inĪ. Mariusz ZboiĔski
Politechnika Warszawska, Wydziaá Mechatroniki dr inĪ. Maciej T. Trojnacki
Przemysáowy Instytut Automatyki i Pomiarów w Warszawie
MODELOWANIE I SYMULACJA RUCHU
MAàEGO ROBOTA DO ROZPOZNANIA TERENU
Z ZASTOSOWANIEM OPROGRAMOWANIA MD ADAMS
Referat dotyczy tematyki modelowania i symulacji ruchu maáego robota do rozpoznawa-nia terenu. Przedstawiono w nim konstrukcjĊ robota i opisano jego strukturĊ kinematycz-ną. Omówiono metodykĊ modelowania robota z zastosowaniem programu MD Adams, w którym szczegóáowo odwzorowano konstrukcjĊ robota. Wykonano badania symulacyjne z zastosowaniem wbudowanej w programie metody ukáadów wieloczáonowych, które umoĪ-liwiáy szczegóáową analizĊ dynamiczną robota.MOTION MODELING AND SIMULATION OF SMALL ROBOT FOR RECONNAISSANCE
USING MD ADAMS SOFTWARE
This work is concerned on motion modeling and simulation of small robot for recon-naissance. The construction of the robot and its kinematical structure were presented. The methodology of robot modeling using MD Adams software was described. The de-tailed robot construction in MD Adams software was reproduced. Simulation research using build-in multibody dynamics method was executed. This allowed performing de-tailed analysis of robot dynamics.
1. WPROWADZENIE
Opracowanie modelu dynamiki robota mobilnego jest trudnym i istotnym problemem badawczym, stanowiącym zazwyczaj podstaw Ċ do realizacji innych prac zwi ązanych z zaprojektowaniem jego konstrukcji i opracowaniem algorytmów ruchu. Opracowany model robota moĪe byü wykorzystany do róĪnych celów, np. do analizy i optym alizacji wymaganych do ruchu m omentów napĊdowych oraz siá i momentów siá przenoszonych przez konstrukcj Ċ robota, do syntezy ruchu robota, do ste-rowania jego ruchem nadąĪnym, w zagadnieniach związanych z identyfikacją modelu itd. [2]
Do m odelowania dynam iki robotów m obilnych wykorzystuje si Ċ coraz cz ĊĞciej m etodĊ ukáadów wieloczáonowych ze wzgl Ċdu na m oĪliwoĞü áatwego jej zastosowania w autom atycznym modelowaniu komputerowym kinematyki i dynamiki záoĪonych ukáadów mechanicznych [4].
Symulacje w program ie MD Adam s z zastosowaniem m etody uk áadów wielocz áonowych umoĪliwiają szybkie zam odelowanie i sym ulacjĊ rozwi ązania konstrukcyjnego. Program MD Adams um oĪliwia tak Īe wspó ápracĊ z pakietem MATLAB/Sim ulink, co pozwala na dodatkow ą symulacjĊ ukáadu sterowania [1].
Z tych wzgl Ċdów w niniejszym referacie skupiono si Ċ na opracowaniu m odelu symulacyj-nego maáego robota do rozpoznawania terenu w program ie MD Adams. Opracowany model bazo-waá na modelu CAD konstrukcji robota opracowanej w programie ProEngineer.
2. MAàY ROBOT DO ROZPOZNAWANIA TERENU
Maáy robot do rozpoznawania terenu produkcji PIAP charakteryzuje si Ċ niewielkim i gabarytam i i duĪą prĊdkoĞcią. Ma tak Īe moĪliwoĞü doáączania urządzeĔ takich jak m anipulator z chwytakiem lub dodatkowe kamery, czy teĪ róĪnego rodzaju czujniki lub uzbrojenie. Gáówną czĊĞcią robota jest baza m obilna, na któr ą sk áadają si Ċ podwozie oraz um ieszczone na nim dwie kam ery: przednia (obrotowa) oraz tylna. Obie kam ery są wyposaĪone we w áasne oĞwietlacze podczerwone. Przyj Ċte rozwiązanie zapewnia maáe wymiary i niewielką masĊ robota, dziĊki czemu moĪe byü on transpor-towany w typowym plecaku wojskowym . Poáączenie duĪej prĊdkoĞci ruchu robota z m oĪliwoĞcią przemieszczania si Ċ w ograniczonej przestrzeni pozwala na szybkie i zdalne rozpoznanie terenu akcji. Mo Īna nim sprawdzi ü podwozie podejrzanego sam ochodu, ciasne pom ieszczenie lub szyb wentylacyjny. Ze stanowiska operatorskiego, za po Ğrednictwem Ğwiatáowodu, moĪliwe jest stero-wanie zarówno robotem jak i m aáym m anipulatorem. Na robocie m oĪliwe jest zam ontostero-wanie silnych halogenów, kam ery termowizyjnej i na podczerwieĔ. Robot przystosowany jest do rwania linek od min puáapek oraz podkáadania áadunków poĞrednich. Za pomocą manipulatora robot moĪe transportowaü maáe pakunki [3].
Rys. 1. Maáy robot do rozpoznawania terenu produkcji PIAP [6] 3. STRUKTURA KINEMATYCZNA ROBOTA
Struktura kinematyczna robota (rys. 2) skáada siĊ z oĞmiu par kinematycznych obrotowych (z wyáą-czeniem chwytaka). Na rysunku wprowadzono oznaczenia uk áadów wspóárzĊdnych, czáonów robo-ta, charakterystycznych punktów i zmiennych przegubowych dla manipulatora.
Koáa robota í oznaczone jako LP (lewe przednie), PP (prawe przednie), LT (lewe tylne) i PT (prawe tylne) í są sterowane parami, tj. takie sam o sterowanie jest dla kó á przednich i tylnych danej strony robota. Poniewa Ī ko áa robota nie s ą kierowane, wi Ċc w trakcie zakr Ċcania robot z zaáoĪenia bĊdzie poruszaá siĊ w warunkach poĞlizgu kóá.
NaleĪy zwróci ü uwag Ċ na fakt, Īe ze wzgl Ċdu na prostot Ċ konstrukcji m anipulator robota nie ma moĪliwoĞci obrotu wokóá osi pionowej, dlatego jego skr Ċcenie w lewo lub prawo jest reali-zowane przez odpowiedni obrót platformy mobilnej.
Chwytak manipulatora robota (rys. 3) m a dwanaĞcie par kinem atycznych obrotowych oraz jedną parĊ obrotowo-przesuwną.
Rys. 2. Struktura kinematyczna robota SCOUT (widok z lewej i z góry)
4. MODEL ROBOTA W PROGRAMIE MD ADAMS
Wykonanie peánego modelu robota do celów symulacyjnych jest záoĪonym procesem. Budując tego rodzaju model, naleĪy przyjąü szereg uproszcze Ĕ i za áoĪeĔ. Podstawowym przyjĊtym zaáoĪeniem jest zgrubne odwzorowanie przez m odel rzeczywistego robota oraz Ğrodowiska w jakim on dzia áa. ZaáoĪono Īe model robota bĊdzie w sposób dok áadny odwzorowywaá geometriĊ i parametry maso-we robota. PrzyjĊto, Īe wszystkie poáączenia ruchomaso-we w modelu robota są idealne, tzn. zostaáy po-miniĊte zjawiska tarciowe w áoĪyskach oraz typowe problemy poáączeĔ smarowanych. W przypad-ku kontaktu opony z pod áoĪem powyĪsze uproszczenia nie m ogą byü przyjĊte gdyĪ prowadziáyby do znacznych báĊdów. Z tego powodu kontakt tego rodzaju zosta á opisany w dokáadniejszy sposób z zastosowaniem dodatkowego moduáu MD Adams/Tire. W rzeczywistym robocie wystĊpują paski zĊbate przenoszące napĊd z przedniej osi na tyln ą. W tym przypadku za áoĪono, Īe dla opracowy-wanego modelu przeniesienie napĊdu zostanie wykonane za pomocą algorytmu zamiast symulowa-nia caáego ukáadu przeniesiesymulowa-nia napĊdu, który byáby trudny i pracoch áonny do zamodelowasymulowa-nia bez zastosowania dodatkowego moduáu programu MD Adams.
Po przyjĊciu zaáoĪeĔ i uproszcze Ĕ przystąpiono do budowania m odelu robota w program ie MD Adams. W pierwszej kolejno Ğci podczas tworzenia m odelu symulacyjnego robota wykonano jego model kinematyczny bazujący na opisanej w rozdz. 3 strukturze kinem atycznej. Model ten byá wykonywany na podstawie istniejącego juĪ projektu konstrukcji, dlatego moĪna byáo zaimportowaü model CAD z program u ProEngineer do Ğrodowiska MD Adams/View. W nastĊpnej kolejnoĞci na model konstrukcyjny na áoĪono strukturĊ kinematyczną. Odbyáo siĊ to przez nak áadanie wiązaĔ na wystĊpujące po áączenia w konstrukcji. Dodatkowo w przypadku chwytaka dodano kilka stopni swobody, tzn. zast ąpiono niektóre pary kinem atyczne obrotowe param i kinematycznymi sferycz-nymi. Dzia áanie takie by áo uzasadnione b áĊdami wynikaj ącymi z przenoszenia m odeli pom iĊdzy programami. Eksportując model konstrukcyjny do program u MD Adams uĪywa siĊ formatu niebĊ-dącego podstawowym formatem programu ProEngineer. Model konstrukcyjny podlega á kompresji, co powodowa áo b áĊdy wym iarów w m ikroskali. B áĊdy te by áy na tyle istotne dla program u MD Adams, Īe nie by á on wstanie poradzi ü sobie z takim modelem przy za áoĪeniu idealnych par kine-matycznych obrotowych. Ponadto model ten jest ukáadem przesztywnionym.
Aby model rzetelnie odzwierciedlaá rzeczywistego robota, nale Īaáo nadaü stworzonej struk-turze parametry masowe rzeczywistego robota. Program ProEngineer przy zachowaniu odpowied-niej metodyki konstruowania mechanizmów umoĪliwia wyznaczenie dokáadnego modelu masowe-go. W związku z tym, za pomocą programu ProEngineer wyznaczono parametry masowe kolejnych czáonów struktury, a nast Ċpnie naniesiono param etry m asowe do m odelu w programie MD Adams/View. W pakiecie MD Adam s przeznaczono specjalny m oduá do m odelowania ukáa-dów jezdnych zawierających koáa pneumatyczne z oponami gumowymi o nazwie MD Adams/Tire. Korzystając z bazy opon dostarczonych z tym moduáem dokonano ich modyfikacji, co doprowadzi-áo do stworzenia m odelu opony odpowiadaj ącego rzeczywistem u rozwi ązaniu konstrukcyjnem u. Moduá MD Adams/Tire prócz zdefiniowania modelu opony wymaga równieĪ zdefiniowania podáo-Īa. W wykonywanym modelu skorzystano z najprostszego m odelu piaszczystego podáoĪa. NastĊp-nie przygotowane m odele opony i pod áoĪa z moduáu MD Adam s/Tire zosta áy zaim portowane do moduáu MD Adam s/View. Wykonanie tych czynno Ğci doprowadziáo do stworzenia podstawo-wego m odelu robota w program ie MD Adam s/View. Do celów sym ulacyjnych m odel ten zosta á uzupeániony o obiekt m anipulacji. Obiekt ten odpowiada niewielkiem u pakunkowi, który m ógáby podejmowaü robot wykonuj ąc standardowe m isje pirotechniczno-rozpoznawcze. Obiekt ten zdefi-niowano jako sze Ğcienną bryáĊ o m asie 0,5 kg. ĩeby robot w czasie sym ulacji mógá podjąü paku-nek, zdefiniowano równieĪ charakter kontaktu miĊdzy pakunkiem a koĔcówkami chwytnymi chwy-taka. UmoĪliwiáo to realizacjĊ oddziaáywaĔ sprĊĪystych miĊdzy koĔcówkami chwytnymi chwytaka
W wyniku opisanych prac otrzym ano w programie MD Adams model symulacyjny maáego robota do rozpoznania terenu, który pokazano na rys. 4.
Rys. 4. Model symulacyjny maáego robota do rozpoznania terenu w programie MD Adams 5. BADANIA SYMULACYJNE I ANIMACJA RUCHU ROBOTA
W ramach niniejszej pracy wykonano badania sym ulacyjne i anim acjĊ ruchu robota z zastosowa-niem program u MD Adam s. W ram ach sym ulacji robot wykonuje proste zadanie m anipulacyjne oraz lokomocyjne.
Przez pierwsze dwie sekundy model ustawia poáoĪenia początkowe manipulatora oraz stabi-lizuje siĊ. Szybkie ustawienie m anipulatora w fazie pocz ątkowej powoduje reakcj Ċ caáego ukáadu. Po wygaĞniĊciu drgaĔ robot jest gotowy do rozpoczĊcia wáaĞciwej symulacji.
Początkowo robot podje ĪdĪa po pakunek poruszaj ąc siĊ do przodu ze zm ienną prĊdkoĞcią. Najpierw rozpĊdza siĊ do prĊdkoĞci ok. 1,25 m/s, a nastĊpnie hamuje. PóĨniej robot za pomocą ma-nipulatora z chwytakiem podejm uje pakunek o m asie 0,5 kg. W reszcie robot przem ieszcza si Ċ do tyáu z podniesionym pakunkiem wracając do poáoĪenia początkowego.
Wybrane wyniki symulacji ruchu robota pokazane są na rys. 6–8. Są nimi przebiegi czasowe związane z ruchem platformy mobilnej, podejmowanego pakunku i manipulatora.
W wyniku sym ulacji w program ie MD Adam s uzyskano tak Īe film prezentuj ący anim acjĊ ruchu modelu maáego robota do rozpoznania terenu (rys. 5). Film ten (zatytuáowany „Symulacja ruchu maáego robota do rozpoznania terenu z zastosowaniem programu MD Adam s”) moĪna znaleĨü pod adresem [5].
Rys. 6. Przebiegi czasowe poáoĪenia i prĊdkoĞci Ğrodka platformy mobilnej (początek ukáadu x0y0z0)
w ukáadzie nieruchomym XYZ, otrzymane w wyniku symulacji a)
b)
a)
Rys. 8. Przebiegi czasowe kątów przegubowych M2 – M4 manipulatora (wg rys. 2) 6. PODSUMOWANIE I KIERUNKI DALSZYCH BADAē
W pracy opisano przebieg prac zwi ązanych z m odelowaniem i sym ulacją ruchu m aáego robota do rozpoznania terenu z zastosowaniem programu MD Adam s. Zamieszczono wybrane wyniki bada Ĕ symulacyjnych poparte animacją ruchu robota.
Zastosowanie programu MD Adams pozwoliáo na szybkie zamodelowanie záoĪonego ukáadu dynamicznego jakim jest prezentowany robot mobilny.
W ramach dalszych prac planuje siĊ:
1. opracowanie modelu ukáadu sterowania m aáego robota do rozpoznania terenu z zastosowaniem pakietu MATLAB/Simulink i po áączenie jego sym ulacji z sym ulacją modelu dynamiki robota w programie MD Adams,
a)
b)
2. opracowanie m odelu analitycznego robota obejm ującego uproszczony m odel dynam iki, jego symulacjĊ i porównanie uzyskanych wyników z otrz ymanymi z m odelu robota w program ie MD Adams.
BIBLIOGRAFIA
1. Cader M., Trojnacki M., B áaszczykiewicz K.: Modelowanie i sym ulacja ruchu robota cztero-noĪnego z zastosowaniem oprogramowania Matlab/Simulink i MD Adam s, Mechanik 2/2010, 131,136 (wersja autorska: www.mechanik.media.pl i www.procax.org.pl).
2. Giergiel M. J., Hendzel Z., ĩylski W .: Modelowanie i sterowanie m obilnych robotów ko áo-wych, PWN, Warszawa 2002.
3. Trojnacki M., Szynkarczyk P., Andrzejuk A.: Tendencje rozwoju m obilnych robotów l ądo-wych (1). Przegl ąd robotów m obilnych do zastosowa Ĕ specjalnych, Pom iary Automatyka Ro-botyka 6/2008, s. 11í14.
4. Wojtyra M., Frączek J.: Metoda ukáadów wieloczáonowych w dynamice mechanizmów, Oficy-na Wydawnicza PW, Warszawa 2007.
5. http://www.youtube.com/user/osmpiap 6. http://www.antyterroryzm.com/
Niniejsza praca zostaáa sfinansowana z Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego w ramach Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka, 2007 í2013 w ram ach Projektu pt.: "Zintegro-wany Mobilny System Wspomagający Dziaáania Antyterrorystyczne i Antykryzysowe" o akronimie PROTEUS (POIG.01.01.02-00-014/08).
