¿Cómo puedo proteger mejor los componentes sensibles contra daños por vibración?

Es común que los componentes de algunos tipos de robots experimenten grandes tensiones medioambientales, uno clave es la vibración. ¿Es algo de lo que deba preocuparme con la electrónica típica y otros componentes sensibles, o no realmente? Si es así, ¿cómo aseguro dichos componentes?

He oído hablar de dos filosofías principales detrás de esto, la primera es que debe usar un sistema de amortiguación, como con resortes para absorber el impacto. El segundo es que debes mantener todo rígidamente en su lugar para que no se pueda mover y, por lo tanto, no puedas golpear contra nada más y romperte.

¿Cuál debo seguir, o si la respuesta es "depende", qué debo usar como guía para proteger mejor los componentes sensibles?

En parte, esto depende de dónde provenga la vibración.

Si bien las dos técnicas que describe son muy valiosas, si la vibración proviene de sus propios actuadores, entonces puede mejorar significativamente las cosas simplemente usando un perfil de velocidad diferente para sus movimientos.

Los perfiles de velocidad trapezoidales tradicionales son una aceleración constante hasta una velocidad máxima fija seguida de un crucero de velocidad constante, seguido de una desaceleración constante de nuevo a velocidad cero. Esto crea una gran sacudida instantánea (o sacudida) , la tercera derivada de la posición en el tiempo. Es esta gran sacudida la que a menudo causa daños por vibración.

Muchos controladores de movimiento ofrecen un perfil de velocidad de curva en S que está limitado por sacudidas, esto puede reducir significativamente los impulsos de sacudidas altas. Además, dado que está acelerando su aceleración, a menudo puede ajustar su bucle PID de manera más agresiva y, de hecho, obtener aumentos de rendimiento punto a punto. Desafortunadamente, esto tiene el costo de agregar complejidad a la sincronización y planificación de su movimiento.

También he trabajado en sistemas que usan splines cúbicas puras para todo el movimiento. Estos crearon perfiles de movimientos suaves y sedosos donde los movimientos adyacentes se fusionaron perfectamente entre sí sin sacudidas perceptibles. Sin embargo, estos sistemas son aún más difíciles de sincronizar movimientos y las matemáticas en el paso de planificación se vuelven aún más complejas que con las curvas S.

Los componentes deben tener clasificaciones de vibración en alguna parte. Casi cualquier cosa sin partes móviles estará bien. Algunos sensores como acelerómetros y giroscopios se ven afectados.

Como ejemplo, los cuadrotors son una aplicación que se ve dramáticamente afectada por la vibración. Los cuatro accesorios producen una cantidad de vibración absolutamente ridícula y un quadrotor requiere datos precisos del sensor de los acelerómetros / giroscopios. Si observa las gráficas del acelerómetro, verá una cantidad increíble de ruido.

A pesar de esto, muy pocos quads tienen alguna forma de amortiguación de vibraciones, un filtro Kalman es suficiente para obtener buenos datos.

Existe mucha literatura sobre amortiguación de vibraciones y varios enfoques posibles (tanto activos como pasivos).

He descubierto que la espuma viscoelástica es ideal para amortiguar las vibraciones de la electrónica y los sensores pequeños como el acelerador / giroscopio. La espuma viscoelástica es muy suave, pero lo más importante es que está diseñada para amortiguar extremadamente bien. He reducido el ruido del acelerómetro en vehículos aéreos no tripulados en ~ 80% mediante el uso de espuma de memoria en el pasado.

En el sistema Asguard en el que hemos estado trabajando, tenemos muchos choques debido a la geometría de la rueda. En este sistema también pudimos reducir las vibraciones en el lado del control como Mark sugirió . Esto se hizo sincronizando las ruedas en patrones óptimos.

El sistema también tiene algunas características de diseño mecánico que reducen las vibraciones. Ruedas flexibles, acoplamientos elásticos entre los engranajes y la rueda y mecanismos de bloqueo para la mayoría de los tornillos.

Los componentes electrónicos no están conectados rígidamente a la estructura, pero usan una combinación de espuma y gomas para mantenerlos en su lugar. Esto ha funcionado bien hasta ahora. Sin embargo, tuvimos muchos problemas con los conectores, donde con frecuencia teníamos microfracturas en los conectores de la placa, especialmente en los conectores más pesados ​​como FireWire. En estos casos, tuvimos que crear estructuras mecánicas para mantener los conectores en su lugar, o reemplazar los conectores por alternativas ligeras siempre que sea posible.

Componentes sensibles, como por ejemplo la IMU y las cámaras que hemos conectado rígidamente al sistema. Es cierto que esto mejora el ruido en los acelerómetros, pero el filtro Kalman nunca tuvo un gran problema para estimar la orientación. Cuando se usan tiempos de exposición cortos en la cámara, las vibraciones tampoco son un gran problema. Desde el punto de vista del sensor, realmente esperábamos muchos más problemas de los que realmente teníamos.

Entonces, supongo que la respuesta a su pregunta es que realmente depende de su sistema, y ​​como hemos visto en nuestro caso, a menudo ni siquiera necesita proteger demasiado sus componentes de la vibración.

Tomará mucho quitar los componentes de una PCB / PWB, por lo que en su mayor parte debería ser seguro si se asegura de que el montaje sea correcto. Una cosa que la gente olvida es que si hay vibración, entonces también puede haber flexión, e incluso pequeñas cantidades de flexión transmitidas a un PWB pueden ser perjudiciales. FR4 es rígido y en la ubicación incorrecta tomará una gran cantidad de cargas de estrés. Pero esto se soluciona fácilmente con el tipo correcto de montaje que no permite que la fuerza se transfiera a través del tablero: anclado en un lado, semirrígido en el otro lado.