ELEKTROHYDRAULICZNYM PRZY POMOCY D OJSTIKA DOTYKOWEGO Z CIECZ MR

Transkrypt

1 prof. dr hab. in. Andrzej Milecki Politechnika Poznaska mgr Marcin Chciuk mgr in. Pawe Bachman Uniwersytet Zielonogórski STEROWANIE DWUOSIOWYM PODNONIKIEM ELEKTROHYDRAULICZNYM PRZY POMOCY DOJSTIKA DOTYKOWEGO Z CIECZ MR W artykule opisane jest zastosowanie dojstika z siowym sprzeniem zwrotnym do sterowania podnonika. Na pocztku artykuu przedstawiony jest krótki opis i budowa dwuosiowego manipulatora z napdem elektrohydraulicznym. Nastpnie opisana jest budowa dwuosiowego dojstika dotykowego. W kocowej czci artykuu opisany jest ukad sterowania manipulatora przy pomocy dojstika z hamulcami MR, oparty na komputerze PC z kart wej/wyj oraz przedstawione s wyniki bada dowiadczalnych. CONTROL OF TWO-AXIS MANIPULATOR WITH ELECTROHYDRAULIC DRIVE BY HAPTIC JOYSTICK WITH MAGNETHORHEOLOGICAL FLUID The article is aimed to design and testing of joystick with force feedback used in control of lifting device. The paper starts with the basic description of the construction two-axis manipulator with electrohydraulic drives. Next, the construction of two-axis haptic joystick is described. Finally, the based on PC with input/output card, control system of mentioned above joystick with magnetorheological brake and manipulator, and research results are described.. STEROWANIE PODNONIKIEM HYDRAULICZNYM W UKADZIE Z SIOWYM SPRZENIEM ZWROTNYM Wykorzystujc waciwoci cieczy magnetoreologicznych [, 3] wykonano dwuosiowy dojstik dotykowy sucy do sterowania manipulatorem elektrohydraulicznym. Na kocu ramienia manipulatora znajduje si czujnik siy poczony z zaczepem sucym do podnoszenia rónych przedmiotów. W przegubach manipulatora umieszczone s enkodery, informujce o aktualnym pooeniu obu ramion. Czujnik siy ma za zadanie mierzy, jaka jest masa przenoszonego obiektu. Sia, jak odczuwa operator jest zalena od tej masy oraz od aktualnego pooenia ramion. Analogicznie do rzeczywistych ukadów tego typu, im wiksze odchylenie od osi pionowej, czyli im dusze rami, tym wiksza jest sia oporu odczuwana na dojstiku.. BUDOWA MANIPULATORA ELEKTROHYDRAULICZNEGO Manipulator [] w uproszczeniu skada si z dwóch ramion (rys. ), pionowego l i poziomego l, poczonych obrotowymi przegubami M i M. Cao przymocowana jest do podstawy. Do poruszania ramionami su dwa siowniki hydrauliczne sterowane zaworami proporcjonalnymi. Kty, odczytywane s z enkoderów zainstalowanych w przegubach ramienia i przedramienia. / Pomiary Automatyka Robotyka 735

2 Wspórzdne wewntrzne: Y o kt odchylenia przedramienia (x,y) (x,y ) l wzgldem ramienia [], M o kt odchylenia ramienia l F load wzgldem pionu [], Wspórzdne zewntrzne: o x, y wspórzdne kartezjaskie l 3 koca przedramienia wyraone w ukadzie bazowym X, Y [mm], o x, y wspórzdne kartezjaskie przegubu pomidzy ramieniem M (x a przedramieniem wyraone,y ) X w ukadzie bazowym X, Y [mm], o x, y wspórzdne kartezjaskie Rys.. Struktura kinematyczna podnonika przegubu pomidzy podstaw hydraulicznego a ramieniem wyraone w ukadzie bazowym X, Y [mm], o kt pomidzy ramieniem a przektn l 3 [], o kt pomidzy przektn l 3 a paszczyzn bazow X [], Parametry geometryczne: o l dugo ramienia [mm], o l dugo przedramienia [mm], o l 3 dugo przektnej pomidzy przegubem (x, y ) a kocem przedramienia (x, y) [mm], Siy i momenty: o F load ciar podnoszony przez podnonik hydrauliczny [N], o M moment obrotowy wystpujcy w przegubie ramienia [Nm], o M moment obrotowy wystpujcy w przegubie przedramienia [Nm]. Podczas ruchu ramion obliczane jest aktualne pooenie koca ramienia l (dugo ramienia l 3 ) i kty ramion wzgldem powierzchni poziomej, oraz momenty wystpujce w obu przegubach, których wartoci nastpnie przekazywane s po odpowiednim przeskalowaniu do odpowiednich hamulców magnetoreologicznych dojstika. Obliczenie dugoci przektnej l 3 z twierdzenia Carnota: l () 3 l l * l * l * cos Obliczenie kta pomidzy ramieniem a przektn z twierdzenia sinusów: l 3 l sin sin l arcsin sin (3) l 3 Obliczenie kta pomidzy przektn l 3 a paszczyzn bazow X: () 736 Pomiary Automatyka Robotyka /

3 Obliczenie momentu obrotowego M w przegubie ramienia: (4) M load * l 3 F *cos (5) Obliczenie momentu obrotowego M w przegubie przedramienia: M load * (6) F l * cos Na rys. pokazany jest schemat pogldowy ukadu elektrycznego podnonika hydraulicznego. Sygnaami wyjciowymi Podnonik hydrauliczny PomX w tym zespole s impulsy z enkoderów X EncXa Pomiar i Y, analogowy sygna z czujnika siy, Enkoder Rozdzielacz EncXb X A B proporcjonalny oraz logiczne sygnay z wyczników X EncYa LxB kracowych, sucych do zerowania Enkoder EncYb Y manipulatora. Do ukadu wprowadzane LxA s sygnay sterowania zaworami SenS PomY proporcjonalnymi. SkX SkY Sensor siy Sensor kracowy Sensor kracowy A Pomiar Rozdzielacz proporcjonalny Y B LyB LyA Rys.. Schemat pogldowy ukadu elektrycznego podnonika hydraulicznego Rysunek techniczny wraz z gównymi wymiarami oraz widok budowy zewntrznej manipulatora pokazany jest na rys Rys. 3. Rysunek techniczny i widok budowy zewntrznej manipulatora [] 3. BUDOWA DWUOSIOWEGO DOJSTIKA DOTYKOWEGO Z CIECZ MR Dojstik dwuosiowy [] zbudowano wykorzystujc dwa identyczne obrotowe hamulce magnetoreologicznych (rys. 4). Skada si on z podstawy, do której zamocowana jest obudowa z przymocowanymi do niej hamulcami MR, 7, w których elementami / Pomiary Automatyka Robotyka 737

4 ruchomymi s wirniki 9,. Napicie wytwarzajce pole elektromagnetyczne w hamulcu podawane jest na cewki 4. Rami 6 dojstika przymocowane jest bezporednio do jednego z wirników hamulca MR, rami 4 poczone jest z drugim hamulcem poprzez pasek klinowy 3 z koem pasowym. Oba ramiona poczone s ze sob przegubem obrotowym 5. Pooenie ramion dojstika mierzone jest poprzez potencjometry pomiarowe 8, Rys. 4. Rysunek przedstawiajcy budow wewntrzn [] oraz widok dojstika MR PotX PotY +5V +5V Dojstik Hamulec MR X Potencjometr X Hamulec MR Y Potencjometr Y LX LY Rys. 5. Schemat pogldowy ukadu elektrycznego dojstika I I Na rys. 5 pokazany jest schemat pogldowy ukadu elektrycznego dojstika dotykowego. Sygnaami wyjciowymi w tym zespole s napicia potencjometrów X i Y, które podawane s na wejcia analogowe karty. Sygnay wejciowe to napicia podawane na cewki hamulców magnetoreologicznych, które za porednictwem wzmacniaczy mocy pobierane s z wyj analogowych karty sterujcej. 4. UKAD STEROWANIA Do sterowania podnonika uyto komputer PC z kart wej/wyj RT-DAC 4 PCI i programem MATLAB/Simulink z systemem czasu rzeczywistego. Do wykonywania pomiarów wykorzystano drugi komputer PC z kart DaqBoard 3 i programem do akwizycji danych. Schemat blokowy ukadu sterowania pokazano na rysunku 6. Dodatkowo w ukadzie sterowania stosowano jeszcze elektroniczne ukady poredniczce. Do podczenia hamulca MR suy operacyjny wzmacniacz mocy oparty na ukadzie OPA549. Ukad pomiaru wychylenia dojstika zbudowany by w oparciu o wzmacniacz operacyjny OP7. W skad ukadu pomiaru siy na dojstiku wchodzi pomiarowy wzmacniacz operacyjny INA8 oraz zbudowany na niskoszumowym ukadzie OP7 wzmacniacz operacyjny pracujcy w ukadzie odwracajcym faz. 738 Pomiary Automatyka Robotyka /

5 Dojstik 5V Potencjometry Cewki Hamulców MR Wzmacniacz mocy Wejcia cyfrowe A/C Liczniki enkoderów Karta RT-DAC4/PCI C/A Wyjcia cyfrowe V V Karty 3RE A/B V TTL Enkodery Sensor siy Sensory graniczne Podnonik hydrauliczny Elektrohydrauliczne rozdzielacze proporcjonalne Rys. 6. Schemat pogldowy ukadu sterowania podnonika hydraulicznego Widok gównej czci schematu programu sterujcego pokazany jest na rys. 7. Wejcia RT-DAC PCI Enkoder Encoder X Enkoder X In Out Subsystem In Out Reset3 Normal Operation Manual Switch Zerowanie Wyjcia Wejcia analogowe: Zawór X Zawór Y Hamulec MR X Hamulec MR Y Enkoder Y RT-DAC PCI Enkoder Encoder Y Subsystem5 In Out In Out In Out Subsystem6 Out In3 In Out In Out Subsystem8 Dojstik X RT-DAC Dzojstik Analog Inputs X Dojstik Y RT-DAC Dzojstik Analog Inputs Y Subsystem4 In Out In Subsystem3 Subsystem7 -K- Gain In Out In Out In3 Torqe scaling czas RT-DAC PCI Analog Outputs Obliczanie momentów Clock To Workspace8 Sia RT-DAC Analog Inputs3 Bloki przelicze Regulatory elektrozaworów Rys. 7. Schemat ukadu sterowania wykonany w programie MATLAB/Simulink / Pomiary Automatyka Robotyka 739

6 In Wejcie Sila analogowe - sia dlugosc boku l dlugosc boku l.85 Constant.8 Constant u Math Function u Math Function l3 sqrt Math Function Product3 Moment M A MA Out Pooenie ktowe In gama -K- 8 Constant4 Divide Constant3 cos Function Product Product4 Out MB Moment M B sin Divide sin gamma Product gamma rad asin Function3 a3 cos Function 3 In3 Pooenie ktowe -K- gama 8 Constant5 Divide cos Function4 Function 9 Constant7 -Kgama 8 Constant6 Divide3 Rys. 8. Schemat ukadu obliczania momentów hamujcych wykonany w programie MATLAB/Simulink 5. BADANIA DOWIADCZALNE Przed przeprowadzeniem pomiarów na kocu ramienia zamocowano mas okoo kg. Podczas pomiarów do mierzenia siy obcienia uywano czujnik siy o zakresie pomiarowym 5 N. Sygna z niego podawano na wzmacniacz pomiarowy, z którego uzyskiwano warto analogow pomiaru od do V. Na rys. a pokazany jest przypadek, w którym porusza si tylko przedrami podnonika. Pozycja pocztkowa podnonika (I) zaznaczona jest lini cig, a kocowa (II) przerywan. Pooenia dojstika i ramion podnonika podane jest w stopniach. Kty zaznaczone na rysunkach odpowiadaj skrajnym pooeniom ramion podnonika. Mimo, e rami l (rys. ) nie porusza si wida, e moment M si zmienia, gdy uzaleniony jest on od pooenia ramienia l. Rys. b przedstawia przebiegi dla ruchu bardziej zoonego, Rys. 9. Widok podnonika podczas pomiarów w którym poruszaj si ju oba ramiona. 74 Pomiary Automatyka Robotyka /

7 a) II 9 b) II I I [] d d M[Nm] M M [] d d M[Nm] M M 4 6 8,35,3 I[A],6,5 I[A],5 I,,5 I,, ,4 I,3, I, Rys.. Przebiegi sygnaów podczas ruchu ramion podnonika Wartoci pooenia z indeksem d ( d, d ) dotycz pooenia adekwatnych ramion dojstika. Rys. obrazuje sytuacj, w której cykl pracy podnonika skada si z czterech pozycji. Z wykresów pokazujcych pooenie dojstika i podnonika wida, e podnonik ma niewielkie opónienie w stosunku do dojstika. Jest to spowodowane zastosowaniem w ukadzie regulatorów (rys. 7), których zadaniem byo spowolnienie ruchu podnonika i niedopuszczenie do rozkoysania si obcienia. / Pomiary Automatyka Robotyka 74

8 I II IV III 9 45 [] 6 4 d d M[Nm] 3 M 5 5 M ,6,5 I[A],4 I,3, I, Rys.. Przebiegi sygnaów podczas zoonego ruchu ramion podnonika 6. ZAKOCZENIE W chwili obecnej trwaj dalsze prace nad udoskonalaniem ukadu sterowania zespou dojstik dotykowy podnonik. Skupiaj si one na takim doborze algorytmu sterowania i takim rozkadzie momentów na poszczególne przeguby dojstika, aby wraenia odczuwane przez operatora byy jak najbardziej realistyczne. Przewiduje si zastosowanie w regulatorze prawa Webera-Fechnera, które wyraa relacj pomidzy fizyczn miar bodca a reakcj ukadu biologicznego. Dotyczy ono reakcji na bodce zmysów czowieka. Jest to prawo fenomenologiczne bdce wynikiem wielu obserwacji praktycznych i znajdujce wiele zastosowa technicznych m. in. w technologii haptic [4]. Wedug tego prawa, jeli 74 Pomiary Automatyka Robotyka /

9 porównywane s wielkoci bodców, na percepcj czowieka oddziauje nie arytmetyczna rónica midzy nimi, lecz stosunek porównywanych wielkoci. Wykazano, e stosunek najmniejszej zauwaalnej rónicy midzy bodcami (B ) do absolutnej wielkoci bodca (B) ma warto sta. W roku 86 zaleno Webera zostaa zmodyfikowana przez Fechnera, który zaproponowa stosowanie zalenoci logarytmicznej: B w k ln (7) B gdzie: w reakcja ukadu biologicznego (wraenie zmysowe), B natenie danego bodca, sia bodca wywoujcego wraenie o intensywnoci w, B warto pocztkowa natenia danego bodca, sia najsabszego wyczuwalnego bodca (bodca progowego), ln logarytm naturalny. Zgodnie z t zalenoci mona przyj, e przy maych wartociach sygnau bdzie odczuwany nawet niewielki jego wzrost, jednak przy duym sygnale, aby odczu rónic potrzebny jest o wiele wikszy wzrost amplitudy. Sytuacj t dobrze obrazuje wykres na rys.. Pokazany jest na nim te przybliony 5 4,5 4 3,5 3 K,5 Funkcja regulatora,5,5 Przyrost 4 wielkoci 6 mierzonej 8 Wielko subiektywnego odczucia Rys.. Logarytmiczna charakterystyka odczucia subiektywnego ksztat, jaki powinna mie funkcja realizowana przez regulator. Rozpatrywana jest te zmiana konstrukcji manipulatora i zastosowanie dwóch czujników siy, zamontowanych przy kadym z siowników. Rozwizanie takie znacznie uprocioby algorytm sterowania hamulcami MR dojstika zmniejszajc liczb oblicze, jakie musz by wykonywane, a to wpynoby na popraw szybkoci dziaania caego ukadu. Jest to wane, poniewa w przyszoci ukad ten bdzie sterowany bezprzewodowo. BIBLIOGRAFIA [] Milecki A., awniczak A., Ciecze elektro- i magnetoreologiczne oraz ich zastosowania w technice, Wydawnictwo Politechniki Poznaskiej, Pozna 999. [] 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 8. [3] [4] Hinterseer P. and Steinbach E., A psychophysically motivated compression approach for 3 d haptic data, in Proc. of the IEEE Haptics Symposium, Alexandria, VA, USA, March 6, pp Praca naukowa finansowana ze rodków na nauk w latach - jako projekt badawczy pt. "Zastosowanie metod sztucznej inteligencji do nadzorowania pracy urz dze mechatronicznych z nap dami elektrohydraulicznymi sterowanymi bezprzewodowo" / Pomiary Automatyka Robotyka 743