PRACA DYPLOMOWA INŻYNIERSKA -...

Politechnika Wrocławska

Wydział Elektroniki

KIERUNEK: Automatyka i Robotyka (AIR) SPECJALNOŚĆ: Systemy Informatyczne w Automatyce (ASI)

PRACA DYPLOMOWA

INŻYNIERSKA

Prosty manipulator z nieliniową przekładnią

A Simple manipulator with a nonlinear gear

AUTOR: Bartosz Masternak

PROWADZĄCY PRACĘ: dr inż. Marek Wnuk, I-6

OPIEKUN: dr inż. Marek Wnuk, I-6

OCENA PRACY:

Wrocław 2008

Pracę dedykuję Rodzicom, którzy wspierali mnie

przez cały okres studiów oraz Ani, która zawsze

była przy mnie.

Składam serdeczne podziękowania Panu

dr Markowi Wnukowi za pomoc, poświęcony

czas i wyrozumiałość. Chciałem również

podziękować Tacie za pomoc w wykonaniu

konstrukcji mechanicznej. Na koniec chciałem

podziękować Krzysztofowi Malorny za cenne

rady i pomoc, której nigdy nie odmówił.

1

Spis treści 1. Wstęp .............................................................................................................................................. 2

1.1 Idea pracy ................................................................................................................................ 2

1.2 Cel i zakres pracy ..................................................................................................................... 3

2. Kinematyka manipulatora ............................................................................................................... 3

3. Część mechaniczna .......................................................................................................................... 4

3.1 Konstrukcja robota .................................................................................................................. 5

3.2 Przekładnia .............................................................................................................................. 6

3.3 Układ napędowy ...................................................................................................................... 8

3.4 Przewody ............................................................................................................................... 10

4. Część elektroniczna ....................................................................................................................... 11

4.1 Silniki...................................................................................................................................... 11

4.2 Sterownik ............................................................................................................................... 12

4.2.1 Moduł sterownika ......................................................................................................... 12

4.2.2 Komunikacja Robot – PC ................................................................................................ 13

4.3 Układ wykonawczy ................................................................................................................ 14

4.4 Czujniki krańcowe .................................................................................................................. 16

4.5 Zasilanie ................................................................................................................................. 17

4.6 Stop awaryjny ........................................................................................................................ 18

4.7 Złącza ..................................................................................................................................... 20

5. Planowany sposób działania .......................................................................................................... 21

5.1 Sygnały mikrokontrolera ....................................................................................................... 21

5.2 Synchronizacja ruchów robota .............................................................................................. 22

6. Podsumowanie .............................................................................................................................. 23

7. Literatura ....................................................................................................................................... 24

8. Dodatek A – Rysunki techniczne części mechanicznej .................................................................. 25

9. Dodatek B – Schematy elektroniczne ............................................................................................ 37

10. Dodatek C – Zdjęcia robota manipulacyjnego ........................................................................... 39

2

1. Wstęp

Powstaje wiele robotów manipulacyjnych, które osiągają zadane pozycje oraz odtwarzają zadane

trajektorie. Większość takich robotów robi to z dużą prędkością, dokładnością i powtarzalnością,

wykorzystując sterowanie silnikami odpowiedzialnymi za poszczególne przeguby takiego robota. Jest

to stosunkowo proste podejście do problemu sterowania takim robotem, gdyż realizowany jest

bezpośredni ruch każdego przegubu. Powstała myśl stworzenia manipulatora redundantnego o

trzech stopniach swobody, który rozwiązywałby problem wyznaczania powtarzalnego algorytmu

kinematyki odwrotnej aproksymującego w sposób optymalny, algorytm typu jakobianu

pseudoodwrotnego [1].

1.1 Idea pracy

Aby móc wykonać robota realizującego przedstawiony problem, powstała potrzeba zaprojektowania

konstrukcji mechanicznej oraz wykonania przekładni spełniającej założenia pracy. Schemat ideowy

robota manipulacyjnego został przedstawiony na rysunku 1. Mechanizm działania jest następujący:

na prowadnicy P1 porusza się wózek W1 napędzany silnikiem M1. Napęd z silnika jest przenoszony

przez koło zębate z1, które współpracuje z listwą zębatą znajdującą się na prowadnicy P2, dzięki

czemu wózek realizuje współrzędną zadaniową y1 przez współrzędną x1. Na wózku W1 jest na stałe

przymocowana obejma W1’ ruchomej prowadnicy P2. Za pomocą koła zębatego z2 oraz zębatki

listwy P2, przesuwa się ona w kierunku prostopadłym do kierunku listwy P1. Kąt obrotu koła z2 jest

sprzężony z kątem obrotu koła z1 przez nieliniową przekładnię. Ruchy obu kół są sprzężone ciernie

przez koło pośredniczące pomiędzy dwoma odpowiednio umieszczonymi względem siebie stożkami.

Ruch koła pośredniczącego jest regulowany przez współrzędną x2. Na prowadnicy P2 zamocowany

jest wózek, W2, który realizuje współrzędną x3 przez obrót koła zębatego z3 napędzanego za pomocą

silnika M3. Położenie wózka jest opisane za pomocą współrzędnych y1 i y2 [1].

Rysunek 1 Schemat ideowy robota manipulacyjnego [1]

3

Ruch prowadnic P1 i P2 odbywa się za pomocą przekładni o zmiennym przełożeniu 1:2.373 do

2.373:1. Przełożenie to odbywa się w osi x2 na długości 86.5 mm. Sterując położeniem koła

pośredniego przekładni zmieniamy przełożenie na osiach y1 oraz y2 (zmienne zadaniowe). Robot

posiada trzy zmienne przegubowe x1, x2 i x3, które realizują współrzędne zadaniowe, co przedstawia

się w sposób następujący y1 = k1*x1, a y2 = k2(x2)*x1 + k3*x3. A zatem można przyjąć, że

kinematyka manipulatora ma postać y1 = q1 oraz y2 = q2 + q1*q3, przy odpowiednio dobranych

współczynnikach przegubowych q1, q2 oraz q3 [1].

1.2 Cel i zakres pracy

Głównym celem pracy jest stworzenie robota manipulacyjnego, jako stanowisko badawcze i

dydaktyczne na potrzeby laboratorium robotyki. Aby zrealizować pomysł należy:

• Zaprojektować oraz wykonać przekładnię nieliniową;

• Zaplanować oraz wykonać konstrukcję robota;

• Wykonać elektronikę robota;

• Opisać program działania;

• Sprawdzić działanie manipulatora.

2. Kinematyka manipulatora

Kinematyka jest nauką zajmującą się badaniem prędkości, przyspieszenia oraz położenia ciała. Nie

ważne są przyczyny badanego ruchu, lecz sam ruch. Manipulator to zbiór ciał sztywnych – członów

połączonych w łańcuch kinematyczny. Proste zadanie kinematyki jest realizowane przez obliczenie

pozycji i orientacji członu względem układu odniesienia. Do zrealizowania założeń pracy dyplomowej

niezbędne jest poznanie zadania kinematyki odwrotnej, dzięki której robot osiągnie zadaną pozycję

lub orientacje chwytaka. Kinematyka odwrotna polega na znalezieniu wszystkich możliwych zbiorów

wartości współrzędnych konfiguracyjnych w połączeniach ruchomych. Jest to zadanie bardziej

skomplikowane niż proste zadanie kinematyki, gdyż występuje wielokrotność rozwiązań i ich

nieliniowość [2, 16]. Rozwiązanie zadania metodą jakobianu pseudoodwrotnego uzyskuje się przez

scałkowanie układu równań. Podstawowym elementem metody jakobianu pseudoodwrotnego jest

pseudoodwrotność, której wyznaczanie sprowadza się do rozwiązania zadania optymalizacji

kwadratowej z ograniczeniami równościowymi [3].

4

3. Część mechaniczna

Zdjęcie robota manipulacyjnego przedstawia rysunek 2. Jest to robot stacjonarny typu 3T, złożony z

trzech połączeń o ruchu postępowym. Ruch, jaki robot wykonuje odbywa się w jednej płaszczyźnie

jak jest to przedstawione na rysunku 3.

Rysunek 2 Robot w początkowej fazie budowy

Rysunek 3 Manipulator typu 3T

5

3.1 Konstrukcja robota

Nieruchomą częścią robota jest prowadnica P1. Została ona zbudowana z dwóch równoległych

wałków precyzyjnych o średnicy 16mm. Wałki zostały dobrane tak, aby utrzymały ciężar, jaki będzie

na nich spoczywał, a mianowicie platforma poruszająca się na czterech łożyskach liniowych,

przekładnia, układ napędowy robota oraz prowadnica P2. Między wałkami została umieszczona

listwa zębata, dzięki której uzyskamy ruch postępowy prowadnicy P2. Model prowadnicy P1

zaprezentowany został na rysunku 4.

Rysunek 4 Model prowadnicy P1

Kolejnym elementem robota jest prowadnica P2 zaprezentowana na rysunku 5. Wykonuje ona ruch

postępowy prostopadle do prowadnicy P1. Przemieszczanie jest zapewnione dzięki listwie zębatej

umieszczonej równolegle z precyzyjnymi wałkami oraz śrubą napędową. Do zbudowania prowadnicy P2

zostały użyte wałki o mniejszej średnicy, gdyż nie będą przenosić dużych ciężarów. Śruba napędowa służy,

jako napęd dla ruchu efektora, który jest stworzony z nakrętki połączonej z łożyskiem liniowym osadzonym

na wałku. Do efektora zaczepiony będzie początkowo pisak, rysujący trajektorię zadaną przez

użytkownika robota. W przyszłości można wykorzystać kamerę do rejestrowania ruchu końcówki

roboczej wyposażonej w punktowy znacznik świetlny(LED) . Końcówkę manipulatora przedstawia

rysunek 6.

Rysunek 5 Model prowadnicy P2

6

Rysunek 6 Efektor –wózek W3

3.2 Przekładnia

Główną kwestią podczas realizacji pracy był problem skonstruowania przekładni nieliniowej, spełniającej

założenia pracy dyplomowej. Zasada działania przekładni opiera się na pracy wariatora (rysunek 7).

Rysunek 7 Zasada działania wariatora [8]

7

Przekładnia została zbudowana z dwóch aluminiowych stożków (ST1, ST2) osadzonych w obudowie

ze stali nierdzewnej, ułożonych równolegle i obróconych względem siebie o 180o. Zdjęcie przekładni

zostało przedstawione na rysunku 8, natomiast model przekładni przedstawia rysunek 9. Stożki

zamontowane są w łożyskach tocznych (Ł3, Ł4, Ł5, Ł6). Przeniesienie napędu pomiędzy stożkami

odbywa się za pomocą koła pośredniego KŁ, wykonanego z twardej gumy (krążek hokejowy). Koło

jest osadzone na łożysku tocznym Ł7 zamontowanym na nakrętce NK, która przesuwa się wzdłuż

korytka zapobiegając obracaniu się. Obracając śrubą SR (osadzona na dwóch łożyskach tocznych Ł1 i

Ł2) regulujemy położenie koła pośredniego, zmieniając przełożenie napędu między stożkami.

Rysunek 8 Zdjęcie przekładni

Rysunek 9 Model przekładni nieliniowej

8

3.3 Układ napędowy

Ważnym problemem w konstrukcji robota jest dobranie odpowiednich elementów napędowych. W

przypadku prowadnic, do przekazania napędu na elementy wykonawcze zostały wykorzystane listwy i

koła zębate o module M2. Dodatkowo przeniesienie napędu na prowadnicę P2 odbywa się poprzez

przekładnię nieliniową. Przeniesienie napędu na efektor jest zrealizowane przy użyciu śruby

napędowej trapezowej walcowanej współpracującej z nakrętką. Rysunek 10 przedstawia elementy

napędowe użyte w konstrukcji robota.

Rysunek 10 Elementy napędowe [11]

Połączenie silników z kołami zębatymi i śrubą napędową jest zrealizowane za pomocą precyzyjnych

miniaturowych bezluzowych sprzęgieł kłowych. Sprzęgła te cechują się doskonałą absorpcją drgań i

również zostały dobrane w zależności od przenoszonych momentów obrotowych [11]. Zespół

napędowy wraz ze sprzęgłem zamocowanym do śruby napędowej został przedstawiony na rysunku

11. Wszystkie elementy napędowe użyte w konstrukcji zostały przedstawione w tabeli 1.

9

Rysunek 11 Zespół napędowy przymocowany do śruby napędowej przez sprzęgło

Nazwa Typ

Listwa zębata M2 T17065

Koło zębate z piastą M2 T16889

Precyzyjny wałek prowadzący WV20

Precyzyjny wałek prowadzący WV12

Łożysko liniowe LM20UU

Łożysko liniowe LM12UU

Śruba trapezowa walcowana T29683

Nakrętka trapezowa okrągła - brązowa T29619

Sprzęgło ROTEX GS7 ROTEX-GS7



Tabela 1 Zestawienie elementów użytych do układu napędowego [11]

3.4 Przewody

Ważną częścią konstrukcji robota jest prawidłowe rozmieszczenie przewodów

sterowanie jednostki napędowej oraz różnego rodzaju sensorów niezbędnych do prawidłowego

funkcjonowania całego robota. Najczęściej stosowane to takich celów są prowadniki przewodów,

których zadaniem jest nie tylko prowadzenie

zginaniem i plątaniem w czasie ruchu robota

Do pracy zostały zastosowane prowadniki typu SR200. Są to bardzo gładkie prowadnice nadające się

szczególnie do małych urządzeń. Konstrukcja

centralnie umieszczonym sworzniem

przedstawia rysunek 12 i tabela2.

Rysunek

Tabela

10

robota jest prawidłowe rozmieszczenie przewodów odpowiedzialnych za


Najczęściej stosowane to takich celów są prowadniki przewodów,

których zadaniem jest nie tylko prowadzenie kabli, ale również ochrona przed zgnieceniem,

zginaniem i plątaniem w czasie ruchu robota [11].


szczególnie do małych urządzeń. Konstrukcja zrealizowana jest na połączeniu pojedynczym z

centralnie umieszczonym sworzniem, co zapobiega tarciu [11]. Rysunek oraz wymiary

Rysunek 12 Rysunek techniczny prowadnika [11]

Tabela 2 Wymiary prowadników [11]

odpowiedzialnych za


Najczęściej stosowane to takich celów są prowadniki przewodów,

również ochrona przed zgnieceniem,


niu pojedynczym z

. Rysunek oraz wymiary prowadnika

11

4. Część elektroniczna

Konstrukcja robota jest wyposażona w trzy silniki odpowiedzialne za prawidłowe zrealizowanie

zadanej trajektorii. Silniki są obsługiwane przez układ sterujący, który jest odpowiedzialny za pomiar

niezbędnych parametrów ruchu, takich jak prędkość czy położenie. Sterownik współpracuje z

komputerem, komunikując się z nim w celu wysyłania informacji o aktualnych położeniach czujników

pomiarowych oraz pobierania instrukcji do wykonywania zadania. Schemat blokowy sterownika

przedstawia rysunek 13.

Rysunek 13 Schemat blokowy sterownika

4.1 Silniki

Do napędu robota wykorzystane zostały 3 zespoły firmy Maxon złożone z:

• Silników prądu stałego typu RE-max;

• Przekładni planetarnych typu GP;

• Koderów typu MR.

Każdy z silników jest zasilany napięciem 12V. Dobrane zostały do momentów obrotowych, jakie są

potrzebne do optymalnego ruchu ramion manipulatora. Parametry zespołów napędowych

przedstawia tabela 3.

12

Silnik

RE-max 17 RE-max 21 RE-max 29

Moc W 2,5 5 9

Prędkość bez obciążenia rpm 6920 8610 4540

Prąd bez obciążenia mA 6,45 10,4 18,5

Moment przy pracy ciągłej mNm 3,34 6,22 20,7

Prąd przy pracy ciągłej A 0,21 0,479 0,84

Moment maksymalny mNm 8,5 27,5 142

Prąd startowy A 0,52 2,08 5,66

Sprawność % 79 87 89

Rezystancja Ω 23,1 5,77 2,12

Mechaniczna stała czasowa ms 7,28 7,04 4,52

Przekładnia

GP16A GP22C GP32C

Przełożenie

1:84 1:53 1:132

Koder

MR 512 MR 512 MR 512

Impulsy na obrót

512 512 512

Kanały

2 2 2

Tabela 3 Parametry zespołów napędowych [12]

4.2 Sterownik

Każdy robot posiada układ odpowiedzialny za funkcjonowanie całości. Sterownik w tym przypadku

odpowiedzialny jest za sterowanie trzema niezależnymi od siebie silnikami tak, aby wykonać zadaną

przez użytkownika trajektorię, w uzyskaniu, której mają pomóc czujniki krańcowe oraz kodery

zliczające ilość obrotów.

4.2.1 Moduł sterownika

Funkcję jednostki centralnej spełnia moduł EM332 z 32-bitowym mikrokontrolerem MC68332GCFC16

firmy Motorola. Moduł posiada zewnętrzne pamięci RAM oraz FLASH. Wspomniany procesor zawiera

w sobie jednostkę TPU (Time Processor Unit), zawierającą 16 programowalnych kanałów. Cechą,

która wyróżnia ten układ jest jego własny procesor, działający niezależnie od jednostki głównej.

Producent zaimplementował w TPU funkcje czasowe (np. PWM, QDEC), lecz istnieje również

możliwość stworzenia własnych procedur. Mikrokontroler zawiera również szeregowy interfejs QSPI

(Queued Serial Peripheral Interface), służący do komunikacji z urządzeniami zewnętrznymi [5].

Strukturę oraz zasoby przedstawia rysunek 14.

13

Rysunek 14 Struktura i zasoby mikrokontrolera [4]

4.2.2 Komunikacja Robot – PC

Komunikacja z procesorem odbywa się przy użyciu złącza BDM (Background Debug Mode). Umożliwia

on połączenie mikrokontrolera z komputerem za pomocą interfejsu ICD (rysunek 15), dzięki któremu

możemy oprogramować sterownik, modyfikować go w czasie działania oraz korzystać z podglądu

pracy lub też wstawiać pułapki (break points) w czasie wykonywania się programu [6].

14

Rysunek 15 Komunikacja modułu EM332 z komputerem PC przy użyciu interfejsu ICD [6]

W przyszłości jest niezbędna rozbudowa sterownika o port szeregowy, dzięki któremu będzie można

bezpośrednio z programu napisanego dla manipulatora sterować robotem. Będzie można zadawać

trajektorię wskazując poszczególne punkty, czy zadawać tor ruchu robota przez podanie funkcji.

4.3 Układ wykonawczy

Układ wykonawczy jest zrealizowany na podstawie podwójnych mostków H powstałych przy okazji

budowy innych robotów takich jak RoBik czy TirKiller [7]. Układ ten dobrze się sprawdził, dlatego

został użyty również w tej pracy. Idea mostka mocy została przedstawiona na rysunku 16.

Rysunek 16 Schemat ideowy mostka mocy

15

Mostek został zmodyfikowany w nieznaczny sposób w porównaniu do oryginalnej wersji. Jeśli chodzi

o zasilanie silników jak i układów znajdujących się na mostku mocy, to zrezygnowano z przetwornicy

impulsowej umieszczonej na płytce układu wykonawczego. Zasilanie układu jest z zewnątrz przez

zasilacz przemysłowy impulsowy. W trakcie realizowania pracy zrezygnowano również z pomiaru i

regulacji prądu na zaciskach silników. Jednak płytka została przygotowana do zrealizowania układu

pomiarowego. Wszystkie elementy są zamieszczone na płytce drukowanej (rysunek 17).

Rysunek 17 Układ dwóch mostków mocy bez zasilacza

Schemat kompletnego mostka mocy przedstawia rysunek 18. Budowa mostka opiera się na

tranzystorach IRF540 oraz IRF9540. Są one sterowane za pomocą tranzystorów bipolarnych

PMBTA42 i PMBTA92.

Rysunek 18 Schemat jednego niezależnego mostka mocy [7]

Sterowanie prędkością silników odbywa się za pomocą sygnałów PWM. Dzięki układo

74HCt08D oraz 74HCT00D, zastosowanym

obrotów oraz czasem załączania się poszczególnych bramek. Jest to potrzebne w ustawieniu

opóźnień pomiędzy otwarciem poszczególnych bramek

sterujący bramkami został przedsta

Rysunek 19 Układ logiczny odpowiedzialny za sterowanie

4.4 Czujniki krańcowe

Czujniki są niezbędnym elementem w konstruk

prawidłowe przemieszczanie się ramion, określanie pozycji oraz ograniczanie ruchów ramion robota

dla bezpieczeństwa.

Na potrzeby pracy zostały użyte mikroprzełączniki D2F221 (

szybsze załączanie się przycisku.

Rysunek 20 Mikroprzełącznik

Czujniki są rozmieszczone tak, aby każdy z ruchomych elementów

oraz w celu uniknięcia zderzenia z nieruchomą częścią robota. Czujniki są również niezbędne do

określenia pozycji zerowej robota w trakcie jego synchronizacji

16

Sterowanie prędkością silników odbywa się za pomocą sygnałów PWM. Dzięki układo

74HCt08D oraz 74HCT00D, zastosowanym w konstrukcji mostka, jest możliwe sterowanie kierunkiem


opóźnień pomiędzy otwarciem poszczególnych bramek, szczególnie przy zmianie kierunków

wiony na rysunku 19 [7].

Układ logiczny odpowiedzialny za sterowanie tranzystorami mocy [7]

niezbędnym elementem w konstrukcji robota. Są odpowiedzialne między innymi


Na potrzeby pracy zostały użyte mikroprzełączniki D2F221 (rysunek 20) z dźwignią powodującą

Mikroprzełącznik zastosowany, jako czujnik krańcowy [13]

tak, aby każdy z ruchomych elementów był ograniczony obszarem działania

derzenia z nieruchomą częścią robota. Czujniki są również niezbędne do

w trakcie jego synchronizacji.

Sterowanie prędkością silników odbywa się za pomocą sygnałów PWM. Dzięki układom logicznym

tka, jest możliwe sterowanie kierunkiem


, szczególnie przy zmianie kierunków. Układ

między innymi za


) z dźwignią powodującą

był ograniczony obszarem działania

derzenia z nieruchomą częścią robota. Czujniki są również niezbędne do

17

Rozmieszczenie czujników:

• Czujniki nr 1 i nr 2 są rozmieszczone na podstawie, na krańcach prowadnic;

• Czujniki nr 3 i nr 4 zamocowane są na platformie;

• Czujnik nr 5 umieszczony jest na efektorze;

• Czujniki nr 6 oraz nr 7 znajdują się na dolnej i górnej części przekładni.

4.5 Zasilanie

Do zasilenia wszystkich elementów robota użyty został zasilacz przemysłowy impulsowy marki Mean

Well typu S-150-12 (rysunek 21). Parametry zasilacza przedstawia tabela 4. Zapas prądu w zupełności

wystarcza do za silenia trzech silników w momencie najwyższego obciążenia oraz do zasilenia całego

układy sterującego. Zasilanie sterownika jest zrealizowane na mostku Graetz’a oraz stabilizatorze 5V

typu 7805 przedstawionym na rysunku 22.

Rysunek 21 Przemysłowy zasilacz impulsowy Typu S-150-12 firmy Mean Well [14]

Parametry wyjścia

Napięcie wyjściowe 12V

Min prąd wyjściowy 0A

Max prąd wyjściowy 12,5A

Moc 150W

Parametry wejścia

Napięcie wejściowe 88~132VAC/176~264VAC

Tabela 4 Parametry zasilacza [9]

18

Rysunek 22 Schemat zasilacza układu sterującego [15]

4.6 Stop awaryjny

Zdarzają się sytuacje, kiedy działanie robota zostanie zakłócone, bądź może być przyczyną

niebezpieczeństwa dla operatora robota, dlatego stosowane są różnego rodzaju zabezpieczenia w

celu szybkiego rozłączenia zasilania w sytuacji awaryjnej. Również w przypadku opisywanego robota

został zastosowany przycisk awaryjnego stopu. Został on zrealizowany na przekaźniku typu RM84-Z-

12V firmy RELPOL, który załącza prąd do silników w momencie gotowości do startu. Przycisk start jest

na samo podtrzymaniu, a w momencie rozłączenia zasilania przez czerwony przycisk stop, odcięty

zostaje prąd od zasilania silników i robot staje. Układ oraz wyjścia wyłącznika bezpieczeństwa został

przedstawiony na rysunku 23 i rysunku 24.

Rysunek 23 Układ wyłącznika awaryjnego [10]

19

Oznaczenia układu:

• P1 – zezwolenie na załączenie silników;

• P2 – potwierdzenie załączonych silników;

• D – dioda 1N4001;

• T1 – tranzystor BC547;

• T2 – tranzystor BD135;

• R1 i R2 – rezystor 1k i 2K;

• Z1 – cewka przekaźnika;

• S1 i S2 – styki zwierane przekaźnika.

Rysunek 24 Wyjścia na płytce stopu awaryjnego

Opis złączy na płytce stopu awaryjnego:

1. 5V

2. GND

3. 12V

4. 12V

5. P1

6. Zacisk przycisku STOP

7. Zacisk przycisku STOP

8. Zacisk przycisku Start

9. Zacisk przycisku Start

10. P2

11. Silniki

12. Silniki

20

4.7 Złącza

Na tylnej części obudowy sterownika są zamontowane dwa złącza szufladowe typu DB25M (rysunek

25), przez które przekazywane są sygnały do sterowania sinikami oraz zasilanie koderów.

Wykorzystywane są również piny do przekazania sygnału z koderów oraz sygnałów z czujników

krańcowych. Część tych sygnałów jest podłączona do płytki uniwersalnej (rysunek 26), w której

wyprowadzone są niezbędne sygnały z modułu procesora. Wyprowadzenia złącz są przedstawione w

tabeli 5.

Rysunek 25 Opis styków do złącz RS-232-D

Rysunek 26 Wyprowadzenia sygnałów z modułu na płytce uniwersalnej

21

Złącza TPU Czujniki Przyciski Zasilanie LCD

1 PWM1 1 Czujnik 1 1

1,3, … 13,15 GND 1 GND

2 Channel 1 A 2 Czujnik 2 2

2,4,6,…14,16 5V 2 5V

3 Channel 1 B 3 Czujnik 3 3 *Prąd -

3 Control

4 PWM2 4 Czujnik 4 4

4 RS

5 Channel 2 A 5 Czujnik 5 5 *Prąd +

5 R/W

6 Channel 2 B 6 Czujnik 6 6

6 E

7 PWM3 7 Czujnik 7 7 Obroty -

7...14 DB0…DB7

8 Channel 3 A 8

8 Obroty + 9 Channel 3 B

Tabela 5 Wyprowadzenie złącz na płytce uniwersalnej

5. Planowany sposób działania

Robot jest konstrukcją podobną do plotera. Początkowym zadaniem manipulatora ma być rysowanie

trajektorii zadanych przez operatora urządzenia. Różnica w sterowaniu w porównaniu z ploterem

polega na tym, że robot porusza oś y2 przez przekładnię nieliniową. W tym przypadku ruch osi y2

jest uzależniony od położenia koła pośredniego na przekładni. W momencie, kiedy przemieszczenie

odbywa się na osi y1 również musi się odbywać na osi y2. W takiej sytuacji nie byłoby możliwe

narysowanie prostej biegnącej wzdłuż którejś z osi. Należało, więc zastosować ruchomą końcówkę

niezależnie napędzaną. Dzięki koderom znamy położenie efektora, a dodatkowe czujniki krańcowe

ułatwiają znajdowanie położenia końcówki.

5.1 Sygnały mikrokontrolera

Aby robot prawidłowo funkcjonował należało poprawnie zaprogramować sterownik. W tym celu

potrzebne było użycie sygnałów z mikrokontrolera, które realizowały różne funkcje. Do sterowania

silnikami użyta została funkcja PWM (Pulse-Width Modulation) z TPU. Dzięki niej możemy regulować

obroty silników przez zmianę szerokości impulsu o stałej amplitudzie. Jednostka TPU wykorzystywana

jest również do określania położenia efektora. Pozawala na to funkcja QDEC, dzięki której możemy

zliczać impulsy z kanałów kodera. Czujniki krańcowe, przyciski oraz sygnalizatory świetlne zostały

zrealizowane przy użyciu portów wejść/wyjść E i F. Również przy użyciu tych portów jest

zrealizowane wyjście sygnału pozwalającego na star silników oraz wejście odczytu działających

napędów. Do podłączenia LCD wykorzystana została górna połówka 16 bitowej szyny przesyłu danych

(D8 –D15), jeden bit adresu ( sygnał A0), port Read/Write oraz sygnał CS9 (Chip select). W przyszłości

planowany jest regulator prędkości. Będzie to regulator typu PD i zrealizowany zostanie

programowo. Przydatna będzie do tego funkcja QDVEL z TPU, która służy do pomiaru prędkości

silników.

22

5.2 Synchronizacja ruchów robota

Pomiar ruchu z koderów impulsowych w zespołach napędowych manipulatora jest względny. Aby

sterownik znał absolutną pozycję poszczególnych ramion konieczne jest przeprowadzenie procedury

synchronizacji. Polega ona na powolnym przemieszczaniu kolejnych osi aż do uzyskania sygnału

zwrotnego. Ta pozycja zostaje zapamiętana w sterowniku jako zerowa i procedura jest powtarzana

dla następnych napędów. Zerowanie manipulatora jest uzależnione od czujników krańcowych

(pozycji), które są rozmieszczone na rysunku 27. W pierwszej kolejności należy ustawić robota w

takiej pozycji, aby pozycjoner załączał czujnik 5. Następnie należy tak regulować przekładnią, aby

jednocześnie czujnik 2 i 3 dawały sygnał o osiągniętej pozycji. Jeżeli najpierw zostanie osiągnięty

punkt 2 należy cofnąć ruch, zmienić położenie przekładni i spróbować osiągnąć pozycję do momentu

osiągnięcia punktu 3. Wtedy trzeba powtórzyć czynność zmieniając położenie przekładni nieznacznie

w przeciwną stronę. Osiągnięcie jednocześnie pozycji 2 i 3 działa na zasadzie regulatora PID. Ostatnią

pozycją jest ustawienie przekładni na pozycji 7.

Rysunek 27 Rozmieszczenie czujników krańcowych

23

6. Podsumowanie

Powstała konstrukcja mechaniczna manipulatora redundantnego spełniająca założenia pracy.

Wykonana została konstrukcja przekładni niezbędna do zrealizowania zaplanowanych celów.

Zamontowane zostały silniki, czujniki krańcowe, prowadniki przewodów. Powstała elektronika

niezbędna do uruchomienia manipulatora. Przeprowadzone zostały testy pozwalające stwierdzić

poprawność ruchu poszczególnych osi robota. Napędy okazały się dobrze dobrane do poszczególnych

funkcji, jakie pełnią przy prawidłowym działaniu manipulatora. Do zrealizowania problemów

przedstawionych w pracy [1] wymagana jest dalsza kontynuacja rozbudowy robota. Dalszej pracy

wymaga oprogramowanie sterownika oraz elektronika. Należy poprawić drobne błędy oraz

rozbudować układ elektroniczny o pomiar prądu.

24

7. Literatura

[1] TCHOŃ K. i in., Optymalny, powtarzalny algorytm kinematyki odwrotnej dla manipulatorów, w:

Postępy Robotyki – sterowanie, percepcja i komunikacja, WKŁ Warszawa 2006

[2] CRAIG J., Wprowadzenie do robotyki, WNT Warszawa 1995

[3] TCHOŃ K. I in., Manipulatory i roboty mobilne – modele, planowanie ruchu, sterowanie, PLJ

Warszawa 1999

[4] MC68332 user’s manual MC68332TS/D Rev. 2

[5] WNUK M., Moduł z mikrokontrolerem MC68332, Raport SPR 7/2004

[6] WNUK M., ICD Interfejs BDM dla CPU32, Raport SPR 8/2005

[7] SZLAWSKI R., Konstrukcja podwójnego mostka H, Raport 15/10/2004

[8] http://www.beedspeed.com/html-pages/automatic-scooter-engines-explained.htm

[9] MEAN WELL, S-150-SPEC

[10] KUBIAK L., Wykrywanie I śledzenie obiektów przy pomocy prostych dalomierzy

[11] http://www.akcesoria.cnc.info.pl/

[12] http://www.maxonmotor.com/

[13] http://www.tme.eu/pl/

[14] http://www.rpelectronics.com/

[15] CIELNIAK G., Moduł uruchomieniowy mikrokontrolera MC68HC912B32

[16] http://pl.wikipedia.org/

25

8. Dodatek A – Rysunki techniczne części mechanicznej

Rysunek 28 Stożek przekładni

26

Rysunek 29 Mocowanie stożków to konstrukcji przekładni

27

Rysunek 30 Konstrukcja przekładni

28

Rysunek 31 Ściany przekładni

29

Rysunek 32 Mocowanie silnika RE-max 29

30


31


32

Rysunek 35 Platforma przekładni

33

Rysunek 36 Piasty mocujące łożyska liniowe

34

Rysunek 37 Podstawa – uchwyt prowadnicy P1

35

Rysunek 38 Uchwyt prowadnicy P2

36

Rysunek 39 Łączniki do zamocowania listwy zębatej

37

9. Dodatek B – Schematy elektroniczne

Rysunek 40 Schemat modułu em332

38

Rysunek 41 Schemat wyprowadzenia pinów sygnałowych z modułu em332

39

10. Dodatek C – Zdjęcia robota manipulacyjnego

Rysunek 42 Robot manipulacyjny

40

Rysunek 43 Jednostka sterująca

41

Rysunek 44 Moduł ICD

42

Rysunek 45 Przewody łączące jednostkę sterującą z robotem

PRACA DYPLOMOWA INŻYNIERSKA -...

Documents

Transcript of PRACA DYPLOMOWA INŻYNIERSKA -...