Исследование динамических характеристик робототехнического манипулятора МП-9С

Размещено на http://www.allbest.ru/

Исследование динамических характеристик робототехнического манипулятора МП-9С

В.М. Масюк

А.А. Исаев

Применение пневмоприводов в робототехнике можно объяснить их преимуществами по сравнению с другими средствами автоматизации, в первую очередь возможностью воспроизведения поступательного движения без каких-либо передаточных механизмов (редукторов), надежностью функционирования, благодаря этому они получили широкое распространение в тех случаях, когда требуется осуществить возвратно-поступательное движение. В рамках проводимой научно-исследовательской работы по модернизации робототехнического оборудования были проведены исследования динамических характеристик робототехнического манипулятора МП-9С [1]. Для решения данной задачи потребовалось решить несколько научных и технических задач:

Разработка аппаратного комплекса - для проведения эксперимента:

· микроконтроллерная система обработки данных;

· модуль управления пневмоцилиндром;

· модуль усиления и гальванической развязки;

· блок питания;

· блок энкодера, реализующего обратную связь по скорости.

Программная часть:

· реализация алгоритма и разработка кода прошивки низкого уровня для микроконтроллера;

· разработка интерфейсной части на языке c#, которая реализует следующий функционал: обработка данных; отображение динамических характеристик в виде графиков;

Общая схема эксперимента, включающая описанные выше подходы, представлена на рис. 1.:

Рис. 1. Структурная схема микроконтроллерной системы управления манипулятора МП-9С

Разработка микроконтроллерной системы, реализующая постановку данного эксперимента включала в себя несколько этапов.

Выбор энкодера. В нашем случае энкодер - это устройство преобразующее линейное перемещение штока пневмоцилиндра в последовательность сигналов - инкрементный энкодер или энкодер относительного перемещения. Для исследований использовался инкрементный энкодер с разрешением примерно 1,57мм/отсчет, по причине простоты реализации, удобства и простоты обработки данных и достаточности по точности для постановки эксперимента.

Разработка режима работы микропроцессорного измерителя: частота входного сигнала с датчика измеряется методом частотного заполнения. Данный метод основан на заполнении определённой высокостабильной частотой временного интервала между двумя одинаковыми импульсами входного сигнала. Метод измерения достаточно точен, возможна коррекция с точностью до такта микроконтроллера, частота входного сигнала определяется точным подсчетом заполняющих импульсов [2].

Выбор микроконтроллера для функциональной схемы измерителя: в результате предыдущих НИР [3] были рассмотрены несколько вариантов МК для реализации схемы, уже готовая реализация МК на плате Arduino UNO или же разработанная нами плата. За основу был взят микроконтроллер ATmega16, который имеет следующие преимущества в конкретном случае: достаточно цифровых входов/выходов, необходимое число каналов АЦП; три таймера-счетчика, один из которых имеет разрядность 16 бит, ICP вход для захвата внешнего сигнала с аппаратно-реализованным обработчиком прерывания, низкая цена разработки.

Обоснование алгоритма исследования динамических характеристик. В начале программы выполняется конфигурирование портов ввода/вывода (вывод ICP настраивается на вход и включается подтягивающий резистор), настройка таймера Т1 и инициализация символьного LCD. Затем в бесконечном цикле каждые n мс считывает содержимое буфера, вычисляет частоту и выводит ее значение на дисплей/порт. Также в порт выводится содержимое регистра захвата. По положительному фронту сигнала на выводе ICP (PD6 для Atmega 16) блок захвата таймера Т1 сохраняет значение счетного регистра и генерирует запрос на прерывание. В обработчике прерывания счетный регистр обнуляется, а значение регистра захвата записывается в буфер. Значение, которое сохраняет блок захвата, соответствует числу тиков таймера укладывающихся в период измеряемого сигнала. пневмопривод робототехника микроконтроллерный сигнал

Основная проблема получения данных по такому методу - ограничение минимальной измеряемой частоты. Связано это со следующими соображениями: предделитель таймера Т1 равен 1, соответственно тактовая частота таймера равна тактовой частоте микроконтроллера - 8 МГц. Отсюда период измеряемого сигнала = ICR * 1/80000000. А частота = 1 /(ICR *1/8000000) = 8000000/ICR [3].

,

где:

- диаметр колеса,

- число прорезей.

- время выдвижения (оценочная скорость),

- ход штока,

- количество импульсов за один полный ход,

- время одного импульса,

Исходя из времени импульса, рассчитываем частоту предделителя, учитывая, что мы будем использовать 16-ти битный таймер.

При минимальной скорости движения штока получаем , откуда, , т.е. частота микроконтроллера должна составлять не менее

,

что удовлетворяет исходным данным. Соответственно по данным расчетам при частоте МК 8 МГц минимально измеряемое время определяется как 0,79с.

Задача параметрической идентификации. Исходя из ранее проделанной работы [ссылка на конфу], полученной модели виртуальной системы, выполненной в SolidWorks, полученных в результате измерений фактических данных (размерах, диаметрах поршней, длине цилиндра и проч.) можно перейти к построению математической основного пневмоцилиндра робототехнического манипулятора.

Рис. 2. Схема пневмопривода МП-9С

Запишем основные соотношения для расчета пневмоцилиндра. Выбор параметров пневмоцилиндра производится следующим образом. Диаметр поршня цилиндра, расположенного горизонтально:

;

где - давление воздуха в сети (0,2…0,4 Мпа); - нагрузка, Н; - вес исполнительного устройства, Н; - коэффициент, учитывающий отношение , выбираемый в зависимости от скорости и давления (в среднем = 0,4…0,5); - коэффициент, учитывающий трение в цилиндре, выбираемый в зависимости от . При кН, ; - постоянная, ; - вес подвижных частей исполнительного устройства с объектом манипулирования. Знак «+» при выдвижении поршня. Длину цилиндра выбирают в зависимости от хода поршня, причем для цилиндров двустороннего действия рекомендуется. В МП-9С применяется пневмоцилиндр с D=32мм и ходом до мм.

Сила нагрузки РН определяется по формуле:

,

где - сила трения; - сила инерции, - масса поршня.

.

Рис. 3. Графики перемещения (а), скорости (б) и ускорения (в) штока манипулятора МП-9С

Результаты исследований показывают, что перемещение поршня является дифференциальным уравнением второго порядка относительно приложенной силы. В результате моделирования данной системы в пакете Mathematica при некоторых допущениях, были получены графики, представленные на рис. 3.

Исходя из теоретических положений, график перемещения штока (для математической модели которого и были получены основные соотношения) соответствует экспериментальному. Математическая модель для скоростей и ускорений требует дальнейшей доработки и анализа.

В настоящем исследовании приведен пример вывода основных соотношений для получения динамической модели движения штока. Показаны основные этапы разработки, проведена модификация аппаратной части робота-манипулятора МП-9С для снятия измерительной информации, разработана микроконтроллерная система съема и обработки данных, построена упрощенная математическая модель для зависимости движения штока от все учитываемых факторов.

В заключении можно сделать вывод о том, что математическая модель по перемещению хорошо согласуется с экспериментальными данными и условно (с точностью до поведения графика, но не в абсолютных значениях) по скорости и ускорению, что требует дополнительных исследований.

Список литературы

[1] Лейтман М.Б. Автоматическое измерение выходных параметров электродвигателей: (методы и аппаратура). - М.: Энергоатомиздат, 1983. - 152 с., ил.

[2] Евстифеев А.В. Микроконтроллеры AVR семейства Mega. Руководство пользователя. - М.: Издательский дом «Додэка - XXI», 2007. - 592 с.: ил. (Серия «Программируемые системы»).

[3] Исаев А.А, Петелин В.А., Масюк В.М. Проектирование мехатронного устройства измерения положения, скорости и ускорения линейной части робота МП-9С, Наукоемкие технологии в приборо - и машиностроении и развитие инновационной деятельности в Вузе», материалы Региональной научно-технической конференции, Калуга, 22-25апреля 2014г. Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2014, Т1, с.193-195.

Размещено на Allbest.ru