ROBOT STEROWANY TRZYOSIOWYM D OJSTIKIEM DOTYKOWYM Z CIECZ MAGNETOREOLOGICZN

Transkrypt

1 dr in. Piotr Gaw owicz mgr Marcin Chciuk mgr in. Pawe Bachman Uniwersytet Zielonogórski ROBOT STEROWANY TRZYOSIOWYM D OJSTIKIEM DOTYKOWYM Z CIECZ MAGNETOREOLOGICZN W artykule przedstawiono konstrukcj wieloosiowego d ojstika dotykowego, badania obrotowych hamulców z ciecz magnetoreologiczn oraz opis uk adu sterowania oraz budow wykorzystywanego do bada robota. Zako czenie artyku u zawiera wyniki bada. ROBOT ARM CONTROLLED BY A THREE-AXIAL HAPTIC JOYSTICK WITH MAGNETORHEOLOGICAL FLUID AND FORCE FEEDBACK The article includes multiaxial haptic joystick s specification, studies of rotary dampers with magnetorheological fluid and description of robot s control system as well as the construction of the robot used for the research. Finally, a research result is presented.. WST P D ojstiki, jako elementy zadaj ce, znane s od kilkudziesi ciu lat. Wykorzystywane s one zarówno jako urz dzenie wej cia komputera np. w grach komputerowych, jak i do sterowania ró nego rodzaju maszynami (d wigi, koparki). Jednak dopiero od niedawna produkowane s d ojstiki wykorzystuj ce si owe sprz enie zwrotne. Równie one mog znale zastosowanie w przemy le [, 2, 3], zast puj c tradycyjne d ojstiki. Mog yby one przekazywa operatorom maszyn informacje o stanie urz dzenia np. jaka masa jest podnoszona lub jakie opory napotyka narz dzie, a nawet uniemo liwia sterowanie w momencie wykrycia awarii. D ojstik Po o enie X, Y, Z Komputer PC + _ Reg Robot Po o enie Czujniki Obci enie Hamulce MR X, Y, Z Reg si y X, Y, Z Rys.. Idea sterowania robotem z dodatkowym si owym sprz eniem zwrotnym Za o eniem projektowym niniejszej pracy by o zbudowanie d ojstika dotykowego, przy pomocy którego sterowano by robotem. Struktura kinematyczna tego d ojstika by aby zbli ona do struktury robota. Ponadto poprzez si owe sprz enie zwrotne d ojstik ma przekazywa osobie steruj cej robotem informacj o sile, z jak robot dotyka przedmiotów. Za wytworzenie efektu dotyku w d ojstiku odpowiedzialne s hamulce magnetoreologiczne. Pogl dowy schemat opisanego powy ej uk adu pokazany jest na rys.. 73

2 2. BUDOWA I BADANIA D OJSTIKA Widok d ojstika pokazany jest na rys. 2. G ównymi jego elementami s trzy hamulce magnetoreologiczne [4], z których dwa, umieszczone w osi Y i Z s identyczne, a trzeci umieszczony w podstawie (o X) jest nieco wi kszy i ma wi kszy moment hamuj cy. Rys. 2. Widok zewn trzny d ojstika Aby dowiedzie si, jaka jest zale no momentu hamuj cego hamulców MR od warto ci pr du p yn cego przez cewk przeprowadzono badania do wiadczalne. Badania te wykonano na stanowisku wyposa onym w momentomierz dynamiczny typ DFM22 firmy Magneton Elektronik. Pomiary wykonywane by y przy pomocy komputera PC z kart pomiarow DaqBoard 3 i programem DasyLab. Cz stotliwo próbkowania wynosi a pomiarów/sekund. Na rys. 3 pokazany jest wi kszy z hamulców. Rys. 4 przedstawia zale no momentu hamuj cego od pr du, a rys. charakterystyki zmian momentu w czasie, dla ró nych warto ci pr du p yn cego przez cewk hamulca MR. Rys. 3. Widok zewn trzny hamulca 74

3 4 3 2,,2,3,4 I [A] Rys. 4. Charakterystyka M=f(I) 3, 3 2, 2,, I = A I =,3 A I =,2 A I =,2 A I =, A I =, A I =, A t T [ms] Rys.. Badanie zmian momentu hamuj cego w czasie dla ró nych pr dów p yn cych przez cewk hamulca MR Rys. 6 pokazuje mniejszy hamulec. Ze wzgl du na sposób umieszczenia hamulca w d ojstiku mo e on mie nieco mniejszy moment hamuj cy (rys. 7). Dynamika zmian momentu podczas za czania napi cia na cewk hamulca jest podobna jak w przypadku poprzednim (rys. 8). Rys. 6. Widok zewn trzny hamulca 7

4 2, 2,,,,2,3,4,,6 I [A] Rys. 7. Zale no maksymalnego momentu hamuj cego od pr du,6,4,2,8,6 I=,A I=,4A I=,3A I=,2A I=,A,4,2 I=A t t [ms] [s] Rys. 8. Badanie zmian momentu hamuj cego w czasie dla ró nych pr dów p yn cych przez cewk hamulca MR 3. BUDOWA ROBOTA I TRZYOSIOWEGO CZUJNIKA SI Y W badanym uk adzie (rys. 9) d ojstik ma za zadanie sterowa po o eniem ko cówki dotykowej robota. Im wi kszy jest moment hamuj cy, tym wi ksz si nale y w o y w przesuni cie ramienia d ojstika. Pomiar po o enia poszczególnych ramion d ojstika odbywa si za pomoc potencjometrów. Sygna y z potencjometrów wprowadzane s do komputera poprzez wej cia analogowe karty steruj cej i odpowiednio przeliczane. Nast pnie oprogramowanie odejmuj c sygna pochodz cy z enkodera wytwarza uchyb regulacji i zamienia go na wyj ciowe sygna y steruj ce poszczególnymi silnikami krokowymi (pr dko clock, kierunek dir). Robot wyposa ony jest w trójosiowy czujnik si y (rys. ), którym b dzie dotyka lub przesuwa ró ne przedmioty. Czujnik umieszczony jest na ko cu ostatniego ogniwa, tworz c po czenie z ki ci robota. 76

5 Rys. 9. Widok robota i d ojstika Y X Z Rys..Widok trzyosiowego czujnika si y Na rys. przedstawiony jest schemat uk adu sterowania dla jednego silnika krokowego wykonany w programie Matlab/Simulink. CYFROWY POMIAR POLOZENIA ROBOTA Encoder Input e Constant2 Pulse Generator2 OR AND GENERATOR KROKU clock Digital Output Encoder Input Analog Input Analog Input3 ANALOGOWY POMIAR POLOZENIA DZOJSTIKA -K- Gain Constant Constant3 Switch2 Switch3 Logical Operator Logical Operator2 Digital Output KIERUNEK dir Digital Output Digital Output2 Rys.. Schemat uk adu sterowania wykonany w programie Matlab/Simulink 77

6 W zwi zku z tym, e sygna prostok tny generowany z u ywanej do sterowania robota karty wej /wyj nie jest stabilny, w uk adzie wykorzystany jest generator zewn trzny. Poprzez zmian cz stotliwo ci generatora, w p ynny sposób, mo na regulowa pr dko poruszania si robota. Przyk adowe przebiegi czasowe sygna ów uchybu e, pr dko ci clock i kierunku dir pokazane s na rys. 2. e max h SYGNA WEJ CIOWY UCHYB REGULACJI e -h -e max HI SYGNA STERUJ CY KROKIEM SILNIKA - clock LO HI SYGNA STERUJ CY KIERUNKIEM SILNIKA - dir LO T [s] Rys. 2. Sygna y steruj ce silnikiem krokowym Do sterowania robotem u yto komputer PC z kart RT-DAC i programem Matlab/Simulink z systemem czasu rzeczywistego (Real Time Workshop). Do wykonywania pomiarów wykorzystano drugi komputer PC z kart pomiarow DaqBoard 3 i programem DasyLab. Przyk adowe przebiegi si dla trzech osi pokazane s na rys. 3. a) b) 2 2,, 2 c) d) 2 2,, 2,, ,, 2 Rys. 3. Przebiegi si y przy uderzeniach: a) w osi X, b) w osi Y, c) w osi Z, d) podczas ruchu z o onego w trzech osiach 78

7 Przebiegi si uzyskane z pomiarów nie s liniami ci g ymi, gdy elektronika wspó pracuj ca z czujnikami tensometrycznymi mia a wyj cie PWM, a w a ciwy przebieg uzyskiwany by poprzez zastosowanie odpowiednich filtrów. Na rys. 4. pokazana jest zale no pr dów hamulców magnetoreologicznych od si zmierzonych czujnikiem si y. Przebieg ten jest nieco opó niony ze wzgl du na czas przetwarzania komputera. Rys. 4. Przebieg si y dla trzech osi (a) oraz pr dów trzech hamulców magnetoreologicznych (b) 4. ZAKO CZENIE Z przytoczonych w artykule rezultatów bada wynika, e mo liwe jest sterowanie robotem za pomoc d ojstika dotykowego z hamulcami magnetoreologicznym i si owym sprz eniem zwrotnym. Dzi ki zastosowaniu takiego rozwi zania operator móg odczuwa si, z jak naciska robot podczas uderzenia w przeszkod. W przysz o ci b d prowadzone dalsze badania innych algorytmów sterowania robota maj cych na celu zwi kszenie realizmu odczuwania si y przez operatora. LITERATURA [] Bachman P., Chciuk M.: Zastosowanie cieczy magnetoreologicznych w urz dzeniach dotykowych, Seminarium Naukowo-Techniczne - TECHNICON ': Targi Nauki i Techniki, Gda sk 2. [2] Milecki A., Myszkowski A., Chciuk M.: Applications of magnetorheological brakes in manual control of lifting devices and manipulators, th International Conference on Electrorheological Fluids and Magnetorheological Suspensions, Dresden 28. [3] Chciuk M.: Sterowanie ramieniem robota za pomoc wieloosiowego d ojstika dotykowego z ciecz magnetoreologiczn i si owym sprz eniem zwrotnym, Pomiary, Automatyka, Robotyka, Warszawa 28. [4] Milecki A., awniczak A.: Ciecze elektro- i magnetoreologiczne oraz ich zastosowania w technice, Wydawnictwo Politechniki Pozna skiej, Pozna 999. Prac wykonano w ramach projektu badawczego KBN pt.: Konstrukcja i badania urz dze zadaj cych i dotykowych z cieczami magnetoreologicznymi i z si owym sprz eniem zwrotnym nr 4 T7B