KINEMATYKA ODWROTNA TRIPODA Z NAPĘDEM MIMOŚRODOWYM

Podobne dokumenty
PRECYZYJNY MANIPULATOR O KINEMATYCE RÓWNOLEGŁEJ

Podstawy robotyki wykład III. Kinematyka manipulatora

MECHANIKA 2 KINEMATYKA. Wykład Nr 5 RUCH KULISTY I RUCH OGÓLNY BRYŁY. Prowadzący: dr Krzysztof Polko

MODEL MANIPULATORA O STRUKTURZE SZEREGOWEJ W PROGRAMACH CATIA I MATLAB MODEL OF SERIAL MANIPULATOR IN CATIA AND MATLAB

Zestaw Obliczyć objętość równoległościanu zbudowanego na wektorach m, n, p jeśli wiadomo, że objętość równoległościanu zbudowanego na wektorach:

Use of the ball-bar measuring system to investigate the properties of parallel kinematics mechanism

1 Geometria analityczna

Mechanika ogólna. Kinematyka. Równania ruchu punktu materialnego. Podstawowe pojęcia. Równanie ruchu po torze (równanie drogi)

KINEMATYKA I DYNAMIKA CIAŁA STAŁEGO. dr inż. Janusz Zachwieja wykład opracowany na podstawie literatury

Notacja Denavita-Hartenberga

MECHANIKA 2 RUCH POSTĘPOWY I OBROTOWY CIAŁA SZTYWNEGO. Wykład Nr 2. Prowadzący: dr Krzysztof Polko

Rozszerzony konspekt preskryptu do przedmiotu Podstawy Robotyki

RÓWNANIE DYNAMICZNE RUCHU KULISTEGO CIAŁA SZTYWNEGO W UKŁADZIE PARASOLA

Arkusz 6. Elementy geometrii analitycznej w przestrzeni

Prosta i płaszczyzna w przestrzeni

MECHANIKA 2. Wykład Nr 3 KINEMATYKA. Temat RUCH PŁASKI BRYŁY MATERIALNEJ. Prowadzący: dr Krzysztof Polko

2.9. Kinematyka typowych struktur manipulatorów

Geometria analityczna - przykłady

ANALIZA KINEMATYKI MANIPULATORÓW NA PRZYKŁADZIE ROBOTA LINIOWEGO O CZTERECH STOPNIACH SWOBODY

UKŁADY WIELOCZŁONOWE Z WIĘZAMI JEDNOSTRONNYMI W ZASTOSOWANIU DO MODELOWANIA ZŁOŻONYCH UKŁADÓW MECHANICZNYCH

Teoria maszyn mechanizmów

11. Znajdż równanie prostej prostopadłej do prostej k i przechodzącej przez punkt A = (2;2).

FIGURY I PRZEKSZTAŁCENIA GEOMETRYCZNE

Ogłoszenie. Egzaminy z TEORII MASZYN I MECHANIZMÓW dla grup 12A1, 12A2, 12A3 odbędą się w sali A3: I termin 1 lutego 2017 r. godz

Geometria wykreślna. 5. Obroty i kłady. Rozwinięcie wielościanu. dr inż. arch. Anna Wancław. Politechnika Gdańska, Wydział Architektury

Geometria analityczna

DEFINICJE: Punkt, prosta, płaszczyzna i przestrzeń są pojęciami pierwotnymi przyjmowanymi bez definicji,

PODSTAWY RACHUNKU WEKTOROWEGO

Grafika inżynierska geometria wykreślna. 5a. Obroty i kłady. Rozwinięcie wielościanu.

Wyznaczanie sił w przegubach maszyny o kinematyce równoległej w trakcie pracy, z wykorzystaniem metod numerycznych

PRZEWODNIK PO PRZEDMIOCIE

Rozszerzony konspekt preskryptu do przedmiotu Teoria Maszyn i Mechanizmów

Mechanika Robotów. Wojciech Lisowski. 5 Planowanie trajektorii ruchu efektora w przestrzeni roboczej

Rok akademicki 2005/2006

Manipulatory i roboty mobilne AR S1 semestr 5

3. KINEMATYKA Kinematyka jest częścią mechaniki, która zajmuje się opisem ruchu ciał bez wnikania w jego przyczyny. Oznacza to, że nie interesuje nas

Geometria analityczna

Manipulator OOO z systemem wizyjnym

Funkcja liniowa i prosta podsumowanie

Krzywe stożkowe Lekcja VI: Parabola

Rozdział 2. Krzywe stożkowe. 2.1 Elipsa. Krzywe stożkowe są zadane ogólnym równaniem kwadratowym na płaszczyźnie

ZAGADNIENIA PROGRAMOWE I WYMAGANIA EDUKACYJNE DO TESTU PRZYROSTU KOMPETENCJI Z MATEMATYKI DLA UCZNIA KLASY II

MODEL MANIPULATORA O DWÓCH STOPNIACH SWOBODY

Jan Awrejcewicz- Mechanika Techniczna i Teoretyczna. Statyka. Kinematyka

Funkcja liniowa - podsumowanie

Równa Równ n a i n e i ru r ch u u ch u po tor t ze (równanie drogi) Prędkoś ędkoś w ru r ch u u ch pros pr t os ol t i ol n i io i wym

Mechanika ogólna / Tadeusz Niezgodziński. - Wyd. 1, dodr. 5. Warszawa, Spis treści

Podstawy Robotyki Określenie kinematyki oraz dynamiki manipulatora

GEOMETRIA ANALITYCZNA W PRZESTRZENI

ANALIZA KINEMATYCZNA PALCÓW RĘKI

Podstawy robotyki - opis przedmiotu

dynamiki mobilnego robota transportowego.

Rok akademicki: 2013/2014 Kod: RAR s Punkty ECTS: 5. Poziom studiów: Studia I stopnia Forma i tryb studiów: -

3.3. dwie płaszczyzny równoległe do siebie α β Dwie płaszczyzny równoległe do siebie mają ślady równoległe do siebie

5.1. Kratownice płaskie

Mechanika teoretyczna

1. STRUKTURA MECHANIZMÓW 1.1. POJĘCIA PODSTAWOWE

2.12. Zadania odwrotne kinematyki

RUCH OBROTOWY- MECHANIKA BRYŁY SZTYWNEJ

I. KARTA PRZEDMIOTU CEL PRZEDMIOTU

RUCH OBROTOWY- MECHANIKA BRYŁY SZTYWNEJ

STEREOMETRIA CZYLI GEOMETRIA W 3 WYMIARACH

Dział I FUNKCJE I ICH WŁASNOŚCI

i = [ 0] j = [ 1] k = [ 0]

Technologiczny zapis konstrukcji, nowe wytyczne zawarte w normie *EN ISO 1101

KONKURS ZOSTAŃ PITAGORASEM MUM. Podstawowe własności figur geometrycznych na płaszczyźnie

Politechnika Poznańska Instytut Technologii Mechanicznej. Laboratorium MASZYN I URZĄDZEŃ TECHNOLOGICZNYCH. Nr 2

- Wydział Fizyki Zestaw nr 2. Krzywe stożkowe

Geometria analityczna

Grafika inżynierska geometria wykreślna. 3. Elementy wspólne. Cień jako rzut środkowy i równoległy. Transformacja celowa.

Tadeusz SZKODNY. POLITECHNIKA ŚLĄSKA ZESZYTY NAUKOWE Nr 1647 MODELOWANIE I SYMULACJA RUCHU MANIPULATORÓW ROBOTÓW PRZEMYSŁOWYCH

Układy współrzędnych

PRZEWODNIK PO PRZEDMIOCIE

Geometria powłoki, wg publikacji dr inż. Wiesław Baran

Krzywe stożkowe Lekcja II: Okrąg i jego opis w różnych układach współrzędnych

Jakobiany. Kinematykę we współrzędnych możemy potraktować jako operator przekształcający funkcje czasu

MECHANIKA 2. Prowadzący: dr Krzysztof Polko

Geometria. Rozwiązania niektórych zadań z listy 2

PODSTAWY STATYKI BUDOWLI POJĘCIA PODSTAWOWE

Geometria w R 3. Iloczyn skalarny wektorów

Grafika komputerowa Wykład 8 Modelowanie obiektów graficznych cz. II

4.1. Modelowanie matematyczne

Roboty przemysłowe. Wprowadzenie

Zadanie I. 2. Gdzie w przestrzeni usytuowane są punkty (w której ćwiartce leży dany punkt): F x E' E''

Kinematyka: opis ruchu

Zakres na egzaminy poprawkowe w r. szk. 2013/14 /nauczyciel M.Tatar/

Elementy geometrii analitycznej w R 3

Geometria Analityczna w Przestrzeni

Ruch. Kinematyka zajmuje się opisem ruchu różnych ciał bez wnikania w przyczyny, które ruch ciał spowodował.

Aby opisać strukturę krystaliczną, konieczne jest określenie jej części składowych: sieci przestrzennej oraz bazy atomowej.

Karta (sylabus) modułu/przedmiotu INŻYNIERIA MATERIAŁOWA Studia pierwszego stopnia

ANALIZA KINEMATYCZNA ZŁOŻONYCH KONSTRUKCYJNIE PRZEKŁADNI OBIEGOWYCH DO ELEKTROMECHANICZNYCH ZESPOŁÓW NAPĘDOWYCH Z ZASTOSOWANIEM WZORÓW WILLISA

D l. D p. Rodzaje baz jezdnych robotów mobilnych

R o z w i ą z a n i e Przy zastosowaniu sposobu analitycznego należy wyznaczyć składowe wypadkowej P x i P y

Krzywe stożkowe Lekcja VII: Hiperbola

PL B1. AKADEMIA GÓRNICZO-HUTNICZA IM. STANISŁAWA STASZICA, Kraków, PL BUP 10/05

GEOMETRIA ELEMENTARNA

Poniżej przedstawiony został podział wymagań na poszczególne oceny szkolne:

Definicja obrotu: Definicja elementów obrotu:

Egzamin 1 Strona 1. Egzamin - AR egz Zad 1. Rozwiązanie: Zad. 2. Rozwiązanie: Koła są takie same, więc prędkości kątowe też są takie same

Transkrypt:

4-2007 PROBLEMY EKSPLOATACJI 275 Andrzej ZBROWSKI Instytut Technologii Eksploatacji PIB, Radom Krzysztof ZAGROBA Politechnika Warszawska, Warszawa KINEMATYKA ODWROTNA TRIPODA Z NAPĘDEM MIMOŚRODOWYM Słowa kluczowe Precyzyjne mechanizmy pozycjonujące, model kinematyczny, kinematyka równoległa, TriPod. Streszczenie W artykule przedstawiono rozwiązanie zadania kinematyki odwrotnej w manipulatorze typu Triod o strukturze równoległej. Mechanizm posiada zamknięcie siłowe za pomocą sprężyny. Równania kinematyki są nieliniowe ze względu na zastosowanie mimośrodów jako elementów napędowych w aktuatorach. Wprowadzenie Rozpatrywany manipulator TriPod jest precyzyjnym układem trójosiowym o funkcjonalności stolika przesuwno-wychylnego. Efektorem urządzenia jest platforma/blat, dla której określane są trzy współrzędne położenia: kąt obrotu wokół osi X: α, kąt obrotu wokół osi Y: β, wysokość nad położeniem neutralnym: h. Położenie efektora jest sterowane za pomocą trzech mimośrodów rozmieszczonych promieniowo względem pionowej osi symetrii Z (rys. 1). Wzdłuż osi Z znajduje się kończyna bierna o zmiennej długości, połączona z płaszczyzną

276 PROBLEMY EKSPLOATACJI 4-2007 efektora z zastosowaniem przegubu kulistego. Nadmiarowy stopnie swobody odebrano za pomocą dodatkowej kończyny biernej umiejscowionej na osi X. D H θ Rys. 1. Geometria układu napędowego efektora w TriPodzie: D promień koła stycznego do osi obrotu mimośrodów, H wysokość położenia osi obrotu mimośrodu, θ kąt pomiędzy płaszczyzną XZ a płaszczyzną mimośrodu, płaszczyzna efektora styczna do mimośrodów Rozwiązanie zadania odwrotnego [1, 2, 3] dla rozpatrywanej struktury manipulatora można zdefiniować jako układ równań ϕ i = F(α, β, h), gdzie ϕ i, dla i = 1, 2, 3 oznacza współrzędne wewnętrzne napędów: 1, 2, 3, dla których spełniony jest warunek styczności mimośrodów do płaszczyzny zadanej. 1. Rozwiązanie zadania W celu rozwiązania zadania odwrotnego równoległej kinematyki [4, 5, 6, 7] manipulatora należy na początku wyznaczyć wersor w 1 prostej przecięcia płaszczyzny zadanej z płaszczyzną symetrii mimośrodu κ. Na płaszczyźnie κ znajduje się okrąg odpowiadający zewnętrznemu konturowi mimośrodu, styczny do powierzchni efektora. Wersor w 1 jest znormalizowanym iloczynem wektorowym wektorów normalnych płaszczyzn oraz κ, czyli odpowiednio n oraz n κ (rys. 2). Zatem: n nκ w1 = (1) n n κ

4-2007 PROBLEMY EKSPLOATACJI 277 gdzie: w 1 wersor kierunkowy prostej przecięcia się płaszczyzn oraz κ; n wektor normalny do płaszczyzny zadanej; n κ wektor normalny do płaszczyzny krzywki. 1 3 4 6 2 n κ P 0 w 1 κ n n,κ 7 5 Rys. 2. Wektory i płaszczyzny zadania odwrotnego: 1 płaszczyzna zadana ; 2 płaszczyzna krzywki κ; 3 wektor n κ normalny do płaszczyzny krzywki; 4 wektor n normalny do płaszczyzny zadanej, 5 wekto n,κ : rzut wektora n na płaszczyznę krzywki; 6 punkt P 0 ; 7 wektor w 1 krawędzi przecięcia płaszczyzny zadanej z płaszczyzną krzywki Znormalizowany rzut wektora n na płaszczyznę κ, czyli wektor określa równanie: n,κ = n n ( n o nκ ) nκ ( n o nκ ) nκ ' n κ (2) oraz współrzędne dowolnego punktu P 0 leżącego na prostej przecięcia płaszczyzn i κ.

278 PROBLEMY EKSPLOATACJI 4-2007 W celu uproszczenia obliczeń punkt ten znajduje się na osi Z, dzięki czemu jest on wspólny dla płaszczyzn symetrii wszystkich mimośrodów oraz płaszczyzny zadanej. Z warunków geometrycznych wynika, że wektor n κ, jest prosto- ' padły do w 1. ' Znając wektor znormalizowany n κ 1 wyznaczono współrzędne punktu P 1 leżącego w płaszczyźnie krzywki odległego o R od prostej utworzonej z przecięcia płaszczyzn i κ 1 (rys. 3). κ P 1 P O 1 2 l 1 R 5 1 2 3 4 Rys. 3. Wyznaczanie środka mimośrodu stycznego do płaszczyzny zadanej: 1 prosta l 1 ; 2 punkt P 2 (punkt przebicia płaszczyzny mimośrodu i przez oś obrotu mimośrodu); 3 środek mimośrodu; 4 okrąg O 1 (tor środka mimośrodu); 5 punkt P 1 Współrzędne P 1 wynikają ze wzoru: gdzie: R r P1 r P0 r P1 r P + n,κ R (3) = 0 promień mimośrodu, wektor wodzący punktu P 1 (czyli wektor o początku w środku układu współrzędnych i końcu w punkcie P 1 ), wektor wodzący punktu P 0 (czyli wektor o początku w środku układu współrzędnych i końcu w punkcie P 0).

4-2007 PROBLEMY EKSPLOATACJI 279 Prosta l 1 wykreślona z punktu P 1 o kierunku wzdłuż wersora w 1, określa położenie środka mimośrodu R stycznego do płaszczyzny i leżącego w płaszczyźnie κ. Zatem równanie prostej l 1 ma postać: x = xp + x 1 w l1 : y = yp + y 1 z = zp + z 1 w 1 w1 1 t t t, t R gdzie: x, y, z współrzędne dowolnego punktu leżącego na prostej l 1, x P1, y P1, z P1 współrzędne punktu P 1 wg równania 3, x w1, y w1, z w1 współrzędne wersora w 1, wg równania 1, t parametr. (4) Z konstrukcji mechanizmu wynika, że środek mimośrodu przemieszcza się po okręgu O 1 leżącym w płaszczyźnie κ. Punkt P 2 będący środkiem okręgu O 1 leży na osi obrotu mimośrodu. Promień okręgu O 1 jest równy wartości mimośrodu e. Zamiast okręgu O 1, można rozpatrywać sferę S 1 o tych samych parametrach. Założenie to jest poprawne, ponieważ prosta l 1 z definicji (warunki konstrukcyjne) leży na płaszczyźnie κ. Wobec tego równanie sfery ma postać: gdzie: 2 2 2 2 ( x x ) + ( y y ) + ( z z ) S : e (5) 1 P 2 P2 P = 2 x, y, z współrzędne dowolnego punktu leżącego na powierzchni sfery, x P2, y P2, z P2 współrzędne punktu P 2, określonego jako punkt przebicia płaszczyzny krzywki przez oś krzywki, e mimośród krzywki. Połączenie równania (4) i (5) tworzy układ równań, którego rozwiązaniami są punkty przecięcia prostej l 1 ze sferą S 1, a w konsekwencji także okręgiem O 1. Są to współrzędne środka mimośrodu (wg równania 5) oraz stycznej do okręgu, po którym przemieszcza się środek mimośrodu (wg równania 4). Ponieważ jedno z równań tego układu jest drugiego stopnia, zatem układ może: a) nie posiadać rozwiązań, b) mieć jedno rozwiązanie: punkt B 1, c) mieć dwa rozwiązania: punkty B 1 i B 2.

280 PROBLEMY EKSPLOATACJI 4-2007 W pierwszym przypadku płaszczyzna zadana leży poza przestrzenią roboczą manipulatora. W pozostałych przypadkach można wyznaczyć rozwiązanie zadania odwrotnego (rys. 4). B 1 B 2 B 1 Rys. 4. Rozwiązania kinemetyki odwrotnej: a) istnieją dwa rozwiązania B 1 i B 2 ; b) istnieje tylko jedno rozwiązanie B 1 W tym celu należy wystawić wektor w 2 z punktu P 2 do punktu B 1 lub B 2 (rys. 5). Kąt ϕ 1 zawarty pomiędzy wektorem w 2 a ujemną półosią Z stanowi rozwiązanie zadania odwrotnego dla mimośrodu. ϕ 1 Kierunek ujemnej półosi Z w 2 B 2 Rys. 5. Rozwiązanie zadania odwrotnego w postaci kąta ϕ 1 Wybór pomiędzy punktem B 1 a B 2 dokonywany jest na podstawie analizy bieżącej pozycji, przy warunku, że droga, jaką pokonać musi krzywka, jest jak najkrótsza. W tym celu wyznaczany jest kąt ϕ 1 dla punktu B 1 i ϕ 1 dla punktu B 2. Opracowano algorytm realizujący to zadanie (rys. 6). Postępując analogicznie dla pozostałych mimośrodów uzyskiwane jest rozwiązanie zadania odwrotnego dla całego manipulatora.

4-2007 PROBLEMY EKSPLOATACJI 281 Start Wyznacz kąty ϕ 1 oraz ϕ 1 Oblicz różnice: ϕ =ϕ 0-ϕ 1 ; ϕ =ϕ 0-ϕ 1 Nie Czy ϕ < ϕ Tak Rozwiązaniem jest kąt ϕ Rozwiązaniem jest kąt ϕ Koniec Rys. 6. Algorytm postępowania przy wyborze rozwiązania zadania odwrotnego: ϕ 1 rozwiązanie dla punktu B 1 ; ϕ 1 rozwiązanie dla punktu B 2 ; ϕ 0 bieżące położenie mimośrodu Podsumowanie Rozwiązanie odwrotne posiada ograniczenie. Płaszczyzny mimośrodów muszą przecinać się wzdłuż osi OZ. Założenie to wynika z wyboru punktu P 0 i podyktowane jest prostotą algorytmu. Jest ono dopuszczalne ze względu na konstrukcję manipulatora, która zakłada taką konfigurację mimośrodów. Przedstawiony model kinematyki odwrotnej został zaimplementowany w sterowaniu precyzyjnym manipulatorem TriPod. Zastosowany model w zadaniu odwrotnym kinematyki umożliwia sterowanie manipulatorem poprzez określenie płaszczyzny zadanej we współrzędnych absolutnych lub przyrostowo względem określonej współrzędnej Praca naukowa finansowana ze środków Ministra Nauki i Szkolnictwa Wyższego, wykonana w ramach realizacji Programu Wieloletniego pn. Doskonalenie systemów innowacyjności w produkcji i eksploatacji w latach 2004 2008.

282 PROBLEMY EKSPLOATACJI 4-2007 Bibliografia 1. Khail W., Dombre E.: Modeling, Identification & Control of Robots. Kogan Page Science 2006. 2. Morecki A.: Podstawy Robotyki. Teoria i elementy Manipulatorów i robotów. WNT, Warszawa 1999. 3. Honczarenko J. i inni: Roboty przemysłowe. Budowa i zastosowanie. WNT. Warszawa 2004. 4. Steward D.: A platform with six degrees of freedom. Proc. Institution of Mechanical Engineers, 180/1965, s. 371 386. 5. Oczoś K., Weiss E.: Kinematyki równoległe w budowie obrabiarek, robotów i manipulatorów. Cześć I. Mechanik 5 6/2002, s. 323 333. 6. Oczoś K., Weiss E.: Kinematyki równoległe w budowie obrabiarek, robotów i manipulatorów. Cześć II. Mechanik 7/2002, s. 489 498. 7. Iżykowski S. i inni: Zastosowanie układów kinematycznych o strukturach równoległych w budowie maszyn wytwórczych. IV Konf. Naukowa: Komputerowe Wspomaganie Prac Inżynierskich. Polanica 1998. 8. Sandler B.: Robotics. Design the Mechanism for Automated machinery. Academic Press. San Diego 1999. 9. Olędzki A.: Mechanizmy krzywkowe. WNT, Warszawa 1968, s. 73 110. 10. Pawłowski J.: Podstawy konstrukcji przyrządów precyzyjnych. Elementy teorii mechanizmów. Wydawnictwa Politechniki Warszawskiej, Warszawa 1986, s. 18 26, 124 127, 130 135. Recenzent: Mariusz GIERGIEL The inverse kinematic of a tripod with cam movement actuators Key words Precision positioning mechanism, kinematic model, parallel kinematics, tripod. Summary The analysis of an inverse kinematic model of the tripod manipulator with parallel architecture was presented in the article. The mechanism is locked by a spring. Kinematics equations are non-linear because of the cam actuators. The presented model was used in the control of precision manipulator TriPod.