Автор:
Tarek M. Sobh, Mohamed Dekhil,
Thomas C. Henderson, and Anil Sabbavarapu
Автор перевода: С.В. Павлов
Источник: Кафедра
компьютерных наук и инженерии
Университет Бриджпорта
Бриджпорт, США
и
Кафедра компьютерных наук
Университет Юты
Солт Лейк Сити, США
В этой статье представлены этапы проектирования и строительства прототипа трехзвенного робота манипулятора, построенного как часть исследовательского проекта по созданию моделей режимов роботов манипуляторов. Создание этого робота позволило нам определить подсистемы и интерфейсы необходимые для создания модели окружающей среды, в условиях которой, был получен опыт работы с реальными проблемами и трудностями. Кроме того, этот робот используется в качестве учебного пособия в области робототехники и управления.
Изучение роботов в большинстве технических ВУЗов проводится с практической стороны, и как правило студенты в конечном итоге имеют теоретические основы и математические обоснования, и могут даже написать программы моделирования, но они не получат возможность применить на практике, то чему они научились на реальных роботах. Это связано с тем, что большинство роботов доступных на рынке, либо слишком сложны, продвинуты и дороги (например, специализированные промышленные роботы), либо игрушечные роботы, которые являются слишком тривиальными и не дают тот уровень функциональных возможностей, необходимых для демонстрации основных концепций построения и управления роботами. Одной из наших целей в этом проекте, было создание робота, который будет простым, гибким и легко используемым, а так же совместимым с любой рабочей станцией или персональным компьютером, и в то же время, способен продемонстрировать концепции разработки и управления. Мы также постарались сохранить его цену как можно более доступной для любого технического ВУЗа или промышленной организации. Мы считаем, что основным вкладом в работу по созданию URK (Utah Robot Kit), является прототип трехзвенного робота, имеющий небольшие размеры и разумный вес, что позволяет размещать его в небольших лабораториях. URK может быть подключен к любой рабочей станции или ПК через стандартный последовательный интерфейс RS232, и контролируется при помощи программного пакета с графическим пользовательским интерфейсом. Этот программируемый контроллер применяет отдельный ПИД-регулятор для каждого звена, который не требует знания параметров робота. Therfore, программа которую можно использовать для управления любой электромеханической системой, которой можно управлять при помощи физического ПИД-регулятора. Интерфейс позволяет пользователю вносить изменения в любые параметры управления и контроля поведения системы при помощи графиков и трехмерного представления текущего положения робота.
Управление манипуляторами и их моделирование это процесс, который включает в себя большое количество математических уравнений. Для более эффективного выполнения необходимых вычислений, лучше разделить их на отдельные модульные элементы, где каждый элемент выполняет определенные задачи. Наиболее важными элементами, как описано в [2], являются элементы кинематики, обратной кинематики, динамики, и замкнутых систем подчиненного регулирования.
Было проведено много исследований по автоматизированию расчетов прямой и обратной кинематики. Программный пакет SRAST, который решает прямую и обратную задачу кинематики для n-степеней свободы манипулятора был разработан авторами [5]. Другой способ нахождения символьного решения обратной задачи кинематики был предложен в [11]. Келмар и Хосла предложили свой метод автоматической генерации прямой и обратной кинематики для систем манипуляторов с изменяющейся конфигурацией [7].
Наука о силах необходимых для того, чтобы вызвать движение называется динамикой. Есть несколько алгоритмов для расчета динамики манипулятора. некоторые из них были предложены в [8, 9, 10], на основе многопроцессорных контроллеров и конвейерной архитектуре для ускорения вычислений.
В большинстве систем для позиционирования и отслеживания траектории используется системы подчиненного регулирования с обратной связью. Обычно на каждом сочленении применяется датчик положения, и есть привод для каждого звена манипулятора. Показания с датчиков будут обратной связью для системы управления. Выбирая соответствующие коэффициенты, мы можем контролировать поведение выходной функции, представляющей собой фактическую траекторию. Сведение к минимуму ошибки между желаемой и реальной траекторией является нашей главной заботой. На рисунке 1 показана блок-схема контроллера, а также роль каждого из элементов робота в системе.
Рисунок 1 – Блок-схема контроллера робота-манипулятора
Большинство алгоритмов замкнутых систем, используемых в современных системах управления, основываются на пропорционально-дифференцирующих (ПД) регуляторах. Для промышленных роботов, локальные обратные связи выбираются отдельно для каждого сочленения. Некоторые идеи были предложены для повышения удобства позиционирования. Одна из идей заключается в добавлении апериодической составляющей, используемой в анализе частотных характеристик[1]. Другой метод заключается в создании цикла, стабилизирующего контроллер с помощью нескольких переменных ПД регулятора, и внешний контроллер слежения за циклом использования нескольких переменных ПИД регулятора[12]. В общем, используя локальные замкнутые ПД контуры могут дать приемлемую точность при отслеживании движения. Было доказано, что при использовании линейной обратной связи ПД закон полезен для определения местоположения и траектории[6].
Этот проект был начат с изучения множества конфигураций роботов и анализа типов и количества расчетов, участвующих в каждой из моделей управления роботом (кинематикой, обратно-кинематической, динамической, планирования траектории, замкнутого управления и моделирования). На этом этапе был получен рабочий общий пример трехзвенного робота для вычисления кинематики, обратной кинематики, динамики и планирования траектории; они были связаны с общей моделью двигателя и алгоритмом управления им. Данное исследование позволило определить характеристики роботов, необходимые для выполнения определенных задач.
Первым шагом в разработке регуляторов для робота-манипулятора является решение его кинематики, обратной кинематики, динамики и управления с обратной связью, которые будут использоваться. Кроме того на данном этапе должны быть определены типы входных данных и пользовательский интерфейс. Мы также должны знать такие параметры робота как: длины звеньев, их массы, моменты инерции, расстояния между суставами, конфигурацию робота, и тип сочленения. Переменные параметры должны быть заданы так, чтобы контроллер мог использоваться без каких либо изменений для различных конфигураций.
Программа моделирования была реализована для изучения работы каждого звена, и влияния изменения частоты обновления в системе. Кроме того она помогла приближенно определить требуемые крутящие моменты и напряжения, а также тип датчика необходимого для определения максимальной скорости. Мы не использовали графический интерфейс симулятора, так как графики процедуры охватывают большой интервал времени и могут ввести в заблуждение показатели скорости.
Как уже упоминалось в разделе 2.2, линейный закон управления с обратной связью может быть использован для управления роботом-манипулятором для позиционирования и отслеживания траектории. Для этих целей был разработан ПИД регулятор, для тестирования и анализа поведения робота при данном способе управления. Использование этой системы управления помогло нам избежать решения задачи определения параметров нашего прототипа трехзвенного робота. Один из самых сложных параметров – матрица моментов инерции для каждого звена, особенно если звено имеет сложную форму.
Сборка механических и электрических комплектующих был произведен в Advanced Manufacturing Lab (AML) при помощи Mircea Cormos и Prof. Stanford Meek. В этой конструкции последнее звено подвижно, так что могут быть использованы различные конфигурации робота (см. рис. 2).
Рисунок 2 – Трехзвенный робот-манипулятор
Используется три привода (для каждого из звеньев), а также по паре датчиков (позиции и скорости), которые информируют о состоянии каждого звена в контуре управления.
Этот робот может управляться с помощью аналогового управления путем взаимодействия с ПИД регулятором.
Цифровое управление может осуществляться с использованием рабочих станций или персонального компьютера через стандартный интерфейс RS232. ЦАП и АЦП должны быть оснащены усилителями соответствующей мощности. Краткое описание этой конструкции можно найти в [3,4].
Эта модель была использована. Что бы дать некоторые оценки необходимых расчетных параметров, таких как длина звена, присоединение массы, скорость обновления, коэффициенты обратных связей и т.д. эта модель использует приблизительную динамическую модель робота, и это позволяет изменять параметры конструкции.
Программное обеспечение регулятора было реализовано для трехзвенного робота. Этот контроллер использует простой локальный ПИД алгоритм управления и имитирует три ПИД регулятора; по одному для каждого звена. Несколько экспериментов и испытаний были проведены с использованием этого программного обеспечения для изучения последствий изменения параметров.
Параметры, которые можно изменять в этой программе:
В этих экспериментах программа выполнялась на Sun SPARCStation-10, а АЦП был подключен к последовательному порту рабочей станции. Одной из проблем с которой мы столкнулись – медленный протокол чтения данных с датчика. Мы старались исправить это изменением размера буфера или используемого тайм-аута, но безуспешно. Это приводит к снижению точности позиционирования робота. Мы смогли решить эту проблему на HP-700, и мы достигли частоты обновления в 120 раз в секунду, что было хорошо для нашего робота.
Модель трехзвенного робота-манипулятора была построена для определения необходимых компонентов, для создания модели среды для элетро-механических систем в целом, и для роботов-манипуляторов в частности. Локальный линейный ПД регулятор с обратной связью был использован для задач позиционирования. Графический пользовательский интерфейс был реализован для управления и моделирования роботов. Этот робот был создан как учебное пособие, что дает его простоту и управляемость.