Zastosowanie Robotyki w Medycynie -...

Zastosowanie Robotyki w MedycynieZastosowanie Robotyki w Medycynie

Wykład 5

Konstrukcja robotów medycznych

Piotr Sauer

Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów

Konstrukcja robotów medycznychKonstrukcja robotów medycznych

Główną cechą urządzeń medycznych jest bliska

interakcja z człowiekiem, którego zachowanie

jest w dużej mierze niemożliwe do przewidzenia.

Roboty medyczne:

◦ Struktura mechaniczna – przegubowa i napędzana,

◦ Interfejs człowiek-maszyna (HMI – Human-Machine

Interface),

◦ Narzędzia,

◦ Układy elektroniczne

◦ Oprogramowanie sterujące

Bezpieczeństwo jest kluczowym zagadnieniem

przy projektowaniu robotów medycznych

Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 2

Inne ograniczenia kliniczne:

◦ Funkcjonalność zależna od typu operacji –

projektowanie konstrukcji specjalistycznych

◦ Możliwość sterylizacji

◦ Przestrzeń robocza ograniczona przez urządzenia

medyczne(urządzenia radiologiczne, urządzenia do

znieczulenia, zestaw laparoskopowy itp.) wymuszając

odpowiednie ruchy ramion i pozycjonowanie podczas

działania

◦ Różne pozycjonowania między podobnymi

zabiegami

◦ Możliwość łatwego transportowania i odsunięcia

robota w przypadku wystąpienia komplikacji

Etapy realizacji robota medycznego:

◦ Modelowanie i charakterystyka gestów i interakcji:

Chirurg – robot,

Robot – pacjent,

Robot – środowisko.

◦ Wybór lub projektowanie kinematyki i napędów

przystosowanych do wymogów określonych przez

◦ Synteza sterowania i określenie HMI

Układy napędowe

◦ Pneumatyczne

◦ Hydrauliczne

◦ Elektryczne

◦ Silniki piezoelektryczne

◦ Układy napędowe z materiałów z tw. pamięcią

kształtu

Silniki pneumatyczne

◦ Zalety:

Czyste, można je sterylizować,

Szpitalna sieć sprężonego powietrza

Elementy dwustanowe - chwytaki, zaciski

Silniki pneumatyczne

◦ Zalety:

Czyste, można je sterylizować,

Szpitalna sieć sprężonego powietrza

Elementy dwustanowe - chwytaki, zaciski

◦ Wady:

Wysoka podatność,

Utrudnione sterowanie

◦ Zastosowanie w narzędziach chirurgicznych - napęd

frezów i wierteł

◦ Zastosowanie w operacjach na bijącym sercu -

stabilizator położenia serca – tzw. ośmiorniczka

(wyposażony w przyssawki podciśnieniowe) – brak

ucisku serca i nie zmniejsza jego wydajności

Siłowniki pneumatyczne

Układ z dławieniem na

wlocie

Układ z dławieniem na

wylocie

Układ z zaworem zwrotno-

dławiącym sterowanym

zaworem rozdzielającym

Przekaźnik

ciśnieniowy

Przekaźnik

czasowy

Zawór

rozdzielający

Mięśnie pneumatyczne

Bi-Muscular Driving System (BMDS)

Mięśnie BMDS

Napęd hydrauliczny

Napęd elektryczny

◦ Silniki prądu stałego: szczotkowe z komutacją

elektroniczną

◦ Silniki prądu zmiennego: asynchroniczne i

synchroniczne

◦ Silniki krokowe.

Silnik prądu stałego - budowa

• Stojan - najczęściej jest magneśnicą – wytwarza pole

magnetyczne

• jarzmo (2),

• bieguny główne z uzwojeniem wzbudzającym (3),

• bieguny pomocnicze (komutacyjne) (5),

• tarcze łożyskowe, trzymadła szczotkowe.

• Wirnik – najczęściej jest twornikiem (1)

• rdzeń (pakietu blach),

• uzwojenie twornika (8),

• komutator (9).

Komutator – osadzony na wale wirnika – wiele wycinków

Miedzianych umieszczonych na specjalnej piaście.

Izolator między wycinkami - mikanit

1 – wycinek komutatora,

2 – pierścień dociskowy,

3 – kołnierz izolacyjny,

4 – piasta.

Silnik prądu stałego – budowa

◦ Pole magnetyczne silnika – elektromagnesy

zasilane prądem stałym – prąd wzbudzenia.

◦ Wielkości opisujące maszynę prądu stałego::

Prąd wzbudzenia - If,

Prąd twornika - Ia,

Prąd obciążenia - I (oddawany lub pobierany z sieci),

Napięcie twornika - U,

Rezystancja obwodu twornika - Ra,

Rezystancja obwodu wzbudzenia - Rf,

Siła elektromotoryczna indukowana w tworniku - E,

Prędkość wirowania wirnika – n,

Moment elektrodynamiczny - M

Silnik prądu stałego – budowa

◦ Uzwojenie biegunów głównych – uzwojenie

wzbudzające – główne pole magnetyczne w

maszynie.

D1, D2 - szeregowe; E1, E2 - bocznikowe;

F1, F2 - obcowzbudne

◦ Uzwojenie twornika – umieszczone na wirniku

A1, A2

◦ Uzwojenia pomocnicze

Uzwojenie biegunów komutacyjnych – poprawa

warunków pracy maszyny.

B1, B2

Uzwojenia kompensacyjne

C1, C2

Silnik prądu stałego – charakterystyki

• Charakterystyka mechaniczna

n = f(I), n = f(M), U = const, Rf = const

• Charakterystyka momentu

M = f(I), U = const, Rf = const

Silnik prądu stałego - rodzaje

Silnik obcowzbudny,

Silnik samowzbudny: • bocznikowy,

• szeregowy,

• szeregowo-bocznikowy.

Silnik prądu stałego – bocznikowy i obcowzbudny

Silnik obcowzbudny stosowany w układach

napędowych z przekształtnikami tyrystorowymi.

Charakterystyka mechaniczna silnika bocznikowego

(przy pominięciu wpływu oddziaływania twornika).

Zmienność prędkości

3-8% (2-5%)

Charakterystyka momentu silnika bocznikowego (przy

pominięciu wpływu oddziaływania twornika).

aaM IcIcM 1

Silnik prądu stałego – szeregowy

Strumień zależy od prądu

obciążenia (przy zmianie

obciążenia zmienia się strumień –

wzrostowi momentu obciążenia

odpowiada wzrost prądu obciążenia

i wzrost strumienia zgodnie z

charakterystyką magnesowania

obwodu magnetycznego.

Charakterystyka momentu

Przy małym nasyceniu obwodu:

cI2cIcIcM MM

Charakterystyka mechaniczna

przy założeniu liniowej zależności strumienia od prądu

2cIM BM

Bardzo duża prędkość obrotowa przy małych obciążeniach

może doprowadzić do uszkodzenia silnika ze względu na

przekroczenie jego wytrzymałości mechanicznej

Silnik szeregowy nie może pracować w stanie jałowym

i musi być połączony z maszyną roboczą za pomocą

sprzęgła lub przekładni zębatej

Zaleta – duży moment rozwijany podczas

rozruchu

Silnik prądu stałego – szeregowo-bocznikowy

Silnik prądu stałego – rozruch

W chwili rozruchu prędkość obrotowa wirnika = 0, E =0,

równanie napięcia dla silnika ma postać:

Prąd rozruchowy pobierany przez silnik:

Prąd rozruchowy jest wielokrotnie większy od

prądu znamionowego.

racIRU

Prąd rozruchowy można ograniczyć przez:

• zmniejszenie napięcia zasilającego,

• włączenie w obwód twornika dodatkowego opornika

• o rezystancji Rar

W przypadku silnika bocznikowego – obwód wzbudzenia

w czasie rozruchu musi być zasilany całym napięciem

(musi być włączony przed rozrusznikiem).

Rozrusznik jest opornikiem kilkustopniowym dostosowanym

do pracy krótkotrwałej.

Silnik prądu stałego – regulacja prędkości

Prędkość silnika prądu stałego z dodatkową rezystancją w

obwodzie twornika Rar

Na zmianę prędkości wirowania wirnika mają wpływ:

• napięcie U,

• rezystancja Rar,

• strumień magnetyczny .

IRRUn aarac

Prędkość obrotową można regulować:

• przez zmianę napięcia zasilania twornika U,

• przez zmianę rezystancji w obwodzie twornika Rar,

• przez zmianę strumienia

Wykorzystywane w praktyce, a różnią się pod względem:

• zakresu regulacji,

• kierunku regulacji (góra, dół),

• ekonomicznym

Regulacja szeregowa polega na włączeniu rezystancji

regulacyjnej Rar w szereg z obwodem twornika (silniki

bocznikowe i szeregowe).

W tym przypadku mamy możliwość regulacji w dół – poniżej

prędkości odpowiadającej pracy na charakterystyce naturalnej

(od prędkości znamionowej do zera).

Regulacja nieekonomiczna –

straty na rezystorze

regulacyjnym.

Regulacja bocznikowa sprowadza się do osłabienia

strumienia magnetycznego.

• w silnikach bocznikowych – rezystancja regulacyjna Rfr

jest włączona w szereg w obwód wzbudzenia,

• w silniku szeregowym – rezystancja Rfr jest włączona

równolegle z obwodem wzbudzenia.

Regulacja bocznikowa jest regulacją w górę od wartości

nN do 3nN, jest regulacją ekonomiczną.

Prowadząc regulację prędkości przez zmianę strumienia,

nie należy nadmiernie osłabiać pola magnetycznego oraz

powodować zaniku prądu w obwodzie wzbudzenia

silnika.

Regulację prędkości obrotowej przez zmianę napięcia

twornika można uzyskać przez zastosowanie

tyrystorowych regulatorów napięcia.

Zmieniając napięcie zasilające twornik można przy

znamionowym obciążeniu regulować prędkość od zera do

wartości większej od prędkości znamionowej – w całym

zakresie regulacji prąd twornika nie zmienia wartości i zależy

tylko od obciążenia.

Silnik prądu stałego z magnesami trwałymi

Pole magnetyczne – magnesy trwałe

Stosowane materiały magnetyczne:

• materiały proszkowe z ferrytów baru,

• magnesy lane ze stopów alnico.

Kubkowy silnik prądu stałego

1 – wirnik kubkowy,

2 – magnes trwały stojana,

3 – rdzeń ferromagnetyczny,

4 – obudowa.

Silnik tarczowy (wirnikiem drukowanym).

Całe uzwojenie – szereg pojedynczych zwojów – ścieżki

miedziane naniesione na przeciwne strony tarczy i

zespawane na zewnętrznym obwodzie tarczy, a przeciwne

zakończenia ścieżek doprowadzone są do komutatora.

Silnik prądu stałego bezszczotkowy

◦ Silnik 2-pasmowy

Silnik krokowy

Silnik krokowy - przekształca impulsy elektryczne w

dyskretne ruchy mechaniczne (ciąg przesunięć

kątowych wirnika lub ciąg

przesunięć liniowych biegnika).

Droga kątowa lub liniowa, którą przebywa

wirnik lub biegnik, jest proporcjonalna do liczby

impulsów, a prędkość części ruchomej silnika do

częstotliwości tych impulsów.

Silnik przetwarza sygnał sterujący na ustalone

położenie wału bezpośrednio.

Silnik krokowy – podstawowe parametry

Moment trzymający (holding torque),

Bezprądowy moment spoczynkowy (detent

torque) – silniki wyposażone w magnes trwały,

Krok podstawowy, rozdzielczość kątowa

kroku (step/ angle resolution) : 15˚, 7.5˚, 3.6 ˚,

1.8 ˚, 0.9 ˚ ( liczba kroków: 24, 48, 100, 200,

Prąd znamionowy uzwojenia (phase current)

Rezystancja uzwojenia (winding resistance)

Napięcie pracy uzwojenia

Silnik krokowy

Wartość skoku silnika krokowego o wirniku czynnym

Wartość skoku silnika krokowego o wirniku biernym

gdzie:

• p – liczba par biegunów,

• m – liczba pasm uzwojenia

sterującego

gdzie:

• Zr – liczba zębów wirnika,

• m – liczba pasm uzwojenia

sterującego,

• n=1 lub n=2.

Silnik krokowy z magnesami trwałymi

Rozpatrywany silnik ma

komutację czterotaktową –

czterem taktom

odpowiada pełen cykl

komutacji.

Silnik krokowy o zmiennej reluktancji

Działanie silnika krokowego o wirniku reluktancyjnym

opiera się na wykorzystaniu momentu reluktancyjnego.

Strumień w obwodzie

magnetycznym

Silnik krokowy o zmiennej reluktancji

Silnik zbudowany jest z wirnika

o wielu zębach, wykonanego z

miękkiej stali.

Na stojanie nawinięte są

uzwojenia sterujące.

Wykonanie:

jednosegmentowe,

wielosegmentowe

Odmiany:

- symetryczne,

- niesymetryczne.

Silnik krokowy - sterowanie

Rozpatrując właściwości silnika skokowego należy

brać pod uwagę nie tylko cechy wynikające z

budowy samego silnika ale również układ

sterowania.

Układ sterowania odgrywa bowiem decydującą

rolę w kształtowaniu pożądanych charakterystyk

silników krokowych.

Zasadniczy rozwój silników krokowych zmierza

w kierunku zwiększenia liczby skoków, sprawności

i momentu obrotowego a zmniejszeniu inercji

mechanicznej.

O parametrach napędu skokowego decyduje

konstrukcja mechaniczna danego obiektu i silnika,

własności elektryczne i magnetyczne materiałów, z

których wykonano silnik oraz sposób zasilania jego

uzwojeń i wreszcie algorytm sterowania

Wśród silników krokowych można wyróżnić dwa

podstawowe typy: unipolarne (rys a), bipolarne (rys b) .

W silniku bipolarnym do zmiany pola

magnetycznego w rdzeniu wystarcza jeden

przełącznik dwupozycyjny, lub dwa tranzystory

włączane na przemian.

Zaleta sterowania bipolarnego - dobre

wykorzystanie momentu obrotowego dzięki temu,

że całe uzwojenie jest w stanie prądowym po

otrzymaniu impulsu.

Wada sterowania bipolarnego - bardziej

rozbudowany układu sterowania.

W przypadku silnika unipolarnego do kluczowania

prądu wystarczy jeden tranzystor na fazę.

Sterowanie unipolarne zapewnia przepływ prądu w

danym uzwojeniu tylko w jednym kierunku, podczas

gdy sterowanie bipolarne zapewnia przepływ prądu w

dwóch kierunkach.

Zaleta wariantu unipolarnego - prostszy układ

połączeń i mniejsza liczba tranzystorów,

Wada sterowania unipolarnego - jednocześnie

pracuje tylko połowa uzwojenia, a zatem nie wytwarza

się moment obrotowy o pełnej wartości.

RODZAJE STEROWANIA (KROK, ALGORYTMY

KOMUTACJI) :

• falowe,

• pełnokrokowe,

• półkrokowe,

• mikrokrokowe.

• W sterowaniu falowym - jednofazowym w danym

momencie zasilana jest jedna faza.

• Wynikiem tego rodzaju sterowania jest wykonanie

pełnego kroku.

WADA STEROWANIA FALOWEGO

Silniki o uzwojeniach unipolarnych wykorzystują

tylko 25%, a o uzwojeniach bipolarnych 50%

całkowitego uzwojenia silnika w danej chwili czasu.

Nie wykorzystuje się maksymalnego momentu

wyjściowego silnika

W sterowaniu pełnokrokowym (dwufazowym) w

każdej chwili czasu zasilane są dwie fazy.

Wynikiem tego rodzaju sterowania są takie same ruchy

jak przy sterowaniu jednofazowym z tym, że pozycja

wirnika jest przesunięta o pół kroku.

Sterowanie półkrokowe jest kombinacją sterowania

dwufazowego i jednofazowego. Co drugi krok jest

zasilana tylko jedna faza, a w pozostałych krokach

dwie fazy.

Silnik krokowy – sterowanie mikrokrokowe

Silnik krokowy jest silnikiem synchronicznym - stabilne

położenia wirnika są zsynchronizowane z polem

magnetycznym stojana.

Obroty wirnika uzyskuje się przez obracanie pola,

wirnik podąża do nowego położenia stabilnego.

Moment M wytwarzany przez silnik:

mechelrss

W sterowaniu mikrokrokowym prądy w

uzwojeniach zmieniają się płynnie rozbijając w ten

sposób pełen krok na wiele mniejszych kroczków.

Dzięki pracy z mikrokrokiem możliwe jest

uzyskanie dokładniejszego pozycjonowania.

Istniej wiele różnych typów mikrokroków o

podziale od 1/3 do 1/32 pełnego kroku lub jeszcze

mniejszym.

Praca mikrokrokowa silnika - układ sterowania musi

wytworzyć sygnały o poziomach pośrednich pomiędzy

maksymalną i minimalną wartością sygnału źródła.

Prądy w pasmach silnika wytwarzają wektor

strumienia magnetycznego, którego położenie w

przestrzeni jest określone przez wartość tych prądów.

Czujniki - rezystancyjne

zwy Ul

Potencjometryczny przetwornik linkowy HPS

obudowa z aluminium, długości pomiarowe 500 do

2000mm

Napędy liniowe,

maszyny numeryczne,

stoły X-Y i podobne.

Wielowrzecionowe

maszyny tnące

Czujniki indukcyjne zbliżeniowe

wyposażone w cewkę zasilaną

z oscylatora – zmienne pole magnetyczne

wielkiej częstotliwości

• czujniki dwustanowe,

• czujniki analogowe.

Zasięg działania: 30 – 60 mm

Czujniki indukcyjne zbliżeniowe

Czujniki serii Uprox (firmy TURCK) – zastosowano cewki powietrzne.

Cechy:

• 10 razy większa częstotliwość przełączania,

• zasięg działania o 100% większy,

• odporne na silne pole elektromagnetyczne prądu stałego i przemiennego,

• zakres działania taki sam dla wszystkich metali

Czujniki impulsowo-optyczne

Czujniki przyspieszenia

Czujniki siły

Dynamometry sprężynowe

◦ zakres pomiarowy: 200kN

◦ niedokładność – 1% (uwarunkowana liniowością i

stabilnością charakterystyk sprężyn)

Czujniki siły

Czujniki siły – tensometry rezystancyjne

Tensometry rezystancyjne – układy mostkowe. Dla

kompensacji wpływów wahań temperatury -

tensometry kompensacyjne

Zastosowanie Robotyki w Medycynie -...

Documents

Transcript of Zastosowanie Robotyki w Medycynie -...

Zautomatyzowane systemy produkcyjnemarcin.kielczewski.pracownik.put.poznan.pl/ZSP01.pdf−Wprowadzenie do robotyki: mechanika i sterowanie , J.J. Craig, WNT 1995 −Modelowanie i sterowanie

POLITECHNIKA WARSZAWSKAgrafit.mchtr.pw.edu.pl/~mozaryn/publikacje/Karol_Burno_Praca... · POLITECHNIKA WARSZAWSKA WYDZIAŁ MECHATRONIKI INSTYTUT AUTOMATYKI I ROBOTYKI PRACA DYPLOMOWA

Temat - fc.put.poznan.plfc.put.poznan.pl/sites/default/files/Propozycje tematow prac mgr... · Web view6 Temat Rozgłaszanie ... Temat Szeregowanie zadań i przerw konserwacyjnych

Adaptacja slajdów do wykładów Introduction to Robotics ...staff.uz.zgora.pl/wpaszke/materialy/air/PRwyklad_2.pdfJ. Craig, „Wprowadzenie do robotyki. Mechanika i sterowanie”,

Katedra Cybernetyki i Robotyki - Laboratorium Robotykirab.ict.pwr.wroc.pl/~mucha/Logotyp_KCiR/ksiega_identyfikacji... · netyki i Robotyki jest on prezentowany w kolorze białym na

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki ZOD w Mielcu

Problematyka sieci miejscowej LIN - fc.put.poznan.plfc.put.poznan.pl/materials/84--3-lin-zkubiak.pdf · identyfikatorze 0x3C lub autonomicznie po stwierdzeniu na magistrali braku

Laboratorium Podstaw Robotyki - piotr.dutkiewicz.pracownik ...piotr.dutkiewicz.pracownik.put.poznan.pl/PR cw2.pdf · Laboratorium Podstaw Robotyki – 2 2 † Powtarzalność i dokładność

Teoria Informacji i Metody Kompresji Danych - fc.put.poznan.plfc.put.poznan.pl/materials/116-timkod--inf-i-miara-inf-1--sent.pdfmat.teoria informacji «dział matematyki stosowanej

indeks - Kielce · 2013. 4. 4. · Krajowa Giełda Wynalazczości ... informatyki oraz automatyki i robotyki, otwiera listę najczęściej wybieranych kierunków. Interesujące dane

J. Craig - Wprowadzenie Do Robotyki

fc.put.poznan.plfc.put.poznan.pl/sites/default/files/Tematy prac magisterskich II.docx · Web viewPrzygotowanie interfejsów umożliwiających import danych z istniejących źródeł

fc.put.poznan.plfc.put.poznan.pl/sites/default/files/Tematy prac magisterskich II_1... · Web viewPrzegląd literatury związanej z problematyką selekcji cech dla kosztowo-efektywnych

HUTNICZA WYDZIAŁ INŻYNIERII MECHANICZNEJ I ROBOTYKI ...

PODSTAWY ROBOTYKI- J. Craig: Wprowadzenie do robotyki. Mechanika i sterowanie, WNT, Warszawa 1995 - J. Honczarenko: Roboty przemysłowe. Budowa i zastosowanie, WNT, Warszawa 2010

INSTYTUT AUTOMATYKI I ROBOTYKI WYDZIAŁ … · System umożliwia pracę w strukturze jednoobwodowej lub kaskadowej. Oprócz wizualizacji procesu, system umożliwia rejestrację ...

Analiza/In ynieria wymaga ń - fc.put.poznan.plfc.put.poznan.pl/materials/104-wymagania.pdf · Wykorzystanie hierarchii wymagań ... Z reguły obejmuje wiele funkcji Analiza scenariuszy

Laboratorium Podstaw Robotyki ĆWICZENIE 6etacar.put.poznan.pl/piotr.dutkiewicz/PRcw6.pdf · Laboratorium Podstaw Robotyki – Ćw. 6 3 Ozn. parametru Nazwa parametru Wartość m

q ~ t w t~yq uvv ¢ ¡¨ robotyki 2021

LABORATORIUM ROBOTYKI Cwiczenie LPR-7 SYMULACJA … · 2016-11-22 · 0 Instytut Automatyki i Robotyki Politechnika Warszawska LABORATORIUM ROBOTYKI Cwiczenie LPR-7 SYMULACJA ZROBOTYZOWANYCH