Sterowanie ruchem manipulatora



Pobieranie 6,13 Mb.
Strona1/59
Data29.01.2018
Rozmiar6,13 Mb.
  1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   59

STEROWANIE RUCHEM MANIPULATORA – Spis treści


Wprowadzenie._3'>Spis treści.

1. Wprowadzenie. 3

1.1. Wstęp. 3

1.2. Przegląd literatury i istniejących rozwiązań. 4

1.3. Cel i zakres pracy. 5



2. Podstawowe pojęcia. 6

2.1. Podstawowe pojęcia, struktury i systematyzacja manipulatorów. 6

2.2. Układy sterowania manipulatorami. 10

3. Kinematyka i dynamika manipulatora. 15

3.1. Kinematyka manipulatora. 15

3.2. Wyprowadzenie zależności kinematycznych. 15

3.3. Zadanie proste i odwrotne kinematyki. 18

3.4. Zadanie planowania trajektorii ruchu chwytaka. 22

3.5. Weryfikacja numeryczna. 25

3.6. Dynamika manipulatora. 27

3.7. Przyjęcie metody rozwiązania. 27

3.8. Wyprowadzenie dynamicznych równań ruchu. 29

3.9. Weryfikacja otrzymanych równań dynamicznych. 35



4. Konwencjonalne sterowanie ruchem manipulatora. 41

4.1. Wybór algorytmu sterowania i stabilność układu. 41

4.2. Weryfikacja numeryczna układu sterowania. 43

5. Adaptacyjny algorytm sterowania manipulatorem. 54

5.1. Wstęp i wybór prawa sterowania. 54

5.2. Stabilność układu i dobór prawa adaptacji parametrów. 55

5.3. Weryfikacja numeryczna układu sterowania. 57



6. Badania eksperymentalne. 70

6.1. Opis manipulatora. 70

6.2. Realizacja techniczna układu sterowania. 72

6.3. Uzyskane wyniki i wnioski. 75



7. Kierunki dalszych badań. 88

8. Literatura. 89

9. Spis załączonego oprogramowania. 90

10. Dodatek - kody źródłowe programów. 91

10.1. Kinematyka. 91

10.2. Planowanie trajektorii. 92

10.3. Dynamika i sterowanie. 93









  1. Wprowadzenie.

    1. Wstęp.

Robotyka jest dziedziną nauki i techniki, która zajmuje się problematyką mechaniki, sterowania, projektowania, pomiarów, zastosowań oraz eksploatacji manipulatorów i robotów. Przedmiotem robotyki jest zastosowanie robotów w badaniach naukowych, szeroko pojętej technice, budownictwie, transporcie, rolnictwie, jak również
w medycynie. Teoria manipulatorów i robotów jest interdyscyplinarną dziedziną badań wymagającą współdziałania specjalistów z różnych dziedzin [1].
Przez ostatnie dwadzieścia - trzydzieści lat nastąpił duży rozwój robotów przemysłowych, które znajdują zastosowanie szczególnie w przemyśle maszynowym
do prac spawalniczych, malarskich, montażowych oraz obsługi pras i obróbek wykańczających, jak szlifowanie i polerowanie. Głównym celem ich zastosowania jest podwyższenie jakości wykonywanych prac, skrócenie czasu wykonania oraz uwolnienie człowieka od ciężkiej i monotonnej pracy, a zwłaszcza od prac niebezpiecznych
dla zdrowia.
Przedmiotem szczególnego zainteresowania są zagadnienia: dokładności pozycjonowania i orientacji, realizacji trajektorii w przestrzeni z przeszkodami, czynnego sterowania siłą, komunikacji głosowej i wizyjnej, modelowania elastycznych manipulatorów. Przy rozwiązywaniu tych zagadnień korzysta się z całej klasy metod matematyki, mechaniki, teorii maszyn, teorii sterowania, informatyki, teorii systemów, miernictwa, diagnostyki, teorii eksploatacji [1].
Zagadnienie sterowania manipulatorami należy do klasy sterowania nadążnego. Trajektorie wyznaczone są zazwyczaj w przestrzeni kartezjańskiej lub w przestrzeni zmiennych konfiguracyjnych. Do podstawowych zagadnień, które należy rozwiązać
ze względu na sterowanie ruchem nadążnym to zapewnienie odpowiedniej dokładności
i stabilności ruchu
. Trzeba zaznaczyć, że projektując algorytmy sterowania, koniecznie powinno się uwzględnić zmienne warunki pracy, które wynikają z realizacji różnych zadań [4]. Algorytmy sterowania ruchem nadążnym manipulatorów powinny zapewniać dużą dokładność i stabilność realizowanego ruchu.

    1. Przegląd literatury i istniejących rozwiązań.

Około 95% istniejących rozwiązań przemysłowych układów sterowania manipulatorów to układy oparte o regulatory PD lub PID [1]. Takie rozwiązania podyktowane były realizacją algorytmów sterowania w technice analogowej. Jeśli już pokuszono się o układy cyfrowe – to powyższe rozwiązanie narzucone było niewystarczającymi częstotliwościami próbkowania. Kolejne 3% to układy sterowania bez sprzężenia zwrotnego. Około 1% stanowią układy sterowania otwartego, w których rolę „regulatora” pełni operator. W końcu 1% to inne rozwijające się systemy sterowania, jak np. sterowanie rozmyte, adaptacyjne, neuronowe, ślizgowe i pozostałe.

Istnieje wiele technik i metod sterowania, które mogą być zastosowane do sterownia manipulatorami. Konkretnie, wybrana metoda i sposób jej realizacji mogą mieć istotny wpływ na osiągi manipulatora, a w konsekwencji na jego zakres zastosowań [3]. Obecnie wykorzystując szybkie sterowniki cyfrowe i komputery klasy PC, istnieje możliwość przeprowadzenia zarówno symulacji dowolnych algorytmów sterowania, jak


i ich realizacji w czasie rzeczywistym.
Autorzy pracy [1] przedstawiają dogłębnie analizę manipulatorów z punktu mechaniki ruchu, jak również wprowadzają w wybrane zagadnienia robotyki. Brak
jest natomiast rzetelnej i uporządkowanej wiedzy z obszaru sterowania manipulatorami.

W pracy [2] przedstawiono niezbędną wiedzę z zakresu mechaniki manipulatorów, poszerzając obszar pracy o sformułowanie sterowania głównie w oparciu o regulator


PD / PID.

Problem mechaniki ruchu i sterowania manipulatorami omówiono w pracy [3]. Przedstawiono zarówno podstawowe sterowanie: z regulatorem PD, jak i rozszerzono zasób wiedzy o sterowanie ślizgowe i adaptacyjne dla układów nieliniowych. Przedstawiono również wyniki symulacyjne dla prostych przypadków manipulatorów. Na bazie tej literatury i następnej wyprowadzano większość zależności matematycznych, jak również porównywano otrzymane wyniki.

Systematyczną wiedzę z dziedziny sterowania odpornego, ale robotami mobilnymi przedstawił autor pracy [4]. Swoje rozważania teoretyczne, autor poparł wynikami symulacyjnymi i badaniami laboratoryjnymi.

W publikacji [5] autorzy prowadzą teoretyczne rozważania o strukturze sterowania adaptacyjnego, poparte o wyniki symulacyjne dla dobrze znanego manipulatora dwuczłonowego.

Literatura [6] poświęcona jest prawie w całości zagadnieniom mechaniki ruchu manipulatorów i robotów.

W pozycji [7] autorzy solidnie i wyczerpująco przedstawiają problemy zarówno mechaniki ruchu jak i sterowania jednak w odniesieniu do robotów mobilnych.


Podsumowując: brakuje powszechnej literatury polskojęzycznej poświęconej problemom sterowania manipulatorami. W analizowanej literaturze obcojęzycznej
i polskojęzycznej brakuje natomiast zgodności w przyjęciu oznaczeń pomiędzy wiodącymi ośrodkami badawczymi zarówno krajowymi jak i zagranicznymi, co z kolei znacząco utrudnia analizę przedstawianych prac.


    1. Cel i zakres pracy.

Niniejsza praca stanowi próbę sformułowania problemu mechaniki ruchu
dla przyjętego układu manipulatora i następnie jego sterowania w oparciu o jedną
z dostępnych metod.

W pracy rozważa się sterowanie pozycją manipulatora o strukturze stawowej. Przyjęto, że sterowany manipulator jest obiektem silnie nieliniowym i wielowymiarowym.



W rozdziale drugim sklasyfikowano struktury manipulatorów i układów sterowania. Rozdział trzeci poświęcono mechanice ruchu – wprowadzając w problemy kinematyki
i dynamiki przyjętego układu wykorzystując oprogramowanie Maple® i Matlab®Simulink®. W oparciu o wyprowadzone zależności przeprowadzono symulację układów sterowania, zarówno: konwencjonalnego opartego o regulator PD – rozdział czwarty, jak
i adaptacyjnego algorytmu sterowania – rozdział piąty; wykorzystując oprogramowanie Matlab®Simulink®. W rozdziale szóstym zawarto opis układu sterowania i wyniki badań laboratoryjnych nad układem sterowania przy wykorzystaniu manipulatora Scorbot Er4pc wraz z oprogramowaniem Matlab®Simulink®.

  1. Podstawowe pojęcia.

    1. Podstawowe pojęcia, struktury
      i systematyzacja manipulatorów.


Manipulator - urządzenie techniczne przeznaczone do realizacji niektórych funkcji: manipulacyjnych (gr. manus - ręka) wykonywanych przez chwytak
i wysięgnikowych realizowanych przez ramię manipulatora. Współczesne manipulatory składają się z pojedynczego łańcucha kinematycznego otwartego od pięciu do dziewięciu stopniach swobody lub zdwojonego łańcucha, zespołu siłowników (napędu), układu sterowania, czujników i układu zasilania.
Na rysunku 2.1 pokazano schemat blokowy manipulatora [1].

Rys. 2.1. Schemat blokowy manipulatora [1].


Obierając kryterium, manipulatory możemy podzielić ze względu na:

1. Ruchliwość,

2. Odmianę łańcucha kinematycznego,

3. Przeznaczenie,

4. Zastosowany napęd,

5. Stopień specjalizacji,

6. Własności geometryczne,

7. Układ sterowania,

8. Kolejne generacje,

9. Inne.
W każdej z wymienionych grup, można wydzielić kolejne podgrupy i zaliczyć


do nich klasyfikowany obiekt. Poszczególne punkty zostano pokrótce omówione poniżej. Często spotkać można tzw. manipulatory hybrydowe, które powstają przez zastosowanie różnych konfiguracji sprzętowo-programowych, np. połączenie napędu hydraulicznego ramion z napędem pneumatycznym chwytaka i elektronicznym układem sterowania.
Ruchliwość manipulatora można wyznaczyć z zależności
(2.1)

gdzie:


w – ruchliwość jako liczba niezależnych ruchów członów ruchomych względem podstawy,

n – liczba członów ruchomych,

p – liczba połączeń różnych rodzajów [1].
Ponieważ w przypadku otwartych łańcuchów liczba członów ruchomych równa jest liczbie par kinematycznych, to zależność (2.1) przyjmie postać
(2.2)
co oznacza, że ruchliwość łańcucha otwartego równa jest liczbie stopni swobody jego połączeń – par kinematycznych [1].
Rozważmy niektóre odmiany łańcuchów kinematycznych, złożonych z par połączeń obrotowych „O” i postępowych „P”. Liczbę możliwych wariacji utworzonych z dwóch elementów można określić
(2.3)
gdzie:

k – liczba członów.
Zmieniając usytuowanie osi par można uzyskać dodatkowe odmiany [1]. W sumie dla k=3, możliwe jest uzyskanie aż 144 różnych konfiguracji łańcucha kinematycznego.


Odmiana

POP

OOO

PPP

OOP

POO

%

47

25

14

13

1

Tabl. 2.1. Procentowy udział występowania poszczególnych odmian łańcuchów manipulatorów [1].
Roboty i manipulatory rozwinęły się dzięki swojemu wszechstronnemu zastosowaniu. Znalazły zastosowanie we wszystkich rozwijających się (jak również istniejących) gałęziach przemysłu. Dla przykładu można wymienić przemysł samochody przy zgrzewaniu blach i pracach malarskich, przemysł hutniczy przy wytopie metali
i obsłudze pras, ogólnie we wszystkich gałęziach przemysłu przy transporcie i paletyzacji elementów. Do tego dochodzą prace podwodne i kosmiczne, manipulatory rehabilitacyjne
i medyczne, maszyny kroczące i cały dział związany z mikrorobotyką.
We współczesnych robotach stosowane są w zasadzie trzy rodzaje napędów: pneumatyczne, hydrauliczne i elektryczne. Każdy robot jest wyposażony w układ silników
i siłowników rozmieszczonych na jego ramionach lub w jego połączeniach ruchowych, tworząc napęd robota. Według literatury [1] przewagę w zastosowaniu znalazł napęd elektryczny i hydrauliczny przed pneumatycznym.

Rys. 2.2. Procentowy udział różnego rodzaju napędów stosowanych w robotach na rok 1990 według literatury [1]


Do zalet napędów hydraulicznych możemy wymienić:

• łatwość uzyskiwania dużych sił przy małych rozmiarach i ciężarach urządzeń wykonawczych,

• łatwość precyzyjnego sterowania,

• dobre własności dynamiczne,

• możliwość uzyskiwania małych prędkości ruchu bez konieczności stosowania przekładni,

• łatwość uzyskiwania ruchów jednostajnych,

• mała wrażliwość na zmianę obciążeń,

• łatwość konserwacji,

• duża pewność ruchowa.

Wady stosowania napędów hydraulicznych to dużej mierze:

• duży hałas przy wytwarzaniu ciśnienia (pompy),

• zanieczyszczenie środowiska pracy.


Napęd pneumatyczny rozwinął się dzięki korzystnym parametrom:

• duża pewność ruchowa,

• większa prostota konstrukcji, aniżeli napędu hydraulicznego,

• niska cena urządzeń,

• mała masa własna urządzeń i mała masa czynnika roboczego,

• powolne narastanie sił,

• duża przeciążalność,

• iskrobezpieczeństwo.

Wady stosowania napędu pneumatycznego wynikają głownie z:

• duża wrażliwość ruchu na zmiany obciążenia,

• gwałtowny rozruch przy małym obciążeniu lub źle dobranych elementach,

• znacznie mniejsze siły i momenty, aniżeli w napędzie hydraulicznym,

• korozja elementów,

• trudność w sterowaniu elementu wykonawczego.


Duży wzrost stosowania napędu elektrycznego podyktowany jest:

• małe rozmiary,

• odporność na krótkotrwałe przeciążenia,

• krótkie czasy rozruchu i sterowania,

• łatwość w płynnym sterowaniu,

• małe koszty produkcji i utrzymania,

• duża niezawodność,

• praca bez hałasu,

• brak dodatkowego oprzyrządowania, jak to ma miejsce w hydraulice
i pneumatyce,
Wady ze stosowania napędu elektrycznego:

• niekorzystny stosunek mocy do masy,

• właściwości dynamiczne mniejsze niż hydrauliki,

• wrażliwość na długotrwałe przeciążenia,

• przy dużych prędkościach obrotowych wymagają zastosowania przekładni.
Większość manipulatorów jest zaprojektowanych tak, że ostatnie n-3 pary obrotowe łańcucha kinematycznego, orientujące człon roboczy, mają osie przecinające się w jednym punkcie nazywanym środkiem kiści. Pierwsze trzy pary kinematyczne określają pozycję środka kiści. Dlatego rozróżnia się dwie części struktury manipulatora: strukturę pozycjonowania zwaną regionalną (ramieniem) oraz strukturę orientowania zwaną lokalną (kiścią).




  1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   59


©operacji.org 2019
wyślij wiadomość

    Strona główna