Khi chọn pin cho robot hình người, dung lượng là con số ai cũng nhìn đầu tiên nhưng thường không phải ràng buộc chính. Ba yếu tố khác quyết định nhiều hơn: khả năng nhả dòng, khối lượng và độ an toàn khi có sự cố.
Vì sao dòng đỉnh quan trọng hơn dung lượng
Robot hình người có đặc điểm tiêu thụ rất không đều. Đứng yên tốn ít; bước đi tốn nhiều hơn; và khi phải phục hồi thăng bằng sau một cú đẩy, nhiều khớp cùng sinh mô men lớn trong một khoảnh khắc.
Đỉnh tiêu thụ trong khoảnh khắc đó có thể gấp nhiều lần mức trung bình. Nếu pin không nhả nổi dòng đó, điện áp sụt, bộ điều khiển báo lỗi hoặc động cơ không đủ mô men — và robot ngã đúng lúc nó đang cố không ngã.
Vì vậy thông số cần đọc không chỉ là dung lượng mà là khả năng nhả dòng liên tục và dòng đỉnh, cùng với điện trở trong của pin.
Điện trở trong thấp nghĩa là điện áp ít sụt khi tải nặng. Đây là chỉ số phân biệt rõ nhất giữa pin dùng cho thiết bị tiêu thụ đều và pin dùng cho tải xung.
Cấu hình nối tiếp và song song
Các cell được ghép theo hai chiều, và mỗi chiều giải một bài toán.
Nối tiếp cộng điện áp. Điện áp cao có lợi vì với cùng công suất, dòng nhỏ hơn — nên dây nhỏ hơn, tổn hao trên dây thấp hơn, và động cơ đạt tốc độ cao hơn dễ hơn.
Song song cộng dung lượng và cộng khả năng nhả dòng, đồng thời giảm điện trở trong tổng.
Với robot hình người, xu hướng là chọn điện áp tương đối cao để giảm dòng, vì dòng lớn kéo theo dây dày và nặng, mà mọi khối lượng đều là gánh nặng.
Giới hạn của việc tăng điện áp là yêu cầu an toàn điện và giới hạn của bộ điều khiển động cơ.
Mạch quản lý pin
Mọi cụm pin nhiều cell đều cần mạch quản lý, và nó làm nhiều việc hơn người ta thường nghĩ.
- Cân bằng cell: các cell không xả và sạc hoàn toàn giống nhau, lâu dần lệch nhau. Cell yếu nhất quyết định dung lượng thực của cả cụm.
- Bảo vệ quá xả: xả quá sâu làm hỏng cell vĩnh viễn.
- Bảo vệ quá dòng và ngắn mạch.
- Giám sát nhiệt độ: sạc khi lạnh hoặc xả khi quá nóng đều nguy hiểm.
- Báo trạng thái: dung lượng còn lại, số chu kỳ, tình trạng sức khoẻ.
Mục cuối quan trọng cho vận hành: robot cần biết còn bao nhiêu để tự về trạm sạc trước khi hết, chứ không phải dừng giữa đường.
Ước lượng dung lượng còn lại chính xác khó hơn vẻ ngoài, vì điện áp sụt theo tải chứ không chỉ theo mức xả. Với tải xung như robot, phép đo tức thời rất nhiễu và cần lọc.
An toàn: điều gì xảy ra khi robot ngã
Đây là yêu cầu mà thiết bị tĩnh không có: cụm pin sẽ chịu va đập, và có thể chịu nhiều lần.
Ba biện pháp cơ bản.
Vị trí đặt. Đặt cụm pin ở vùng được bảo vệ nhất trong thân, không ở phần nhô ra hay dễ va chạm.
Vỏ chịu va đập quanh cụm pin, cứng và có lớp hấp thụ.
Cách ly cell. Bố trí sao cho một cell hỏng không lan sang cell bên cạnh, và có đường thoát khí nếu cell xì.
Ngoài ra cần cơ chế ngắt nhanh: một công tắc cắt nguồn chính mà người có thể với tới từ ngoài, và tự động ngắt khi phát hiện bất thường.
Với môi trường có người, đây không phải chi tiết kỹ thuật mà là yêu cầu an toàn phải nằm trong hồ sơ.
Đánh đổi khối lượng và thời lượng
Đây là vòng lặp quen thuộc: thêm pin để chạy lâu hơn, nhưng pin thêm cũng là khối lượng phải mang, làm mỗi bước tốn hơn.
Lợi ích của việc thêm pin giảm dần, và ở một điểm nào đó, thêm pin gần như không tăng thời lượng nữa vì phần năng lượng thêm bị chính khối lượng đó tiêu tốn.
Điểm tối ưu phụ thuộc vào tỉ lệ giữa khối lượng pin và khối lượng robot, và vào việc robot đi nhiều hay đứng nhiều.
Với robot chủ yếu đứng thao tác, pin lớn hơn có lợi vì khối lượng thêm ít ảnh hưởng. Với robot đi nhiều, cách hiệu quả hơn thường là thay pin nhanh thay vì mang pin lớn.
Đây là lý do nhiều thiết kế chọn cụm pin vừa phải nhưng tháo lắp được trong vài chục giây.
Câu hỏi thường gặp
Vì sao điện trở trong của pin lại quan trọng?
Vì nó quyết định điện áp sụt bao nhiêu khi tải tăng đột ngột. Robot hình người có tải xung rất mạnh khi phục hồi thăng bằng, và điện áp sụt sâu có thể khiến bộ điều khiển báo lỗi hoặc động cơ không đủ mô men đúng lúc cần nhất.
Nên chọn điện áp cao hay thấp?
Điện áp cao hơn cho phép truyền cùng công suất với dòng nhỏ hơn, nên dây nhẹ hơn và tổn hao thấp hơn. Giới hạn nằm ở yêu cầu an toàn điện và ở khả năng của bộ điều khiển động cơ, nên lựa chọn thường là mức cao nhất mà hai ràng buộc đó cho phép.
Ước lượng dung lượng còn lại có chính xác không?
Kém chính xác hơn nhiều so với thiết bị có tải đều, vì điện áp pin sụt theo tải chứ không chỉ theo mức xả. Với robot, phép ước lượng cần kết hợp đo dòng tích luỹ và lọc theo thời gian, và vẫn nên để biên dự phòng rộng.
Thay pin nhanh hay sạc tại chỗ tốt hơn?
Thay nhanh cho tỉ lệ thời gian làm việc cao hơn nhiều vì robot không phải đứng chờ. Đổi lại cần nhiều cụm pin, cần trạm sạc riêng và cần thiết kế cơ khí cho việc tháo lắp an toàn. Sạc tại chỗ đơn giản hơn nhưng công suất thực tế thấp hơn.
Đọc thêm trong Tổng quan robot hình người và Tay & bàn tay khéo.
