Referaty sesja 4p.indd - Pomiary Automatyka Robotyka

Pomiary Automatyka Robotyka 2/2009
mgr in. Maciej Pabel2, mgr in. Marcin Prokopiak2, dr hab. in. Piotr Skrzypczyski1
1)
Instytut Automatyki i Inynierii Informatycznej, Politechnika Poznaska, ul. Piotrowo 3A,
60-965 Pozna, 2) P.P.H. WObit, ul. Gruszkowa 4, 61-474 Pozna
ROBOT TYPU SCARA O OTWARTEJ ARCHITEKTURZE
SPRZTOWO-PROGRAMOWEJ
W niniejszej pracy przedstawiono konstrukcj i oprogramowanie niewielkiego
robota manipulacyjnego typu SCARA charakteryzujcego si otwartoci
architektury sprztowo–programowej oraz niewielkimi kosztami budowy. Robot
ten, wyposaony w szerok gam interfejsów komunikacyjnych oraz graficzne,
przyjazne dla uytkownika rodowisko programowania przeznaczony jest gównie
do celów edukacyjnych, lecz moe by take uyty do realizacji prostych prac
w przemyle, zastpujc nieporównywalnie drosze roboty w ukadzie SCARA
dostpne obecnie na rynku.
A LOW–COST, OPEN ARCHITECTURE SCARA–TYPE ROBOT
In this paper the design and software of a low-cost SCARA-type robot are
presented. This robot has an open, modular architecture of the controller which
can be easily extended by adding both additional effectors (robot axis) and
sensors. The user of this robot has a broad choice of the communication
interfaces to connect the robot to a PC, and a simple, user-friendly graphical
programming environment. The main purpose of the developed robot is education,
however the robot can be also an attractive choice for small or medium
enterprises seeking a low-cost robotic solution to their packaging, sorting or
assembly tasks.
1. WSTP
Obserwujc rynek robotów przemysowych oraz ich aplikacje w Polsce mona zauway, e
brak jest prostych, bardzo tanich manipulatorów przeznaczonych dla maych i rednich
przedsibiorstw. Budet wikszoci z nich nie pozwala na wdroenie wzgldnie drogich
robotów przemysowych oferowanych przez duych producentów. Pewne parametry takich
robotów, a w szczególnoci szybko dziaania i bardzo dua precyzja pozycjonowania
pozostaj niewykorzystane w wielu prostszych zastosowaniach, takich jak produkcja
opakowa z tworzyw sztucznych (pakowanie, paletyzacja), czy te nanoszenie spoiwa
(klejenie). Sytuacja ta skonia poznask firm WObit dziaajc gównie w brany napdów
elektrycznych, sterowników i elementów automatyki, do zainicjowania projektu prostego
robota manipulacyjnego, który mógby zapeni wspomnian luk rynkow. Inicjatywa ta
zbiega si z zainteresowaniem Instytutu Automatyki i Inynierii Informatycznej (IAiII)
Politechniki Poznaskiej moliwoci rozwinicia bazy posiadanych robotów edukacyjnych.
Manipulator dydaktyczny, poza niskim kosztem, umoliwiajcym wdroenie wikszej liczby
jednostek, powinien charakteryzowa si take otwartoci systemu sterowania oraz
moliwoci rozbudowy i modyfikacji (moduowoci).
W ramach wspópracy midzy IAiII a firm WObit zaprojektowany zosta i wykonany
prototyp robota manipulacyjnego speniajcy najwaniejsze wymagania postawione w obu
obszarach aplikacji: robota uytkowego dla przedsibiorstw o ograniczonych moliwociach
finansowych oraz manipulatora dydaktycznego.
automation 2009
539
Pomiary Automatyka Robotyka 2/2009
Sporód wielu moliwych struktur kinematycznych manipulatorów wybrano konfiguracj
SCARA (Selective Compliant Articulated Robot for Assembly)*. Manipulator typu SCARA
zosta opracowany w kocu lat siedemdziesitych ubiegego wieku w zespole prof. Hiroshi
Makino z Yamanashi University (Japonia) [9]. Manipulatory SCARA s klasyfikowane
w grupie robotów monolitycznych o szeregowej strukturze kinematycznej. Posiadaj dwie lub
trzy obrotowe pary kinematyczne o osiach równolegych, które umoliwiaj ruch w pewnej
paszczynie, oraz jedn par przesuwn, realizujc ruch w kierunku prostopadym do tej
paszczyzny [1]. Ukad SCARA charakteryzuje si du sztywnoci w paszczynie ruchu
pionowej osi przesuwnej oraz pewn podatnoci w paszczynie ruchu par obrotowych, std
okrelane s mianem selektywnie podatnych (selective compliant). Ukady napdowe par
obrotowych nie musz podtrzymywa ciaru samego manipulatora czy te przenoszonego
przedmiotu. Ponadto, silniki napdzajce dwie pierwsze pary obrotowe manipulatora SCARA
mog zosta zabudowane w osi jego podstawy, a wic take nie obciaj ramienia.
Powysze cechy konstrukcyjne ukadu SCARA oraz wzgldnie prosta konstrukcja
mechaniczna ruchomych czonów manipulatora (cz obrotowa jest mechanizmem paskim)
sprawiaj, e konfiguracja ta jest chtnie stosowana w przemyle, a manipulatory SCARA
maj w swej ofercie wszyscy gówni producenci robotów przemysowych. Manipulatory
SCARA, ze wzgldu na swoje cechy oraz ksztat przestrzeni roboczej jest najbardziej
przydatny do wykonywania zada na paszczynie. Roboty tego typu wykorzystywane s
gównie przy montau elementów i podzespoów, ale take przy powtarzalnym przenoszeniu
detali oraz ich sortowaniu. Roboty takie s te chtnie uywane w aplikacjach zwizanych
z wytwarzaniem obwodów drukowanych.
Manipulatory typu SCARA maj te znaczny potencja jako roboty edukacyjne. S chtnie
stosowane w dydaktyce zwizanej z przetwarzaniem obrazu, komputerowo zintegrowanym
wytwarzaniem, mechatronik [11] oraz telemanipulacj [4]. W wielu zastosowaniach
edukacyjnych i badawczych szczególnie istotne wydaj si takie cechy ukadu SCARA jak
niewielka ilo miejsca zajmowanego przez robota przy relatywnie duej przestrzeni roboczej
oraz nieskomplikowana konstrukcja mechaniczna, która przyczynia si do duej odpornoci
na "ze traktowanie" przez uytkowników. Podstawowe zaoenia konstrukcyjne
projektowanego robota zostay sformuowane nastpujco:
540
x zasig ramienia porównywalny z konstrukcjami dostpnymi na rynku
(od 300 mm do 350 mm);
x niski koszt wykonania robota;
x prosta konstrukcja mechaniczna, technologicznie przystosowana do wytwarzania
maoseryjnego;
x moduowy ukad sterowania umoliwiajcy dalsz rozbudow robota
(dodatkowe osie, czujniki);
x programowanie z komputera PC z moliwoci sterowania z komputera oraz pracy
samodzielnej po jego odczeniu;
x szeroka gama interfejsów komunikacyjnych i moliwo wizualizacji stanów robota
w czasie rzeczywistym;
x prosty, wizualny sposób programowania robota z nowoczesnym interfejsem graficznym.
Decyzj, która istotnie zawaya na konstrukcji i parametrach zbudowanego prototypu
manipulatora by wybór do jego napdu silników krokowych. Ten rodzaj silników
elektrycznych ma wiele zalet, midzy innymi moliwo szybkiego rozbiegu, hamowania
oraz zmiany kierunku a take precyzyjnego pozycjonowania, ma te jednak wady, takie jak
trudnoci przy pracy z bardzo maymi prdkociami oraz moliwo pojawienia si rezonansu
mechanicznego. Podjta decyzja umotywowana bya czynnikami zwizanymi z chci
automation 2009
Pomiary Automatyka Robotyka 2/2009
maksymalnego ograniczenia kosztów robota: moliwoci sterowania w otwartej ptli
regulacji oraz dostpnoci w ofercie firmy WObit silników krokowych charakteryzujcych
si oyskami kulkowymi o znacznej rednicy, co umoliwio osadzenie manipulatora
bezporednio na osi silnika i uproszczenie konstrukcji mechanicznej. Take ze wzgldu na
ograniczenie kosztów zrezygnowano z trzeciej osi obrotowej, która w wikszoci robotów
SCARA realizuje zmian orientacji efektora kocowego. Na rys. 1A przedstawiono ogóln
struktur ramienia robota S08 zbudowanego we wspópracy IAiII i WObitu: 1 - silnik
krokowy I czonu, 2 - silnik krokowy II czonu, 3 - aktuator liniowy III czonu, 4 - ruba
aktuatora liniowego, 5 - czon I, 6 - czon II, 7 - czon III. Rys. 1B przedstawia gówne
wymiary robota S08.
Rys. 1. Struktura robota S08 (A) i jego podstawowe wymiary (B)
Do wiodcych producentów manipulatorów SCARA nale m.in. Adept, Bosch, Epson,
Kawasaki, KUKA, Toshiba, Yamaha. W ofertach wikszoci z wymienionych producentów
znajduj si manipulatory zblione wielkoci do robota S08. Przykadami mog by modele:
Adept Technology COBRA s350, Toshiba Machine TH350, Epson E2C351s oraz KUKA KR5
SCARA R350. Wszystkie te roboty maj zasig ramion okoo 350 mm i mona zaliczy je do
tej samej klasy, do której naley S08. Pozwala to na wykorzystanie powstaego manipulatora
w podobnych aplikacjach, co istniejce roboty. Naley zwróci uwag, e w porównaniu do
prototypu S08 wymienione tu roboty przemysowe charakteryzuj si lepszymi parametrami
dotyczcymi udwigu, prdkoci oraz dokadnoci pozycjonowania kocówki roboczej, koszt
ich zakupu jest jednak zdecydowanie wikszy ni koszt opisywanego tu rozwizania.
2. KONSTRUKCJA MECHANICZNA I NAPDY
2.1. Struktura mechaniczna ramienia manipulatora
Konstrukcja mechaniczna manipulatora zostaa zaprojektowana z uwzgldnieniem
moliwoci wykonawczych, jakimi dysponowano. Charakter konstrukcji wykluczy
zastosowanie technologii odlewu, która jest opacalna jedynie przy produkcji wielkoseryjnej.
Poszczególne czony manipulatora wykonano z paskich elementów wycitych z blachy przy
wykorzystaniu maszyny CNC, co jest najtaszym rozwizaniem dla produkcji pojedynczych
egzemplarzy, a jednoczenie zapewnia odpowiedni jako i powtarzalno wykonania [6].
Poniewa S08 ma spenia take rol robota edukacyjnego, jego rami musiao posiada
zamknit konstrukcj, osaniajc elementy wewntrzne. Konstrukcj oparto wic
o struktur warstwow, czon rubami, co zapewnia odpowiedni wytrzymao
i sztywno konstrukcji, a jednoczenie uatwia monta i serwis urzdzenia. Jako materiau
konstrukcyjnego uyto duraluminium PA6 (ENAW-2017A), wykorzystujc arkusze blachy
o gruboci 5 mm.
automation 2009
541
Pomiary Automatyka Robotyka 2/2009
Rys. 2. Konstrukcja I czonu manipulatora: podstawowe elementy (A) i zoone ogniwo (B)
Na czon pierwszy skadaj si trzy podstawowe elementy oraz dodatkowe detale, niezbdne
przy mocowaniu napdów i elektroniki robota (rys. 2). We wntrzu tego czonu umieszczono
przekadni pasow z pasem zbatym [12] przekazujc ruch obrotowy do drugiego czonu
robota. Konstrukcja mechaniczna drugiego czonu jest bardzo zbliona do budowy czonu
pierwszego. Ostatni czon manipulatora wykonuje ruch translacyjny. Do realizacji przesuwu
wykorzystano aktuator liniowym, którego ruba jest mocowana ruchomo na detalu
podstawowym tego czonu. Wykorzystano oysko liniowe (osadzone w czonie drugim) oraz
wa pokryty teflonem.
2.2. Napdy robota
Pierwszy czon manipulatora poruszany jest przy uyciu silnika krokowego 85BYGH450A,
który ma moment 4,1 Nm i oysko kulkowe o duej rednicy, co umoliwio osadzenie
manipulatora bezporednio na jego osi. Dua masa (2,8 kg) silnika nie miaa w tym
przypadku znaczenia, poniewa zosta on umieszczony w podstawie robota. Pierwsza o moe
by przemieszczana o +/- 150o z maksymaln prdkoci 360o/s oraz pozycjonowana
z rozdzielczoci 0,1125o. Do napdu drugiego czonu naleao wykorzysta silnik o jak
najmniejszej masie, ze wzgldu na umiejscowienie go na ruchomym pierwszym czonie
manipulatora. Zdecydowano si na model 57BYGH803 o masie 1,1 kg, który cechuje si
momentem 1,4 Nm. Zakres ruchu drugiej osi wynosi +/- 140o, jej rozdzielczo ktowa
0,1125o, a maksymalna prdko ruchu 360 o/s. Ruch liniowy trzeciej osi zrealizowano przy
uyciu niewielkiego silnika krokowego ze rub, typu 35BYZ-B01. Taki aktuator liniowy
zapewnia du rozdzielczo przesuwu (0,0254 mm) i posiada niewielk mas oraz mae
wymiary, co pozwolio na zamknicie go wewntrz drugiego czonu manipulatora. Jego
wadami s natomiast niska prdko przesuwu (10 mm/s) i niewielkie wysunicie
maksymalne (do 70 mm). Wszystkie silniki wykorzystane w konstrukcji robota zostay
wybrane z oferty firmy WObit [14].
3. ARCHITEKTURA i OPROGRAMOWANIE STEROWNIKA ROBOTA
3.1. Sterownik nadrzdny
W robocie S08 zastosowano moduow struktur sterownika, który zosta podzielony na
sterownik nadrzdny (tzw. pyt gówn) oraz kontrolery poszczególnych osi. Kady modu
posiada odrbny mikrokontroler, a komunikacja midzy nimi odbywa si po szeregowej
magistrali SPI [5]. Przyjcie takiej architektury sterownika uwarunkowane byo znacznym
stopniem komplikacji jego struktury, co wynika z obecnoci wielu urzdze peryferyjnych,
koniecznoci wykonywania zoonych oblicze w czasie rzeczywistym oraz chci
uzyskania rozwizania otwartego, podatnego na rozbudow i modernizacj (rys. 3).
Zaprojektowany sterownik umoliwia samodzieln prac robota S08 bez nadzoru komputera
PC, po wczeniejszym zaprogramowaniu. Podstawowe funkcje wypeniane przez sterownik
nadrzdny robota to:
542
automation 2009
Pomiary Automatyka Robotyka 2/2009
x nadzór nad sterownikami osi poprzez system przerwa i cykliczne odpytywanie;
x rozwizywanie zada kinematyki prostej i odwrotnej;
x odtwarzanie zaprogramowanej uprzednio trajektorii;
x komunikacja z uytkownikiem.
Sterownik ten zosta zbudowany w oparciu o silny, 32-bitowy mikroprocesor
AT91SAM7S256 firmy Atmel [10]. Jest to poczenie wydajnego rdzenia ARM7TDMI
z du liczb rozbudowanych urzdze peryferyjnych. Sterownik zosta wyposaony
w nieulotn pami Flash. Cz pamici jest zarezerwowana do przechowywania kodu
programu napisanego przez uytkownika robota, reszta suy do przechowywania danych
serwisowych. Znaczna pojemno pamici (256 KB) umoliwia zapamitanie przez robota
zoonych sekwencji ruchów, a w poczeniu z zegarem czasu rzeczywistego umoliwia
logowanie wszystkich stanów awaryjnych, co jest bardzo pomocne przy serwisowaniu
urzdzenia.
Sterownik nadrzdny zosta wyposaony w ukady transmisyjne Ethernet, USB i RS-232
suce do komunikacji z komputerem PC. Pierwszy rodzaj transmisji zaimplementowano
(przy uyciu ukadu ENC28J60 firmy Microchip [8]) jako gówny sposób komunikacji
manipulatora z komputerem PC. Dua szybko przesyania danych jest niezbdna midzy
innymi przy wizualizacji stanu robota w czasie rzeczywistym. Magistrala RS-232 znajduje
natomiast zastosowanie jako interfejs diagnostyczny robota lub rodek komunikacji z innymi
urzdzeniami w jego otoczeniu. cze RS-232 (lub USB) umoliwia podczenie prostego
panelu sterujcego, a take urzdzenia podrzdnego – np. sterownika przenonika tamowego
lub stolika pozycjonujcego obrabiany element. Na pycie gównej znajduje si take gniazdo
suce do podczenia kolorowego, ciekokrystalicznego wywietlacza graficznego. Umoliwia on wizualizacj podstawowych informacji o stanie robota bez uycia komputera PC.
Na pycie gównej umieszczone zostay cztery gniazda na kontrolery osi. W prototypie S08
wykorzystywane s trzy sterowniki osi. Wolne gniazdo umoliwia atw rozbudow
manipulatora o czwarty stopie swobody, bez koniecznoci modyfikacji sterownika
nadrzdnego. W konstrukcji pyty sterownika przewidziano take moliwo podczenia
akcelerometru LIS3l02 firmy STMicroelectronics przy wykorzystaniu specjalnie
przygotowanego zcza [3]. Rozbudowa robota o ten czujnik umoliwiajcy pomiar
przyspieszenia efektora kocowego moe by interesujca w zastosowaniach dydaktycznych.
Moliwa jest take rozbudowa sterownika nadrzdnego o czujniki wykorzystujce magistral
jednoprzewodow (1-Wire).
W celu zapewnienia bezpieczestwa oraz niezawodnoci pracy robota, jego ukad sterowania
posiada odrbne zasilanie. Na pycie gównej zosta umieszczony czterostopniowy ukad
zasilania, który dostarcza energii do wszystkich komponentów elektronicznych robota.
automation 2009
543
Pomiary Automatyka Robotyka 2/2009
3.2. Sterowniki osi
W robocie S08 zastosowano 3 identyczne sterowniki osi. Kady z nich, podobnie jak ukad
nadrzdny, zosta oparty na 32-bitowym mikrokontrolerze z rdzeniem ARM. Sterowniki
wpinane s w pyt gówn przy pomocy specjalnych gniazd, a komunikuj si z reszt
systemu przez magistral SPI z czstotliwoci 24 MHz. Gówne zadania sterowników osi to:
x regulacja pooenia osi;
x wyznaczanie i kontrola profilu prdkoci osi;
x obsuga efektora kocowego (np. chwytaka) w przypadku kontrolera trzeciej osi.
W zwizku z uyciem silników krokowych duej mocy konieczne byo wykorzystanie
wysokonapiciowych sterowników jako kocówek mocy. Zastosowane urzdzenia, wybrane
z oferty firmy WObit [15], pozwalaj na realizacj sterowania mikrokrokowego, które
zapewnia bardziej pynn prac silnika.
Po gbszej analizie rozwiza konstrukcyjnych istniejcych robotów SCARA zrezygnowano
z pocztkowej koncepcji sterowania osi w otwartej ptli i w osiach obrotowych par
kinematycznych zastosowano absolutne czujniki pooenia ktowego wau silnika.
Rozwizanie takie zwalnia robota z koniecznoci pozycjonowania si zarówno przy starcie,
jak i w trakcie cyklu roboczego, co ma istotny wpyw na jego wydajno. W prototypowym
robocie S08 uyto 12-bitowe enkodery magnetyczne z wyjciem szeregowym AS5045 firmy
Austria Microsystems AG [2].
Kady ze sterowników osi umoliwia take podczenie dwustanowych czujników
kracowych informujcych o napotkaniu przeszkody. W prototypie S08 rozwizanie to
zostao wykorzystane tylko w sterowniku trzeciej osi, gdzie nie byo moliwoci montau
enkodera absolutnego.
3.3. Oprogramowanie sterownika robota
Oprogramowanie sterownika robota zostao napisane w jzyku wysokiego poziomu, zgodnym
ze standardem jzyka C. Do przygotowania programów wykorzystano darmowe rodowisko
programistyczne Eclipse poczone z równie darmowym zestawem narzdzi GNU ARM
Toolchain, w skad którego wchodzi midzy innymi kompilator jzyka C/C++ dla
mikrokontrolerów ARM.
W programie gównym robota wyróni mona podprogramy inicjalizujce system,
wykonywane cyklicznie (w nieskoczonej ptli) oraz wywoywane na skutek wystpienia
przerwania. Obsuga wikszoci funkcji przerwa ogranicza si do ustawienia programowej
flagi informujcej o wystpieniu zdarzenia. Jednake funkcje takie jak komunikacja przez
Ethernet, czy obsuga silników, s cakowicie wykonywane w funkcji obsugi danego
przerwania. Aby unikn nieprzewidzianych zachowa systemu na czas obsugi jednego
zdarzenia, zgaszanie pozostaych przerwa jest blokowane. Wyjtkiem od tej reguy s
obsuga przerwania taktujcego silniki krokowe oraz procedura kontroli transmisji przez
Ethernet. Dziki przydzielonemu wysokiemu priorytetowi, s one zawsze obsugiwane bez
zwoki.
Obsuga kontrolerów osi od strony ukadu nadrzdnego ogranicza si do wysania informacji
o nowej pozycji do osignicia lub zmiany stanu efektora kocowego oraz odebrania
informacji o aktualnej pozycji, w której znajduje si dana o.
Oprogramowanie sterownika nadrzdnego realizuje take rozwizanie zada kinematyki
prostej i odwrotnej manipulatora [1]. Poniewa zadawanie pozycji wewntrz robota (na linii
ukad nadrzdny – kontrolery osi) odbywa si z uyciem zmiennych przegubowych, algorytm
obliczania kinematyki prostej peni jedynie funkcje pomocnicze – jest on wykorzystywany
544
automation 2009
Pomiary Automatyka Robotyka 2/2009
w procedurze wizualizacji stanu robota na graficznym wywietlaczu LCD oraz komputerze
PC. Implementacja algorytmu rozwizywania zadania kinematyki odwrotnej bya natomiast
niezbdna, aby wyznaczy pooenia poszczególnych osi prowadzce do osignicia pozycji
kocówki roboczej zadanej we wspórzdnych zewntrznych. W celu uniknicia
nieprzewidzianych zachowa robota, w przypadku zadania przez uytkownika bdnej
(nieosigalnej) pozycji we wspórzdnych zewntrznych, do podprogramu rozwizania
zadania kinematyki odwrotnej wprowadzona zostaa procedura sprawdzajca osigalno
danego punktu.
4. PROGRAMOWANIE ROBOTA W RODOWISKU GRAFICZNYM
Znanych jest wiele sposobów programowania robotów przemysowych [7]. Efektywn
metod, szczególnie dla prostszych zada typu przenoszenie detali, jest programowanie offline, gdzie program przygotowywany jest w caoci na komputerze zewntrznym w pewnym
jzyku programowania, a nastpnie wysyany do robota. Wikszo ze znajdujcych si na
rynku manipulatorów, w tym take typu SCARA, ma specyficzny jzyk programowania.
Przykadami mog by jzyk V+, uywany w robotach firmy Adept oraz KRL koncernu
KUKA, uywany take w manipulatorach SCARA.
Równie dla robota S08 opracowany zosta prosty, blokowy jzyk programowania oraz
dedykowane rodowisko graficzne umoliwiajce intuicyjne zadawanie sekwencji ruchów.
Szat graficzn programu obsugi robota z poziomu komputera PC zaprojektowano z myl o
przejrzystym i przyjaznym wygldzie interfejsu. Program zosta napisany przy uyciu
Borland C++ Builder – rodowiska programistycznego klasy RAD (Rapid Application
Development) przeznaczonego dla systemów z rodziny MS Windows.
Po uruchomieniu aplikacji, okno gówne programu zajmuje peen ekran (rys. 4). Na gównym
panelu programu zostay umieszczone podstawowe przyciski funkcyjne aplikacji. Ich
aktywacja wywouje okna programu penice konkretne funkcje.
x Komunikacja – okno konfiguracji poczenia komputera PC z robotem.
x Programowanie – panel graficznej edycji programów (sekwencji ruchów).
x Sterowanie – panel rcznego sterowania robota.
x Wizualizacja – okno wizualizacji stanów robota.
automation 2009
545
Pomiary Automatyka Robotyka 2/2009
x Podgld – panel podgldu tekstowego stanu robota oraz ramek wysyanych i odbieranych
przez Ethernet i RS-232.
x Konfiguracja – okno konfiguracji zegara RTC oraz ustawiania parametrów
pomocniczych.
x Pomoc – wywietla informacje niezbdne do obsugi robota.
Oprócz podstawowych przycisków aplikacji, na panelu gównym znajduj si równie trzy
"diody" sygnalizujce stan robota oraz status poczenia komputera PC z manipulatorem.
Gównym elementem panelu programowania (rys. 5A) jest okno podgldu kodu graficznego.
Osobne okno komend umoliwia wstawianie bloków funkcyjnych do programu robota.
Aktywowanie okrelonego rozkazu powoduje pojawienie si na ekranie jego okna ustawie.
Poszczególne rozkazy s przedstawiane w postaci graficznych bloków, jeden pod drugim.
Wewntrz poszczególnych bloków, wyróniajcych si kolorem i ksztatem, zapisane s
ustawione parametry rozkazów. Dostpnych jest 6 typów rozkazów.
x Podaj pozycj we wspórzdnych wewntrznych. Rozkaz umoliwia zadanie pooenia
robota we wspórzdnych wewntrznych oraz okrelenie prdkoci przejcia do zadanej
pozycji. Przed akceptacj rozkazu sprawdzana jest realizowalno zakresu ruchu ramienia
oraz zadanej prdkoci.
x Podaj pozycj we wspórzdnych zewntrznych. Rozkaz umoliwia zadanie pozycji
kocówki manipulatora w globalnym ukadzie wspórzdnych kartezjaskich. Naley
take okreli prdko przejcia robota do podanej pozycji. Przy zatwierdzaniu rozkazu
sprawdzana jest osigalno pozycji i prdkoci.
x Obsuga kocówki robota. Rozkaz umoliwia zamknicie lub otwarcia chwytaka.
x Czekaj. Rozkaz czekaj pozwala na zatrzymanie pracy robota na okrelony czas, podany
w milisekundach. Maksymalny czas opónienia to 99999 ms.
x Komunikat RS-232. Wysanie komunikatu o maksymalnej dugoci 10 znaków do
urzdzenia zewntrznego.
x Koniec sekwencji ruchów. Rozkaz zakoczenia sekwencji operacji. Istnieje moliwo
powtórzenia sekwencji okrelon liczb razy (do 99999 powtórze), lub powtarzania
sekwencji a do jej przerwania przez operatora.
Okno programowania posiada menu kontekstowe, które umoliwia wstawianie nowych
rozkazów (zawsze przed wskazanym rozkazem), edycj wskazanej komendy lub jej
usunicie.
Rys. 5. Widok panelu programowania (A) i okna wizualizacji stanu z przebiegami prdkoci
i pooenia (B)
546
Odrbne okno sterowania umoliwia uytkownikowi zadawanie pozycji robota, tak we
wspórzdnych wewntrznych, jak i zewntrznych. Sprawdzanie osigalnoci w tym trybie
sterowania odbywa si po stronie mikrokontrolera, a sterujcy uytkownik nie ma moliwoci
przekroczenia wartoci granicznych.
automation 2009
Pomiary Automatyka Robotyka 2/2009
W oknie wizualizacji stanów robota wywietlane s wartoci wspórzdnych wewntrznych
i zewntrznych robota oraz prosta animacja biecej konfiguracji ramienia manipulatora.
Animacja ta jest aktualizowana w czasie rzeczywistym z uyciem szybkiego protokou UDP.
Okno wizualizacji umoliwia równie podgld przebiegów prdkoci i pooenia
w poszczególnych osiach robota w postaci wykresów (rys. 5B). Dodatkowo dostpny jest
tekstowy podgld stanów robota, informujcy midzy innymi o starcie systemu, stanie
poczenia z robotem oraz ewentualnych awariach.
5. STANOWISKO LABORATORYJNE
Poniewa prototypowy manipulator S08 przeznaczony jest do celów dydaktycznych,
osadzono go na podstawie stanowicej kompletne, zwarte stanowisko laboratoryjne. Ze
wzgldów bezpieczestwa wszystkie komponenty elektroniczne i elektryczne zabudowano
w podstawie, na której umieszczono te wycznik awaryjny. Podstawa ma wymiary
800 mm x 700 mm x 150 mm, a przestrze robocza manipulatora znajduje si cakowicie na
jej powierzchni.
Rys. 6. Schemat (A) i widok (B) stanowiska laboratoryjnego z robotem S08
Na przednim panelu podstawy stanowiska laboratoryjnego umieszczono kolorowy
wywietlacz graficzny LCD. Obok wspórzdnych wewntrznych robota wywietlane jest na
nim te aktualne pooenie kocówki robota we wspórzdnych zewntrznych
(w milimetrach). Dodatkowo wywietlacz informuje o stanie poczenia robota, poprzez
Ethernet lub RS-232, z innymi urzdzeniami (np. komputerem PC). Funkcj informacyjn
peni te diody LED umieszczone w naronikach górnej pyty stanowiska, które wiec si
na czerwono w czasie ruchu robota, a na zielono, gdy manipulator znajduje si w spoczynku.
Rys. 6A przedstawia schemat rozmieszczenia elementów stanowiska laboratoryjnego: 1 manipulator, 2- obudowa silnika I czonu, 3 - podstawa, 4 - wcznik zasilania, 5 - wycznik
awaryjny, 6 - wywietlacz LCD, 7 - diody LED, 8 - komponenty sterownika. Na rys. 6B
przedstawiono widok kompletnego stanowiska.
6. PODSUMOWANIE
Przedstawiony w niniejszym artykule prototyp robota S08 zosta wykonany w ramach pracy
dyplomowej magisterskiej realizowanej w Instytucie Automatyki i Inynierii Informatycznej
Politechniki Poznaskiej [13]. W jego konstrukcji i oprogramowaniu udao si pogodzi
wikszo wymaga stawianych robotowi dydaktycznemu oraz prostemu robotowi
przemysowemu, dostpnemu dla niewielkich przedsibiorstw (koszty wykonania prototypu,
cznie ze stanowiskiem laboratoryjnym wyniosy okoo 5000 z.). Realizacja tego projektu
moliwa bya dziki wspópracy z WObitem. Wiele komponentów robota wybrano z oferty
tego przedsibiorstwa, a jego zaplecze warsztatowe umoliwio osignicie zaoonych
automation 2009
547
Pomiary Automatyka Robotyka 2/2009
standardów technologicznych wykonanego prototypu. Opracowanie robota S08 stanowi take
przykad nowoczesnego podejcia do ksztacenia kadry inynierskiej we wspópracy midzy
publiczn wysz uczelni techniczn a innowacyjnym przedsibiorstwem prywatnym.
LITERATURA
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
[9]
[10]
[11]
[12]
[13]
[14]
[15]
548
Craig J., Podstawy robotyki, mechanika i sterowanie, WNT, 1993.
Czujnik pooenia ktowego AS5045 Austria Microsystems AG,
www.austriamicrosystems.com
Czujnik przyspieszenia STMicroelectronics LIS3l02, www.st.com
Goldberg K., Gentner S., Sutter C., Wiegley J., Farzin B., The Mercury Project:
A Feasibility Study for Online Robots, w: Beyond Webcams. An Introduction to Online
Robots, (K. Goldberg, R. Siegwart, eds.), MIT Press, 2002, s. 17–36.
Hadam P., Projektowanie systemów mikroprocesorowych, BTC, 2004
Heimann B., Mechatronika: komponenty, metody, przykady, PWN, 2001
Honoczarenko J., Roboty przemysowe, budowa i zastosowanie, WNT, 2004
Kontroler Ethernet Microchip ENC28J60, www.microchip.com
Makino H., Kato A., Yamazaki Y., Research and Commercialization of SCARA Robot
– the Case of Industry-University Joint Research and Development, Int. Journal of
Automation Technology, 1(1), 2007, s. 61–67.
Mikrokontroler Atmel AT91SAM7S , www.atmel.com
Nagchaudhuri A., Kuruganty S., Shakur A., Mechatronics Education Using an Industrial
SCARA Robot, Proc. 7th Mechatronics Forum International Conference, Atlanta,
2000, CD-ROM.
Podzespoly napdowe firmy WHM, www.whm.pl
Pabel M., Prokopiak M., Konstrukcja i oprogramowanie robota typu SCARA, praca
dyplomowa magisterska, Politechnika Poznaska, Wydzia Elektryczny, 2008.
Silniki krokowe firmy WObit, www.silniki.pl
Sterowniki silników firmy WObit, www.sterowniki.pl
automation 2009