PRZYKŁAD STEROWANIA ROBOTEM ANTROPOMORFICZNYM

N_25112019_T1_kor 3antropomorficznym o 6-ciu osiach obrotowych. Sterowanie dotyczy prototypu ramienia
wykonanego w technologii druku 3D, w którym do napdu wykorzystano silniki krokowe.
Sowa kluczowe: robot antropomorficzny, druk 3D, sterowanie, silnik krokowy, projekt,
prototyp
EXAMPLE OF CONTROLLING ANTHROPOMORPHIC ROBOT
Summary: The paper presents the design and assumptions of an example of anthropomorphic
robot control system with six degrees of freedom. The control concerns a prototype of the arm
made in 3D printing technology, with stepper motors used as a drive motor.
Keywords: anthropomorphic robot, 3D printing, controlling, stepper motor, project, prototype
1. Wstp
Robot antropomorficzny, jest robotem o strukturze kinematycznej przegubowej.
Oznacza to, e ma wszystkie obrotowe osie ruchu regionalnego [2]. Roboty te cechuje
may wpyw struktury manipulatora na przestrze robocz, co czynie je zdolnymi do
pracy w ograniczonej przestrzeni. Ponadto odznaczaj si bardziej zwart konstrukcj ni roboty kartezjaskie oraz niszymi kosztami zwizanym z samym zakupem.
1 Akademia Techniczno-Humanistyczna w Bielsku-Biaej, Wydzia Budowy Maszyn
i Informatyki, Mechanika i Budowa Maszyn email: [email protected] 2 dr in. Akademia Techniczno-Humanistyczna w Bielsku-Biaej, Wydzia Budowy Maszyn
i Informatyki, email: [email protected]
Oprócz uksztatowania acucha kinematycznego robota i konstrukcji ukadu
mechanicznego zdolnoci poruszania si zrobotyzowanego ramienia w gównej
mierze zale od jego ukadu sterowania. Sterowanie robotów przemysowych
powinno zapewnia wspódziaanie wszystkich jego zespoów tzn. ukadów
napdowych, sensorycznych, efektora oraz programowanie pracy i niezawodne
wykonywanie zaprogramowanych czynnoci [1]. Wyróniamy trzy przypadki
sterowania manipulatorem, jako zadania planowania trajektorii ruchu [3]:
- sterowanie ruchem poszczególnych czonów manipulatora,
- programowe sterowanie ruchem w przestrzeni kartezjaskiej,
- sterowanie adaptacyjne.
Zadania ukadu sterowania [2]:
- reagowanie na czynnoci wykonywane przez operatora, w tym rczne sterowanie
oraz moliwo wprowadzania danego programu dziaania,
- wczanie i wyczanie napdów,
Example of controlling anthropomorphic robot 237
analogowej, oczekiwanie przez okrelony czas, wspódziaanie z innymi
maszynami,
- ustalenie kolejnoci dziaa w zalenoci od programu i wartoci odczytanych
sygnaów,
- sterowanie teleoperatorów – czowiek stanowi tu jeden z elementów sterowania.
Polega ono na reakcji robota na zamierzenia operatora, który sterujc modelem
manipulatora poprzez sterowanie przyciskowe, kopiujce zadan pozycj z
siowym sprzeniem zwrotnym, odzwierciedla jego ruch na manipulatorze.
- sterowanie sekwencyjne – wykorzystuje programowalne sterowniki logiczne lub
ukady przekanikowe, zapewniajce waciwy przebieg ruchów i czynnoci,
odpowiadajcych sterowaniu odcinkowemu lub punktowemu.
- sterowanie numeryczne – wykorzystuje ukady mikroprocesorowe, które w
oparciu o odpowiednie oprogramowanie systemowe realizuje zaprogramowane
instrukcje.
dostarczanych przez producentów, najczciej odbywa si to z poziomu doczonego
panelu operatorskiego lub specjalnego terminalu na komputerze PC. W przypadku
prototypów, czy projektów hobbystycznych panele operatorskie wykonywane s na
róne sposoby:
- pilot z rónego rodzaju urzdze RC (ang. Remote control), przeprogramowany
do sterowania danym manipulatorem,
- mniejszy model robota z umieszczonymi na nim czujnikami oraz urzdzenie
przesyajce pozycj modelu (przypadek teleoperatorów).
2. Ukady napdowe robotów
Pod nazw napd a precyzyjniej ukd napdowy rozumie si ukad przenoszcy
energi z sieci elektrycznej do zespoów robota, czyli czonów ukadu
kinematycznego lub chwytaka, skadajcych si z [3]:
- ukadu zasilania i sterujcego prac silnika napdowego,
- silnika napdowego bdcego ródem energii mechanicznej,
- przekadni mechanicznej czcej silniki z elementami robota.
Napdy robotów maj zapewni ruch wszystkich czonów ukadu kinematycznego
oraz chwytaka, zgodnie z wytycznymi ustalonymi w programie pracy robota. W
robotach dla kadej osi stosuje si oddzielny napd, który powoduje zmian wspórzdnej pooenia odpowiadajcej danemu czonowi. Wybór napdu jest bardzo
wan czci zadania konstrukcyjnego [1].
Przy jego wyborze naley wzi pod uwag [1]:
- dokadno pozycjonowania,
- warunki eksploatacji robota (okres pracy, ekonomiczno).
238 Mateusz MARKIEFKA
Schemat blokowy przedstawiajcy ogóln struktur napdu robota [1]:
Rysunek 4. Ogólna struktura systemu napdu robota [1]
Przy wyborze napdu do manipulatora, bardzo wane jest okrelenie do
jakich zada bdzie on przeznaczony, na jakie obcienia bdzie naraony, jakimi
cechami charakteryzuje si obiekt oraz warunki eksploatacji. Najczciej w
konstrukcjach robotów przemysowych stosowane s serwomechanizmy lub napdy
elektropneumatyczne, które charakteryzuj si duymi momentami obrotowymi,
dokadnoci ruchu oraz wbudowanymi enkoderami do okrelania ich pozycji.
3. Przykadowy ukad sterowania
trajektorii dla poszczególnych czonów, gdzie ukad sterowania opiera si o silniki
krokowe, jako napdy osi. Sterowane s one o przez ukad Arduino MEGA2560 i
sterowniki silników krokowych HY-DIV268N-5A, który dziki komunikacji
szeregowej w protokole komunikacyjnym RS-232, zachowuje czno ze
Energia
elektryczna
Przemiennik
energii
Zespó
sterownikiem PLC Astraada RCC972. Panel sterowania wykonany jest w postaci
wizualizacji na panel HMI (ang. Human Machine Interface).
Rysunek 5. Robot antropomorficzny z omawianym ukadem sterowania
[opracowanie wasne]
Ukad sterowania zasilany jest napiciem sieciowym 230 V, które dziki zasilaczom
impulsowym przetwarzane jest na napicie 24 V, jako zasilanie sterownika PLC i
silników krokowych oraz 5 V jako zasilanie ukadu Arduino. Schemat blokowy (Rys.
6) przedstawia struktur ukadu sterowania robota.
Rysunek 6. Schemat blokowy ukadu elektronicznego odpowiedzialnego za
sterowanie [1]
ukad sterowania silnikami krokowymi, z uwagi na moliwo zastosowania gotowej
biblioteki, du prostot sterowania silnikami oraz nisk cen w porównaniu do np.
serwomechanizmów. W przypadku sterowania przy uyciu wyj sterownika PLC,
pojawiaj si problemy z odpowiedni czstotliwoci generowania impulsów oraz
braku narzdzi do sterowania szecioma silnikami krokowymi jednoczenie.
Sterownik silników pozwala na regulacj parametrów natenia prdu oraz podziau
iloci kroków, poprzez odpowiednie ustawienie przeczników. Parametry zostay
ustawione odpowiednio do silników wykorzystanych w prototypie robota
antopomorficznego. Samo sterowanie odbywa si poprzez podanie prdkoci i iloci
kroków do przebycia, w programie sterujcym. Program sterujcy opiera si na
gotowej bibliotece „AccelStepper”, moliwej do pobrania w menaderze bibliotek
Arduino IDE.
[7]
Kracowe pozycje dla kadej z osi, s wykrywane przez wyczniki kracowe
WK625. W razie wykrycia, zatrzymuj one moliwo sterowania dla danego silnika
osi oraz wywietlany jest komunikat na panelu sterowania. W momencie osignicia
pozycji kracowej, programowo zostaje nadpisana pozycja. Pozwala to na
zniwelowanie bdów liczenia kroków, w przypadku zgubienia jakiego kroku w
trakcie pracy. Cay ukad zosta równie zabezpieczony przez wycznik awaryjny,
który cakowicie wycza moliwo sterowania robotem, przy zachowaniu zasilania
i momentów trzymajcych silników krokowych.
Rysunek 9. Wycznik czujnik
skrzynce ukadu sterowania [opracowanie
Rysunek 11. Schemat elektryczny ukadu sterowania [1]
Do napdu chwytaka wykorzystano serwomechanizm, który jest sterowany
z poziomu Arduino MEGA2560 oraz biblioteki „Servo”, moliwej do pobrania
w menaderze bibliotek Arduino IDE. Sterowanie polega na zadaniu konkretnej
wartoci pozycji dla serwomechanizmu, które przekada si na otwarcie lub
zamknicie chwytaka.
Panel sterowania zosta wykonany w oprogramowaniu Proficy Machine Edition
View, jako aplikacja wizualizacyjna na komputer lub panele HMI. Aplikacja
umoliwia:
- sterowanie rozstawem chwytaka, za pomoc suwaka,
- zadawanie wartoci prdkoci i przyspiesze, - wywietlania alarmów biecych i historycznych,
- wywietlania komunikatów,
- logowania si dla kilku uytkowników, z rónymi poziomami uprawnie. Wizualizacja zostaa wykonana w taki sposób, aby nawet operator nie majcy
odpowiedniego przeszkolenia, móg przyswoi samodzielnie interfejs i sterowa robotem. Na rodku ekranu przedstawione jest rami robota, po naciniciu
konkretnego silnika lub czci ramienia, któr chcemy ruszy, aktywuj i podwietlaj si przyciski odpowiedzialne, za ruch dan osi, przedstawia to rys. 14.
Rysunek 13. Ekran gówny wizualizacji, zalogowany uytkownik operator [1]
Rysunek 14. Wybór osi J3 do sterowania [1]
Rysunek 15. Alarm biecy - osignicie maksymalnej pozycji osi J3 [1]
Rysunek 16. Ekran drugi - wywietlanie pozycji osi oraz alarmy historyczne [1]
moliwoci sterowania. Dodatkowo obecno sterownika PLC, umoliwia
rozbudow ramienia o dodatkowe ukady lub jego bezporedni implementacj do
gotowego stanowiska pracy. Wykorzystanie silników krokowych jako napdów,
znacznie obniyo koszt wykonania takiego ramienia, a moliwo liczenia kroków
pozwala na precyzyjne ustawianie ramienia. Niestety brak sprzenia zwrotnego nie
pozwala na weryfikacj, czy zadana pozycja zostaa osignita, dlatego jest to
weryfikowane programowo po osigniciu wartoci maksymalnej dla danej osi.
Wykorzystanie aplikacji wizualizacyjnej, jako panelu sterowania, daje du rónorodno dla zastosowania. Mona sterowa ramieniem robota z poziomu panelu
HMI przy stanowisku lub zdalnie z poziomu komputera PC.
LITERATURA
1. MARKIEFKA M.: Projekt oraz wykonanie robota antropomorficznego o 6-ciu
stopniach swobody. Praca dyplomowa, Akademia Techniczno-Humanistyczna,
Bielsko-Biaa 2019.
Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa 2011.
Gliwice 2012.
4. POTOCKI L.: Silniki krokowe od podstaw, cz 1 – dla niecierpliwych
praktyków, [w:] Elektronika dla wszystkich, Wydawnictwo AVT, Lipiec 2002.
5. Serwis internetowy: www.robotyka.com/, dostp 30.10.2019 r.
6. Serwis internetowy: https://www.astor.com.pl, dostp: 30.10.2019 r
7. Serwis internetowy: https://store.arduino.cc/arduino-mega-2560-rev3, dostp
30.10.2019 r.

Documents

PRZYKŁAD STEROWANIA ROBOTEM ANTROPOMORFICZNYM