Wie kann ich empfindliche Bauteile am besten vor Beschädigungen durch Vibrationen schützen?

Bei einigen Robotertypen treten häufig große Umwelteinflüsse auf, darunter Vibrationen. Muss ich mir bei typischer Elektronik und anderen empfindlichen Komponenten Sorgen machen oder nicht wirklich? Wenn ja, wie sichere ich solche Komponenten?

Ich habe von zwei Hauptphilosophien gehört, von denen die erste darin besteht, dass Sie ein Dämpfungssystem wie Federn verwenden sollten, um den Stoß zu absorbieren. Das zweite ist, dass Sie alles starr an Ort und Stelle halten sollten, damit es sich nicht bewegen kann und daher nicht gegen etwas anderes schlagen und brechen kann.

Welchem ​​sollte ich folgen, oder wenn die Antwort "es hängt davon ab" lautet, was sollte ich als Leitfaden verwenden, um empfindliche Komponenten am besten zu schützen?

Dies hängt teilweise davon ab, woher die Vibration kommt.

Während die beiden von Ihnen beschriebenen Techniken sehr wertvoll sind, können Sie, wenn die Vibration von Ihren eigenen Aktuatoren stammt, die Dinge möglicherweise erheblich verbessern, indem Sie einfach ein anderes Geschwindigkeitsprofil für Ihre Bewegungen verwenden.

Traditionelle trapezGeschwindigkeitsProfile sind eine konstante Beschleunigung bis zu einer festen maximalen Geschwindigkeit eine konstante Geschwindigkeit cruise, gefolgt von einer konstanten Verzögerung zurück auf Null - Geschwindigkeit. Dies erzeugt einen hohen augenblicklichen Ruck (oder Ruck) - die dritte Ableitung der Position über die Zeit. Es ist dieser hohe Ruck, der oft Vibrationsschäden verursacht.

Viele Bewegungsregler bieten ein ruckbeschränktes S-Kurven- Geschwindigkeitsprofil, wodurch diese Impulse mit hohem Ruck erheblich reduziert werden können. Da Sie Ihre Beschleunigung erhöhen, können Sie Ihren PID-Regelkreis häufig aggressiver einstellen und tatsächlich Punkt-zu-Punkt-Leistungssteigerungen erzielen. Leider geht dies zu Lasten der Komplexität Ihrer Umzugssynchronisation und -planung.

Ich habe auch an Systemen gearbeitet, die für den gesamten Zug reine kubische Splines verwenden . Diese erzeugten seidig glatte Bewegungsprofile, bei denen benachbarte Bewegungen nahtlos ohne wahrnehmbaren Ruck miteinander verschmolzen. Diese Systeme sind jedoch noch schwieriger mit Bewegungen zu synchronisieren, und die Mathematik im Planungsschritt wird noch komplexer als bei S-Kurven.

Komponenten sollten irgendwo Vibrationswerte haben. So ziemlich alles ohne bewegliche Teile ist in Ordnung. Einige Sensoren wie Beschleunigungsmesser und Gyroskope sind betroffen.

Beispielsweise sind Quadrotoren eine Anwendung, die durch Vibrationen dramatisch beeinflusst wird. Die vier Requisiten erzeugen eine absolut lächerliche Menge an Vibrationen und ein Quadrotor benötigt genaue Sensordaten von den Beschleunigungsmessern / Gyros. Wenn Sie sich die Beschleunigungsmesser-Diagramme ansehen, werden Sie unglaublich viel Rauschen sehen.

Trotzdem haben nur sehr wenige Quads irgendeine Form von Schwingungsdämpfung. Ein Kalman-Filter reicht aus, um gute Daten zu erhalten.

Es gibt viel Literatur zur Schwingungsdämpfung und verschiedene mögliche Ansätze (sowohl aktiv als auch passiv).

Ich habe festgestellt, dass Memory Foam ideal ist, um Vibrationen an Elektronik und kleinen Sensoren wie Accel / Gyro zu dämpfen. Memory-Schaum ist sehr weich, aber vor allem so konzipiert, dass er extrem gut dämpft. Ich habe in der Vergangenheit durch die Verwendung von Memory-Schaum das Rauschen des Beschleunigungsmessers bei UAVs um ~ 80% reduziert.

Bei dem Asguard- System, an dem wir gearbeitet haben, treten aufgrund der Radgeometrie viele Stöße auf. Auf diesem System konnten wir auch die Vibrationen auf der Steuerseite reduzieren, wie Mark vorgeschlagen hatte . Dies wurde durch Synchronisieren der Räder in optimalen Mustern erreicht.

Das System verfügt auch über einige mechanische Konstruktionsmerkmale, die die Vibrationen reduzieren. Flexible Räder, elastische Kupplungen zwischen den Zahnrädern und dem Rad sowie Verriegelungsmechanismen für die meisten Schrauben.

Die Elektronik ist nicht starr mit der Struktur verbunden, sondern verwendet eine Kombination aus Schaum und Gummi, um sie an Ort und Stelle zu halten. Das hat bisher gut funktioniert. Wir hatten jedoch viele Probleme mit Steckverbindern, bei denen es häufig zu Mikrorissen an den Platinenanschlüssen kam, insbesondere an den schwereren Steckverbindern wie Firewire. In diesen Fällen mussten wir mechanische Strukturen erstellen, um die Steckverbinder an Ort und Stelle zu halten, oder die Steckverbinder nach Möglichkeit durch leichte Alternativen ersetzen.

Empfindliche Komponenten, wie zum Beispiel die IMU und die Kameras, die wir fest mit dem System verbunden haben. Es ist wahr, dass dies das Rauschen auf den Beschleunigungsmessern verbessert, aber der Kalman-Filter hatte nie ein großes Problem damit, die Orientierung abzuschätzen. Bei kurzen Belichtungszeiten der Kamera sind die Vibrationen ebenfalls kein großes Problem. Aus sensorischer Sicht haben wir wirklich viel mehr Probleme erwartet als wir tatsächlich hatten.

Ich denke, die Antwort auf Ihre Frage ist, dass es wirklich von Ihrem System abhängt, und wie wir in unserem Fall gesehen haben, müssen Sie Ihre Komponenten oft nicht einmal zu sehr vor Vibrationen schützen.

Das Abschütteln von Komponenten von einer Leiterplatte / Leiterplatte erfordert viel Zeit, sodass es größtenteils sicher sein sollte, wenn Sie sicherstellen, dass die Montage korrekt ist. Eine Sache, die die Leute vergessen, ist, dass bei Vibrationen auch Biegungen auftreten können und selbst winzige Mengen an Biegungen, die auf eine Leiterplatte übertragen werden, schädlich sein können. FR4 ist steif und nimmt an der falschen Stelle einen Großteil der Belastungen auf. Dies lässt sich jedoch leicht mit der richtigen Art der Befestigung beheben, bei der die Kraft nicht durch die Platine übertragen werden kann - auf der einen Seite verankert, auf der anderen Seite halbstarr.