Robot Bilimi Robot Aktüatörler (Çıkış Elemanları, Uygulayıcılar) Öğr. Gör. M. Ozan AKI r1.0
Robot Aktüatörler Aktüatör, İngilizce act (eylem, işini yapmak) kelimesinden gelmektedir Robotun fiziksel olarak bir eylemi yerine getirmesini sağlayan elemanlardır. Aktüatörler, kontrol elemanı tarafından verilen komutları yerine getiren çıkış elemanlarıdır.
Robot Aktüatörler Bir robotta aktüatörler; İş yapan robot kolu, Tutmayı sağlayan mekanik el, tutaç Yürümeyi sağlayan mekanik bacak İlerlemeyi sağlayan tekerlek, palet Uçmayı sağlayan pervaneler
Robot Aktüatörler Robotta kullanılan tüm aktüatörlr bir mekanik hareket sonucu iş görürler Bu mekanik hareketi meydana getiren güç kaynakları şunlardan biri ya da birkaçı olabilir; Elektrik Pnömatik (Sıkıştırılmış hava ile çalışır) Hidrolik (Basınçlı yağ ile çalışır)
Elektrikli Aktüatörler Robotlarda en çok tercih edilen aktüatör tipi, elektrikle çalışan aktüatörlerdir. Bir robotta kullanılan elektrikle çalışan aktüatörler şu şekilde sıralanabilir; Elektrik Motorları o DC Motorlar (Doğru Akım Motorları) o Step Motorlar (Adım Motorları) o Servo Motorlar (Geri beslemeli motorlar) Selonoid Aktüatörler (Ani Doğrusal hareket) Nitinol (Yapay Kas, Yavaş Doğrusal Hareket) Piezoelektrik Kristal Elektroaktif Polimerler (EAPs)
DC (Doğru Akım) Motorları Doğru akımla çalışan motorlardır. Dış kısmında sabit manyetik alan (mıknatıs, bobin) ve içindeki döner kısımda karşıt manyetik alan oluşturan endüvi vardır. http://www.youtube.com/watch?v=opl0joqjmqy
DC (Doğru Akım) Motorları (+) ve (-) uçları yer değiştirildiğinde dönüş yönü değişir. Bu tip motorların devir hızı, uçlarına uygulanan gerilimle, dolayısıyla motor üzerinden geçen akımla doğru orantılıdır.
Redüktör DC motorlar, düşük devirlerde, üzerinden geçen akım da düşük olduğundan dolayı döndürme momentleri oldukça zayıftır ve bu halde bir tekerleği döndüremez, robotu ilerletemezler. Bunun için redüktör denilen, bir çeşit arabalardaki vites kutusuna karşılık gelen dişli sistemi kullanılır. Redüktörler, Tork (Döndürme Momenti) ve Hız arasında ters orantılı dönüştüm yapan dişli sistemleridir.
Redüktör Redüktörler, kullandıkları dişli oranlarına göre, düşen devir hızına karşılık döndürme momentini arttırlar.
Redüktörlü DC Motor Üzerine entegre edilmiş redüktörü olan DC Motorlara redüktörlü DC motorlar adı verilmektedir. Bu şekilde, hızdan fregat edilerek, düşük hızlarda da yüksek tork sağlanarak robotların düşük hızlarda ilerleyebilmesi sağlanmaktadır. Yüksek hız, özellikle araştırma ve eğitim robotlarında zaten istenen bir durum değildir. Zira robotun ataletinden dolayı kontrolü zorlaşır, hızlı tepki için çok daha güçlü işlemci gerektirir.
Redüktörlü DC Motor Redüktörlü motorlar, çıkış milinin RPM (Revolution Per Minute Dakikadaki Devir Sayısı) cinsinden devir sayısına göre satılmaktadır.
DC Motorların Kontrolü DC Motorların iki parametresinin kontrolü söz konusudur; 1. Devir yönü 2. Devir Hızı DC motorların kontrolünü sağlamak için elektronik devre elemanları ile bazı özel bağlantı türleri kullanılmaktadır.
DC Motorların Devir Yönü Kontrolü Yarım H Köprüsü Simetrik besleme kaynağına ihtiyaç vardır.
DC Motorların Devir Yönü Kontrolü Yarım H Köprüsü Mikrodenetleyici ile kontrol edebilmek için birer transistör ile anahtarlanır.
DC Motorların Devir Yönü Kontrolü H Köprüsü Tekil güç kaynağı ile çalışabilir http://www.youtube.com/watch?v=0lxrw-tvkcg
DC Motorların Devir Yönü Kontrolü H Köprüsü Mikrodenetleyici ile kontrol edebilmek için birer transistör ile anahtarlanır.
DC Motorların Devir Hızı Kontrolü Bir DC Motorun devir hızını kontrol etmek için üzerinden geçen akımı, dolayısıyla uçlarına uyguladığımız gerilimi kontrol ederiz. Bunun için PWM (Pulse Width Modulation) kullanılır. PWM, bir mikrodenetleyici tarafından kolaylıkla üretilebilmektedir. Bu nedenle yaygın olarak kullanılır.
PWM (Pulse Width Modulation) Sabit bir zaman periyodu boyunca, çıkışın açık ve kapalı kalma sürelerinin ayarlanmasıdır http://www.youtube.com/watch?v=lf7jjaazxeu
PWM (Pulse Width Modulation) Bir mikrodenetleyici ile kontrol edilebilmesi için transistör ile anahtarlanır.
DC Motor Devir Yönü ve Hız Kontrolü DC Motorun devir yönü ile birlikte hızını kontrol etmek için H köprüsü ve PWM aynı anda kullanılır
DC Motor Devir Yönü ve Hız Kontrolü Ya da bu işi yapan hazır entegre ve modül kullanılabilir Bu modüllerde, L293 yada L298 Motor sürücü entegreleri kullanılmaktadır.
Step Motorlar Step motorlarda, DC motorların tersine, sabit mıknatıs dönen kısımdadır. Dış kısımdaki her bir manyetik kutup bobini uçları dışarıya bağlantı ucu olarak çıkarılmıştır
Step Motorlar Her bir kutup bobini enerjilendiğinde, dönen kısımdaki zıt kutbu kendisine çeker ve tam önüne geldiğinde durur.
Step Motorlar Dönme hareketine devam edebilmek için, her bir kutup bobini sırasıyla sürekli olarak tetiklenerek dönüş sağlanır. http://www.youtube.com/watch?v=dmk6zikj7wm
Step Motorlar Bir mikrodenetleyici ile kontrol edilebilmesi için, step motorun her bir bobini bir transistör ile anahtarlanır.
Step Motorlar Ya da hazır motor sürücü entegrelerinden biri kullanılır
Step Motorlar Ya da hazır motor sürücü modülü kullanılabilir
Step Motorlar Step Motorların en büyük avantajı; Her bir adımı kontrollü olarak verdiğimizden, Ve her bir adımın, motor milini kaç derece döndürdüğünü bildiğimizden, Geri besleme olmadan motor mili pozisyonunu ve motor hızını istediğimiz gibi kontrol edebiliriz. Step Motorun Dezavantajı ise; Motor milinin dış etkiyle dönmesini engellemek için motor duruyor olsa bile sürekli enerjili olması gerektiğidir. Bu nedenle durduğu yerde bile sürekli enerji harcar ve ısı üretir. Mobil robotlar için pek uygun değildir.
Servo Motorlar Servo motorlar, aslında geri beslemeli DC motordur. Geri besleme sayesinde motor milinin pozisyonu ve hızı tam olarak bilinebilmektedir. Bu şekilde, bir hareketi kesin bir mesafede yapmak mümkün olabilmektedir. Servo motorlar, motor kontrol ve geri besleme devreleriyle birlikte bütünleşik DC motorlardır.
Servo Motorlar Geri besleme elemanı olarak, çıkış miline bağlı bir potansiyometre kullanılmaktadır. Kontrol devresi, potansiyometreden okunan gerrilim ile girişten uygulanan gerilim arasındaki fark sıfır oluncaya kadar motoru ilgili yöne döndürür. http://www.youtube.com/watch?v=fkj9jjgj8pc
Servo Motorlar Sınırlı açısal harekete sahip modelleri, çoğunlukla uçak kanat açıları, pervane açıları, ya da robot kol dirsek açıları, tutma elinin kontrolü gibi kısıtlı harekete sahip yerlerde kullanılmaktadır.
Servo Motorlar Bir servo motorun üç adet bağlantı ucu vardır. Bu uçlardan ikisi (+) ve (-) besleme uçlarıdır. Diğer uç ise, pozisyon ayarlama giriş ucudur.
Pozisyon giriş ucundan; Servo Motorlar 0V verildiğinde; servo mil pozisyonu sıfır noktasına gider 5V verildiğinde; servo mili maksimum noktasına gider, 2.5V verildiğinde, servo mili tam orta pozisyondadır. Bu şekilde, girişe verilen tüm orantılı gerilimlere karşılık ilgili pozisyona konumlanır.
Servo Motorlar Bu gerilimleri, bir mikrodenetleyici ile kontrol edebilmek için yine PWM kullanılır. Ancak bu kez PWM, 0 ile 5V arasında orantısal gerilim elde etmek için kullanılır.
Servo Motorlar Servo motorlar, PWM çıkışı üretebilen herhangi mikrodenetleyici ya da modül ile kolayca kullanılabilir.
Selonoid Aktüatörler Kısa mesafeli, ani doğrusal hareket gerektiren yerlerde kullanılanılan çıkış elemanıdır. http://www.youtube.com/watch?v=hsoggqoog4s
Selonoid Aktüatörler Ortası boş bir bobinden meydana gelmiştir. Bobin enerjilendiğinde, oluşan manyetik alan demir mili bu boşluğun içerisine doğru çeker.
Selonoid Aktüatörler Bir mekanik hareketi başlatmak, durdurmak, kilitlemek ya da çözmek için, robotlarda bir malzemeyi tutmak ya da bırakmak için kullanılan mekanizmaya hareket sağlamak amacıyla kullanılabilir.
Selonoid Aktüatörler Selonoid bobini, bir mikrodenetleyici ile kontrol etmek için, bir transistör ya da röle ile anahtarlanabilir
Nitinol Alaşım Cisimlerin sıcaklıkla genleşmesi prensibine dayanır. Bir tel, ısındıkça boyu uzar, soğudukça kısalır. Üzerinden akım geçen bir tel ise ısınır. Buradan hareketle, bir tele kontrollü bir şekilde elektrik akımı verilerek telin uzaması kontrol edilebilir. Nitinol, bu etkiyi en iyi gözterebilen «şekil hafızalı» bir alaşımdır. http://www.youtube.com/watch?v=2yvwpbaia1a
Nitinol Alaşım Nitinol, soğukken şekli değiştikten sonra, ısıtıldığında orijinal şekline geri döner.
Nitinol Alaşım Bu uzama ve kısalma etkisi, mekanik bağlantılarla açısal harekete dönüştürülebilir; http://www.youtube.com/watch?v=k9f-w6xi_wo http://www.youtube.com/watch?v=6ufuoyhc_yq
Piezo-Electric Kristal yapıdaki bu madde, potansiyel elektrik gerilimi altında şekli değişir. Ya da, tersine, şekli değiştirildiğinde, uçlarında gerilim üretir.
Piezo-Electric Günlük hayatımızdaki en bariz örneği, manyetolu çakmaklardır. Piezo kristal üzerine uygulanan ani darbe, kristalik yüksek bir gerilim üretmesini sağlar. Bu gerilim kıvılcımı oluşturarak gazı ateşler. http://www.youtube.com/watch?v=daym8iet1o8
Piezo-Electric Cihazların «biip» şeklinde ses çıkarmasını sağlayan devre elemanıda bir piezo kristalidir. Uçlarına uygulanan yüksek frenakslı kare dalga, kristalin bu frenaksta titreşmesini sağlayarak, üzerinde bulunduğu geniş metal plakanın titreşerek hıpkı hoparlör gibi ses üretmesini sağlar. http://www.youtube.com/watch?v=1snc3ib10_4 http://www.youtube.com/watch?v=xz9ohqukgtq
Piezo-Electric Piezo kristalleri iki yönlü olduğundan, nasıl elektrik sinyallerini titreşime çeviriyorsa, titreşimleride elektrik sinyaline dönüştürebilmektedir. Bu haliyle, alarm sistemlerinde ve gitar ses vantuzlarında karşımıza çıkar. http://www.youtube.com/watch?v=aojucygmppe
Piezo-Electric Piezo kristalin uzama - kısalma etkisi kullanılarak piezoelektrik motorlar ve doğrusal hareket aktüatörleri üretilmiştir. http://www.youtube.com/watch?v=fhp95e-cwwq
Elektroactive Polymers (EAPs) Elektrik sinyalerine, şekil değiştirerek tepki veren bir çelit polimerdir. http://ndeaa.jpl.nasa.gov/nasa-nde/lommas/aa-hp.htm http://www.youtube.com/watch?v=s9ccqzabpu0