Автори: P. Avramov, V. Zamanov
Резюме: Настоящата работа представлява изследване върху възможността за използване на прецизен MEMS инклинометър за компенсиране на отклонения в положението на изпълнителното звено, на специализирани роботи, породени от грешки в ставите и еластични деформации в звената при движение и в покои. Влиянието на грешките в ставите се дефинира посредством матрицата на Якоби, а това на грешките от еластични деформации посредством експериментални изследвания с помощта на допълнителен сензор монтиран на изпълнителното звено.
Преобладаващата част от специализираните роботи изпълняват конкретни функционални задачи, свързани с реализиране на строго определени траекторни движения по предварително дефинирани равнинни или пространствени криви. Възможността за изпълнение на желаната траектория се осигурява или конструктивно, като се използват подходящи по структура и метрика манипулационни механизми или посредством системата им за управление. При всички случаи обаче, се наблюдават отклонения между реалната и теоретично синтезираната трактория, породени от неточностите при производството и монтажа на детайлите формиращи размерните вериги и еластичните деформации в звената и връзките на манипулатора възникващи при различни режими на работа и в покои.
Съблюдаването на опредлена точност при позициониране и при отследяване на движение по контур е неизменно свързана със следене и коригиране на грешките в положението на изпълнителното звено в реално време.
При дефинирането на грешките в положението на изпълнителното звено се разчита предимно на сензори монтирани в ставите или на задвижващите ги двигатели, които определят грешка в конфигурацията на манипулатора, без да отчитат грешките породени от еластични деформации на връзките и звената. Ставните грешки се преобразуват в грешки на изпълнителното звено и се коригират от системата за управление. Този подход дава много добри резултати при манипулационни системи с по-проста кинематична структура, използващи по-прости механизми за преобразуване на движението, както и при такива с директно задвижване в ставите, чиито звена имат поведение близко до това на идеално твърдите тела.
В редица случаи, именно грешките породени от еластични деформации на връзките и звената формират съществена част от грешките на изпълнителното звено, и тяхното компенсиране изисква те да бъдат регистрирани посредством допълнителни сензори монтирани на подходящо място, често на самото изпънително звено. Особено подходящи за целта са, т.нар. MEMS (Microelectromechanical systems) сензори, които търпят голямо развитие в последните години. При тях измервателната система и електронния блок, който обработва сигналите постъпващи от нея, и чрез вградения му алгоритъм изработва управляващ сигнал за изпълнителните механизми, са поместени заедно на един чип. Това позволява изграждане на прецизни сензори с изключително компактно тегло и размери, които могат да се монтират, директно на изпълнителното звено без да влиаят върху поведението на манипуалционната система.
ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ
Целта на настоящето изследване е да се дефинира ефективен подход за компенсиране на грешките в положението на изпълнителното звено (при движение и в покои) на манипулационна система, породени от грешките в конфигурацията и грешките от еластични деформации на звената и връзките. За целта, възникналите отклонения се регистрират посредством прецизен, безжичен MEMS инклинометър, които се монтира директно на изпълнителното звено и отчита абсолютните му ориентация, ъглови и линейни ускорения. Посредством интегриране на ускоренията могат да се определят също и ъгловите и линейните скорости, както и линейни отмествания по отношение на дадена точка. Разгледания подход е приложим за манипулационни системи при които е възможно да се дефинира връзка между ъгловите и линейните грешки в положението на изпълнителното звено, която е налице за редица манипулационни системи.
ИЗСЛЕДОВАТЕЛСКИ МЕТОДИ И МОДЕЛИ
Основните механични характеристики на манипулационните роботи: точност, статични силови възможности и податливост се определят основно от:
- грешките, максимално допустимите усилия и еластичността на задавижването, обединяващо възможностите на сервоуправлението, двигателите и прилежащите им механизми за преобразуване и независимо предаване на движенията.
- неточностите, якостта и еластичните деформации на звената и връзките.
Първата група се дефинирана теоретично, посредством изследване на идеално твърди и точни манипулатори с реални параметри на задвижването в ставите. Отклоненията в положението на изпълнителното звено зависещи от грешките в конфигурацияата (ставни грешки) се определят посредством матрицата на Якоби на манипулатора. Анализа на матрицата на Якоби позволява да се разкрият направленията и стойностите на максималните линейни и ъглови грешки, както и конфигурациите с абсолютна максимална грешка.
Грешките породени от еластичните деформации на звената при различни конфигурации трудно могат да бъдат дефинирани аналитично. Реални и точни резултати се получават посредством експериментални изследвания, с използване на прецизен инклинометър за измерване на малки ъглови премествания на фирмата Microstrain.
След съпоставка на експерименталните резултати с теоретичния модел, отчитащ само възможностите на задвижването, се определя влиянието на механичната конструкция, в частност на еластичните деформации на отделните звена, и се дефинира подходяща стратегия за управление целяща минимизиране на регистрираните отклонения.
Реализация и експерименти
Разглеждания подход е илюстриран за конкретен прецизен, хибриден манипулатор за манипулиране на силициеви пластни. Съществувват две противоречиви тенденции касаещи конструкцията на роботите за манипулиране на силициеви пластни. От една страна е налице стремеж към увеличаване на работните им зони и товароносимостта породени от нарастване на габаритите и масите на силициевите пластнини (до 450 мм), които неминуемо са свързани с увеличаване на габаритите и собствените тегла на звената на манипулационните системи. От друга страна се търсят по-леки конструкции с повишаване на коефициента товароносимост/собствено тегло. Това води до използването на звена и връзки с по-голяма еластичност което често е свързано с влошаване на точностните характеристики на манипулационните системи при позициониране, както и при движение по задена траектория. Търсят се различни решения на проблемите породени от еластичността на манипулационните системи: механични компенсатори, адаптивна периферия и др.
Система за управление
Контролера на робота обединява няколко конторлни блока всеки с възможност за управление на до три серво оси, микрокомпютър, входно-изходен блок и захранващ блок. Контролните блокове са предназначени за прецизно управление двигателите и синхронизация на серво-управляемите оси на робота. Освен това през тях преминават всички захранващи информационни и управляващи сигнали към и от робота. Входно-изходния блок осигурява комуникацията между робота и управляващия компютър посредством стандартен сериен интерфейс RS-232. На него се намира и флаш диск които съдържа управляващия софтуер (фърмуеар) на робота. Компютърния блок е снабден с процесор Intel486 и стандартен PS/2 изход за клавиатура.
Управлящата програма (firmware) на контролера е базирана на многозадачно (multitasking) микро ядро, което работи под операционната система DOS, реализирана на езика MCL (Motion Control Language). Конфигурацията на фърмуера се описва в инициализaционния файл (MCL.INI) и е различна за всяко специфично приложение. При необходимост от допълнителна функционалност, могат да бъдат реализирани различни потребителски процедури с помощта на MCL и заредени в контролера посредством така наречения макро файл (MCL.MAC). По този могат да се реализират различни потребителски програми, стратегии за движение в траекторен режим, както и такива за компенсиране на грешки.
Прецизен MEMS инклинометър
Инклинометатър Inertia-Link на фирмата Microstrain, е високо-чувствителен инерционен сензор изграден по MEMS технолигия. Сензора представлява полисилициева структура създадена по методите на микромеханиката, върху силициева подложка. Полисилициеви нишки подържат структурата на повърхността на слоя и осигуряват съпротивление срещу ускорителните сили. Отместването на структурата се измерва като се ползва диференциален кондензатор, който се състои от фиксирани плоскости и плоскости, свързани с движещата се структура. Ускорението отклонява пластината като дебалансира диференциалния кондензатор. На принципа на измерване на фазовата разлика се формира сигнала и се определя посоката на ускорението.
Inertia-Link съчетава триосен акселерометър, триосен жирометър и температурен сензор, които заедно с процесора за обработка на данните са изпълнени като една интегрална схема. Сензора мери пълен набор от изцяло калибрирани инерционни измервания (линейно и ъглово ускорение, ъглова скорост, Ойлерови ъгли, матрица на ориентацията). Налице е пълна температурна компенсация на дрейфовете на нулата и чувствителността, в работния температурен диапазон от -40˚ C до +85˚ C. Има ниска консумация (под 90 mA), и дава възможност за избор на честотна лента за всеки от каналите. Грешката при измерване на ъглови отмествания е 0.2˚ при статични измервания и 1˚ при динамични. Грешката при измерване на ускорения е 2mg по направление и на трите измервателни оси при измерване на ускорения до 2g. Захранва се еднополярно +4.5V до +16V и издържа удар до 1000g. Разделителната способност при измерване на ъглови отмествания е 0.1˚.
Към сензора се предлага софтуерен кит за разработка и реализиране на специализирани приложения на Microsoft ® Visual Studio C++ 2003/2008 Express, LabVIEW® 7.1.1, Microsoft® Visual Studio Visual Basic 2005 and Microsoft ®. Комуникационния интерфейс е реализиран модулно и включва възможност за безжична комуникация, комуникация през USB.2, RS232 и RS422.
Научните изследвания, резултатите от които са представени в настоящата публикация, са финансирани от Вътрешния конкурс на ТУ-София-2009 г.
Използвана литература:
1. Аврамов П., Заманов В., Кинематика на 3R, 4R и 5R равнинни манипулатори с 1, 2 и 3 степени на свобода, Автоматика и информатика, София, 2006.
2. Заманов В., Аврамов П., Точностен модел на хибриден манипулатор, Автоматика и информатика, София, 2007.
3. Заманов В., Карастоянов Д. и Сотиров З., Механика и управление на роботите, София, 1993.
4. Павлов В., Чавдаров И., Подход в синтеза на манипулационни механизми за специализирани роботи, София, 2000.
5. Zamanov V., Sotirov Z., Parallel mechanisms in robotics. In IMACS/SICE Int. Symp. On Robotics, Mechatronics, and Manufacturing Systems, pages 409-418, Kobe, 16-20 September 1992.
6. Sefrioui J., Gosselin C., Etude et présentation des lieux de singularité de manipulateurs parallèles sphériques a trois degrés de liberté avec actionneurs prismatiques, J. of Mech.Mach. Theory, Vol.4, pp.559-579, 1994.
7. Drouet. P., Dubowsky. S., Compensation of geometric and elastic deflection errors in large manipulators based on experimental measurements: application to a high accuracy medical manipulator, Massachusetts Institute of Technology, 1998.
Сходни статии:
- Програмно осигуряване на CAD/CAM системи Програмното осигуряване може да се представи в четири части: базово програмно осигуряване, чиято основна компановка е операционната система; графично програмно осигуряване; база данни и системи за тяхното управление; Приложно програмно осигуряване При Програмно осигуряване на CAD/CAM системата могат да се...
- Разпределени и мрежови операционни системи Мрежови операционни системи Към класа на слабо свързаните системи могат да се отнесат мрежовите операционни системи. Те осигуряват среда, посредством която потребител от своя локален PC може да получи достъп до ресурсите на всеки друг отдалечен PC на мрежата. За...
- Процеси в Linux Типове Linux процеси Определение за процес е изпълняваща се програма. Докато самата програма с нейните данни се съхранява във файл върху диск и поради тази причина се разглежда като пасивен обект, процесът изпълнява определена работа в системата и е динамичен...
- Мултимедийни системи и технологии във Виртуалната реалност Ръкавици. Ръкавиците все още не се използват масово във VR поради високата си цена. Най-често за отчитане движението на потребителя се използва технология от вградени еластични световоди и датчици. Когато потребителят свие например пръст от ръката, то в съответния световод...
- Поддържащи услуги в агентните системи В стандартизираните модели на FIPA са дефинирани две групи поддържащи услуги за агентните системи: за управление и за трансфер на съобщения. Основната роля на услугите за управление е установяване на мястото, където агентът е регистриран, услугите, които предлага, ограничения на...
- Софтуерни решения използващи протокола SNMP за управление, контрол, наблюдение и визуализиране на статистическа информация за мрежи Характеристики и възможности на MRTG. Multi Router Traffic Grapher (MRTG) е инструмент за наблюдение на натоварването на мрежови връзки на маршрутизатори или мрежови устройства поддържащи SNMP. MRTG генерира HTML страница на която се изобразява натоварването във вид на PNG картинки....
