TOMASZ FOJCIK Katedra Inżynierii Produkcji Akademia Techniczno-Humanistyczna w Bielsku Białej PROJEKT MANIPULATORA Z WYKORZYSTANIEM STEROWNIKA SERWOMECHANIZMÓW MAESTRO MINI Streszczenie: Artykuł prezentuje podstawowe założenia projektowe oraz sposób praktycznej realizacji manipulatora DTR. Przedstawiono i zilustrowano poszczególne etapy wykonanych prac, skupiając się na opisie wypracowanej metodyki postępowania. Manipulator wykonano z elementów lekkich o dużej sztywności ze względu na użyte serwomechanizmy jako jednostki napędowe. Głównym założeniem było zbudowanie manipulatora zdolnego do przenoszenia elementów z dużą dokładnością oraz powtarzalnością ruchów przy jak najniższym koszcie. W pracy zawarto opis modelu wirtualnego (wykonanego przy pomocy oprogramowania Autodesk Inventor) oraz modelu fizycznego manipulatora wraz z fragmentem kodu systemu sterującego. Słowa kluczowe: serwomechanizm, AutoDesk, manipulator, sterowniki 1. Wstęp i opis zagadnienia Współcześnie najliczniejszą grupą robotów są roboty manipulujące wykonujące prace w przemyśle takie jak: malowanie, spawanie, zgrzewanie, sklejanie, przekładanie, montaż, czy wiele innych procesów, które są monotonne lub mają zły wpływ na zdrowie człowieka. Manipulatory mają bardzo szeroki wachlarz zastosowań dzięki szybkości działania, dużej dokładności oraz powtarzalności. W celu osiągnięcia takich parametrów muszą być spełnione następujące warunki: właściwa sztywność ramienia, brak luzów w układach napędowych, odpowiednie układy wspomagania i sterowania.
56 Tomasz Fojcik Wielką zaletą manipulatorów jest ich uniwersalność, łatwość wprowadzenia zmian i korekt poprawiających jakość wykonywanych działań lub całkowitą zmianę programu. Celem pracy jest zbudowanie manipulatora o czterech stopniach swobody wykorzystując serwomechanizmy jako jednostki napędowe. Przeznaczeniem manipulatora jest przenoszenie komponentów o małych wymiarach i małej wadze. Celem pracy jest również przeanalizowanie możliwości wykorzystania manipulatora do prac związanych z selekcją komponentów z tworzyw sztucznych odlewanych ciśnieniowo w produkcji wielkoseryjnej lub masowej. 2. Założenia projektowe Głównym założeniem projektu było wykorzystanie sterownika Maestro firmy Pololu. Taki sterownik pozwala na zastosowanie serwomechanizmów jako jednostek napędowych. Manipulator składa się z pięciu serwomechanizmów. Rys. 1 Schemat połączeń [1]
Projekt manipulatora z wykorzystaniem sterownika serwomechanizmów 57 Zakłada się elementy konstrukcyjne o dużej sztywności i lekkości ze względu na użyte serwomechanizmy, które montowane bezpośrednio na przegubach nie są w stanie poruszać elementami o dużej masie. Masa całego manipulatora nie powinna być większa niż trzy kilogramy. Źródło zasilania musi mieć dużą wydajność prądową potrzebną do prawidłowej pracy serwomechanizmów. Sterowanie będzie odbywać się za pomocą komputera poprzez oprogramowanie firmy Pololu. Jednym z założeń było również to, że koszt budowy manipulatora powinien być jak najmniejszy w stosunku do postawionych celów [2]. 3. Etapy projektowania Proces projektowania składał się z kilku etapów takich jak: wybór części (napęd, sterownik), wybór materiałów (konstrukcja), wybór sposobu zasilania i sterowania, wykonanie obliczeń, wykonanie rysunków poglądowych, zamodelowanie elementów konstrukcyjnych, wykonanie elementów konstrukcyjnych, montaż robota, uruchomienie i testy. Od wyboru części i materiałów z jakich ma zostać wykonany robot zależy jakie robot będzie miał przeznaczenie i w jakich warunkach będzie pracował. Wybór układu sterowania i zasilania ma wpływ na poprawność działania robota. Obliczenia są niezbędne w przypadku określonych wymagań co do działań wykonywanych przez robota. Bardzo ważnym etapem podczas projektowania jest wykonanie wirtualnego modelu robota w celu sprawdzenia czy poszczególne elementy są odpowiednio dopasowane. W razie ewentualnych problemów można w łatwy sposób dokonać odpowiednich korekt. Po poprawnym wykonaniu wirtualnego modelu można bez przeszkód przystąpić do wykonania rzeczywistych elementów konstrukcyjnych [2].
58 Tomasz Fojcik Rys. 2. Model robota wykonany w programie Autodesk Inventor 4. Wykonanie manipulatora W projekcie został użyty sterownik serwomechanizmów Pololu Mini Maestro 12. Sterownik posiada dwanaście kanałów, które mogą służyć jako wyjścia z pulsacją sygnału 0,25µs odpowiadając przesunięciu o kąt 0.025 dla typowego serwomechanizmu. Pulsację i zakres można dowolnie zmieniać. Kanały w zależności od konfiguracji mogą również służyć jako cyfrowe wyjścia lub analogowe wejścia. Do napędu robota służą cztery serwomechanizmy Tower Pro SG 5010. Mają one wystarczająco dużą moc do płynnego manewrowania poszczególnymi członami. Do zwierania i rozwierania chwytaka służy serwomechanizm Tower Pro SG 90 Micro. Jest to idealne zastosowanie do chwytaka dlatego, że ten serwomechanizm jest bardzo lekki i bardzo mały. Serwomechanizmy typu Tower Pro cechuje bardzo dobry stosunek wydajności do ceny. Do zasilenia całego układu wraz z serwomechanizmami jest wymagane źródło o natężeniu prądu co najmniej 3A. Taka wartość wynika z obciążenia
Projekt manipulatora z wykorzystaniem sterownika serwomechanizmów 59 jakie występuje podczas pracy kilku serwomechanizmów jednocześnie. W projekcie został użyty zasilacz ATX EC model: 300X1 o mocy 300W. Rys. 3. Model fizyczny manipulatora, sterownik Rys. 4. Model fizyczny manipulatora, zasilacz Konstrukcja składa się z elementów ze stali ocynkowanej oraz aluminium o grubościach (0,5mm, 1mm, 2mm). Takie materiały zostały zastosowane ze względu na to, że charakteryzują się dużą lekkością, sztywnością, wytrzymałością i odpornością na korozję. Krążki ściśle ze sobą współpracujące podczas ruchu obrotowego podstawy zostały wykonane z teflonu ze względu na bardzo niski współczynnik tarcia oraz odporność na zanieczyszczenia. Chwytak wykonano z tworzywa sztucznego PCV ze względu na lekkość i dużą sztywność. Na końcówkach są przyklejone gumowe elementy w celu poprawy jakości chwytu. Podstawka pod sterownik została wykonana ze sklejki o grubości 7 mm ze względu na swoją sztywność i lekkość.
60 Tomasz Fojcik Do zmontowania elementów zostało użytych 21 imbusowych śrubek M5, 6 śrubek krzyżakowych M5 oraz 3 śrubki M2. Dodatkowo zostały użyte tulejki dystansowe o średnicy 1 cm [2]. Rys. 5. Chwytak Do sterowania manipulatorem wymagane jest oprogramowanie Maestro oraz połączenie komputera ze sterownikiem za pomocą kabla USB. Oprogramowanie składa się z panelu kontrolnego, w którym jest możliwość sterowania poszczególnymi członami manipulatora lub zaprogramowanie sekwencji ruchów w języku skryptowym. Rys. 6. Panel kontrolny manipulatora W celu sprawdzenia dokładności oraz powtarzalności ruchów manipulatora, zostały przeprowadzone badania polegające na zaznaczeniu chwytakiem punktów. Po wykonaniu kilku dowolnych sekwencji ruchów manipulator miał za zadanie trafić w te same punkty. Na tej podstawie można było stwierdzić, że dokładność wynosi ± 2mm. Jednym z zadań manipulatora było przeniesienie komponentu z punktu A do punktu B, poniżej znajduje się program napisany w języku skryptowym prezentujący realizację tego zadania.
Projekt manipulatora z wykorzystaniem sterownika serwomechanizmów 61 5 0 speed // określenie prędkości ruchu obrotowego podstawy 2 1 speed // określenie prędkości ruchu obrotowego członu 1 5 2 speed // określenie prędkości ruchu obrotowego członu 2 begin // początek programu 4568 0 servo // pozycje początkowe serwomechanizmów 2685 1 servo 5735 2 servo 5356 3 servo 3008 4 servo // podprogram 9160 2 servo // ruch członu 2 w kierunku obiektu 4800 4 servo // zwarcie chwytaka; chwyt przedmiotu 5735 2 servo // ruch członu 2 9000 0 servo // obrót podstawy 9160 2 servo // ruch członu 2 3008 4 servo // rozwarcie chwytaka repeat // powtarzanie programu sub # podprogram begin // początek podprogramu get_moving_state # wykonanie ruchów bez opóźnień while // początek pętli repeat // powtarzanie podprogramu return // powrót 5. Wnioski końcowe i uwagi Istnieje możliwość wykorzystania manipulatora DTR w produkcji wielkoseryjnej lub masowej. Doskonale sprawdzałby się w procesie selekcji komponentów. Niestety ze względu na ograniczenia związane z zastosowanymi elementami, manipulator nie jest w stanie przenieść komponentu o dużych wymiarach lub wadze. Przykładowo zastosowaniem manipulatora DTR może być rozpoznawanie elementów elektronicznych, a następnie przeniesienie ich w odpowiednie miejsce. Innym przykładem może być zebranie z taśmy elementów przeznaczonych do dalszej obróbki z pominięciem odpadu.
62 Tomasz Fojcik Podczas pracy manipulatora występują drgania. Największym źródłem drgań jest ruch serwomechanizmu odpowiedzialnego za pierwszy człon. Budowa manipulatora oparta na serwomechanizmach niesie ze sobą ograniczenia rozmiarowe dlatego, że serwomechanizmy mają zbyt mały moment obrotowy potrzebny do wykonania ruchu obrotowego z obciążeniem o zbyt dużych wymiarach. Zaletą serwomechanizmów jest możliwość zamontowania ich bezpośrednio w przegubach manipulatora, co znacznie upraszcza konstrukcję. Konstrukcja manipulatora jest solidna, zapewnia odpowiednią sztywność. Elementy konstrukcyjne zostały wykonane na obrabiarkach z bardzo dużą dokładnością do 0,01 mm. Można stwierdzić, że model fizyczny konstrukcji jest taki sam jak model wirtualny. Konstrukcja chwytaka nie jest odpowiednia, dlatego że osie szczęk chwytaka przy rozwarciu nie są równoległe, co powoduje problem podczas chwytania. Koszt manipulatora jest bardzo niski, wynosi ok. 300 złotych + koszt elementów konstrukcyjnych. Sterownik Pololu zastosowany w projekcie ma liczne wady i zalety. Największymi zaletami są: prostota obsługi, małe wymiary i darmowe oprogramowanie. Największymi wadami są ograniczenia związane z napisaniem zaawansowanego programu czy podłączeniem systemu wizyjnego. Język programowania jest intuicyjny, nie wymaga dużych umiejętności. Aby rozbudować manipulator oraz poprawić jakość działania należy: wymienić sterownik Pololu na sterownik Arduino, wymienić serwomechanizm odpowiedzialny za ruch członu pierwszego na serwomechanizm o dwukrotnie większym momencie obrotowym, wymienić serwomechanizm odpowiedzialny za zwieranie oraz rozwieranie szczęk chwytak na serwomechanizm o dwukrotnie większym momencie obrotowym, zamontować czujnik krańcowy, czujnik odległościowy, czujnik koloru, poprawić konstrukcję chwytaka, wyeliminować luzy. Literatura 1. http://botland.com.pl/, data dostępu 31.03.2014 2. Fojcik T., Projekt robota mobilnego w oparciu o kontroler serwonapędów Pololu Micro, Praca inżynierska ATH pod przewodnictwem dr inż. Marcina Sidziny, Bielsko Biała 2013