CYFROWE MODELOWANIE ROBOTA Z NAPĘDEM GĄSIENICOWYM

Transkrypt

1 MODELOWANIE INŻYNIERSKIE ISSN X 43, s , Gliwice 2012 CYFROWE MODELOWANIE ROBOTA Z NAPĘDEM GĄSIENICOWYM JÓZEF GIERGIEL, KRZYSZTOF KURC Katedra Mechaniki Stosowanej i Robotyki, Politechnika Rzeszowska bartek@prz.edu.pl, kkurc@ prz.edu.pl Streszczenie. W artykule przedstawiono zagadnienie związane z modelowaniem cyfrowym mobilnego robota z napędem gąsienicowym. Nowoczesne oprogramowanie CAD/CAE oferuje spójny i elastyczny zestaw modułów do trójwymiarowego projektowania mechanicznego, symulacji, tworzenia narzędzi oraz wymiany informacji projektowej, które pomagają odnieść korzyści z procesu cyfrowego prototypowania przy niedużych nakładach finansowych, pozwalając na projektowanie i budowanie lepszych produktów w krótszym czasie. Model CAD/CAE jest precyzyjnym prototypem cyfrowym, pozwalającym użytkownikom sprawdzić projekt i jego parametry w czasie działania, minimalizując konieczność budowania prototypów fizycznych. Testowanie charakterystyk pracy urządzenia, jeszcze zanim zostanie zbudowane, zwykle wymaga zatrudnienia kosztownych konsultantów. Oprogramowanie CAD/CAE powinno zawierać łatwy do użycia i ściśle zintegrowany moduł do symulacji dynamicznej oraz analizy wytrzymałościowej, pozwalając każdemu na zoptymalizowanie i przetestowanie prototypu cyfrowego, aby przewidzieć to, jak urządzenie będzie pracować w warunkach rzeczywistych, zanim jakakolwiek jego część zostanie wyprodukowana. 1. ZAŁOŻENIA KONSTRUKCYJNE I MANEWROWE Podstawową funkcją projektowanego robota gąsienicowego jest możliwość przemieszczania się w cieczy, przykładowo w basenie i w rurach o przekroju kołowym (średnica od 200mm) i prostokątnym (min. wymiar 200mm) zamocowanych poziomo. Poprzez swoją konstrukcję robot będzie mógł być adaptowany przede wszystkim do inspekcji rur o przekroju kołowym i prostokątnym oraz powierzchni płaskich, które mogą być nachylone pod katem 20 o. Istotnym zagadnieniem jest autonomiczność poszczególnych modułów napędowych oraz ich adaptacyjność do środowiska, w którym zostaną użyte, możliwość szybkiego i łatwego zarówno montażu jak i demontażu poszczególnych segmentów. 2. WIRTUALNE PROTOTYPOWANIE KONSTRUKCJI ROBOTA Nowoczesne oprogramowanie CAD-CAE umożliwia zaprojektowanie i zasymulowanie w określonym środowisku (zbliżonym pod pewnymi względami do rzeczywistego) prawdopodobnych zachowań oraz reakcji na niektóre czynniki zewnętrzne [1-11]. Przedstawione rozwiązanie (rys.1) i (rys.2) pozwala na spełnienie założeń.

2 54 J. GIERGIEL, K. KURC Rys.1. Konfiguracja do jazdy po powierzchniach płaskich Koncepcja robota (rys.1), zaprojektowanego do jazdy po płaskim terenie, ma dwa moduły gąsienicowe ułożone rownolegle do siebie. Moduł główny przymocowany na stałe do gasienic za pomocą sztywnych ramion. Robot dzięki niezależnemu napędowi może samodzielnie skręcać dzięki różnicy prędkości modułów napędowych. Rys.2. Konfiguracja do jazdy w rurach poziomych Koncepcja robota (rys.2) zaprojektowanego do jazdy w rurach poziomych o przekroju kołowym od 200mm ma dwa moduły gąsienicowe przymocowane po obwodzie, pomiędzy którymi jest kąt 120 stopni. Na rys. 3 przedstawiono model pojedynczego modułu gąsienicowego.

3 CYFROWE MODELOWANIE ROBOTA Z NAPĘDEM GĄSIENICOWYM 55 Rys.3. Model napędu gąsienicowego Przeniesienie momentu napędowego z silnika na główne koło napędowe realizowane jest przez system przekładni widocznych na rys. 4. Rys.4. Model zespołu przeniesienia napędu Moment napędowy przenoszony jest od silnika do koła głównego poprzez: przekładnię zębatą stożkową 1, dwie przekładnie planetarne 2, przekładnię zębatą czołową 3, wał łączący ostatnie koło zębate z kołem głównym DYNAMICZNE PROTOTYPOWANIE KONSTRUKCJI ROBOTA Dynamiczne prototypowanie, które zostało przeprowadzone w oprogramowaniu Autodesk Inventor, jest procesem tworzenia modelu cyfrowego mającego w jak najdokładniejszym

4 56 J. GIERGIEL, K. KURC stopniu odtworzyć badane właściwości projektowanego produktu ze szczególnym uwzględnieniem aspektu kinematyki i dynamiki obiektu. Pierwszy etap to zbudowanie modelu geometrycznego napędu oraz nadanie odpowiednich wiązań poszczególnym jego elementom. Proces ten wykonano w środowisku złożenia elementów. Po takim przygotowaniu modelu możliwe było przejście do kolejnego kroku, czyli określenia wiązań symulacji dynamicznej. Bezpośrednio po przeniesieniu modelu do modułu symulacji dynamicznej każda część ma zero stopni swobody i znajduje się w zakładce o nazwie Nieruchome (rys.5). W dużym uproszczeniu należy powiązać ze sobą elementy w sposób oddający rzeczywistość i elementy z zakładki o nazwie Nieruchome automatycznie zostaną przeniesione do zakładek o nazwach Grupy ruchome, Złącza standardowe, Złącza toczne i Obciążenia zewnętrzne (rys.5). Rys.5. Panel drzewa komponentów Wstępnie tak przygotowany model gotowy jest do przeprowadzenia symulacji dynamicznej. W tym celu zbudowano tor, po którym będzie poruszał się robot. Składa się on z trzech odcinków (rys.6): przejazd po płaszczyźnie poziomej, przejazd na wzniesienie, przejazd po płaszczyźnie poziomej. Rys.6. Tor testowania modelu cyfrowego Przykładowe zadanie możliwe do zrealizowania, to założenie prędkości kątowej kół napędzających gąsienice w celu wyznaczenia prędkości, przyspieszenia dowolnego punktu robota, czy też momentów napędowych na osiach silników. W symulacji dynamicznej wykonuje się to przez edycję wiązania obrotowego występującego pomiędzy wałem napędowym a obudową modułu gąsienicowego (rys.7).

5 CYFROWE MODELOWANIE ROBOTA Z NAPĘDEM GĄSIENICOWYM 57 Rys.7. Okno edycji wiązania Po wybraniu opcji narzucenia prędkości można określić ją jako stałą wartość lub jako dowolnie zadany przebieg (rys.8). Ruch robota składa się z trzech etapów: rozpędzania, poruszania się ze stałą prędkością i hamowania. Rys.8. Założony przebieg prędkości kątowej kół napędzających gąsienice Aby zbadać, jak porusza się wybrany punkt robota, a więc móc określić jego trajektorię, posłużono się poleceniem trace, będącym jedną z opcji narzędzia output grapher, służącego do zapisywania i wizualizacji przebiegów otrzymanych w wyniku symulacji (rys.9).

6 58 J. GIERGIEL, K. KURC Rys.9. Punkt śledzony poleceniem trace Dobierając czas zakończenia analizy dynamicznej, można przeprowadzić symulację ruchu robota w linii prostej lub ruchu wzdłuż bardziej złożonego toru związanego z wjazdem na pewną wysokość. Rys.10. Przebiegi przyspieszenia (a), prędkości (V) i przebytej drogi (s) punktu (rys.9) Rys.11. Uzyskana trajektoria w wyniku symulacji (rys.9) Moduł symulacji dynamicznej umożliwia zapisanie przebiegu badanych parametrów. W panelu znajdującym się po lewej stronie okna (rys.10) przykładowo można wybrać, które z parametrów ruchu mają zostać wyświetlone w postaci wykresu. Widoczna około 5s (rys.10)

7 CYFROWE MODELOWANIE ROBOTA Z NAPĘDEM GĄSIENICOWYM 59 zmiana prędkości i przyspieszenia wynika z zakłócenia parametrycznego, a mianowicie z przejazdu po płaszczyźnie poziomej na wzniesienie (rys.11). 4. PODSUMOWANIE Dynamiczne prototypowanie umożliwia projektantowi sprawdzenie efektywności działania tworzonego mechanizmu w rzeczywistych warunkach. Symulując działanie mechanizmów oraz napędzając zespoły, można sprawdzić, czy projektowane urządzenie działa poprawnie. Jest to nowy poziom prototypowania, pomagający projektantowi w przeanalizowaniu działania urządzenia bez potrzeby tworzenia fizycznego prototypu. Podczas dynamicznego działania urządzenia w pełnym cyklu operacyjnym można dobierać odpowiednie parametry silnika czy serwomotoru do utrzymania aktualnych obciążeń pracy, analizować pozycję, prędkości, przyspieszenia i obciążenia, jakim poddawany jest każdy komponent mechanizmu. Rozwiązania CAD/CAE wspomagają prace na każdym etapie projektowania i wytwarzania produktu. W znacznym stopniu przyspieszają i zarazem zmniejszają koszty od pomysłu do wykonania danego produktu. Mając już sprawnie działający wirtualny mechanizm, można przystąpić do etapu wydrukowania 3D gotowych podzespołów, stosując przykładowo jedną z metod rapid prototyping [1-11]. LITERATURA 1. Gawrysiak M.: Analiza systemowa urządzenia mechatronicznego. Białystok: Wyd. Pol. Białostockiej, Giergiel J., Buratowski T., Kurc K.: The mechatronic construction of the inspection mobile robot. Polish Journal of Environmental Studies 2009, Vol. 18, No. 4B, p Giergiel J., Trojnacki M.: Modeling and tracking control of wheeled mobile robots. Mechanics and Mechanical Engineering 2006, Vol. 10, No. 1, p Trojnacki M.: Badania symulacyjne i szybkie prototypowanie ruchu robota czteronożnego o strukturze ssaka. Przegląd Mechaniczny 2010, nr 1, s Giergiel J., Kurc K., Giergiel M.: Mechatroniczne projektowanie robotów inspekcyjnych. Monografia. Rzeszów: Ofic. Wyd. Pol. Rzesz, Kurc K.: Mechatronika w projektowaniu robota. Rzeszów: Ofic. Wyd. Pol. Rzesz., Mężyk A., Bachorz P.: Mechatronika w projektowaniu układów napędowych maszyn. Projektowanie mechatroniczne : zagadnienia wybrane. Praca zbiorowa pod red. T. Uhla. Radom: Wyd. Inst. Technologii Eksploatacji, 2005, s Mężyk A., Bachorz P.: Dynamic analysis of mechatronic system with ansynchronous motor. Engineering Mechanics 2005, Vol.12, No. 3, p Mężyk A., Świtoński E.: Selection of optimum dynamic features for mechatronic drive systems. Automation in Construction 2008, 17, p Marciniec A., Markowski T., Oleksy M., Budzik G., Cygnar M.: The geometrical precision of the silicone matrices to the manufacturing of the models of the gear. Archives of Foundry Engineering 2009, Vol. 9, Iss. 2, p Giergiel M., Małka P.: Mobile robot assigned for diagnostic and maintenance reservoirs with liquid. Modelling and Optimization of Physical Systems 2009, 8, p Gliwice 2009.

8 60 J. GIERGIEL, K. KURC DIGITAL MODELLING OF THE ROBOT WITH THE CRAWLER DRIVE Summary. In this paper the authors present the problems of digital modeling mobile robot with crawler drive. Modern CAD/CAE software provides a comprehensive and flexible set of module for 3D mechanical design, simulation, tooling creation, and design communication that help you cost-effectively take advantage of a Digital Prototyping workflow to design and build better products in less time. The CAD/CAE model is an accurate 3D digital prototype that enables you to validate the form, fit, and function of a design as you work, minimizing the need to test the design with physical prototypes. Traditionally, validating the operating characteristics of a design before it was built usually meant hiring expensive specialists. CAD/CAE software should contain easy-to-use and tightly integrated part and assembly-level motion simulation and stress analysis functionality. By simulating stress, deflection, and motion, you can optimize and validate your design under real-world conditions, before the product or part is ever built.