Экспериментальное исследование динамики промышленного манипулятора ПР5-2-13.4.3, реализованное на микроконтроллерной системе обработки данных

Размещено на http://www.allbest.ru/

^1,2 КФ МГТУ им. Н.Э.Баумана

Экспериментальное исследование динамики промышленного манипулятора ПР5-2-13.4.3, реализованное на микроконтроллерной системе обработки данных

С.С. Ратанов¹, В.М. Масюк²

e-mail:¹ xy_lig_an91@mail.ru,² masyuk77@mail.ru

В рамках проводимой кафедрой М6-КФ «Мехатроника и робототехника» научно-исследовательской работы предстояло разработать микропроцессорную систему робототехнического комплекса для сортировки объектов. После анализа технического задания потребовалось решить следующие задачи:

Разработка микропроцессорной системы управления робототехнического комплекса [1], куда можно отнести следующие вопросы:

· микроконтроллерная система обработки данных;

· модуль управления пневмоцилиндрами;

· модуль усиления и гальванической развязки;

· блок питания;

· трехосный датчик акселерометра ММА7361.

Разработка модуля сопряжения.

Расчет необходимых электрических характеристик.

Разработка программного обеспечения. Данный модуль может состоять, в зависимости от реализации из следующих модулей:

· код прошивки высокого уровня для МК Arduino Uno;

· разработка интерфейса на языке C#, которая реализует следующий функционал:

- обработка данных;

- исследование динамических характеристик робототехнического манипулятора;

- исследование перемещений штока манипулятор;

- изучение временных цикловых диаграмм движения манипулятора по всем степеням свободы.

Разработка и постановка эксперимента исследования динамики.

Исследовательская часть. В результате обзора литературы, исследования современного состояния отрасли и оценки быстродействия, функциональных возможностей и экономических параметров современных микроконтроллеров [2], одним из вариантов реализации поставленных можно привести в виде следующей обобщенной функциональной схемы рисунок 1:

микропроцессорный робототехнический манипулятор сортировка

Рис. 1. Обобщенная функциональная схема

В качестве сортировочного стенда использовалось 2 пневмо-манипулятора ПР5-2-13.4.3. Технические характеристики: грузоподъемность 0,17 кг.; 3 степени свободы; время захватывания не более 1 с.; время отпускания не более 2 с.; диаметра захватываемого предмета: max=32мм, min=28мм., поворот рабочего органа регулируемый от 40 градусов до 170 градусов. Необходимый угол для стенда составляет 90 градусов. Временные затраты на перемещение неизвестны.

Решить вопрос с определением конечных положений существует несколько подходов:

· классический - использование конечных датчиков - инкодеров (магнитных, индукционных, оптических и т.д.). Преимуществом данного подхода является надежность, простота, отработанность конструкции. Минусы - требуется изначальная разработка установочных мест для датчиков. Вмешательство в данную структуру является не целесообразным. Вторая особенность - требуется 6 датчиков на 1 манипулятор, 12 - соотвествеено на 2, следовательно, нужно иметь дополнительные 12 цифровых портов со схемой согласования. Обычно такие структуры разрабатываются при проектировании новых систем и редко используются при модернизации существующих из за большого количества изменений, вносимых в конструкцию.

· решение удобное в плане модернизации - предлагается использовать трёхосный акселерометр. Преимущества данного подхода - 1 датчик на 1 манипулятор, получается, что 2 датчика используют всего 6 портов АЦП. Вторая немаловажная особенность - это внесение дополнительного функционала, что дает возможность визуализации технологических процессов в реальном времени.

Выбираем трехосный акселерометр с помощью которого можно измерить скорость и ускорение перемещения рабочего органа и по ударным нагрузкам можем определить время затраченное на перемещение.

Выбор микроконтроллера. Для реализации задач за основу был взят готовый микроконтроллер на плате Arduino UNO, который имеет следующие достоинства: встроенная среда программирования; достаточность портов; наличие встроенных библиотек для специальных датчиков; удобство работы с загрузкой скетчей, для исследовательских задач; невысокая цена; компактность.

Выбор акселерометра. Трёхосный акселерометр позволяет определять статическое (сила земного притяжения) или динамическое ускорение действующее в направлении осей X, Y, Z и применяется для определения ориентации объекта, на котором он установлен, в пространстве, что позволяет получать информацию об ускорении/замедлении этого объекта, а также о его наклоне относительно земной оси. Датчик основан на чипе MMA7361 компании Freescale. Выводом является 3 аналоговых сигнала: по одному для каждой из осей. Уровень напряжения пропорционален величине ускорения действующему вдоль оси. Для определения по этим данным ориентации в пространстве понадобятся вычисления на управляющем микроконтроллере. Схема подключения датчика к микроконтроллеру представлена на рисунке 2

Рис. 2. Подключение акселерометра к Arduino

Постановка эксперимента и обработка данных. Задача: исследование динамических характеристик промышленного пневмо-манипулятора ПР5. Получение временных диаграмм.

Для решения поставленной задачи были выполнены следующие этапы:

1. Разработка интерфейса программы с помощью Windows Form на языке С#.

Рис. 3. Интерфейс программы управления манипуляторами

2. Калибровка датчика трехосного акселерометра ММА7361, для максимальной чувствительности 1.5g и минимальной чувствительности 6g, по следующей методике [3]:

· Зафиксировать датчик в горизонтальном положении на схвате робота;

· Установить в прошивке контроллера значения X,Y,Z равные нулю, записать прошивку в контроллер;

· Снять показания с датчика в течение 3 секунд (для получения статистической значимости эксперимента, и исходя из времени выборки АЦП определили это время);

· Вычислить средние значения в горизонтальном положении и внести поправку в калибровочные значения.

Рис. 4. 3D - модель манипуляционного механизма

На рисунке 4 приведена схема эксперимента. Цифрами обозначено возможное перемещение манипулятора: 1 - поворотное ударное по координате X,Y; 2 - подъемно ударная по оси Z; 3 - продольно ударное по оси X. X,Y,Z обозначены глобальные координаты трехосного акселерометра ММА7361.

Таблица 1. Результате калибровки датчика при чувствительности 1.5g

Экспериментальные данные после калибровки при разной чувствительности приведены на рисунке 5 и 6.

Рис. 5. Экспериментальные данные при чувствительности 1.5g

Таблица 2. Результате калибровки датчика при чувствительности 6g

Рис. 6. Экспериментальные данные при чувствительности 6g

Выводы

В данной статье рассмотрены основные положения разработки микроконтроллерной системы, снятие и обработки данных, проведены исследования динамики робота, которые легли в основу построения математической модели.

Список литературы

[1] Схиртладзе А.Г., Иванов В.И., Кареев В.Н. Гидравлические и пневматические системы. - Москва: ИЦ МГТУ «Станкин», «Янус-К», 2003. - С. 544.

[2] Белов А.В. Конструирование устройств на микроконтроллерах. СПб.: Наука и Техника, 2005. - 256с. ил.

[3] Дрейпер Н., Смит Г. Прикладной регрессионный анализ. М.: Издательский дом «Вильямс», 2007, 911с.

Размещено на Allbest.ru