часа. С применением лантандфторидного аккумулятора, у которого удельная емкость составляет 350 Вт•часа/кг, показатели по автономности увеличатся в 6 раз.

Рис. 8. Привод экзоскелета.

С разработанным приводом (рис. 8) данный экзоскелет или робот будет легким, мобильным, экономичным. Привод не требует подключения масло-магистралей, т. к. является самодостаточным и независимым, к нему необходимо подключить только питание для электромотора. Конструкция экзоскелета является модульной, что позволяет использовать различные его части по отдельности. Угловая скорость привода под нагрузкой 5 рад/с.

Здесь эффективность электромотора используется по максимуму, без нагрузки возможны высокие скорости перемещения (угловые скорости), под нагрузкой скорости снижаются без потери грузоподъемности. Привод оптимально конвертирует входные обороты электромотора в высокий крутящий момент на выходе.
 

М. В. Суров, А. Ю. Албагачиев
Московский государственный университет
приборостроения и информатики, г. Москва
maxsur@bk.ru

 

Литература

  1. Устьянцев М. В. Рекуперация энергии при ресурсных испытаниях гидроцилиндров/М. В. Устьянцев, Н. М. Корниенко//
  2. Перспектива 2010: сб. трудов. Международной научно-практической конференции. Нальчик: Каб.-Балк. Ун-т, 2010: Т. V, С. 333–337.
  3. Жога В. В. Шагающий робот с ортогонально-поворотным движителем/В. В. Жога, А. Е. Гаврилов, П. В. Федченков//Матер. 7-й науч.-техн. конф."Мехатроника, автоматизация, управление" (МАУ-2010), проводимой в рамках 3-й мульти конференции по проблемам управления (МКПУ-2010), 12–14 окт. 2010 г. / ГНЦ РФ ОАО "Концерн "ЦНИИ Электроприбор" [и др.]. — СПб., 2010. — C. 175–177.
  4.  Афонин В. Л., Подзоров П. В., Слепцов В. В. Обрабатывающее оборудование на основе механизмов параллельной структуры (Учебное пособие). МГТУ СТАНКИН, 2006, 450 с.

<"