docplik Adobe PDF / Get full paper - Adobe PDF file
download 
Reklamacja Transkrypt
plik Adobe PDF / Get full paper - Adobe PDF file
KOMISJA BUDOWY MASZYN PAN – ODDZIAŁ W POZNANIU Vol. 28 nr 4 Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji 2008 MARCIN CHCIUK∗, ADAM MYSZKOWSKI∗∗ WYKORZYSTANIE TRZYOSIOWEGO DŻOJSTIKA DOTYKOWEGO Z CIECZĄ MAGNETOREOLOGICZNĄ I SIŁOWYM SPRZĘŻENIEM ZWROTNYM DO 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. ∗∗ Dr 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 002 29. M. Chciuk, A. Myszkowski 36 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. BUDOWA I BADANIA DOTYKOWEGO DŻOJSTIKA 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 korpus (stal) wirnik (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. Dżojstik ma za zadanie sterować położeniem końców- 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 krokowymi (prędkość – clock, kierunek – dir). Widok dżojstika pokazano na rys. 3. Komputer PC Amperomierz Zasilacze Momentomierz Silnik Złącze karty pomiarowej Hamulec MR Rys. 3. Dżojstik 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 M [Nm ] 3 2 1 0 0 0,1 0,2 0,3 I [A] Rys. 5. Charakterystyka M = f(I) Fig. 5. Characteristic M = f(I) 0,4 M. Chciuk, A. Myszkowski 38 3 0,40 A 0,30 A 0,20 A 0,15 A 0,10 A M [Nm] 2 0,05 A 1 0 0 500 1000 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 DFM22 firmy Magneton Elektronik. Widok stanowiska pomiarowego przedstawiono na rys. 4. Pomiary wykonywano za pomocą komputera PC z kartą DaqBoard 3001 i programem DasyLab 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. BUDOWA ROBOTA WYKORZYSTYWANEGO PODCZAS BADAŃ I OPIS UKŁADU 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 krokowych 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) Wykorzystanie trzyosiowego dżojstika dotykowego z cieczą magnetoreologiczną… 39 gdy 0 − h < e < 0 + h, to clock = 0 i dir = 0, silnik się nie obraca, – uchyb regulacji, gdzie: e h – histereza, clock, dir – sygnały sterujące sterownikiem silnika krokowego. (3) Z0 X2 θ2 X3 θ5 X4 X0 θ4 d3 d2 Z3 Z4 Z2 d1 Z1 θ1 X1 Rys. 7. Robot ROMIK Fig. 7. View of ROMIK robot θ3 Y0 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 X1 i Y1 układu bazowego. Osie: Z1, Z2, Z3 i Z4 są prostopadłe do płaszczyzny planarności. Współrzędnymi wewnętrznymi są: θ1 – kąt obrotu kolumny [°], θ2 – kąt odchylenia ramienia od pionu [°], θ3 – kąt odchylenia przedramienia od ramienia [°], θ4 – kąt odchylenia chwytaka od przedramienia [°], θ5 – kąt obrotu chwytaka wokół własnej osi [°]. Współrzędne zewnętrzne to: x, y, z – współrzędne kartezjańskie końca efektora wyrażone w układzie bazowym X0 Y0 Z0 [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: d1 – długość ramienia [mm], d2 – długość przedramienia [mm], d3 – 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. M. Chciuk, A. Myszkowski 40 Silnik krokowy 57BYG081 D Enkoder HEDS5500 Silnik krokowy 57BYG081 D Enkoder HEDS5500 Silnik krokowy 57BYG081 D Enkoder HEDS5500 Silnik krokowy 57BYG081 D Enkoder HEDS5500 Silnik krokowy 57BYG081 D Enkoder HEDS5500 Sterownik silników krokowych STC102WP Sterownik silników krokowych STC102WP Sensor krańcowy Sensor krańcowy Sensor siły Karta RT-DAC4 Sensor krańcowy PCI Sensor krańcowy Rys. 9. Schemat układu sterowania silników krokowych Fig. 9. Control circuit diagram of step motors CYFROWY POMIAR POLOZENIA ROBOTA 1 Encoder Input e Encoder Input OR 0 Switch2 Constant1 Analog Input Analog Input3 ANALOGOWY POMIAR POLOZENIA DZOJSTIKA 1 Logical Operator1 AND Logical Operator2 Digital Output Digital Output1 KIERUNEK dir Digital Output -KGain GENERATOR KROKU clock Pulse Generator2 Constant2 Switch3 Digital Output2 Constant3 Rys. 10. Schemat układu sterowania wykonany w programie MATLAB/SIMULINK Fig. 10. Control circuit diagram made in MATLAB/SIMULINK program Wykorzystanie trzyosiowego dżojstika dotykowego z cieczą magnetoreologiczną… 41 SYGNAŁ WEJŚCIOWY – UCHYB REGULACJI e emax h -h -emax SYGNAŁ STERUJĄCY KROKIEM SILNIKA - clock HI LO HI SYGNAŁ STERUJĄCY KIERUNKIEM SILNIKA - dir LO T [s] Rys. 11. Sygnały sterujące silnikiem krokowym 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-DAC4 PCI (rys. 12). Dżojstik Cewki hamulców MR Potencjometry Wzmacniacze mocy 0V / 5V TTL AB ± 10V Wejścia cyfrowe Liczniki kwadratury C/A KARTA RT-DAC4 / PCI Wyjścia cyfrowe 0V / 5V TTL A/C Sterowniki napędów Czujnik siły Enkodery ROBOT ROMIK Silniki krokowe Czujniki graniczne Rys. 12. Schemat układu sterowania robota Fig. 12. Robot’s control circuit diagram 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 2005. [3] Milecki A., Ławniczak A., Ciecze elektro- i magnetoreologiczne oraz ich zastosowania w technice, Poznań, Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej 1999. [4] Myszkowski A., Konstrukcja i badanie hamulca wahadłowego z cieczą magnetoreologiczną, Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji, 2007, vol. 27, nr 2. [5] www.lord.com. Praca wpłynęła do Redakcji 1.04.2008 Recenzent: dr hab. inż. Zbigniew Kęsy USING THREE-AXIAL HAPTIC JOYSTICK WITH MAGNETORHEOLOGICAL FLUID AND FORCE FEEDBACK FOR CONTROL ROBOT’S ARM Summary 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
