Robotlarda Kullanılan Motor Tipleri

Robotlar, bir takım fiziksel görevleri yerine getirebilmek ve hareket edebilmek için motorlara ihtiyaç duyarlar. Robotlarda kullanılan motorları daha yakından tanımaya ve kullanım amaçlarını öğrenmeye ne dersiniz?

A- A+

13.11.2018 tarihli yazı 19868 kez okunmuştur.

Robotların dizaynları uygulama alanlarına göre değişkenlik gösterir. Mekanik yapısı, gövdesi, elektronik donanımı ve yazılımı buna göre tasarlanır. Robotik araçlar, düz yüzeyler etrafında hareket edebilecek ve uzaktan kumanda veya otonom olarak belirli görevleri yerine getirebilecek şekilde tasarlanmıştır. Çalışmaları için sensörler, kontrol devresi ve tahrik mekanizması ile donatılmıştır. Böyle bir robotun hareket edebilmesi için motorların kullanılmasını gerekir. Robotik uygulamalarda kullanılabilen birçok motor tipi vardır. Her motor tipi farklı amaçlarla kullanılır. Motorlar robotun hareketine yardımcı olur ve robotun mekanik tasarımında tahrik mekanizması görevi görür. Bir robotik uygulama aşağıdaki hareket türlerini içerebilir:

1- Dikey hareket - robotun bir parçasının yukarı ve aşağı hareketi,
2- Radyal hareket - Robotun bir kısmının içeri ve dışarı hareketi,
3- Dönme hareketi - Dikey veya yatay eksen etrafında saat yönünde veya saat yönünün tersine dönüş hareketi,
4- Yükselme hareketi - Eşzamanlı dönüş hareketi ile yukarı ve aşağı hareket,
5- Yuvarlanma hareketi - Robotun bir kısmının paralel bir eksende kalan robotik gövdeye referansla döndürülme hareketi,
6- Sapma hareketi - Robotun bir parçasının sağa veya sola doğru hareketi,
7- Gitme Hareketi - Robotun bir yüzey üzerinde veya bir ortamda hareketi.

Tüm bu hareket türleri, çeşitli motorlarla birlikte aktarma organları ve uç efektörler yardımıyla gerçekleştirilir. Bu makalede, bir robotun kendisine veya parçasına birincil hareketi sağlaması için motorların kullanımından bahsedeceğiz. Ayrıca, farklı motor tiplerine, uygulamalarına ve robotik bir arabanın tasarımına bakacağız.

Alternatif Akım Motorları

Alternatif akım motorları AC akım tarafından tahrik edilir. Normalde, yüksek tork (yüksek yük taşıma kapasitesi) gerektiren ağır uygulamalarda kullanılırlar. Bu nedenle bu motorlar, üretimde robotik montaj hatlarında kullanılmaktadır. Hareketli robotlar genellikle DC kaynak kullandıkları için AC motorlar nadiren tercih edilir.

Fırçalı Doğru Akım Motorları

Fırçalı DC motorlarda, kaynaktaki akımı endüviye aktarmak fırçalar kullanır. Fırçalı DC motorun farklı çeşitleri vardır, ancak robotikte sabit mıknatıslı DC motorlar kullanılır. Bu motorlar, yüksek tork-atalet oranlarıyla bilinirler. Fırçalı DC motorların tork değeri, nominal torkun 3-4 katına kadar çıkabilmektedir. Fırçalı DC motorlar 6 farklı bileşenden oluşur: şaft, komütatör, rotor(endüvi), stator, mıknatıslar ve fırçalar.

Fırçalı DC motorlarının iki terminali vardır. Voltaj iki terminale uygulandığında, fırçalı DC motorun şaftına orantılı bir hız verilir. Bir fırçalı DC motor iki parçadan oluşur: gövdeyi, sabit mıknatısları ve fırçaları içeren stator ile çıkış mili, sargıları ve komütatörü içeren rotor. Stator sabit, rotor ise döner parçadır. Stator, rotoru çevreleyen sabit bir manyetik alan üretir. Endüvi olarak da adlandırılan rotor, bir veya daha fazla sargıdan oluşur. Bu sargılara enerji verildiğinde manyetik alan üretirler. Rotor alanının manyetik kutupları, stator tarafından üretilen zıt kutuplara çekilmekte ve rotorun dönmesine neden olmaktadır. Motor dönerken, sargılar sürekli olarak farklı bir sırada enerjilenir, böylece rotor ve stator sargılarının aynı eksene gelerek durması önlenir. Rotor sargılarındaki akımın kollektör ve fırçalar yardımıyla yön değiştirmesi komütasyon olarak adlandırılır.

Redüktörlü Doğru Akım Motorları

Redüktörlü DC motorlar, fırçalı DC motorlarının gelişmiş bir tipidir. Redüktörlü DC motorlarda motora bağlı bir dişli takımı vardır. Motor dişlilerinin doğru kombinasyonu ile birlikte torkta bir artış sağlanarak motorun hızı azaltılabilir. Bu, motorun dönüşünde kararlılık sağlar ve motor kontrollü bir şekilde durdurulabilir veya hız ayarı yapılabilir. DC motorlar, belirli bir voltaj aralığında çalışır. Daha yüksek giriş voltajı, daha yüksek RPM demektir. Örneğin, motor 6-12V aralığında çalışıyorsa, 6V giriş voltajında en az RPM ve 12V giriş voltajında maksimum RPM değerine sahiptir.

Dişlilerin DC motordaki çalışması açısal momentum korunum prensibine dayanır. Daha küçük çapa sahip dişlilerin devir sayısı daha büyük çapa sahip olan dişlilere göre yüksektir. Bununla birlikte, büyük dişli küçük dişliye göre daha fazla tork verecektir. Giriş dişlisi açısal hızının, çıkış dişlisi açısal hızına oranı dişli oranını verir. Çoklu dişliler birbirine bağlandığında, enerjinin korunması takip edilir. Dişlinin dönme yönü, ona bitişik diğer dişlinin daima tersidir. Herhangi bir DC motorda, hız ve tork ters orantılıdır. Bundan dolayı, daha fazla torka sahip olan dişli daha az bir devir sayısı ve hız sağlayacaktır. Redüktörlü DC motoru kontrol etmek için, darbe genişlik modülasyon tekniği uygulanır. Bu kontrolü sağlamak için, hobi robotlarında L293D motor sürücü entegre devresi kullanılır. Entegre devre, DC motorun yönünü ve hızını kontrol etmek için bir mikrodenetleyiciye bağlıdır.

Motor kontrol cihazı; denetleyici, motor ve bataryalar arasındaki ara cihaz görevi görür. Mikrodenetleyici motorun hızına ve yönüne karar verse de, sınırlı güç çıkışı nedeniyle motoru doğrudan kontrol edemez. Motor kontrol cihazı motora güç bile sağlayabilirken motorun hangi yöne dönmesi gerektiğini tek başına belirleyemez. Bu nedenle motor kontrolörü ve mikrodenetleyici, motoru kontrol etmek için birlikte çalışmak zorundadır. DC motorun kontrol edilmesi için, voltajın her iki yönde bir yük boyunca uygulanmasına izin veren H-Köprü devresi gereklidir. L293D, çift H-köprü motor sürücüsü entegre devresidir. Motor sürücüleri düşük akım kontrol sinyali aldıklarından ve daha yüksek akım sinyali sağladıklarından akım amplifikatörleri olarak hareket ederler. Yüksek akım sinyali motorları sürmek için kullanılır. Entegre devre 1 ampere kadar akım çekebilir ve 4.5V ile 36V arasında çalışır. Küçük motorlar, kompaktlığın tork değerinden daha önemli olduğu uygulamalar için tasarlanmıştır.

Küçük boyutlu ve yüksek torklu motorlar olsa da, bunlar nadir toprak mıknatısları, yüksek verimli rulmanlar ve diğer ek özelliklerinden dolayı pahalıdırlar. Büyük motorlar ise daha fazla tork üretirken daha yüksek akımlar gerektirebilir. Yüksek akım motorları, daha büyük kapasiteli bataryalar ile aşırı ısınmayan daha büyük kontrol devreleri gerektirir. Bu nedenle, küçük bir robotta büyük bir motor kullanmak pek akıllıca olmaz. Motorun boyutuna karar verirken, maksimum tork dikkate alınmalıdır. Hızın dişliler yardımıyla düşürülmesi her zaman torku artırır. Torktaki artış, dişli azaltma miktarıyla orantılıdır. Redüksiyon 3: 1 ise, tork yaklaşık üç kat artar.

Servo Motorlar

Basit tanımıyla milin dönme hareketlerini denetleyebilen ve kontrol edilebilen motorlara servo motor denir. Servo motorlar, sürücüler tarafından; hız ya da mekaniksel açıdan kontrol edilmektedir. Ayrıca kontrol devrelerini ve motor sürücüsünü de içinde barındırmaktadır. Servo motor içerisinde herhangi bir DC motor, AC motor ya da step motor bulunabilir. Bir servo kullanmanın temel nedeni, açısal hassasiyet sağlamasıdır.

Servo motor kontrol sisteminde dijital veya analog konum sensörü enkoderi kullanılır. Bir hata amplifikatörü yardımıyla geçerli konum istenen konumla sürekli olarak karşılaştırılır. Bir uyuşmazlık bulunması halinde, hata amplifikatörünün çıkışında bir hata sinyali oluşur ve şaft tam olarak gereken yere gitmek için döndürülür. İstenilen yere ulaşıldığında durur ve bekler. Servo motorların hızı ve devir sayıları düzgün şekilde değiştirilebilir. Hassas dönme hareketinin gerekli olduğu durumlarda genel olarak servo motorlar kullanılır. Robotik kollarda ve açı kontrol uygulamalarında sıklıkla servo motorlar tercih edilir.

Step Motorlar

Step motorlarda rotorda bir adet merkez dişli ve statorda istenen adım sayısına göre dişli kutupları bulunur. Bu kutuplara bir kontrol devresiyle enerji verilir ve manyetik etkileşim sayesinde dönme hareketi gerçekleşir. İlk kutba enerji verildiğinde merkez dişli ile kutup dişlisi arasında elektro-mıknatıslanma gerçekleşir. Bu sayede merkez dişli, kutup dişlisinin konumuna göre önceden belirlenmiş bir açı ile hareket ederek kendini bu kutbun dişlisine hizalar. Merkez dişlinin enerji verilen kutba kendini hizalamak için yaptığı yer değiştirmelerin her birine adım denir.

Ne kadar çok kutup varsa o kadar küçük adımlar oluşacak ve sonuç olarak daha hassas kontrol sağlanacaktır. Hassas kontrollere uygunluklarından dolayı step motorlar endüstride ve robot kol uygulamalarında kullanılırlar. Step motorların ağır olmaları, yüksek akım çekmeleri, torklarının düşük olması gibi sebeplerden dolayı kullanım alanları daralmaktadır.

►İlginizi Çekebilir: Step ve Servo Motorlar

Fırçasız Doğru Akım Motorları

Fırçasız DC motorlar, yapı olarak fırçalı DC motorlara benzer, ancak elektronik bir denetleyici tarafından tahrik edilir ve enerji beslemesi için inverter veya anahtarlamalı güç kaynağı gerektirirler. Bu motorların dönen kısmı (rotor, endüvi) sabit mıknatıstan, duran kısmı(stator) ise küçük bobinli sargılardan meydana gelmiştir. Fırçalı DC motorlardaki fırça-kollektör düzeneğinin görevini elektronik bir denetleyici üstlenir. Bu motorlar genel olarak hareket ve konumlandırmanın hassas olması gereken endüstriyel robotlarda kullanılır. Fırçasız DC motorlar oldukça karmaşık yapıya ve elektronik sisteme sahiptir.

Robotlar İçin Motor Seçimi

Uygun bir elektrik motoru seçmek için, motora yüklenebilecek maksimum yük, robotun nominal durumda hareket ettirilmesi için gereken tork ve motorun devir dakikası gibi birçok farklı parametrenin dikkate alınması gerekir. Birçok motor türü olduğundan, uygulamaya bağlı olarak seçilecek motor tipleri de farklılık gösterecektir. Örneğin robotik kol çalışmalarında genelde servo motorlar kullanılır. Tekerlekli robotlar da ise kullanılan en yaygın elektrik motorları DC motorlardır. Çünkü DC motorların torku ve verimlilikleri yüksektir. Tekerlekli robotlar basit bir tasarıma sahiptir ve tekerleklerindeki motor sayesinde zeminde gezebilir. Tekerleklerin, bir robot bacağına kıyasla tasarlanması daha kolaydır. Fakat tekerlekli bir robot bazı engellerde ve düşük sürtünmeli bölgelerdeki hareketinde zorlanır. Hobi robotlarında kullanılan DC motorların genel olarak tercih edilen voltaj değerleri 3, 6, 12 ve 24 Volt’dur. Bir motora datasheetdeki voltajdan daha düşük bir voltaj uygulandığında, tork iç sürtünmeyi aşamaz ve motor dönmez. Ayrıca, motora desteklenenden daha yüksek bir voltaj uygulanırsa, ısınabilir ve hasar görebilir.

►İlginizi Çekebilir: Endüstriyel Robotlar & Sınıflandırılması

Robotik Bir Araba İçin Tekerlek Kombinasyonları

Fizik yasalarına göre, ağır bir cismi taşıyabilmek için normale göre daha ivmeli bir hareket gerekir. Yani daha ağır bir robotun, hareketini sağlamak için daha güçlü motorlara ihtiyaç duyarız. Robotun ağırlığı nedeniyle net kuvvete, tekerleklerin sürtünme kuvvetleri ve motor içindeki iç sürtünme eklenir. Bir robotun merdivenlere tırmanması veya eğimli yüzeylerde ilerlemesi gerektiği dikkate alındığında, yerçekimi kuvveti gibi başka kuvvetler de dikkate alınmalıdır. Bir motorun hızını koruyabilmesi için torkun, robotun hareketi karşısındaki toplam kuvvetten daha büyük olması gerekir. Motor torkunun ters yöndeki torktan daha küçük olması durumunda, motor hareket etmeyecek ve elektrik enerjisi mekanik enerjiye dönüşmeyecektir Bu durumda motor hasar görebilir.

Robotlarda hareket için, tekerlekleri ayrı ayrı kontrol eden diferansiyel kullanılır. Böylece robotta, her bir tekerleğin farklı hızlarda dönme yönünü değiştirebiliriz ve dişlilerle bağlantısı olmayan ek tekerlekler ekleyerek robotun dengesini sağlayabiliriz. İki tekerlek ve bir küçük tekerlek yapısı veya dört tekerlek yapısı robotlarda en yaygın kullanılan tekerlek kombinasyonlarıdır. İki tekerlek ve bir küçük tekerlek yapısına hareketi ölçmek için enkoder eklenebilmesi gibi bir avantajı vardır. Dört tekerlek yapısı için, bir enkoderin eklenmesi, robotun gerçek hareketlerine kıyasla yanlış ölçümler üretebilir. Fakat bu sistem, kapalı çevrim kontrolü ve yüksek yol tutuşu için en iyi sistemdir.

Motor Seçiminde Hesaplamalar

Tork, hız, rpm vb. gibi parametrelere dayanarak robot için motor seçimi yapmakla ilgili birçok matematiksel hesaplama vardır. Motor ve robotlar için hesaba katılması gereken birçok parametre varken çevrimiçi bir hesaplayıcı kullanmak, projenize uygun elektrik motorunu bulmak için belkide en basit ve en kesin yöntemdir.

2.Bölüme Ulaşmak için Tıklayın

Kaynak:

►Engineersgarage