Электропитание роботов

Робот на топливных батареях Робот на топливных батареях

В обычной сервосистеме при существовании установившейся ошибки выходные исполнительные устройства должны непрерывно потреблять энергию, чтобы отработать эту ошибку. Для робота наличие установившейся ошибки положения конечности или кисти является обычным рабочим режимом, например, когда кисть захватывает с некоторым усилием какой-либо предмет. В такой ситуации потребление тока от источника питания является нежелательным. В пневматических или гидравливеских устройствах за счет сохранения постоянства давления непрерывное потребление энергии в этом случае почти отсутствует. Однако электрическая кисть будет непрерывно потреблять ток от батарей питания, если усилие, развиваемое кистью, должно поддерживаться электрическим двигателем, приводящим ее в движение.

Такое положение вещей особенно нежелательно в случае подвижного робота; здесь следует использовать какую-либо самотормозящуюся передачу, например червячную, при которой двигатель может быть отключен после достижения заданного усилия, что определяется входным сигналом сервосистемы. Тогда любое изменение этого сигнала будет вызывать включение приводного двигателя и движение червячной передачи в прямом или обратном направлении.

Применение такого червячного привода и отключающей схемы дает и другие преимущества. Сервосистема может быть простого переключающего или релейного типа, что позволяет уменьшить потребление энергии и потери в усилителе, управляющем двигателем, а также время нарастания усилия в исполнительном механизме. Кроме того, такая система абсолютно стабильна при захвате, поскольку приводной двигатель фактически отсоединен от движущихся частей робота. При этом необходим компромисс между эффективной шириной возникающей мертвой зоны и коэффициентом усиления в контуре сервоуправления. Желательно, чтобы мертвая зона была небольшой, однако, если она слишком мала, то для обеспечения максимального момента вращения на границе этой зоны необходим чрезвычайно большой коэффициент усиления в контуре сервоуправления. Большой коэффициент обратной связи контура обусловливает меньшую зависимость работы системы от колебаний коэффициента усиления, нагрузки и статического трения в движущихся частях и в то же время уменьшает быстродействие системы. К сожалению, большая величина коэффициента усиления контура увеличивает также трудности в обеспечении стабильности следящей системы и плавности отслеживания, что может пагубно отразиться на работе робота.

Было установлено, что в протезных устройствах, для которых в целях экономии энергии батареи предусмотрена такая мертвая зона, предельная величина ее границы должна составлять 30 мВ по входу при номинальной величине коэффициента усиления усилителя около 500. Подобные «гасящие» контуры вводятся в протезные устройства, чтобы сохранять их работоспособность почти при полной разрядке питающей батареи и при этом обеспечивать зажимные усилие в 30 Н-м. Для исключения неустойчивости, вызываемой существованием мертвой зоны, желательно вводить 50%-ный гистерезис.

Батареи для электропитания

В каждом отдельном случае применения электрических батарей для питания подвижного устройства прежде всего следует решить, использовать ли перезаряжаемые элементы, аккумуляторы, или вместо них можно применить сухие элементы. Если основное требование состоит в низкой стоимости эксплуатации, то, несомненно, следует использовать перезаряжаемые элементы. Хотя начальная стоимость перезаряжаемого элемента в 2—4 раза превышает стоимость эквивалентного сухого элемента, годовая эксплуатационная стоимость сухих элементов от 4 до 30 раз выше. Кроме того, имеется еще одно неудобство использования сухих элементов, заключающееся в необходимости их частой покупки и замены, тогда как перезаряжаемый элемент можно регулярно подзаряжать и заменять один раз в год. Однако в случаях, когда масса и объем устройства должны быть минимизированы, важным преимуществом сухих элементов является то, что их масса и объем приблизительно в два раза меньше, чем у эквивалентных перезаряжаемых элементов.

Однако масса сухих элементов может оказаться чрезмерно большой в случае использования их для питания силового привода робота, и тогда предпочтение следует отдавать перезаряжаемым элементам. По этой же причине желательно, чтобы они не были кислотного типа. Хотя серебряно-цинковые батареи дают во многих конкретных применениях выигрыш в массе, у них ограничено число циклов перезарядки. Кроме того, батареи указанного типа не полностью герметичны и имеется реальная возможность утечки едкой щелочи через отдушины при необычных условиях работы. Такое может случиться, если робот, например, опрокидывается.

В настоящее время для множества применений в приводе отличные показатели безопасности, надежности и прочности никель-кадмиевых элементов делают их предпочтительнее серебряно-цинковых элементов, несмотря на удвоение массы, с которым приходится мириться. Не представляется возможным привести здесь точные данные, поскольку они в большой степени зависят от конкретно рассматриваемого случая. И все же типичная никель-кадмиевая батарея, питающая двигатель постоянного тока напряжением 12 В, пусковым током 5 А и рабочим током 1,5 А и обеспечивающая общую энергию 6 Втч в день, будет иметь массу около 0,7 кг и объем порядка 200 см3.

Электрическая емкость такой батареи составляет около 14 Вт-ч, так что в критической ситуации она может использоваться без подзарядки в течение двух дней. Батарея должна стоить около 12 фунтов в год при условии, что она ежегодно заменяется; причем стоимость подзарядки после того, как окупили себя затраты на зарядное оборудование, можно в расчет не принимать. В процессе работы, в которой участвовал автор, простые зарядные устройства непосредственно встраивались в подвижные роботы, с тем чтобы они могли производить зарядку от сети переменного тока без какого бы то ни было зарядного оборудования.

Заметим, что по сравнению с никель-кадмиевой батареей у 120-граммового баллона с углекислым газом приблизительно . та же масса, почти в 2 раза больший объем, приблизительно 1/4 энергетического запаса (поэтому баллон рассчитан только на 1 день), а стоимость его эксплуатации приблизительно в 6 раз превышает стоимость эксплуатации никель-кадмиевой батареи. Тем не менее в некоторых случаях относительная простота пневматического привода оправдывает использование системы, работающей на углекислом газе.

Техническое обслуживание аккумуляторной батареи

Несмотря на то что аккумуляторная батарея, казалось бы, представляет собой удобное устройство для использования в качестве основного источника питания в подвижном роботе, следует иметь в виду, что здесь может возникнуть множество трудностей, число которых никоим образом не уменьшается, когда батарея используется в домашней обстановке. Например, электролит аккумуляторной батареи может представлять определенную опасность, хотя сейчас имеются полностью закрытые батареи, собранные, например, из герметичных никель-кадмиевых аккумуляторных элементов.

Аккумуляторная батарея робота должна регулярно заряжаться. Процесс заряда можно представить себе как «питание» робота, и по аналогии с человеком или любым животным здесь существует оптимальная величина заряда — не слишком маленькая и не слишком большая. Поэтому важно максимально автоматизировать операцию заряда и обеспечить роботу, насколько это возможно, наблюдение и контроль за своим собственным зарядом.

В процессе заряда батареи напряжение на ней будет постепенно нарастать, и следует управлять зарядом путем уменьшения зарядного тока до тех пор, пока напряжение не достигнет установленного значения. Существуют различные методы управления процессом заряда, каждый из которых имеет своих сторонников. Быть может, лучше всего запросить рекомендаций у изготовителей аккумуляторной батареи, которые при выпуске большой партии изделий больше других несут потери в случае применения неудачного способа заряда.

Один из последних методов управления скоростью заряда состоит в использовании контроля газа, выделяющегося при каталитической рекомбинации водорода и кислорода. Сам факт образования таких газов из-за возможности взрыва представляет опасность в домашней обстановке.

Общие требования к аккумуляторной батарее, предназначающейся для робота, очень близки к требованиям, предъявляемым при использовании ее в любом другом подвижном устройстве. Это большой срок службы, незначительность ухудшения свойств батареи, когда она не работает, высокая механическая прочность и способность противостоять вибрациям и ударам, а также эффектам, возникающим при создании слишком большого заряда. Для многих конкретных применений важной характеристикой аккумуляторной батареи является возможность работы в широком диапазоне температур. В общем случае требуется также минимизация массы, габаритов и стоимости. Ясно, что идеальная аккумуляторная батарея еще не создана, но работы по ее созданию чрезвычайно важны для всего будущего робототехники.

Иногда для оптимального использования основного оборудования от робота будет требоваться работа в течение 24 ч ежедневно за исключением коротких перерывов для текущего осмотра и технического обслуживания. В таких случаях батареи питания должны быть сменными и легко заменяемыми.

Быстрый заряд аккумуляторных элементов

В дальнейшем для некоторых применений роботов понадобится быстрый заряд электрических аккумуляторных элементов. Это требование особенно существенно на начальном этапе производства роботов, пока они еще относительно дороги и обладают поэтому ограниченным энергоресурсом. Можно, конечно, заменять аккумуляторные элементы робота таким образом, что он будет продолжать работать, даже если один комплект элементов заряжается. Однако результаты некоторых недавних работ по быстрому заряду аккумуляторных элементов показали, что совершенно необязательно заменять разряженные аккумуляторные элементы в тех случаях, когда есть возможность сделать короткий перерыв для «заправки» робота.

Когда батарея полностью заряжена, начинается выделение газа. При этом можно обнаруживать возникающее увеличение давления газа и использовать его для управления процессом заряда. Подобным же образом можно использовать увеличение температуры элемента. Другие методы контроля основаны на измерении напряжения на клеммах элемента или на применении довольно дорогостоящего кулонметра.

Робототехника

Читайте в рубрике «Робототехника»:

/ Электропитание роботов

RuCaptcha - заработай на вводе каптч
Рубрики раздела
Лучшие по просмотрам
Все рубрики