ДонНТУ   Портал магистров

Пахомов Михаил Юрьевич

Электротехнический факультет

Кафедра Электропривода и автоматизации промышленных установок

Специальность Электромеханические системы автоматизации и электропривод

Разработка системы управления роботом – манипулятором Katana

Научный руководитель: к.т.н., доц. Розкаряка Павел Иванович

Резюме Биография Реферат Библиотека Ссылки Отчет о поиске Индивидуальный раздел

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

• Введение
• 1. Актуальность темы
• 2. Цель и задачи исследования
• 3. Классификация роботов и область их применения
• 3.1 Основные понятия и определения
• 3.2 Функционал и область применения роботов-манипуляторов
• 4. Схема, и составные элементы манипулятора
• 4.1 Функциональная схема манипуляторов
• 4.2 Выбор привода
• 4.3 Выбор контроллера
• 5. Анализ существующих систем управления манипуляционным роботом
• Список источников

Введение

В современном мире основным направлением развития промышленности является автоматизация производства. Это способствует росту его эффективности за счет повышения качества выпускаемой продукции, а также сокращения доли рабочих, занятых в различных сферах производства.

Одним из основных элементов автоматизации промышленных предприятий является использование роботизированных комплексов, состоящих из механических манипуляторов и систем управления ими.

Применение такого робототехнического комплекса в производственном процессе позволяет рационально подойти к использованию трудовых ресурсов, повысить качество выполнения производственной технологической операции, снизить временные затраты на ее выполнение, снизить себестоимость продукции за счет уменьшения процента брака и снижения непроизводственных расходов (оплаты сверхурочных работ и простоев рабочих), увеличить выпуск продукции, повысить эффективность производства в целом [1]. Использование такого рода систем автоматизации предъявляет более высокие требования к технологичности изделий, к системе технической подготовки производства и квалификации кадров.

1. Актуальность темы

Робототехника – весьма обширная сфера инженерной практики, причем в последнее время она все более расширяется. Само понятие робот приобретает более глубокий смысл, по сравнению с тем, который вкладывался в него ранее.

Несмотря на универсальность понятия «робот» и ассоциации, вызываемые этим термином у неспециалистов, подавляющее большинство роботов, используемых в промышленности, представляют собой манипуляторы, управляемые посредством микропроцессорных контроллеров [2].

Манипуляционный робот – это техническое устройство, снабженное манипуляторами и способное самостоятельно выполнять различные механические операции в своем рабочем пространстве. Это наиболее широкий класс робототехнических устройств. К нему относятся все промышленные роботы (ПР), а также манипуляционные роботы (МР), предназначенные для замены человека в тех случаях, когда он не может присутствовать на месте выполнения операции или выполнять ее самостоятельно – под водой, в космическом пространстве, в условиях повышенной радиации и т.п. Данные задачи всегда предъявляют к промышленным роботам строгие требования по ряду критериев: по точности измерений положения, по точности позиционирования, по количеству степеней свободы и подвижности звеньев. В связи с этим, разработка как самого манипулятора ПР, так и программ управления им представляет сложную задачу, предполагающую многоэтапное решение.

Они представляют собой сложный электромеханический объект, обладающий рядом особенностей. Во-первых, манипуляционные роботы отличаются сложной кинематической структурой, содержащей множество независимых либо взаимосвязанных звеньев. Во-вторых, изменение положения последних в пространстве оказывает влияние на физические силы, действующие на манипулятор. В-третьих, существует необходимость синхронного управления большим числом двигателей [8].

В связи с наличием указанных особенностей, для внедрения МР в производственный процесс требуется специально разрабатываемые системы управления. Они служат для организации взаимодействия между человеком-оператором и МР, и обеспечивают выполнение процессов, необходимых для автоматизации технологической операции.

Вследствие этого актуальность приобретает задача синтеза кинематических, геометрических параметров и разработка методик их расчета [8].

2. Цель и задачи исследования

Таким образом, целью работы является разработка и исследования системы управления роботом-манипулятором Katana фирмы Neuronics AG (Швейцария).

Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:

1. Проанализировать общие подходы и определить требования к управлению роботами-манипуляторами.
2. Исследовать особенности кинематики (рассчитать прямую и обратную задачи кинематики) и динамики манипулятора, а также сформировать его математическую модель.
3. Разработать и исследовать систему управления манипуляционным роботом.
4. Разработать и спроектировать пользовательский интерфейс для программного управления манипулятором Katana.

3. Классификация роботов и область их применения

3.1 Основные понятия и определения

Манипуляционный робот представляет собой многостепенной, многофункциональный манипулятор, предназначенный для того, чтобы воспроизводить некоторые рабочие функции человеческих рук с целью выполнения различных работ [1].

По своей структуре манипулятор – многозвенная машина, между отдельными элементами которой существуют механические связи. В зависимости от области применения могут использоваться различные схемы построения механической части манипулятора, но все же основная конструкция представляет собой последовательность звеньев, соединенных между собой вращательными/поступательными парами [2]. Большинство производимых в настоящее время манипуляторов относятся к числу роботов с вращательной системой координат. Они обеспечивают наибольший объем рабочей зоны, в которой может осуществляться движение. Их структура позволяет достигать заданного положения и ориентации рабочего органа, в том числе при наложении ограничений на возможные перемещения, возникающие при наличии препятствий в рабочей зоне.

3.2 Функционал и область применения роботов-манипуляторов

По функционалу различают:

• роботы манипуляторы, используемые для перемещения объектов, например, в рамках разгрузо-погрузочных работ, при перегрузке и перевалке тарно-штучных и генеральных грузов, для приемки готовой продукции с обрабатывающего станка во многих производственных процессах;
• покрасочные роботы, использующиеся для окраски деталей. В зависимости от сложности обрабатываемой поверхности различают конструкции с разным количеством степеней свободы, подвижностью рабочего инструмента;
• сварочные роботы, применяемые для сварки отдельных деталей друг с другом;
• сборочные роботы, используемые для выполнения сборочных операции, в том числе в точном машиностроении, где требуется высокоточное позиционирование заготовок друг относительно друга и особо внимательное отношение к усилию на рабочем органе [3].


Рисунок 2 – Движение робота-манипулятора
(анимация: 10 кадров, постоянное повторение, 53 килобайта)

Также манипуляторы принято различать:

• по конструктивному исполнению на стационарные и подвижные;
• по количеству звеньев (чем их больше, тем выше подвижность руки робота и тем более сложные движения и траектории он может выполнять);
• по набору выполняемых операций (возможность смены управляющей программы и рабочего органа);
• по системе управления (ручные, сбалансированные, автоматизированные и автоматические) [3].

4. Схема, и составные элементы манипулятора

4.1 Функциональная схема манипуляторов

Форма рабочей зоны и возможности манипулирования объектом определяется кинематической структурной схемой манипулятора.

Манипулятор по своему функциональному назначению должен обеспечивать перемещение объекта манипулирования в пространстве по заданной траектории и с заданной ориентацией. Для полного выполнения этого требования основной механизм манипулятора должен иметь не менее шести степеней свободы. Однако, манипуляторы с шестью степенями свободы сложны как в изготовлении, так и в эксплуатации, поэтому в реальных конструкциях используется менее шести степеней подвижности. Наиболее простые манипуляторы имеют три, реже две, степени свободы, что удешевляет и упрощает конструкцию [9]. В разрабатываемом роботе-манипуляторе Katana 5M180, будет реализовано четыре степени свободы, что обеспечит движение по заданной траектории и позволит сохранить ориентацию объекта в пространстве, но при этом не сильно усложнит конструкцию.

4.2 Выбор привода

Основными задачами манипуляционного робота являются позиционирование рабочего органа и следование заданной траектории. В зависимости от назначения манипулятора, для обеспечения движения модулей роботов на практике используют различные виды приводов [7].

Большинство существующих в настоящее время манипуляционных роботов используются для выполнения движений электрический привод. Основными его преимуществами относительно пневматических и гидравлических приводов являются:

• высокий КПД;
• малые габариты;
• удобство управления;
• широкий диапазон мощностей.

В современных промышленных манипуляторах чаще всего используются двигатели постоянного тока (ДПТ), шаговые и вентильные двигатели. Наиболее часто применяются ДПТ и вентильные двигатели [9].

В данном проекте используются двигатели постоянного тока с интегрированным цифровым энкодером, фирмы Maxon motor A-max, внешний вид которого представлен на рисунке 5 [5].

Характеристики двигателя (при номинальном напряжении) представлены в таблице 1.

Таблица 1 – Характеристики двигателя Maxon motor A-max 22

Номинальная мощность, Вт	6
Номинальное напряжение, В	9
Сила тока без нагрузки, мА	57,9
Номинальное число оборотов, об/мин	6530
Номинальная сила тока (макс. продолжительная сила тока), А	0.859

Для передачи необходимого момента на звенья управляющего манипулятора, для создания силового очувствления, необходимо использовать редуктор. Для этой цели был выбран понижающий редуктор этой же фирмы Maxon motor.

Понижающий редуктор необходим в случаях, когда частота вращения приводимого вала машины меньше, чем у двигателя. Задачей редуктора является снижение угловой скорости и увеличение крутящего момента на ведомом валу.

Так же для измерения скорости двигателей и получения данных о положении звеньев манипулятора используется цифровой энкодер.

4.3 Выбор контроллера

Для того, чтобы управлять приводами манипулятора не обходимо использовать персональный компьютер (ПК), служащий для расчетов и формирования программы управления, а также платы управления на базе микроконтроллера, который должен удовлетворять требованиям: [9]

- цифровые и аналоговые входные каналы для датчиков и периферийных устройств;

- разрешение ШИМ менее 1 мкс;

- последовательный интерфейс UART/TTL (5 В);

- раздельное управление скоростью и ускорением для каждого канала;

- высокая производительность;

- аппаратная поддержка вычислений с плавающей запятой.

Для данной разрабатываемой системы был выбран микроконтроллер фирмы STMicroelectronis STM32F4 [6].

Плата STM32F4 Discovery предназначена для реализации собственных устройств и приложений с использованием аппаратного обеспечения платы.

Плата STM32F4 Discovery оснащена:

- микроконтроллером STM32F407VGT6 с ядром Cortex-M4F тактовой частотой 168 МГц, 1 Мб Flash-памяти, 192 кб RAM в корпусе LQFP100;

- отладчиком ST-Link/V2 для отладки и программирования МК;

- питанием платы через USB или от внешнего источника питания 5 В;

- датчиком движения ST MEMS LIS302DL и выходами цифрового акселерометра по трем осям;

- датчиком звука ST MEMS MP45DT02;

- звуковым ЦАП CS43L22;

- восемью светодиодами: LD1 (красный/зеленый) для USB-подключения, LD2 (красный) для питания 3.3 В, четыре пользовательские светодиода: LD3 (оранжевый), LD4 (зеленый), LD5 (красный), LD6 (синий) и два светодиода для USB On-The-Go – LD7 (зеленый) и LD8 (красный);

- двумя кнопками (для программирования пользователем и для перезапуска).

Таким образом, отладочная плата оснащена большим количеством периферии, что позволяет сразу же реализовывать на ней примеры различной сложности.

5. Анализ существующих систем управления манипуляционным роботом

В настоящее время наиболее распространенные системы управления манипуляционными роботами производятся фирмами ABB, KUKA, Yaskawa Motoman, Fanuc. В своих разработках, для решения указанных задач, они используют закрытые проприетарные решения. То есть пользователь получает систему, включающую в себя манипуляционный робот и СУ МР одного производителя. Такой подход позволяет производителю гарантировать работоспособность конечного решения, но ограничивает возможности со стороны пользователя [8].

Современные СУ МР фирмы ABB применяют принципы модульного построения, при котором к одному центральному контроллеру через интерфейс Ethernet может быть подключен ряд контроллеров, предназначенных для управления отдельными манипуляторами.

Роботы ABB используют серводвигатели переменного тока, мощность которых варьируется в диапазоне 1 кВт – 4.5 кВт для ряда грузоподъемности 2 – 150 кг. При этом обеспечивается точность позиционирования 0,06 – 0,1 мм. Программирование роботов осуществляется с помощью языка RAPID [10].

Роботы KUKA выполняются на базе промышленного компьютера, использующего OC Windows XP с расширениями реального времени VxWorks. Для управления манипулятором применяются платы ввода-вывода, специализированные платы расширения, включающие плату управления осями.

Для осуществления обмена данными используются протоколы ModBus, Ethernet.

Манипуляторы оснащаются серводвигателями переменного тока, а в качестве датчика положения используется абсолютный энкодер. Технические характеристика варьируются в зависимости от грузоподъемности. Погрешность позиционирования, обеспечиваемая манипулятором, варьируется в пределах 0,05 – 0,15 мм [8].

Наиболее распространенной отечественной разработкой является СУ МР Сфера-36, предназначенная для управления манипуляторами Puma-560. Она обладает возможностями простого ввода текстовых программ и записи последовательности перемещений в режиме обучения. Недостатком такой СУ является необходимость использования аналоговых сигналов для управления и организации обратной связи с манипулятором, что снижает качество управления, так как линии управления могут быть подвержены помехам. Более того, данная разработка устарела и не соответствует современным требованиям [8].

Список источников

1. Зенкевич С. Л., Ющенко А. С. Основы управления манипуляционнымироботами. М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана – 2004. – 480 с.
2. Юревич Е.И. Управление роботами и робототехническими системами.СПб. – 2001. – 168 с.
3. Роботы-манипуляторы.рф [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://роботы–манипуляторы.рф.
4. В.В. Рябченко, Н.Н. Дацун, Программно-аппаратный комплекс управления роботами-манипуляторами фирмы NEURONICS AG [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://ea.donntu.ru.
5. Электродвигатели-редукторы.рф, Электронно-коммутируемый двигатель постоянного тока Maxon motor A-max 22, [Электронный ресурс] – Режим доступа: электродвигатели–редукторы.рф.
6. Лабораторный практикум по изучению микроконтроллеров архитектуры ARM Cortex-M4 на базе отладочного модуля STM32F4 Discovery [Электронный ресурс] – Режим доступа: https://www.compel.ru.
7. Конструкции промышленных роботов: Учеб. Пособие для СПТУ/ Е.М.Канаев, Ю.Г. Козырев, Б.И. Черпаков, В.И. Царенко. М.: Высш. шк., 1987. – 95 с.
8. Варков А.А., Разработка и исследование системы управления манипуляционным промышленным роботом на базе контроллера, [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://lib.eltech.ru.
9. Н. Ю. Встовский, Е. А. Шеленок, Г. В. Шеразадишвили, Разработка учебного робота-манипулятора, аппаратная часть, [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://pnu.edu.ru.
10. Промышленный робот [Электронный ресурс] – Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki.