Come posso proteggere al meglio i componenti sensibili dai danni causati dalle vibrazioni?

È comune che i componenti di alcuni tipi di robot subiscano forti stress ambientali, uno dei quali è la vibrazione. È qualcosa di cui devo preoccuparmi con l'elettronica tipica e altri componenti sensibili o no? In tal caso, come posso proteggere tali componenti?

Ho sentito parlare di due filosofie principali dietro questa, la prima è che dovresti usare un sistema di smorzamento come ad esempio le molle per assorbire lo shock. Il secondo è che dovresti tenere tutto rigidamente in posizione in modo che non possa muoversi e quindi non possa colpire nient'altro e rompersi.

Quale dovrei seguire o se la risposta è "dipende" cosa dovrei usare come guida per proteggere al meglio i componenti sensibili?

In parte ciò dipende da dove proviene la vibrazione.

Mentre le due tecniche che descrivi sono molto preziose, se la vibrazione proviene dai tuoi attuatori, potresti essere in grado di migliorare significativamente le cose semplicemente usando un profilo di velocità diverso per le tue mosse.

I profili di velocità trapezoidali tradizionali sono un'accelerazione costante fino a una velocità massima fissa seguita da una crociera a velocità costante, seguita da una decelerazione costante a velocità zero. Questo crea un alto sussulto istantaneo (o jerk) - la terza derivata della posizione nel tempo. È questa scossa elevata che spesso causa danni da vibrazione.

Molti controller di movimento offrono un profilo di velocità della curva a S che è vincolato dalla scossa, questo può ridurre significativamente quegli impulsi di scossa elevati. Inoltre, poiché stai accelerando l'accelerazione, puoi spesso ottimizzare il loop PID in modo più aggressivo e ottenere effettivamente aumenti delle prestazioni da punto a punto. Sfortunatamente questo è a costo di aggiungere complessità alla sincronizzazione e alla pianificazione dei tuoi spostamenti.

Ho anche lavorato su sistemi che utilizzano spline cubiche pure per l'intera mossa. Questi hanno creato profili di mosse fluide e setose in cui le mosse adiacenti si sono fuse perfettamente l'una con l'altra senza scosse percettibili. Tuttavia, con questi sistemi è ancora più difficile sincronizzare le mosse e la matematica in fase di pianificazione diventa ancora più complessa rispetto alle curve a S.

I componenti dovrebbero avere livelli di vibrazione da qualche parte. Praticamente qualsiasi cosa senza parti in movimento andrà bene. Alcuni sensori come accelerometri e giroscopi sono interessati.

Ad esempio, i quadrotori sono un'applicazione che è fortemente influenzata dalle vibrazioni. I quattro puntelli producono una quantità assolutamente ridicola di vibrazioni e un quadrotore richiede dati accurati del sensore dagli accelerometri / giroscopi. Se guardi i grafici dell'accelerometro vedrai un'incredibile quantità di rumore.

Nonostante ciò, pochissimi quadricipiti hanno qualsiasi forma di smorzamento delle vibrazioni, un filtro kalman è sufficiente per ottenere buoni dati.

C'è molta letteratura sullo smorzamento delle vibrazioni e diversi possibili approcci (sia attivi che passivi).

Ho scoperto che la memory foam è l'ideale per smorzare le vibrazioni dell'elettronica e dei piccoli sensori come accel / gyro. La memory foam è molto morbida ma, soprattutto, è progettata per smorzare molto bene. Ho ridotto il rumore dell'accelerometro sugli UAV di circa l'80% usando la memory foam in passato.

Sul sistema Asguard su cui abbiamo lavorato, abbiamo molti shock dovuti alla geometria della ruota. Su questo sistema siamo stati anche in grado di ridurre le vibrazioni sul lato di controllo come suggerito da Mark . Ciò è stato fatto sincronizzando le ruote in modelli ottimali.

Il sistema ha anche alcune caratteristiche di progettazione meccanica che riducono le vibrazioni. Ruote flessibili, giunti elastici tra ingranaggi e ruota e meccanismi di bloccaggio per la maggior parte delle viti.

L'elettronica non è rigidamente collegata alla struttura, ma utilizza una combinazione di schiuma e gomme per mantenerle in posizione. Questo ha funzionato bene finora. Abbiamo avuto molti problemi con i connettori, tuttavia dove spesso si verificano micro-fratture sui connettori della scheda, specialmente sui connettori più pesanti come il firewire. In questi casi abbiamo dovuto creare strutture meccaniche per mantenere i connettori in posizione, o sostituire i connettori con alternative leggere ove possibile.

Componenti sensibili, come ad esempio l'IMU e le telecamere, sono rigidamente collegati al sistema. È vero che questo migliora il rumore sugli accelerometri, ma il filtro Kalman non ha mai avuto grossi problemi con la stima dell'orientamento. Quando si utilizzano brevi tempi di esposizione sulla fotocamera, anche le vibrazioni non rappresentano un problema. Dal punto di vista dei sensori ci aspettavamo davvero molti più problemi di quanti ne avessimo effettivamente avuto.

Quindi immagino che la risposta alla tua domanda sia che dipende davvero dal tuo sistema, e come abbiamo visto nel nostro caso che spesso non hai nemmeno bisogno di proteggere troppo i tuoi componenti dalle vibrazioni.

Ci vorrà molto per rimuovere i componenti da un PCB / PWB, quindi per la maggior parte dovrebbe essere sicuro se si assicura che il montaggio sia corretto. Una cosa che la gente dimentica è che se c'è vibrazione ci potrebbe essere anche la flessione, e anche minuscole quantità di flessione trasmesse in un PWB possono essere dannose. FR4 è rigido e nella posizione sbagliata prenderà molti carichi di stress. Ma questo è facilmente risolvibile con il giusto tipo di montaggio che non consente alla forza di passare attraverso la scheda - ancorata da un lato, semirigida dall'altro lato.