ZASTOSOWANIE LINIOWEGO D OJSTIKA DOTYKOWEGO DO STEROWANIA NAP DEM ELEKTROHYDRAULICZNYM

Transkrypt

1 prof. dr hab. in. Andrzej Milecki Politechnika Pozna ska mgr Marcin Chciuk mgr in. Pawe Bachman Uniwersytet Zielonogórski ZASTOSOWANIE LINIOWEGO D OJSTIKA DOTYKOWEGO DO STEROWANIA NAP DEM ELEKTROHYDRAULICZNYM W artykule opisano uk ad sterowania nap dem elektrohydraulicznym z si owym sprz eniem zwrotnym. Przedstawiono budow i wyniki bada dotykowego d ojstika liniowego z ciecz magnetoreologiczn. Artyku zawiera tak e wyniki bada do wiadczalnych procesu sterowania nap dem elektrohydraulicznym za pomoc d ojstika dotykowego z ciecz magnetoreologiczn przy pomocy trzech ró nych algorytmów sterowania. APPLICATION OF LINEAR HAPTIC JOYSTICK IN CONTROL OF ELECTROHYDRAULIC DRIVE The article describes control system of electrohydraulic drive with force feedback. The structure of linear haptic joystick and their research basic results are presented. The article encompasses also investigation results of three control methods of electrohydraulic servo drive made by haptic joystick with magnetorheological brake. 1. WST P Podczas sterowania ci kim sprz tem budowlanym takim jak np. koparki cz sto zdarza si, e na drodze ruchu ich elementów pojawiaj si ró nego rodzaju przeszkody, które mog sta si przyczyn awarii. Dlatego te maszyny te powinny dysponowa dodatkowymi zabezpieczeniami, aby nie dopu ci do powstania zniszcze [7]. Problemy zwi zane z wyst powaniem przeszkód na drodze ruchu elementu wykonawczego maszyn budowlanych wyst puj przy r cznym sterowaniu manipulatorami za pomoc ró norodnych d wigni, peda ów albo d ojstików, kiedy widoczno przestrzeni roboczej jest ograniczona. Operator przekazuje zwykle do urz dzenia wykonawczego sygna okre laj cy si albo pr dko ruchu. W przypadku ograniczonej widoczno ci operator nie uzyskuje adnej informacji o kontakcie cz ci roboczej urz dzenia z przeszkod. Problem ten mo e rozwi za zastosowanie d ojstików z tzw. si owym sprz eniem zwrotnym, w których stosowane s elementy generuj ce si przeciwdzia aj c sile dzia ania operatora. S to tzw. urz dzenia dotykowe (ang. haptic device), które s u do przekazywania bod ców dotykowych ze sterowanego obiektu do u ytkownika. Bod cem tym zazwyczaj jest si a, z jak urz dzenie wykonawcze oddzia uje na przeszkody. Podobne badania by y ju prowadzone dla d ojstika wahad owego, a ich rezultaty przedstawiono w publikacjach [2, 3, 4,, 6, 8]. 744 Pomiary Automatyka Robotyka 2/211

2 2. BUDOWA D OJSTIKA LINIOWEGO Do opisywanych w tym artykule bada zastosowano now konstrukcj d ojstika przesuwnego (suwakowego). Zosta on zbudowany bazie prowadnicy liniowej, po której porusza si suwak z d wigni. By on po czony z paskiem z batym wspó pracuj cym z dwoma ko ami zamocowanymi na ko cach prowadnicy. Z jednym z nich po czono potencjometr przeznaczony do pomiaru po o enia, a z drugim obrotowy hamulec magnetoreologiczny [1]. W r koje ci d ojstika zosta zamontowany czujnik si y. Widok omawianego d ojstika przedstawiono na rys. 1. Czujnik si y (wewn trz) Pomiar po o enia Hamulec MR Pasek z baty Rys. 1. Widok d ojstika liniowego Na rys. 2 pokazano charakterystyk statyczn d ojstika. Przedstawia ona zale no si y na r koje ci d ojstika od pr du p yn cego przez cewk hamulca magnetoreologicznego. F F[N] ,2,4,6,8,1,12 I I[A] [A] Rys. 2. Zale no si y na d ojstiku od pr du hamulca MR 3. UK AD STEROWANIA Uk ad sterowania zosta wykonany przy wykorzystaniu pakietu MATLAB/Simulink. Sk ada si on z dwóch g ównych torów steruj cych oraz trzeciego pomiarowego (rys. 3). 2/211 Pomiary Automatyka Robotyka 74

3 I Pomiar przesuni cia d ojstika Wej cie Pomiar przesuni cia si ownika Wej cie + _ e Regulator Napi cie elektrozaworu hydraulicznego Wyj cie II Pomiar si y si ownika Wej cie Regulator Napi cie hamulca MR Wyj cie III Pomiar si y d ojstika Wej cie Pomiar si y Rys. 3. Schemat pogl dowy uk adu steruj co-pomiarowego Tor I odpowiada za sterowanie po o eniem si ownika. Napi cia z potencjometru po o enia d ojstika ( V) oraz z elektroniki indukcyjnego czujnika po o enia si ownika ( 1 V) podawane s na wej cia karty. Sygna y te po odpowiednim przeliczeniu trafiaj na wej cia sumatora, w którym wyznacza si uchyb regulacji e. Podawany jest on dalej na regulator, który ustala sygna podawany na wyj cie jako napi cie steruj ce zaworem. W torze II odbywa si sterowanie hamulcem MR. Si a mierzona na si owniku poprzez uk ady wzmacniaczy trafia na wej cie karty komputera, z którego po odpowiednim przeliczeniu (odj ciu warto ci odpowiadaj cej oporom w asnym hamulca MR wyst puj cym przy napi ciu cewki równemu V) trafia na wej cie regulator, z którego wychodzi sygna na wyj cie karty, jako napi cie cewki hamulca MR d ojstika. Tor III s u y jedynie do pomiaru si y na d ojstiku. W badanym uk adzie sygna si y z d ojstika podawany jest na wej cie karty, a nast pnie przeliczany na odpowiednie jednostki (N). Wszystkie sygna y wyst puj ce w uk adzie tzn. po o enie d ojstika i si ownika, si a na d ojstiku i si owniku, napi cie zaworu oraz pr d hamulca MR d ojstika, rejestrowanie s w przestrzeni roboczej programu MATLAB, a nast pnie eksportowane do plików Excela. 4. ELEKTRONICZNE UK ADY PO REDNICZ CE Aby pod czy d ojstik do karty wej /wyj komputera nale a o wykona elektroniczne uk ady po rednicz ce. Do zasilania hamulca MR zastosowano wzmacniacz operacyjny mocy oparty na uk adzie OPA49. Schemat tego wzmacniacza przedstawiony jest na rys. 4, a widok gotowej p ytki na rys Pomiary Automatyka Robotyka 2/211

4 R 1 3 _ 1,11 D 1 U IN P OPA 49 6, ,2 D 2 U OUT L +V R1=1k ; P1=1k ; D1 D2=1N822; L=Hamulec MR Rys. 4. Schemat ideowy wzmacniacza wysokopr dowego Rys.. Widok p ytki wzmacniacza wysopr dowego Uk ad pomiaru wychylenia d ojstika zbudowany jest w oparciu o wzmacniacz operacyjny OP27. Sygna P IN1 jest to sygna po o enia potencjometru zamontowanego w d ojstiku, informuj cy o jego po o eniu. Aby unikn konieczno ci precyzyjnego mechanicznego ustawiania potencjometru w d ojstiku zastosowano uk ad sumatora na wej ciu nieodwracaj cym wzmacniacza operacyjnego. Przy pomocy potencjometru pod czonego do ujemnego zasilania mo na doregulowa warto zera dla skrajnego zerowego po o enia d ojstika. Potencjometrem zamontowanym w torze ujemnego sprz enia zwrotnego mo na wyregulowa napi cie dla maksymalnego wychylenia. Schemat omawianego uk adu pokazany jest na rys. 6. Uk ad pomiaru si y na d ojstiku P 2 zbudowany jest na bazie pomiarowego wzmacniacza operacyjnego INA128 +V R (US 1 ). W d wigni d ojstika zastosowano 6 mostek tensometryczny typu PW6KRC-3 P R 2 US 1 IN1 OUT firmy HBM. Wzmacniacz INA128 R 3 wzmacnia kilkadziesi t razy sygna z mostka. Wzmocnienie ustala si za pomoc potencjometru P 1. Nast pnie P 1 sygna ten wzmacniany jest na kolejnym wzmacniaczu operacyjnym pracuj cym R 1 R 3 =1k ; P 1 P 2 =1k ; US 1 =OP27; w uk adzie odwracaj cym faz zbudowanym na niskoszumowym uk adzie Rys. 6. Schemat ideowy pomiaru wychylenia d ojstika OP27 (US 2 ). Z wyj cia tego wzmacniacza sygna trafia do wzmacniacza (US 3 ) pracuj cego w uk adzie ró nicowym, w którym przy pomocy potencjometru P 2 mo na zerowa sygna si y. Schemat tego uk adu przedstawiony jest na rys. 7, a widok gotowej p ytki pomiaru si y i wychylenia na rys. 8. 2/211 Pomiary Automatyka Robotyka 747

5 +V P 1 1 R 2 T R 1 US US 2 4 R 3 P 2 R 4 R R US3 4 OUT 1 US 1 =INA128; US 2 US 3 =OP27; T 1 =PW6KRC-3 R 1 =1k ; R 2 R6=1k ; P 1 P 2 =1k ; Rys. 7. Schemat ideowy pomiaru si y Rys. 8. Widok p ytki pomiaru si y i wychylenia. BADANIA DO WIADCZALNE Pomiary zosta y wykonane na stanowisku hydraulicznym wyposa onym w si ownik z zaworem proporcjonalnym. Jako obci enie si ownika zastosowano liniowy hamulec magnetoreologiczny, którego si oporu ruchu mo na by o sterowa z niezale nego ród a. Pomi dzy t okiem si ownika i hamulcem MR zamontowano czujnik si y. Widok stanowiska pokazany jest na rys. 9. Si ownik hydrauliczny Indukcyjny pomiar po o enia PC 2 D ojstik PC 1 Czujnik si y Rys. 9. Widok stanowiska pomiarowego Obci enie regulowane Liniowy hamulec MR Pierwszy algorytm sterowania oparty by o regulator linearyzuj cy uk ad magnetoreologiczny hamulec obci aj cy-d ojstik. Na podstawie charakterystyk d ojstika i hamulca MR wyznaczono nieliniow funkcj, która pomija a opory w asne obci enia oraz rozk ada a w sposób liniowy przyrosty si y na d ojstiku w zale no ci od si uzyskiwanych na si owniku. Uk ad sterowania wykonany w programie Simulink przedstawiony jest na rys Pomiary Automatyka Robotyka 2/211

6 Po o enie si ownika 2 Adva ntech 3 Po o enie d ojstika 1 Gain 3 Gain Gain 4 polsilo To Workspace 1 e poldzoj To Workspace 2 Gain 1 Napi cie zaworu proporcjonalnego Output Output 1 siladzoj PCI-1716 [auto] butter 4 2 napzawor Gain 11 To Workspace3 4 PCI-1716 [auto] Filter Design 1 siladzoj To Workspace7 Si a z si ownika 1 u Abs Lookup Table Regulator nieliniowy Napi cie hamulca MR Output Output 2 PCI-1716 [auto] Clock time To Workspace 6-1 silasilo.11 pradhmr Gain 7 To Workspace Gain 8 To Workspace4 Rys. 1. Uk ad sterowania wykonany w programie Simulink Na rys. 11 przedstawiona jest charakterystyka si y na d ojstiku F d pojawiaj ca si w odpowiedzi na skok jednostkowy si y na si owniku F s F s =7kN F s =6kN F s =kn Fd[N] , 1 1, 2 2, 3 t[s] F s =4kN Rys. 11. Zlinearyzowana charakterystyka F d =f(t) dla ró nych si obci enia Na rys. 12 przedstawiono przebiegi si y i po o enia d ojstika oraz si ownika przy obci eniu kn. 2/211 Pomiary Automatyka Robotyka 749

7 I II III y j, y s [mm], 1 1, 2 2, 3 F j [N] F s [kn] y j, 1 1, 2 2, 3 t[s] Rys. 12. Przebiegi si y i po o enia d ojstika i si ownika przy obci eniu kn (F j si a na d ojstiku; y j po o enie d ojstika; F s si a na si owniku; y s po o enie si ownika) y s F j F s Na rys. 12 pionowa linia oznaczona I pokazuje pocz tek ruchu si ownika. W miejscu (chwili czasowej) oznaczonym lini II pojawi o si obci enie zewn trzne (za czenie napi cia na liniowy hamulec MR). Lini III oznaczono moment osi gni cia pozycji skrajnej przez d ojstik. W nast pnym algorytmie sterowania za o ono, e operator powinien dosta informacj o zbli aniu si do przeszkody jeszcze przed uderzeniem w ni. W tym celu na ko cu t oka zamontowano laserowy czujnik odleg o ci, którego zadaniem by pomiar odleg o ci od przeszkody. Sygna z tego czujnika wprowadzono do komputera poprzez dodatkowe wej cie i po odpowiednim przeliczeniu zsumowano z sygna em napi cia wychodz cym na hamulec MR d ojstika (rys. 13). Odleg o od przeszkody z czujnika laserowego -. 3 Si a z si ownika 6. Constant 2 u Gain 6 Constant 3 Switch Napi cie hamulca MR Output 1 Abs Lookup Table 1 Output 2 PCI [ auto] - 1 silasilo Gain 7 To Workspace Rys. 13. Schemat uk adu sterowania hamulcem MR z dodatkowym czujnikiem odleg o ci 7 Pomiary Automatyka Robotyka 2/211

8 Przebiegi si si ownika i d ojstika pokazano s na rys. 14. Dodatkowo na tym wykresie naniesiona jest odleg o t oka od przeszkody (L). Lini pionow zaznaczony jest moment zderzenia si ownika z przeszkod F d [N] I F s [kn] F d F s L [mm] , 1 1, 2 2, 3 3, 4 t[s] Rys. 14. Charakterystyki z uk adu sterowania hamulcem MR z dodatkowym czujnikiem odleg o ci Podczas bada zauwa ono, e czasami zdarza si, e operator zbyt szybko przesuwa d wigni, przez co t oczysko nap du hydraulicznego nie nad a za zmianami po o enia ramienia d ojstika. Zaprojektowano wi c taki uk ad sterowania, w którym d ojstik jest hamowany w momencie, w którym uchyb regulacji e (rys. 1) przekroczy za o on z góry warto. Schemat tego uk adu wykonany w programie Simulink przedstawia rys. 1. Na rysunku 16a widoczne s przebiegi si y i po o enia d ojstika oraz si ownika podczas sterowania t metod. Rys. 16b pokazuje rozk ad sk adowych pr du p yn cego przez hamulec MR d ojstika z podzia em na cz pochodz c od uchybu (kolor czerwony) oraz z czujnika si y (niebieski). e Napi cie d ojstika Si a z si ownika u Abs 1 Constant 2 Switch 1 Gain 6 Saturation - K - nap HMR Output Output 2 pradhmr u Gain 8 To Workspace4 1 Abs Lookup Table - K - silahmr - 1 silasilo Gain 14 To Workspace 9 Gain 7 To Workspace Rys. 1. Schemat uk adu sterowania algorytmem z dodatkowym sprz eniem od uchybu wykonany w programie Simulink 2/211 Pomiary Automatyka Robotyka 71

9 2 2 1 y s 1 F j F s, 1 1, 2 2, 3,12,1,8,6,4,2 y j, y s [mm] F j [N] F s [kn] I [A], 1 1, 2 2, 3 y j I uchyb t[s] I si a Rys. 16. Przebiegi podczas sterowania algorytmem z dodatkowym sprz eniem od uchybu: a) si a i po o enie d ojstika i si ownika, b) rozk ad sk adowych pr du hamulca MR w d ojstiku,,4,4,3,3,2,2,1,1,,,2,4,6,8 1 1,2 1,4 1,6 t [s],,4,4,3,3,2,2,1,1 I d, I uchyb, I si a [A] I d, I uchyb, I si a [A] I uchyb Ruch szybszy I d I uchyb I d I si a Ruch wolniejszy I si a,2,4,6,8 1 1,2 1,4 1,6 t [s] Rys. 17. Porównanie pr dów d ojstika dla ró nych szybko ci jego ruchu Na rys. 17 porównano rozk ad pr dów pochodz cych od uchybu i z czujnika si y dla dwóch ró nych szybko ci ruchu d ojstika. Wida na nim, e im szybszy ruch tym szersza jest cz pochodz ca od uchybu. 6. WNIOSKI Na podstawie przedstawionych w artykule bada mo na stwierdzi, e zastosowanie d ojstika dotykowego znacznie poszerza mo liwo ci sterowania. Dzi ki temu operator za pomoc zmys u dotyku mo e do wiadcza dodatkowych wra e, a przez to, w niektórych warunkach precyzyjniej i bezpieczniej obs ugiwa maszyn. Obecnie trwaj prace nad opracowaniem jeszcze innych algorytmów sterowania w uk adzie d ojstik dotykowy serwonap d elektrohydrauliczny oraz poszukiwane s kolejne mo liwo ci zastosowania d ojstików dotykowych np. w uk adach do wykrywania podziemnych linii energetycznych lub rur kanalizacyjnych podczas pracy kopark. Praca naukowa finansowana ze rodków na nauk w latach jako projekt badawczy pt. "Zastosowanie metod sztucznej inteligencji do nadzorowania pracy urz dze mechatronicznych z nap dami elektrohydraulicznymi sterowanymi bezprzewodowo" 72 Pomiary Automatyka Robotyka 2/211

10 BIBLIOGRAFIA 1. Pawe Bachman, Zastosowanie cieczy MR w d ojstikach typu "haptic", Ciecze elektroi magnetoreologiczne oraz ich zastosowania w technice, Pozna, Andrzej Milecki, Pawe Bachman, Konstrukcja i badania urz dze zadaj cych i dotykowych z cieczami magnetoreologicznymi i z si owym sprz eniem zwrotnym podsumowanie projektu badawczego, Wspó czesne problemy techniki, zarz dzania i edukacji, Zielona Góra, Andrzej Milecki, Pawe Bachman, Marcin Chciuk, Wykrywanie kolizji w teleoperatorze z interfejsem dotykowym i systemem wizyjnym, Pomiary, Automatyka, Robotyka, nr 2, Piotr Gaw owicz, Marcin Chciuk, Pawe Bachman, Algorytmy sterowania nap dem elektrohydraulicznym przy pomocy wahad owego d ojstika dotykowego z ciecz MR w uk adzie z si owym sprz eniem zwrotnym, Pomiary, Automatyka, Robotyka, nr 2, 29.. Pawe Bachman, Andrzej Milecki, MR haptic joystick in control of virtual servo drive, Journal of Physics: Conference Series, Vol. 149, Piotr Gaw owicz, Marcin Chciuk, Pawe Bachman, Robot sterowany trzyosiowym d ojstikiem dotykowym z ciecz magnetoreologiczn, Pomiary, Automatyka, Robotyka, nr 2, Pawe Bachman, Si owe sprz enie zwrotne w hydraulice, Hydraulika i Pneumatyka, nr 2, Pawe Bachman, Sterowanie nap dem elektrycznym za pomoc d ojstika dotykowego z ciecz magnetoreologiczn, Zeszyty Naukowe Politechniki Pozna skiej. Budowa Maszyn i Zarz dzanie Produkcj, Pozna 28, nr 8. 2/211 Pomiary Automatyka Robotyka 73