Desenvolupament i Caracterització d'un Accionament Rotatiu per a les Potes d'un Robot Caminador. Estudi de l'Eficiència Energètica
Authors:   , Roca Enrich Joan 
Published: September 2023

Els robots caminadors presenten alguns avantatges respecte als tradicionals robots mòbils amb rodes, que es resumeixen en major mobilitat i capacitat de superació d'obstacles. Un dels principals problemes actuals en el desenvolupament de robots caminadors és l'elevat consum energètic i la poca autonomia, com a conseqüència de l'elevada massa dels accionaments i del seu rendiment limitat.<br/><br/>Un primer objectiu d'aquesta tesi és desenvolupar i caracteritzar energèticament un accionament rotatiu per a les articulacions de la pota d'un robot caminador. Un cop desenvolupat aquest accionament s'analitza el comportament energètic global de la pota.<br/><br/>La pota dissenyada és de tipus insecte i l'aplicació considerada és un robot hexàpode. L'accionament rotatiu consta de tres elements: un motor de corrent continu, una transmissió per corretja dentada i un reductor Harmonic Drive&#61650;. El conjunt d'aquest reductor s'ha dissenyat específicament per a aquesta aplicació, i materialitza també l'enllaç de cada articulació de la pota.<br/><br/>Per tal de determinar els requeriments mecànics a les articulacions, s'ha portat a terme una simulació dinàmica del moviment de la pota. Aquesta simulació s'ha realitzat considerant que les articulacions del mecanisme són ideals. Les resistències passives d'aquestes es tracten posteriorment al analitzar el comportament del reductor. Els resultats obtinguts són els parells requerits a les diferents articulacions al llarg d'un cicle.<br/><br/>Amb l'objectiu de determinar el comportament real dels components de l'accionament, per a diferents condicions de funcionament, s'han plantejat i realitzat diverses sèries d'experiments. Per portar a terme els experiments ha estat necessària la construcció d'un prototipus de l'accionament. <br/><br/>A partir de les dades experimentals s'han definit uns models matemàtics que representen les resistències passives a cada component de l'accionament per a diferents condicions de funcionament. S'ha realitzat un ajust per mínims quadràtics per tal determinar els paràmetres dels models que millor ajusten els resultats a les dades experimentals.<br/><br/>Com que cada motor treballa com tal o com fre, segons la fase del moviment, s'ha analitzat en detall el funcionament d'una màquina elèctrica de corrent continu d'imants permanents, des del punt de vista de la conversió de potència elèctrica en mecànica i viceversa, en els 4 quadrants i tenint en compte els diferents modes de funcionament: com a motor, com a fre-generador i com a fre.<br/><br/>Posteriorment s'han definit uns models globals del comportament mecànic dels elements de transmissió de l'accionament: la corretja dentada i el reductor HD, que integren la modelització de les resistències passives i també inclouen la inèrcia de les parts mòbils de cada element.<br/><br/>Finalment s'ha realitzat la simulació dels tres accionaments d'una pota al llarg d'un cicle de l'anadura del robot, a partir dels requeriments de parell i velocitat angular a cada articulació i utilitzant els models dels elements definits anteriorment. L'objectiu és estimar l'energia intercanviada a cada element de l'accionament, avaluant per separat l'energia transmesa en sentit directe, des de l'alimentació del motor a la sortida del reductor, i en sentit invers. El resultat més important és l'estimació de l'energia elèctrica que cal subministrar a cada motor per cada cicle de moviment de la pota.<br/><br/>Dels diversos casos analitzats se'n treu la conclusió que l'energia elèctrica que cal subministrar als motors és sempre molt superior, de l'ordre de 30 vegades, a l'energia mecànica que l'accionament transmet a l'articulació. La despesa energètica dels motors depèn poc de les condicions de càrrega a les que està sotmesa la pota, en canvi el moviment que descriuen les articulacions al llarg del cicle hi té una influència important. Reduint el recorregut angular del moviment de les articulacions s'aconsegueix un considerable estalvi energètic, doncs disminueix l'energia dissipada per les resistències passives.
Walking robots have some advantages respect to the traditional mobile wheeled robots. These can be summarised in superior mobility and the capacity to overcome obstacles. One of the main problems in the development of walking robots is the high energy consumption and the low autonomy of operation, due to the high mass of the actuators and their limited efficiency.<br/><br/>A first objective of this thesis is to develop a rotary actuator, for the leg pin joints of a walking robot, and to characterize it energetically. Once the actuator is developed, leg global energetic performance is analysed.<br/><br/>The leg design is according to an insect type leg and the considered application is a hexapod robot. The rotary actuator consists of three elements: a DC electric motor, a synchronous belt transmission and a Harmonic Drive&#61650; gear reducer. Gear assembly has been particularly designed for this application, and integrates pin joint implementation.<br/><br/>In order to determine the mechanical specifications at the joints, a dynamic simulation of the leg movement has been carried out. For this simulation pin joints in the mechanism have been considered as ideal joints. Resistance to motion at the joints are taken into account later, when gear operation is analysed. Results from the simulation are the required torques at the different joints along a walking cycle.<br/><br/>Several series of experiments have been planned and carried out in order to work out the real behaviour of the actuator components under different working conditions. The construction of an actuator prototype has been necessary for the experimentation.<br/><br/>Then derived from the experimental data, mathematical models that estimate resistance to motion at every actuator component as a function of the working conditions, have been defined. Parameters in the models to best fit the experimental data have been identified by least square approximations.<br/><br/>Every DC motor works as a motor or as a brake depending on the movement stage. Therefore the operation of a permanent magnet DC electric machine has been analysed, from the point of view of the conversion of electrical power into mechanical and vice versa. This was performed taking into account the different operation modes: as a motor, as a brake-generator and as a brake.<br/><br/>Global models that represent the mechanical behaviour of the transmission components in the actuator have been defined: the synchronous belt and the HD gear. These models integrate resistance to motion estimation and also the inertia of the mobile parts of every element. <br/><br/>Finally, starting from the torque and angular velocity requirements at every joint and using the models of the elements described above, the simulation of the three actuators of a leg along a gait cycle of the robot has been carried out. The objective was to estimate the exchanged energy at every element of the actuator, separately calculating the transmitted energy in both directions: from the motor power supply to the output of the gear reducer and in reverse. The main result was the estimation of the electrical energy that must be supplied to every motor per leg movement cycle. <br/><br/>From the several cases that have been analysed, it can be concluded that the electrical energy that has to be supplied to the motors is always much higher, around 30 times higher, than the mechanical energy that the actuator transmits to the joint. Motor energetic consumption has low dependence on leg load condition, but pin joint movement along a cycle has a great influence on it. Reducing the angular run of pin joint movements is a way to obtain substantial energy savings, since it decreases the resistance to motion energy dissipation.