ZASTOSOWANIE LINIOWEGO DŻOJSTIKA DOTYKOWEGO Z CIECZĄ MR DO STEROWANIA SERWONAPĘDEM ELEKTROHYDRAULICZNYM W UKŁADZIE Z SIŁOWYM SPRZĘŻENIEM ZWROTNYM

Transkrypt

1 prof. dr hab. inż. Andrzej Milecki Politechnika Poznańska mgr Marcin Chciuk mgr inż. Paweł Bachman Uniwersytet Zielonogórski ZASTOSOWANIE LINIOWEGO DŻOJSTIKA DOTYKOWEGO Z CIECZĄ MR DO STEROWANIA SERWONAPĘDEM ELEKTROHYDRAULICZNYM W UKŁADZIE Z SIŁOWYM SPRZĘŻENIEM ZWROTNYM W artykule opisano układ sterowania serwonapędu elektrohydraulicznego z dodatkowym siłowym sprzężeniem zwrotnym. Przedstawiono budowę dotykowego dżojstika liniowego z cieczą magnetoreologiczną i zależność momentu hamującego od prądu. Końcowa część artykułu zawiera wyniki badań doświadczalnych procesu sterowania serwonapędem elektrohydraulicznym za pomocą dżojstika dotykowego z cieczą magnetoreologiczną przy pomocy trzech różnych algorytmów sterowania. USING LINEAR MOTION HAPTIC JOYSTICK WITH MAGNETHORHEOLOGICAL FLUID FOR CONTROL ELECTROHYDRAULIC DRIVE WITH FORCE FEEDBACK The article describes control system of electrohydraulic servo drive with additional force feedback. The structure of linear haptic joystick and the research of relation between force and current are presented. The last section forms results based on the research electrohydraulic servo drive s control system with magnetorheological haptic joystick by three different control algorithms. 1. Wstęp Podczas pracy ciężkim sprzętem budowlanym takim jak np. koparki często zdarza się, że na drodze ruchu elementów maszyny pojawiają się różnego rodzaju przeszkody, które mogą stać się przyczyną awarii lub same mogą zostać uszkodzone. Dlatego też maszyny te muszą dysponować dodatkowymi zabezpieczeniami, aby nie dopuścić do powstania zniszczeń [7]. Problemy związane z występowaniem przeszkód na drodze ruchu elementu wykonawczego maszyn budowlanych występują przy ręcznym sterowaniu manipulatorami za pomocą różnorodnych dźwigni, pedałów albo dżojstików. Przekazują one zwykle do urządzenia wykonawczego sygnał określający siłę albo prędkość ruchu. W przypadku ograniczonej widoczności operator nie uzyskuje żadnej informacji o kontakcie części roboczej urządzenia z przeszkodą. Problem ten może rozwiązać zastosowanie dżojstików z tzw. siłowym sprzężeniem zwrotnym, w których stosowane są elementy generujące siłę przeciwdziałającą sile działania operatora. Są to tzw. urządzenia dotykowe (ang. haptic device), które służą do przekazywania 1

2 F[N] bodźców dotykowych ze sterowanego obiektu do użytkownika. Bodźcem tym zazwyczaj jest siła, z jaką oddziaływuje na przeszkody urządzenie wykonawcze. Podobne badania były już prowadzone dla dżojstika wahadłowego, a ich rezultaty przedstawiono w publikacjach [,,,, 6, 8].. Budowa dżojstika liniowego Dżojstik używany do badań zbudowany był na bazie prowadnicy, po której poruszał się suwak z dźwignią. Na jednym z końców prowadnicy zamocowane było koło pasowe z potencjometrem pomiaru położenia, a na drugim hamulec magnetoreologiczny (MR) [1]. Ruchome elementy połączone były ze sobą za pomocą zębatego paska klinowego. W rękojeści dżojstika został zamontowany czujnik siły. Widok omawianego dżojstika przedstawiono na rys. 1. Czujnik siły (wewnątrz) Pomiar położenia Hamulec MR Pasek zębaty Rys. 1. Widok dżojstika liniowego Wykres przedstawiony na rys. pokazuje zależność siły na rękojeści dżojstika od prądu płynącego przez cewkę hamulca magnetoreologicznego. 1 1,,,6,8,1,1 I[A] Rys.. Zależność siły na dżojstiku od prądu hamulca MR

3 . Układ sterowania Układ sterowania został wykonany w pakiecie Matlab-Simulink. Składał się on z dwóch głównych torów sterujących oraz trzeciego pomiarowego (rys. ). I Pomiar przesunięcia dżojstika Wejście Pomiar przesunięcia siłownika Wejście + _ e Regulator Napięcie elektrozaworu hydraulicznego Wyjście II Pomiar siły siłownika Wejście Regulator Napięcie hamulca MR Wyjście III Pomiar siły dżojstika Wejście Pomiar siły Rys.. Schemat poglądowy układu sterująco-pomiarowego W torze I następuje sterowanie położeniem siłownika. Napięcia z potencjometru położenia dżojstika (-V) oraz z elektroniki indukcyjnego czujnika położenia siłownika (-1V) podawane są na wejścia karty. Następnie sygnały te po odpowiednim przeliczeniu trafiają na sumator, w którym powstaje uchyb regulacji e. Podawany jest on na regulator, a potem sygnał trafia na wyjście jako napięcie sterujące zaworu. W torze II odbywa się sterowanie hamulcem MR. Siła mierzona na siłowniku poprzez układy wzmacniaczy trafia na wejście, z którego po odpowiednim przeliczeniu (odjęciu wartości odpowiadającej oporom własnym obciążającego hamulca MR, bez podanego napięcia) trafia na regulator, a następnie na wyjście, jako napięcie cewki hamulca MR dżojstika. Tor III służył jedynie do pomiaru siły na dżojstiku. W badanym układzie sygnał siły z dżojstika podawany jest na wejście karty, a następnie przeliczany na odpowiednie jednostki (N). Wszystkie sygnały występujące w układzie tzn. położenie dżojstika i siłownika, siła na dżojstiku i siłowniku, napięcie zaworu oraz prąd hamulca MR dżojstika, rejestrowanie są w przestrzeni roboczej programu Matlab, a następnie eksportowane do plików Excela.. Elektroniczne układy pośredniczące Aby podłączyć dżojstik do karty wejść/wyjść komputera należało wykonać elektroniczne układy pośredniczące. Do podłączenia hamulca MR służy operacyjny wzmacniacz mocy opar-

4 ty na układzie OPA9. Schemat tego wzmacniacza przedstawiony jest na rys., a widok gotowej płytki na rys.. R 1 +1V _ 1,11 D 1 U IN P 1 + OPA 9 6, , D U OUT L +V -1V R1=1k ; P1=1k ; D1 D=1N8; L=Hamulec MR Rys.. Schemat ideowy wzmacniacza wysoprądowego Rys.. Widok płytki wzmacniacza wysoprądowego Układ pomiaru wychylenia dżojstika zbudowany jest w oparciu o wzmacniacz operacyjny OP7. Sygnał P IN1 jest to sygnał położenia potencjometru zamontowanego w dżojstiku, informujący o jego położeniu. Aby uniknąć konieczności precyzyjnego mechanicznego ustawiania potencjometru w dżojstiku zastosowano układ sumatora na wejściu nieodwracającym wzmacniacza operacyjnego. Przy pomocy potencjometru podłączonego do ujemnego zasilania można doregulować wartość zera dla skrajnego zerowego położenia dżojstika. Potencjometrem na ujemnym sprzężeniu zwrotnym można wyregulować napięcie dla maksymalnego wychylenia dżojstika. Schemat układu pokazany jest na rys. 6. P +V +1V R 1 P R US 1 IN1 OUT 1-1V R 7-1V 6 P 1 R 1 R =1k ; P 1 P =1k ; US 1 =OP7; Rys. 6. Schemat ideowy pomiaru wychylenia dżojstika Układ pomiaru siły na dżojstiku zbudowany jest w oparciu o pomiarowy wzmacniacz operacyjny INA18 (US 1 ). Na wzmacniaczu tym sygnał z mostka tensometrycznego PW6KRC- firmy HBM wzmacniany jest kilkadziesiąt razy. Wzmocnienie ustala się za pomocą potencjometru P 1. Następnie sygnał ten wzmacniany jest na kolejnym wzmacniaczu operacyjnym pracującym w układzie odwracającym fazę zbudowanym na niskoszumowym układzie OP7 (US ). Z wyjścia tego wzmacniacza sygnał trafia do wzmacniacza (US ) pracującego w układzie różnicowym, w którym przy pomocy potencjometru P można zerować sygnał siły.

5 Schemat tego układu przedstawiony jest na rys. 7, a widok gotowej płytki pomiaru siły i wychylenia na rys. 8. +V P1 1 +1V R T1 - Ω 7 8 US1 6-1V R1 +1V 7 6 US -1V +1V R -1V P R R R6 +1V 7 6 US -1V OUT1 US 1 =INA18; US US =OP7; T 1 =PW6KRC- R 1 =1kΩ; R R6=1k ; P 1 P =1k ; Rys. 7. Schemat ideowy pomiaru siły Rys. 8. Widok płytki pomiaru siły i wychylenia. Badania doświadczalne Pomiary zostały wykonane na stanowisku hydraulicznym wyposażonym w siłownik z zaworem proporcjonalnym oraz liniowy sterowalny hamulec magnetoreologiczny stanowiący obciążenie siłownika. Pomiędzy tłokiem siłownika i hamulcem MR zamontowano czujnik siły. Widok stanowiska pokazany jest na rys. 9. Siłownik hydrauliczny Indukcyjny pomiar położenia PC Dżojstik PC 1 Czujnik siły Rys. 9. Widok stanowiska pomiarowego Obciążenie regulowane Liniowy hamulec MR Pierwszy algorytm sterowania oparty był o regulator linearyzujący układ magnetoreologiczny hamulec obciążający-dżojstik. Na podstawie charakterystyk dżojstika i hamulca MR wyznaczono nieliniową funkcję, która pomijała opory własne obciążenia oraz rozkładała w sposób

6 Fd[N] liniowy przyrosty siły na dżojstiku w zależności od sił uzyskiwanych na siłowniku. Układ sterowania wykonany w programie Simulink przedstawiony jest na rys. 1. Położenie siłownika Adva ntech Położenie dżojstika 1 Gain Gain polsilo To Workspace 1 e poldzoj To Workspace Napięcie zaowru proporcjonalnego Gain 1 1 siladzoj butter napzawor Gain 11 Gain To Workspace Filter Design 1 siladzoj To Workspace 7 Siła z siłownika 1 u Abs Lookup Table Napięcie hamulca MR PCI [ a uto ] Clock time To Workspace 6-1 silasilo. 11 pradhmr Gain 7 To Workspace Gain 8 To Workspace Rys. 1. Układ sterowania wykonany w programie Simulink Na rys. 11 przedstawiona jest charakterystyka siły na dżojstiku F d w odpowiedzi na skok jednostkowy siły na siłowniku F s. F s=7kn F s=6kn F s=kn 1 1 F s=kn, 1 1,, - t[s] Rys. 11. Zlinearyzowana charakterystyka F d =f(t) dla różnych sił obciążenia Na rys. 1 przedstawiono przebiegi siły i położenia dżojstika i siłownika przy obciążeniu kn. 6

7 I II III F j 1 1 y j 1 1 t[s] Rys. 1. Przebiegi siły i położenia dżojstika i siłownika przy obciążeniu kn polozenie silownika (F j siła na dżojstiku; y j położenie dżojstika; F s siła na siłowniku; Gain To y s Workspace położenie 1 siłownika) Na rys. 1 linia oznaczona I informuje o początku ruchu siłownika. W czasie oznaczonym linią II siłownik zaczął pracować pod obciążeniem (załączenie Gain 1 napięcia na liniowy hamulec MR). Linią III oznaczono osiągnięcie pozycji skrajnej przez dżojstik. polozenie dzojstika W następnym algorytmie sterowania założono, że operator powinien dostać napzawor informację o zbliżaniu się do przeszkody jeszcze przed uderzeniem w nią. W tym celu na końcu tłoka zamon- To Workspace towano laserowy czujnik odległości, Gain którego zadaniem był pomiar odległości od przeszkody. Sygnał z PCI tego czujnika [ auto ] wprowadzono do komputera poprzez dodatkowe wejście i po odpowiednim przeliczeniu zsumowano poldzoj z sygnałem napięcia wychodzącym na hamulec MR dżojstika (rys. 1). Gain 1 To Workspace polsilo F s y s zawor 1 siladzoj Clock Odległość od przeszkody z czujnika laserowego -. Siła z siłownika 1 6. Constant u Abs Gain 6 Lookup Table 1 Constant Switch Napięcie hamulca MR - 1 silasilo Gain 7 To Workspace Rys. 1. Schemat układu sterowania hamulcem MR z dodatkowym czujnikiem odległości 7

8 Przebiegi sił siłownika i dżojstika widoczne są na rys. 1. Dodatkowo na tym wykresie naniesiona jest odległość tłoka od przeszkody (L). Linią pionową zaznaczony jest moment zderzenia siłownika z przeszkodą. I F d [N] 1 1 L [mm] 1 F s [kn], 1 1,,, t[s] 1 polsilo Rys. 1. Charakterystyki z układu sterowania hamulcem MR z dodatkowym czujnikiem odległości Gain To Workspace 1 zawor położenie siłownika Podczas badań zauważono, 1 że czasami zdarza się, że operator zbyt szybko przesuwa dźwignią, przez co napęd hydrauliczny Gain 1 nie nadąża Gain za 1 położeniem dżojstika. Zaprojektowano 1 więc taki układ PCI [ sterowania, auto ] w którym dżojstik będzie hamowany w momencie, PCI [ auto jeżeli ] uchyb regulacji e położenie (rys. dżojstika 1) przekroczy założoną wielkość. Schemat tego układu wykonany w programie Simulink przedstawia rys. 1. Na rys. 16a widoczne są przebiegi siły i położenia dżojstika i siłownika podczas sterowania Gain tą metodą. Rys. 16b pokazuje rozkład składowych Disp lay prądu płynącego PCI przez [ auto hamulec ] MR dżojstika z podziałem na część pochodzącą od uchybu (kolor czer- napzawor poldzoj wony) oraz z czujnika siły (niebieski). Gain To Workspace To Workspace e Napięcie dżojstika Siła z siłownika u Abs 1 Constant Switch 1 Gain 6 Saturation - K - nap HMR pradhmr u Gain 8 To Workspace 1 Abs Lookup Table - K - silahmr - 1 silasilo Gain 1 To Workspace 9 Gain 7 To Workspace Rys. 1. Schemat układu sterowania algorytmem z dodatkowym sprzężeniem od uchybu wykonany w programie Simulink 8

9 I[A] a) y d [mm] 1 1 y s [mm] F d [N] F s [kn], 1 1,, b),1,1 I uchyb [A],8,6,, I siła [A], 1 1,, t[s] Rys. 16. Przebiegi podczas sterowania algorytmem z dodatkowym sprzężeniem od uchybu: a) siła i położenie dżojstika i siłownika, b) rozkład składowych prądu hamulca MR w dżojstiku, Ruch szybszy, I d[a],,,,, I duchyb[a],1 I,1 dsiła[a],,,,6,8 1 1, 1, 1,6,,,,,,,,1,1, Ruch wolniejszy I duchyb[a] I d[a] I dsiła[a],,,6,8 1 1, 1, 1,6 t[s] Rys. 17. Porównanie prądów dżojstika dla różnych szybkości jego ruchu 9

10 Na rys. 17 porównano rozkład prądów pochodzących od uchybu i z czujnika siły dla dwóch różnych szybkości ruchu dżojstika. Widać na nim, że im szybszy ruch tym szersza jest część pochodząca od uchybu. 6. Wnioski Na podstawie przedstawionych w artykule badań można stwierdzić, że zastosowanie dżojstika dotykowego znacznie poszerza możliwości sterowania. Dzięki zastosowaniu różnych algorytmów sterowania operator za pomocą zmysłu dotyku może doświadczać dodatkowych wrażeń, a przez to w niektórych warunkach precyzyjniej i bezpieczniej obsługiwać maszynę. Obecnie trwają prace nad opracowaniem jeszcze innych algorytmów sterowania w układzie dżojstik dotykowy serwonapęd elektrohydrauliczny oraz poszukiwane są kolejne możliwości zastosowania dżojstików dotykowych np. w układach do wykrywania podziemnych linii energetycznych lub rur kanalizacyjnych podczas pracy koparką. Pracę wykonano w ramach projektu badawczego MNiSW p.t.: " Zastosowanie metod sztucznej inteligencji do nadzorowania pracy urządzeń mechatronicznych z napędami elektrohydraulicznymi sterowanymi bezprzewodowo" nr N N 677. Paweł Bachman jest stypendystą w ramach Poddziałania 8.. Regionalne Strategie Innowacji, Działania 8. Transfer wiedzy, Priorytetu VIII Regionalne Kadry Gospodarki Programu Operacyjnego Kapitał Ludzki współfinansowanego ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego Unii Europejskiej i z budżetu państwa. Literatura [1] Paweł Bachman, Zastosowanie cieczy MR w dżojstikach typu "haptic", Ciecze elektro- i magnetoreologiczne oraz ich zastosowania w technice, Poznań, 1. [] Andrzej Milecki, Paweł Bachman, Konstrukcja i badania urządzeń zadających i dotykowych z cieczami magnetoreologicznymi i z siłowym sprzężeniem zwrotnym - podsumowanie projektu badawczego, Współczesne problemy techniki, zarządzania i edukacji, Zielona Góra, 8. [] Andrzej Milecki, Paweł Bachman, Marcin Chciuk, Wykrywanie kolizji w teleoperatorze z interfejsem dotykowym i systemem wizyjnym, Pomiary, Automatyka, Robotyka, nr, 1. [] Piotr Gawłowicz, Marcin Chciuk, Paweł Bachman, Algorytmy sterowania napędem elektrohydraulicznym przy pomocy wahadłowego dżojstika dotykowego z cieczą MR w układzie z siłowym sprzężeniem zwrotnym, Pomiary, Automatyka, Robotyka, nr, 9. [] Paweł Bachman, Andrzej Milecki, MR haptic joystick in control of virtual servo drive, Journal of Physics : Conference Series, Vol. 19, 9. [6] Piotr Gawłowicz, Marcin Chciuk, Paweł Bachman, Robot sterowany trzyosiowym dżojstikiem dotykowym z cieczą magnetoreologiczną, Pomiary, Automatyka, Robotyka, nr, 9. [7] Paweł Bachman, Siłowe sprzężenie zwrotne w hydraulice, Hydraulika i Pneumatyka, nr, 9. [8] Paweł Bachman, Sterowanie napędem elektrycznym za pomocą dżojstika dotykowego z cieczą magnetoreologiczną, Zeszyty Naukowe Politechniki Poznańskiej. Budowa Maszyn i Zarządzanie Produkcją, Poznań 8, nr 8. 1