MODUŁOWOŚĆ W PROJEKTOWANIU ROBOTA GĄSIENICOWEGO
Józef Giergiel
1a, Krzysztof Kurc
1b, Dariusz Szybicki
1c1Katedra Mechaniki Stosowanej i Robotyki, Politechnika Rzeszowska
abartek@prz.edu.pl, bkkurc@prz.edu.pl, cdszybicki@prz.edu.pl
Streszczenie
W artykule opisano projekt gąsienicowego robota inspekcyjnego do rurociągów z systemem wymiany gąsienic.
Opisany robot przeznaczony jest do pracy w rurociągach o przekroju prostokątnym i kołowym o średnicy ponad 200 mm. W artykule przedstawiono modułowy proces projektowania, mający na celu utworzenie modelu trójwy- miarowego w środowisku CAD/CAE. Sporządzono dokumentację rysunkową oraz przygotowano modele CAD i określono technologie obróbki wszystkich elementów, co pozwoliło na zastosowanie CAM do obróbki za pomocą obrabiarek sterowanych numerycznie, jak również metod szybkiego wytwarzania FDM. Wykonano konstrukcję prototypowego robota zgodnie z założeniami projektowymi i przygotowaną dokumentacją. Przeprowadzone testy potwierdzają poprawność projektu. Prototyp robota spełnia wymogi przedstawione w dokumentacji, a wysoka ja- kość wykonania elementów konstrukcji pozwoli na długotrwałe testy i eksploatację w środowisku pracy.
Słowa kluczowe: mechatronika, robot, projektowanie, komunikacja, prototyp, modułowość
MODULAR DESIGN OF A ROBOT CRAWLER
Summary
In this paper, the design of a tracked in-pipe inspection mobile robot with a drive exchange system is presented.
The robot would be able to operate in circular and rectangular pipes and ducts, oriented horizontally and vertical- ly with cross section greater than 250 mm. The paper presents a complete design process of a virtual prototype, with usage of CAD/CAE software. Done documentation prepared drawing and CAD models and specified pro- cessing technologies of all elements, which allowed the use of CAM to machining using numerically controlled ma- chine tools, as well as methods for the rapid prototyping of FDM. Taken design of a prototype robot in line with the project and prepared the documentation. Performed tests proved conformity of the design with stated re- quirements. The prototype robot meets the requirements set out in the documentation, and high quality design elements allow for long-term testing and exploitation in the workplace.
Keywords: mechatronics, robot, design, communication, prototype, modularity
1. WSTĘP
Zaawansowane narzędzia komputerowe pozwalają wirtualnie zaprojektować, przetestować oraz dopasować niezbędne elementy mechaniczne i elektroniczne. Dzięki uzyskanym modelom wirtualnym możliwe jest przepro- wadzenie symulacji niezbędnych do opisu kinetyki projektowanego urządzenia. Zamodelowana konstrukcja może zostać poddana analizom obejmującym np. bada- nia wytrzymałości, oporu hydrodynamicznego, czy przepływu ciepła. Wirtualnie zaprojektowane elementy konstrukcji mogą zostać przesłane do oprogramowania wspomagającego wytwarzanie, gdzie zostaną sprawdzone pod kątem możliwości ich wykonania, a następnie zosta-
nie wygenerowany kod programowy do obróbki na maszynie CNC lub kod na urządzenia szybkiego proto- typowania elementów np. drukarki 3D.
Do zaawansowanych narzędzi projektowania mecha- tronicznego zaliczyć można również skanery 3D oraz oprogramowanie pozwalające na uzyskanie modeli wir- tualnych na podstawie obiektów rzeczywistych. Przy- śpiesza to proces projektowania i pozwala na pełną wizualizację wszystkich podzespołów urządzenia mecha- tronicznego.
Oddzielną grupę narzędzi stanowi oprogramowanie do symulacji. Tego typu programy pozwalają np. mode-
lować zjawiska ruchu. Umożliwiają sprawdzenie równań opisujących kinematykę oraz dynamikę analizowanego obiektu. Pozwalają także na dobór oraz zasymulowanie działania układu sterującego [1].
Istnieją narzędzia pozwalające przetestować działanie elektroniki oraz napisanego dla niej oprogramowania.
Można zasymulować działanie sensorów i sposób komu- nikacji z nimi, a nawet sposób sterowania aktorami, np.
silnikami prądu stałego.
Dzięki rozbudowanym narzędziom programistycznym możliwe jest napisanie zaawansowanego oprogramowania sterującego danym urządzeniem. Pisanie tego oprogra- mowania może zostać rozpoczęte równolegle z projekto- waniem elektroniki oraz konstrukcji. Takie oprogramo- wanie umożliwia dwustronną komunikację użytkownika z urządzeniem. Niektóre z wyżej przedstawionych zaa- wansowanych narzędzi zostaną przedstawione w tym artykule. Skupiono na modułach elektroniki, sterowania, komunikacji, pomiaru środowiska, w które można wypo- sażyć robot gąsienicowy, tworząc różne konfiguracje.
2. MODUŁOWA BUDOWA ROBOTA
Obecnie projektowanie urządzeń mechatronicznych odbywa się na podstawie zasad inżynierii, odnoszących się do modułowości. Zwiększa ona dostępność części składowych, umożliwia ich wymianę, zapewnia prosty montaż i demontaż oraz pozwala na powstanie produktu o różnych konfiguracjach działania [2]. Moduł definiuje się najczęściej jako zbiór elementów, które są wydzielone funkcjonalnie oraz konstrukcyjnie z danego urządzenia, a przeznaczone są do realizacji określonego zadania. Mo- dułowość, czyli budowa z gotowych klocków, zgrupowa- nych w systemy i podsystemy, ułatwia prace rozwojowe, konstruowanie, symulacje oraz testowanie [3]. Projekto- wanie poszczególnych współpracujących modułów reali- zowane jest na ogół równolegle przez specjalistów w danej dziedzinie, którzy komunikują się ze sobą. Modu- łowość ze względu na wymienione cechy doskonale wpisuje się w ideę projektowania mechatronicznego.
Równoległość projektowania przyśpiesza rozwój produk- tu i zwiększa konkurencyjność przez specjalizację [2].
Wydzielone moduły danego urządzenia mechatroniczne- go powinno cechować:
• łatwość i pewność wzajemnego montażu,
• stosowanie standardowych, kompatybilnych inter- fejsów,
• możliwość stosowania gotowych rozwiązań dostęp- nych na rynku.
Oprócz wymienionych cech warto zwrócić uwagę na zalety stosowania w budowie modułowej interfejsów komunikacyjnych. Przyczyniają się one do zredukowania ilości okablowania, co ma wpływ na funkcjonalność urządzenia oraz jego późniejsze serwisowanie [4]. Zasto-
wykonawczych w taki sposób, by nie determinowały one struktury urządzenia mechatronicznego. Moduły powin- no się wiec projektować tak, by można je zastosować do dowolnej architektury budowanego urządzenia.
Rys. 1. Modułowa bodowa inspekcyjnego robota gąsienicowego Ze względu na wymagania, jakie postawiono przed inspekcyjnym robotem gąsienicowym, idea modułowości okazała się bardzo istotna w projektowaniu tego urzą- dzenia. Na rys.1 przedstawiono najważniejsze moduły wchodzące w skład urządzenia.
Największy wpływ na modułową budowę robota miał wymóg uniwersalności, czyli konieczność pracy zarówno nad, jak i pod wodą. Ponadto założono, że robot będzie mógł pracować na powierzchniach płaskich i w rurach od średnicy 200 [mm] oraz w rurach pionowych. Przyję- to, że funkcje inspekcyjne będą realizowane nie tylko poprzez kamerę, ale również rozbudowany system senso- rów oraz skaner 2D. Opisane wymagania spowodowały konieczność zastosowania specjalizowanych modułów, a także systemu mocowań zapewniającego uzyskanie kilkunastu konfiguracji robota. W modułowej budowie robota zastosowano interfejsy komunikacyjne m.in.
w postaci standardu Ethernet, protokołu TCP/IP oraz standardu CAN.
Rys. 2. Moduły funkcjonalne robota
Moduły funkcjonalne robota (rys.2) składają się z:
• jednostki sterującej pracą robota - jest to mikro- kontroler z rdzeniem ARM 7 AT91SAM7SE firmy ATMEL;
• modułu pomiarowego środowiska zbudowanego na podstawie mikrokontrolera PIC32MX575F512H;
• obwodów kontroli poprawności pracy napędów, które jednocześnie służą do pomiaru prądu;
• driverów mocy sterujących bezpośrednio napędami za pomocą sygnałów PWM generowanych przez jednostkę centralną;
• inteligentnego układu ładowania baterii i kontroli napięcia zasilającego;
• ethernetowego switcha firmy REALTEK zarządza- jącego przepływem danych pomiędzy komputerem a kamerą megapikselową oraz komputerem a ukła- dem sterującym;
• układu przewodowej transmisji danych za pomocą skrętki ethernetowej;
• warstwy fizycznej pośredniczącej w komunikacji pomiędzy switchem ethernetowym a mikroproceso- rem sterującym;
• komputera z interfejsem operatora.
W układzie zaprezentowanym na rys.2, w zależności od zapotrzebowania, możliwe jest podłączenie określone- go modułu robota. Układ może być zasilany przez moduł akumulatorowy (rys.10) lub poprzez przewód z zasilacza. Moduł pomiarowy środowiska (rys.7, rys.11), w zaprezentowanej wersji, działający w środowisku suchym, może być dopinany opcjonalnie. W przypadku komunikacji robota ze stanowiskiem operatora zastoso- wano protokół TCP/IP. Na konkretne rozwiązanie układowe zdecydowano się z powodu zastosowania w projekcie układu kamery ethernetowej. Kamera ta ma bardzo dobrą jakość obrazu, lecz jednocześnie z powodu dużej liczby danych przesyłanych na drodze kamera - komputer PC wymaga bardziej skomplikowanego roz- wiązania układowego w postaci konieczności zastosowa- nia switcha. Switch ten zajmuje się przesyłaniem stru- mienia danych do komputera PC, a także odbieraniem pakietów sterujących robotem i przekierowywaniem ich za pośrednictwem warstwy fizycznej do mikrokontrolera sterującego pracą napędów.
Moduł pomiarowy środowiska (rys.7, rys.11) jest urządzeniem niezależnym i w jego przypadku zdecydo- wano się na komunikację z oprogramowaniem sterują- cym za pomocą magistrali CAN. W celu użycia tylko jednego przewodu komunikującego zdecydowano się na tzw. skrętkę, której dwie pary wykorzystano do obsługi standardu 100Base-TX sieci Ethernet, jedna parę do komunikacji w standardzie CAN, a jedna para przewo- dów pozostała niewykorzystana.
Rys. 3. Urządzenia wchodzące w skład układu mechatronicznego oraz sposób ich komunikacji Na rys.3 pokazano urządzenia wchodzące w skład układu mechatronicznego oraz sposób ich komunikacji.
Zastosowanie standardu Ethernet, wraz z protokołem TCP/IP oraz standardu CAN, umożliwiło skomuniko- wanie całego układu mechatronicznego z komputerem PC i zintegrowanym oprogramowaniem operatora.
Jako narzędzie projektowania mechatronicznego do wykonania schematów elementów elektronicznych wyko- rzystano oprogramowanie Protel. Oprogramowanie mikrokontrolera ARM napisano przy wykorzystaniu IAR Embedded Workbench. Funkcjonowanie oprogramowa- nia oraz poprawność połączenia elementów była wielo- krotnie sprawdzana na etapie projektowania, pozwoliło to uniknąć niepotrzebnych kosztów wielokrotnego wyko- nywania płytek PCB.
Po określeniu założeń projektowych, wybraniu układów napędowych oraz oświetlenia, kolejnym etapem procesu projektowego było wybranie optymalnej konstrukcji robota, przy uwzględnieniu jego modułowości.
Do sterowania pracą robota wybrano mikrokontroler z rdzeniem ARM 7, ponieważ jest to układ charakteryzu- jący się wysoką wydajnością oraz licznymi wbudowanymi układami peryferyjnymi [5]. Mikrokontrolery te zawiera- ją w sobie 32-bitowy system mikroprocesorowy z pamię- cią Flash oraz RAM, zwalniający konstruktora z prowa- dzenia skomplikowanych połączeń magistralowych [6].
Rys. 4. Mikrokontroler sterujący ARM [7]
Mikrokontroler sterujący (rys.4) ma następujące parame- try funkcjonalne [7]:
• rdzeń ARM7TDMI;
• wydajna 32-bitowa architektura RISC;
• 256kB pamięci FLASH;
• 64kB pamięci SRAM;
• kontroler zewnętrznej magistrali EBI;
• kontroler pamięci (MC);
• kontroler reset (RSTC);
• niskomocowy generator zegara z pętlą PLL;
• kontroler zarządzania energią (PMC;
• kontroler przerwań (AIC);
• zegar czasu rzeczywistego RTC;
• kontroler portu równoległego (PIOA);
• 11 kanałów DMA;
• USB 2.0;
• 2 porty USART;
• 1 port DBGU;
• kontroler SPI;
• kontroler SSC;
• kontroler PWM (PWMC);
• kontroler I2C;
• 3 16-bitowe liczniki (TC);
• 1 8-kanałowy 10 bitowy przetwornik ADC;
• wbudowany regulator LDO 1.8V;
• prędkość maksymalna zegara 55MHz.
W układzie sterującym robota znajdują się dwa takie układy kontroli poprawności działania napędów i pomia- ru prądu, po jednym na każdy napęd. Układy służą do detekcji błędów, które mogą wystąpić podczas pracy napędu, tj. zablokowanie napędu, przeciążenie napędu lub jego przegrzanie.
Jednostka sterująca, po otrzymaniu komunikatu błę- du od układu nadzorującego, podejmuje decyzję o awa- ryjnym zatrzymaniu jednostki napędowej.
W przypadku driverów mocy bezpośrednio sterują- cych napędami jednostkę wykonawczą zaprojektowano i wykonano na podstawie układu scalonego LMD18200.
Układ, zwany także (ang.) H-Bridge [8], pracuje w konfiguracji przedstawionej na rys.5. Jest to prosta struktura pozwalająca bardzo szybko zmienić prędkość, kierunek obrotów silnika, czy też zahamować go.
Rys. 5. H-Bridge układu LMD18200 [8]
Zasilanie jest podłączone do zacisków + i -, nato- miast do wyjść A i B podłączono terminale napędów DC.
Elementy A1, A2, B1, B2 to klucze tranzystorowe wyko- nane w technologii DMOS. Tranzystory DMOS pozwala- ją na przepływ prądu w obu kierunkach, mają mniejszy spadek napięcia podczas włączenia (RDS(ON)=0.3 Ohm.), niż odpowiadające im tranzysto- ry bipolarne. Są od nich także o wiele szybsze.
Jako warstwę fizyczną pośredniczącą w komunikacji pomiędzy switchem ethernetowym, a mikroprocesorem sterującym wykorzystany jest specjalizowany kontroler W5100 (rys.6) firmy WIZNET [9].
Rys. 6. Schemat blokowy W5100 [9]
Parametry kontroler W5100 [9]:
• obsługa protokołów TCP/IP, TCP, UDP, ICMP, IPv4, ARP, IGMP, Poppe, Ethernet;
• wbudowana warstwa fizyczna PHY
• obsługa niezależna czterech socketów jednocześnie;
• brak obsługi fragmentowanych ramek IP;
• wewnętrzna pamięć 16kB dla buforów transmisji i odbioru;
• interfejs równoległy oraz SPI.
Moduł pomiarowy środowiska (rys.7) zbudowano na podstawie mikrokontrolera PIC32MX575F512H. Udo- stępnia on poddane filtracji dane pomiarowe do magi- strali CAN. Do pomiaru parametrów otaczającej atmos- fery wykorzystano cztery czujniki.
Rys. 7. Schemat modułu pomiarowego środowiska
Jako sensor zawartości metanu wykorzystano czujnik TGS2611. Jest to wysokoczuły element, którego impe- dancja silnie zależna jest od zawartości metanu w otacza- jącej atmosferze [10]. Na czas pomiaru konieczne jest podgrzanie półprzewodnikowej struktury czujnika, do czego wykorzystywany jest wbudowany element grzejny.
Pomiar impedancji realizowany jest w prostym układzie dzielnika napięcia, uzyskany sygnał wyjściowy przetwa- rzany jest na postać cyfrową we wbudowanym w mikro- kontroler przetworniku ADC.
Do pomiaru zawartości tlenku węgla użyto czujnika TGS422. Działa on na podobnej zasadzie co TGS2611 i posiada dodatkowy filtr węglowy, czyniąc go szczegól- nie selektywnym na zawartość tzw. czadu w otaczającej atmosferze.
Sensor wilgotności i temperatury powietrza to układ HIH6130. Umożliwia on precyzyjny pomiar wilgotności, kompensując nieliniowość i histerezę ze względu na temperaturę [11]. Gotowe dane dostarczane są poprzez magistralę I2C.
Sensor ciśnienia i temperatury powietrza to MPL3115A2. Jest to bardzo precyzyjny 24-bitowy, zbudowany na podstawie przetwornika MEMS układ do pomiaru ciśnienia z wbudowanym czujnikiem temperatu- ry, umożliwiający autokompensację [12]. Dostarcza dane pomiarowe poprzez interfejs I2C.
W mikrokontrolerze sterującym układem pomiaro- wym jest system wbudowany, mający cechy systemu czasu rzeczywistego. Został on zorganizowany w postaci trzech procesów:
• główny proces kontroli i przetwarzania danych po- miarowych, który wykorzystuje filtry dolnoprzepu- stowe FIR z liniową fazą, a następnie downsamling;
• proces obsługi interfejsów czujników i archiwizacji uzyskanych danych;
• proces obsługi interfejsu CAN, zaprojektowany i do- stosowany do wymagań aplikacji wyższej warstwy modelu ISO/OSI, wraz z kolejkowaniem wiadomości.
Dane z modułu pomiarowego oraz układu sterującego robotem przekazywane są do komputera sterującego z autorskim interfejsem operatora (rys.8).
Interfejs sterujący robotem (rys.8) zbudowano przy wykorzystaniu biblioteki programistycznej Qt. Środowi- sko to jest zestawem przenośnych bibliotek i narzędzi programistycznych dedykowanych dla języków ,,C++”
oraz Java [15].
Do sterowania gąsienicowym robotem napisano gra- ficzny interfejs, który kontroluje paramenty pracy i pozwala na wygodne zarządzanie funkcjami robota przez operatora. Budowa i funkcjonowanie aplikacji sterują- cych wymaga zaawansowanych narzędzi programistycz- nych, stabilności, niezawodności oraz braku opóźnień w komunikacji. Napisana w języku C++ aplikacja ma możliwość bezprzewodowej kontroli istotnych parame-
trów robota oraz podłączonych do niego modułów.
Pozwala na wygodne i intuicyjne sterowanie przemiesz- czaniem, wyświetlanie obrazu z kamery oraz umożliwia analizę środowiska pracy robota.
Rys. 8. Interfejs aplikacji sterującej robotem Zasada działania interfejsu sterującego polega na ry- sowaniu i obsłudze widżetów. Są to podstawowe elemen- ty graficznego interfejsu użytkownika (GUI), jak np.
suwak, okno, przycisk lub pole edycji [13], [14]. W oma- wianym rozwiązaniu umożliwiają one przesyłanie danych i poleceń użytkownika poprzez program do robota. Są również używane do wizualizacji na ekranie informacji o stanie programu i kontrolowanego przez niego robota (informacja zwrotna). Dzięki zbudowaniu środowiska graficznego użytkownik ma możliwość wygodnej i łatwej komunikacji z aplikacją za pomocą klawiatury i myszy oraz sterowania robotem za pomocą joysticka.
Qt dostępna jest w dwóch typach: licencji komercyj- nej oraz bezpłatnej GPL opartej na idei OpenSource [15].
Omawiana biblioteka jest multiplatformowa co oznacza, że jest dostępna dla najważniejszych systemów operacyj- nych, a kod napisanych w niej aplikacji po niewielkich modyfikacjach może być przenoszony pomiędzy platfor- mami. Oprogramowanie napisane w Qt w każdym ze wspieranych systemów zachowuje się i wygląda podobnie pomimo różnic w API (ang. Application Programming Interface), czyli interfejsie programowania aplikacji.
Aplikacja sterująca robotem jest to program składa- jący się z kilkudziesięciu różnych elementów. Wszystkie elementy programu przetwarzają i wymieniają informacje miedzy sobą. Najistotniejszym elementem tego rozwiąza- nia jest dwustronna komunikacja programu z robotem inspekcyjnym przy bardzo małych opóźnieniach komuni- kacji.
3. PODSUMOWANIE
Do dokładnego zaprezentowania opracowanych roz- wiązań oraz dla celów marketingowych zastosowano moduł PhotoView 360 programu SolidWorks. Umożliwia on uzyskanie fotorealistycznych wizualizacji w różnych
Rys. 9. Fotorealistyczny obraz konfiguracji robota do inspekcji powierzchni płaskich
Przedstawione fotorealistyczne obrazy konfiguracji robota oraz modułów do niego dołączonych nie wyczer- pują wszystkich otrzymanych podczas realizacji projek- tu. Doświadczania uzyskane podczas projektowania i budowy robota wskazują, że ten sposób prezentacji modeli cieszy się dużym zainteresowaniem odbiorców.
Pozwala ponadto w realistyczny sposób pokazać rozwią- zania, które na danym etapie są tylko modelami CAD.
Rys. 10. Konfiguracji robota z modułem baterii Konfigurację robota z modułem pomiaru środowiska zaprezentowano na rys.11.
W pracy pokazano, jak można zaprojektować robota inspekcyjnego, wykorzystując zaawansowane modelowa- nie, symulacje oraz techniki prototypowania. Dzięki takiemu podejściu możliwe jest łatwe modyfikowanie i rozbudowa robota przez wymianę lub dołożenie innych
modułów, np. skanera 2D, czy kamery na podczerwień.
Pokazano, jak zaprojektować układ sterowania, dobrać elementy elektroniczne oraz napisać oprogramowanie sterujące.
Literatura
1. Bradley, D. A., Seward, D., Dawson, D., & Burge, S.: Mechatronics and the design of intelligent machines and systems. CRC Press, 2000.
2. Miller T., Elgard P.: Defining modules, modularity and modularization: evolution of the concept in a historical perspective. Lyngby: IKS, 1998.
3. Gawrysiak M.: Mechatronika i projektowanie mechatroniczne. Białystok: Wyd. Politechniki Białostockiej, 1997.
4. Gerth W., Heimann B., Popp K.: Mechatronika: komponenty, metody, przykłady. Warszawa: PWN, 2001.
5. Bryndza L: LPC2000 - mikrokontrolery z rdzeniem ARM7. Legionowo: BTC, 2007.
6. Predko M.: Programming and customizing the ARM7 Microcontroller. McGraw-Hill/TAB Electronics, 2011.
7. www.tme.eu/pl/katalog/mikrokontrolery-atmel-arm_100587/ [dostęp 2014-01-02]
8. www.ti.com/product/lmd18200 [dostęp 2014-02-17]
9. www.wiznet.co.kr/Sub_Modules/en/product/Product_Detail.asp?cate1=5&cate2=7&cate3=26&pid=1011 [dostęp 2014-01-03]
10. www.conrad.pl/Czujnik-gazu-metan-Figaro-TGS-2611-C00,-(Fi-x-H)-9,2-mm-x-7,8- mm.htm?websale8=conrad&pi=183302 [dostęp 2014-01-13]
11. www.tme.eu/pl/details/hih6130-021-001/czujniki-wilgotnosci/honeywell/ [dostęp 2014-02-05]
12. www.kamami.pl/index.php?productID=198878 [dostęp 2014-01-06]
13. Giergiel J., Szybicki D.: System Linux w robotyce. Rzeszów: OWPRz, 2010.
14. Giergiel M., Kurc K., Szybicki D.: Graficzny interfejs do sterowania gąsienicowym robotem inspekcyjnym.
”Modelowanie Inżynierskie” 2013, nr 48, t.17, s.37- 41.
15. Blanchette J., Summerfield M.: C++ GUI programming with Qt 4 (2nd ed.). Prentice Hall Open Source Soft- ware Development Series, Massachusetts 2008.
