Wydanie pierwsze Printed in Poland

Transkrypt

1 WYBRANE PROBLEMY WSPÓŁCZESNEJ ROBOTYKI Cedro Leszek Doinik Ireneusz Giergie Mariusz Kaszuba Fiip Kurc Krzysztof Laik Krzysztof Pękaa Szyon Szybicki Dariusz Zwierzchowski Jarosław Poitechnika Świętokrzyska AGH w Krakowie AGH w Krakowie AGH w Krakowie Poitechnika Rzeszowska AGH w Krakowie AGH w Krakowie Poitechnika Rzeszowska Poitechnika Świętokrzyska Seria: Monografie Katedry Autoatyzacji Procesów AGH w Krakowie Kraków, 04

2 Opiniodawcy naukowi: prof. dr hab. inż. Janusz Kowa prof. dr hab. inż. Janusz Kwaśniewski dr hab. inż. Yurij Shaapko dr inż. Stanisław Faga dr inż. Andrzej Kot dr inż. Marcin Nawrocki dr inż. Marek Sibieak dr inż. Andrzej Sioa Redaktor erytoryczny: Redaktor techniczny : Projekt okładki: Druk: Stanisław Faga Stanisław Faga Jarosław Jagła Attyka ISBN: Wydawnictwo: Katedra Autoatyzacji Procesów Akadeia Górniczo Hutnicza w Krakowie Nieautoryzowane rozpowszechnianie całości ub fragentu niniejszej onografii w jakiejkowiek forie jest zabronione. Wykonywanie kopii etodą kserograficzną, fotograficzną, a także kopiowanie książki na nośniku fiowy, agnetyczny ub inny powoduje naruszenie praw autorskich niniejszej pubikacji. Monografia dostępna jest w forie papierowej i eektronicznej. Korzystanie z ateriału iustracyjnego zawartego w onografii wyaga każdorazowej zgody wydawcy nie dotyczy ateriału uzyskanego w raach wonego dostępu. Monografia zreaizowana częściowo w raach: grantu dziekańskiego WIMiR AGH w Krakowie , działaności statutowej KAP AGH w Krakowie , działaności badawczej Poitechniki Rzeszowskiej, działaności badawczej Poitechniki Świętokrzyskiej. Wszystkie występujące w tekście znaki towarowe i firowe są zastrzeżonyi znakai firowyi bądź towarowyi ich właściciei i wyieniono je jedynie w ceach inforacyjnych. Wydanie pierwsze 04 Printed in Poand

3 Spis treści Wprowadzenie Identyfikacja anipuatora z napęde eektryczny z zastosowanie fitrów różniczkujących i etody najniejszych kwadratów Fitry różniczkujące Mode ateatyczny anipuatora Badania syuacyjne odeu anipuatora Identyfikacja Identyfikacja a szuy poiarowe Podsuowanie... 9 Piśiennictwo Konstrukcja prototypu chwytaka kątowego zbudowanego z siłowników z paięcią kształtu..... Rozwiązania konstrukcyjne chwytaków Konstrukcje chwytaków z zastosowanie stopów z paięcią kształtu Sposoby sterowania chwytakai Rozwiązanie konstrukcji własnej Dobór czujnika poiaru odegłości Anaiza kineatyczna chwytaka Syuacja w prograie SAM Poiar przeieszczenia eeentu ruchoego siłownika i końcówki chwytnej 6.. Sterowanie położenie końcówek chwytaka Reguator PID Nastawy reguatora dobrane eksperyentanie Nastawy reguatora dobrane etodą Ziegera-Nichosa Reguator trójpołożeniowy Podsuowanie Piśiennictwo Zrobotyzowane czyszczenie zbiorników z cieczą Anaizowane rozwiązania Popa ssąca Popa zanurzeniowa Eżektor wodny Eżektor powietrzny Projekt robota Kineatyka układu przeniesienia napędu Układy eektroniczne, sensoryczne i sterowania Eksperyent Podsuowanie... 9

4 Piśiennictwo Zrobotyzowane stanowisko do przenoszenia eeentów kuistych rozieszczonych wg siatki prostokątnej o znany odue Funkcjonany opis systeu do przenoszenia eeentów Kounikacja robota z koputere Protokół kounikacyjny Sposób uporządkowania przestrzeni roboczej robota przeysłowego oraz agoryt prograu robota Zastosowany syste wizyjny Przeprowadzone testy systeu Podsuowanie i wnioski Piśiennictwo Wybrane zagadnienia konstrukcji teeanipuatora Przegąd robotów stosowanych w edycynie Składowe systeu teeanipuatora Struktura systeu teeanipuatora Budowa anipuatora Projekt CAD i MES prototypu raienia anipuatora Podsuowanie... 0 Piśiennictwo... 0 Notatki... 4

5 Wprowadzenie Monografia Wybrane probey współczesnej robotyki to pierwszy toe z serii Monografie Katedry Autoatyzacji Procesów AGH w Krakowie. W onografii, koejne rozdziały opisują zagadnienia związane z wybranyi probeai współczesnej robotyki. W rozdziae pierwszy przedstawiono przykład identyfikacji paraetrów anipuatora o trzech stopniach swobody. Zaodeowano anipuator napędzany sinikai prądu stałego w postaci trzech równań różniczkowych trzeciego rzędu. W identyfikacji wykorzystano opracowane fitry różniczkujące. Zastosowano etodę identyfikacji, która nie wyaga rozwiązywania układu równań różniczkowych tyko użycia zróżniczkowanych sygnałów. Zaprojektowano agoryt identyfikacji paraetrów odeu wykorzystujący etodę najniejszych kwadratów. Wyagany rząd użytych sygnałów zaeży od równań różniczkowych opisujących obiekt. Przeprowadzono również syuację opracowanego agorytu. Rozdział drugi pokazuje wykorzystanie ateriałów aktywnych, które znajdują coraz szersze zastosowanie w wieu dziedzinach techniki takich jak otnictwo, budownictwo, robotyka, czy urządzenia edyczne. Wypierają one również konwencjonane napędy, takie jak siniki eektryczne, siłowniki pneuatyczne ub hydrauiczne w konstrukcjach chwytaków. Spośród ateriałów inteigentnych interesującą grupę stanowią stopy z paięcią kształtu ang. Shape Meory Aoys, SMA. Charakteryzują się stosunkowo dużyi odkształceniai przy wysokiej wartości generowanych sił, jednak sterowanie takii eeentai ciąge sprawia wiee trudności. Główny cee badań była konstrukcja prototypu oraz zreaizowanie układu sterowania przeieszczenie chwytaka, w który wykorzystano siłowniki ze stopów SMA. Teat sterowania odkształcenie pojedynczych drutów SMA oraz własnych konstrukcji siłowników był w ostatnich atach wieokrotnie podejowany. Autorzy nie zetknęi się natoiast z pracą, w której zastosowano by siłownik dostępny na skaę przeysłową. Sterowany obiekte była konstrukcja chwytaka z dwoa antagonistycznyi siłownikai firy Miga Motors Copany. Do okreśenia przeieszczenia końcówki chwytnej wykorzystano podczerwony czujnik odbiciowy GPD0 firy Sharp. Zreaizowano sterowanie z wykorzystanie reguatora PID oraz reguatora typu przekaźnikowego trójpołożeniowego. 5

6 Rozdział trzeci poświęcono probeatyce inspekcji istniejącej i nowo budowanej infrastruktury wodnej oraz przesyłu ediów. W przypadku systeów zaopatrzenia w wodę pitną konieczna jest znajoość stanu takich eeentów jak zbiorniki, rury przesyłowe, systey fitrów itp. Obecnie dzięki rozwojowi robotyki cześć zadań związanych z inspekcją, oczyszczanie oraz oceną stanu ogą wykonywać zaawansowane roboty inspekcyjne. W rozdziae ty przedstawiono przegąd ożiwości i rozwiązań wyposażenia obinego robota w systey odsysania ułu, niewiekich cząstek stałych oraz innych zanieczyszczeń zaegających na dnie zbiorników z wodą. Wyposażenie robota w urządzenia usuwające niepożądane osady uożiwia skuteczne ich odsysanie bez opróżniana zbiornika z wody, eiinuje konieczność pracy udzi w środowisku wodny, ułatwia zapewnienie steryności istotnej w przypadku wody pitnej oraz przyczynia się do znacznego obniżenia kosztów. Ponieważ w zastosowaniu robotów przeysłowych coraz większą roę odgrywają systey autoatycznie zarządzające jego pracą rozdział czwarty poświęcono przykładowi zrobotyzowanego stanowiska do przenoszenia eeentów kuistych rozieszczonych wg siatki prostokątnej o znany odue. W ceu uożiwienia takiej autoatyzacji i w stosuje się systey wizyjne. W niniejszej pracy opisano robota przeysłowego zarządzanego przez oprograowanie działające na koputerze kasy PC. Inforacje na teat przestrzeni roboczej robota zbierane są na podstawie obrazu uzyskanego z kaery video. Główny zadanie robota jest wyszukanie przediotów na przygotowany do tego ceu stoe, a następnie przeniesienie ich we wskazane przez operatora iejsce. Głównyi cechai opracowanego systeu są: agoryty wyboru odpowiedniego przediotu do przeniesienia przez robota przeysłowego na podstawie kształtu i kooru; protokół kounikacji poiędzy robote, koputere i kaerą; opracowanie sposobu chwytania przediotu tak, aby powiększyć zakres pracy anipuatora. Opisany został również przyjazny da operatora interfejs użytkownika. Ponadto naeży zaznaczyć, że opracowany i opisany syste bazuje na bardzo tanich podzespołach. Zaproponowane w pracy agoryty zostały zaipeentowane w języku C++ PC i RAPID robot. Przedstawiono przykłady działania apikacji oraz zbadano wydajność systeu. Rozdział piąty onografii przedstawiona wybrane zagadnienia konstrukcji teeanipuatora edycznego. Ze wzgędu na bardzo dynaiczny rozwój specjaistycznej aparatury edycznej oraz rosnący odsetek operacji przeprowadzanych za poocą robotów i anipuatorów konieczny jest ciągły rozwój tej gałęzi nauki i przeysłu. W rozdziae oówiono zagadnienia dotyczące projektowania i pracy teeanipuatora kardiochirurgicznego w szczegóności etody definiowania sekwencji ruchu, transisji danych, układu sterowania oraz sprzężenia zwrotnego wykorzystującego tor wizyjny oraz biofeedback. Szczegółowo oówiono zasadę działania anipuatora zbudowanego z zachowanie zasady stałopunktowości. Przedstawiono również aktuany stan prac nad prototype anipuatora własnej konstrukcji. 6

7 . Identyfikacja anipuatora z napęde eektryczny z zastosowanie fitrów różniczkujących i etody najniejszych kwadratów W badaniach teoretycznych, syuacyjnych, anaizie ub syntezie, probe odeu obiektu odgrywa kuczową roę. Kryteriu wyboru odeu, stopień uproszczenia jak i ożiwość identyfikacji jego struktury i paraetrów ogą być różne w zaeżności od ceu badań. Modee nadiernie rozbudowane, poio ożiwości obiczeniowych w praktyce okazują się nieprzydatne. W przypadku strojenia reguatora, potrzebny jest ode uożiwiający szybką, prostą i praktyczną identyfikację. Da autotuningu reguatorów PID probe odeowania jest ściśe związany z ożiwością identyfikacji odeu [][]. Mode będzie bardziej użyteczny jeśi jego paraetry będzie ożna łatwo zidentyfikować. Podstawową trudnością w układach nieiniowych jest przedstawienie równań obiektu w postaci iniowej wzgęde paraetrów. W ceu wyznaczenia nieznanych paraetrów zastosujey kasyczną etodę najniejszych kwadratów []. Zastosowanie etody najniejszych kwadratów jest szczegónie proste jeżei identyfikowany ode ożna zapisać w postaci fory iniowej wzgęde poszukiwanych paraetrów. W ceu iustracji oawianych zagadnień przedstawiy przykład identyfikacji anipuatora napędzanego sinikai prądu stałego Rys... Użyta etoda identyfikacji wyaga posiadania inforacji o wartościach pochodnych po czasie sygnału wyjściowego i wejściowego []. Wyagany rząd pochodnych zaeży od rzędu równań różniczkowych opisujących obiekt. W rzeczywistości rzadko pochodne sygnałów ogą być uzyskane bezpośrednio. Zwyke uszą być wyznaczone na podstawie zarejestrowanego sygnału. Obecnie do identyfikacji i sterowania układów stosowane są wyłącznie techniki koputerowe. Oznacza to, że nie dysponujey zarejestrowanyi sygnałai anaogowyi, a jedynie ich próbkai uzyskanyi w jednakowych odstępach Leszek Cedro

8 czasu, zwany okrese próbkowania. Powstaje probe oszacowania pochodnych sygnałów jedynie na podstawie dostępnych próbek sygnału. Autor tej pubikacji proponuje więc zastosowanie zaprojektowanych fitrów FIR do wyznaczenia sygnałów odpowiedniego rzędu potrzebnych w procesie identyfikacji, które znacznie eiinują szuy poiarowe... Fitry różniczkujące W ty punkcie przedstawiono podejście projektowania fitrów różniczkujących odpowiedniego rzędu []. Przyjijy, zate że naszy cee jest opracowanie układów różniczkujących rzędu k o następujących transitancjach k j H k 0 da da g g. H k gdzie: okres próbkowania, [s]. Transitancję ożey traktować jako szeregowe połączenie ideanego członu różniczkującego i ideanego fitru donoprzepustowego o częstotiwości granicznej Rys... g Rys... Scheat bokowy fitru różniczkującego. Fitr donoprzepustowy będzie iał dwa zadania: po pierwsze ograniczenie wida sygnału i po drugie korekcję charakterystyki iorazu różnicowego w zakresie niskich częstotiwości. Datego fitr ten nazwano fitre donoprzepustowy korygujący. Żądana transitancja fitru donoprzepustowego jest następująca: H kork H 0 H k k da da gdzie: H k transitancja iorazu różnicowego. g g. Dzięki teu w zakresie niskich częstotiwości transitancja szeregowego połączenia iorazu różnicowego i fitru donoprzepustowego będzie równa transitancji ideanego fitru różniczkującego. Transitancja fitru donoprzepustowego da g jest równa 8

9 H kork H k / H k / sin / cos / sin sin k k k.. Odpowiedź ipusowa jest odwrotną transforatą Fouriera charakterystyki częstotiwościowej, czyi: h g kork n H kork g e j n d.4 Niestety, całka.4 nie oże być wyrażona za poocą funkcji anaitycznych. Z tego wzgędu wyznaczono ją w sposób przybiżony rozwijając funkcję w szereg Tayora w otoczeniu punktu gdzie: O 4 H kor k 0 otrzyay: 4 O 6 4 O 4 O 4 ałe wyższego rzędu. k k k H kork.5 Okazuje się, że przybiżenie z dokładnością do czterech pierwszych wyrazów rozwinięcia jest w zupełności wystarczające. Odwrotna transforata Fouriera funkcji powstałej z odrzucenia członów wyższych rzędów jest równa: h kork n cos g n g 6n 6n n sin n g n cos g n g n n n n g sin n g n cos n g g 4n 4n n g sin n g k k k..6 Przyjiey, że odpowiedź ipusowa fitru donoprzepustowego różniczkującego jest równa: gdzie: h n hkor k n W n.7 d k Harris k 9

10 W Harris n opisane równanie W Paraetr w punkcie aby: Harris k 0 k k okno Harrisa. n cos n / M 0.4cosn / M f f 0.0cosn / M f..8 dobieray tak, aby nachyenia charakterystyki otrzyanego fitru było takie sao, jak nachyenie ideanego układu różniczkującego, tzn. H d k Hk 0 k! j k Własności fitru zaeżą od szerokości fitru kształtu okna oraz rzędu fitru k. k..9 M f, częstotiwości granicznej g,.. Mode ateatyczny anipuatora W koejnych punktach rozwiązano następujące zagadnienia. Wyprowadzono równania da siników prądu stałego, zdefiniowano energię kinetyczną i potencjaną układu, a następnie na podstawie równań Lagrange a II rodzaju wyznaczono w sposób syboiczny równania dynaiki robota. Rys... Manipuator z napęde eektryczny. 0

11 Wprowadźy następujące oznaczenia: niech [ ] oznacza wektor ziennych przegubowych pełniących roę współrzędnych uogónionych, - długość raienia, c j - odegłość od środka ciężkości a S j j - sinik członu - oznacza asę, Na podstawie typowych scheatów zastępczych siników prądu stałego dostępnych w iteraturze [5], oraz drugiego prawa Kirchoffa, równanie eektryczne sinika ożna napisać w postaci: gdzie: U z j U z j U R j U L j E e j, da j,, napięcie zasiające wirnik, [V]. j. j.0 Ponieważ przy sterowaniu w układzie otwarty pojawiają się trudności z utrzyanie obiektu pod kontroą, datego identyfikację będziey prowadzić w układzie zaknięty z odpowiednio dobranyi reguatorai PD. Przyjiey, że równania reguatorów ają postać: gdzie: K p j K d j t z j U z j K p j t t K t z j paraetry reguatorów, paraetry reguatorów, sygnały zadane, [rad] j d j j,. j t zienne opisujące położenie raion anipuatora, [rad]. Spadek napięcia na rezystancji uzwojeń i indukcyjności wirnika wynosi odpowiednio: U R j R w j i w j t,. gdzie: R w j U L j diw t L j j, dt rezystancja zastępcza uzwojeń wirnika, [ Ω ]. L j i w j indukcyjność zastępcza uzwojeń wirnika, [H] prąd płynący w uzwojeniach wirnika, [A]. Siła eektrootoryczna indukcji jest równa E e j ke j t,.4 j gdzie: k stała eektrootoryczna, [Vs/rad]. e j Podstawiając koejne składowe do równania.0 otrzyujey:

12 ] [ t K t t K t k t i R dt t di L j d j z p j e w w w j j j j j j j j, da,, j.5 Moent obrotowy wirnika wynosi: t i k M j j j w s,.6 gdzie: k j stała echaniczna, [N/A]. Zdefiniujy energię kinetyczną i potencjaną anipuatora. Zachodzą następujące związki geoetryczne: cos cos t t x c c, cos cos cos cos t t t t t x c c, sin cos t t y c c, sin cos sin cos t t t t t y c c, sin t z c c, sin sin t t t z c c..7 Prędkości środka ciężkości drugiego i trzeciego raienia anipuatora są równe:, c c c z y x v. c c c z y x v.8 Zate energia kinetyczna układu wynosi: E E E E t J E c, t J v E c, t J v E c, j j cj J, j c j,.9 gdzie: cj J oenty bezwładności raion robota przyjęte jak da jednoitej beki, [kg ].

13 Energia potencjana układu jest równa: U U U U c U g, sin t g U c, sin sin t t t g U c,.0 gdzie: g przyspieszenie zieskie, [/s ]. Wykorzystując wyrażenia na energię kinetyczną i potencjaną otrzyujey trzy równania Lagrange a drugiego rodzaju: s j j j j M U E E dt d, da,, j.. Po podstawieniu wszystkich ziennych i uproszczeniu otrzyujey układ trzech równań gdzie: t j j, t j j, t j j, t j j : cos cos cos cos 4 sin cos cos sin 4 sin sin 4 cos cos 4 sin 4 sin sin 4 cos cos cos sin cos cos cos 4 cos cos sin cos cos 4 sin 4 sin sin 4 cos cos cos 8 cos 4 4 z e U L L L L R L R L k k L L R k.

14 4 4 cos sin sin 6 4 sin sin 6 cos sin cos cos 6 cos cos cos cos cos sin cos cos cos sin 6 cos 6 z e U g L R g L R L L L R L R k k R g k sin cos 6 4 sin cos sin sin 6 4 cos sin 6 4 cos cos 6 sin 4 sin sin 4 6 cos cos cos 4 cos cos 4 sin 4 sin sin 4 z e U L L R R L gl L L L L L R L gl k k g L R R R R R gr L L L R k.. Badania syuacyjne odeu anipuatora W ty punkcie przedstawiono wyniki syuacji równań robota w układzie zaknięty z reguatorai PD Rys.., Rys..4. Wyniki syuacji wykorzystane zostaną w daszy ciągu jako dane do agorytu identyfikacji. Na wstępie definiujey sygnał zadany: ] [ z z z. Przyjujey, że sygnałe ty jest złożona funkcja skokowa z różny opóźnienie da każdego z raion dodatkowo przefitrowana przez fitr donoprzepustowy o częstotiwości granicznej ] /.05[ 0 s rad g. Ma to na ceu ograniczenie wida sygnału wejściowego [6].

15 Rys... Sygnały wejściowe U z, U z, U z. Rys..4. Sygnały wyjściowe,,. Na wykresie Rys.. i Rys..4 przedstawiono przebiegi ziennych w układzie zaknięty. Przebiegi te na pewno nie są satysfakcjonujące z punktu widzenia zadania reguacji. Naeży paiętać, że naszy cee jest wygenerowanie sygnałów pod kate ich daszego użycia w procesie identyfikacji. W taki przypadku bardziej jest ceowe takie dobranie sygnałów zadanych i paraetrów reguatora, aby otrzyane sygnały niosły dużo inforacji o własnościach obiektu. 5

16 6.4. Identyfikacja Mając ode obiektu. zapisany w postaci równań regresji iniowej., nieznane paraetry j ożey wyznaczyć stosując etodę najniejszych kwadratów. 9 sin cos 8 sin cos 9 sin cos 8 sin cos cos cos 0 cos 9 cos 8 cos cos 0 cos 7 cos 6 cos 5 cos 4 cos cos 4 cos cos cos cos 7 sin 6 sin 5 sin sin sin 0 sin 7 sin 6 sin 5 sin 4 sin cos sin cos U z 8sin 7sin 6sin 6 sin 5 sin 4 sin 7sin 6sin 5 8sin sin sin sin sin 0sin 7 sin sin cos cos cos 0 cos 9 4 cos 9 cos 5 cos 4 cos cos cos 0 cos 9 cos 8 cos cos U z.

17 cos cos 4 cos 5 cos 8 cos 9 cos 4 cos 5 6 cos 7 cos sin sin sin 0 sin cos 6 sin cos 7 sin cos 0 sin cos sin 8 9 sin U z Do wyznaczenia pochodnych sygnału wyjściowego Rys..4 zastosujey opracowane fitry różniczkujące z unorowaną częstotiwością kątową graniczną, równą [7], [8]. Odpowiada to częstotiwości sygnału anaogowego równej g 0. [ rad / s] f g [ Hz]. Oznaczy przez n jf k, j,,, n 0,,,, k,...,n oceny pochodnych sygnału j k uzyskane z próbek sygnału ierzonego przez zastosowanie fitrów różniczkujących odpowiedniego rzędu [9]. Oznaczy przez z wektora j przez zaianę ziennej j na jf k, ziennej j na jf j k na 0 jf k i oznaczy, ziennej jf jf j k U. Dzięki odpowiednieu ograniczeniu wida sygnału wyuszającego zachodzi k wektor powstały na jf k, ziennej 0 z j f k T j k k jf jf.4 Stąd otrzyujey oceny paraetrów: N j k T jf k jf k N ˆ j j jf k jf k k, j,,..5 Zastosowane pobudzenie obiektu zapewnia, że acierze kowariancyjne j pojawiające się w równaniu.5 są nieosobiwe. Macierze, te są nieosobiwe i dobrze uwarunkowane, co oznacza, że pobudzenie obiektu jest wystarczająco bogate. 7

18 .5. Identyfikacja a szuy poiarowe W ty punkcie zbaday, w jaki stopniu zastosowane fitry różniczkujące eiinują szuy poiarowe i błędy kwantyzacji. Sprawdziy jaki jest wpływ szuów poiarowych i błędów kwantyzacji na wynik procesu identyfikacji. Teoria przetwarzania sygnałów obejuje działania zierzające do wybrania ze zierzonego sygnału istotnych inforacji o przebiegu badanego zjawiska, a wyeiinowaniu inforacji zbędnych. Powszechnie wiadoo, że w sygnałach ierzonych występują składowe wynikające z zakłóceń. W naszy przypadku wartość szuu kwantyzacji jest ściśe związana z iczbą bitów przetwornika AC [0][]. Całkowitą wartość szuu poiarowego okreśiy przez suę szuu osowego i szuu kwantyzacji. Używając tej saej etody identyfikacji i opracowanych fitrów da sygnału obarczonego szue i przetwornika n -bitowego otrzyano następujące oceny paraetrów n=4 ˆ [ , , , , , , , , , , , , , , , , ,.9946, , , , 0.990], ˆ n=6 [ , , , 0.007, , , , , , , , , , , , 0.007, ,.9995, , , , ], ˆ n=8 [ , , , , , , , , , , 0.058, , , , , , ,.000, , , 0.005, ], ˆ bez szuów [ , , , , , , , , , , 0.0, , , , , , ,.000, , , , ] i rzeczywiste [ , , , , , , , , , , , , , , , , ,, , , , ]. Porównując otrzyane wyniki ożey stwierdzić iż fitry różniczkujące w znaczny stopniu eiinują szuy poiarowe a wyznaczone paraetry w procesie identyfikacji są biskie rzeczywisty. Stosując opracowane fitry w etodach identyfikacji otrzyujey również dobrze wyznaczone paraetry w przypadku gdy kwantyzacja jest na pozioie kart 6 bitowych. Rys..5 pokazuje porównanie pozycji zidentyfikowanego odeu i odeu rzeczywistego. Z porównania jasno wynika, że otrzyane sygnały bardzo dobrze pokrywają się. Niewiekie różnice poiędzy odpowiedzią odeu zidentyfikowanego i rzeczywistego pokazano poniżej Rys..6. 8

19 Rys..5. Położenie raion na podstawie zidentyfikowanego odeu i odeu rzeczywistego n=6. Rys..6. Różnica poiędzy poszczegónyi położeniai odeu rzeczywistego i zidentyfikowanego n=6..6. Podsuowanie W pracy przedstawiono przykład paraetryzacji i identyfikacji odeu anipuatora z napęde eektryczny. 9

20 Mode strukturany obiektu zapisano w postaci iniowej wzgęde nieznanych paraetrów. Pozwoiło to zastosować efektywną etodę identyfikacji wykorzystującą kryteriu najniejszych kwadratów. Wysoką zgodność zidentyfikowanych odei z odeai strukturanyi układów rzeczywistych uzyskano dzięki wykorzystaniu w identyfikacji opracowanych fitrów różniczkujących. Naeży jednak zauważyć, że uzyskanie poprawnych wyników zaeży od odpowiednich paraetrów fitracji zarówno sygnału wejściowego, jak i wyjściowego. Do zaet tej etody naeży zaiczyć szybkie nieiteracyjne rozwiązanie i ożiwą reaizację agorytu identyfikacji na bieżąco. Opracowane fitry różniczkujące ają charakter dono przepustowy. Dzięki czeu z sygnału użytecznego usuwają składowe o wyższych częstotiwościach jakii są szuy. Fitry różniczkujące z epszą dokładnością wyznaczają pochodne sygnałów niż proste etody różniczkowania, co odgrywa ważną roę w procesie identyfikacji. Poprawne działanie stwierdzono również w przypadku bardziej skopikowanych systeów i układów echanicznych o większej iczbie paraetrów. Piśiennictwo [] VÍTEČKOVÁ, M.; VÍTEČEK, A.; SMUTNÝ, L. Sipe PI and PID controers tuning for onotone sef-reguating pants. In: Preprints Proc. PID 00: IFAC Workshop on Digita Contro, Terrassa, Spain p [] WOS, Piotr; DINDORF, Ryszard. Adaptive Contro of the Eectro Hydrauic Servo Syste with Externa Disturbances. Asian Journa of Contro, 0, 5.4: [] GIERGIEL, J.; UHL, T. Identification of echanica systes. PWN, Warszawa, 990. [4] CEDRO, Leszek. Identification of an Eectricay Driven Manipuator Using the Differentia Fiters Input Error Method. Acta echanica et autoatica, 0, 6: -7. [5] KOWAL, J. Podstawy Autoatyki, to II. Uczeniane Wydawnictwa Naukowo- Dydaktyczne AGH, Kraków, 004. [6] NAWROCKA, Agata; KOT, Andrzej. Methods for EEG signa anaysis. In: Carpathian Contro Conference ICCC, 0 th Internationa. IEEE, 0. p [7] PINTELON, Rik; SCHOUKENS, Johan. Rea-tie integration and differentiation of anaog signas by eans of digita fitering. In: Instruentation and Measureent Technoogy Conference, 990. IMTC-90. Conference Record., 7th IEEE. IEEE, 990. p [8] LYONS, R. Introduction to digita signa processing. WKL, Warsaw, 000. [9] CEDRO, L. Identyfikacja anipuatora z napęde eektryczny. Przegąd Eektrotechniczny, 0, 88.9a: 08-. [0] NAWROCKA, Agata; KOT, Andrzej. Baance Patfor Mode Paraeter Identification. Soid State Phenoena, 0, 98: [] VALASEK, R., PAVLISKA, V., PERFILIEVA, I., & FARANA, R. Appication of Fuzzy Transfor for noise reduction in heicopter ode identification. In: Carpathian Contro Conference ICCC, 0 4th Internationa. IEEE, 0. p

21 . Konstrukcja prototypu chwytaka kątowego zbudowanego z siłowników z paięcią kształtu Materiały inteigentne znajdują coraz szersze zastosowanie w wieu dziedzinach techniki. Stosowane są.in. w otnictwie w układach redukcji drgań, w edycynie jako druty ortodontyczne, w sporcie jako tłuiki drgań, w technice jako piezo-zawory, w budownictwie do poiaru asy, w robotyce jako sztuczne ięśnie [8]. W konstrukcjach chwytaków konwencjonane napędy, takie jak siniki eektryczne, siłowniki pneuatyczne ub hydrauiczne są wypierane przez aktuatory wykonane z ateriałów inteigentnych. Wynika to z ich dobrych paraetrów przy niejszych gabarytach. Spośród ateriałów inteigentnych interesującą grupę stanowią stopy z paięcią kształtu ang. Shape Meory Aoys, SMA. Charakteryzują się stosunkowo dużyi odkształceniai przy wysokiej wartości generowanych sił, jednak sterowanie takii eeentai ciąge sprawia wiee trudności. W rozdziae przedstawiono reaizację układu sterowania przeieszczenie chwytaka, w który wykorzystano siłowniki ze stopów SMA. Teat sterowania odkształcenie pojedynczych drutów SMA oraz własnych konstrukcji siłowników był w ostatnich atach wieokrotnie podejowany. Autorzy nie zetknęi się natoiast z pracą, w której zastosowano by siłownik dostępny na skaę przeysłową... Rozwiązania konstrukcyjne chwytaków Chwytanie naeży do jednej z najbardziej eeentarnych czynności człowieka i zwierząt. Wynika to z faktu, że ręka człowieka stanowi jeden z najbardziej rozwiniętych chwytaków w przyrodzie [6]. Podstawowy zadanie urządzenia chwytnego jest pobranie anipuowanego obiektu, trzyanie obiektu w trakcie jego transportowania oraz uwonienie obiektu w iejscu doceowy [5][6][7]. Doinik I., Laik K., Kaszuba F.

22 Na poprawne uchwycenie przediotu ają wpływ różne czynniki. Naeżą do nich właściwości anipuowanego obiektu asa, położenie środka ciężkości, kształt, właściwości chwytaka np. sposób chwytania, niedokładność we wzajeny ustawieniu obiektu i chwytaka podczas uchwycenia, siły związane z przeieszczenie chwytaka przez aszynę anipuacyjną [7]. Ze wzgędu na bardzo wiee odiennych rozwiązań konstrukcyjnych chwytaków, przeprowadza się ich kasyfikację według różnych kryteriów. Ze wzgędu na sposób chwytania stosuje się podział na chwytaki siłowe i kształtowe. Chwytaki siłowe oddziałują na przediot siłai typu naprężającego abo przyciągającego. Chwytanie kształtowe poega na odebraniu anipuowaneu obiektowi potrzebnej iczby stopni swobody [7]. Podział ze wzgędu na budowę oże dotyczyć układu wykonawczego, układu przeniesienia napędu oraz układu napędowego. W układzie wykonawczy rozróżniay końcówki sztywne, sprężyste ub eastyczne, których daszy podział ożna przeprowadzić ze wzgędu na iość końcówek chwytnych np. dwupacowe, trójpacowe. Przeniesienie napędu oże się odbywać w sposób dźwigniowy, jarzowy, kinowy, zębaty i łańcuchowy abo ze wzgędu na sposób przeieszczania się końcówek chwytnych: nożycowy, szczypcowy, iadłowy. Pozostałe kryteria kasyfikacji to podział ze wzgędu na paraetry użytkowe siła chwytu, wyiary obiektu, czas uchwycenia, wyposażenie dodatkowe czujniki, echanizy poocnicze, urządzenia technoogiczne oraz syste zaocowania ręczny ub autoatyczny [6]. Obecnie najczęściej spotykany napęde stosowany w chwytakach jest napęd pneuatyczny. Wynika to z zaet tego napędu: dobrej charakterystyki asowogabarytowej, prostej konstrukcji zespołów wykonawczych oraz dużej szybkości działania. Za najistotniejsze wady tego napędu uważa się trudność w sterowaniu położenie i prędkością przeieszczenia końcówek chwytnych. Jednak w przypadku reaizacji prostych zadań zacisku końcówek chwytnych, ożiwości tego napędu są wystarczające. Chwytaki o napędzie eektryczny posiadają ożiwość sterowania siłą chwytu oraz prędkością ruchu końcówek chwytnych. Dodatkowo zastosowanie tego typu chwytaków w robotach anipuacyjnych, w których przeważa zastosowanie napędów eektrycznych pozwaa na łatwiejszą wyianę chwytaków, uproszczenie układu sterowania, ujednoicenie typu napędu oraz podwyższenie niezawodności. Jednak, aby tego typu napędy ogły być stosowane powszechnie w chwytakach, uszą spełniać dwa podstawowe wyagania: dużą redukcję prędkości przy zastosowaniu odpowiednich przekładni oraz utrzyanie siły chwytu przy odłączony napędzie ub zasianiu [6].... Konstrukcje chwytaków z zastosowanie stopów z paięcią kształtu Na podstawie dokonanego przegądu ateriałów inteigentnych pod kąte konstrukcji chwytaków zauważono, że najczęściej wykorzystuje się stopy z paięcią kształtu oraz ateriały piezoeektryczne. Stopy z paięcią kształtu Shape Meory Aoys SMA charakteryzuje zdoność do ziany kształtu przy spełnieniu okreśonych warunków. Może ona nastąpić na skutek takich czynników jak teperatura, poe agnetyczne ub odciążenie wcześniej obciążonego ateriału. Odkształcenia osiągane w wyniku takiej przeiany są znaczące 8% da stopów

23 Ni-Ti i pozwaają na osiągnięcie dużych naprężeń do 800 MPa. Podstawową wadą tych ateriałów jest ała częstotiwość zian. Stopy etai z paięcią kształtu znaazły iczne zastosowania nie tyko w technice, ae również w edycynie. Stosowane są ta wyłącznie stopy Ni-Ti ze wzgędu na ich dużą biozgodność. Wykorzystuje się je.in. jako kary do łączenia złaań kości, czy fitry skrzepów. Pojawiają się również zastosowania SMA w narzędziach do chirurgii ałoinwazyjnej, np. w aparoskopii, jako eeent zapewniający stałą siłę uchwytu szczypiec [5]. Konstrukcja chwytaka aparoskopowego ze sterowanie siłą chwytu została przedstawiona w pracy Kianzad a et a. [0]. Przedstawione rozwiązanie składa się z dwóch wiązek drutów SMA Fexino ustawionych antagonistycznie w ceu sterowania otwieranie oraz zaykanie szczęk chwytaka. Wartość siły generowanej przez drut oże być nastawiana przez zianę napięcia przykładanego do cięgien ub poprzez zianę ich iości w poszczegónych wiązkach. Wartość siły chwytającej wyznaczono z zaeżności geoetrycznych jako funkcję różnicy sił antagonistycznych cięgien. Czujniki zostały uieszczone w tynej części chwytaka w ceu zniejszenia i uproszczenia konstrukcji saych szczypczyków. Poiar siły został zreaizowany przy poocy ogniw obciążnikowych przetworniki ierzonej siły działające w oparciu o czujniki tensoetryczne zaocowanych na końcach cięgien SMA. Położenie górnego członu echanizu zostało ierzone przy poocy czujnika przeieszczenia nieokreśonego w artykue. Sterowanie siłą zacisku szczęk zostało wykonane w oparciu o ode drugiego rzędu z reguatore PID. Da ceów porównawczych zostały wykonane dwa prototypy chwytaka o różnych gabarytach. Pozwoiło to stwierdzić znaczne skrócenie czasu otwarcia i zaknięcia szczęk da niejszego odeu chwytaka z drutai SMA o niejszej średnicy. Dodatkowo rozważano aspekt chłodzenia drutów z zastosowanie pasywnych i aktywnych etod. Mikrochwytak dwupaczasty o podatnych pacach z zastosowanyi drutai SMA jest teate pracy Chao-ChiehLan a et a. []. Cee autorów było zaprojektowanie ikrochwytaka o jak największy zakresie ruchu końcówek chwytnych. Zaykanie chwytaka odbywa się przez zastosowanie jednego drutu SMA Fexino o średnicy 00 µ na jeden paec chwytaka. Dzięki V-kształtneu uforowaniu drutu ożiwe było łatwe sterowanie zasianie w iejscu uocowania końcówek drutu. Poiar siły chwytu został przeprowadzony w oparciu o ierzenie rezystancji drutu SMA, co pozwoiło na wyznaczenie z zadowaającą dokładnością siły generowanej przez ten drut. Takie rozwiązanie pozwoiło na znaczące ograniczenie wiekości chwytaka, koszte dokładności poiaru. Do sterowania chwytakie został wykorzystany reguator PID z dostrajanie paraetrów przy poocy ogiki rozytej. Ze wzgędu na swoje właściwości stopy z paięcią kształtu znajdują zastosowanie w bioietycznych rozwiązaniach chwytaków. Przykłade oże być chwytak bazujący na echanizie chwytania odnóży stonogi [4]. Siłownik SMA został ta wykorzystany do odkształcenia złączy zginanych, które zapewniały odpowiedni ruch końcówek chwytnych. Oryginana konstrukcja chwytaka iała na ceu uchwycenie nierównych, szorstkich i zapyonych powierzchni przez ikroroboty. Struktura chwytaka została zaodeowana przy poocy pseudo-rigid body ode PRBM. Druty SMA są również wykorzystywane w chwytakach anipuujących obiektai rzędu ikroetrów. Wiee operacji w edycynie jak i w przeyśe np. produkcja ikro-

24 procesorów wyaga zastosowania takich chwytaków. Przykładowo w pracy Changa i Shiu [] została przedstawiona konstrukcja uożiwiająca uchwycenie pręta etaowego o średnicy 8 µ. Sterowanie siłą nacisku w ty chwytaku odbywało się w oparciu o syste wizyjny, który był ikroskop skierowany na końcówki chwytaka. Siła była wyznaczana poprzez odkształcenie bardziej podatnej końcówki chwytaka, której kąt ugięcia był odczytywany przez syste wizyjny przy poocy rozszerzonej statystyki okanych krawędzi Extended Regiona Edge Statistics - ERES. Następnie w pracy zostały porównane trzy rodzaje sterowania: przy poocy zwykłego reguatora PI, reguatora PI ze sprzężenie do przodu oraz reguatora rozytego PI. Najepsze wyniki otrzyano korzystając z tego ostatniego rozwiązania. Podjęto również próby zaprojektowania chwytaka napędzanego drutai SMA o większy zakresie chwytu od 0 do 00 []. W ceu zapewnienia odpowiedniego skrócenia, w proponowany rozwiązaniu zostały wykorzystane cztery przewody nitinoowe o średnicy 0,5 i długości 55,5. Konstrukcja uożiwiała chwytanie przediotów z siłai w przedziae od 4 N do 7 N. W pracy wykazano ożiwość zadawania położeń pośrednich chwytaka, poprzez zianę natężenia prądu od 0,7 A do, A da jednego przewodu Ni-Ti oraz poprzez sterowanie szerokością ipusu PWM. Wzrost dynaiki zaobserwowano przy zasianiu układu prąde przeienny, natoiast nawet niewiekie ziany teperatury otoczenia powodowały nieprzewidywane zachowania drutów SMA.... Sposoby sterowania chwytakai Probe sterowania chwytakai zaeży w dużej ierze od jego konstrukcji, zastosowanego napędu oraz rodzaju obiektu, który a zostać uchwycony. Opracowuje się etody specjanie przystosowane do stosowanych ateriałów inteigentnych [] [] [0] jak również etody ogóne stosowane niezaeżnie od rodzaju napędu chwytaka. Złożone konstrukcje anipuatorów przypoinających trąbę słonia ub raię ośiornicy, które dokonują uchwycenia obiektu przy poocy całego raienia, wyagają szczegónego podejścia przy projektowaniu układów sterowania []. Podejowane są próby sterowania ikrochwytakai wykorzystującyi specjanie wyhodowane ięśnie szkieetowe. Sterowanie odbywa się przy poocy eektroiografu obrazującego eektryczną aktywność ięśni [8]. Podczas chwytania obiektów w skai ikroskopowej, do sterowania wykorzystuje się wizyjne sprzężenie zwrotne. Rozwiązanie przedstawione w pracy Juan Zhang a et a. [7] opiera się na wykorzystaniu czterech ruchoych patfor oraz dwóch kaer z soczewkai ikroskopowyi. Chwytak podciśnieniowy przyocowany do jednej z patfor jest ustawiany wzgęde chwytanego obiektu pierścienia z wydrążonyi otworai przy poocy systeu wizyjnego. Proces ten składa się z trzech etapów. Najpierw kaery w pozycji pionowej i pozioej, przyocowane do patfor, są ustawiane wzgęde chwytaka. Następnie chwytany przediot jest ustawiany w odpowiedniej orientacji, wykorzystując obraz z kaery pozioej. Ostatecznie przy poocy obrazu z kaery zorientowanej pionowo chwytak jest odpowiednio ustawiany i zbiżany do przediotu chwytanego. W efekcie średni błąd położenia w kierunku osi X prostopade do chwytaka wyniósł 6,µ. 4

25 .. Rozwiązanie konstrukcji własnej Konstrukcję chwytaka zreaizowano z yśą o przyszłych rozwiązaniach edycznych, co wynika z prowadzonych w Katedrze Autoatyzacji Procesów AGH badań nad robote neurochirurgiczny do operacji stereotaktycznych ózgu w raach rządowego projektu badawczego. Konwencjonane napędy chwytaków nie zawsze są w stanie sprostać wyaganio edyczny, gdyż ogranicza je np. probe uzyskania dużych sił przy ałych asach własnych i gabarytach. Siniki eektryczne są generanie urządzeniai ciężkii i do uzyskania żądanej szybkości ruchu uszą być stosowane przekładnie, które zwiększają asę i obniżają sprawność. Z koei rozwiązania hydrauiczne i pneuatyczne aktuatorów są żejsze da tych saych ocy w porównaniu do siników. Niestety, wyagają one całego systeu pop, zaworów i przewodów do poprawnej pracy. Probee są także hałas i przecieki, które są dużą wadą systeów kasycznych. Dodatkowo jedny z probeów spotykanych podczas prób zastosowania robotów edycznych we współpracy z zaawansowanyi urządzeniai diagnostycznyi podczas operacji chirurgicznych są zakłócenia powodowane przez napędy chirurgicznych eeentów wykonawczych, w ty chwytaków. Generowane zakłócenia poprzez zastosowanie odpowiednich konstrukcji siłowników są ograniczane, ty nieniej ogą spowodować zniekształcenie odczytów edycznych, co oczywiście jest cechą niepożądaną. W związku z ty podjęto prace nad ożiwością zastosowania siłowników SMA ających certyfikat pozwaający na współpracę z urządzeniai edycznyi.in. z urządzenie do obrazowania rezonansu agnetycznego MRI. Cee projektu było zbudowanie prostego prototypu, który pozwoiłby ocenić ożiwości zastosowania siłowników SMA w konstrukcji chwytaka edycznego. Prostota konstrukcji iała na ceu ograniczenie asy i wyiarów chwytaka. Z drugiej strony zastosowano siłowniki SMA, których długość obudowy wynosi 80. Na ty pierwszy etapie badań nad prototype, pozwaa to na ograniczenie kosztów wykonania całej konstrukcji, ponieważ nie potrzeba wykonywać precyzyjnych iniaturowych eeentów, pozwaa natoiast sprawdzić saą ideę rozwiązania konstrukcji chwytaka. Wszystkie eeenty zostały wykonane ze stai nierdzewnej AISI 0 udział stopowy chrou 7-9%, niku 8-0%. Zreaizowane urządzenie składa się z obudowy złożonej z dwóch eeentów, iędzy któryi są uieszczone siłowniki. Ich zaocowanie bazuje na sie tarcia iędzy obudową siłownika a obudową konstrukcji. Obudowa jest sztywno przyocowana do podstawy przy poocy czterech śrub. Pozostała część konstrukcji składa się z dziewięciu eeentów, czterech parzystych i jednego nieparzystego. Kątownik, przyocowany do obudowy przy poocy dwóch śrub, pozwaa na zaocowanie koejnego eeentu, tzw. przedraienia, również dwoa śrubai. Koejny eeente jest łącznik, którego funkcją jest sztywne połączenie eeentu wysuwnego siłowników, każdego przy poocy jednej śruby. Ostatni człone jest raię chwytaka, połączone w sposób obrotowy z przedraienie i łącznikie. Wszystkie eeenty zostały połączone przy poocy śrub M, za wyjątkie łącznika, który ze wzgędu na roziar otworów w eeentach wysuwnych siłowników został utwierdzony śrubai M. Wszystkie przeguby zostały wykonane przy poocy śrub M, a w ceu zniejszenia tarcia zastosowano podkładki tefonowe. Konstrukcja została wstępnie zweryfikowana w prograach CAD i MES [].Konstrukcję chwytaka pokazują poniższe rysunki Rys.., Rys... 5

26 Rys... Mode chwytaka, będącego obiekte sterowania Rys... Zdjęcie chwytaka, będącego obiekte sterowania W wyżej opisanej konstrukcji zastosowano siłowniki firy Miga Motors Copany, ode DM05PH odpowiadający za wysuw i ode DM05PL reaizujący ich wsuw eeentu ruchoego. Zasada działania tych siłowników poega na połączeniu kiku drutów SMA, ułożonych równoege przy poocy płaskich eeentów Rys... Wypadkowy ruch eeentu ruchoego jest suą zian długości wszystkich drutów. Zakres przeieszczenia w obu siłownikach wynosi pół caa, a aksyana generowana siła 0 N. Aby uzyskać ruch eeentu ruchoego siłownika, naeży ogrzać drut SMA do teperatury wyższej od teperatury przeiany fazowej. 6

27 Rys... Zasada działania siłownika firy Miga Motors Copany opis patentowy [5] W ceu zaprojektowania i zreaizowania układu sterowania naeżało wybrać odpowiednią patforę sprzętową, która zapewniałaby stabiną pracę apikacji sterującej. Ze wzgędu na fakt, że zastosowane karty poiarowe firy Nationa Instruents są dedykowane pod środowisko LabVIEW, który charakteryzuje się prostotą tworzenia interfejsu użytkownika, zdecydowano się na stworzenie apikacji sterującej w ty właśnie prograie. Układ poiarowy został zreaizowany przy poocy czujnika odegłości oraz kart poiarowych doprowadzających sygnał do koputera. Do poiaru odegłości wybrano czujnik odbiciowy firy Sharp ode GPD0, działający w zakresie fa podczerwonych. Wyjście napięciowe czujnika jest odczytywane przez kartę wejściową firy Nationa Instruents ode NI 95 posiadającą cztery kanały anaogowe, zakres napięć wejściowych i rozdzieczość 6 bitów. Zasianie siłowników i ruch chwytaka jest zreaizowany przy poocy karty wyjściowej Nationa Instruents ode NI 96 cztery kanały anaogowe, zakres napięć wyjściowych i rozdzieczość 6 bitów oraz układu wzacniającego.... Dobór czujnika poiaru odegłości Czujnik, który oże być wykorzystany do sterowania przeieszczenie chwytaka, usi spełniać szereg wyagań. Czujnik taki powinien posiadać wyjście anaogowe, aby było ożiwe ciągłe odczytywanie odegłości punktu poiarowego od czujnika. To spowodowało odrzucenie czujników indukcyjnych, które zazwyczaj posiadają wyjścia dwustanowe. Dodatkowo poszukiwany czujnik powinien cechować się dużą dokładnością i w konsekwencji ały zakrese poiarowy. Tego wyagania nie spełniają czujniki utradźwiękowe. Ostatecznie ze wzgędu na aspekt ekonoiczny zdecydowano się na podczerwony czujnik odbiciowy GPD0 firy Sharp, dedykowany do robotów obinych. Wybrany ode posiada anaogowe wyjście napięciowe, zakres poiarowy od 4 do 0 c, zasianie stały napięcie 5 V Rys..4. 7

28 Rys..4. Podczerwony czujnik odbiciowy GPD0 firy Sharp Kaibracja i redukcja szuów czujników firy Sharp była teate wieokrotnie podejowany w szczegóności w apikacjach robotów obinych []. Tabea.. Wpływ pojeności kondensatora odsprzęgającego na szuy czujnika bez kondensatora kondensator 0 µf kondensator µf nr poiaru średnia odchy. stand. średnia odchy. stand. średnia odchy. stand. [V] [V] [V] [V] [V] [V],968 0,049,969 0,05,978 0,0,968 0,05,97 0,0,979 0,0,968 0,049,97 0,04,98 0,048 4,97 0,04,97 0,07,978 0,04 5,968 0,044,979 0,046,98 0,044 średnia,9684 0,0468,976 0,04,9794 0,08 Na początku okreśono wpływ kondensatora wpinanego równoege do zasiania czujnika na szuy poiarowe. Czujnik ustawiono na specjanie przygotowany statywie naprzeciwko białego ekranu ustawionego w stałej odegłości 6 c od czujnika. Następnie wykonano serie poiarów da podłączenia czujnika bez kondensatora, z kondensatore 0 µf wartość iniana okreśona na podstawie dokuentacji czujnika oraz µf. W każdej serii wykonano 5 poiarów po 000 próbek każdy. Da każdego poiaru obiczono wartość średnią oraz odchyenie standardowe, które obrazuje wiekość szuów czujnika. W Tabea. przedstawiono wyniki poiarów, z których wynika, że najniejsze szuy występują da kondensatora o pojeności µf. W ceu daszej redukcji szuów zdecydowano się na obiczenie wartości statystycznej z sygnału wyjściowego czujnika. Da ustawienia czujnika takiego jak w poprzednich poiarach z kondensatore odsprzęgający µf porównano odchyenie standardowe da pierwotnego sygnału oraz sygnałów powstałych z obiczenia średniej arytetycznej oraz ediany ze 00 ostatnich próbek sygnału wykorzystując odpowiednio narzędzia Mean Point By Point i Median Point By Point w prograie LabVIEW. Przeprowadzone poiary wykazały znaczny spadek szuów po obiczeniu wiekości statystycznych, przy czy bardziej korzystne okazało się obiczanie ediany. Wyniki zebrano w Tabea.. 8

29 Tabea.. Wpływ obiczanej wartości statystycznej na odchyenie standardowe sygnału wyjściowego czujnika Sygnał pierwotny Średnia arytetyczna Mediana Odchyenie standardowe 0,08 0,006 0,00 Do przeprowadzenia właściwej kaibracji przygotowano stanowisko poiarowe, którego budowę przedstawiono na poniższy rysunku. Rys..5. Scheat stanowiska poiarowego Napisano również apikację, której zadanie było zapisywanie wartości poiarów napięcia da zadanych odegłości czujnika od ekranu. Da każdego punktu poiarowego zostało odczytanych 5 koejnych próbek, da których została obiczona ediana. Pierwsza seria poiarów była wykonywana da odegłości czujnika od c do 0 c co c w ceu weryfikacji zaeżności napięcia od odegłości czujnika z charakterystyką podaną w dokuentacji czujnika []. Ponieważ czujnik a za zadanie ierzyć przeieszczenie końcówek chwytnych, których zakres ruchu wynosi poniżej c, ożna ograniczyć zakres poiarowy czujnika do przedziału o największej czułości. Zakres taki ożna zaobserwować da odegłości od 4 c do 8 c, da których następuje największy spadek napięcia. Na tej podstawie przyjęto drugą serię poiarów da odegłości czujnika od 4 c do 8 c co 0,5 c Rys..6. Da wykresu odegłości czujnika od napięcia wyjściowego ożna dopasować inię trendu w postaci wieoianowej na podstawie etody najniejszych kwadratów. Dobre odwzorowanie ożna uzyskać funkcją kwadratową daną wzore.. 9

30 . Tak otrzyana zaeżność pozwaa na przeiczanie w prosty sposób napięcia x[v] na odegłość ekranu od czujnika y[] Rys..7. Rys..6. Wykres zaeżności napięcia na wyjściu czujnika od odegłości czujnika od ekranu poiarowego da odegłości od 40 do 80 Rys..7. Wykres zaeżności odegłości czujnika od ekranu poiarowego od napięcia na wyjściu czujnika oraz dopasowanego wieoianu da odegłości od 40 do 80 0

31 ... Anaiza kineatyczna chwytaka W pierwszy etapie badań nad konstrukcją chwytaka wykonano uproszczoną anaizę kineatyczną, co pozwoiło na oszacowanie wiekości obiektów, jakie ogą być objęte przez chwytak. W związku z ty, że w konstrukcji chwytaka wykorzystano kika eeentów ze starszej konstrukcji chwytaka eektrycznego np. bekę poprzeczną ocowaną do eeentów ruchoych siłowników oraz dodatkowo wykonano kika eeentów profii echanizu zaciskowego w ceu poprawy współpracy z siłownikai SMA szczegółową anaizę kineatyczną przeprowadzono po wykonaniu konstrukcji. Da potrzeb pracy nie było konieczne wyznaczanie przyspieszeń, a obiczone funkcje prędkości traktowano drugorzędnie. Przeprowadzona anaiza siłowa pozwoiła na okreśenie wartości siły chwytającej, która się zienia od wartości 8 N da zakniętych szczęk chwytaka do,8 N da kąta odchyenia szczęk 6 od położenia zaknięcia jest to aksyany kąt obrotu końcówek chwytaka. Scheat kineatyczny chwytaka przedstawiono poniżej Rys..8. Rys..8. Scheat kineatyczny chwytaka Ze wzgędu na syetrię, wystarczy przeprowadzić anaizę tyko da jednego raienia. Do przeprowadzenia anaizy wykorzystano etodę wieoboku wektorowego. Dodatkowo złożony człon ożna zastąpić uproszczony człone, który ułatwi obiczenia, a nie wpłynie na ruch chwytaka.

32 Rys..9. Łańcuch kineatyczny raienia chwytaka zapisany w postaci wieoboku wektorowego równań: Da łańcucha kineatycznego pokazanego na Rys..9 otrzyano następujący układ {. Rozwiązując ten układ ze wzgędu na i otrzyujey:..4 które są funkcjai wysuwu eeentu ruchoego siłownika. Różniczkując układ. i.4i rozwiązując go ze wzgędu na i otrzyujey:.5.6 Obiczone wiekości pozwaają na wyznaczenie położenia i prędkości końcówki chwytnej, która została oznaczona jako punkt A i naeży do członu. W ceu zapisania układu równań składowych wektora wodzącego punktu A, naeży jeszcze okreśić zaeżność kąta od. Na podstawie Rys..0 ożna zapisać, że:

33 .7 gdzie:. Rys..0. Zaeżności kątowe w członie Wtedy położenie punktu A wynosi da osi x oraz y: {.8 Obiczając pierwszą pochodną równań układu.8 otrzyujey prędkości końcówki chwytaka..9 { Na podstawie powyższych równań ożna wyznaczyć charakterystyki ruchu końcówki chwytnej w zaeżności od wysunięcia eeentu ruchoego siłownika. Kąt przyjuje wartość, co jest równoznaczne z całkowity zaknięcie chwytaka, da długości członu. Ponieważ aksyany zakres ruchu eeentu ruchoego siłownika wynosi, przeprowadzono anaizę przeieszczenia od, da którego przeieszczenie, do, da przeieszczenia. Przeieszczenia końcówki chwytnej i, obiczono wzgęde położenia da chwytaka zakniętego..0. gdzie, a.

34 Otrzyaną charakterystykę przedstawiono poniżej Rys... Rys... Przeieszczenie końcówki chwytnej r AX w funkcji przeieszczenia eeentu ruchoego siłownika Da przyjętej prędkości wysuwu eeentu ruchoego siłownika ożey wyznaczyć charakterystyki prędkości, które ożna potraktować jako stosunek prędkości końcówki chwytnej do prędkości eeentu ruchoego siłownika. Rys... Prędkość końcówki chwytnej v AX w funkcji przeieszczenia eeentu ruchoego siłownika... Syuacja w prograie SAM 6.0 W ceu sprawdzenia poprawności obiczeń etodą anaityczną przeprowadzono syuację w prograie SAM 6.0. Zbudowano scheat raienia chwytaka Rys.., a na- 4

35 stępnie przeprowadzono anaizę da końcówki chwytnej Rys..4. Podobnie jak w anaizie kineatycznej przyjęto przeieszczenie eeentu ruchoego siłownika. Rys... Scheat raienia chwytaka w prograie SAM 6.0 Rys..4. Wykres przeieszczenia końcówki chwytnej w kierunkach x i y w funkcji przeieszczenia eeentu ruchoego siłownika wykonany w prograie SAM 6.0 5

36 ..4. Poiar przeieszczenia eeentu ruchoego siłownika i końcówki chwytnej Wykonano również poiary przeieszczenia eeentu ruchoego siłownika i końcówki chwytnej przy poocy czujnika GPD0, które iały na ceu sprawdzenie wpływu napięcia zasiającego siłowniki na te przeieszczenia. Dodatkowo zaierzano porównać charakterystyki wyznaczone teoretycznie i syuacyjnie z charakterystyką rzeczywistego obiektu. Dodatkowo takie poiary pozwoiłyby przetestować działanie czujnika zaocowanego na chwytaku oraz wpływ sygnału wyjściowego czujnika na nie prostoiniowy ruch ekranu. Poiar położenia końcówki chwytnej podczas ruchu wiąże się z ruche obrotowy ekranu zaocowanego na ty członie chwytaka. Uiejscowienie czujnika w osi chwytaka uożiwiło poiar przeieszczenia w kierunku osi x położenie. Zdecydowano się na poiar w ty kierunku ze wzgędu na większe przeieszczenia końcówki niż w kierunku osi y. Ze wzgędu na obrotowy ruch raienia chwytaka, konieczne było przeiczenie zierzonej wartości przeieszczenia na przeieszczenie końcówki chwytnej. Scheatyczne położenie czujnika podczas poiarów położenia eeentu ruchoego siłownika i końcówki chwytnej przedstawiono poniżej Rys..6. Rys..5. Scheat uiejscowienia czujnika podczas wykonywania poiarów na eeencie ruchoy siłownika, końcówki chwytnej. Na niebiesko zaznaczono czujnik, a na czerwono ekran poiarowy 6

37 Rys..7 przedstawia przeieszczenie ierzone oraz jego zaeżność od przeieszczenia końcówki chwytaka. Na podstawie znajoości przesunięcia czujnika wzgęde osi chwytaka z oraz wartości zierzonego przeieszczenia ożna wyznaczyć:...4 Rys..6. Scheat uiejscowienia czujnika podczas wykonywania poiarów na eeencie ruchoy siłownika, końcówki chwytnej. Na niebiesko zaznaczono czujnik, a na czerwono ekran poiarowy 7

38 Rys..7. Zaeżności geoetryczne podczas obiczania przeieszczenia końcówki chwytnej: x wartość ierzona, x, y przeieszczenia końcówki chwytnej, z odegłość czujnika od osi chwytaka, długość raienia, α kąt obrotu raienia Scheat układu eektronicznego wykorzystany do wykonywania poiarów scheat przedstawiono na Rys..8. Rys..8. Scheat układu zasiania i sterowania siłownikai SMA z poiare prądu przepływającego przez siłowniki, oraz czujnikie odegłości GPD0 8

39 Sygnał z czujnika był rejestrowany od oentu podania zasiania na odpowiedni siłownik, aż do zakończenia tego sygnału. Poiary wykonano zarówno da wsuwu jak i wysuwu eeentu ruchoego siłownika, da napięcia zasiającego od 6 V do 0 V, a następnie wykonano te sae poiary da końcówki chwytnej. Zarejestrowane przebiegi dotyczą siłowników w stanie rozgrzany, kiedy wzrasta ich zakres ruchu oraz szybkość działania.za położenie początkowe przeieszczenie przyjęto położenie da całkowitego zaknięcia chwytaka. Rys..9. Charakterystyka wsuwu eeentów ruchowych siłowników da różnych wartości napięcia Da eeentu ruchoego siłownika zaobserwowano aksyane przeieszczenie. Wysuwanie eeentów ruchowych siłowników następowało po całkowity zaknięciu chwytaka, natoiast wsuwanie po jego całkowity otwarciu. Położenie początkowe podczas wysuwu, wynoszące w przybiżeniu, wynika z ochłodzenia siłownika wsuwającego oraz rozgrzania siłownika wysuwającego. Po zakończeniu wsuwania i wyłączeniu napięcia zasiającego, siłownik wsuwający uega ochłodzeniu, co powoduje zniejszenie wywieranej przez niego siły. Staje się ona niejsza od siły wywieranej przez wyłączony siłownik wysuwający, chcący powrócić do stanu inianego swobodnego wsunięcia przy odłączony napięciu zasiający. Zjawisko to było znaczniej niej obserwowane podczas całkowitego otwierania chwytaka. Przyczyną tego było uszkodzenie siłownika wsuwającego, który zniejszył zakres wysuwu, ae w konsekwencji również siłę powodującą powrót do aksyanego swobodnego wysunięcia. Dokładna wartość położenia początkowego jest sinie uzaeżniona od teperatury, co powoduje trudności w powtarzany ustaaniu tej wartości. Dodatkowo zaobserwowano dużą nierównoierność ruchu eeentów ruchowych siłowników, przejawiającą się skokowością przebiegów. 9

40 Rys..0. Charakterystyka wysuwu eeentów ruchowych siłowników da różnych wartości napięcia Podczas poiaru przeieszczenia końcówki chwytnej wyznaczono aksyane przeieszczenie. Zaobserwowano podobne zjawisko jak podczas poiarów na eeencie ruchowy siłownika, skutkujące położenie początkowy podczas wysuwu oraz podczas wsuwu.. Rys... Charakterystyka wsuwu końcówki chwytnej da różnych wartości napięcia 40

41 Rys... Charakterystyka wysuwu końcówki chwytnej da różnych wartości napięcia Podczas wyznaczania charakterystyk przeieszczenia eeentów ruchowych siłowników i końcówki chwytaka okazało się, że da niższych wartości napięcia zasiającego niejszych niż 8 V nie zawsze zostało osiągnięte przeieszczenie aksyane. Poszczegóne przeieszczenia są sinie uzaeżnione od teperatury siłowników podczas ruchu chwytaka. Aby otrzyać wykres zaeżności przeieszczenia końcówki chwytnej od przeieszczenia eeentu ruchoego siłownika, zestawiono wyniki uzyskane da ruchu eeentu ruchoego siłownika z odpowiadający u ruche końcówki chwytnej. Otrzyane wyniki zestawiono z wynikai otrzyanyi etodą anaityczną Rys... Rys... Zestawienie wyników poiarów przeieszczenia w kierunku osi chwytaka z etodą anaityczną 4

42 Z powyższych wykresów widać podobny charakter przeieszczenia końcówki chwytnej da etod teoretycznych anaitycznej i syuacyjnej z etodą doświadczaną. Na niedokładność charakterystyk uzyskanych etodą eksperyentaną wpłynęły błędy poiaru odegłości oraz uzy w echanizie chwytaka. Dodatkową trudność stanowiło powtórzenie poiaru da końcówki chwytnej i eeentu ruchoego siłownika w tych saych warunkach. Największy wpływ iała teperatura siłowników decydująca o ich szybkość działania... Sterowanie położenie końcówek chwytaka Do sterowania położenie końcówek chwytaka wykorzystano dwa typy reguatorów: reguator PID oraz reguator trójpołożeniowy.... Reguator PID Pierwszy rodzaje sterowania, na które się zdecydowano, było sterowanie z wykorzystanie reguatora PID [6], ze wzgędu na prostą strukturę i wcześniejsze wykorzystanie go w podobnych apikacjach [],[],[0].Scheat układu sterowania zaprezentowano na Rys Rys..4. Scheat układu sterowania z reguatore PID Reguacja odbywała się przy poocy apikacji napisanej w prograie LabVIEW. Podczas każdego przejścia pęti głównej prograu, podczas włączonego trybu PID, były odczytywane pojedyncze próbki sygnału pochodzącego z czujnika oraz wartości natężenia prądu przepływającego przez siłowniki. Napięcie z czujnika było przeiczane na odegłość przy poocy wzoru uzyskanego podczas kaibracji.. Następnie zostało obiczone przesunięcie wynikające z obrotu raienia chwytaka na podstawie wzorów.,.,.4. Wyniki wraz z czase przejścia pęti oraz wartością zadaną przeieszczenia były 4

43 dopisywane do piku. Dodatkowo była zadawana wartość napięcia na siłowniki pochodząca z reguatora. Da dodatniej wartości sygnału sterującego napięcie zasiające było podawane na siłownik wysuwający, natoiast da ujenego sygnału sterującego na siłownik wsuwający. Sa reguator został wykonany jako SubVI w postaci ForuaNode. Aby zapobiec nadierneu wzrostowi sygnału związanego z całkowanie ang. windup effect, zastosowano odyfikację części całkującej. Agoryt wyznaczania sygnału sterującego jest następujący: oraz,, jeżei to oraz, 4 jeżei to oraz, 5 oraz, 6 powrót do punktu. Nastawy reguatora PID zostały dobrane eksperyentanie oraz na podstawie etody Ziegera-Nichosa. Ostania etoda bazowała na przyjęciu obiektu sterowania za obiekt inercyjny wyższego rzędu i zastąpienie go odee obiektu pierwszego rzędu z opóźnienie.6..6 Na podstawie charakterystyki czasowej obiektu da skokowego sygnału sterującego wyznaczono paraetry zastępczego odeu obiektu zgodnie z []. Rys..5. Charakterystyka skokowa inercyjnego obiektu reguacji [6] 4

44 Z wykresu, będącego odpowiedzią obiektu na sygnał skokowy 9 V da siłownika wsuwającego, odczytano: współczynnik wzocnienia, zastępczą stałą czasową, zastępczy czas opóźnienia τ. Rys..6. Odpowiedź skokowa układu... Nastawy reguatora dobrane eksperyentanie Przeprowadzono próby działania układu reguacji da różnych wartości paraetrów reguatora PID. Wybrane nastawy przedstawiono w Tabea., a odpowiadające i wyniki na wykresach na Rys..7. Tabea.. Nastawy reguatora dobrane eksperyentanie punkt pracy [] [V/] [s] [s] 6,5 0, 0,075 9, 0,85 44

45 Rys..7.Wyniki badań układu reguacji da przeieszczenia 9... Nastawy reguatora dobrane etodą Ziegera-Nichosa Do obiczenia nastaw wykorzystano zaeżności podane w iteraturze [6], przedstawione w Tabea.4, które po podstawieniu paraetrów obiektu zastępczego przyjują wartości podane w Tabea.5. Tabea.4. Nastawy reguatora PID wg Ziegera i Nichosa, fragent tabei wg [6] Reguator PID Reguator PID Tabea.5. Nastawy reguatorów wyznaczone da badanego obiektu Da tak wyznaczonych nastaw wykonano sterowanie da dwóch punktów pracy, z przeieszczeniai 6,5 i 9. 45

46 Rys..8. Wyniki badań układu reguacji da nastaw wg Ziegera-Nichosa da przeieszczenia 9 Podczas zbiżania się końcówki chwytaka do położenia zadanego zaobserwowano znaczny wzrost zakłóceń na czujniku. Następowało to podczas szybkiego, naprzeiennego zasiania siłowników, wynikającego z szybkich zian znaku uchybu. Mniejsza wartość zakłóceń, widoczna przy przeieszczeniu zadany 9 wynika z faktu, że przeieszczenie to znajduje się bisko aksyanego otwarcia siłownika, gdzie ruch powrotny następuje saoczynnie w wyniku stygnięcia siłownika wysuwającego. Datego do utrzyania tej pozycji wystarczające jest zasianie tyko jednego siłownika. Próbowano ograniczyć wpływ układu zasiającego siłowniki na czujnik przy zastosowaniu wtórnika napięciowego, jednak nie uzyskano epszych rezutatów. Może to być spowodowane fakte, że zakłócenia napięcia na czujniku rzędu 0,0 V powodują błędy w położeniu rzędu 0,. Dodatkowo szczyty widoczne na wykresie da przeieszczenia zadanego 9 ogą być spowodowane skokową charakterystyką przeieszczenia siłowników...4. Reguator trójpołożeniowy W oparciu o pracę [9] zastosowano reguator trójpołożeniowy typu przekaźnikowego. Scheat układu sterującego zaprezentowano poniżej Rys

47 Rys..9. Scheat układu sterowania z reguatore trójpołożeniowy Wartość sygnału sterującego jest stała da odpowiednich przedziałów uchybu ε, zgodnie z warunkai: Jeżei, to Jeżei, to Jeżei, to Gdzie uchyb, sygnał sterujący, dopuszczany błąd. Rys..0. Sterowanie reguatore trójpołożeniowy da przeieszczenia 9 oraz błędu Wartość 8 V oznacza podanie napięcia zasiającego na siłownik wysuwający, a -8 V na siłownik wsuwający. Zdecydowano się na wartość 8 V, aby zapobiec przegrzaniu siłowników podczas dłuższego sterowania. 47

48 Przykładowe wykres otrzyane da przeieszczenia 9 przedstawiono na rysunku Rys..0. Wyniki uzyskane przy poocy reguatora trójpołożeniowego są bardzo zbiżone do tych uzyskanych da reguatora PID. Na uwagę zasługuje fakt, że na wykresie da przeieszczenia zadanego 9 nie zaobserwowano przereguowań pojawiających się w anaogiczny wykresie da reguatora PID. Prawdopodobny wytłuaczenie oże być niejsza skokowość ruchu chwytaka da wyższych napięć zasiających. Ponieważ w reguatorze PID napięcie sterujące zienia się płynnie od wartości zerowej do aksyanej 8 V, to ruch oże być wywołany niższy napięcie niż stałe napięcie 8 V zadane w reguatorze trójpołożeniowy..4. Podsuowanie Cee projektu było stworzenie własnej konstrukcji chwytaka oraz sterowanie jego przeieszczenie. Uzyskane wyniki sterowania za poocą reguatora PID i trójpołożeniowego pozwoiły na reaizację tego ceu. Wyniki te są jednak obarczone zbyt duży błęde pozycjonowania, aby ożna było przejść do daszych etapów badań. Główne kopikacje były związane z nieiniowością obiektu sterowania, niedokładnością czujnika położenia, ałą sztywnością i duży tarcie i uzai w konstrukcji chwytaka oraz brakie ożiwości dokładnego poiaru teperatury. W wyniku anaizy dostępnych danych oraz na podstawie badań doświadczanych zdecydowano się na zaproponowanie udoskonaeń, które powinny poprawić jakość sterowania. Przy poocy czujnika GPD0, zastosowanego do poiaru odegłości, uzyskano dokładność, która jest dobra da czujników w ty przedziae cenowy oraz w zupełności wystarczająca w przypadku robotów obinych. Nie spełnia ona jednak wyagań niezbędnych do sprawnego działania układu sterowania posiadanego chwytaka. Ponadto duża podatność na zakłócenia układu zasiania czujnika powodowała trudności w jego odseparowaniu od reszty układu. Poprawa dokładności czujnika GPD0 etodai prograowyi oże być teate daszych prac. Jednak w związku z powyższyi trudnościai, da opracowywanej apikacji proponuje się zianę czujnika na czujnik przeysłowy posiadający znacznie większą dokładność, jednak dużo wyższą cenę i wyiary. Czujnikie spełniający takie wyagania jest czujnik aserowy firy Panasonic, ode HL-G0-A-C5. Posiada on wyjście anaogowe 0 0 V / 4 0 A, zakres poiarowy 0 ± 4, rozdzieczość 0.5 µ, zasianie napięcie stały 4 V DC. Zastosowanie powyższego czujnika wiąże się również z koniecznością odyfikacji układu zasiania. Chwytak będący obiekte sterowania, poio ciekawej koncepcji budowy charakteryzuje się niską sztywnością oraz tarcie w przegubach. Niska sztywność jest efekte zastosowania długich i wąskich płaskowników ze stai nierdzewnej. Ponadto eeent łączący końcówki eeentów ruchowych siłowników uega obrotowi podczas ruchów chwytaka do położeń krańcowych aksyany wsuw i wysuw. Wynika to z zastosowania po jednej śrubie ocującej eeent ruchowy siłownika do eeentu łączącego. Ze wzgędu na jego znaczną długość, nawet niewiekie przeieszczenie kątowe skutkuje istotny przeieszczenie końcówek chwytnych. Duże tarcie oraz uzy były spowodowane zastosowanie śrub jako eeentów łączących w przegubach. W istniejący rozwiązaniu ocniejsze dokręcenie śrub powodowało znaczące zwiększenie tarcia włącznie z zakinowanie echanizu, natoiast zbyt słabe dokręcenie skutkowało znacznyi uzai. Podjęto próby 48

49 poprawy istniejącego układu.in. poprzez zianę eeentów łączących w przegubach, nie uzyskano jednak zadowaającej poprawy. Datego też proponuje się zianę konstrukcji chwytaka na cechującą się większą sztywnością oraz niejszy tarcie i uzai, koszte nieznacznie większego skopikowania jego eeentów. Propozycję takiego rozwiązania wykonano w prograie Catia i zaprezentowano na Rys... Rys... Propozycja ziany konstrukcji chwytaka wykonana w prograie Catia [7] Podstawowa odyfikacja dotyczy ziany eeentu łączącego eeent ruchoy siłownika. Każde eeent ruchowy siłownika powinien być zaocowany przy poocy dwóch śrub, co zapobiegnie obracaniu tego eeentu. Dodatkowo pary kineatyczne kasy czwartej, łączące ten eeent z raionai chwytaka, zostały zastąpione dwoa obrotowyi parai kineatycznyi kasy piątej. Każdy z przegubów został zodyfikowany w taki sposób, aby pojedynczy płaskownik był uieszczony poiędzy dwoa płaskownikai. Uożiwi to sztywniejsze połączenie przy zachowaniu niskiego tarcia, poprzez np. ocniejsze dokręcenie śrub z tuejai dystansowyi i zastosowanie podkładek tefonowych. Proponowane rozwiązanie raze z aktuany rozwiązanie przegubu przedstawiono na Rys... Rys...Proponowana ziana połączenia w parach obrotowych: rozwiązanie nowe, rozwiązanie aktuane: człon pierwszy, człon drugi, śruba, 4 nakrętka, 5 podkładka, 6 podkładka tefonowa, 7 tueja dystansowa 49

50 Zaproponowane odyfikacje uożiwią w daszych pracach badawczych na zbudowanie precyzyjniej działającego chwytaka, o pozwoi na zastosowanie bardziej zaawansowanych agorytów sterowania, a w przyszłości doceowo być oże na szersze jego zastosowanie w praktyce edycznej. Piśiennictwo [] CHANG, Ren-Jung; SHIU, Chih-Cheng; CHENG, Chih-Yi. Sef-biased-SMA drive PU icrogripper with force sensing in visua servo. servo contro, 0,.5: 9-. [] LAN, Chao-Chieh; LIN, Che-Min; FAN, Chen-Hsien. A sef-sensing icrogripper odue with wide handing ranges. Mechatronics, IEEE/ASME Transactions on, 0, 6.: [] DOMINIK, Ireneusz; DWORNICKA, Renata. Construction and controing of the gripper for edica devices driven by shape eory aoy actuators. Zeszyty Naukowe Uniwersytetu Szczecińskiego. Ekonoiczne Probey Usług, 0, 06: [4] JUNG, Gwang-Pi; KOH, Je-Sung; CHO, Kyu-Jin. Meso-scae copiant gripper inspired by caterpiar's proeg. In: Robotics and Autoation ICRA, 0 IEEE Internationa Conference on. IEEE, 0. p [5] HONCZARENKO J., Roboty przeysłowe. Budowa i zastosowanie. Warszawa, Wydawnictwo Naukowo-Techniczne 004, rozdz. 8 [6] JĘDRZYKIEWICZ Z.,: Teoria sterowania układów jednowyiarowych. Wydanie drugie. Kraków, Wydawnictwo AGH 004 [7] ZHANG, Juan, et a. Aigning icro-gripper to ring object in high precision with icroscope vision. In: Coputer Science and Autoation Engineering CSAE, 0 IEEE Internationa Conference on. IEEE, 0. p. -7. [8] KABUMOTO, K., et a. Teeoperated usce-powered icro gripper controed by eectroyogra. In: Micro Eectro Mechanica Systes MEMS, 0 IEEE 4th Internationa Conference on. IEEE, 0. p [9] KASZUWARA W., Stopy z paięcią kształtu. Inżynieria Materiałowa. nr, 004, 6-64 [0] KIANZAD, Sohei; AMINI, Air; KARKOUTI, Sohei O. Force contro of aparoscopy grasper using antagonistic shape eory aoy. In: Bioedica Engineering MECBME, 0 st Midde East Conference on. IEEE, 0. p [] KRYS, Vácav, et a. Testing and Caibration of IR Proxiity Sensors. Acta Mechanica Sovaca, 008. [] LI, Jingin; XIAO, Jing. Deterining grasping configurations for a spatia continuu anipuator. In: Inteigent Robots and Systes IROS, 0 IEEE/RSJ Internationa Conference on. IEEE, 0. p

51 [] LUBIŃSKI M., Chwytak napędzany ateriałe z paięcią kształtu Ni-Ti. Poiary Autoatyka Kontroa. vo. 55, nr 9/009, [4] MacGREGOR R., Shape eory aoy actuators and contro ethods. USA Patent, 00. US 6,574,958. [5] MORAWIEC H., LELĄTKO J., GIGLA M., LEKSTON Z., GORYCZKA T., STRÓŻ D., Stopy etai wykazujące paięć kształtu i ich zastosowanie. Inżynieria Materiałowa. nr, 004, [6] MORECKI A., KNAPCZYK J., et a., Podstawy robotyki. Teoria i eeenty anipuatorów i robotów. Warszawa, Wydawnictwo Naukowo-Techniczne 99, 999, rozdz. 8 [7] OLSZEWSKI M., BARCZYK J., FALKOWSKI J. L., KOŚCIELNY W. J., Manipuatory i roboty przeysłowe. Autoatyczne aszyny anipuacyjne. Warszawa, Wydawnictwo Naukowo-Techniczne 985, rozdz. [8] SAPIŃSKA-WCISŁO M., Praca doktorska: Mechatroniczne człony wykonawcze z zastosowanie ateriałów inteigentnych. Kraków, Akadeia Górniczo- Hutnicza i. Stanisława Staszica, 006 [9] TROISFONTAINE, Ney; BIDAUD, Phiippe; MOREL, Guiaue. A new inter-phaangea actuator for dexterous icro-grippers. In: Robotics and Autoation, 997. Proceedings., 997 IEEE Internationa Conference on. IEEE, 997. p [0] WOJCIECHOWSKI S., Materiały inteigentne. Stan zagadnienia 00. Inżynieria Materiałowa. nr, 004, 59-6 [] Dokuentacja czujnika SHARP GPD0 [onine, dostęp.08.04], dostępny < 5

52 . Zrobotyzowane czyszczenie zbiorników z cieczą Probeatyka inspekcji istniejącej i nowo budowanej infrastruktury wodnej oraz przesyłu ediów odgrywa bardzo ważną roę da zapewnienia ciągłości funkcjonowania gospodarki. W przypadku systeów zaopatrzenia w wodę pitną konieczna jest znajoość stanu takich eeentów jak zbiorniki, rury przesyłowe, systey fitrów itp. Obecnie dzięki rozwojowi robotyki cześć zadań związanych z inspekcją, oczyszczanie oraz anaizą stanu ogą wykonywać zaawansowane roboty inspekcyjne. W rozdziae ty przedstawiono przegąd ożiwości i rozwiązań wyposażenia obinego robota w systey odsysania ułu, niewiekich cząstek stałych oraz innych zanieczyszczeń zegających na dnie zbiorników z wodą. Wyposażenie robota w urządzenia usuwające niepożądane osady uożiwia skuteczne ich odsysanie bez opróżniana zbiornika z wody, eiinuje konieczność pracy udzi w środowisku wodny, ułatwia zapewnienie steryności istotnej w przypadku wody pitnej oraz przyczynia się do znacznego obniżenia kosztów. Inspiracją budowy takiego robota były zbiorniki z woda pitną, ae rozwiązania są także aktuane da zbiorników z innyi cieczai. Infrastrukturę jaką brano pod uwagą to zbiorniki sztuczne, ae nic nie stoi na przeszkodzie żeby podejście zastosować do naturanych zbiorników pod warunkie, że charakter dna na to pozwoi... Anaizowane rozwiązania Spośród dostępnych etod odsysania ułu i cząstek stałych z dna zbiorników wodnych na szczegóną uwagę zasługują: Popa ssąca Rys.. uiejscowiona powyżej ustra wody, eastyczna rura łącząca popę z końcówką ssącą zaontowaną przed robote. Giergie M., Kurc K., Szybicki D.

53 Rys... Zrobotyzowane stanowisko z popą ssącą Popa zanurzeniowa Rys.. zaontowana na robocie wyagane jest zasianie popy, eastyczna rura odprowadzające wodę wraz z zanieczyszczeniai i końcówka ssąca. Rys... Zrobotyzowane stanowisko z popą zanurzeniową Eżektor wodny Rys.. popa podająca wodę pod ciśnienie do końcówki ssącej oraz eastyczna rura odprowadzająca zanieczyszczenia. Rys... Zrobotyzowane stanowisko z eżektore wodny 5

54 Eżektor powietrzny Rys..4 pneuatyczny sprężarka podająca powietrze pod wysoki ciśnienie do końcówki ssącej oraz eastyczna rura odprowadzająca zanieczyszczenia. Rys..4. Zrobotyzowane stanowisko z eżektore powietrzny... Popa ssąca Zasada pracy popy poega na wytwarzaniu podciśnienia. Ciśnienie atosferyczne wpycha wodę do rury opróżnionej z powietrza. Ponieważ ciśnienie atosferyczne w przybiżeniu jest równe ciśnieniu wywieraneu przez słup wody o wysokości 0, taka jest aksyana głębokość z której teoretycznie ożna zassać wodę. W praktyce wytworzenie przez popę całkowitej próżni jest nieożiwe, więc aksyana głębokość z której popa oże zassać wodę jest niejsza. Jeżei konieczne jest popowanie wody z większej głębokości, stosuje się popy położone biżej ustra wody ub nawet w niej zatapiane. Przykłady pop ssących spełniających postawione wyagania: Popa TrashLib z sinikie 5,5 KW Popy TrashLib Rys..5 odwodnieniowe wirnikowe, są wykorzystywane do przesyłania wody zanieczyszczonej zawierającej uł, piasek oraz ciała stałe []. Paraetry popy: Max. wydajność 00 /h, Max. wysokość ssania 9, Czas saozasysania 5 s, Max wiekość popowanych części stałych 8, Max. wysokość podnoszenia 8, Popy TrashLib ogą być zasiane sinikai spainowyi ub eektrycznyi o ocy od, kw do 7,5 kw. 54

55 Rys..5. Popa TrashLib [] Na rysunku Rys..6 przedstawiono zaeżność wydajności od wysokości podnoszenia da popy TrashLib. Rys..6. Zaeżność wydajności od wysokości podnoszenia da popy TrashLib [] W tabei Tabea. zebrano wyiary i asy pop TrashLib da wersji stacjonarnej, do ontażu sinika eektrycznego. Tabea.. Paraetry pop TrashLib [] Nazwa popy Długość [] Szerokość [] Wysokość [] Waga [kg] TrashLib TrashLib Popa zanurzeniowa Niezatykające się popy zanurzeniowe znajdują zastosowanie przy popowaniu wody, szau i ścieków oraz cieczy zawierających tłuszcze, piasek i inne cząstki stałe. Główne zastosowania: - popowanie cieczy ścierających, - w budownictwie, przeyśe i gospodarce ściekowej, 55

56 - popowanie ścieków, - popowanie cieczy z eeentai stałyi. Przykłady pop zanurzeniowych spełniających postawione wyagania: Zatapiana popa ściekowo-odwodnieniowa WQ -6-0,5 0V Jest to popa Rys..7 ściekowo-odwodnieniowa. Główne zastosowania: doy jedno i wieorodzinne, ronictwo, ogrodnictwo działki rekreacyjne, przedsiębiorstwa kounane, firy budowane, ścieki i zaane powierzchnie. Uożiwia popowanie brudnej wody, zanieczyszczonej z eeentai stałyi. Zasiana jest napięcie 0-400V. Korpus popy wykonany jest z żeiwa, auiniu ub stai, obudowa wirnika z żeiwa ub stai nierdzewnej []. Rys..7. Popa WQ -6-0,5 0V [] Na Rys..8 pokazano zaeżność wydajności od wysokości podnoszenia da popy WQ -6-0,5 0V. Rys..8. Zaeżność wydajności od wysokości podnoszenia da popy WQ -6-0,5 0V [] W tabei Tabea. zebrano podstawowe paraetry popy WQ -6-0,5 0V 56

57 Tabea.. Paraetry popy WQ -6-0,5 0V [] Moc sinika Wysokość podnoszenia Wydajność Maks. średnica zanieczyszczeń Waga Wyiary: średnica/wysokość 0,5 kw,4 A ax 6,5 ax 60 /in 5 7,5 kg 0/0 Rys..9. Popa TSURUMI LB [] Tabea.. Paraetry pop z serii TSURUMI LB [] Mode Średnica wyotu [] Moc [kw] Pobór prądu [A] H [] Wydajność [/in] Masa [kg] Max zanieczyszczenie [] LB ,48 6,/,9 0 0,4 6 LB-480A 50 0,48 6,/,9 0 6 LB ,75 6,6/5,0 5 0, 6 LB-800A 50 0,75 6,6/5,0 5 0,8 6 Rys..0. Scheat i wyiary popa TSURUMI LB [] 57

58 Zatapiana popa TSURUMI LB Jest to popa wykorzystywana do popowania wody zanieczyszczonej piaskie, żwire, pyłe itp. TSURUMI LB Rys..9 ogą być stosowane do odwadniania wykopów, rowów, studni, drenażu itp. Jej największą zaetą jest niewiekie wyiary, duża wydajność i trwałość. Jest to popa bez żadnych specjanych wyagań instaacyjnych []. Woda popowana przepływa iędzy obudową zewnętrzna i sinikie chłodząc go. W Tabea. zebrano najważniejsze paraetry pop z serii TSURUMI LB. Na rysunku Rys..0 przedstawiono scheat i wyiary pop z serii TSURUMI LB.... Eżektor wodny Eżektor jest to podwodny odkurzacz zaciągający ząconą wodę, piasek, uł i inne osady denne. Eżektor pozwaa zarówno na usuwanie setek kiograów piasku oraz ułu, jak i precyzyjne prace eksporacyjne. Pierwszy raz został użyty Rys.. przez Jacques- Yves Cousteau, w czasie wykopaisk rzyskiego wraku przy wyspie Grand Congoué w pobiżu Marsyii. Od tej pory eżektor stosowany jest przy prawie wszystkich pracach podwodnych. W książce,,wraki J. Meissnera 954 r. eżektor występuje pod nazwą inżektor i jest definiowany: Inżektor to dużej średnicy rura eastyczna z przewode powietrzny doprowadzony do jej wotu i skierowany w stronę wyotu, tak, aby prąd powietrza stwarzając ssanie wewnątrz tej rury porywał za sobą wodę i piasek [4]. Rys... Nurek z eżektore [4] Cytat z książki Archeoogia Mórz, Zdzisława Skroka, wydanej w Gdańsku w 98 r. wyjaśnia jak działa:,,zasada działania eżektora Rys.. poega na wykorzystaniu siły wynoszącej powstałej wskutek wydobywania się powietrza spod wody na powierzchnię [5]. Bardziej precyzyjny opis zasady działania eżektora znajduje się w książce,,archaeoogy Under Water z 966 r. G.F. Bassa. Opisano ta również budowę i rodzaje eżektorów 58

59 Rys... Zbudowany jest on z rury o dużej średnicy, z której jeden koniec doprowadzony jest do dna, a drugi jest uocowany na powierzchni [6]. Kiedy powietrze wchodzące w dony końcu rury naturanie unosi się w środku rury w kierunku powierzchni w forie pęcherzyków, które zwiększają szybkość i objętość w iarę zniejszania się ciśnienia otaczającej wody, powoduje to zjawisko ssania u wotu rury. Rys... Praca z eżektore Dony skraj rury jest wyposażony w sztywną końcówkę ze specjanyi uchwytai oraz uocowany wyote węża, poprzez który powietrze tłoczone jest pod wodę. Na skraju rury powietrze jest uwaniane i ieszając się z wodą unosi się ku górze wypływając na powierzchnię poprzez górny wyot rury. Parcie wody i powietrza do góry wywołuje podciśnienie, którego siła ssąca zdona jest przetransportować na powierzchnię piasek, uł, żwir i niewiekie przedioty [7]. Rys... Sposoby zaocowania rury z powietrze Eżektor stosowane są na głębokości 8-5. Rura a skłonność do wypływania na powierzchnię, datego często jest zakotwiczona do dna [8]. 59

60 Eżektory wodne Rys..4 doskonae nadają się do piasku i zawiesin ułu uzysk gruntu ok 5%. Wyagają zasiania wodą z popy przykładowo dostępnej otopopy strażackiej. Zasadniczo, dobry eżektor wodny a wydatek od : do ponad razy większy niż wtłoczona woda oraz oże zasysać gęściejszy uł [9]. Rys..4. Scheat eżektora wodnego Przykładową popą eżektora wodnego jaka ożna zastosować to QP-40 Rys..5 firy Honda. Rys..5. Popa QP-40 [0] W Tabea.4 przedstawiono jej paraetry techniczne. Tabea.4. Paraetry popy QP-40 [0] Typ popy QP-40 Mediu czysta woda Wydajność 800 /in Maksyana wysokość podnoszenia 8 Maksyana wysokość ssania 8 Moc sinika 5, kw 7, KM 600 obr/in Pojeność zbiornika paiwa 5, Wyiary dł x szer x wys 695 x 495 x 645 Masa 59 kg 60

61 ..4. Eżektor powietrzny Eżektory powietrzne Rys..6 pneuatyczne są niej wydajne niż wodne sprawność uzyskiwanego osadu dennego jest :4 da φ 00, sprawność to rząd tyko ok 60% wtłoczonego gazu w na każdy zużyty etr sześcienny gazu uzyskuje się 0,6 czystej wody. Wyiar φ zbrojonych węży ssących np. tzw. "Greckich" nie powinien przekraczać 00 da pracy ręcznej [9]. Rys..6. Scheat eżektora powietrznego Jedny z najważniejszych eeentów eżektora powietrznego jest sprężarka, jej zadanie jest wtłaczanie powietrza pod powierzchnię wody, by uzyskać odpowiednią siłę ssącą. Poniżej przedstawiono różne typy sprężarek nadających się do użycia jako eeent eżektora. Sprężarka tłokowa GD Rys..7 posiada popę z żeiwnyi cyindrai, w których pracują tłoki z wieopierścieniowy układe uszczenienia. Kopresory GD59, są wyposażone w popę z podwójny stopnie sprężania. Rys..7. Sprężarka GD [] 6

62 W Tabea.5 zebrano podstawowe paraetry techniczne sprężarki []. Tabea.5. Paraetry sprężarki GD [] Pojeność zbiornika: 70 Cyindry/stopnie: / Wydajność teoretyczna 800 /in Wydajność efektywna 65 /in Ciśnienie 0 bar Moc 4,0 kw Napięcie zasiania 400 V Długość 50 Szerokość 590 Wysokość 60 Waga 60 kg Sprężarka tłokowa FINI BK 9-70V-7,5 Rys..8 z napęde pasowy o pionowy zbiorniku powietrza Tabea.6. Rys..8. Sprężarka FINI BK 9-70V-7,5 [] Tabea.6. Paraetry sprężarki FINI BK 9-70V-7,5 [] Pojeność zbiornika: 70 Cyindry/stopnie: / Wydajność teoretyczna 840 /in Wydajność efektywna 695 /in Ciśnienie 0 bar Moc 5,5 kw Napięcie zasiania 400 V Długość 70 Szerokość 70 Wysokość 770 Waga 57 kg 6

63 .. Projekt robota Zasadniczy probee przy konstruowaniu robotów inspekcyjnych przeznaczonych do poruszania się w ziennych warunkach środowiskowych jest zastosowanie odpowiedniego układu napędowego [5], [6], [7], [8]. Związane jest to z okreśenie pozycji i orientacji robota w przestrzeni roboczej. W przypadku zastosowania napędu kołowego, przy założeniu braku pośizgu ożna w łatwy sposób wyznaczyć położenie robota, natoiast koła ają często nie wystarczającą skuteczność w poruszaniu się po nierównych, ub zanieczyszczonych powierzchniach. Z powyższych powodów zdecydowano na zastosowanie napędu gąsienicowego w robocie [5], [6], [7], [8]. Po przeprowadzeniu anaizy rynkowej zdecydowano zastosować w robocie dwie gąsienice Inuktun Minitrac. Powyższe oduły napędowe zawierają zaknięte w szczenej obudowie sinik z przekładnią, napędzające guową gąsienicę. Eeenty napędowe ają atest szczeności do 0 głębokości. Główny eeente konstrukcji robota jest raa wykonana ze spawanych segentów rur oraz złączek nierdzewnych. Podczas projektowania ray została przewidziana ożiwość ziany konfiguracji przestrzennej eeentów w przypadku potrzeby ziany układu nośnego robota. W ty ceu zastosowano połączenia skręcane części eeentów. W ceu zastosowania robota do oczyszczania zbiorników, zostanie on wyposażony w popę zatapianą do wody zanieczyszczonej o wydajności do 0,8 /s i wysokości podnoszenia 0,. Robot przeieszczając się po dnie zbiornika będzie iał ożiwość wykonania o wiee dokładniejszego czyszczenia bez potrzeby opróżniania zbiornika w stosunku do etody w której popa jest wprowadzana w jedno iejsce. Popa zostanie wyposażona w przewód odprowadzający wodę ze szae na zewnątrz zbiornika. Popa będzie ontowana na robocie za poocą rozszerzanej wraz z rozstawe gąsienic płyty ontażowej. Środek popy z wote uieszczono w osi centranej robota w ceu uproszczenia nawigacji. Mode robota z zaontowaną popą przedstawiono na Rys..9. Rys..9. Mode robota do inspekcji zbiorników z cieczą z zaontowaną popą 6

64 Rys..0. Mode robota do inspekcji zbiorników z cieczą z zaontowany sonare Zadania inspekcyjne w zbiornikach z cieczą będą przeprowadzane za poocą sonaru Tritech Ecipse, który posiada ożiwość tworzenia trójwyiarowego obrazu przestrzeni podwodnych. Montaż sonaru do ray robota, zaiennie z popą uożiwi płyta ontażowa. Dodatkowo przewidziano reguację kąta nachyenia sonaru w ceu ziany skanowanego obszaru - pionowy kąt proienia sonaru to ±. Do otrzyania dokładnej reguacji kątowej zastosowano uchwyt kątowy Thorabs AP/80M, za poocą którego ożna otrzyać pozycje kątowe sonaru będące wieokrotnością 5o Rys.. a,b. Rys..0 przedstawia ode robota z zaontowany sonare w pozycji pionowej, stosowanej do poiaru obszaru z przodu robota, natoiast na Rys.., Rys.. b pokazano ustawienie sonaru uożiwiające inspekcję stropu zbiornika. Rys... Pozycja sonaru pozwaająca na inspekcję stropu zbiornika 64

65 a b Rys... Pozycja sonaru pozwaająca na inspekcję stropu zbiornika: a echaniz pozycjonujący w ustawieniu pozioy, b echaniz pozycjonujący przy inspekcji stropu Do zastosowań inspekcyjnych robota w zbiornikach z cieczą, będących w większości eeentai instaacji kounanych, istotny paraetre jest szerokość urządzenia, pozwaająca na wprowadzenie go do włazu. Aby jednocześnie zapewnić inianą szerokość robota, oraz uożiwić zwiększenie stabiności bocznej zdecydowano na zastosowanie ręcznej reguacji szerokości ray. Zakres reguacji 60 daje ożiwość ziany szerokości od 47 do 5 Rys.. a,b. a b Rys... Ziana rozstawu gąsienic robota: a najniejszy rozstaw gąsienic, b największy rozstaw gąsienic W ceu okreśenia zachowania eeentów echanicznych robota podczas pracy przeprowadzono anaizę odaną ray robota. Drgania generowane przez napędy gąsienicowe podczas poruszania się po twardy podłożu ogą prowadzić do znacznych drgań obudowy układu eektronicznego i w konsekwencji zniejszać żywotność układów sterowania. Aby zredukować to ryzyko na etapie projektowania przeprowadzono anaizę odaną ray robota. Maksyana częstotiwość generowana przez gąsienice wynosi 4.0 Hz, przy pręd- 65

66 kości 0 /in. Pierwsza postać drgań własnych występuje przy częstości 98.9 Hz. Przekracza ona 5-krotnie aksyaną częstotiwość wyuszenia układu napędowego, co potwierdza, że nie będzie występowało zjawisko rezonansu podczas pracy robota... Kineatyka układu przeniesienia napędu Układy napędowe gąsienicowe są układai, na które oddziaływają różnego typu zienne w czasie. Opis ruchu gąsienicy w warunkach rzeczywistych, przy nierówny gruncie o ziennych paraetrach, jest bardzo skopikowany. Szczegółowy ateatyczny opis ruchu poszczegónych punktów gąsienicy jest tak złożony, że konieczne jest stosowanie odei uproszczonych. Gąsienice Rys..4 a w bardzo duży uproszczeniu odeować ożna, jako nierozciągiwą taśę o kształcie okreśony przez koło napędowe, koła napinające oraz nieodkształcane podłoże Rys..4 b. a b Rys..4. a Mode CAD, b Mode uproszczony Układ napędowy anaizowanego robota gąsienicowego to dwa oduły napędowe Rys..5. Rys..5. Układ napędowy ode CAD Dane techniczne odułu gąsienicowego: wysokość: 00; szerokość: 90; 66

67 długość: 80; prędkość do 9,75 /in; aksyane obciążenie: 45 kg; wodoszczeność do głębokości 0; asa: sta nierdzewna,5kg. Koło napędzające gąsienicę Koło napędzające gąsienicę przekładnia czołowa przekładnia stożkowa przekładnia panetarna sinik Gąsienica Gąsienica Rys..6. Układ przeniesienia napędu Podstawowe podzespoły wewnątrz Rys..6 każdego z odułów to: sinik napędowy, przekładnia panetarna, przekładnia stożkowa, przekładnia czołowa. Poszczegóne przełożenia tych przekładni to: i = 66: - przełożenie przekładni panetarnej, i = : - przełożenie przekładni stożkowej, i = :- przełożenie przekładni czołowej. Zate całkowite przełożenie odułu napędowego to: i = 64: 67

68 Do opisu ruchu punktów na obwodzie gąsienicy da uproszczonego odeu Rys..7 przyjęto dwa układy współrzędnych. Układ y, z jest układe nieruchoy związany z podłoże, układ y 0, z 0 jest układe ruchoy związany z pojazde. Rys..7. Uproszczony ode gąsienicy Ruch dowonego punktu gąsienicy jest złożenie dwóch ruchów Rys..7: - ruchu wzgędnego, wzgęde układu y 0, z 0 ; - ruchu unoszenia wzgęde układu nieruchoego y, z. Prędkość bezwzgędna dowonego punktu na obwodzie gąsienicy równa jest suie geoetrycznej prędkości unoszenia i prędkości wzgędnej.... gdzie: prędkość unoszenia, prędkość wzgędna dowonego punktu obwodu gąsienicy, prędkość bezwzgędna punktu na obwodzie gąsienicy, kąt iedzy wektorai i. W przypadku, gdy φ=π, czyi gdy punkty obwodu gąsienicy stykają się z podłoże, ożna zapisać:.4 Pośizg gąsienicy Gdy występuje przeieszczanie nośnego odcinka gąsienicy wzgęde podłoża występuje wówczas zjawisko pośizgu. Na pośizg gąsienicy wpływają głównie następujące czynniki: własności podłoża; występująca siła napędowa; typ i rozokowanie szponów na gąsienicy. Wstępująca w układzie gąsienicowy, siła napędowa powoduje występowanie sił ścinających w podłożu. Zaeżności poiędzy występującyi czynnikai ożna okreśić równanie [], [4]: 68

69 .5 gdzie: siła napędowa, szerokość gąsienicy, długość odcinka nośnego gąsienicy, naprężenia ścinające w podłożu iękki, Maksyane naprężenia ścinające w podłożu iękki okreśa wzór Couoba [], [4]: gdzie: kąt tarcia wewnętrznego cząstek podłoża Tabea.7, naprężenia ściskające w podłożu, współczynnik tarcia cząstek podłoża iedzy sobą Tabea.7, spoistość podłoża Tabea.7. Tabea.7. Wartości ρ, µ 0, c, da różnych typów podłoża [], [4] Typ podłoża ρ [rad] µ 0 c [MPa] Ciężka gina 0,44...0,5 0,47...0,6 0,06...0, Średnia gina 0,49...0,44 0,5...0,47 0,04...0,06 Lekka gina 0,56...0,49 0,6...0,5 0,05...0,04 Piasek 0,65...0,59 0,75...0, Wzór na naprężenia ścinające w zaeżności od odkształcenia, na podstawie ateatycznej anaogii poiędzy przebiegie krzywych naprężeń ścinających, a przebiegie krzywej apitudy drgań tłuionych podał Bekker, a on postać: gdzie: aksyana wartość wyrażenia podanego w iczniku ułaka, odkształcenie warstw podłoża w iejscu x, wywołane pośizgie, równoegłe do podłoża, współczynnik odkształcenia podłoża w czasie ścinania, współczynnik charakteryzujący przebieg krzywej..7 Przyjując założenie że, przebieg odkształceń równoegłych do podłoża jest iniowy, odkształcenia te ożna wyrazić wzore:.8 69

70 gdzie: pośizg wyiczany ze wzorów.5 i.7, odegłość iejsca da którego obicza się pośizg od punktu zetknięcia gąsienicy z podłoże, największy pośizg występuje da. Pośizg zate ożna wyrazić wzore:.9 Przy obiczaniu pośizgu z równań.5 i.7, występują duże trudności o charakterze rachunkowy. W skład zaeżności na wchodzi wiee czynników, których charakterystyka zienności nie jest dostępna w iteraturze. Równanie.5 nie uwzgędnia również wpływu kształtu i rozieszczenia szponów na wiekość pośizgu.szpony, są to eeenty osadzone na obwodzie gąsienicy służące zwiększeniu jej przyczepności i sprawniejszeu pokonywaniu terenu. Na Rys..8 przedstawiono scheatycznie zagłębianie się szpona w podłoże. Widoczne jest, że szpon po wejściu w podłoże wywołuje znaczne jego odkształcenia. Reakcja styczna podłoża zaeży od: Rys..8. Scheatycznie przedstawione zagłębianie się szponu kąta pochyenia czołowego odcinka gąsienicy; rodzaju podłoża; wyiarów szpona. W przypadku gdy pojazd gąsienicowy porusza się po podłożu o ały współczynniku oporu toczenia i dużej spoistości, reakcja styczna w szponie jest w przybiżeniu równa oporowi toczenia. W takich warunkach pośizg gąsienicy nie występuje ub jest bardzo ały. Podczas ruchu po podłożu o duży współczynniku toczenia i ałej spoistości, reakcje styczne podłoża przenoszą również pozostałe szpony znajdujące się w podłożu i występują jednorazowe pozioe odkształcenia podłoża. Do wyznaczenia pośizgu doświadczanie konieczna jest znajoość prędkości teoretycznej i rzeczywistej pojazdu gąsienicowego. Naeży przy ty przyjąć założenie, że pojazd porusza się ruche prostoiniowy, czyi:.0 70

71 gdzie: prędkość teoretyczna gąsienicy, prędkość teoretyczna gąsienicy. Prędkość teoretyczna V t, jest to prędkość dowonego punktu obwodu gąsienicy na którą napęd przenoszony jest z koła napędowego o prędkości kątowej ω i proieniu,,r, co ożna wyrazić wzore: gdzie: prędkość kątowa koła napędowego, proień koła napędowego. Prędkość rzeczywista pojazdu gąsienicowego jest okreśana z zaeżności:. gdzie: długość odcinka poiarowego, czas przejazdu odcinka poiarowego.. Przy tak przyjętych założeniach pośizg,,s gąsienicy, jest to stosunek prędkości pośizgu, czyi V t -V u do prędkości punktów obwodu gąsienicy V t :. W przypadku gdy V t =V u, pośizg będzie równy zero, a prędkość pojazdu gąsienicowego będzie równa prędkości punktów obwodu gąsienicy. Da V t >V u, czyi prędkość teoretyczna V t jest większa od prędkości pojazdu V u, współczynnik pośizgu,,s przyjuje wartości dodatnie od 0 do. Gdy V u >V t, czyi następuje haowanie, wartości współczynnika,,s są ujene. Da s= występuje całkowity pośizg, a prędkość pojazdu V u równa się zero. Gdy gąsienica jest całkowicie zahaowana V t = 0 wtedy współczynnik pośizgu równa się -. Kineatyka skrętu Skręt pojazdu gąsienicowego ożna zdefiniować jako ruch płaski, który jest ciągie obrotów wokół koejnych chwiowych osi obrotu. Środek skrętu tworzą śady na płaszczyźnie koejnych osi obrotu i oże być to punkt stały da ruchu o stały proieniu ub inia. Rys..9 przedstawia scheat skrętu pojazdu gąsienicowego wokół punktu O, z prędkością kątową, nie uwzgędniając pośizgu. Da uproszczenia anaizy kineatyki gąsienicy w ruchu krzywoiniowy, przyjęto że szerokość gąsienic jest nieskoczenie ała, rozważania sprowadzają się wówczas do inii przecięcia płaszczyzn syetrii gąsienic z podłoże. Odegłość O c O, czyi płaszczyzny syetrii podłużnej pojazdu od punktu O, oznaczono jako R, czyi proień skrętu pojazdu. Ruch dowonego punktu gąsienicy oże być rozłożony na dwa ruchy składowe: 7

72 ruch obrotowy z prędkością wzgęde chwiowej osi obrotu gąsienicy; ruch prostoiniowy z prędkością odpowiadającą prędkości chwiowej osi obrotu gąsienicy. Rys..9. Scheat kineatyczny skrętu pojazdu gąsienicowego bez pośizgu Prędkość kątową p ożna wyrazić jako: gdzie: proień skrętu pojazdu, prędkość punktu O c..4 Gąsienicę o prędkości Rys..9 V u nazwano gąsienicą zabiegającą, a gąsienicę o prędkości V u gąsienicą zabieganą. Da gąsienicy zabiegającej, czyi położonej daej od chwiowej osi obrotu, prędkość iniowa wyraża się wzore: gdzie:.5 odegłość poiędzy osiai gąsienic, prędkość unoszenia punktu O. 7

73 Da gąsienicy zabieganej, czyi położonej biżej chwiowej osi obrotu, prędkość iniowa wyraża się wzore: gdzie:.6 prędkość unoszenia punktu O. Prędkości V u i V u są zaeżne od typu echanizu skrętu. W przypadku uwzgędniania pośizgów gąsienic, konieczna jest anaiza kierunków sił napędowych, a przez to kierunków pośizgu. Obrót gąsienic wokół punktów O i O powoduje powstawianie sił oporu, o kierunku przeciwny do kierunku obrotu. Siły te powodują powstawanie oentu zwanego oente oporów skrętu. Moent ten jest równoważony oente od sił napędowych obydwu gąsienic przy jednostajny ruchu obrotowy pojazdu gąsienicowego. a b c Rys..0. Możiwe warianty skrętu pojazdu gąsienicowego Skręt w pojazdach gąsienicowych w zaeżności od kierunku oraz wartości sił napędowych i haujących P i P oże być reaizowany na kika sposobów. Gdy zniejszana jest prędkość gąsienicy zabieganej w stosunku do zabiegającej Rys..0 a poprzez przyhaowywanie, występuje skręt o ały proieniu R. Na gąsienice zabieganą działają wtedy podłużne siły styczne o kierunku przeciwny do kierunku ruchu pojazdu gąsienicowego. Przy tego typu skręcie na pojazd działają dwie siły, siła haująca P w gąsienicy zabieganej oraz siła napędowa P, o kierunku ruchu pojazdu w gąsienicy zabiegającej. W przypadku odłączenia napędu gąsienicy zabieganej Rys..0 b występuje skręt o duży proieniu. Występuje wtedy tyko siła P gąsienicy zabiegającej. Przy występowaniu dużych oporów ruchu postępowego a niewiekich oporach skrętu, oże wystąpić przypadek że siła P gąsienicy zabieganej a kierunek zgodny z kierunkie jazdy Rys..0 c. 7

74 Rozpatrując przypadek Rys..0 a, ożna założyć, że pojazd gąsienicowy wykonuje skręt z niewieką prędkością kątową, przez co poinąć ożna siły odśrodkowe. Rys.. przedstawia scheat skrętu, gdy w gąsienicy zabiegającej występuje siła napędowa P, a w gąsienicy zabieganej siła haująca P. Rys... Scheat kineatyki skrętu da P<0, P>0 Da tak przyjętego scheatu naeży rozpatrzyć prędkości punktów znajdujących się na odcinkach AB i DE, które to stykają się z podłoże. Da dowonego punktu odcinka AB prędkość wzgędna jest jednakowa i wynosi V w. Prędkości unoszenia V u da poszczegónych punktów są proporcjonane do odegłości od osi obrotu O. Prędkość bezwzgędna 74

75 punktów odcinka AB, czyi V b jest suą agebraiczną prędkości V u oraz V w i jest to prędkość pośizgu gąsienicy zabiegającej. Da gąsienicy zabieganej prędkość wzgędną punktów odcinka DE oznaczono jako V w, prędkość unoszenia jako V u, a V b jako prędkość bezwzgędną czyi, prędkość pośizgu gąsienicy zabieganej. Na Rys.. pokazano rzuty chwiowych osi obrotu O i O, przesunięte wzgęde osi podłużnej gąsienic o wiekość e, da gąsienicy zabieganej i e da zabiegającej, wartości te wyrazić ożna jako: Z Rys.. wynikają również następujące zaeżności:.7.8 Wyrażenie. po przekształceniach ożna zapisać jako.9 i otrzyane zostanie wyrażenie na prędkość unoszenia:.9 Po wstawieniu do zaeżności.8 i uwzgędnieniu prędkości teoretycznych i pośizgów obydwu gąsienic robota, otrzyano: gdzie: pośizg gąsienicy zabieganej, pośizg gąsienicy zabiegającej..0 Przy założeniu braku pośizgu poiędzy gąsienicą a podłoże, zaeżność.0 uprości się do: Prędkość teoretyczną gąsienic ożna zapisać jako: gdzie:... proienie kół napędowych gąsienice założono, że r =r =r, prędkość kątowa koła napędowego gąsienicy zabieganej, prędkość kątowa koła napędowego gąsienicy zabiegającej. Po wstawieniu wyrażeń. i. do wyrażenia.0: 75

76 .4 Da ruchu bez pośizgu:.5 Przyjując Rys.. Rys..9.6 Prędkość punktu C, znajdującego się na osi syetrii pojazdu gąsienicowego, przyjętego jako środek asy pojazdu, wynosi:.7 Nie uwzgędniając pośizgu:.8 Rys... Scheat obrotu ray robota o kąt β 76

77 Składowe prędkości punktu C ożna zapisać jako: gdzie:.9.0. kąt wzniesienia Rys... Po uwzgędnieniu zaeżności.7 otrzyano równania będące rozwiązanie zadania prostego kineatyki: Na podstawie zaeżności.,.,.4 oraz.0, ożna zapisać rozwiązanie zadania odwrotnego kineatyki:.6 Uwzgędniając przełożenia przekładni układu gąsienic: gdzie:.40 prędkość kątowa na wae sinika napędowego gąsienicy zabieganej, prędkość kątowa na wae sinika napędowego gąsienicy zabiegającej. Podstawiając.7 i.8 do.9 i.40 otrzyano zaeżności na prędkości kątowe siników napędowych:.4 77

78 .4 W wieu przypadkach podczas pracy inspekcyjnej strefa działań robota nie jest ograniczona do płaszczyzn pozioych. Niejednokrotnie robot usi pokonać różnicę wysokości i z tego wzgędu aby uzyskać bardziej kopeksową anaizę kineatyki robota naeży przeprowadzić ją również w przypadku ruchu po wzniesieniu Rys... Na Rys..4 pokazano prototyp robota na stanowisku doświadczany o profiu odpowiadający paraetro syuacji. Rys... Scheat kineatyki napędu gąsienicowego na wzniesieniu Rys..4. Testy prototypu robota na stanowisku doświadczany - weryfikacja syuacji W anaizowanej sytuacji robot porusza się po odcinku o nachyeniu γ. Przy równych prędkościach kątowych kół napędzających prędkość V u jest równa V u Rys..9, a na podstawie przekształcenia zaeżności. pośizg s =s =s i ożna go zapisać jak w zaeżności.9 wtedy zaeżności.4 i.4 przyją postać:.4 78

79 Dane: L = N = R = H =.44 0, [] długość odcinka nośnego gąsienicy, 9 iość szponów w kontakcie z podłoże, 0,05 [] proień kół napędowych gąsienice, 0,06 [] odegłość poiędzy osiai gąsienic. Zakładając, że jego punkt C porusza się po trajektorii Rys..5 a, z przebiegie prędkości Rys..5 b. a b Rys..5. a Założony tor ruchu punktu C, b Założony przebieg prędkości punktu C Otrzyane przebiegi da założonej trajektorii i prędkości punktu C bez pośizgu Δ =0[] przedstawiono na Rys..6 do Rys..9. Vc [/s] afa*s, afa*s [rad/s] t [s] Rys..6. Prędkość zadana punktu C t [s] Rys..7. Prędkość kątowa na wałach siników napędowych 79

80 afa*, afa* [rad/s] t [s] Rys..8. Prędkość kątowa kół napędzających gąsienice Zakładając: Δ =0,0005[] otrzyano prędkość pośizgu V p Rys..40. gdzie: prędkość zadana punktu C, prędkość otrzyana punktu C. Vco [/s] t [s] Rys..9. Prędkość otrzyana.45 x 0-.5 Vp [/s] t [s] Rys..40. Prędkość pośizgu Prędkość otrzyana Rys..4 punktu C i prędkość pośizgu Rys..4 da Δ =0,00[] x 0- Vco [/s] t [s] Rys..4. Prędkość otrzyana Vp [/s] t [s] Rys..4. Prędkość pośizgu 80

81 Prędkość otrzyana Rys..4 punktu C i prędkość pośizgu Rys..44 da Δ =0,0[] Vco [/s] Vp [/s] t [s] t [s] Rys..4. Prędkość otrzyana Rys..44. Prędkość pośizgu Jak ożna zaobserwować da coraz to większego zadawanego jednorazowego pozioego odkształcenia podłoża ub szponu, prędkość pośizgu zwiększa swoją wartość Rys..40, Rys..4, Rys..44. Coraz większą wartość przyjuje również prędkość otrzyana punktu C, aby zapewnić prędkość zadaną. Wzrost tej prędkości jednak w rzeczywistości jest ograniczony paraetrai układu napędowego prędkością obrotową, ocą sinika napędowego co prowadzi do tego że robot zacznie się poruszać z coraz to niejszą prędkością tracona na rzecz prędkości pośizgu. Dane otrzyane syuacyjnie zostały potwierdzone doświadczanie..4. Układy eektroniczne, sensoryczne i sterowania W wewnętrznej części ray robota znajduje się układ eektroniczny odpowiedziany za sterowanie układe napędowy robota, oraz oprzyrządowanie robota. Do układu eektronicznego doprowadzono kabe zasiające robota, połączone za poocą złączy wodoszczenych. Rys..45. Mocowanie obudowy układu eektronicznego - widok robota od dołu 8

82 Układ eektroniczny uieszczony jest w uszczenianej obudowie auiniowej z użebrowanyi ściankai przyspieszającyi dyssypację generowanego ciepła głównie przez przetworniki napięcia. Do zasiania urządzeń podwodnych stosuje się kabe przystosowane do napięcia powyżej 500 V. Z tego powodu powstaje potrzeba zastosowania przetwornika napięcia do zasiania gąsienic pracujących przy napięciu 48 V. Obudowę układu eektronicznego, zaocowaną na reguowanej płycie pokazano na Rys..45. W ceu zapewnienia poprawności funkcjonowania obudowy na układy sterowania robota przeprowadzono syuacje wytrzyałościowe w ceu doboru ateriałów oraz eeentów uszczeniających. Obudowy wodoszczene zaprojektowane zostały w sposób uożiwiający szybki dostęp do eeentów układu sterowania. Pokrywa górna zaprojektowana została z grubości przezroczystego PMMA. Przezroczysta pokrywa pozwaa na stały onitoring układów eektronicznych Rys..46. Uszczenienie czołowe z wykorzystanie sznura oringowego daje ożiwość użycia obudowy na dużej głębokości. Rys..46. Obudowa wodoszczena W procesie projektowania obudów wodoszczenych zastosowano syuacje z wykorzystanie Metody Eeentów Skończonych. Część bazowa obudowy wykonana jest ze spawanych płyt o grubości 5, z auiniu 07A. Pokrywę wykonano z PMMA o grubości. Wyiary zostały dobrane na podstawie syuacji MES Rys..47. Odkształcenie płyty podczas działania ciśnienia 0.5 MPa na głębokości 50 pokazano na Rys..47 a i wynosi ono 6. w środkowej części płyty. Warunek wytrzyałościowy ateriału płyty jest spełniony. Ponieważ robot a pracować na głębokości aksyanie 0, wynik jest zadowaający. Na Rys..47 b przedstawiono odkształcenie pozostałej części obudowy, które wynosi 0.95 przy tych saych warunkach obciążenia. Przeprowadzone syuacje wytrzyałościowe pokazują iż obudowy spełnią wyogi odnośnie warunków pracy przy zapewnieniu szczeności połączeń spawanych. 8

83 a b Rys..47. Anaizy wytrzyałościowe obudowy wodoszczenej: a odkształcenie pokrywy, b odkształcenie obudowy Konstrukcja ray robota została przystosowana do instaacji dodatkowych koponentów w zaeżności od zastosowania robota. Montaż kaery CCTV wraz z oświetenie ożna przeprowadzić za poocą obej ocowanych do segentów ray, ub płyty ocującej z przodu robota, do której ocowana jest popa ub sonar. Na Rys..48 przedstawiono wyiary robota. Waga patfory obinej z sonare będzie wynosić 68 kg, natoiast z popą 59 kg. W ceu opuszczania robota do włazu naeży zastosować specjanie zaprojektowany podnośnik. Modułowa konstrukcja robota stwarza potrzebę użycia dużej iości koponentów. Do złożenia ray robota potrzebne jest ponad 50 eeentów złącznych takich jak śruby, nakrętki, podkładki. Natoiast konstrukcja ray składa się z 0 segentów rurowych i 4 łączników. W projekcie brano pod uwagę dostępność koponentów potrzebnych do budowy robota, oraz uproszczenie procesów technoogicznych potrzebnych do wytworzenia niestandardowych części. Rys..48. Wyiary robota Jako oprzyrządowanie inspekcyjne zastosowano urządzenie Ecipse Rys..49, które jest wieowiązkowy sonare uożiwiający ogądanie obiektów pod wodą w trzech wyiarach. Oprograowanie sonaru uożiwia dwu i trójwyiarowe obrazowanie oraz pozwaa na kontroę nad zakrese i zasięgie generowanej wiązki. Urządzenie a ożiwość wykonywania poiarów odegłości, kierunku, pozioej i pionowej odegłości oraz kąta nachyenia poiędzy dwoa punktai. Wykonany poiar ożna wyeksportować jako churę punktów, którą ożna daej obrabiać w innych prograach. 8

84 a b Rys..49. Aparatura Tritech Ecipse: a głowica sonaru, b stacja robocza z oprograowanie sonaru Podstawowe paraetry sonaru: częstotiwość pracy: 40 khz, akustyczna rozdzieczość kątowa:.5, szerokość proienia: 0. Zasięg da poszczegónych trybów: D forward ooking = 60, - D search = 0, - D = 40, iniana odegłość poiaru: 0.4, częstotiwość odświeżania: 40 5, 7 00, pobór ocy: 60 W. Rys..50. Testy sonaru na basenie AGH 84

85 Sonar został przetestowany podczas poiarów na basenie Akadeii Górniczo- Hutniczej w Krakowie Rys..50, Rys..5, Rys..5. Podczas testu sprawdzono pracę sonaru w położeniu pionowy oraz pozioy. Zasyuowano dwa scenariusze: śedzenie ruchoych obiektów oraz detekcję betonowych ścian. Rys..5. Widok D z zaznaczoną szerokością basenu Rys..5. Widok D basenu Test iał na ceu okreśenie jak poszczegóne paraetry konfiguracyjne sonaru wpływają na jakość otrzyywanych danych. Paraetry, któryi ożna sterować to: kąt rozwarcia generowanych wiązek ustawiany przy poocy górnego i donego iitu, kąt poiędzy wiązkai, wzocnienie, zasięg. Każdy z tych paraetrów Rys..5 a bardzo duży wpływ na iość danych otrzyywanych podczas poiaru oraz na ewentuane zakłócenia i szuy generowane głównie przez odbicia. 85

86 Kąt rozwarcia wiązki wpływa na iość zbieranych danych oraz wraz z zasięgie definiuje aksyaną wysokość obiektów, które w całości ogą zostać zierzone przez sonar. Ten paraetr jest bardzo istotny przy inspekcji ałych, zakniętych obszarów takich jak zbiorniki. Reguując doną i górną wartość rozwarcia wiązki ożna wyeiinować zakłócenia związane z odbiciai od dna oraz sufitu ub obiektów znajdujących się zaraz pod ub na powierzchni zbiornika Rys..54. Rys..5. Okno z paraetrai wiązki Rys..54. Wiązka ograniczona do ±5 Kąt poiędzy wiązkai wpływa na iość otrzyywanych danych oraz na rozdzieczość poiaru w osi Z. Zwiększenie kąta poiędzy wiązkai zniejsza iość danych ae przy większych odegłościach oże spowodować zgubienie szczegółów obiektów poiędzy wiązkai Rys..55. a b Rys..55. Obraz basenu - wiązki generowane z okreśoną rozdzieczością kątową: a, b 4 86

87 Wzocnienie poaga w poiarze obiektów, które słabo odbijają fae utradźwiękowe. W ałych akwenach basen, zbiorniki zwiększenie wzocnienia powoduje bardzo duże zakłócenia. Zasięg definiuje odegłość do której pobierane są dane. Paraetr ten jest poocny przy eiinacji podwójnego obrazu np. przeciwegłej ściany zbiornika ub do ograniczenia poa widzenia sonaru w ceu ograniczenia iości danych i zniejszenia ub wyeiinowania odbić generowanych przez obiekty, które nie są cee poiaru. Testy sonaru pokazały, że badane urządzenie jest wszechstronne i pozwaa na dopasowane go do zieniających się i wyagających warunków poiaru oraz, że wyaga ono kaibracji do danego akwenu w, który jest ono używane..5. Eksperyent Prototyp składa się z eeentów napędowych: gąsienic Inuktun Minitrac, ray staowej, wodoszczenej skrzynki zawierającej układy sterujące i eektroniczne robota. Dodatkowo uieszczono na prototypie popę ająca za zadanie zbieranie osadów z dna zbiorników. Przeprowadzono wstępne testy oprograowania sterującego, co potwierdziło poprawność funkcjonowania układu napędowego na powierzchniach suchych. Następnie prototyp robota został wprowadzony do aboratoryjnego zbiornika testowego, gdzie wykonano testy układów napędowych sterowania oraz eeentu wykonawczego w postaci popy Rys..56. Rys..56. Testy aboratoryjne prototypu robota - funkcjonowanie popy Aby uożiwić poruszanie się robota obinego zaipeentowane zostało na koputerze PC oprograowanie sterujące. Ruch napędów gąsienicowych Inuktun Minitrac kontroowany jest za poocą anipuatora Thrust Master T.Fight Stick X. Za poocą wychyenia przód-tył głównej rękojeści uzyskujey zianę prędkości gąsienic. Wychyenie na bok pozwaa na skręcanie robote. Zastosowanie czułego anipuatora pozwaa na dokładne dobranie prędkości poruszania się robota do warunków pracy. Manipuator obsługiwany jest za poocą prograu stworzonego w środowisku InTouch. Progra pozwaa 87

88 na włączenie sterowania robote, odczytanie w czasie rzeczywisty prędkości zadanej, oraz prądu pobieranego przez siniki DC znajdujące się w gąsienicach Rys..57. Dodatkowo została dodana ożiwość kontroowania prądu pobieranego przez siniki na wykresie. Dane poiarowe uzyskane podczas pracy robota agazynowane są autoatycznie w bazie danych MySQL. Oprograowanie zaipeentowane na koputerze PC wykorzystuje łączność za poocą interface'u Ethernet ze sterownikie przeysłowy PLC Sieens, znajdujący się w obudowie wodoszczenej robota. Do sterownika podłączony jest układ eektroniczny do kontroi napędów gąsienicowych. Rys..57. Oprograowanie sterujące robota Oprograowanie przeznaczone jest do obsługi jednostki obinej robota. Do przetwarzania danych z instruentów poiarowych, takich jak sonar Tritech Ecipse naeży zastosować dedykowane oprograowanie dostarczane przez producenta. Prototyp robota został przetestowany w naturanych warunkach pracy. Aby sprawdzić właściwości trakcyjne układu napędowego wprowadzono prototyp do zbiornika o betonowy dnie z widoczny osade Rys..58 a. Test robota obejował przejazd po betonowej powierzchni o nachyeniu o z poprzecznyi rowkai Rys..58 b. Początkowo robot poruszał się po powierzchni suchej, a następnie zanurzył się pod wodę Rys..59 a. Do ray robota zaontowano popę zanurzeniową, której działanie zostało sprawdzone przy odsysaniu osadów. Prototyp robota spełnia wyogi projektowe w zakresie poruszania się po powierzchniach o ziennej strukturze, jak i podczas pracy pod wodą, co pokazano na Rys..59 b. 88

89 a b Rys..58. Testy prototypu robota w środowisku pracy: a przygotowanie, b przejazd po suchej rapie betonowej a b Rys..59. Testy prototypu robota w środowisku pracy: a wjazd pod wodę, b praca na powierzchni pochyłej pod wodą Przeprowadzono również drugi eksperyent w zbiorniku fitracyjny oczyszczając jego dno za poocą popy zanurzeniowej zaocowanej na raie prototypu robota Rys..60. a b Rys..60. Robot podczas testów: a w trakcie zanurzania, b odsysane zanieczyszczenia 89

90 Oprócz testów patfory obinej przeprowadzono również testy sonaru Tritech Ecipse D w zbiorniku wody pitnej w Dobczycach. Cee testów było sprawdzenie ożiwości sonaru w akwenach wodnych o większy roziarze i głębokości. Do testów użyto łodzi otorowej z zaontowany sonare na specjanie przygotowany uchwycie Rys..6 a. Sonar wprowadzono,5 pod powierzchnię wody w ustawieniu uożiwiający obserwacje dna zbiornika Rys..6 b ub eeentów konstrukcji znajdujących się w zbiorniku, takich jak słupy, podpory, ściany, abo inne przeszkody. Po przeprowadzeniu testów na pierwszej wersji prototypu zbudowano doceową wersję, ająca większe ożiwości konfiguracji, oraz epiej dostosowaną do warunków pracy. Wersja ostateczna została wykonana zgodnie z dokuentacją, przygotowaną na podstawie odeu D sporządzonego w oprograowaniu Autodesk Inventor. Na Rys..6 a przedstawiono wersję robota z popą. Dodatkowo wyprodukowana została specjana ssawka, zaontowana do popy. Możiwość ontażu różnego typu szczotek oraz gu w zaeżnoa b Rys..6. Testy sonaru w zbiorniku wodny: a ocowanie sonaru na łodzi poiarowej, b widok sonaru pod wodą Obrazy uzyskane z sonaru w czasie rzeczywisty pokazano na Rys..6. Przedstawiają one dno zbiornika, oraz widok słupa betonowego wiaduktu znajdującego się w zbiorniku. Na podstawie Rys..6 a ożna okreśić jak ukształtowane jest dno zbiornika, czy występują przeszkody, oraz na jakiej głębokości znajdują się poszczegóne eeenty. W przypadku zaontowania sonaru na robocie obiny istnieje ożiwość tworzenia trójwyiarowej apy terenu oraz okreśenia ewentuanych przeszkód Rys..6 b, ub dużych ubytków w strukturze zbiornika abo grubości osadu znajdującego się na dnie. a b Rys..6. Obraz z sonaru: a dno zbiornika, b słup wiaduktu 90

91 ści od charakterystyki powierzchni zbiornika zwiększa efektywność oczyszczania dna z osadu. Ssawka a szerokość 0 większą od szerokości robota, co pozwaa na zebranie całości osadu podczas jednego przejazdu robote w inii prostej oraz daje ożiwość dokładnego czyszczenia bezpośrednio przy ścianach zbiornika. a b Rys..6. Prototyp robota - wersja ostateczna: a wersja z popą, b wersja z sonare Na Rys..6 b przedstawiono robota z zaontowany sonare Tritech Ecipse. Zgodnie z założonyi przedstawionyi w projekcie CAD, zastosowaną łatą reguację kąta sonaru w zaeżności od potrzeb prowadzenia poiarów. Sonar ożna ustawiać w zakresie pochyenia od 0-75 w odstępach co 5. Najniższe położenie pozwaa na tworzenie obrazu D dna zbiornika, natoiast najwyższe uożiwia skanowanie stropu..6. Podsuowanie Jedno z przedstawionych rozwiązań oczyszczania zbiorników zostało przeanaizowane pod wzgęde obiności zrobotyzowanego systeu, sprawności i ożiwości zasiania w iejscu pracy. Rozwiązanie to sprawdziło się w zbiorniku fitrujący i z powodzenie oże być stosowane w podobnego typu zbiornikach. Prototyp robota w wersji ostatecznej spełnia założenia projektowe oraz uożiwia w łatwy sposób ontaż oprzyrządowania służącego do oczyszczania dna zbiornika za poocą popy ub do poiarów i wykonywania dokuentacji trójwyiarowej przestrzeni zbiornika za poocą sonaru. Piśiennictwo [] [] [] 9

92 [4] Meissner J.: Wraki, Wyd. Iskry, Warszawa 954. [5] Skrok Z.: Archeoogia órz, Wydawnictwo Morskie, Gdańsk 98. [6] Bass G.F.: Archaeoogy Under Water, Thaes & Hudson, New York 966. [7] [8] Przyipiak M. Torbus J.: Sprzęt i prace nurkowe, poradnik, Wyd. MON, Warszawa 98. [9] [0] [] 650,7676.ht [] [] Burdziński Z.: Teoria ruchu pojazdu gąsienicowego, Wydawnictwa Kounikacji i Łączności, Warszawa 97. [4] Dajniak H.: Ciągniki teoria ruchu i konstruowanie, Wydawnictwa Kounikacji i Łączności, Warszawa 985. [5] CHATCHANAYUENYONG, T.; PARNICHKUN, M. Neura network based-tie optia siding ode contro for an autonoous underwater robot.mechatronics, 006, 6.8: [6] LIU, Heping; GONG, Zhenbang; LI, Min. The Anti-wave contro of sa openfrae underwater robot. In: 008 rd Internationa Conference on Inteigent Syste and Knowedge Engineering p [7] YUH, Junku; URA, Taaki; BEKEY, George A. Underwater robots. Springer Pubishing Copany, Incorporated, 0. [8] WHITE, Cory, et a. The ata cistern apping project: Underwater robot apping and ocaization within ancient tunne systes. Journa of Fied Robotics, 00, 7.4:

93 4. Zrobotyzowane stanowisko do przenoszenia eeentów kuistych rozieszczonych wg siatki prostokątnej o znany odue 4 Podstawowy zadanie robota przeysłowego zastosowanego w tej apikacji jest przenoszenie eeentów okrągłych, z biżej nieokreśonej pozycji, do ściśe okreśonej pozycji wyznaczonej przez operatora systeu. Złożoność tego zadania jest duża, ponieważ robot nie wie, gdzie znajdują się eeenty okrągłe. Oznacza to, że iejsce, z którego zostanie zabrany eeent usi być wskazane przez oprograowanie, które dokona anaizy przestrzeni roboczej robota i wygeneruje rozkazy jego przeieszczenia. Takie podejście wyogło na autorze systeu zastosowanie zewnętrznej apikacji działającej na koputerze kasy PC. Rys. 4.. Architektura systeu do przenoszenia eeentów okrągłych Dodatkowy powode potwierdzający takie rozwiązanie architektury systeu jest fakt, że roboty przeysłowe ają ograniczone ożiwości, jeśi chodzi o składnie i struktury 4 Zwierzchowski J.

94 języków prograowania. Ponadto poprzez ograniczenie do iniu oprograowania, nazwijy je "po stronie robota", ały koszte ożna zapewnić przenośność systeu na roboty przeysłowe różnych producentów. Opisana architektura systeu została pokazana powyżej Rys... Na rysunku ty widać eeenty składowe systeu. Centrany punkte systeu jest robot przeysłowy, który pełni również funkcję serwera przy kounikacji robota z apikacją koputerową. Robot kounikuje się z apikacją zainstaowaną na koputerze PC poprzez opracowany i opisany w koejnych rozdziałach protokół. Ta kounikacja jest dwukierunkowa. Ponadto robot za poocą sygnałów wyjść i wejść cyfrowych steruje chwytakie podciśnieniowy. Robot dysponuje panee przerwań wywoływanych różnyi zdarzeniai, na przykład: reaguje na zbyt ałe ciśnienie w układzie chwytaka, wciśnięcie przycisku włączającego dodatkowe oświetenie opcja systeu ub przycisku awaryjnego zatrzyywania robota. Zaipeentowana do systeu kaera cyfrowa, współpracuje bezpośrednio z oprograowanie, zainstaowany na koputerze PC. Przykład stanowiska aboratoryjnego przeznaczonego do przenoszenia eeentów okrągłych, z zainstaowany oprograowanie systeu przedstawiono na Rys. 4.. Syste składa się z robota przeysłowego ABB IRB 600 z kontroere IRC5, Rys. 4. punkt koputera kasy PC, na który zainstaowano apikację użytkownika, Rys. 4. punkt kaery cyfrowej przekazującej do koputera obraz w wysokiej rozdzieczość, Rys. 4. punkt chwytaka podciśnieniowego z 4 ssawkai oraz Rys. 4. punkt 4 stołu roboczego, na który znajdują się eeenty do przeniesienia. Rys. 4.. Widok stanowiska badawczego do przenoszenia piłeczek. Manipuator robota IRB 600, interfejs apikacji do zarządzania pracą robota, kaera cyfrowa, 4 specjanie zaprojektowany chwytak podciśnieniowy, 5 stół roboczy z piłeczkai 94

95 Obecnie większość producentów robotów przeysłowych w swojej ofercie posiada systey wizyjne. Systey te są najczęściej zintegrowane z kontroerai robotów. Na przykład roboty przeysłowe firy FANUC posiadają wbudowany syste nazwany FANUC irvision. Składa się on z odułu w szafie kontroera oraz z apikacji działającej na ręczny kontroerze. Apikacja ta poprzez swój interfejs uożiwia dokonywanie konfiguracji systeu wizyjnego i na przykład, sposobu wykonywania agorytu sortowania, nieprzytwierdzonych eeentów znajdujących się na podajniku taśowy. Fira ABB da swoich robotów opracowała syste wizyjny nazwany Integrated Vision, który ożna zarządzać za poocą środowiska do syuacji i prograowania robotów o nazwie RobotStudio. Natoiast, producent robotów Kawasaki w kwestii systeów wizyjnych, najczęściej współpracuje z zewnętrznyi firai np. firą Leuze Eectronic i jej systee wizyjny visionpowerbox. Roboty Kawasaki współpracują również z systee wizyjny K- Vision, będący systee otwarty uożiwiający dostosowanie apikacji wizyjnej do konkretnego zadania. 4.. Funkcjonany opis systeu do przenoszenia eeentów Opis działania systeu ożna uporządkować i przedstawić w postaci kiku kroków. Pierwszy krok to uruchoienie systeu. Ze wzgędu na fakt, że robot wykonuje również roę serwera transisji TCP/IP, naeży progra robota włączyć w pierwszej koejności. Następnie po włączeniu wszystkich pozostałych składników systeu, robot ustawia TCP Too Center Point centrany punkt narzędzia w pozycji. Jest to jeden z nieicznych punktów przestrzeni robota, którego współrzędne są trwae zapisane w prograie robota. Punkt ten wyznaczono w procesie kaibracji systeu. Znajdujący się w ty iejscu chwytak robota, z zainstaowaną kaerą cyfrową zapewnia, że obraz z kaery pokaże cały stół roboczy, zaś współrzędna TCP robota, znajduje się w odpowiedniej odegłości od stołu roboczego Rys. 4.. Daje to ożiwość obiczenia poprawnej średnicy eeentu o kształcie kuisty. Apikacja koputerowa jest w stanie podgądu, to znaczy, że pokazywany jest surowy obraz z kaery, co widać na Rys. 4.. punkt. Na ty etapie robot nie kounikuje się z apikacją. Kounikacje ożna nawiązać poprzez wybranie odpowiedniego przycisku w enu apikacji koputerowej. Koejny krok to anaiza przestrzeni roboczej. Progra apikacji sprawdza, czy na przekazany przez kaerę obrazie znajdują się odpowiednie eeenty, sprawdzany jest: koor, kształt oraz wiekość eeentów. Paraetry te zadaje użytkownik systeu. Po zidentyfikowaniu obiektów okrągłych spełniających wyagania, apikacja kontrona podejuje działanie, poprzez wysłanie odpowiedniego rozkazu do robota przeysłowego i następnie oczekuje na rozkaz wykonania przeniesienia. Rozkaz ten wydaje operator systeu. Następny krokie działania systeu jest wykonywanie prograu robota. Progra robota a głównie za zadanie poprawnie interpretować rozkazy, jakie apikacja wysyła do niego i ewentuanie na nie odpowiedzieć. W czasie, gdy niewykonywana jest żadna czynność, robot wysyła rozkaz podtrzyujący kounikację z apikacją. Po wykonaniu wszystkich czynności związanych z przeniesienie eeentów, robot powraca na pozycje e i ponownie oczeku- 95

96 je na rozkaz, pochodzący od operatora. Scheat funkcjonany systeu przedstawia Rys. 4.. Rys. 4.. Opis funkcjonany systeu do przenoszenia eeentów okrągłych 4.. Kounikacja robota z koputere Kounikacja robota z apikacją jest przeprowadzana za poocą protokołu TCP/IP. Po stronie robota został napisany progra, którego agoryt przedstawiono poniżej Rys Po wykonaniu procedury startowej, robot oczekuje na połączenie od apikacji. Progra robota Rys. 4.4 wykonuje się w nieskończonej pęti patrz również Tabea 4.. punkt, której zadanie jest nasłuchiwanie nadchodzących rozkazów, a następnie ich interpretacja. Pęta ta oże być przerwana tyko i wyłącznie w przypadku wystąpienia następujących okoiczności: błędny rozkaz powstały w wyniku zakłócenia transisji, rozkazu zakończenia transisji. Robot i apikacja nieustannie wysyłają rozkazy. Apikacja nasłuchuje asynchronicznie, poprzez uieszczenie kodu prograu odpowiedzianego za kounikację w osobny wątku. Przy projektowaniu oprograowania kounikacyjnego skorzystano z technoogii sygnałów i sotów dostępnych w bibiotece Qt języka C++. Po wykryciu błędnego rozkazu apikacja wysyła do robota rozkaz rozłączenia kounikacji. Tabea 4.. punkt przedstawia procedurę nawiązującą połączenie, a dokładniej procedurę startującą serwer robota. 96

97 Rys Scheat działania prograu po stronie robota będącego serwere 4... Protokół kounikacyjny Na potrzeby systeu został opracowany zestaw rozkazów służący do kounikacji robota i apikacji. Rozkazy wysyłane są za poocą protokołu, którego składnie 4. przedstawiono poniżej. Każdy wysłany rozkaz protokołu składa się z neonika i dwóch operandów. W przypadku rozkazów, w których operandy nie ają znaczenia, ich wartością doyśną jest. 4. Robot obsługuje następujące rozkazy, które zostały zebrane wraz z opisai w Tabea 4.. Tabea 4.. Lista rozkazów robota i apikacji Rozkaz Zastosowanie rozkazu Rozkaz po wykonaniu, którego robot przeieści TCP do punktu o współrzędnych, czyi iejsca przeznaczonego do obserwacji obiektów na stoe roboczy. Rozkaz przeieszczenia TCP robota o okreśoną wartość wzdłuż aejących wartości osi stołu roboczego. Wartość przeieszczenia podawana jest w pierwszy operandzie po dwukropku,. 97

98 Drugi operand jest obowiązkowy, ecz jest ignorowany. Rozkaz przeieszczenia robota o okreśoną wartość wzdłuż rosnących wartości osi stołu roboczego. Wartość przeieszczenia podawana jest w pierwszy operandzie po dwukropku,. Drugi operand jest obowiązkowy, ecz jest ignorowany. Rozkaz zieniający prędkość wykonywania ruchów anipuatora. Da ułatwienia zaipeentowano trzy różne prędkości. Za poocą paraetru pierwszego ożna ustaić prędkość. Dostępne są wartości,,. Po wykonaniu tej instrukcji następuje zaknięcie połączenia sieciowego i wyłączenie prograu robota. Najważniejszy rozkaz w opracowany systeie, po jego wykonaniu robot wywołuje procedurę przeieszenia eeentu okrągłego z pozycji wskazanej w operandach i. Rozkaz podtrzyujący transisję danych. Rozkaz a zastosowanie w przypadku, gdy niewysyłane są żadne rozkazy zarówno ze strony apikacji jak i robota. Po wykryciu takiej sytuacji apikacja wysyła do robota rozkaz, na który robot usi odpowiedzieć, gdy takiego potwierdzenia nie dostanie transisja jest przerywana. Każdy rozkaz zaraz po odebraniu jest weryfikowany w procedurze dekodującej rozkazy. Jeżei zostanie wykryty błędny rozkaz to syste autoatycznie wywoła procedurę rozłączenia transisji Sposób uporządkowania przestrzeni roboczej robota przeysłowego oraz agoryt prograu robota W ceu przeprowadzenia badań poprawności wykrywania i wyznaczania współrzędnych pozycji obiektu kuistego zaprojektowano i wykonano stół roboczy robota Rys Jak ożna zauważyć na rysunku, w stoe wykonane są otwory, w ściśe okreśonych iejscach na rysunku zaznaczono wybrane otwory. Takie podejście znacząco ułatwia wyznaczenie pozycji obiektu o kształcie kui wstawionej w otwór na stoe roboczy. Na rysunku patrz Rys. 4.5 widać również iejsce zaczepienia kartezjańskiego układu współrzędnych stołu roboczego. W opisywany systeie założono, że chwytak oże zabrać eeent kuisty ze stołu roboczego tyko z wyznaczonych iejsc, będących środkai siatki otworów wyciętych w stoe patrz Rys Da uproszczenia przyjęto, że stół posiada otworów zarówno wzdłuż osi i stołu roboczego. Oznaczy przez, 4. gdzie:,, 98

99 Rys Podział stołu roboczego robota na sektory. Koore szary zaznaczono początki układów współrzędnych każdego sektora oraz układy współrzędnych: stołu roboczego, anipuatora, chwytaka, kaery. istotne punkty siatki otworów. Punkty te ożna interpretować, jako nuery otworów w stoe. Rzeczywistą pozycję wzgęde układu współrzędnych stołu roboczego każdego otworu, ożna wyznaczyć ze wzoru [ ], 4. gdzie jest stałą odegłością poiędzy środkai otworów w stoe roboczy wyrażoną w inietrach. Stół ustawiono w przestrzeni roboczej anipuatora w taki sposób, aby nie dopuścić do ustawienia się anipuatora w konfiguracji osobiwej. Początkowo chwytak składał się z jednej ssawki przyocowanej bezpośrednio do nadgarstka anipuatora. Podejście takie spowodowało, że anipuator iał za ały zasięg i fragent stołu znajdował się poza przestrzenią roboczą. W ceu wyeiinowania tej niedogodności, zaprojektowano i zbudowano nowy chwytak, zwiększając zasięg robota. Obecnie chwytak zbudowany jest z profii auiniowych ułożonych w kształt prostokąta. Na każdy z rogów tego prostokąta zaocowano ssawkę. W opracowany systeie, anipuator podczas pojedynczego cyku przenoszenia zabiera ze stołu tyko jeden eeent okrągły. Jako pojedynczy cyk przenoszenia, naeży rozuieć, jednorazowe wywołanie procedury przenoszenia patrz Tabea 4. punkt 6. Zastosowanie czterech ssawek a na ceu przystosowanie systeu do przepro- 99

100 wadzenia badań związanych z optyaizacją cyku przenoszenia. W przyszłości chwytak będzie ógł przenieść więcej niż jeden eeent podczas pojedynczego cyku. Kontroer robota steruje każdą z ssawek oddzienie. W zawiązku z ty zaprojektowano agoryt wyznaczający, która z ssawek i w jaki oencie zostanie użyta. W ceu wyznaczenia odpowiedniej ssawki oraz ułatwienia ipeentacji prograu robota, zaproponowano następujące rozwiązanie. Stół roboczy podzieono na cztery sektory, każdy z sektorów składa się z 5 otworów siatka 5 x 5. Początek układu współrzędnych każdego z sektorów nazwano pozycją bazową. Pozycje bazowe są trwae zapisane w strukturze prograu robota i zostały wyznaczone wzgęde układu współrzędnych stołu roboczego. Do każdego z sektorów przypisano ssawkę, w taki sposób, że ssawka o nuerze pierwszy przenosi tyko eeenty z sektora pierwszego, ssawka o nuerze drugi tyko z sektora drugiego itd. Podział na sektory pokazano na rysunku powyżej Rys Obecnie punkty rzeczywiste wyznaczane będą wzgęde układu współrzędnych sektor, gdzie oraz wyznaczane jest z agorytu 4.4 { Wartość jest także nuere ssawki, jaką naeży użyć, podczas przenoszenia eeentu. Rzeczywiste współrzędne punktów wzgęde układu współrzędnych sektora ożna wyznaczyć ze wzoru [ ] gdzie jest stałą odegłością poiędzy środkai otworów w stoe roboczy,, są współrzędnyi nuerai otworu wzgęde układu współrzędnych bazy oraz i. Naeży w ty iejscu zaznaczyć, że taki podział wpływa korzystnie na dokładność pozycjonowania chwytaka nad otwore. Wynika to z tego, że instrukcje iniowego przeieszczenia anipuatora, wyiczane są nie wzgęde początku układu współrzędnych stołu roboczego, tyko wzgęde początku układu współrzędnych okanej bazy. Datego, gdy któryś z układów współrzędnych baz jest niewłaściwie wyznaczony, to zwiększa się suaryczna wartość niedokładności wyznaczenia pozycji otworu wyrażona w iietrach w sektorze tej bazy. Na rysunku patrz Rys. 4.5 ożna zaobserwować zaeżności poiędzy układai współrzędnych: anipuatora, chwytaka, kaery, stołu roboczego, sektorów. Wektor transacji i acierz rotacji układu współrzędnych kaery zostały wyznaczone eksperyentanie i są zapisane w strukturze prograu robota. Za transforację punktów poiędzy wyżej 00

101 wyienionyi układai współrzędnych odpowiadają wewnętrzne układy kontroera robota. Mając inforację o współrzędnych punktu ożna wygenerować instrukcje ruchu robota. Manipuator przeieszcza się za poocą instrukcji ruchu iniowego oraz instrukcji offsetowych [] patrz Tabea 4. punkt 7. Są to podstawowe instrukcje każdego języka prograowania robotów przeysłowych. W zaprojektowany systeie, zgodnie z przyjętą składnią rozkazów, za ruch robota odpowiedziana jest instrukcja. 4.7 Rozkaz ten wywołuje procedurę agoryt:, gdzie wykonywany jest następujący sprawdź, czy operandy i są poprawnyi nuerai otworu; na podstawie i obicz pozycję bazową sektora, gdzie znajduje się eeent do przeniesienia oraz okreś nuer ssawki, która zostanie użyta; obicz współrzędne punktu wzgęde układu bazowego; dokonaj niezbędnej transforacji wewnętrzne układy kontroera robota na układ współrzędnych anipuatora; przeieść chwytak z pozycji do pozycji o współrzędnych Współrzędna punktu jest wartością stałą i okreśana jest przez operatora systeu. Jest to wysokość eeentu zakwaifikowanego do przeniesienia. Do współrzędnej dodawana jest stała wartość 40.; zniejsz prędkość przeieszczania i wykonaj ruch w dół chwytakie wzdłuż współrzędnej stołu roboczego wartość zostanie zniejszona o 40. włącz ssanie ssawki, zabierz eeent; ciąge ze zniejszoną prędkością wykonaj ruch w górę wzdłuż współrzędnej stołu roboczego wartość zostanie zwiększona o 40. wykonaj procedurę, Procedura przenoszącą eeent do iejsca wskazanego przez operatora systeu.; wyłącz ssanie ssawki. Chwytak zawsze zachowuje orientację równoegłą do stołu roboczego. W obecnej ipeentacji systeu, poiędzy koejnyi pobraniai TCP jest pozycjonowane poprzez punkt. Poniżej Tabea 4.. przedstawia najważniejsze fragenty kodu prograu robota napisanego w języku RAPID. 0

102 Tabea 4.. Fragentu kodu prograu robota Lp. Instrukcja robota Koentarz MoveJ caerahoe, speedh, z50, chwytak\wobj:= pyta; Przeieszczenie anipuatora robota do pozycji 4 5 TransisjaConnect; PROC TransisjaConnect SocketCreate oj_serwer; SocketBind oj_serwer, " ", 06; SocketListen oj_serwer; SocketAccept oj_serwer, kient; ENDPROC WHILE TRUE DO Transisja; IF RozpoznanieZiennej = FALSE THEN opcja.rozkaz:="stop:"; TransisjaDisconnect; ENDIF WykonajRozkaz; ENDWHILE PROC WykonajRozkaz TEST opcja.rozkaz CASE "hoe:": hoe; CASE "ping:": SendMesage "pong:"; CASE "step:": steptopoint opcja.warx, opcja.wary; CASE "stop:": TransisjaDisconnect; ENDTEST ENDPROC FUNC boo RozpoznanieZiennej reg := StrLentext_odebrany; IF reg <= 0 THEN RETURN FALSE; ENDIF reg :=StrFindtext_odebrany,,":"; opcja.rozkaz := StrParttext_odebrany,,reg; reg:=strfindtext_odebrany,reg-,"."; Nawiązanie połączenia z apikacja zewnętrza za poocą socket ów. Główna nieskończona pęta nasłuchowa robota. Wykonująca transisję i rozkazy. W przypadku nierozpoznania rozkazu pęta kończy transisję. Procedura wywołująca odpowiednią procedurę składową wynikającą z przesłanego rozkazu. Funkcja rozpoznająca rozkazy. W rejestrze robota przechowywana jest długość ciągu znakowego otrzyanego od apikacji. Wyszukiwanie końca rozkazu. Zapisywanie rozkazu do struktury rozpoznanych rozkazów. W rejestrze robota przechowywana jest pozycja pierwszego znaku paraetru. 0

103 6 7 IF reg > reg OR reg > reg THEN RETURN FALSE; ENDIF ok :=StrToVaStrParttext_odebrany,reg+,reg- reg,opcja.warx; ok:= StrToVaStrParttext_odebrany,reg+, reg-reg,opcja.wary; RETURN TRUE; ENDFUNC PROC steptopointnu x, nu y IF x >= 0 AND x < 0 AND y >= 0 AND y <0 THEN SendMesage "busy:"; takemove cacbasex,y,nuber, x, y, nuber; putmove put0, put0, nuber; SendMesage "notbusy:"; ENDIF ENDPROC PROC takemoverobtarget point, nu px, nu py, nu nuber MoveL Offspoint, -px MOD basediv*off, -py MOD basediv*off, 0, speedh, z0, chwytak\wobj:=pyta; ENDPROC Uzupełnianie struktury rozpoznanych rozkazów o wartości paraetrów i. Procedura wykonująca ruch anipuatora do wskazanej pozycji. Funkcja wykonyje ruch robota wzgęde wyiczonej bazy za poocą funkcji. Fragent procedury generującej ruch iniowy anipuatora. 4.. Zastosowany syste wizyjny Na potrzeby systeu został opracowany, a następnie zaipeentowany prosty agoryt inspekcyjny rozpoznający obiekty, których rzut na stół roboczy a kształt okręgu. W niniejszej pracy, cały proces związany z rozpoznawanie obiektów zostanie opisany w sposób ogóny. Wynika to z faktu, że nie jest to syste poiarowy. Zadanie tego systeu wizyjnego jest wskazanie, czy w dany otworze stołu roboczego robota znajduje się eeent okrągły. Zastosowane przekształcenia obrazu wyeiinują wszystkie obiekty nieające wyaganego kształtu, np. kwadratowe. Oczywiście nie poradzą sobie w sytuacji, gdy rozpoznawany eeent a w rzucie kształt owany. Transforata Hough a da okręgów a pewne właściwości aproksyacyjne i taki obiekt da systeu również będzie poprawny. Ważne jest, aby przed przystąpienie do testowania systeu wizyjnego przeprowadzić procedurę kaibracji. W procedurze tej ożna okreśić: średnicę obiektu np. 40, toerancję średnicy np. 0, paraetry związane z koore RGB np. 0-55, 0-65, 0-0 obiektu. Rozpoznawany obiekt usi ieć średnicę większą niż 5. W opracowany systeie założono, że wszystkie eeenty ają taką saą wysokość, którą operator wprowadza do apikacji, jako paraetr. Jest to typowa sytuacja na inii produkcyjnej, gdzie aszyna wytwórcza wykonuje takie sae detae, które następnie są transportowane podajnikie taśowy do iejsca segregowania. 0

104 Podobnie jak stół roboczy stanowiska zrobotyzowanego, obraz z kaery również podzieono na 00 obszarów siatka 0 na 0. Podczas, gdy syste wizyjny rozpozna w któryś z obszarów obiekt, to nuer tego obszaru zostanie przesłany do prograu robota, jako operandy rozkazu. Nuer obszaru obrazu odpowiada nuerowi otworu w stoe. Takie rozwiązanie uożiwia, zastosowanie agorytu, gdzie wszystkie obiekty są rozpoznawane jednocześnie. W ceu przetworzenia obrazu z kaery, zastosowano podstawowe funkcje z bibioteki OpenCV języka C++. Poniżej na rysunku Rys. 4.6 przedstawiono koejne etapy przetwarzania obrazu w zaproponowany systeie. Na zarejestrowany koorowy obrazie przeprowadzono operację transforacji obrazu, ającą na ceu wykrycie zadanego kooru. Koor podawany jest zawsze w pewny zakresie intensywności RGB. Koejny krokie agorytu jest ziana obrazu koorowego na obraz w skai szarości. Obraz koorowy jest obraze nadiarowy, składa się z trzech raek i każda z tych raek zawiera te sae inforacje o kształcie i pozycji piłeczki. Następny bardzo ważny krokie jest przeprowadzenie procedury wykrywania krawędzi. Do tego zadania zastosowano transforatę Canny []. Operator Canny jest oparty na transforacie Sobe a z taki założenie, że do poprawnej pracy operatora naeży zastosować dwa progi, niski i wysoki. W cyfrowy przetwarzaniu obrazów, za próg będziey uważai pewną nieujeną iczę z zakresu odpowiadająceu wartości intensywności skai szarości przetwarzanego obrazu, która będzie wskazywała, czy dany pikse naeży do szukanego przez nas obiektu, czy nie naeży. Niski prób pozwaa na pozostawienie w obrazie przetworzony dużej iczby krawędzi, również tych krawędzi niepożądanych. Ważne jest, żeby tak dobrać niski próg, aby krawędzie, które nas interesują były wyraźne i ciągłe. Rys Koejne etapy przetwarzania obrazu ające na ceu wyłonienie współrzędnych środka rozpoznanego okręgu oraz jego proienia Wysoki próg naeży dobrać w taki sposób, aby na obrazie wyjściowy pozostały tyko istotne krawędzie. W ty przypadku naeży pogodzić się z fakte, że granice obiektu eeentów okrągłych będą nieciągłe. Powyższe progi dobieray w procedurze kaibracji 04

105 systeu. Następnie za poocą transforacji Sobe a ożna uzyskać pożądane granice eeentu okrągłego, które są ciągłe i cienkie. Transforata Sobe a jest podstawową operacją segentacji, której zadanie jest wykrycie krawędzi. Aby ją wykorzystać zbudowano acierze segentacji jądra o wyiarach x piksei, złożoną ze współczynników równań różniczkowych cząstkowych. Poniżej przedstawiono acierze jądra [ ], [ ] 4.8 gdzie acierz jądra da inii pozioych, acierz jądra da inii pionowych. Następnie przeprowadzono operacje spotu acierzy segentacji z obraze oryginany, co ożna przedstawić za poocą równań,, 4.9 gdzie jest acierzą przechowującą obraz oryginany. Ostatecznie obraz z wykrytyi krawędziai obiczano ze wzoru. 4.0 Zastosowana w pracy funkcja transforacji Sobe a wykorzystuje osie acierzy jądra. Każda acierz obracana jest o kąt 45 stopni. Rys Wynik działania agorytu Hough a wyznaczającego środki koor zieony wykrytych obiektów o kształcie okrągły fragent stołu roboczego 05

106 Przed przystąpienie do procedury wykrycia okręgów ożna zastosować fitry, które poprawią jakość obrazu []. Po uzyskaniu inforacji o krawędziach obrazu przeprowadzono procedurę zwaną transforata Hough a da okręgów [4]. Na Rys. 4.7 przedstawiono wynik działania agorytu wykrywania kształtu kuistego. Wynik ten czerwone okręgi naniesiono na obraz oryginany Przeprowadzone testy systeu Do przeprowadzenia testów wybrano robota przeysłowego o sześciu stopniach swobody firy ABB o sybou IRB600. Robot wyposażono w chwytak podciśnieniowy oraz kaerę cyfrową Logitech o sybou 90C. Kaera przesyła obraz do koputera w rozdzieczości 90 x080 piksei. W przestrzeni roboczej anipuatora zaontowano stół roboczy, będący płytą z wyciętyi otworai oddaonyi od siebie o 60 środki tych otworów, każdy otwór a 8 średnicy. Otworów tych jest 00 i są ułożone w siatkę 0 otworów na 0. Do testów przygotowano piłeczki to tenisa stołowego, każda piłeczka a 40 średnicy. Przeprowadzono testy działania systeu. Podczas wykonywania prób w serii, w aboratoriu panowały podobne warunki oświetenia. Najczęściej było to białe światło pochodzące ze standardowych ap aboratoryjnych. Manipuator nie był wyposażony w dodatkowy oświetacz. Przeprowadzono serie 0 prób. Każda próba iała po takich saych ustawień piłeczek na stoe roboczy. W każdej serii znajdowały się piłeczki poarańczowe 0 sztuk, które robot a przenieść oraz piłeczki białe sztuki, które robot a ignorować. Oprograowanie systeu za każdy raze poprawnie odrzucało piłeczki białe. W tabei patrz Tabea 4.. przedstawiono wynik da wybranych serii poiarowych w postaci współczynnika rozpoznawaności zdefiniowanego następująco, 4. gdzie M jest iczbą poprawnie rozpoznanych poarańczowych piłek, jest -tą piłeczką kooru poarańczowego. Naeży zwrócić uwagę, że wybrane serie i były przeprowadzone ze sztuczny oświetenie, pochodzący z ap oświetających poieszczenie aboratoriu patrz Tabea 4... Następne badania w takich saych warunkach oświetenia dawały podobny rezutat, czyi wysoki współczynnik rozpoznawania eeentów. Przytoczona da przykładu seria i 4 była wykona jedynie z oświetenie naturany. Wyniki otrzyane podczas prób przy naturany świete słoneczny dawały bardzo różny współczynnik rozpoznawaności i był on sinie uzaeżniony od pory dnia. Całkowity współczynnik rozpoznawaności obiczony, jako średnia wartość wszystkich serii, wyniósł 0,78. Wnioskować ożna, że syste działa poprawnie, jednakże w przyszłości w ceu podniesienia wartości współczynnika rozpoznawaności naeży zaontować oświetacz. W opisywany systeie skupiono się głównie na testowaniu poprawności kounikacji wszystkich podzespołów oraz poprawności generowania statycznych ścieżek anipua- 06

107 tora. Wszystkie testy związane z wyżej wyienionyi probeai zakończyły się pełny sukcese. Testowane oprograowanie w każdy oencie pracy działało poprawnie. Tabea 4.. Wybrane serie poiarowe - poprawność rozpoznania i przeniesienia piłeczek poarańczowych Seria Próba Średnia 0,9 0,9 0,9 0,97 0,9 0,99 0,9 0,8 0,8 0,9 0,7 0,7 0,6 0,7 0,8 0,8 0,77 4 0,8 0,8 0,7 0,7 0,6 0,7 0,6 0,8 0,6 0,7 0,7 5 0,8 0,9 0,9 0,8 0,8 0,7 0,8 0,7 0,8 0,9 0,8 6 0,7 0,8 0,9 0,8 0,8 0,9 0,9 0, ,9 0,8 0,9 0,9 0,9 0,94 9 0,6 0,5 0,4 0,6 0,7 0,4 0,5 0,6 0,6 0,6 0,55 0 0,6 0,6 0,8 0,8 0,9 0,8 0,8 0,8 0,9 0,9 0, Podsuowanie i wnioski Zaprezentowany syste przenoszenia eeentów kuistych z użycie robota przeysłowego i systeu wizyjnego działa poprawnie. Udało się zintegrować robota przeysłowego z apikacją działającą na koputerze PC, przy użyciu protokołu kounikacji TCP/IP. W raach zaproponowanego i opisanego projektu napisano progra w języku RAPID działający w systeie robota służący do: kounikacji z apikacją zewnętrzną, interpretacji rozkazów, generowania ścieżki robota, reagujący na przerwania. Napisano również apikację okienkową w języku C++, w której zaipeentowano agoryty kounikacji tejże apikacji z robote za poocą protokołu TCP/IP. Ponadto dzięki zaipeentowaniu agorytów przetwarzających obraz, apikacja a ożiwość interpretacji przekazywanego przez kaerę cyfrową obrazu. Główny zadanie apikacji jest wyszukiwanie obiektów kuistych, piłeczek poarańczowych o okreśony roziarze, koorze i odstępie iędzy obiektai. Główne okno apikacji koputerowej podzieone jest na dwie części. W prawej operator a ożiwość obserwacji przestrzeni robota poprzez bezpośredni przekaz obrazu z kaery. W ewej części a szereg przycisków funkcyjnych takich jak: połącz z robote, przeieść anipuator na pozycję, czy wykonaj cyk przenoszenia, usta prędkość itd. Operator w tej części okna głównego a również ożiwość graficznego podgądu rozieszczenia zakwaifikowanych do przeniesienia obiektów okrągłych. Operator w każdej chwii oże wydać poecenie nakazujące apikacji ponową interpretację przestrzeni roboczej stołu. 07

108 Z przeprowadzonych badań nad dokładnością wykrywania eeentów okrągłych ożna wysnuć wniosek, że oświetenie jest czynnikie decydujący o powodzeniu operacji wykrywania obiektów. Naeży zaznaczyć w ty iejscu, że kaera robota nie posiada dodatkowego oświetacza. W pracy opisano podział przestrzeni stołu roboczego na sektory. Podział ten korzystnie wpłynął na dokładność pozycjonowania chwytaka nad piłeczką przeznaczoną do przeniesienia, ponieważ zniejszyła się suaryczna wartość błędów związana z instrukcjai offsetowyi robota. Ponadto podział na sektory i przyporządkowanie i konkretnej ssawki chwytaka robota nie tyko zwiększa zasięg anipuatora, ae i przyspiesza proces przenoszenia. Zadanie przenoszenia eeentów okrągłych zreaizowano, za poocą specjanie przygotowanego stołu z wyciętyi otworai, tak aby wygąd sceny robota, podczas każdej testowej serii był identyczny. Takie podejście ograniczyło iczbę pozycji współrzędne wzgęde rogu stołu roboczego robota, z których robot zabiera piłeczki. Wieokrotnie przetestowano oprograowanie i jest ożiwe pobranie piłeczki z dowonego iejsca stołu. Dodatkowe zniejszenie czasu cyku pracy jest ożiwe poprzez zastosowanie agorytu pobierającego więcej niż jedną piłeczkę w czasie jednej operacji przenoszenia. Obecnie zaipeentowano agoryt szeregujący istę wykrytych piłeczek do przeniesienia w taki sposób, że piłeczki są przenoszone ze stołu po jednej z każdego sektora. Opisany w niniejszej pracy syste jest próbą pokazania gotowej apikacji, którą ożna zastosować w przeyśe, na przykład: sortowania, paetyzowania. Zbudowany syste ożna traktować, jako patforę do daszych prac badawczych nad zastosowanie systeów wizyjnych w robotyce poprzez testowanie nowych agorytów: anaizy obrazów, kounikacji, szeregowania zadań, sztucznej inteigencji. Piśiennictwo [] ABB Robotics Products AB DPT / MT S-768 VÄSTERÅS SWEDEN RAP- ID Reference Manua HAC 0966-For BaseWare OS. Rev. [] CANNY, John. A coputationa approach to edge detection. Pattern Anaysis and Machine Inteigence, IEEE Transactions on, 986, 6: [] JANECKI, Dariusz; CEDRO, Leszek. Deterining of signa derivatives with the use of regressive differentia fiters. PRZEGLAD ELEKTROTECHNICZNY, 0, 87.8: 5-59 [4] PEDERSEN, Sion Just Kjedgaard. Circuar hough transfor. Aaborg University, Vision, Graphics, and Interactive Systes,

109 5. Wybrane zagadnienia konstrukcji teeanipuatora Początki teeedycyny sięgają at 60-tych dwudziestego wieku. W roku 964 przeprowadzona została pierwsza operacja na odegłość operacja endarterektoii tętnicy szyjnej dr Michae DeBakey []. Jednak dopiero w roku 994 dopuszczony do zastosowań edycznych został pierwszy robot, który pozycjonował kaerę w czasie operacji aparoskopowych. Pod koniec at 90-tych iało iejsce zdecydowane przyspieszenie rozwoju operacji ałoinwazyjnych wykorzystujących roboty i anipuatory edyczne. Lata to okres kiedy pojawiły się roboty ZEUS i DaVinci. W roku 00 za poocą robota DaVinci została wykonana pierwsza operacja na odegłość operacja Lindbergh nazwa pochodzi od nazwiska piota, który zasłynął pierwszy przeote iędzy ąde Aeryki Północnej, a Europą bez iędzyądowań było to usunięcie pęcherzyka żółciowego pacjentce ze Strasburga przez ekarzy w Nowy Jorku. W Posce pierwszą udaną syuację operacji na odegłość przeprowadzono w 00 roku z wykorzystanie robota RobInHeart opracowanego przez Fundację Rozwoju Kardiochirurgii z Zabrza [], []. 5.. Przegąd robotów stosowanych w edycynie Intensywny rozwój inżynierii bioedycznej oraz edycyny sprawia, że na rynku pojawiają się coraz nowsze i bardziej doskonałe roboty i narzędzia chirurgiczne, które poagają chirurgowi reaizować jego isję ratowanie udzkiego życia i zdrowia [4]. Aktuanie na saach operacyjnych stosowane są dwa typy robotów kardiochirurgicznych: DaVinci Rys. 5. a oraz ZEUS Rys. 5. b. Robot DaVinci jest najpopuarniejszy aktuanie robote edyczny wspierający zespół edyczny w czasie operacji. Jego budowa oparta jest najczęściej na czterech raionach zdarzają się również apikacje w wersji trzy raiennej. Jedno z raion odpowiada za pozycjonowanie kaery w obszarze operacyjny, a na pozostałych raionach robota uieszczane są narzędzia chirurgiczne, które poruszane są zgodnie z woą chirurga uożiwiając u przeprowadzenie zabiegu.

110 a b Rys. 5.. Przykładowe rozwiązania konstrukcyjne: a Robot DaVinci.; b Robot ZEUS Dodatkowo każdy syste wyposażony jest w konsoę, która uożiwia chirurgowi zadawanie ruchu za poocą anetek, a syste wizyjny przekazuje obraz z poa operacyjnego na onitory ub okuary stereoskopowe, sprawiając wrażenie głębi w ceu bardziej intuicyjnego operowania narzędziai. Aternatywny systee spotykany na saach operacyjnych jest robot ZEUS Rys. 5.a firy Coputer Motion. Jego budowa, w przeciwieństwie do DaVinci, charakteryzuje się trwały przytwierdzeniu korpusu robota do stołu operacyjnego. Najczęściej stosowana była konfiguracja trójraienna, wyposażona w konsoę sterowniczą. Robot ZEUS nie jest aktuanie rozwijany, a prawa patentowe i konstrukcyjne do robota przejęła w 00 roku fira Intuitive Surgica. W wyniku przejęcia firy Coputer Motion przez Intuitive Surgica zaprzestana została produkcja robota ZEUS i aktuanie jedyną patforą dostępną koercyjnie jest robot DaVinci. W Posce od kikunastu at zespół pod kierownictwe dr. hab. Zbigniewa Nawrata Fundacja Rozwoju Kardiochirurgii z Zabrza projektuje oraz udoskonaa robota RobIn- Heart Rys. 5. [][5], [6], [7], [8], który iałby stać się konkurencją da bardzo drogiego rozwiązania DaVinci [9]. Rys. 5.. Raię robota RobInHeart. 0

111 Operacje ałoinwazyjne [0], wykorzystujące aparoskop ub syste robotowy czy anipuatory, stanowią coraz większy odsetek ogónej iczby operacji wykonywanych w takich gałęziach edycyny jak [5], []: kardioogia, uroogia, ginekoogia, neurochirurgia, chirurgia ogóna, ortopedia. Wbrew yneu przekonaniu najwięcej operacji nie jest wykonywanych w karioogii ze wzgędu na trudne dojście do narządów, które ają być poddawane operacji. Najczęściej operacje z wykorzystanie robotów stosuje się w uroogii największy odsetek stanowią zabiegi prostatektoi []. 5.. Składowe systeu teeanipuatora Syste teeanipuatora ożna podzieić na kika eeentów ściśe ze sobą współpracujących. Zaproponowany przez autora podział systeu na eeenty składowe, które zostały oówione w niniejszej pracy przedstawia scheat. Rys. 5. Zadajnik Konsoa chirurga Przesył danych teetransisja Układ sterowania Struktura echaniczna Tor wizyjny + biofeedback Układy zasiania Rys. 5.. Składowe boki struktury systeu teeanipuatora. Konsoa chirurga zadajnik ruchu stanowi bardzo ważny eeent systeu, gdyż jest odpowiedziana za uożiwienie zdefiniowania chirurgowi ruchów, które powinny zostać odtworzone przez anipuator ub robota. W koejny kroku dane są przesyłane do układu sterowania za poocą teetransisji, która oże być reaizowana na różne sposoby od sieci kabowych poprzez transisję radiową do układów hybrydowych. Układ sterowania w połączeniu ze strukturą echaniczną anipuatora stanowią trzon systeu robotowego, zapewniając odpowiednią dokładność, stabiność oraz bezpieczeństwo w czasie operacji da

112 pacjenta, jak również da zespołu asystującego. Dopełnienie systeu, a jednocześnie jego niezbędny eeente jest tor wizyjny i biofeedback, które uożiwiają weryfikację położenia końcówki eeentu wykonawczego skapea, chwytaka, nóża z koaguacją, itp. pozwaając na bezpieczne i szybsze operowanie narzędziai w ciee pacjenta w porównaniu do kasycznego podgądu aparoskopowego. 5.. Struktura systeu teeanipuatora Typową strukturą, w jakiej pracują teeanipuatory i roboty edyczne, jest układ Master-Save. W iteraturze [], [] ożna znaeźć scheat typowej struktury teeanipuatora Rys. 5.4, gdzie wyraźnie oddzieona została część Master eeenty systeu kontroowane przez człowieka ekarza nadzorującego operację od części Save eeenty wykonawcze teeanipuatora sterowania oraz eeentów wykonawczych wprawiających raię robota w ruch. Rys Scheat bokowy struktury teeanipuatora. Scheat Rys. 5.5 przedstawia warstwową strukturę teeanipuatora z wyraźny oddzieenie warstwy kounikacyjnej. Struktura Master skupia się wokół ekarza i jego ruchów zadających kierunek działania aszyny, następnie dane są w odpowiedni sposób konwertowane i przesyłane za poocą warstwy pośredniej kounikacyjnej do struktury Save, która odpowiada za odwzorowanie ruchu chirurga w przestrzeni operacyjnej. Na część Save systeu składa się układ sterowania, konstrukcja echaniczna robota, syste bezpieczeństwa oraz układ wizyjny, z którego dane za poocą warstwy kounikacyjnej są przekazywane do struktury Master, a następnie prezentowane operatorowi na ekranach onitorów ub w okuarach stereoskopowych. Coraz częściej ożna spotkać się z kontroerai haptycznyi, które pozwaają na odczuwanie oporu tkanek oraz pozwaają chirurgowi na łatwiejsze diagnozowanie z wykorzystanie dodatkowego bodźca dotyku, który jest bardzo istotny narzędzie w codziennej pracy chirurga.

113 Rys Scheat struktury teeanipuatora z podziałe na warstwy []. Zadawanie ruchu, rozuiane jako definiowanie ziany położenia końcówki teeanipuatora w przestrzeni, stanowi bardzo ważne i trudne zadanie. Największą trudność sprawia zapewnienie odpowiedniego kofortu ekarzowi i ergonoii zadajnika tak, aby chirurg ógł skupić się jedynie na zadaniu, które a wykonać, a nie na sposobie w jaki a zdefiniować ruch raienia. W iteraturze ożna spotkać wiee opisów dotyczących projektów konstrukcyjnych anipuatorów [4]. Rys. 5.6 a b c d e Rys Wybrane przykłady zadajników ruchu []. Autorzy pracy [4] zaproponowai różne etody zadawania ruchu od propozycji przygotowania zadajnika przypoinającego joystick koputerowy Rys. 5.6 a, gdzie chirurg usi nabyć odpowiedniej wprawy, przejść cyk szkoeń i warsztatów. Przedstawiony na Rys. 5.6 b, interfejs haptyczny pozwaa na odczuwanie oporu tkanek oraz na epszą

114 orientację w pou operacyjny przez chirurga. Podejowane były również próby skonstruowania zadajnika przypoinającego narzędzie aparoskopowe Rys. 5.6 c, jednak z doniesień iteraturowych wynika, że była to próba nieudana. Sterowanie głosowe oraz za poocą systeu wizyjnego z zastosowanie odpowiednich arkerów na ciee chirurga jest aktuanie testowany rozwiązanie. Rys. 5.6 c, e Niestety te propozycje nie spotkały się jak na razie z entuzjastyczny przyjęcie przez ekarzy, którzy twierdzą, że na obecny etapie rozwoju technicznego, sprawnych dłoni chirurga nie ożna zastąpić. Z tego wzgędu aktuanie największy nacisk położony jest na rozwój zadajników ze zwrotny sprzężenie siłowy, pozwaający chirurgowi odczuwać sytuacje z poa operacyjnego. Nieziernie ważne w przypadku zadawania ruchu jest odpowiednie zwizuaizowanie przestrzeni roboczej poa operacyjnego, do czego wykorzystywane są systey wieoonitorowe oraz okuary stereoskopowe prezentujące obszar roboczy oraz najważniejsze paraetry życiowe pacjenta, które są istotne da operatora w czasie przeprowadzania zabiegu. Przekazanie inforacji o zianie położenia zadajnika, a co za ty idzie układu wykonawczego anipuatora odbywa się dzięki warstwie teeetrycznej, gdzie istotny paraetrai jest czas opóźnienia nie oże on być większy niż 0,0 s gdyż wtedy operator przestaje ieć kontroę w czasie rzeczywisty nad anipuatore i istnieje ryzyko uszkodzenia tkanek ub organów wewnętrznych pacjenta. Scheat kounikacji w warstwie teeetrycznej został zaprezentowany na scheacie Rys Rys Scheat teetransisji w systeie teeanipuatora. Bardzo istotny z punktu widzenia bezpieczeństwa pacjenta oraz sprawnego przebiegu operacji jest układ sterowania, który w połączeniu z systee bezpieczeństwa usi zapewnić odpowiednie warunki do pracy da chirurga. Sterowanie odgrywa kuczową roę w każdy systeie z wykorzystanie anipuatorów ze wzgędu na nogość zadań jakie usi zapewnić. Począwszy od wprawienia w ruch konstrukcji echanicznej za pośrednictwe odpowiednio sterowanych napędów poprzez zapewnienie systeu bezpieczeństwa eiinującego potencjane ryzyko narażające pacjenta na uszkodzenia ciała, aż po biofeedback zapewniający chirurgowi większą ożiwość interakcji z poe operacyjny niż w przypadku standardowej operacji aparoskopowej. Bardzo trudnyi i ważnyi z punktu widzenia bezpieczeństwa są dokładność odwzorowania ruchów ekarza w przestrzeni operacyjnej, ae również eiinacja niepożądanych ruchów jak drżenie ręki czy przypadkowe 4

115 skokowe przesunięcie dłoni operatora na skutek koizji z inny eeente środowiska operacyjnego [] Budowa anipuatora Istnieje kika ożiwych rozwiązań konstrukcyjnych pozwaających na zaprojektowanie anipuatora ub robota na potrzeby edycyny. Każdorazowo jednak usi być zachowana zasada stałego punktu przejścia przez powłoki ciała. Ze wzgędu na charakter przeprowadzanych anipuacji stały punkt przejścia przez powłoki ciała w iejscu zainstaowania trokaru oże być zapewniony na kika sposobów [5], [6]: Mechanicznie: z zastosowanie echanizu stałopunktowego, np. opartego na echanizie równoegłoboku, poprzez odebranie wszystkich stopni swobody portowi, który stanowi dostęp da narzędzi do ciała. Prograowo: poprzez prograowe zapewnienie stałopunktowości iejsca przejścia przez powłoki ciała port. Metoda prograowego zapewnienia stałego punktu przejścia przez powłoki ciała została zastosowana w patforie DaVinci, gdzie wszystkie raiona robota na początku operacji pozycjonuje się w odpowiednich trokarach i kaibruje punkty przejścia przez powłoki ciała jako niezienne w czasie [7]. Aternatywne podejście stosuje zespół naukowców z Zabrza w konstrukcji robota RobInHeart, gdzie zasadę stałopunktowości zapewnia konstrukcja echaniczna robota oparta na echanizie równoegłoboku. Rys. 5.8 Rys Mechaniz równoegłoboku. 5

116 Końcówka przechodząca przez stały punkt a odebrany jeden stopień swobody transację. Można to zobrazować na przykładnie kui, gdzie końcówka operacyjna przechodzi przez punkt centrany kui, który jest punkte niezienny. [8] Ze scheatu kineatycznego teeanipuatora RobInHeart Rys. 5.8, ożna poiczyć ruchiwość echanizu wykorzystując wzór 5.: [9] 5. gdzie: n iczba członów ruchoych echanizu wraz z podstawą, iczba par kineatycznych kasy i, oraz i =, 5. Prezentowaną strukturę echanizu ożna uprościć do echanizu płaskiego, wówczas wzór 5. przyjuje postać: 5. Autor zaprojektował własną strukturę echaniczną anipuatora, której scheat kineatyczny zaprezentowano w pracy. Rys. 5.9 Rys Scheat kineatyczny projektowanego anipuatora. Na scheacie Rys. 5.9 zaznaczono orientację okanych układów współrzędnych, które pozwaają na poprawne przeprowadzenie anaizy kineatycznej raienia wg notacji Denavita-Hartenberga. Tabea. przedstawia usytuowanie każdego z układów współrzędnych koniecznych do wykonania transforacji przekształcenia. 6

117 Tabea 5.. Układy przekształceń wg notacji Denavita-Hartenberga Układ. Θ i d i a i α i 0 0 a var +a 0 0 d var a 0 Θ var d d 4 0 α 4 5 Θ 5var Θ 6 0 a 6var Projekt CAD i MES prototypu raienia anipuatora Autor, korzystając z wyników przeprowadzonych anaiz oraz doniesień iteraturowych [8], [5], [0], [], [] zaprojektował raię anipuatora z zastosowanie prograu Soid Works Rys Mając na uwadze gotowe rozwiązania konstrukcyjne funkcjonujące w przeyśe edyczny, zaprojektowano echaniz podobny strukturą do poskiego robota edycznego RobInHeart działający na tej saej zasadzie równoegłoboku dzięki czeu echanicznie została zapewniona zasada stałopunktowości. Rys Mode CAD raienia anipuatora. Bardzo istotny probee napotykany w czasie projektowania konstrukcji anipuatora jest osiągnięcie prawidłowej pozycji przez końcówkę anipuatora oraz utrzyanie osiągniętej pozycji. Następnie przeprowadzono anaizę wytrzyałościową ogniw echanizu stałopunktowego etodą eeentów skończonych, której wyniki naprężeń i odkształceń zostały przedstawione w forie ap da raienia Rys

118 Rys. 5.. Wyniki anaizy nuerycznej - naprężenia i odkształcenia występujące w raieniu 5.. Wyznaczono również częstości drgań własnych raienia zaprezentowane w Tabea Tabea 5.. Częstotiwości rezonansowe raienia Liczba postaci drgań Częstość drgań własnych [rad/s] Częstotiwość [Hz] Po przeprowadzeniu anaiz etodą MES wykonano prototyp anipuatora Rys. 5.. Następnie opracowano stanowisko badawcze, w skład którego wchodzi anipuator, układ napędowy oraz układ sterowania wykorzystujący patforę Nationa Instruent CopactRio. Oprograowanie prototypowe zostało zaipeentowane w systeie czasu rzeczywistego NI RT Modue. 8