1. Notiuni generale1.1. Manipularea obiectelor

Manipularea cu obiectele din jur este una din sarcinile principale pe care și le impune automatica, pe zi ce trece progresul tehnico-științific duce la crearea unor mecanisme, automate ce permit conducerea cu anumite obiecte specifice sau obiecte mai generale. Spre exemplu în cadrul uzinelor ce construiesc automobile, aparatul care sudeaza carcasa automobilului este instalat pe o mînă robotizată, aceasta face niște mișcări standartizate și bine stabilite, astfel realizînd sudarea necesară.

Manipularea cu obiectele poate fi executata si pe alte căi, nu numai prin apucare (braț mecanic), spre exemplu, daca obiectul este construit dintr-un material metalic fieros, acesta poate fi usor manipulat cu ajutorul cîmpului magnetic.

Daca obiectele care necesita sa fie manipulate sînt mici, finuțe, sau manipularea cu acesta trebuie sa fie efectuata cu multe grade de libertate, atunci se optează pentru un minimanipulator (braț mecanic), de obicei cu conducere electrica sau pneumatică.

1.2. Minimanipulator

Manipulator – este un mecanism pentru conducerea spatială cu instrumentul de lucru, obiectul de lucru si elementele constructive. Definitia de manipulator a fost introdusa la mijlocul secolului XX, datorita aplicării unor mecanisme pentru conducerea cu obiectele periculoase din industria nucleară

Baza manipulatoarelor o constituie mecanismele care au grade mari de libertate. Manipulatoarele execută lucrări în medii incaccesibile, sau periculoase pentru om (abisuri maritime, vid, mediu radioactiv, medii acide, sau alte medii adresive).

De asemenea manipulatoarele sînt pe larg folosite in tehnica medicală (ex. protezele). Într-un sens mai restrîns minimanipulatorul mai este numir si ”braț mecanic”( Fig.1.1).

Manipulatoarele se impart in manipulatoare conduse de om, si manipulatoare automate (roboți-manipulatori, ca o categorie de roboți). Dezvoltarea manipulatoarelor a condus la construirea unor roboti industriali (Fig.1.2). Proiectarea mecanismelor manipulatoare cer rezolvarea unor obiectve

ca oferirea manevrabilității, stabilitatea în lucru, alegerea unor mișcări cît mai optimale, și evitarea unor mișcări suplimentare.

Uneori este nevoie proiectarea unor sisteme care ar permite operatorului să simtă forța aplicată, aplicată la obiectul de conducere, sau la laba de apucare.

Fig.1.1: Minimanipulator cu 4 grade de libertate si laba pentru apucare

Fig.1.2: Robot-manipulator Brokk 400, cantarește cîteva tone

1.3. Elemente de baza1.3.1. Motor de curent continuu

Motorul de curent continuu este o mașină electrică de curent continuu. Ea transformă energia electrică de curent continuu în energie mecanică. Aceasta se caracterizeaza prin faptul că prin circuitul exterior trece curent continuu. Astazi, motoarele de curent continuu se utilizeaza frecvent in calitate de tracțiune electrica (tramvaie, troleibuse, locomotive electrice), în industria metalurgică și siderurgică pentru acționarea unor mecanisme și în genere se utilizează în acționările care necesită reglarea turațiilor în limite largi. În ultimul timp, motoarele de curent continuu se și-au lărgit domeniul aplicatiei datorită surselor de tensiune continuă reglabilă cu ajutorul redresoarelor comandate.

La motorul de curent continuu, de regula inductorul este stator, iar indusul

rotor. Circuitul magnetic al mașinii este format din jugul statoric masiv sau

lamelat (din tole), poli principali lamelați pe care se găsesc bobinele infășurări inductoare și miezul magnetic lamelat al rotorului in crestaturile caruia este infasurarea indusa. Motoarele mai mari, pentru inbunatatirea functionarii lor, sunt prevazute cu poli auxiliari, numiti si de comutatie care au o infasurare proprie.

În motoarele de curent continuu campul inductor este produs de infasurarea de excitatie asezata pe polii principali, sau de magneti permanenti.Înfasurarea indusă de pe rotor este conectata la colector, rolul acestuia este de a redresa curentul alternativ din infasurarea indusa pentru a da in circuitul exterior curent continuu.

Funcționarea motorului de curent continuu se bazează pe fenomenul de apariție a forței electromagnetice care acționează asupra unui conductor parcurs de curent și situat în cîmp magnetic.

Fig.2: Schema electrică a mașinii de curent continuu

Infasurarea de excitatie a motoarelor de curent continuu poate fi alimentata de la surse exterioare masinii cand se spune ca masina are excitatia separata, sau chiar de la masina cand se spune ca masina este autoexcitata. Masinile cu autoexcitatie pot avea infasurarile de excitatie conectate in derivatie, serie(Fig.2) si mixta (Fig.3).

Pentru ca mașina electrică de curent continuu să funcționeze ca motor este necesar să fie alimentată cu tensiune electrică atît înfășurarea de excitație cît și cea rotorică.

Fig. 3: Motorul electric cu excitație mixtă

Fig.4: Mașina electrică cu excitație în derivație

Motoarele de curent continuu, din punct de vedere al modului de alimentare a înfășurării de excitație pot fi clasificate:

motoare de curent continuu cu excitație separată; motoare de curent continuu cu excitație derivație (Fig.4); motoare de curent continuu cu excitație serie (Fig.5); motoare de curent continuu cu excitație mixtă (Fig.3).

Fig.5: Mașina electrică cu excitație în serie

Motorul de curent continuu prezintă o serie de avantaje, cum ar fi: posibilitatea reglării vitezei în limite largi și posibilitatea schimbării sensului rotirii, relativ simplu.

1.3.2. Punte de comanda cu motorul de curent continuu

Pentru comandarea cu motorul de curent continuu este necesar sa-i aplicăm acestuia de multe ori un curent destul de mare, ceea ce nu o putem oferi utilizînd doar microcontrollerul. Din această cauză este necesar să construim o placă de interfață a microcontrollerului cu motorul de curent continuu.

Una din modalitățile de conducere cu motorul de curent continuu ar fi cu ajutorul unui rele, acesta consuma puteri mai mici, si poate conduce cu puteri mult mai mari și acest lucru ar fi cel mai convenabil din punct de vedere al simplității.

În caz că avem necesitatea de a schimba direcția rotirii motorului, si a conduce dinamic cu acesta, cea mai ușoară soluție ar fi construirea unei punți de comandă.

Puntea de comanda, numită și puntea-H este alcătuită din 4 elemente, de obicei discrete cum ar fi tranzistoare bipolare (Fig.7), tranzistoare unipolare de tip MOSFET (Fig.6), tranzistoare bipolare de puteri mari (IGBT) sau poate fi alcătuită din amplificatoare operaționale care au ieșirea de mare curent.

Fig. 6: Puntea H construie pe tranzistoare de tip MOSFET cu canal de tip n

Fig. 7: Puntea H construie pe tranzistoare bipolare

Fig. 8: Modulul integrat APTGT35H120T1G

Pentru conducerea cu puteri foarte mari (de ex motoarele unui tramvai) se pot utiliza module (circuite) integrate, care au încorporate 4 tranzistoare de tip IGBT, si diodele de protectie pentru acestea. Spre exemplul modelul ilustrat în figura 8 poate conduce cu motoare alimentate pînă la 1200v și 35A, ceea ce constituie 42kW, iar in regim de impuls pîna la 70A.

Unul din cele mai comode soluții pentru conducerea cu un motor de curent continuu (de asemenea si motor pas cu pas) este folosirea unui circuit integrat, numit driver. Unul din acestia poarta denumirea de L297, conecțiunea posibila si circuitul interior este ilustrat în figura 9.

Fig. 9: Driverul L297 pentru realizarea H-punții

1.3.3. Baterii

Bateria, element galvanic, este un dispozitiv ce transforma energia chimica in electricitate. Strict vorbind, o baterie este formata din doua sau mai multe celule conectate in serie sau in paralel, dar termenul este de asemenea folosit pentru celule singulare. Toate celulele sunt alcatuite dintr-un lichid, pasta, sau electrolit solid si doi electrozi, unul pozitiv si celalalt negativ. Electrolitul este un conductor ionic; unul din electrozi va reactiona, eliberand electroni, pe cand celalalt va accepta electroni.

Bateriile in care chimicalele nu pot fi aduse la starea lor initiala o data ce energia a fost transformata (bateriile care s-au descarcat) sunt numite celule primare sau celule voltaice. Bateriile in care componentii chimici pot fi readusi la starea lor initiala, trecand un curent electric prin ele in sensul opus celui al reactiei normale, sunt numite celule secundare, reincarcabile, de acumulare, sau acumulatori.

Primele baterii care au fost inventate erau numite elemente volta, in cinstea savantului care le-a inventat incă in anii 1800. Aceasta baterie consta dintr-un vas umplut cu apa sărată, iar in calitate de electrozi erau folosite un

electrod din zinc și altul din cupru. Mai tîrziu aceste elemente au fos grupate, si interconectate în serie, iar construcția dată poartă denumirea de ”Coloană Volta”

Fig. 10:Construcția bateriilor Zinc-Carbon

Mai tarziu bateriile au evoluat, iar electrolitul lichid a fos înlocuit cu gel, sau în genere era solid. Primele modele de baterii erau construite pe baza legaturilor Zinc–carbon, iar în calitate de electrolit este NH4Cl. Acest tip de elemente au fost inventate înca în anul 1865. O singura celulă de acest tip generează o tensiune de cca 1,5v.

O alta des folosita baterie secundara este celula alcalina, sau bateria nichel-fier, construita de inventatorul american Thomas Edison in anii 1900. Principiul functionarii este acelasi cu cel al celulei plumb-acid exceptand ca electrodul negativ e alcatuit din fier, cel pozitiv din oxid de nichel, iar electrolitul fiind o solutie de hidroxid de potasiu. Celula nichel-fier are dezavantajul ca elimina hidrogen gaz la reincarcare. Acest tip de baterie este folosit in principal in aplicatiile industriei grele. Bateria Edison are o viata de aproximativ 10 ani si produce in jur de 1.15 V.

O celula alcalina, similara cu bateria lui Edison, este celula nichel-cadmiu (Fig.11), in care electrolitul de fier este inlocuit de unul continand cadmiu. Produce, de asemenea, aproximativ 1.15 V, si viata sa de folosinta atinge aproximativ 25 de ani. Cu cifra 1 în figura 11 este notat carcasul bateriei, cu 2 straturile separatoare, ar cu cifrele 3 si 4 au fost notate electrodul pozitiv și cel negativ.

Fig. 11: Baterie de tip NiCd

Pînă în prezent acest tip de acumulator era unul din cele mai utilizate, deoarece avea o fiabilitate destul de ridicată și termenul lung de utilizare, însă în prezent s-a renunțat la acest tip de acumulator, deoarece el avea o influiență nocivă asupra mediului, iar cu timpul acesta își pierdea capacitatea internă.

Bateriile care se recomandă pentru a le utiliza în prezent sînt bateriile de tip Li-Ion (Fig.:12). Unul din avantajele acestor baterii este densitatea energetică mai mare (3.6 Volti, în comparație cu 1.2 V la bateriile de alte tipuri), alt avantaj este acela că ele nu poluează mediul înconjurător ca cele NiCd sau cele NiMH.

Fig. 12: Baterii de tipul Li-Ion

Bateriile Li-Ion, si Li-Po (litiu-polimer), se folosesc foarte larg în tehnica modernă, astăzi aproape toate bateriile de la dispozitivele portabile, precum si bateriile care alimentează motoarele mașinelor cu tracțiune electrică sînt baterii construite pe baza Li-Ion. Unicul neajuns al acestora este regimul de încărcare, daca ele nu sînt corect utilizate și încărcate, acestea se pot încălzi, ceea ce duce la un sfîrșit fatal al acestora prin explozie. În prezent, acest neajuns este practic înlăturat, totuși la utilizarea acestora este necesar sa respectăm regimul curentului de încărcare.

1.3.4. MCU

2. Comandarea prin unde radio2.1. Tehnologia de transmitere2.2. caracteristicile undelor radio2.3. tipurile de modulatie2.4. schema-bloc functionala