ΕΞΕΛΙΞΕΙΣ ΣΤΗΝ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΩΝ ΚΙΝΗΤΗΡΩΝ ΣΤΗ ΡΟΜΠΟΤΙΚΗ

Transcript

1 ΕΞΕΛΙΞΕΙΣ ΣΤΗΝ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΩΝ ΚΙΝΗΤΗΡΩΝ ΣΤΗ ΡΟΜΠΟΤΙΚΗ Σάββας Τσοτουλίδης, Αθανάσιος Σαφάκας Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας, Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών, Πανεπιστήμιο Πατρών, Ρίον Πάτρα, s: ΠΕΡΙΛΗΨΗ Στην παρούσα εργασία παρουσιάζονται οι τεχνολογικές εξελίξεις των ηλεκτρικών κινητήρων που συναντώνται στις ρομποτικές εφαρμογές. Γίνεται μια κατηγοριοποίηση των κινητήρων αυτών ανάλογα με τις απαιτήσεις της εκάστοτε εφαρμογής ως προς τη δυνατότητα ελέγχου θέσης, ταχύτητας και ροπής. Επιπλέον, περιγράφονται τα ιδιαίτερα κατασκευαστικά και λειτουργικά χαρακτηριστικά των σύγχρονων, βηματικών και πιεζοηλεκτρικών κινητήρων και παρουσιάζονται κρίσιμα ζητήματα που αφορούν στην τροφοδοσία και στην οδήγηση αυτών μέσω ηλεκτρονικών μετατροπέων ισχύος. Τέλος, αναδεικνύονται οι προοπτικές για χρήσεις των ηλεκτροστατικών κινητήρων στην ρομποτική. Λέξεις κλειδιά: Κινητήρια συστήματα στη ρομποτική, ηλεκτρομαγνητικοί κινητήρες, πιεζοηλεκτρικοί κινητήρες, ηλεκτροστατικοί κινητήρες. 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Οι τεχνολογικές εξελίξεις των τελευταίων δεκαετιών οδήγησαν στην κατασκευή και ευρεία χρήση των ρομπότ με σκοπό την αύξηση της «αποδοτικότητας» κυρίως στη διαδικασία παραγωγής. Τα ρομπότ περιέχουν αυτοματισμούς που διαφέρουν από τον κλασικό και τον προγραμματιζόμενο αυτοματισμό λόγω της ευελιξίας που παρουσιάζουν κατά την παραγωγή προϊόντων καθώς και της ικανότητάς τους να αντιδρούν σε απρόβλεπτες αλλαγές του περιβάλλοντος χάριν της τεχνητής νοημοσύνης που διαθέτουν. Η διαρκής παραγωγή και διάθεση των ρομπότ στο εμπόριο, τα οποία χρησιμοποιούνται στις βιομηχανίες, βιοτεχνίες, γραφεία αλλά και σε οικιακές εφαρμογές, καθώς και η συνεχής ανάγκη για βελτιστοποίηση και μείωση του κόστους, οδήγησαν στην εξέλιξη και στη δημιουργία μεγάλης ποικιλίας τόσο στο μέγεθος όσο και στη μορφή αυτών. Μια γενική κατηγοριοποίηση των ρομποτικών συστημάτων γίνεται ως προς τη σταθερή και την κινητή βάση τους. Στη πρώτη κατηγορία εντάσσονται οι ρομποτικοί βραχίονες, ενώ στη δεύτερη ανήκουν τα αυτόνομα τροχοφόρα, υποβρύχια ή εναέρια ρομπότ καθώς και τα βαδίζοντα ρομπότ (Ν. Ασπράγκαθος, 1998). Τα τελευταία χρόνια ιδιαίτερο ερευνητικό ενδιαφέρον παρουσιάζεται για την κατασκευή αυτοκινούμενων ρομποτικών συστημάτων μικρομετρικής κλίμακας. Ως προς τη διαμόρφωσή τους μπορούν να χωριστούν σε έξι κατηγορίες: α) καρτεσιανής διαμόρφωσης, β) κυλινδρικής διαμόρφωσης, γ) σφαιρικής διαμόρφωσης, δ) αρθρωτής διαμόρφωσης, ε) παράλληλης διαμόρφωσης, και στ) «Selective Compliance Assembly Robot Arm» (SCARA), (Ν. Ασπράγκαθος, 1998), όπως παρουσιάζονται στο Σχήμα 1. Για κάθε άξονα κίνησης των παραπάνω τύπων δηλαδή για κάθε βαθμό ελευθερίας χρησιμοποιείται ένας επενεργητής, ο οποίος μπορεί να είναι πνευματικός, υδραυλικός ή ηλεκτρικός. Οι επενεργητές στα συστήματα ρομποτικής οφείλουν να πληρούν μια σειρά από απαιτήσεις όπως: χαμηλή αδράνεια, ικανότητα ανάπτυξης υψηλών επιταχύνσεων, δυνατότητα σε μεγάλο εύρος συχνότητας λειτουργίας, υψηλής πυκνότητας ισχύος και ακρίβεια στην παρακολούθηση της επιβαλλόμενης τροχιάς. Τα βασικά πλεονεκτήματα των υδραυλικών και πνευματικών επενεργητών είναι ο υψηλός λόγος της παραγόμενης ισχύος προς το βάρος εγκατάστασης καθώς και η δυνατότητα παραγωγής υψηλής ροπής ακόμα και σε πολύ μικρές ταχύτητες με αποτέλεσμα να μην απαιτείται η χρήση ενδιάμεσων μειωτήρων. Όμως οι πνευματικοί επενεργητές δεν είναι κατάλληλοι για εφαρμογές ελέγχου θέσης που απαιτούν μεγάλη ακρίβεια λόγω συμπιεστότητας. Επιπρόσθετα, οι υδραυλικοί επενεργητές έχουν χαμηλό βαθμό απόδοσης, αυξημένες ανάγκες συντήρησης και παρουσιάζουν ιδιαίτερες δυσκολίες κατασκευής σε μικρές διαστάσεις. Όσον αφορά τους ηλεκτρικούς επενεργητές κινητήρες, στους οποίους εστιάζεται η παρούσα εργασία, έχουν χαμηλό κόστος, εύκολη συντήρηση,

2 υψηλό βαθμό απόδοσης και δεν ρυπαίνουν το περιβάλλον εργασίας. Ανάλογα με την εκάστοτε εφαρμογή μπορεί να χρησιμοποιηθεί ένας ηλεκτρικός κινητήρας μεγάλης ισχύος (> 1 kw), μικρής ισχύος (< 1 kw), ή ελάχιστης ισχύος (< 1 W), όπως για παράδειγμα στα μικρο ρομποτικά συστήματα. Ο έλεγχος των κινητήρων πραγματοποιείται με χρήση ηλεκτρονικών μετατροπέων ισχύος, η δε πολυπλοκότητά του εξαρτάται από την κίνηση του ρομπότ, όπως για παράδειγμα από το αν το ρομπότ ακολουθεί ένα δρόμο με ελεγχόμενο προσανατολισμό και ελεγχόμενη ταχύτητα, ή αν απλώς επιστρέφει επαναληπτικά σε έναν αριθμό προκαθορισμένων θέσεων. Στην παρούσα εργασία, γίνεται μια σύντομη παρουσίαση των αρχών λειτουργίας των βασικών τύπων των ηλεκτρικών κινητήρων που χρησιμοποιούνται στα συστήματα ρομποτικής με έμφαση στους κινητήρες τελευταίας τεχνολογίας, όπου υπάρχει η δυνατότητα για ακριβή έλεγχο της ταχύτητας περιστροφής ή της θέσης του άξονα. Παρουσιάζονται τα ιδιαίτερα λειτουργικά και κατασκευαστικά χαρακτηριστικά των ηλεκτρομαγνητικών, πιεζοηλεκτρικών και ηλεκτροστατικών κινητήρων και αναδεικνύονται οι προοπτικές για χρήσεις αυτών στη ρομποτική. Τέλος, γίνεται μια σύντομη αναφορά στους ηλεκτρονικούς μετατροπείς ισχύος που χρησιμοποιούνται για την οδήγηση και την τροφοδοσία αυτών. α) καρτεσιανή διαμόρφωση β) κυλινδρική διαμόρφωση γ) σφαιρική διαμόρφωση δ) αρθρωτή διαμόρφωση ε) παράλληλη διαμόρφωση στ) διαμόρφωση SCARA Σχήμα 1. Κατηγορίες ρομπότ με κριτήριο τη διαμόρφωσή τους (Ν. Ασπράγκαθος, 1998). 2 ΚΑΤΑΤΑΞΗ ΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΩΝ ΚΙΝΗΤΗΡΩΝ ΑΝΑΛΟΓΑ ΜΕ ΤΙΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΟΥΣ Οι ηλεκτρικοί κινητήρες ανάλογα με τις απαιτήσεις των εφαρμογών μπορούν να χωριστούν στις παρακάτω βασικές κατηγορίες : Για εφαρμογές στις οποίες απαιτείται ακριβής έλεγχος της ταχύτητας περιστροφής ή της θέσης του άξονα του κινητήρα. Κριτήριο για μια καλή επιλογή αποτελεί η ακρίβεια με την οποία ο κινητήρας επιτυγχάνει τον έλεγχο, ενώ πολλές φορές σημαντικό ρόλο παίζει η δυναμική απόκρισή του. Για να καλυφθούν οι απαιτήσεις αυτές, χρησιμοποιούνται συνήθως σύγχρονοι κινητήρες με μόνιμο μαγνήτη στο δρομέα ή βηματικοί κινητήρες. Σε αρκετές περιπτώσεις εκτός από τον έλεγχο θέσης, ο ηλεκτρικός κινητήρας πρέπει να είναι σε θέση να αναπτύσσει ροπή, η οποία να μπορεί να συγκρατεί το δρομέα του σε μια συγκεκριμένη θέση υπερνικώντας πιθανό φορτίο στον άξονά του. Η περίπτωση αυτή επιτυγχάνεται με βηματικό κινητήρα και κατάλληλη παλμοδότηση στον ηλεκτρονικό μετατροπέα που τον οδηγεί, ενώ αρκετές φορές προτιμάται ο πιεζοηλεκτρικός κινητήρας υπερηχητικού κύματος (Ultrasonic), ο οποίος λόγω της αρχής λειτουργίας του αναπτύσσει ροπή συγκράτησης χωρίς να καταναλώνει ισχύ (A. N. Σαφάκας, 2009). Σε εφαρμογές όπου η ισχύς φορτίου είναι μικρή ή ελάχιστη και ο διαθέσιμος χώρος είναι περιορισμένος, προτιμώνται οι γραμμικοί ή περιστροφικοί ηλεκτροστατικοί κινητήρες. Ο κύριος λόγος που αποφεύγονται οι ηλεκτρομαγνητικοί κινητήρες είναι διότι καθώς

3 μικραίνει το μέγεθός τους, δυσχεραίνεται η κατασκευή των τυλιγμάτων τους (Α.Ν. Σαφάκας, 2009). Κινητήρες που χρησιμοποιούνται σε εφαρμογές που δεν απαιτούν ακριβή έλεγχο της ταχύτητα περιστροφής του άξονα. Κριτήριο για την επιλογή του κινητήρα σε αυτή την περίπτωση θα είναι, συνεπώς, η ελάττωση του κόστους ανάπτυξης και κατασκευής. Τέτοιοι κινητήρες είναι συνήθως ειδικοί τύποι ασύγχρονων ή σύγχρονων κινητήρων (Α.Ν. Σαφάκας, 2010). 3 ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΚΟΙ ΚΙΝΗΤΗΡΕΣ 3.1 Σύγχρονοι κινητήρες Οι σύγχρονοι κινητήρες με μόνιμο μαγνήτη διέπονται από τις ίδιες αρχές λειτουργίας με τις κλασικές σύγχρονες μηχανές, προσφέρουν όμως μοναδικά πλεονεκτήματα και δίνουν σημαντικές δυνατότητες στους σχεδιαστές ελεγχόμενων κινητηρίων συστημάτων. Τα πιο σημαντικά πλεονεκτήματα των μηχανών αυτών είναι ο υψηλός βαθμός απόδοσης, η μεγάλη πυκνότητα ισχύος και ο μεγάλος λόγος ροπής στον άξονα προς αδράνεια (J. Chiasson, 2005). Για μια σύγχρονη μηχανή με 2p πόλους, η οποία τροφοδοτείται με σταθερή συχνότητα f s και έχει p ζεύγη πόλων, η ταχύτητα περιστροφής του δρομέα είναι: (1) Η ηλεκτρομαγνητική ροπή που παράγει ο σύγχρονος κινητήρας με μόνιμο μαγνήτη δίνεται από τη σχέση: sin (2) όπου Φ είναι η ροή του διακένου, I το ρεύμα του τυλίγματος της μηχανής και k μία σταθερά που εξαρτάται από τα κατασκευαστικά χαρακτηριστικά της μηχανής. Οι κινητήρες αυτοί παρουσιάζουν τη χαρακτηριστική ιδιότητα να διατηρούν την ταχύτητα του δρομέα στο σύγχρονο αριθμό στροφών, ανεξαρτήτως του φορτίου. Δύο είναι οι χαρακτηριστικές τιμές ροπής στις σύγχρονες μηχανές με μόνιμο μαγνήτη, η ονομαστική ροπή T R («rated torque») και η μέγιστη ροπή T P («peak torque»). Κατά τη συνεχή λειτουργία η μηχανή μπορεί να φορτιστεί μέχρι την ονομαστική ροπή, η οποία παραμένει σταθερή για ένα μεγάλο εύρος ταχυτήτων, έως την ονομαστική ταχύτητα. Η μηχανή μπορεί να επιταχύνει μέχρι μία μέγιστη ταχύτητα (έως και 150% της ονομαστικής ταχύτητας), αλλά η ροπή θα αρχίσει να μειώνεται. Σε αρκετές εφαρμογές λαμβάνουν χώρα συχνές εκκινήσεις και παύσεις και συχνή αλλαγή της περιστροφής με φορτίο στον άξονα, όπου απαιτείται μεγαλύτερη ροπή από την ονομαστική. Η απαίτηση αυτή είναι σύντομη, ιδίως κατά την εκκίνηση ή κατά τη διάρκεια της επιτάχυνσης, όπου απαιτείται αυξημένη ροπή, προκειμένου να αντιμετωπιστεί η αδράνεια του φορτίου και του ίδιου του δρομέα. Υπάρχουν δύο βασικές κατηγορίες σύγχρονων κινητήρων μόνιμου μαγνήτη ανάλογα με την τεχνική ελέγχου του μετατροπέα που τροφοδοτεί τους κινητήρες (Χ.Α. Μαδεμλής, 2010): α) οι κινητήρες τραπεζοειδούς ή τετραγωνικού παλμού, οι οποίοι τροφοδοτούνται με ρεύματα τετραγωνικής κυματομορφής. Η σχέση ροπής ταχύτητας που προκύπτει εφαρμόζοντας τον κατάλληλο έλεγχο, είναι αντίστοιχη της μηχανής συνεχούς ρεύματος, χωρίς όμως να μοιάζουν κατασκευαστικά με τις τελευταίες. Συναντώνται στη διεθνή ορολογία ως «brushless dc motors». Στην επιφάνεια του δρομέα τους είναι τοποθετημένοι μαγνήτες, οι οποίοι επάγουν τάση τραπεζοειδούς μορφής στα τυλίγματα του στάτη. Η ροπή που παράγουν είναι σταθερή σχεδόν σε όλο το εύρος λειτουργίας τους. β) οι σύγχρονες μηχανές με ημιτονοειδή διαμόρφωση μόνιμων μαγνητών. Οι κινητήρες αυτής της κατηγορίας τροφοδοτούνται με ημιτονοειδή ρεύματα και συμπεριφέρονται όπως οι κλασικές σύγχρονες μηχανές. Σε αυτές τις μηχανές εφαρμόζεται συνήθως διανυσματικός έλεγχος (Boldea, 1992), γεγονός το οποίο οδήγησε στη διαχείριση λειτουργικών μεγεθών σε μορφή

4 παρόμοια με εκείνη των μεγεθών των μηχανών συνεχούς ρεύματος. Στη διεθνή βιβλιογραφία συναντώνται με τον όρο «brushless ac motors». Τη βασική δομή των σύγχρονων κινητήρων που αναφέρθηκαν στο α) και β) δείχνει το σχήμα 2. α) β) Σχήμα 2. α) Κάθετη τομή, β) φωτογραφία ενός σύγχρονου κινητήρα με μόνιμο μαγνήτη (F. Khorrami, 2003). Αξίζει να σημειωθεί ότι οι μηχανές που αναφέρθηκαν στο εδάφιο α) έχουν απλό και σχετικά εύκολα υλοποιήσιμο έλεγχο σε σύγκριση με εκείνες του εδαφίου β). Όμως, οι μηχανές της α) κατηγορίας παρουσιάζουν μεγαλύτερες ταλαντώσεις ροπής και ο συνολικός βαθμός απόδοσης του κινητήριου συστήματος είναι μικρότερος. Τέλος, οι σύγχρονοι κινητήρες με μόνιμο μαγνήτη χρησιμοποιούνται κατά κόρον σε συνδυασμό με κατάλληλους ηλεκτρονικούς μετατροπείς ισχύος σε συστήματα και βιομηχανικές διεργασίες, όπου απαιτείται μεγάλη ακρίβεια κινήσεων όπως στα αυτόνομα τροχοφόρα ρομπότ. 3.2 Βηματικοί κινητήρες Οι βηματικοί κινητήρες είναι ηλεκτρικές μηχανές των οποίων ο στάτης τροφοδοτείται με μια παλμοσειρά συνεχούς τάσης και δημιουργείται μηχανική περιστροφή του δρομέα. Η ταχύτητά τους ελέγχεται μέσω μεταβολής των παλμών της τάσης εισόδου. Είναι ηλεκτρομαγνητικοί κινητήρες, οι οποίοι λειτουργούν βάσει των δυνάμεων έλξης που δημιουργούνται όταν διέρχεται ηλεκτρικό ρεύμα από τα τυλίγματα του στάτη. Με κατάλληλες μεθόδους παλμοδότησης είναι δυνατό να επιτύχουμε κίνηση του δρομέα σε κλάσματα της βηματικής γωνίας, όμως η κίνησή του γίνεται πάντα με βήματα και δεν είναι συνεχόμενη όπως αυτή του σύγχρονου κινητήρα. Τα βασικά πλεονεκτήματα της οικογένειας των βηματικών κινητήρων είναι: α) Η γωνία περιστροφής του κινητήρα είναι ανάλογη της διάρκειας του παλμού τροφοδοσίας του στάτη. Με αυτόν τον τρόπο επιτυγχάνεται μεγάλο εύρος ρύθμισης στροφών, καθώς η ταχύτητα περιστροφής είναι ανάλογη της συχνότητας παλμοδότησης. β) Ο κινητήρας μπορεί να παράγει μεγάλες τιμές ροπής ακόμα και σε χαμηλές στροφές, πράγμα ιδιαίτερα ευνοϊκό για συστήματα ελέγχου θέσης. γ) Παρουσιάζει ικανοποιητική δυναμική απόκριση κατά την εκκίνηση, την πέδηση καθώς και την αλλαγή της φοράς περιστροφής. δ) Επιτυγχάνεται ακρίβεια στη θέση του δρομέα της τάξης 3 5% του κάθε βήματος περιστροφής, χωρίς αυτό το σφάλμα δεν επενεργεί αθροιστικά από το ένα βήμα στο επόμενο. ε) Με κατάλληλη παλμοδότηση μπορούμε να επιτύχουμε ικανή ροπή συγκράτησης, γεγονός πολύ σημαντικό για εφαρμογές όπως οι ρομποτικοί βραχίονες. Υπάρχουν τρείς βασικοί τύποι βηματικών κινητήρων (R.H. Bishop, 2002): α) οι κινητήρες μεταβλητής μαγνητικής αντίδρασης. Αυτός ο τύπος κινητήρων αποτελείται από ένα δρομέα με οδοντωτή διαμόρφωση και ένα στάτη όπου βρίσκονται τα τυλίγματα. Όταν τα τυλίγματα διαρρέονται από ρεύμα δημιουργούνται μαγνητικοί πόλοι. Η περιστροφή επιτυγχάνεται όταν ένα δόντι του δρομέα έλκεται από τους πόλους του στάτη.

5 β) οι κινητήρες μόνιμου μαγνήτη. Έχουν χαμηλό κόστος και μικρή ακρίβεια στην περιστροφή (τυπικές τιμές 7,5 15 ο ). Ο δρομέας τους είναι κυλινδρικός και αποτελείται από ζώνες μόνιμου μαγνήτη με εναλλαγή των μαγνητικών πόλων. Με τους μαγνητικούς πόλους επιτυγχάνεται αυξημένη μαγνητική πυκνότητα ροής σε σχέση με του κινητήρες του εδαφίου α) και για αυτό το λόγο έχουν βελτιωμένα χαρακτηριστικά ροπής. γ) οι υβριδικοί κινητήρες. Είναι πιο ακριβοί από τους βηματικούς κινητήρες με μόνιμο μαγνήτη αλλά παρουσιάζουν καλύτερα χαρακτηριστικά όσον αφορά τη ροπή, την ταχύτητα και την ακρίβεια του βήματος. Το εύρος των τιμών για τυπικές βηματικές γωνίες αυτού του τύπου βρίσκεται μεταξύ 0,9 3,6 ο. Οι υβριδικοί κινητήρες συνδυάζουν τα χαρακτηριστικά των δύο προαναφερθέντων τύπων. Ο δρομέας είναι οδοντωτός και περιλαμβάνει στρώμα μόνιμου μαγνήτη. Τα δόντια παρέχουν μια ευκολότερο διαδρομή για τη ροή του μαγνητικού πεδίου σε σχέση με το διάκενο. Το γεγονός αυτό αυξάνει τη ροπή συγκράτησης (ροπή χωρίς περιστροφή του δρομέα) και βελτιώνει τα δυναμικά χαρακτηριστικά της παραγόμενης ροπής σε σχέση με τους δύο παραπάνω τύπους βηματικών κινητήρων. Σχήμα 3. Τομή ενός βηματικού κινητήρα (Α.Ν. Σαφάκας, 2009):. Οι βηματικοί κινητήρες είναι ιδιαίτερα διαδεδομένοι και βρίσκουν εφαρμογές σε πολλές συσκευές. Τυπικά παραδείγματα είναι π.χ. ο μηχανισμός ελέγχου της θέσης της κεφαλής ενός εκτυπωτή, οι μηχανισμοί ελέγχου θέσης γενικά σε εκτυπωτές, σχεδιογράφους, μονάδες ανάγνωσης (δίσκοι), συστήματα αριθμητικού ελέγχου (CNC), ρομπότ, φωτοτυπικά μηχανήματα, σε εξοπλισμούς δορυφόρων, διαστημικά οχήματα, ιατρικά όργανα, κάμερες, κ.λ.π.. 4 ΠΙΕΖΟΗΛΕΚΤΡΙΚΟΙ ΚΙΝΗΤΗΡΕΣ ΥΠΕΡΗΧΗΤΙΚΟΥ ΚΥΜΑΤΟΣ (ULTRASONIC) Ο πιεζοηλεκτρικός κινητήρας (Ultrasonic Motor USM) αποτελεί ένα είδος ηλεκτρικού κινητήρα του οποίου η λειτουργία στηρίζεται στην ιδιότητα κάποιων κρυστάλλων να ασκούν μηχανική πίεση ή να ταλαντώνονται όταν οι τελευταίοι βρεθούν υπό τάση ή και το αντίστροφο. Ο στάτης του κινητήρα αποτελείται από πιεζοηλεκτρικά στοιχεία τα οποία διεγείρονται από δύο υψίσυχνες τάσεις (Ueha S., 1989). Η συχνότητα αυτών είναι πάνω από την ακουστική (> 20kHz), γεγονός που αιτιολογεί και την ονομασία του κινητήρα. Λόγω των ιδιοτήτων των πιεζοηλεκτρικών στοιχείων, εφαρμογή ενός εναλλασσόμενου ηλεκτρικού πεδίου μπορεί να προκαλέσει διαδοχικές συστολές και διαστολές τους, ο κατάλληλος συντονισμός των οποίων οδηγεί σε προσανατολισμένη κίνηση. Παρά το γεγονός ότι το μέγεθος των ταλαντώσεων των κεραμικών είναι της τάξης των μm, οι ταχύτητες στις οποίες δύναται να λειτουργεί ο κινητήρας είναι αρκούντως ικανοποιητικές (120 min -1 ), γεγονός που οφείλεται στο μηχανικό συντονισμό των στοιχείων του στάτη και στις ιδιαιτέρως υψηλές συχνότητες ταλάντωσης αυτών. Στο σχήμα 4 παρουσιάζονται η δομή και η αρχή λειτουργίας των κινητήρων αυτής της κατηγορίας. α) β) Σχήμα 4. α) Δομή και β) αρχή λειτουργίας πιεζοηλεκτρικού κινητήρα οδεύοντος κύματος (Toshiiku Sashida, 1993).

6 Δύο είναι οι μεγάλες κατηγορίες στις οποίες μπορούν να ενταχθούν οι κινητήρες USM ανάλογα με τη λειτουργία τους. Οι γραμμικοί και οι περιστροφικοί. Ανάλογα με το είδος της διέγερσης διαχωρίζονται στους κινητήρες: απλής ταλάντωσης (Single vibration mode) και διπλής ταλάντωσης (Double vibration mode) (Toshiiku Sashida, 1993). Το σπουδαιότερο πλεονέκτημα των κινητήρων τύπου ultrasonic είναι το γεγονός ότι δεν δημιουργούν μαγνητικό πεδίο και αλληλεπιδρούν ελάχιστα με εξωτερικά μαγνητικά πεδία. Το γεγονός ότι οι κινητήρες οδεύοντος κύματος παρέχουν υψηλή ροπή σε χαμηλή ταχύτητα, απαλλάσσει το εκάστοτε κινητήριο ή μικροκινητήριο σύστημα που θα χρησιμοποιούνταν για μείωση της ταχύτητας (π.χ. σύστημα γραναζιών). Με τον τρόπο αυτό μειώνεται ο όγκος των κατασκευών στις οποίες ενσωματώνονται, κάνοντάς τους αρκετά εύχρηστους. Εξαιτίας της διαρκούς πίεσης μεταξύ στάτη και δρομέα, ο USM παρουσιάζει υψηλή ροπή συγκράτησης, η οποία λειτουργεί ουσιαστικά ως φρένο, μόλις σταματήσει η τροφοδοσία του κινητήρα. Επίσης, λόγω της χαμηλής αδράνειάς του έχει γρήγορη απόκριση, χαρακτηριστικό που προοιωνίζει εύκολο έργο ελέγχου. Ως εκ τούτου, σε συνδυασμό με το χαμηλό τους βάρος και κόστος καθώς και τη μικρή κατανάλωση ενέργειας, η NASA ήδη χρησιμοποιεί πιεζοηλεκτρικούς κινητήρες οδεύοντος κύματος για εφαρμογές τηλερομποτικής (H. Das, 1999). 5 ΗΛΕΚΤΡΟΣΤΑΤΙΚΟΙ ΚΙΝΗΤΗΡΕΣ Αν και οι περισσότεροι κινητήρες που συναντώνται στις διάφορες εφαρμογές βασίζουν τη λειτουργία τους σε μαγνητικά φαινόμενα, στις διατάξεις μικρομετρικής κλίμακας διαφαίνεται μια σαφής προτίμηση στην κατασκευή ηλεκτροσταστικών κινητήρων. Το γεγονός αυτό οφείλεται στην κατασκευή των ηλεκτροστατικών κινητήρων μικρομετρικής κλίμακας λόγω των περιορισμών στους οποίους υφίσταται η τρέχουσα τεχνολογία κατασκευής των ηλεκτρομαγνητικών κινητήρων. Πιο συγκεκριμένα, οι περιορισμοί αφορούν τη δυνατότητα κατασκευής τυλιγμάτων πολύ μικρών διαστάσεων. Ειδικότερα, οι περιορισμοί αυτοί οφείλονται στη μείωση της δυνατότητας παραγωγής έργου των ηλεκτρομαγνητικών κινητήρων σε σχέση με τους ηλεκτροστατικούς, όταν οι διαστάσεις τους μειώνονται κάτω από ένα κρίσιμο μέγεθος. Οι ηλεκτροστατικοί κινητήρες μικρομετρικής κλίμακας λειτουργούν με βάση τη δράση των δυνάμεων Coulomb που εμφανίζονται στο διάκενο μεταξύ στάτη και δρομέα. Το ηλεκτροστατικό πεδίο που παράγεται μεταξύ στάτη και δρομέα ασκεί δυνάμεις Coulomb και προσπαθεί να τους ευθυγραμμίσει, με αποτέλεσμα την παραγωγή μιας ομαλής ηλεκτροστατικής ροπής στον άξονα του δρομέα. Το έργο που παράγεται εξαρτάται από την αποθηκευμένη ενέργεια μεταξύ στάτη και δρομέα. Η ενέργεια αυτή είναι ευθέως ανάλογη με τη χωρητικότητα μεταξύ του στάτη και του δρομέα και αντιστρόφως ανάλογη προς το μήκους του διακένου. Στο σχήμα 5 φαίνεται σχηματικά η δομή ενός ηλεκτροστατικού κινητήρα. Σχήμα 5. Δομή ενός ηλεκτροστατικού κινητήρα (Irudayaraj, S.S., 2005). Ένα θετικό χαρακτηριστικό των ηλεκτροστατικών κινητήρων είναι η δυνατότητα μαζικής κατασκευής τους με λιθογραφικές μεθόδους (LIGA), παρόμοιες με αυτές που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή ολοκληρωμένων κυκλωμάτων. Ένα πρόβλημα που παρουσιάζεται λόγω της μεγάλης απαιτούμενης τάσης λειτουργίας στους ηλεκτροστατικούς κινητήρες, είναι η αδυναμία ενσωμάτωσης, με την παρούσα τεχνολογία, των διατάξεων οδήγησης στο ίδιο ολοκληρωμένο κύκλωμα (Irudayaraj, S.S., 2005).

7 Μέχρι στιγμής οι κινητήρες μικρομετρικής κλίμακας δεν έχουν ιδιαίτερα ευρεία εφαρμογή, όμως πρόκειται για μια τεχνολογία υπό ανάπτυξη, η οποία υπόσχεται πολλά για το μέλλον. Οι μελλοντικές εφαρμογές των κινητήρων αυτών δείχνουν να είναι αξιόλογες κυρίως στον ιατρικό τομέα όπως στις αντλίες εγχύσεως φαρμάκων, στα χειρουργικά εργαλεία, κ.λ.π. 6 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Στον πίνακα που ακολουθεί γίνεται μια σύντομη περιγραφή και κατηγοριοποίηση των βασικών τύπων των κινητήρων που χρησιμοποιούνται στα συστήματα ρομποτικής. Πίνακας 1. Συγκεντρωτικός πίνακας των ηλεκτρικών κινητήρων που χρησιμοποιούνται στη Ρομποτική. Παραδείγματα Τύπος κινητήρων Αρχή λειτουργίας Χαρακτηριστικά εφαρμογών στην Ρομποτική Α) Α) Διατήρηση της ταχύτητα τους Αυτόνομα τροχοφόρα Ηλεκτρομαγνητικοί Σύγχρονοι Μαγνητικό πεδίο ανεξαρτήτως του φορτίου. ρομπότ κινητήρες Β) Βηματικοί Β) Υψηλή ροπή συγκράτησης. Ρομποτικοί βραχίονες Πιεζοηλεκτρικοί κινητήρες Ηλεκτροστατικοί κινητήρες Πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο Ηλεκτροστατικό πεδίο i) Ελάχιστη αλληλεπίδραση με εξωτερικά μαγνητικά πεδία. ii) Υψηλή ροπή σε χαμηλή ταχύτητα => αποφυγή μειωτήρων γραναζιών. i) Δυνατότητα παραγωγής έργου κάτω από ένα κρίσιμο όγκο κινητήρα. ii) Παραγωγή κινητήρων μέσω λιθογραφικών μεθόδων. Εφαρμογές τηλερομποτικής διαστημικές εφαρμογές Ιατρικές εφαρμογές στα χειρουργικά εργαλεία. Στην παρούσα εργασία, παρουσιάζονται οι αρχές λειτουργίας των ηλεκτρικών κινητήρων που χρησιμοποιούνται στα ρομποτικά συστήματα και αναδεικνύονται τα ιδιαίτερα τεχνικά και κατασκευαστικά χαρακτηριστικά τους. Επιπρόσθετα, αναφέρονται ο τρόπος τροφοδοσίας και οδήγησης του κάθε κινητήρα καθώς και οι χρήσεις τους σε διάφορες εφαρμογές στη ρομποτική. Τέλος, παρουσιάζονται οι προοπτικές για χρήση ηλεκτροστατικών κινητήρων μικρομετρικής κλίμακας σε ρομποτικά συστήματα. 7 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ Δημοσίευση σε Πρακτικά συνεδρίων: H. Das, X. Bao, Y. Bar-Cohen, R. Bonitz, R. Lindemann, M. Maimone, I. Nesnas, C. Voorhees (1999), Robot manipulator technologies for planetary explorations, 6 th Annual International Symposium on Smart Structures and Materials, Newport Beach, CA. Irudayaraj, S.S., Emadi, A., (2005), Micromachines: principles of operation, dynamics and control, Conference on Electric Machines and Drives, 2005 IEEE International. Ueha S. (1989), Present Status of Ultrasonic Motors, IEEE Symposium pg Vol2. Βιβλία: Ν. Ασπράγκαθος (1998), «Μηχανική, έλεγχος και προγραμματισμός των βιομηχανικών ρομπότ», Εκδόσεις Πανεπιστημίου Πατρών. Χ. Α. Μαδεμλής (2010), Σερβοκινητήρια συστήματα επαγωγικοί κινητήρες και σύγχρονοι κινητήρες μόνιμου μαγνήτη, Εκδόσεις Τζιόλα. A. N. Σαφάκας (2010), «Ηλεκτρικές Μηχανές Β», Εκδόσεις Πανεπιστημίου Πατρών. A. N. Σαφάκας Ε. Μητρονίκας (2009) «Κινητήρες Μικρής Ισχύος δομή και λειτουργία», Εκδόσεις Πανεπιστημίου Πατρών. F. Khorrami, P. Krishnamurthy, H. Melkote (2003), Modeling and Adaptive Nonlinear Control of Electric Motors (Power Systems), Springer Verlag. R.H. Bishop (2002), The Mechatronics Handbook, CRC Press. I. Boldea, Syed A. Nasar (1992), Vector Control of AC Drives, CRC Press. J. Chiasson (2005), Modeling and High-Performance Control of Electric Machines, IEEE Press Series on Power Engineering. Toshiiku Sashida, Takashi Kenjo (1993), "An introduction to Ultrasonic Motors", Oxford Science Publications, Clarendon Press, Oxford.