DynaLab dynamika ramene

Tohle je statická kopie kapitoly pro vyhledávače. Interaktivní verze má animované obrázky, kontrolní otázky a tlačítka, která příklad načtou do kalkulačky.

Od trajektorie k momentu

Máš rameno a chceš, aby se za dvě vteřiny přeneslo tři kila odsud tam. Kinematika ti řekne, kudy: jaké úhly musí klouby postupně mít. Trajektorie ti řekne kdy: jak ty úhly poběží v čase. Zbývá otázka, na kterou ani jedna neodpoví — kolik to stojí. Jak velký moment musí každý kloub v každém okamžiku dodat, aby se rameno hýbalo přesně tak, jak sis naplánoval.

To je celá tahle labka. Na vstupu je popis ramene a pohyb q(t), na výstupu moment τ(t) v každém kloubu. Té otázce se říká inverzní dynamika a je to poslední číslo, které chybí, než se dá vybrat motor.

M(q)·q̈setrvačný — co stojí ROZJET hmotyroste se čtvercem toho, jak rychle chceš být hotovc(q,q̇)rychlostní — odstředivý a Coriolisůvroste s q̇²; mizí v klidu i při pohybu jediného kloubug(q)gravitační — co stojí jenom DRŽETna rychlosti ani zrychlení nezávisí, jen na polozeJₘn²q̈ + Bᵥq̇ + Bᴄmotorový — rotor a třenínení v ramenu, je v pohonu — kloub ho cítí stejněsoučet těch čtyř je moment, který musí dodat pohon
Moment v kloubu není jedno číslo, ale součet čtyř věcí, které se chovají každá jinak. Barvy platí v celé knize i v kalkulačce.

Kde to sedí v řetězu

Akademie má jednu dlouhou nit a tohle je její prostředek:

LabkaOdpovídá na
KineLabkde je nástroj, když mají klouby tyhle úhly
TrajLabjak ty úhly nechat běžet v čase, aby to bylo rychlé a hladké
DynaLabjaký moment ten pohyb stojí
DriveLabjaký motor a převodovka to zvládnou, aniž se uvaří

Proč nestačí statika

Nejběžnější chyba při dimenzování je spočítat, co rameno udrží, a myslet si, že to stačí. Držení je jenom jeden ze čtyř členů — a u rychlého ramene bývá ten nejmenší. Zkus si to: zkracuj dobu pohybu a dívej se, co dělá červená čára.

0.00.30.50.81.0-500.050čas [s]τ [N·m]celkemsetrvačný M q̈rychlostní cgravitační g
Kloub 1: špička 71,2 N·m v čase 0,23 s, efektivní 43,3 N·m
největší podíly: 38 % setrvačný, 13 % rychlostní, 63 % gravitační
Moment v kloubu během jednoho přenosu. Modrá je to, co stojí jenom držet — na době pohybu vůbec nezávisí. Červená je to, co stojí rozjet a zabrzdit hmoty; když zkrátíš čas na polovinu, vyskočí čtyřikrát. Oranžová jsou odstředivé a Coriolisovy členy: v klidu nulové, při rychlém pohybu ne. Přepni na druhý kloub a poměry se úplně změní.

Ta samá rovnice čtená obráceně

Když se rovnice obrátí, odpoví na druhou otázku: mám tyhle momenty, jak se rameno bude hýbat? Tomu se říká dopředná dynamika a je to totéž po jednom maticovém řešení navíc. Je to to, co dělá simulátor, a je to jediný způsob, jak si model ověřit dřív, než se postaví železo. Věnuje se tomu jedenáctá kapitola.

Dvě otázky, jedna rovnice.

  • Inverzní dynamika: znám pohyb, chci moment. Rychlá, přímočará, běží v regulátoru tisíckrát za vteřinu.
  • Dopředná dynamika: znám moment, chci pohyb. Potřebuje vyřešit soustavu rovnic a integrovat v čase. Tohle dělá simulace.

Dynamika neřekne, jestli je návrh dobrý. Řekne, co ten návrh stojí. To, jestli je to moc, rozhodne až DriveLab — a rozhodne to dvakrát: jednou podle špičky momentu a jednou podle jeho efektivní hodnoty, protože to jsou dvě různá omezení a málokdy padnou na tentýž motor.

Vzorce v této kapitole

τ — pohybová rovnice ramene
M(q)·q̈ + c(q,q̇) + g(q) = τ [N·m] Siciliano, kap. 7
ID — inverzní dynamika
τ = f(q, q̇, q̈) [N·m] definice
FD — dopředná dynamika
q̈ = M⁻¹(q)·[τ − c(q,q̇) − g(q)] [rad/s²] definice