Autonomous Ceiling Robots (ACR) (EMVT 08207)

Titel
Autonomous Ceiling Robots (EMVT 08207)
Contactloos aan een plafond hangend robotplatform

Het IOP-project “Autonomous Ceiling Robots” onderzoekt de mogelijkheden van een middels elektromagnetische krachten contactloos aan het plafond hangend positioneringssysteem. Met behulp van een combinatie van permanente magneten en spoelen is zo’n robot snel en nauwkeurig aan te sturen en is zijn bewegingsruimte in principe onbeperkt. Dat biedt mogelijkheden voor industriële processen. De Technische Universiteit Eindhoven onderzoekt al sinds 2002 de mogelijkheden om elektromagnetische krachten te gebruiken om een platform contactloos, snel en nauwkeurig te laten bewegen. Het begon allemaal met het zwevend tapijtproject.

Dit IOP-project toonde aan dat je een platform met permanente magneten boven een stilstaande matrix van spoelen vrij kunt laten zweven. Bovendien kun je het platform in elke gewenste positie manoeuvreren door de stromen in de spoelen met behulp van vermogenselektronica heel nauwkeurig aan te sturen. “Omdat de interactie tussen de magneten en de spoelen sterk afhankelijk is van de plaats van het platform boven de spoelen, was het een hele uitdaging om algoritmes te ontwikkelen die de stroom in de spoelen aansturen. Desondanks is het ons gelukt een efficiënt en goed regelbaar prototype te maken, waarvoor bedrijven zoals Prodrive, Tecnotion en ASML veel belangstelling hebben en dat de aandacht trok van landelijke (dag)bladen”, zegt dr. Helm Jansen, die aan de wieg stond van deze ontwikkelingen en in 2007 op dit onderzoek promoveerde.

Draadloos aansturen
In een tweede IOP-project, de “vliegende robot”, werden bovenop het vrij zwevende platform sensoren en actuatoren geplaatst die draadloos van zowel energie als data kunnen worden voorzien. Jansen: “Daardoor kun je volledig wrijvingsloos een robot op dat platform aansturen. Omdat de regelaar van de robot op de vaste wereld staat, moet je heel snel kunnen reageren om hem bij te sturen. Dat stelt hoge eisen aan de snelheid en betrouwbaarheid van de draadloze verbindingen, waarvoor we nieuwe protocollen hebben ontworpen.” Door het extra gewicht van de robot op het platform moest bovendien de geometrie van de spoelen worden aangepast. In een derde project, genaamd Advanced Single Planar Actuator, dat plaatsvond in het kader van de regeling Pieken in de Delta en dat recent werd afgerond, ontwikkelden onderzoekers van de TU/e samen met vier industriële partners een demonstrator van een zwevend platform met een veel hogere positienauwkeurigheid, tot op nanometerniveau.

Camera-inspectie
De drie eerdere projecten hebben met elkaar gemeen dat het platform boven een vlak zweeft. Het IOP-project “Autonomous Ceiling Robots” onderzoekt voortbordurend op de eerdere projecten de mogelijkheden van een middels elektromagnetische krachten contactloos aan het plafond hangend platform, het omgekeerde dus. “Voor veel toepassingen, zoals assemblagerobots voor printed circuit boards en de inspectie daarvan met camera’s, is het handiger als de robot zich boven de productieband bevindt”, zegt Jansen. “Er bestaan wel robotsystemen die aan een rail hangen, maar die hebben een beperkte bewegingsvrijheid, namelijk alleen lateraal en niet in het vlak.” In het nieuwe systeem heeft het bewegende platform, de mover, in principe volledige bewegingsvrijheid. Om te voorkomen dat hij bij stroomuitval naar beneden valt, bevinden de permanente magneten zich nu in het plafond en de spoelen in de mover, zodat simpelweg hangen geen energie kost. En ook hier is draadloze toevoer van energie en data van het plafond naar de mover een must. Al met al weer een zeer uitdagend project, waar twee promovendi hun handen aan vol hebben.” Eén van hen focust daarbij op de configuratie van spoelen en magneten voor het hangen en positioneren van de mover, terwijl de andere promovendus zich richt op de integratie in het systeem van draadloze energietoevoer en datatransport naar de mover.

Getande structuur
Voor het contactloos hangen en positioneren van de mover zijn verschillende opties met elkaar vergeleken. “Vooral de verhouding tussen aantrekkingskracht en voortstuwende kracht is belangrijk. Met de eerste kun je een zware last aan de mover bevestigen, de tweede zorgt ervoor dat de mover snel kan accelereren”, legt Jansen uit. Om de mover bovendien in 6 graden van vrijheid te kunnen aansturen, is gekozen voor een oplossing met vier motoren in het platform: ijzeren kernen met een getande structuur met spoelen eromheen. “Zulke structuren hebben een grote krachtdichtheid en worden in de industrie veel toegepast. Maar omdat ijzer de positienauwkeurigheid verstoort, moet je die verstoring onderdrukken in je ontwerp. Dat is gelukt.” De permanente magneten, die zich zoals gezegd in het plafond bevinden, zijn geplaatst in de vorm van een dambord met een alternerend magnetisatiepatroon. Daardoor is in theorie een oneindige slag mogelijk.

Interactie voorkomen
Het draadloos versturen van energie en data naar de vier motoren in de mover is de tweede uitdaging van dit IOP-project. Jansen: “Dat doen we met behulp van twee spoelen zonder kern. De spoel in de mover vangt de magnetische flux op van de andere spoel, die aan het plafond wordt aangebracht. Hetzelfde principe als bij het opladen van een elektrische tandenborstel, alleen is het benodigde vermogen hier veel hoger, zo’n 500 W.” De integratie van de motoren en de energieoverdracht in het systeem bleek behoorlijk complex. “Om warmteontwikkeling in de permanente magneten te voorkomen, moet je interactie tussen de laagfrequente magneetvelden waarmee je de motoren aanstuurt (ongeveer 50 Hz) en de hoogfrequente magneetvelden voor energieoverdracht (>10 kHz) voorkomen.” Na verschillende configuraties te hebben gemodelleerd en gesimuleerd, is voor dit probleem een compromis gevonden. Daarbij worden onder meer permanente magneten gebruikt die ongevoelig zijn voor hoogfrequente velden. In de laatste fase van dit project wordt nog een prototype gebouwd. Bedrijven die gebruik maken van planaire positioneringssystemen zijn zeer geïnteresseerd in de techniek.

emvt 08207

Het principe van de Autonomous Ceiling Robot. De groene en rode blokjes in het plafond zijn permanente mgneten met een alternerend magnetisatiepatroon. Bovenop het hangende platform bevinden zich de vier motoren waarmee het platform in 6 graden van vrijheid kan worden aangestuurd.

Uitvoerder
TU Eindhoven – faculteit
Electrical Engineering
• Prof.dr. E.A. Lomonova
• Dr. ir. J.W. Jansen
• Ir. T.T. Overboom
• Ir. J.P.C. Smeets

Onderzoeksperiode:
2009-2013

Partners:
ASML
Assembléon
Bosch Rexroth
Philips Innovation Services
SKF Automotive
Tecnotion

Referentielijst

T.T. Overboom, J.W. Jansen, E.A. Lomonova, F. Tacken: Design and optimization of rotary actuator for a two degree-of-freedom zφ-module; Proc. IEEE International Electrical Machines and Drive Conference 2009, pp 1043-1050, Miami

Overboom, T.T., Jansen, J.W., Lomonova, E.: Application of a Permanent Magnet Biased E-Core Reluctance Actuator in a Magnetically Suspended Ceiling Actuator; IEEE Transactions on Magnetics,46(6).

Smeets, J.P.C., Krop, D.C.J., Jansen, J.W., Lomonova, E.A.: Contactless Power Transfer to a Rotating Load; Young Researchers Symposium 2010, Leuven March 2010.

Overboom, T.T., Jansen, J.W., Lomonova, E.A.: Novel topology for magnetically suspended ceiling robots; Young Researchers Symposium 2010, Leuven March 2010.

Overboom, T.T., Jansen, J.W., Lomonova, E.A., Tacken, F.: Design and optimization of rotary actuator for a two degree-of-freedom zφ-module; Proc. IEEE International Electrical Machines and Drive Conference 2009, pp 1043-1050, Miami

Smeets, J.P.C., Krop, D.C.J., Jansen, J.W., Hendrix, M.A.M., Lomonova, E.: Optimal design of a pot core rotating transformer; Proceedings IEEE Energy Conversion Congress & Exposition, ECCE2010, pp. 4390-4397, Atlanta, September 2010.

Smeets, J.P.C., Soulard, J., Lomonova, E.: Thermal analysis of a winding turn-to-turn fault in PM synchronous machine; Proceedings 19th International Conference on Electrical Machines – ICEM 2010, pp. 1-6, Rome, September 2010.

Smeets, J.P.C., Krop, D.C.J., Jansen, J.W., Lomonova, E.: Contactless power transfer to a rotating disk; Proceedings 2010 IEEE International Symposium on Industrial Electronics, ISIE2010, pp. 748-753, Bari, July 2010.

Smeets, J.P.C., Encica, L., Lomonova, E.: Comparison of winding topologies in a pot core rotating transformer; Proc. 12th International Conference on Optimization of Electrical and Electronic Equipment, pp. 103-110, OPTIM2010, Brasov, May 2010

Smeets, J.P.C., Overboom, T.T., Jansen, J.W. & Lomonova, E.: Three-dimensional magnetic field modeling for coupling calculation between air-cored rectangular coils; IEEE Transactions on Magnetics, Vol. 47, No. 10, p.p. 2935-2938, October 2011

Smeets, J.P.C., Overboom, T.T., Jansen, J.W. & Lomonova, E.: Modeling Framework for Contactless Energy Transfer Systems for Linear Actuators; IEEE Transactions on Industrial Electronics, pp1-8

Smeets, J.P.C., Overboom, T.T., Jansen, J.W. & Lomonova, E.: Three-dimensional magnetic field modeling for coupling calculation between air-cored rectangular coils; Proceedings of the INTERMAG 2011 Conference, pp. 1-1, Taipei, April 2011

Overboom, T.T., Smeets, J.P.C., Jansen, J.W. & Lomonova, E.: Topology comparison for a magnetically suspended ceiling actuator; Proceedings IEEE International Electric Machines & Drives Conference (IEMDC11), pp. 296-301

Overboom, T.T., Smeets, J.P.C., Jansen, J.W. & Lomonova, E.: Decoupled control of thrust and normal force in a double-layer single-sided linear induction machine; Proceedings of the Eighth International Symposium on Linear Drives for Industry Applications (LDIA11), pp. 1-6, Eindhoven, July 2011

Overboom, T.T., Smeets, J.P.C., Jansen, J.W. & Lomonova, E.: Semi-analytical modeling of a linear induction motor including primary slotting; Proceedings of XV International Symposium on Electromagnetic Fields in Mechatronics, Electrical and Electronic Engineering (ISEF), pp. 1-8, Madeira, September 2011

Smeets, J.P.C., Overboom, T.T., Jansen, J.W. & Lomonova, E.A.: Mode-matching technique applied to three-dimensional magnetic field modelling; IEEE Transactions on Magnetics, 48(11), pp. 3383-3386

Smeets, J.P.C., Overboom, T.T., Jansen, J.W. & Lomonova, E.A.: Comparison of Position Independent Contactless Energy Transfer Systems; IEEE Transactions on Power Electronics p.p. 1-9 (Accepted for publication in future issue of this journal, publication available on IEEE Xplore.)

Overboom, T.T., Smeets, J.P.C., Jansen, J.W. & Lomonova, E.A.; Semianalytical calculation of the torque in a linear permanent-magnet motor with finite yoke length; IEEE Transactions on Magnetics, 48(11), pp. 3575-3578

Overboom, T.T., Smeets, J.P.C., Jansen, J.W. & Lomonova, E.A.: Decoupled control of thrust and normal force in a double-layer single-sided linear induction motor; Mechatronics (accepted for publication)

Smeets, J.P.C., Overboom, T.T., Jansen, J.W. & Lomonova, E.A.: Three-dimensional mode-matching applied to three-dimensional magnetic field modeling; Proceedings of the IEEE International Magnetics Conference (INTERMAG 2012), 7-11 May 2012, Vancouver, Canada, pp. 1-1

Smeets, J.P.C., Overboom, T.T., Jansen, J.W. en Lomonova, E.A.: Integration of an Inductive Position Sensor and a Contactless Energy Transfer System; Proceedings of the 2012 XXth International Conference on Electrical Machines PP 1749-1753

Overboom, T.T., Smeets, J.P.C., Jansen, J.W. & Lomonova, E.A.: Semianalytical calculation of the torque in a linear permanent-magnet motor with finite yoke length; Proceedings of the IEEE International Magnetics Conference (INTERMAG 2012), 7-11 May 2012, Vancouver, Canada, pp. 1-1

Overboom, T.T., Smeets, J.P.C., Jansen, J.W. & Lomonova, E.A.: Design and operating principles of a magnetically suspended ceiling actuator with fail-safe operation; Proc. of the 12th Int. Conf. of the European Society for Precision Engineering and Nanotechnology (EUSPEN), 4-8 June 2012, Stockholm, Sweden, pp. 539-542

Overboom, T.T., Smeets, J.P.C., Jansen, J.W. & Lomonova, E.A: Torque decomposition and control in an iron core linear permanent magnet motor; Proc. of the 2012 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE), 15-20 September 2012, Raleigh, North Carolina, USA, pp. 2662-2669