РОБОТОТЕХНИКА

БАТАРЕИ ДЛЯ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ РОБОТОВ

В каждом отдельном случае применения электрических бата­рей для питания подвижного устройства прежде всего следует решить, использовать ли перезаряжаемые элементы, аккумуля­торы, или вместо них можно применить сухие элементы. Если основное требование состоит в низкой стоимости эксплуатации, то, несомненно, следует использовать перезаряжаемые элементы. Хотя начальная стоимость перезаряжаемого элемента в 2—4 раза превышает стоимость эквивалентного сухого элемента, годовая эксплуатационная стоимость сухих элементов от 4 до 30 раз выше. Кроме того, имеется еще одно неудобство использования сухих элементов, заключающееся в необходимости их частой покупки и замены, тогда как перезаряжаемый элемент можно регулярно подзаряжать и заменять один раз в год. Однако в случаях, когда масса и объем устройства должны быть минимизированы, важным преимуществом сухих элементов является то, что их масса и объем приблизительно в два раза меньше, чем у эквива­лентных перезаряжаемых элементов.

Однако масса сухих элементов может оказаться чрезмерно большой в случае использования их для питания силового привода робота, и тогда предпочтение следует отдавать перезаряжаемым элементам. По этой же причине желательно, чтобы они не были кислотного типа. Хотя серебряно-цинковые батареи дают во многих конкретных применениях выигрыш в массе, у них огра­ничено число циклов перезарядки 112]. Кроме того, батареи ука­занного типа не полностью герметичны и имеется реальная воз­можность утечки едкой щелочи через отдушины при необычных условиях работы. Такое может случиться, если робот, например, опрокидывается.

В настоящее время для множества применений в приводе от­личные показатели безопасности, надежности и прочности никель - кадмиевых элементов делают их предпочтительнее серебряно­цинковых элементов, несмотря на удвоение массы, с которым при­ходится мириться. Не представляется возможным привести здесь точные данные, поскольку они в большой степени зависят от конкретно рассматриваемого случая. И все же типичная никель- кадмиевая батарея, питающая двигатель постоянного тока на­пряжением 12 В, пусковым током 5 А и рабочим током 1,5 А и обеспечивающая общую энергию 6 Вт-ч в день, будет иметь массу около 0,7 кг и объем порядка 200 см3.

Электрическая емкость такой батареи составляет около 14 Вт-ч, так что в критической ситуации она может использова­ться без подзарядки в течение двух дней. Батарея должна стоить около 12 фунтов в год при условии, что она ежегодно заменяется; причем стоимость подзарядки после того, как окупили себя затраты на зарядное оборудование, можно в расчет не принимать. В процессе работы, в которой участвовал автор, простые зарядные устройства непосредственно встраивались в подвижные роботы, с тем чтобы они могли производить зарядку от сети переменного тока без какого бы то ни было зарядного оборудования.

Заметим, что по сравнению с никель-кадмиевой батареей у 120-граммового баллона с углекислым газом приблизительно та же масса, почти в 2 раза больший объем, приблизительно 1/4 90 энергетического запаса (поэтому баллон рассчитан только на 1 день), а стоимость его эксплуатации приблизительно в 6 раз превышает стоимость эксплуатации никель-кадмиевой батареи. Тем не менее в некоторых случаях относительная простота пневма­тического привода оправдывает использование системы, работа­ющей на углекислом газе.

5.3. ПОСЛЕДНИЕ РАЗРАБОТКИ [12, 32, 36, 44—46]

Совсем недавно разработаны ртутно-кислотные сухие элементы, которые по сравнению с более ранними сухими элементами имеют меньшие массу и габариты: они составляют 1/4 от массы и габа­ритов эквивалентной никель-кадмиевой батареи. Тем не менее стоимость эксплуатации этих новых сухих элементов даже более высокая, чем у ранних элементов, а годовая стоимость прибли­зительно в 50 раз превосходит годовую стоимость эквивалентной никель-кадмиевой батареи. Здесь также остается общая трудность, связанная с получением и хранением элементов для. замены. Поэтому в настоящее время никель-кадмиевым элементам все еще отдается предпочтение для использования их в качестве основ­ного источника энергии для робота.

Не исключена возможность того, что в дальнейшем весьма удобным источником питания для роботов могут оказаться водо­родно-кислородные топливные элементы [6,24,25]. Такие устрой­ства уже применялись в открытом космосе, хотя, возможно, лишь из-за преимущества в массе, которое здесь важно. Недостаток топливного элемента для использования его в домашних условиях в качестве первичного источника энергии заключается в необ­ходимости сжатого водорода. Топливный элемент в настоящее время дает преимущество при использовании в тех случаях, когда энергия потребляется непрерывно, в течение продолжительных промежутков времени, превышающих, скажем 20 ч. При исполь­зовании его в условиях высоких температур (200° С) и давлений (4000 кПа) топливный элемент позволяет получить очень большие значения удельной энергии, выражающиеся в ватт-часах на ки­лограмм массы.

Препятствием для широкого применения перезаряжаемого элемента является существование точки замерзания электролита. Температура замерзания может достигать для щелочного эле­мента — 27° С.

Оказалось полезным снабжать некоторые протезные устройства механизмами для отключения двигателей при понижении напря­жения батареи до предельно низкой величины.

В ряде случаев в качестве источника энергии может исполь­зоваться так называемая механически перезаряжаемая батарея. В этой батарее после полного использования целиком заменяется анод. Для того чтобы осуществить замену, необходимо только установить новый внутренний контейнер, в котором находятся

новый анод и некоторое количество свежего электролита в твер­дом виде. Контейнер вставляется в наполненный водой катодный бокс. Время, необходимое для этой перестановочной процедуры, намного меньше, чем время, требующееся для зарядки аккуму­ляторной батареи.

Один и тот же катод может использоваться при 50—100 заме­нах анодного контейнера, благодаря чему достигается большая суммарная долговечность. От батареи такого типа можно полу­чить около 220 Вт-ч энергии на килограмм массы. Тот факт, что батарея применима в очень широком диапазоне выходных токов, делает ее источником энергии, удобным для использования в ро­боте. Кроме того, этот аккумулятор может работать в сильно из­меняющихся условиях окружающей среды и температурном диа­пазоне от —40° С до +54° С. Оказалось, что, несмотря на необ­ходимость в замене анода, эксплуатационные расходы на него не выше, чем на аккумуляторы других систем. Приобретет ли этот вид источника питания большое значение для использования в роботах, будет видно в дальнейшем. Быть может, окажется более удобным заменять всю батарею целиком, а затем ее переоборудовать.

К Другим недавним нововведениям относится так называемый свободный от обслуживания аккумулятор, надежность которого повышается за счет устранения сурьмы и использования мало- испаряющегося электролита. Продолжительность службы этого аккумулятора около трех лет.

От некоторых роботов потребуется работа при высоких внеш­них температурах; для таких случаев перспективен литиево- теллуриевый элемент. Он работает при температуре 500° С, а при температуре ниже 400° С вообще не является источником энергии. Тем не менее этот элемент массой всего лишь 500 г способен раз­вивать выходную мощность 64 Вт при электрической емкости 100 Вт, в то время как объем его составляет менее 500 см3.

Электрическая емкость аккумуляторной батареи уменьшается с понижением температуры, хотя при нормальных условиях плот­ность электролита уменьшается не настолько быстро, чтобы выз­вать его замерзание. Уменьшение емкости батареи может дости­гать 15% при уменьшении температуры на 20° С. В связи с этим возникают трудности в тех случаях, когда транспортное средство, работающее от батареи, должно использоваться в холодном складе. Трудности еще более увеличиваются, когда батарею пред­стоит использовать в условиях дальнего космоса.

При составлении для робота общих энергетических требований можно ориентироваться на эквивалентное энергетическое потреб­ление у человека при выполнении различных заданий. Потреб­ление энергии человеком изменяется от 100 Вт при малой актив­ности приблизительно до 1 кВт при подъеме по ступенькам. Мож­но ожидать, ЧТО общий к. п.д. первых роботов будет ниже, чем у человека, и это следует учитывать при решении вопроса об энер­гетических требованиях к роботу.

В некоторых случаях, используя солнечные элементы, можно по­лучить энергию для подзаряда батарей робота от солнечных лучей. Этот подход оказался наиболее эффективным при использовании робототехнических устройств в космосе. Атомные батареи предо­ставляют еще одну возможность получения малых мощностей.

Японская компания «Мацушита» выпустила новую высоко­энергоемкую аккумуляторную батарею гальванических элемен­тов с удельной энергией, приблизительно в 4—5 раз большей, чем у серийно выпускаемых. В этой батарее используется органи­ческий электролит совместно с литиевым отрицательным и поли - углеродистым положительным электродами. Электрическое напря­жение, получаемое от одного элемента, составляет 2,6 В. Герме­тичная высокоэнергоемкая аккумуляторная батарея с отноше­нием мощности к массе, приблизительно в 5 раз превышающим распространенное, использовалась для энергоснабжения легкового автомобиля «Шевроле Вега», который без подзаряда мог покрыть расстояние в 160 км, развивая скорость до 100 км/ч [33].

Из изложенного ясно, что существуют большие возмож­ности совершенствования как первичных, так и вторичных видов источников электрической энергии для использования в роботе. По многим причинам последним, очевидно, будет отдано пред­почтение применительно к роботу, который, быть может, в конце концов сам будет «заботиться» о своем подзаряде от сети.