Hidrauličke komponente u robotskim sustavima

Hidraulički roboti nekad i danas

Prvi industrijski robot, uveden u automobilsku industriju početkom šezdesetih godina 20. stoljeća za posluživanje stroja za tlačni lijev, imao je hidraulički pogon. To nije bio slučaj: tadašnji električni motori i njihovo upravljanje nisu mogli u malom volumenu dati velike momente uz mirno i precizno gibanje, a hidraulika je to mogla. Tijekom sedamdesetih godina hidraulički roboti nosili su teške alate za točkasto zavarivanje, posluživali preše i kovačke strojeve. Roboti za bojanje bili su dugo hidraulički iz još jednog razloga: u prostoru s parama otapala hidraulički zglob ne stvara iskru, pa je sam po sebi pogodan za eksplozijski ugroženo područje.

Pojavom izmjeničnih servomotora s permanentnim magnetima, harmoničnih i cikloidnih reduktora te digitalnih regulatora, tijekom osamdesetih i devedesetih godina električni pogon potisnuo je hidrauliku iz gotovo svih industrijskih robota. Električni robot je čišći (nema ulja), tiši, energetski učinkovitiji pri djelomičnom opterećenju, lakši za održavanje i točniji. Za robote nosivosti do nekoliko stotina kilograma električni pogon danas je pravilo.

Hidraulika je ipak ostala ondje gdje su tereti vrlo veliki ili gdje robot mora podnijeti udarce, vodu, prašinu i vanjske uvjete:

• manipulatori za kovačnice i ljevaonice koji drže užarene otkovke od nekoliko tona;
• roboti za rušenje i građevinski manipulatori na gusjenicama, upravljani na daljinu, s hidrauličkim čekićem ili škarama;
• šumarski i utovarni hidraulički kranovi na kojima se sve više uvodi poluautomatsko vođenje vrha;
• podvodni manipulatori na daljinski upravljanim ronilicama;
• nogati roboti i egzoskeleti za nošenje velikih tereta, u istraživanju i u posebnim primjenama;
• simulatori gibanja i ispitni uređaji s hidrauličkim cilindrima u platformi sa šest stupnjeva slobode.

Gustoća sile i snage

Glavna prednost hidraulike je gustoća sile. Tlak od 160 bar znači 16 N na svaki kvadratni milimetar klipa. Cilindar HP-1 promjera 80 mm pri tom tlaku razvija 80,4 kN, a cilindar promjera samo 40 mm 20,1 kN. Pneumatski cilindar pri 6 bar daje 0,6 N/mm², dakle za istu silu treba približno 27 puta veću površinu klipa, odnosno oko 5,2 puta veći promjer.

Kod električnih strojeva sličnu ulogu kao tlak ima tangencijalno naprezanje u zračnom rasporu između rotora i statora, tj. sila po jedinici površine rotora. Ono je kod servomotora reda veličine desetaka kPa, dok je tlak u hidraulici reda desetaka MPa. Omjer je, dakle, reda nekoliko stotina puta. Električni motor tu razliku nadoknađuje brzinom vrtnje: vrti se tisućama okretaja u minuti, a reduktor smanjuje brzinu i povećava moment. Reduktor pritom dodaje masu, zračnost ili podatnost i gubitke.

Snaga je umnožak sile i brzine, odnosno kod hidraulike tlaka i protoka:

P = F · v = p · Q

Za protok 10 l/min pri 160 bar hidraulička snaga iznosi 160 · 10⁵ Pa · (10 / 60 000) m³/s = 2 667 W. Ako cilindar koji tu snagu predaje ima masu 4 kg, gustoća snage aktuatora je oko 670 W/kg. Električni pogon zgloba istog momenta i iste brzine, uzmimo servomotor s reduktorom ukupne mase 25 kg, predaje na izlazu istu snagu, dakle oko 107 W/kg. Te su vrijednosti ilustrativne, ali red veličine odgovara stvarnosti: hidraulički aktuator je za istu snagu nekoliko puta lakši.

Hidraulički zglob: od sile cilindra do momenta

Kod hidrauličkih manipulatora zglobovi se najčešće pokreću cilindrima, a rjeđe hidrauličkim zakretnim motorima (zakretnim aktuatorima s krilcem ili zupčastom letvom). Cilindar je jeftin, robustan i lako se brtvi, ali stvara pravocrtnu silu koja se na zglobu pretvara u moment preko kraka.

Moment na zglobu je

M = F · r = p · A · η_m · r

gdje je r okomita udaljenost osi cilindra od osi zgloba. Krak r nije stalan: mijenja se sa zakretom zgloba. Ako je stražnja točka cilindra na udaljenosti a od zgloba, a prednja na udaljenosti b, uz kut γ između tih dviju spojnica i trenutačnu duljinu cilindra l, vrijedi

l = √(a² + b² − 2 · a · b · cos γ)    r = a · b · sin γ / l

Uzmimo a = 250 mm i b = 200 mm. Pri γ = 60° krak iznosi 189 mm, pri 90° 156 mm, a pri 120° samo 111 mm. Isti cilindar pri istom tlaku daje dakle na zglobu u jednom krajnjem položaju 70 % više momenta nego u drugom. Konstruktor zato bira položaj točaka ovjesa tako da je krak najveći ondje gdje je moment tereta najveći, obično kad je krak manipulatora vodoravan.

I brzina se prenosi preko kraka: kutna brzina zgloba je ω = v / r, a brzina klipa v = Q / A. Uz stalan protok zglob se, dakle, giba brže kad je krak r malen. Za precizna gibanja krak manipulatora se vodi proporcionalnim ili servorazvodnikom (jedinice 7.3 i 7.4) uz davač kuta na zglobu i davače tlaka u komorama cilindra, pa regulator može upravljati i položajem i silom.

Za vertikalne zglobove koji nose teret obavezni su kočni ventili (ventili za držanje tereta, engl. counterbalance) postavljeni izravno na cilindar. Oni sprječavaju da teret sam spusti krak kad razvodnik propušta ili kad pukne crijevo, a pri spuštanju stvaraju protutlak pa se teret ne može „otrgnuti". Kod dizalica i manipulatora iznad ljudi dodaju se i ventili za pucanje cijevi koji zatvore vod ako protok naglo poraste.

Nogati roboti i egzoskeleti

Nogati robot pri svakom koraku udara o tlo silama koje su višestruko veće od njegove težine, a mora ih prigušiti u nekoliko desetaka milisekundi. Hidraulički cilindar s brzim servorazvodnikom to podnosi bez oštećenja: višak energije preuzme ulje i sigurnosni ventil, a nema reduktora čiji bi se zubi lomili. Zato su najpoznatiji istraživački četveronožni roboti za nošenje tereta i prvi dinamički humanoidni roboti koji su trčali i skakali bili hidraulički. Imali su vlastiti agregat: kod četveronožnih nosača tereta crpku je pogonio motor s unutarnjim izgaranjem, a kod humanoida elektromotor iz baterije.

Tehnologija takvih nogu je zanimljiva i za strojarsku praksu: blokovi s kanalima, servorazvodnici i cilindri izrađuju se kao jedan dio, često aditivnom proizvodnjom od titana ili aluminija. Kanali prate oblik noge, nema crijeva ni spojnica koje bi mogle propuštati, a masa se smanjuje. Senzori tlaka u komorama služe kao senzori sile, pa regulator zna kolikom silom noga pritišće tlo.

Nedostatci su poznati: buka agregata, rizik curenja ulja, grijanje i niska ukupna učinkovitost jer servorazvodnik stalno prigušuje protok. Zbog toga je u novijim humanoidnim robotima prevladao električni pogon s kompaktnim reduktorima, a hidraulika ostaje kod robota za vrlo teške terete.

Egzoskeleti su nosive strukture koje pojačavaju snagu ljudskih udova. Pasivni industrijski egzoskeleti koriste opruge ili plinske opruge i ne trebaju izvor energije. Aktivni egzoskeleti za podizanje velikih tereta mogu imati hidrauličke cilindre uz zglobove koljena, kuka i ramena, jer oni daju veliku silu uz malu masu na samom udu. Agregat i baterija nose se na leđima ili na pratećem vozilu. Kod egzoskeleta posebno je važna sigurnost: zglob ne smije nikad pokrenuti ud izvan prirodnog raspona gibanja, pa se ograničava mehanički, sigurnosnim ventilom i programom.

Podvodni i građevinski manipulatori, hvatala velikih sila

Podvodni manipulatori na daljinski upravljanim ronilicama gotovo su uvijek hidraulički. Električni motor pod vodom treba skupo brtvljenje i kućište otporno na tlak, a hidraulički cilindar je ionako ispunjen uljem. Spremnik ulja je izveden kao kompenzator s elastičnom membranom ili oprugom na koju djeluje okolni tlak mora; tlak ulja tako je uvijek nešto veći od okolnog, pa u slučaju oštećenja brtve ulje izlazi van, a morska voda ne ulazi unutra. Na dubini od 1 000 m okolni tlak iznosi oko 100 bar, ali to ne opterećuje brtve jer je razlika tlakova mala. Koriste se biorazgradiva ulja ili sustavi na morsku vodu.

Građevinski manipulatori, npr. roboti za rušenje na gusjenicama, hidraulički su jer rade s alatima koji traže velike sile i protoke: hidraulički čekić, škare za beton, drobilica. Radni tlakovi su 200–250 bar, a operater upravlja na daljinu, izvan zone opasnosti. U građevinskim i šumarskim strojevima sve se više koriste elektrohidraulički upravljački razvodnici, senzori kuta na svakom zglobu i upravljanje vrhom kraka: operater zadaje gibanje vrha, a regulator sam raspodijeli gibanje na više cilindara, isto kao kod industrijskog robota.

Hidraulička hvatala velikih sila koriste se kad pneumatsko hvatalo ne može dati dovoljnu silu u prihvatljivom volumenu: za odljevke i otkovke, bubnjeve i bale, trupce, betonske blokove, u kovačkim manipulatorima s kliještima za užareni materijal. Hidrauličko hvatalo promjera klipa 40 mm pri 160 bar daje silu 20,1 kN; pneumatskom hvatalu pri 6 bar za istu silu trebao bi klip promjera oko 207 mm. Hidraulička hvatala moraju imati zaporni nepovratni ventil (deblokirajući nepovratni ventil, jedinica 6.6) koji zadrži silu hvatanja i kad nestane tlaka, jer ispuštanje tereta od nekoliko stotina kilograma nije prihvatljivo.

Elektrohidraulički kompaktni aktuator (EHA)

Klasičan hidraulički sustav ima jedan agregat stalnog tlaka iz kojeg razvodnici prigušivanjem uzimaju protok za pojedine cilindre. Prigušivanje je gubitak energije koji se pretvara u toplinu. Elektrohidraulički kompaktni aktuator (engl. electro-hydrostatic actuator, EHA) povezuje servomotor, crpku, mali spremnik ili akumulator i cilindar u jednu zatvorenu jedinicu. Nema središnjeg agregata ni dugačkih crijeva; do aktuatora vode samo električni kabeli za napajanje i komunikaciju.

Brzinu i smjer gibanja cilindra ne određuje razvodnik, nego brzina i smjer vrtnje servomotora. Crpka je reverzibilna (obično zupčasta s unutarnjim ozubljenjem ili aksijalno-klipna) i tlači ulje izravno u komoru A ili B. Kad cilindar miruje, motor miruje ili se vrti tek toliko koliko je potrebno za održavanje sile, pa gubitaka prigušivanja gotovo nema. Budući da diferencijalni cilindar ima različite volumene komora, razliku preuzima mali akumulator ili spremnik s nepovratnim ventilima za dopunjavanje. Sigurnosni ventili štite obje strane od preopterećenja.

Prednosti EHA su visoka učinkovitost, malo ulja (često samo nekoliko litara ili manje), nema crijeva, laka ugradnja i jednostavno spajanje na upravljački sustav jer se aktuator ponaša kao električni pogon s enkoderom. EHA se primjenjuje u upravljanju letjelicama, u prešama s električnim upravljanjem gibanja, u teškim manipulatorima i sve više u zglobovima robota koji trebaju veliku silu. Nedostatci su veća cijena po jedinici snage od jednostavnog cilindra na središnjem agregatu i slabije hlađenje jer je volumen ulja malen, pa se pri trajnom radu mora paziti na temperaturu.

Računski prikaz: moment i gustoća snage hidrauličkog zgloba

Prikaz računa silu cilindra F = p · A, moment na zglobu M = F · r, hidrauličku snagu P = p · Q i gustoću snage aktuatora P / m. U poruci se ista izlazna snaga uspoređuje s gustoćom snage električnog pogona zadane mase (servomotor s reduktorom koji daje isti moment i istu kutnu brzinu). Stupanj djelovanja cilindra zanemaren je radi jednostavnosti.

Za zadane vrijednosti (cilindar Ø40 mm, 160 bar kao kod HP-1, krak 120 mm, protok 10 l/min) cilindar daje 20 106 N, a moment na zglobu iznosi 2 413 N·m. Brzina klipa je 0,133 m/s, kutna brzina zgloba 1,11 rad/s (oko 63°/s), a snaga 2 667 W. Uz masu cilindra 4 kg gustoća snage je 667 W/kg. Električni pogon koji bi dao isti moment preko reduktora s omjerom 120 i stupnjem djelovanja 0,75 trebao bi motor momenta 26,8 N·m pri 1 267 min⁻¹, dakle ulaznu snagu oko 3,56 kW; uz masu motora i reduktora 25 kg njegova izlazna gustoća snage je samo 107 W/kg. Ako bi se zglob napajao cijelim agregatom HP-1 (22,0 l/min), brzina klipa porasla bi na 0,292 m/s i snaga na oko 5,9 kW, ali bi se masi aktuatora morala pridodati i masa agregata.

Ključni pojmovi

Provjeri se

Kratka provjera prije prelaska na sljedeću jedinicu. Odgovor se potvrđuje klikom, a obrazloženje se prikazuje odmah.