Typy používaných pohonů

3.1.1. Elektrické pohony

Elektromechanické pohony převádějí elektrickou energii na energii

mechanickou. Rozlišují se podle mechanismu převodu energie na elektromagnetické, elektrostatické a piezoelektrické. Rozdíly v elektrických motorech jsou hlavně v

konstrukci jejich rotoru a metodě generování magnetického pole. Využití elektromotorů zaznamenáváme především v konstrukcích robotů a manipulátorů střední nosnosti.

Výhodou je snadno dostupný zdroj energie, na kterém je však motor závislý, a jednoduchost jeho vedení k motoru. Menší rozměry motoru, nižší hlučnost a vyšší čistota provozu jsou také zásadní důvody aplikace elektromotorů právě v lékařských zařízeních [20]. Základní komponenty elektrického motoru jsou [14]:

 Stator - Pevná část motoru, která generuje magnetické pole. To může být

zhotoveno z permanentního magnetu nebo měděného vinutí. Magnetické pole je vytvořeno s těmito magnety a měděným vinutím v motoru. Stator může být uvnitř nebo vně motoru.

 Rotor - Je rotační část motoru nacházející se v dutině statoru. Záleží na

konstrukci, může být permanentní magnet nebo feromagnetické jádro s vinutím cívky. Vhodným působením magnetického pole statoru a rotoru vzniká točivý moment.

 Kotva - Je vinutí rotoru, které nese proud a indikuje magnetické pole rotoru.

 Vzduchová mezera - Malá mezera mezi rotorem a statorem. Dochází k interakci magnetického pole statoru a rotoru, což vytváří výstupní moment.

 Sběrací kartáč - je součástí DC motoru, skrz kterou je proud dodán do armatury.

U synchronních AC motorů se to děje prostřednictvím sběracích kroužků.

 Komutátor - Je součástí rotoru u DC motoru. Je v kontaktu se sběracími kartáči a slouží k usměrňování směru proudu kotvy.

- 22 -

Elektrické motory jsou řazeny do dvou hlavních typů na DC motory a AC motory. Kvůli průmyslovým požadavkům jsou zde také motory krokové, lineární motory a servomotory. Hlavně těchto pět hlavních typů elektrických motoru se využívá v rehabilitačních zařízeních.

3.1.1.1. DC motory

DC motor je elektrický motor, který převádí stejnosměrný proud elektrické energie na energii mechanickou. Rotační pohyby stejnosměrného motoru jsou hladké, přesné a silné. Rychlost motoru je přímo úměrná aplikovanému napětí. Výstupní moment motoru je přímo úměrný intenzitě proudu vinutí kotvy. Motor obsahuje elektrické a mechanické části. Nepohyblivou část tvoří stator a pohyblivou část rotor (kotva), který je od statoru oddělen vzduchovou mezerou. Stator je zpravidla tvořen permanentními magnety. Rotor má své vinutí, které je vyvedeno na komutátor.

Komutátoru se dotýkají kartáče, které zajišťují rotaci motoru změnami polarity vinutí kotvy Výkon stejnosměrného motoru lze plynule řídit změnou napájecího napětí.

DC motory jsou klasifikovány na základě přítomnosti sběracích kartáčů v jejich struktuře na kartáčové a bezkartáčové. Indukovaný proud je převáděn na kotvu dvěma způsoby: použitím kartáče a komutátoru nebo použitím elektrických obvodů.[16]

Obr. č. 1: Princip stejnosměrného kartáčového motoru [17].

- 23 -

U kartáčového DC motoru se jako zdroj magnetického pole uvnitř těla využívá permanentního magnetu a elektromagnetu. Permanentní magnet generuje hlavní magnetický indukční tok statoru a elektromagnet kotvy. Pohyb magnetického pole kotvy se získá přepínáním proudů, které tečou v jejím vinutí. Kartáče lze rozlišit podle polohy vzhledem k ose komutátoru.[14]

V bezkartáčovém stejnosměrném motoru rotační část tvoří permanentní magnet a stacionární část se skládá z miniaturních vinutí. Průtok proudu vinutím je kontrolován magnetickým nebo optickým senzorem. Tento typ elektromotoru vytváří vysoký točivý moment.[14]

DC motory se využívají často v rehabilitační robotice a to především v takových aplikacích, kde není vyžadována vysoká přesnost.

3.1.1.2. AC motory

AC motor je elektrický motor, který převádí elektrickou energii střídavého proudu na energii mechanickou. Rozlišují se dva základní typy těchto motorů: indukční motor a synchronní motor.

Indukční motor je preferovaný více než DC motor především kvůli jeho nízkým finančním nákladům a také požadavkům na údržbu. Základní části jsou stator, kotva, tělo, podpora a vrtule. Magnetické pole statoru indikuje proud do velkého množství vinutí kotvy. Kotva nepřipojuje žádný jiný zdroj energie. Rotační rychlost indukčního motoru je mírně měněna zátěží. Rychlost kotvy je vždy menší než rychlost

magnetického pole statoru právě kvůli zatížení motoru. Indukční motory jsou dále rozděleny na jednofázové a trojfázové podle počtu fází statoru.

Synchronní motor je elektromotor rotující konstantní rychlostí v závislosti na frekvenci a počtu pólů. Magnetické pole je generováno proudem vinutí kotvy. Toto magnetické pole je konstantní. Rychlost rotace pole a rychlost rotace kotvy jsou tedy v tomto typu motorů stejné. Tyto motory se využívají v aplikaci požadující vysokou sílu motoru.[15]

- 24 -

3.1.1.3. Servomotory

Servomotory jsou velmi efektivně využívány v rychlém a přemisťovacím řízení elektromechanických aplikací. Mají plynulý pohyb a využívají zpětné vazby signálů pro rychlost a kontrolu pohybu stroje. Díky kontroléru a zpětné vazbě tak lze nastavit přesný úhel natočení osy rotoru. Na rozdíl od krokových motorů, mohou být poháněny stejnosměrným i střídavým proudem (AC i DC). Konstrukce DC servomotoru je podobná konstrukci běžnému DC motoru. Hlavními vlastnostmi jsou: menší spotřeba energie, menší průměr motoru, výsledný točivý moment je úměrný průměru motoru, malé setrvačné momenty. DC servomotory se využívají v aplikacích, kde je požadována vyšší síla motoru. AC servomotory mají nevýhody jako nižší efektivitu, požadavky na střídavý zdroj, či ztráty energie (tepelné). Servomotory mají vzhledem ke zpracovávání signálů zpětné vazby extra hardwarové požadavky. Své využití v rehabilitační robotice si našly především díky velké přesnosti.[14,15]

3.1.1.4. Krokové motory

Krokový motor převádí elektrické impulsy na přiměřené mechanické pohyby.

Mohou být řízené počítačem nebo mikroprocesorem. Množství otáčení hřídele motoru je přímo úměrné počtu impulsů a rychlost motoru je přímo úměrná frekvenci těchto impulsů. Úhel rotace motoru pro jednotlivý impuls je pro krokový motor

charakteristickým znakem. Využívá se pro otevřené smyčky řídících systémů. Výsledný pohyb pro každý impuls je přesný a opakovatelný. Proto se používá pro zátěžové

polohovací systémy. Výhodou je, že tento typ motoru nevyžaduje zpětnou vazbu. Je také díky své jednoduché struktuře méně náročný na údržbu. Avšak pohyb motoru není spojitý, je náchylný na vibrace a výkon je méně silný než u jiných motorů. Při přetížení dochází k přehřívání motoru [14,24].

- 25 -

3.1.1.5. Lineární motory

Lineární motor vytváří pohyb v přímé linii na rozdíl od cirkulačního pohybu běžného elektromotoru. Převádí přímo elektrickou energii na lineární mechanický pohyb. Lze rozlišovat na mechanické, hydraulické a pneumatické, piezoelektrické, elektro-mechanické či teleskopické lineární pohony. V průmyslu se lineární motory využívají pro dlouhé vzdálenosti a vysokou citlivost. Rotor a stator tohoto typu motoru je ''rozvinutý'', takže neprodukuje točivý moment, nýbrž lineární sílu podél jeho délky.

Princip motoru je znázorněn na obrázku č.2. Rozlišujeme řadu konstrukcí, přičemž můžeme vymezit dvě hlavní skupiny: lineární motory s nízkým zrychlením a s vysokým zrychlením. S nízkým zrychlením jsou vhodné například pro vlaky maglev či jiné transportní prostředky. Vysokého zrychlení se využívá na krátké vzdálenosti pro vytvoření maximálního zrychlení. Typickým příkladem je například elektromagnetické dělo railgun. Složitost mechanického systému je výrazně snížena. I při vysokých rychlostech funguje naprosto přesně, reaguje rychleji než mechanický převod.

Nevýhodou tohoto motoru je, že je přímo závislý na jeho teplotě. [14,27]

3.1.2. Hydraulické a pneumatické pohony

Hydraulické pohony jsou konstruovány pro pohyb velkých zátěží. Využívají stlačenou kapalinu v trubkách a pístech, které jsou řízeny mechanickými nebo elektromechanickými ventily. Systém se skládá z tanku, čerpadla, regulátoru tlaku, ventilů a pístů. Čerpadla bývají zpravidla poháněna elektromotory. Hydraulické

Obr.č.2: Princip lineárního motoru [26].

- 26 -

systémy mají velkou nosnost, vlastní chlazení, hladké pohyby a rychlou reakční

schopnost, avšak jejich pořizovací cena je vysoká. Nejsou vhodné pro vysokorychlostní cyklické pohyby. V rehabilitační robotice se využívají jen minimálně.[14]

Pneumatické pohony jsou založeny na principu stlačeného plynu v pístech, které jsou řízeny mechanickými nebo elektromechanickými ventily. Skládají se z

kompresoru, klimatizační jednotky, nádrže pro skladování plynu, pístů a ventilů [14].

Princip pneumatických pohonů je tedy velmi podobný s tím u hydraulických pohonů.

Tento typ motorů je rychlý, levný a čistý. Na druhou stranu je zde obtížná regulace otáček a vypořádat se musíme také s hlučností při vypouštění plynu. Ovládání

pneumatických pohonů je velmi obtížné, tudíž jejich využití v rehabilitační robotice je značně omezeno.[27]