WYKORZYSTANIE TRZYOSIOWEGO DŻOJSTIKA DOTYKOWEGO Z CIECZĄ MAGNETOREOLOGICZNĄ I SIŁOWYM SPRZĘŻENIEM ZWROTNYM DO STEROWANIA RAMIONAMI ROBOTA

Transkrypt

1 KOMISJA BUOWY MASZYN PAN OZIAŁ W POZNANIU Vol. 28 nr 4 Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji 2008 MARCIN CHCIUK, AAM MYSZKOWSKI WYKORZYSTANIE TRZYOSIOWEGO ŻOJSTIKA OTYKOWEGO Z CIECZĄ MAGNETOREOLOGICZNĄ I SIŁOWYM SPRZĘŻENIEM ZWROTNYM O STEROWANIA RAMIONAMI ROBOTA W artykule opisano zasadę działania urządzeń dotykowych oraz przedstawiono budowę wykorzystywanego w badaniach robota. Opisano budowę i badania hamulca magnetoreologicznego. Końcowa część artykułu zawiera opis konstrukcji trzyosiowego dżojstika dotykowego i układu sterowania robotem. Słowa kluczowe: ciecz magnetoreologiczna, dżojstik dotykowy, obrotowy hamulec magnetoreologiczny 1. WSTĘP Urządzenia dotykowe (ang. haptic devices) zostały wynalezione stosunkowo niedawno. Służą one do przekazywania bodźców dotykowych z rzeczywistych urządzeń lub wirtualnej rzeczywistości do użytkownika. Bodźcami tymi mogą być: siła, z jaką naciska się na przedmiot (siłowe sprzężenie zwrotne ang. force feedback), kształt, masa, tekstura, temperatura, wibracje (wibracyjne sprzężenie zwrotne ang. vibrotactile feedback). Elementami, dzięki którym wrażenia dotykowe mogą być przekazywane do użytkownika, są wszystkie części urządzeń, z którymi człowiek ma styczność za pośrednictwem zmysłu dotyku. Najczęściej są to różnego rodzaju dżojstiki, kierownice, myszki, pedały, ale mogą to być również rękawice, kostiumy obejmujące górne lub dolne kończyny oraz wszelkiego rodzaju imitacje rzeczywistych przedmiotów (np. przyrządy medyczne laparoskopia itp.). Mgr Instytut Edukacji Techniczno-Informatycznej Uniwersytetu Zielonogórskiego. r inż. Instytut Technologii Mechanicznej Politechniki Poznańskiej. Pracę wykonano w ramach projektu badawczego KBN pt. Konstrukcja i badania urządzeń zadających i dotykowych z cieczami magnetoreologicznymi i z siłowym sprzężeniem zwrotnym nr 4 T07B

2 36 M. Chciuk, A. Myszkowski Urządzenia dotykowe są też wykorzystywane w aplikacjach związanych z wirtualną rzeczywistością (np. gry komputerowe symulatory lotu, sterowanie wirtualnymi modelami rzeczywistych urządzeń [1]) i wraz z trójwymiarowym obrazem oraz przestrzennym dźwiękiem stanowią jej rozszerzenie. Mogą one również znaleźć zastosowanie w przemyśle [2], zastępując tradycyjne dżojstiki. Mogłyby one przekazywać operatorom maszyn informacje o stanie urządzenia, np. jaka masa jest podnoszona lub jakie opory napotyka narzędzie, a nawet uniemożliwiać sterowanie w momencie wykrycia awarii. 2. BUOWA I BAANIA OTYKOWEGO ŻOJSTIKA TRZYOSIOWEGO Z CIECZĄ MAGNETOREOLOGICZNĄ I SIŁOWYM SPRZĘŻENIEM ZWROTNYM Założeniem projektowym było zbudowanie dżojstika, którego struktura kinematyczna byłaby zbliżona do struktury sterowanego robota. Ponadto dzięki siłowemu sprzężeniu zwrotnemu dżojstik ma przekazywać osobie sterującej robotem informację o sile, z jaką robot dotyka przedmiotów. Za wytworzenie efektu dotyku w dżojstiku odpowiedzialne są hamulce magnetoreologiczne [5] umieszczone w każdym przegubie. Schemat budowy wewnętrznej hamulca magnetoreologicznego (MR) oraz rozkład linii pola elektromagnetycznego pokazano na rys. 1, a na rys. 2 zamieszczono fotografię obudowy hamulca MR. łożysko uszczelnienie cewka szczelina z cieczą MR linie pola elektromagnetycznego wirnik (stal) korpus (stal) pokrywa Rys. 1. Widok budowy wewnętrznej hamulca MR Fig. 1. View of internal construction of MR brake Rys. 2. Hamulec Fig. 2. External view of MR brake W hamulcu w wyniku zmiany prądu płynącego przez cewkę MR zwiększa się natężenie pola magnetycznego w szczelinie, a przez to zwiększa się lepkość umieszczonej w niej cieczy [3, 4], co powoduje zwiększenie się momentu hamującego. Im większy jest moment hamujący, tym większej siły wymaga przesunięcie ramienia dżojstika. żojstik ma za zadanie sterować położeniem końców-

3 Wykorzystanie trzyosiowego dżojstika dotykowego z cieczą magnetoreologiczną 37 ki dotykowej robota. Pomiar położenia poszczególnych ramion dżojstika odbywa się za pomocą potencjometrów. Sygnały z potencjometrów wprowadzane są do komputera przez wejścia analogowe karty sterującej i odpowiednio przeliczane. Następnie oprogramowanie odejmuje sygnał pochodzący z enkodera mierzącego położenie ramienia, wytwarza uchyb regulacji i zamienia go na wyjściowe sygnały sterujące poszczególnymi silnikami mi (prędkość clock, kierunek dir). Widok dżojstika pokazano na rys. 3. Amperomierz Komputer PC Zasilacze Momentomierz Hamulec MR Złącze karty pomiarowej Rys. 3. żojstik Fig. 3. External view of joystick Rys. 4. Widok stanowiska badawczego Fig. 4. View of research station Żeby dowiedzieć się, jaka jest zależność momentu hamującego hamulca MR od wartości prądu płynącego przez cewkę, wykonano badania doświadczalne 4 3 M [Nm] ,1 0,2 0,3 0,4 I [A] Rys. 5. Charakterystyka M = f(i) Fig. 5. Characteristic M = f(i)

4 38 M. Chciuk, A. Myszkowski 3 2 0,40 A 0,30 A 0,20 A 0,15 A 0,10 A M [Nm] 0,05 A t [ms] Rys. 6. Charakterystyka momentu dla różnych wartości prądu płynącego przez cewki hamulca MR Fig. 6. Torque characteristic for various current na stanowisku wyposażonym w momentomierz dynamiczny typ FM22 firmy Magneton Elektronik. Widok stanowiska pomiarowego przedstawiono na rys. 4. Pomiary wykonywano za pomocą komputera PC z kartą aqboard 3001 i programem asylab 8.0. Częstotliwość próbkowania wynosiła 100 pomiarów/s. Na rysunku 5 widać zależność momentu hamującego od prądu, a na rys. 6 pokazano charakterystyki zmian momentu w czasie dla różnych wartości prądu płynącego przez cewkę hamulca MR. 3. BUOWA ROBOTA WYKORZYSTYWANEGO POCZAS BAAŃ I OPIS UKŁAU STEROWANIA W badaniach obiektem sterowania będzie robot ROMIK (rys. 7). Będzie on wyposażony w trzyosiowy czujnik siły, którym będzie dotykał lub przesuwał różne przedmioty. Czujnik będzie umieszczony na końcu ostatniego ogniwa, tworząc połączenie z kiścią robota. Na rysunku 9 przedstawiono ogólny schemat blokowy sterownika silników ch robota, a na rys. 10 schemat układu sterowania dla jednego silnika krokowego wykonany w programie Matlab/Simulink. Reguła sterowania przedstawiona jest zależnościami (1 3): gdy e > 0 + h, to clock = 1 i dir = 0, silnik obraca się w lewo, (1) gdy e < 0 h, to clock = 1 i dir = 1, silnik obraca się w prawo, (2)

5 Wykorzystanie trzyosiowego dżojstika dotykowego z cieczą magnetoreologiczną 39 gdy 0 h < e < 0 + h, to clock = 0 i dir = 0, silnik się nie obraca, (3) gdzie: e uchyb regulacji, h histereza, clock, dir sygnały sterujące sterownikiem silnika krokowego. X 2 Z 0 X 3 θ 5 θ 4 d 3 θ 2 d 2 θ 3 Z 2 Z 3 d 1 Z X 4 4 Z 1 X 0 θ 1 Rys. 7. Robot ROMIK Fig. 7. View of ROMIK robot X 1 Y 0 Rys. 8. Struktura kinematyczna robota ROMIK Fig. 8. Kinematics structure of ROMIK robot Schemat kinematyczny robota ROMIK przedstawiono na rys. 8. Płaszczyzna planarności robota jest wyznaczona przez osie X 1 i Y 1 układu bazowego. Osie: Z 1, Z 2, Z 3 i Z 4 są prostopadłe do płaszczyzny planarności. Współrzędnymi wewnętrznymi są: θ 1 kąt obrotu kolumny [ ], θ 2 kąt odchylenia ramienia od pionu [ ], θ 3 kąt odchylenia przedramienia od ramienia [ ], θ 4 kąt odchylenia chwytaka od przedramienia [ ], θ 5 kąt obrotu chwytaka wokół własnej osi [ ]. Współrzędne zewnętrzne to: x, y, z współrzędne kartezjańskie końca efektora wyrażone w układzie bazowym X 0 Y 0 Z 0 [mm], β kąt podejścia chwytaka (kąt pomiędzy nieskręconą płaszczyzną chwytaka a płaszczyzną poziomą) [ ], φ kąt obrotu chwytaka wokół własnej osi [ ], s rozstaw szczęk chwytaka [mm]. Parametry geometryczne robota to: d 1 długość ramienia [mm], d 2 długość przedramienia [mm], d 3 długość chwytaka [mm]. Przykładowe wykresy czasowe sygnałów uchybu e, prędkości clock i kierunku dir pokazano na rys. 11 W związku z tym, że sygnał prostokątny generowany z używanej do sterowania robotem karty wejść/wyjść nie jest stabilny, docelowo w układzie wykorzystany będzie precyzyjny generator zewnętrzny. Przez zmianę częstotliwości generatora w płynny sposób będzie można regulować prędkość poruszania się robota.

6 40 M. Chciuk, A. Myszkowski HES- HES- HES- HES- HES- Sterownik silników ch STC102WP Sterownik silników ch STC102WP krańcowy krańcowy siły Karta RT-AC4 PCI krańcowy krańcowy Rys. 9. Schemat układu sterowania silników ch Fig. 9. Control circuit diagram of step motors CYFROWY POMIAR POLOZENIA ROBOTA Encoder Input e 1 Constant2 Pulse Generator2 OR AN GENERATOR KROKU clock igital Output Encoder Input Analog Input Analog Input3 ANALOGOWY POMIAR POLOZENIA ZOJSTIKA -K- Gain 0 Constant1 1 Constant3 Switch2 Switch3 Logical Operator1 Logical Operator2 igital Output1 KIERUNEK dir igital Output igital Output2 Rys. 10. Schemat układu sterowania wykonany w programie MATLAB/SIMULINK Fig. 10. Control circuit diagram made in MATLAB/SIMULINK program

7 Wykorzystanie trzyosiowego dżojstika dotykowego z cieczą magnetoreologiczną 41 e max h SYGNAŁ WEJŚCIOWY UCHYB REGULACJI e -h -e max HI SYGNAŁ STERUJĄCY KROKIEM SILNIKA - clock LO HI SYGNAŁ STERUJĄCY KIERUNKIEM SILNIKA - dir LO T [s] Rys. 11. Sygnały sterujące silnikiem m Fig. 11. Step motors control signals 5. ZAKOŃCZENIE Kolejnym etapem badań będzie połączenie wyżej wymienionych elementów w całość i budowa układu sterowania robota opartego na komputerze PC i karcie RT-AC4 PCI (rys. 12). żojstik Potencjometry Cewki hamulców MR Wzmacniacze mocy 0V / 5V TTL A B Wejścia cyfrowe Liczniki kwadratury KARTA RT-AC4 / PCI C/A Wyjścia cyfrowe 0V / 5V TTL ± 10V A/C Sterowniki napędów Czujnik siły y ROBOT ROMIK i krokowe Czujniki graniczne Rys. 12. Schemat układu sterowania robota Fig. 12. Robot s control circuit diagram

8 42 M. Chciuk, A. Myszkowski Ważnym etapem będzie też zaprojektowanie i budowa czujnika siły, który będzie umieszczony na ostatnim przegubie. Będzie się on składał z trzech połączonych ze sobą czujników tensometrycznych, z których każdy będzie mierzył siłę w jednej osi (X, Y, Z). Problemem może się okazać rozkład sił hamujących na poszczególne przeguby oraz odpowiednie sterowanie hamulcami MR. LITERATURA [1] Bachman P., Zastosowanie dżojstika dotykowego z cieczą magnetoreologiczną do sterowania wirtualnego modelu napędu hydraulicznego, Pomiary, Automatyka, Robotyka, 2008, nr 2. [2] Bachman P., Chciuk M., Zastosowanie cieczy magnetoreologicznych w urządzeniach dotykowych, w: Seminarium Naukowo-Techniczne TECHNICON '05: Targi Nauki i Techniki, Gdańsk [3] Milecki A., Ławniczak A., Ciecze elektro- i magnetoreologiczne oraz ich zastosowania w technice, Poznań, Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej [4] Myszkowski A., Konstrukcja i badanie hamulca wahadłowego z cieczą magnetoreologiczną, Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji, 2007, vol. 27, nr 2. [5] Praca wpłynęła do Redakcji Recenzent: dr hab. inż. Zbigniew Kęsy USING THREE-AXIAL HAPTIC JOYSTICK WITH MAGNETORHEOLOGICAL FLUI AN FORCE FEEBACK FOR CONTROL ROBOT S ARM S u m m a r y The article describes operation of haptic devices and structure of researched robot. The structure of magneto-rheological rotary brake and researches relation torque from current is presented in the article. The last section forms specification of construction three-axial haptic joystick with rotary magneto-rheological brake and describe robot s control unit. Key words: magnetorheological fluid, haptic joystick, magnetorheological rotary brake