Robot sterowany trzyosiowym dżojstikiem dotykowym z cieczą magnetoreologiczną / PAR 2/2009 / 2009 / Archiwum / Strona główna | PAR Pomiary - Automatyka - Robotyka

(1)

dr in. Piotr Gawowicz mgr Marcin Chciuk mgr in. Pawe Bachman Uniwersytet Zielonogórski

ROBOT STEROWANY TRZYOSIOWYM DOJSTIKIEM

DOTYKOWYM Z CIECZ MAGNETOREOLOGICZN

W artykule przedstawiono konstrukcj wieloosiowego dojstika dotykowego, badania obrotowych hamulców z ciecz magnetoreologiczn oraz opis ukadu sterowania oraz budow wykorzystywanego do bada robota. Zakoczenie artykuu zawiera wyniki bada.

ROBOT ARM CONTROLLED BY A THREE-AXIAL HAPTIC JOYSTICK WITH MAGNETORHEOLOGICAL FLUID AND FORCE FEEDBACK

The article includes multiaxial haptic joystick’s specification, studies of rotary dampers with magnetorheological fluid and description of robot’s control system as well as the construction of the robot used for the research. Finally, a research result is presented.

1. WSTP

Dojstiki, jako elementy zadajce, znane s od kilkudziesiciu lat. Wykorzystywane s one zarówno jako urzdzenie wejcia komputera np. w grach komputerowych, jak i do sterowania rónego rodzaju maszynami (dwigi, koparki). Jednak dopiero od niedawna produkowane s dojstiki wykorzystujce siowe sprzenie zwrotne. Równie one mog znale zastosowanie w przemyle [1, 2, 3], zastpujc tradycyjne dojstiki. Mogyby one przekazywa operatorom maszyn informacje o stanie urzdzenia np. jaka masa jest podnoszona lub jakie opory napotyka narzdzie, a nawet uniemoliwia sterowanie w momencie wykrycia awarii.

Czujniki siy X, Y, Z Dojstik Komputer PC Robot Pooenie X, Y, Z +_ Pooenie Hamulce MR X, Y, Z Obcienie Reg Reg

Rys. 1. Idea sterowania robotem z dodatkowym siowym sprzeniem zwrotnym

Zaoeniem projektowym niniejszej pracy byo zbudowanie dojstika dotykowego, przy pomocy którego sterowano by robotem. Struktura kinematyczna tego dojstika byaby zbliona do struktury robota. Ponadto poprzez siowe sprzenie zwrotne dojstik ma przekazywa osobie sterujcej robotem informacj o sile, z jak robot dotyka przedmiotów. Za wytworzenie efektu dotyku w dojstiku odpowiedzialne s hamulce magnetoreologiczne. Pogldowy schemat opisanego powyej ukadu pokazany jest na rys. 1.

(2)

magnetoreologiczne [4], z których dwa, umieszczone w osi Y i Z s identyczne, a trzeci umieszczony w podstawie (o X) jest nieco wikszy i ma wikszy moment hamujcy.

Rys. 2. Widok zewntrzny dojstika

Aby dowiedzie si, jaka jest zaleno momentu hamujcego hamulców MR od wartoci prdu pyncego przez cewk przeprowadzono badania dowiadczalne. Badania te wykonano na stanowisku wyposaonym w momentomierz dynamiczny typ DFM22 firmy Magneton Elektronik. Pomiary wykonywane byy przy pomocy komputera PC z kart pomiarow DaqBoard 3001 i programem DasyLab. Czstotliwo próbkowania wynosia 100 pomiarów/sekund. Na rys. 3 pokazany jest wikszy z hamulców. Rys. 4 przedstawia zaleno momentu hamujcego od prdu, a rys. 5 charakterystyki zmian momentu w czasie, dla rónych wartoci prdu pyncego przez cewk hamulca MR.

(3)

0 1 2 3 4 0 0,1 0,2 0,3 0,4 I [A] M [ N m ]

Rys. 4. Charakterystyka M=f(I)

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 T [ms] M [N m ] I = 0 A I = 0,05 A I = 0,1 A I = 0,15 A I = 0,2 A I = 0,25 A I = 0,3 A t [ms]

Rys. 5. Badanie zmian momentu hamujcego w czasie dla rónych prdów pyncych przez cewk hamulca MR

Rys. 6 pokazuje mniejszy hamulec. Ze wzgldu na sposób umieszczenia hamulca w dojstiku moe on mie nieco mniejszy moment hamujcy (rys. 7). Dynamika zmian momentu podczas zaczania napicia na cewk hamulca jest podobna jak w przypadku poprzednim (rys. 8).

(4)

0 0,5 1 1,5 2 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 I [A] M [ N m ]

Rys. 7. Zaleno maksymalnego momentu hamujcego od prdu

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 t [s] M [N m ] I=0A I=0,1A I=0,2A I=0,3A I=0,4A I=0,5A t [ms]

Rys. 8. Badanie zmian momentu hamujcego w czasie dla rónych prdów pyncych przez cewk hamulca MR

3. BUDOWA ROBOTA I TRZYOSIOWEGO CZUJNIKA SIY

W badanym ukadzie (rys. 9) dojstik ma za zadanie sterowa pooeniem kocówki dotykowej robota. Im wikszy jest moment hamujcy, tym wiksz si naley woy w przesunicie ramienia dojstika. Pomiar pooenia poszczególnych ramion dojstika odbywa si za pomoc potencjometrów. Sygnay z potencjometrów wprowadzane s do komputera poprzez wejcia analogowe karty sterujcej i odpowiednio przeliczane. Nastpnie oprogramowanie odejmujc sygna pochodzcy z enkodera wytwarza uchyb regulacji i zamienia go na wyjciowe sygnay sterujce poszczególnymi silnikami krokowymi (prdko – clock, kierunek – dir). Robot wyposaony jest w trójosiowy czujnik siy (rys. 10), którym bdzie dotyka lub przesuwa róne przedmioty. Czujnik umieszczony jest na kocu ostatniego ogniwa, tworzc poczenie z kici robota.

(5)

Rys. 9. Widok robota i dojstika

X Y

Z Rys. 10.Widok trzyosiowego czujnika siy

Na rys. 11 przedstawiony jest schemat ukadu sterowania dla jednego silnika krokowego wykonany w programie Matlab/Simulink.

KIERUNEK dir CYFROWY POMIAR POLOZENIA ROBOTA ANALOGOWY POMIAR GENERATOR KROKU clock Switch3 Switch2 Pulse Generator2 AND Logical Operator2 OR Logical Operator1 -K-Gain Encoder Input Encoder Input Digital Output Digital Output2 Digital Output Digital Output1 1 Constant3 1 Constant2 0 Constant1 Analog Input Analog Input3 e

(6)

zmian czstotliwoci generatora, w pynny sposób, mona regulowa prdko poruszania si robota. Przykadowe przebiegi czasowe sygnaów uchybu e, prdkoci clock i kierunku dir pokazane s na rys. 12.

SYGNA WEJCIOWY – UCHYB REGULACJI e

SYGNA STERUJCY KROKIEM SILNIKA - clock

SYGNA STERUJCY KIERUNKIEM SILNIKA - dir

HI HI LO LO T [s] -h h emax -emax

Rys. 12. Sygnay sterujce silnikiem krokowym

Do sterowania robotem uyto komputer PC z kart RT-DAC i programem Matlab/Simulink z systemem czasu rzeczywistego (Real Time Workshop). Do wykonywania pomiarów wykorzystano drugi komputer PC z kart pomiarow DaqBoard 3000 i programem DasyLab. Przykadowe przebiegi si dla trzech osi pokazane s na rys. 13.

0 5 10 15 20 0 0,5 1 1,5 2 t [s] F [ N ] 0 5 10 15 20 0 0,5 1 1,5 2 t [s] F [ N ] 0 5 10 15 20 25 0 0,5 1 1,5 2 t [s] F [ N ] 0 5 10 15 20 25 30 0 0,5 1 1,5 2 t [s] F [ N ] a) b) c) d)

Rys. 13. Przebiegi siy przy uderzeniach: a) w osi X, b) w osi Y, c) w osi Z, d) podczas ruchu zoonego w trzech osiach

(7)

Przebiegi si uzyskane z pomiarów nie s liniami cigymi, gdy elektronika wspópracujca z czujnikami tensometrycznymi miaa wyjcie PWM, a waciwy przebieg uzyskiwany by poprzez zastosowanie odpowiednich filtrów.

Na rys. 14. pokazana jest zaleno prdów hamulców magnetoreologicznych od si zmierzonych czujnikiem siy. Przebieg ten jest nieco opóniony ze wzgldu na czas przetwarzania komputera.

Rys. 14. Przebieg siy dla trzech osi (a) oraz prdów trzech hamulców magnetoreologicznych (b)

4. ZAKOCZENIE

Z przytoczonych w artykule rezultatów bada wynika, e moliwe jest sterowanie robotem za pomoc dojstika dotykowego z hamulcami magnetoreologicznym i siowym sprzeniem zwrotnym. Dziki zastosowaniu takiego rozwizania operator móg odczuwa si, z jak naciska robot podczas uderzenia w przeszkod. W przyszoci bd prowadzone dalsze badania innych algorytmów sterowania robota majcych na celu zwikszenie realizmu odczuwania siy przez operatora.

LITERATURA

[1] Bachman P., Chciuk M.: Zastosowanie cieczy magnetoreologicznych w urzdzeniach dotykowych, Seminarium Naukowo-Techniczne - TECHNICON '05: Targi Nauki i Techniki, Gdask 2005.

[2] Milecki A., Myszkowski A., Chciuk M.: Applications of magnetorheological brakes in manual control of lifting devices and manipulators, 11th International Conference on Electrorheological Fluids and Magnetorheological Suspensions, Dresden 2008.

[3] Chciuk M.: Sterowanie ramieniem robota za pomoc wieloosiowego dojstika dotykowego z ciecz magnetoreologiczn i siowym sprzeniem zwrotnym, Pomiary, Automatyka, Robotyka, Warszawa 2008.

[4] Milecki A., awniczak A.: Ciecze elektro- i magnetoreologiczne oraz ich zastosowania w technice, Wydawnictwo Politechniki Poznaskiej, Pozna 1999.

Prac wykonano w ramach projektu badawczego KBN pt.: „Konstrukcja i badania urzdze zadajcych i dotykowych z cieczami magnetoreologicznymi i z siowym sprzeniem zwrotnym” nr 4