Pełny tekst - Prace Instytutu Elektrotechniki

Bartosz MINOROWICZ
Amadeusz NOWAK
)UHGHULN67()$ē6.,
:3à<:7(&+12/2*,,+$37<&=1(-
NA -$.2ĝû67(52:$1,$
W 85=Ą'=(1,ACH MECHATRONICZNYCH
STRESZCZENIE
Autorzy przedstawili w artykule konstrukcje dwóch
XU]ąG]HĔ PHFKDWURQLF]Q\FK PDQLSXODWRUD oraz pojazdu inspekcyjnego.
Do VWHURZDQLD ]DVWRVRZDQR GĪRMVWLN ] GZRPD VWRSQLDPL VZRERG\ &DáRĞü
wykonano, XĪ\ZDMąF GR EXGRZ\ SRVLDGDQ\FK ]HVWDZyZ /HJR 7HFKQLF RUD]
0LQGVWRUPV 1;7 6WHURZDQLH RSUDFRZDQH ]RVWDáR SU]\ XĪ\FLX ĞURGRwiska symulacyjnego MaWODE 6LPXOLQN ] GRGDWNRZ\PL ELEOLRWHNDPL REVáXJXMąF\PL Pikrokontroler, czujniki i serwomotory z zestawu Lego MindVWRUPV &HOHP EDGDĔ E\áRVSUDZG]HQLH, MDN VLáRZH VSU]ĊĪHQLH ]ZURWQH, odF]XZDOQH SU]H] RSHUDWRUD SRSU]H] GĪRMVWLN, ZSá\QLH QD MDNRĞü VWHURZDQLD
6FHQDULXV]H EDGDĔ ]DNáDGDá\ VWHURZDQLH PDQLSXODWRUHP ]QDMGXMąF\P VLĊ
w RGOHJáRĞFL m od RSHUDWRUD : GUXJLP SU]\SDGNX RSHUDWRU VWHURZDá
pojazdem, SDWU]ąF MHG\QLH QD REUD] SU]HV\áDQ\ ] ]DPRQWRZDQHM QD QLP
kamery na ekran laptRSD 'RNRQDQR SRUyZQDQLD ZDUWRĞFL X]\VNDQ\FK GOD
Z\áąF]RQHJRRUD]DNW\ZQHJRVSU]ĊĪHQLD, DWDNĪH zaprezentowano otrzymane
wyniki.
6áRZD NOXF]RZH GĪRMVWLN VLáRZH VSU]ĊĪHQLH ]ZURWQH, Matlab Simulink,
Lego Mindstorms NXT 2.0, manipulator, pojazd inspekcyjny
PJULQĪ%DUWRV]0,1252:,&= PJULQĪ$PDGHXV]12:$.
PJULQĪ)UHGHULN67()$ē6.,
e-mail: [email protected]
[email protected]
[email protected]
Instytut Technologii Mechanicznej, 3ROLWHFKQLND3R]QDĔVND
ul. Piotrowo 3, 60-3R]QDĔ
PRACE INSTYTUTU ELEKTROTECHNIKI, zeszyt 263, 2013
%0LQRURZLF]$1RZDN)6WHIDĔVNL
20
:67ĉ3
7HFKQRORJLD KDSW\F]QD ]GRE\ZD FRUD] ZLĊNV]H X]QDQLH ZĞUyG XĪ\WNRZQLNyZ
na FDá\P ĞZLHFLH 3R HWDSLH LQWHQV\ZQ\FK EDGDĔ Z RĞURGNDFK QDXNRZ\FK QDVWąSLáD
HUD ZGURĪHĔ SU]HP\VáRZ\FK $NWXDOQLH QD ZLHONą VNDOĊ XU]ąG]HQLD WH VWRVRZDQe Vą
w medycynie i ZHWHU\QDULLGRNV]WDáFHQLDSU]\V]á\FKDEVROZHQWyZW\FKNLHUXQNyZRUD]
do odwzorowania GR]QDĔ SRFKRG]ąF\FK ] ZLUWXDOQHM U]HF]\ZLVWRĞFL Idea G]LDáDQLD
poND]DQD ]RVWDáD QD rysunku 1. &LHNDZ\P REV]DUHP ]DVWRVRZDĔ Vą GĪRMVWLNL ] KDmulcami magneWRUHRORJLF]\PLNWyUH]DVWRVRZDü PRĪQDGRRSHURZania FLĊĪNLPVSU]Ċtem z QDSĊGHP HOHNWURK\GUDXOLF]Q\P, np. ramieniem koparki. Niestety, konstrukcje
WH Vą VNRPSOLNRZDQH UHDOL]RZDQH Z ]DPNQLĊW\P XNáDG]LH UHJXODFML L Z\NRU]\VWXMą
PDWHULDá\ LQWHOLJHQWQH FR VNXWNXMH Z\VRNą FHQą 1D ]DNXS SR]ZROLü PRJą VRELH
MHG\QLH QLHOLF]QL XĪ\WNRZQLF\ 'ODWHJR WHĪ DXWRU]\ SUDJQą SRND]Dü Z VZRMHM SXEOLNDFML ĪH EXGRZD XU]ąG]HĔ PHFKDWURQLF]Q\FK RUD] VWHURZDQLD KDSW\F]QHJR RSDUWD
na ]HVWDZDFK /HJR 0LQGVWRUPV 1;7 MHVW PRĪOLZD, a VNXWHF]QRĞü MHM G]LDáDQLD
SRWZLHUG]DMą SU]HSURZDG]RQH EDGDQLD. =HVWDZ 1;7 VNáDGD VLĊ ] PLkrokontrolera
oraz czujników i serwomotorów MDNR XNáDGyZ Z\NRQDZF]\FK 3rzy programowaniu
SRVáXĪRQR VLĊ ]QDQ\P ĞURGRZLVNLHP V\PXODF\MQ\P 0DWODE 6LPXOLQN ] bibliotekami
XPRĪOLZLDMąF\PLSURJUDPRZDQLHPLNURNRQWUROHUyZ1;7Uzyskano w ten sposób
]QDF]QąUHGXNFMĊNRV]WyZSRQLHZDĪNRV]WSURIHVMRQDOQ\FKGĪRMVWLNyZZUD]]GRGDWNRZ\PRVSU]ĊWHPPRĪHVLĊJDü nawet kilkuVHWW\VLĊF\euro [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8].
Rys. 2EUD]RZHXND]DQLHLGHLG]LDáDQLDWHFKQRORJLLKDSW\F]QHM>]
6áRZR haptic pochodzi od greckiego hapteshai FR PRĪQD SU]HWáXPDF]\ü jako
]P\Vá GRW\NX lub F]XFLH SU]H] GRW\N &DáD NRQFHSFMD XĪ\FLD WHFKQRORJLL KDSW\F]QHM
polega na wykorzystaniu w procesie sterowania kolejnego zmyVáX – dotyku, który
WSá\ZWHFKQRORJLLKDSW\F]QHMQD MDNRĞüVWHURZDQLDZ XU]ąG]HQLDFK mechatronicznych
21
GRáąF]\áGR ]P\VáyZZ]URNXLVáXFKX6NyUDMHVWQDMZLĊNV]\POXG]NLPQDU]ąGHP]DZLHUDMąF\P receptory odpowiedzialne za odczuwanLH WHPSHUDWXU\ FLDáND 0HLVVQHUD
]P\Vá GRW\NX nocyceptory (odczuwanie bólu) RUD] FLDáND EODV]NRZDWH RGF]XZDQLH
nacisku) [9].
2. Dĩ2-67,.
2ED XU]ąG]HQLD VWHURZDQH EĊGą
SU]\SRPRF\GĪRMVWLNa SRVLDGDMąFHJRGZD
VWRSQLH VZRERG\ .RQFHSFMD WHJR XU]ąG]HQLD ]RVWDáD ]DF]HUSQLĊWD ]H VWURQ\
internetowej pasjonata, a MHGQRF]HĞQLH
autora i UHFHQ]HQWDNVLąĪHNSRĞZLĊFRQ\FK
tematyce Lego Mindstorms [10]. KonstUXNFMD ]DZLHUD GZD VLOQLNL SUąGX VWDáHJR,
których zadaniem jest generowanie moPHQWX REURWRZHJR FR SU]HNáDGD VLĊ QD
VLáĊ mechanicznego VSU]ĊĪHQLD ]ZURWnego NWyUą RGF]XZD RSHUDWRU ']LĊNL
wbudowanym enkoderom, odczytywana
MHVWDNWXDOQDSR]\FMDGĪRMVWLNa, która jako
informacja ZHMĞFLRZD MHVW SU]HND]\ZDQD
do PLNURNRQWUROHUD8NáDGPDPRĪOLZRĞü
wykonywania obrotów ZRNRáR RVL $-X
RUD] ZRNRáR RVL %-Y. &Dáą konstrXNFMĊ
pokazano na rysunku 2.
Rys. .RQVWUXNFMD GĪRMVWLNa z oznaF]HQLHPQDMZDĪQLHMV]\FKF]ĊĞFL
3. MANIPULATOR
%XGXMąF PDQLSXODWRU, SRVáXĪRQR VLĊ PRG\ILNDFMą UR]ZLą]DQLD ]DVWRVRZDQHJR
w zestawie Lego Technic 8043, wydanym w 2010 roku. Decyzja o zastosowaniu
NORFNyZ ZLąĪH VLĊ UyZQLHĪ ] Z\NRQDQ\P SU]HJOąGHP ĨUyGHá literaturowych; nie poPLQLĊWR WDNĪH SU]HJOąGX SRUWDOL KREE\VW\F]Q\FK, tworzonych przez fanów klocków.
SWZLHUG]RQR EUDN SRGREQ\FK RSUDFRZDĔ L EDGDĔ. Na rysunku 3 XND]DQR NRQVWUXNFMĊ
ramienia RUD]]D]QDF]RQRMHMQDMZDĪQLejsze elementy, tj. VLáRZQLNOLQRZ\] SU]HNáDGQLą
ĞUXERZą, VáXĪąFąGR]PLDQ\UXFKXREURWRZHJRQDOLQRZ\ GZDGRQDSĊGXSLHUZV]HJR
F]áRQX RUD] MHGHQ QDSĊG]DMąF\ GUXJL F]áRQ manipulatora) GZD VLOQLNL SUąGX VWDáHJR
z wbudowanymi enkoderami (moment maksymalny 0,167 Nm dla U = 9 V i I = 0,6 A)
RUD] F]XMQLN XOWUDGĨZLĊNRZ\ GR SRPLDUX RGOHJáRĞFL SRPLĊG]\ SU]HV]NRGą D ramieniem 'R QDMZLĊNV]\FK ZDG PRĪQD ]DOLF]\ü PDáą V]W\ZQRĞü NRQVWUXNFML RUD] OX]\
Z\VWĊSXMąFHZ uNáDG]LHQDSĊGRZ\PZ SU]HNáDGQLDFKPHFKDQLF]Q\FK.
%0LQRURZLF]$1RZDN)6WHIDĔVNL
22
Rys. 3. Konstrukcja manipulatoUD]R]QDF]HQLHPQDMZDĪQLHMV]\FKF]ĊĞFL
6WHURZDQLH PDQLSXODWRUHP MHVW SRG]LHORQH SRPLĊG]\ GZD PLNURNRQWUROHU\
NXT NWyUHNRPXQLNXMąVLĊ]HVREąSRSU]H]EH]SU]HZRGRZHSRáąF]HQLH%OXHWRRWK
'R LFK ]DSURJUDPRZDQLD Z\NRU]\VWDQR ĞURGRZLVNR 0DWODE 6LPXOLQN 2012b i specjalny zestaw bloków LEGO NXT Toolbox, XPRĪOLZLDMąF\ SURVW\ GRVWĊS GR F]XMQLNyZ
silników i innych elementów z zestawu LEGO Mindstorms (rys. 4).
Rys. 4. Biblioteka LEGO NXT Toolbox
Rys. 5. Schemat programowania sterownika
NXT 2.0
Tworzenie
programu
SROHJD QD SRáąF]HQLX RGSRwiedniego schematu blokowego z wykorzystaniem standardowej biblioteki Simulink. Na
podstawie takiego modelu generowany jest automatycznie
SURJUDP VWHUXMąF\ L SU]HV\áDQ\
przez przewód USB do pamLĊFL SURJUDPRZej sterownika
NXT 2.0 (rys. 5). Graficzne
SURJUDPRZDQLH XáDWZLD SUDFĊ
]ZáDV]F]D, ĪH SURJUDPLVWD PD
GRVWĊS GR EDUG]R UR]EXGRZD-
WSá\ZWHFKQRORJLLKDSW\F]QHMQD MDNRĞüVWHURZDQLDZ XU]ąG]HQLDFK mechatronicznych
23
nej bazy gotowych bloków Simulink i /(*21;77RROER[0RĪOLZDMHVWSURVWDLPSlementacja skomplikowanych algorytmów i sterowanie PLNURNRQWUROHUHPEH]ĪPXGQHM
konfiguracji portów i HOHPHQWyZ -HG\Q\PL RJUDQLF]HQLDPL Vą PRĪOLZRĞFL VSU]ĊWRZH
sterownika, m.LQUR]PLDUGRVWĊSQHMSDPLĊFL (256 .%SDPLĊFLW\SXIODVK [11].
=DáRĪRQRĪHSURJUDPZ\NRQDZF]\VWHURZQLNDXPLHV]F]RQHJRZPDQLSXODWorze
SRZLQLHQ E\ü PRĪOLZLH MDN QDMEDUG]LHM XSURV]F]RQ\ rys. 6 *áyZQD F]ĊĞü NRGX
VWHUXMąFHJR ]QDMGXMH VLĊ Z GĪRMVWLNX 5R]ZLą]DQLH WDNLH PD LVWRWQą ]DOHWĊ – wszelkie
zmiany w sterowaQLXRJUDQLF]DMąVLĊGR]PLDQ\Lponownego SU]HVáDQLD tylko oprograPRZDQLDGĪRMVWLNa.
Rys. 6. Schemat programu sterownika NXT 2.0 – manipulator
0DQLSXODWRU SRSU]H] SURWRNyá %OXHWRRWK RGELHUD GZD V\JQDá\ VWHUXMąFH
SUĊGNRĞFLą UXFKX GZyFK VLáRZQLNyZ ]DPRFRZDQ\FK QD UDPLRQDFK 2ED VLOQLNL
Vą VWHURZDQH QLH]DOHĪQLH 8Z]JOĊGQLRQR RJUDQLF]HQLH ZDUWRĞFL V\JQDáX GR ]DNUHVX
<-100, 100>, które wynika z budowy sterownika NXT 2.0 (3). SiOQLNL SUąGX VWDáHJR
ZFKRG]ąFH Z VNáDG ]HVWDZX VWHURZDQH Vą SRSU]H] ]PLDQĊ ZVSyáF]\QQLND Z\SHáQLHQLD
V\JQDáX SURVWRNąWnego w zakresie 0-100 V\JQDá 3:0 QDWRPLDVW ]QDN R]QDF]D
kierunek obrotów. &]XMQLN XOWUDGĨZLĊNRZ\ ]DPRQWRZDQ\ QD NRĔFX UDPLHQLD PDQLSXlatora mierzy, jaka MHVW RGOHJáRĞü NRĔFyZNL GR SU]HV]NRG\ 6\JQDá WHQ MHVW SU]HND]\ZDQ\ EH]SU]HZRGRZR GR GĪRMVtika 'RGDWNRZR PRĪOLZH MHVW Z\ĞZLHWOHQLH
DNWXDOQ\FK ZDUWRĞFL]PLHQQ\FKQDHNUDQLH /&' PLNURNRQWUROHUD 8áDWZLDWRGLDJQRVW\NĊSRSUDZQRĞFLG]LDáDQLDprogramu – PRĪOLZH MHVWSRUyZQDQLHZDUWRĞFLZ manipulatorze i GĪRMVWLNXRUD]VSUDZG]HQLHSRáąF]HQLDVterowników.
6WHURZDQLH GĪRMVWLNa (rys. 7 SROHJD QD RGF]\FLH DNWXDOQHM SR]\FML UĊNRMHĞFL
przy pomocy enkoderów (1) i SU]HNV]WDáFHQLX RWU]\PDQHJR EH]SU]HZRGRZR V\JQDáX
odlegáRĞFL UDPLHQLD GR SU]HV]NRG\ QD PRPHQW Z\ZRá\ZDQ\ SU]H] VLOQLNL SUąGX
%0LQRURZLF]$1RZDN)6WHIDĔVNL
24
VWDáHJR =DGDQD SUĊGNRĞü REURWRZD VLOQLNyZ PDQLSXODWRUD MHVW SURSRUFMRQDOQD GR
Z\FK\OHQLDGĪRMVWLNa; NDĪGD] GZyFKRVLVWHUXMHQLH]DOHĪQLHW\PLVLOQLNDPL6\JQDáMHVW
Z\V\áDQ\GRPDQLSXODWRUDSRSU]H]%OXHWRRWK
Rys. 7. Schemat programu sterownika NXT 2.0 – GĪRMVWLNPDQLSXODWRUD
W PLDUĊ ]EOLĪDQLD VLĊ NRĔFD UDPLHQLD GR SU]HV]NRG\, ]ZLĊNV]DQ\ MHVW PRPHQW
REURWRZ\ JHQHURZDQ\ QD RVL VLOQLND 'RNáDGQLHM ]ZLĊNV]DQ\ MHVW ZVSyáF]\QQLN Z\SHáQLHQLD V\JQDáX VWHUXMąFHJR 3:0 ]JRGQLH ] RGFLQNDPL OLQLRZą IXQNFMą .RĔFRZ\
V\JQDáNWyU\GRFLHUDGRVLOQLNyZ, PRĪHE\üRNUHĞORQ\SRQLĪV]\PZ]RUHP
PA
k z ˜ kDA ˜ D A ˜ M D ,
(1)
gdzie:
kz
­1 dla D A ! 0
– ZVSyáF]\QQLNRJUDQLF]DMąF\]DNUHVG]LDáDQLDPRPHQWXGĪRMVWLNa;
®
¯0 dla D A d 0
– ZVSyáF]\QQLNprzeksztDáFDMąF\]DNUHVREURWXGĪRMVWLND
kDA
– NąW Z\FK\OHQLDUĊNRMHĞFLGĪRMVWLND
DA
M D – IXQNFMDSU]HNV]WDáFDMąFDG\VWDQVQDVWRSLHĔZ\SHáQLHQLDV\JQDáX3:0
3U]\MĊWR ĪH SLRQRZH XVWDZLHQLH UĊNRMHĞFL MHVW UyZQR]QDF]QH ] NąWHP ƒ
'RGDWNRZRSRZ\ĪV]\ ZVSyáF]\QQLN k z SU]\MPXMH ZDUWRĞü ORJLF]Qą ]DOHĪQą RG ]QDNX
NąWDZ\FK\OHQLDGĪRMVWLNa 7DNLHUR]ZLą]DQLHVNXWNXMHW\PĪHSR]EOLĪHQLXVLĊ do
przeszkody generowany jest moPHQWF]\OLKDSW\F]QHVSU]ĊĪHQLH]ZURWQHDOHMHJRZDUWRĞü MHVW SURSRUFMRQDOQD GR Z\FK\OHQLD GĪRMVWLNa (6). Moment zanika po powrocie do
SR]\FML SRF]ąWNRZHM L QLH Z\VWĊSXMH GOD NąWyZ XMHPQ\FK 8Ī\WNRZQLN PD PRĪOLZRĞü
swobodnego wycofania ramienia robota ze strefy niebezpiecznej i nie przeszkadza
WSá\ZWHFKQRORJLLKDSW\F]QHMQD MDNRĞüVWHURZDQLDZ XU]ąG]HQLDFK mechatronicznych
25
Moment na silniku
mu w W\P ĪDGQD GRGDWNRZD VLáD SRGF]DV Z\FK\ODQLD GĪRMVWLNa w przeciwnym kieUXQNX 6WUHID G]LDáDQLD XOWUDGĨZLĊNRZHJR F]XMQLND RGOHJáRĞFL PLHĞFL VLĊ Z zakresie
50-1000 PP)XQNFMDSU]HNV]WDáFDMąFDZDUWRĞüG\VWDQVXGRSU]HV]NRG\QDPRPHQt (7)
SU]HGVWDZLRQD ]RVWDáD QD rysunku 8 0RPHQW QD VLOQLNX GĪRMVWLNa zaczyna naUDVWDü
liniowo w RGOHJáRĞFL mm od przeszkody; QDVWĊSQLH XVWDOD VLĊ QD SR]LRPLH maksymalnego momentX Z RGOHJáRĞFL PQLHMV]HM QLĪ mm. Moment generowany
SU]H]VLOQLNGODGUXJLHMRVLGĪRMVWLNa MHVWRSLVDQ\LGHQW\F]QąIXQNFMą
Rys. 8 :\NUHV SU]HGVWDZLDMąF\ PRPHQW QD VLOQLNX
ZIXQNFMLRGOHJáRĞFLRG przeszkody
4. POJAZD INSPEKCYJNY
Pojazdy inspekcyjne, wykorzystywane w UyĪQ\FK V\WXDFMDFK, SR]ZDODMą QD
zdalne lub autonomiczne badanie danego otoczenia 8U]ąG]HQLD WH Vą Z\SRVDĪRQH
w specjalistyczne, dostosowane do ich przeznaczenia, czujniki i aktuatory. ZQDQH Vą
roboty inspekcyjne, VáXĪąFH GR VSUDZG]DQLD SRSUDZQRĞFL LQVWDODFML L stanu techniczQHJR ZąVNLFK MDN GOD F]áRZLHND GáXJLFK SRG]LHPQ\FK WXQHOL QDSRZLHWU]Q\FK OLQLL
Z\VRNLHJRQDSLĊFia, przewodów wentylacyjnych.
W DUW\NXOHDXWRU]\]DSUH]HQWRZDOLDXWRUVNąNRQVWUXNFMĊSRMD]GXLQVSHNF\MQHJR
Z\NRQDQą]NORFNyZ/HJR7HFKQLFL0LQGVWRUPV1;7=DáRĪRQRĪHSRMD]GEĊG]LH
SRUXV]Dá VLĊ SR SáDVNLHM SRZLHU]FKQL L wykrywaá potencjalne kolizje z przeszkodami.
W W\P FHOX ]DPRQWRZDQR ] SU]RGX SRMD]GX F]XMQLN XOWUDGĨZLĊNRZ\ =D QDSĊG RGSRZLDGDMą VLOQLNL SUąGX VWDáHJR z wbudowanymi enkoderami (takie same jak te zastosowane w UDPLHQLX ]ORNDOL]RZDQH ] W\áX SRMD]GX SRGáąF]RQH RVREQR GR NDĪGHJR
] Nyá 3RSU]H] PRG\ILNDFMĊ SUĊGNRĞFL REURWRZ\FK Nyá W\OQ\FK ]UHDOL]RZDQR IXQNFMĊ
SRGREQą GR mechanicznego dyfHUHQFMDáX Taki sam silnik wykorzystano do realizacji
VNUĊFDQLD SU]HGQLHM RVL SRMD]GX; X]\VNDQR NąW VNUĊFHQLD “ƒ Z]JOĊGHP RVL SRMD]GX.
W SU]HGQLHM F]ĊĞFL GRGDQR UyZQLHĪ XFKZ\W QD WHOHIRQ, Z\SRVDĪRQ\ Z NDPHUĊ RUD]
PRĪOLZRĞüZ\V\áDQLDREUD]XSU]\SRPRF\WHchnologii Wi-Fi (rys. 9).
26
%0LQRURZLF]$1RZDN)6WHIDĔVNL
Rys. 9. Konstrukcja pojazdu ]R]QDF]HQLHPQDMZDĪQLHMV]\FKF]ĊĞFL
Schemat i ]DáRĪHQLD VWHURZDQLD SRMD]Gem inspekcyjnym Vą podobne do zastosowanego w manipulatorze (rys. 10 5XFK GĪRMVWLNa w przód powoduje proporcjonalny Z]URVW SUĊGNRĞFL REURWRZHM GZyFK VLOQLNyZ QDSĊGRZ\FK SRMD]GX L MD]GĊ
GR SU]RGX 0RĪOLZH MHVW Z\FRI\ZDQLH ,QIRUPDFMD R ]DGDQHM SUĊGNRĞFL REURWRZHM
jest odbierana bezprzewodowo (2). UltradĨZLĊNRZ\ F]XMQLN XPLHV]F]RQ\ QD przodzie
robota odczytuje, jaka MHVWRGOHJáRĞüSRPLĊG]\SRMD]GHPDSU]HV]NRGą
Rys. 10. Schemat programu sterownika NXT 2.0 – pojazd inspekcyjny
WSá\ZWHFKQRORJLLKDSW\F]QHMQD MDNRĞüVWHURZDQLDZ XU]ąG]HQLDFK mechatronicznych
27
Trzeci silnik zamontowany w SRMHĨG]LH RGSRZLHG]LDOQ\ MHVW ]D VNUĊW Nyá RVL
SU]HGQLHM3RQLHZDĪ VLOQLNL ZFKRG]ąFH Z VNáDG]HVWDZX /(*2Mindstorms sterowane
Vą V\JQDáHP 3:0 NWyU\ SU]HNáDGD VLĊ QD SUĊGNRĞü REURWRZą NRQLHF]QH E\áR ]DVWRVRZDQLH SURVWHJR UHJXODWRUD SRáRĪHQLD typu proporcjonalno-FDáNXMąFHJR (4). Zadany
VNUĊW Nyá SU]HV\áDQ\ MHVW EH]SU]HZRGRZR ] GĪRMVWLNa (5) i porównywany z aktualnym
NąWHPVNUĊFHQLD, odczytanym przy pomocy wbudowanych endkoderów (6). Uchyb poáRĪHQLD NąWRZHJR MHVW SU]HND]\ZDQ\ QD ZHMĞFLH UHJXODWRUD 3, :\MĞFLH MHVW SRáąF]RQH
z silnikiem osi C RUD] GRGDWNRZR Z\NRU]\VW\ZDQH MHVW GR PRG\ILNDFML SUĊGNRĞFL
REURWRZHM Nyá QDSĊGRZ\FK SU]H] FR X]\VNDQR HIHNW HOHNWURQLF]QHJR PHFKDQL]PX
UyĪQLFRZHJR8VSUDZQLDWRVNUĊFDQLHURERWDPRELOQHJRQDĞOLVNLFKSRZLHU]FKQLDFK
Rysunek 11 przedstawia program zaimplementowany w GĪRMVWLNX ZVSyáSUDFXMąF\P
z SRMD]GHPLQVSHNF\MQ\P6\JQDá\R ]DGDQHMSUĊGNRĞFLREURWRZHMRĞ$LVNUĊFLHNyá
RĞ%SU]HND]\ZDQHVąEH]SU]HZRGRZRL 2).
Rys. 11. Schemat programu sterownika NXT 2.0 – GĪRMVWLNSRMD]GXLQVSHNF\MQego
Podobnie, jak w przypadku manipulatora, moPHQWQDVLOQLNXRVL$GĪRMVWLND (3)
]DOHĪQ\ MHVW RG NąWD Z\FK\OHQLD L RGOHJáRĞFL RG SU]HV]NRG\ 5yZQLHĪ Z W\P
SU]\SDGNX ]DOHĪQRĞü WD PRĪH E\ü RSLVDQD Z]RUHP (1) *áyZQD UyĪQLFD MHVW Z funkcji
przeksztDáFDMąFHM RGOHJáRĞü QD PRPHQW QD VLOQLNX )XQNFMĊ WĊ przedstawia rysunek 12. W RGOHJáRĞFL PP RG SU]HV]NRG\ Z\VWĊSXMH VNRNRZD ]PLDQD PRPHQWX
QD SR]LRP ZDUWRĞFL PDNV\PDOQHM -HVW WR LQIRUPDFMD GOD RSHUDWRUD ĪH SRMD]G
]DF]\QD]EOLĪDüVLĊGRSU]Hszkody i PDQDFHOXSRGZ\ĪV]\üF]XMQRĞü*G\SRMD]GQDGDO
VLĊ ]EOLĪD, to w RGOHJáRĞFL PP QDVWĊSXMH NROHMQ\ VNRN GR ZDUWRĞFL 2VWDWQL
HWDS WR RGOHJáRĞü PQLHMV]D RG 00 mm, gdy na silniku generowany jest maksymalny
moment.
%0LQRURZLF]$1RZDN)6WHIDĔVNL
Moment na silniku
28
Rys. 12 :\NUHV SU]HGVWDZLDMąF\ PRPHQW QD VLOQLNX
ZIXQNFMLRGOHJáRĞFLRGSU]HV]NRG\– pojazd inspekcyjny
Dodatkowo w SRMHĨG]LHLQVSHNF\MQ\PZ\NRU]\VWDQRZEXGRZDQ\JáRĞQLNNWyU\
]PLHQLD F]ĊVWRWOLZRĞü Z\GDZDQHJR GĨZLĊNX Z PLDUĊ ]EOLĪDQLD VLĊ GR SU]HV]NRGy
(7 na rys. 11). Funkcja jest podobna do tej przedstawionej na rysunku 12, z Wą UyĪQLFą
ĪH w zakresie 200-300 PPF]ĊVWRWOLZRĞüZ]UDVWDOLQLRZR-HVWWR dodatkowa informacja
dla operatora o ]EOLĪDQLXVLĊGRSU]HV]NRG\
5. BADANIA I PREZENTACJA WYNIKÓW
3U]HSURZDG]RQH EDGDQLD GRW\F]\á\ VSUDZG]HQLD, MDN ZSURZDG]HQLH VLáRZHgo
VSU]ĊĪHQLD ]ZURWQHJR ZSá\QLH QD MDNRĞü VWHURZDQLD ZZ XU]ąG]HQLDPL Wykonano
badania w GZyFKZDULDQWDFKDE\E\áDPRĪOLZRĞüSRUyZQDQLDotrzymanych wyników.
Wariant pierwszy ]DNáDGDáEDGDQLDED]XMąFHMHG\QLHQD obserwacji obiektów sterowania
SU]H] RSHUDWRUD R]QDF]RQH OLQą FLąJáą QD rysunku 13). W drugim wariancie dodano
VSU]ĊĪHQLH VLáRZHR]QDF]RQHOLQLąSU]HU\ZDQąQDrysunku 13.
Rys. 13. Schemat sterowania bez i z dodatkowym VLáRZ\PVSU]ĊĪHQLHP]wrotnym
WSá\ZWHFKQRORJLLKDSW\F]QHMQD MDNRĞüVWHURZDQLDZ XU]ąG]HQLDFK mechatronicznych
29
Badania sterowania manipulatorem
zDNáDGDá\RGGDOHQLHRSHUDWRUDRG sterowanego
obiektu o 5 m oraz uzysNDQLH RGOHJáRĞFL
D = 100 mm. W tym celu przeprowadzono
badania na dwóch operatorach; NDĪG\ ] QLFK
PLDá Z\NRQDü SUyE SR]\FMRQRZDQLD GOD
wariantu 1. i 2. XNáDGXVWHURZDQLD Dodatkowo
QLH ]RVWDáR im ]DGHPRQVWURZDQH SRáRĪHQLH
SUDZLGáRZH Z jakim ĪąGDQD ZLHONRĞü D zosWDáD RVLąJQLĊWD Uzyskane wyniki przedstawiono na rysunkach 16 i 17.
Rys. 14. Manipulator z zaznaczoW przypadku pojazdu, zadaniem openym obszarem roboczym oraz ceUDWRUyZ E\áR ]DWU]\PDQLH SRMD]GX Z odleglem sterowania
áRĞFL D PP RG ĞFLDQ\ 6WHURZDQ\ SRMD]G E\á QLHZLGRF]Q\ GOD RSHUDWRUyZ NWyU]\
Z SRPLHV]F]HQLX RERN PLHOL PRĪOLZRĞü REVHUZDFML REUD]X Z\V\áDQHJR SU]H] NDPHUĊ
XPLHV]F]RQą QD SRMHĨG]LH 2SHUDWRU]\ Z\NRQDOL SR SUyE GOD . i 2. wariantu
sterowania; UyZQLHĪ Z W\P SU]\SDGNX SR]\FMD SUDZLGáRZD QLH ]RVWDáD LP ZF]HĞQLHM
zaprezentowana. Uzyskane wyniki przedstawiono na rysunkach 18 i 19.
ǏŽũƐƚŝŬ
Laptop
Rys. 15. Pojazd inspekcyjny oraz stanowisko sterowania
Manipulator
150
2GOHJáRĞüRGSU]HV]NRG\
2GOHJáRĞüRGSU]HV]NRG\
150
125
125
100
100
75
75
50
50
25
25
Próba
Próba
0
0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
5\V:DUWRĞFLX]\VNDQHSU]H]RSHUDWRUyZEH]ZáąF]RQHJRVSU]ĊĪHQLDVLáRZHJR
1
2
3
4
5
6
7
8
9 10
5\V :DUWRĞFL X]\VNDQH SU]H] RSHUDtorów z ZáąF]RQ\PVSU]ĊĪHQLHPVLáRZ\P
%0LQRURZLF]$1RZDN)6WHIDĔVNL
30
Pojazd inspekcyjny
2GOHJáRĞüRGSU]HV]NRG\
300
300
250
250
200
200
150
2GOHJáRĞüRGSU]HV]NRG\
150
100
100
50
50
Próba
0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Próba
0
1
Rys. :DUWRĞFL X]\VNDQH SU]H]
RSHUDWRUyZEH]ZáąF]RQHJRVSU]ĊĪHQLDVLáRZHJR
2
3
4
5
6
7
8
9 10
Rys. :DUWRĞFL X]\VNDQH SU]H]
operatorów z ZáąF]RQ\P VSU]ĊĪHQLHPVLáRZ\P
6. WNIOSKI
3U]HSURZDG]RQH EDGDQLD SRND]Dá\ ĪH LVWQLHMH PRĪOLZRĞü ]EXGRZDQLD VNXWHF]Q\FK XU]ąG]HĔ KDSW\F]Q\FK Z RSDUFLX R HGXNDF\MQH ]HVWDZ\ /HJR 0LQGVWRUPV
8UXFKRPLHQLH VLáRZHJR VSU]ĊĪHQLD ]ZURWQHJR SR]ZROLáR QD X]\VNDQLH powtarzalnych
wyników dla obu operatorów (rys. 17 i 19), FR MHVW ZDĪQH QS MHĪHOL VWHURZDQLHP
PDV]\Qą EXGRZODQą ]DMPXMH VLĊ ZLĊFHM QLĪ MHGQD RVRED : czasie, gdy zadawane
SRáRĪHQLH SROHJDáR MHG\QLH QD REVHUZDFML VWHURZDQ\FK RELHNWyZ, operatorzy uzyskali
UyĪQLąFHVLĊRGVLHELHZDUWRĞFL, Z\QLNDMąFH]LFKVXELHNW\ZQ\FKRGF]Xürys. 16 i 18).
Na rysunku ZLGDü Z\UDĨQLH RSyĨQLHQLH Z UHDNFML RSHUDWRUyZ QD SRMDZLHQLH VLĊ
VLáRZHJR V\JQDáX VSU]ĊĪHQLD ]ZURWQHJR; MDNR QLHSRNRMąF\ PRĪQD X]QDü IDNW ĪH REDM
operatorzy w tym przypadku RF]HNLZDOL QD SRMDZLHQLH VLĊ VLá VSU]ĊĪHQLD ]ZURWQHJR
a RVLąJQLĊWH Z\QLNL ]QDMGXMą VLĊ SRQLĪHM Z\]Qaczonego celu sterowania, za co odpoZLDGD F]DV UHDNFML RSHUDWRUyZ RUD] EH]ZáDGQRĞü QDSĊGX 6NRPSHQVRZDü PRĪQD
to, XVWDZLDMąF QLHFR GDOHM JUDQLFĊ DNW\ZDFML VLá\ QD GĪRMVWLNX (np. D = 110 mm).
Do QDMZLĊNV]\FK ZDG QDOHĪ\ ]DOLF]\ü PDáą V]W\ZQRĞü konstrukcji oraz Z\VWĊSRZDQLH
OX]yZ QD SU]HNáDGQLDFK PHFKDQLF]Q\FK 2ELH Z\PLHQLRQH ZDG\ ]QDF]ąFR ZSá\ZDMą
QD PDáą SUHF\]MĊ VWHrowania. Dodatkowo, F]\QQLNDPL QLHNRU]\VWQ\PL E\áD VáDED Z\F]XZDOQRĞü OLQLRZHM ]PLDQ\ PRPHQWX RSRURZHJR SU]H] RSHUDWRUD 1LHPRĪOLZH E\áR
GRNáDGQHUR]UyĪQLHQLHZDUWRĞFL zadanego momentu w przedziale 30-100%, co ZSá\QĊáR
QD MDNRĞü SR]\FMRQRZDQLD ĩDGQD VLáD QLH E\áD Z\F]XZDQD SRQLĪHM ZDUWRĞFL
maksymalnej (rys. GODWHJRZVWHURZDQLXSRMD]GHP]DSURSRQRZDQRVNRNRZą]PLDQĊ
ZDUWRĞci momentu oporowego (rys. 12). 3U]\F]\QDPL WDNLFK SUREOHPyZ PRJą E\ü
FHFK\ ]DVWRVRZDQHJR QDSĊGX VLOQLNL SUąGX VWDáHJR RUD] XNáDG VWHURZDQLD PLNURkontrolera NXT 2.0.
WSá\ZWHFKQRORJLLKDSW\F]QHMQD MDNRĞüVWHURZDQLDZ XU]ąG]HQLDFK mechatronicznych
31
LITERATURA
1. Bachan P., Milecki A.: MR haptic joystick in control of virtual servo drive. Jurnal of
Physics: Conference Series, nr 149, 2009.
2. Baillie S., Crossan A., Reid S., Brewster S.: Preliminary development and evaluation of
a bovine rectal palpation simulator for training veterinary students. Cattle Practice, nr 2:
pp. 101-106, 2003.
3. Behrens A., Atorf L., Aach T.: Teaching practical engineering for freshman students using
the RWTH – Mindstorms NXT toolbox for Matlab [in:] Matlab – Modeling, Programing
and Simulations. Sciyo, Rijeka 2010.
4. Behrens A., Atorf L., Schwann R.: MATLAB meets LEGO Mindstorms – A freshman
introduction course into practical engineering. Education, IEEE Transactions, nr 53(2),
pp. 306-317, 2010.
5. Diolaiti N., Melchiorri C.: Haptic tele-operation of a mobile robot. IFAC 2003.
6. Farkhatdinov I., Ryu J., An J.: Preliminary Experimental Study on Haptic Teleoperation
of Mobile Robot with Variable Force Feedback Gain, IEEE Hapics Symposium, Massauchusetts, USA, March 2010.
7. Kim L., Hwang Y., Park S.H., Ha S.: Dental training system using multi-modal interface.
Computer-Aided Design and Applications, nr 2, pp. 591-598, 2005.
8. Milecki A.: Simulation investigations of electrohydraulic drive controlled by haptic
joystick. Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji, nr 28.4, pp. 53-61, 2008.
9. Siciliano B., Khatib O.: Springer Handbook of Robotics. Springer, Berlin 2008.
10. http://www.philohome.com/ [15.05.2013].
11. http://www.mathworks.com/hardware-support/lego-mindstorms-simulink.html [17.05.2013].
5ĊNRSLVGRVWDUF]RQRGQLD02.08.2013 r.
IMPACT OF HAPTIC TECHNOLOGY ON STEERING QUALITY
IN MECHATRONIC DEVIECES
Bartosz MINOROWICZ, Amadeusz NOWAK
Frederik STEFAēSKI
ABSTRACT
The authors presented a paper with the design of two
mechatronic devices: the manipulator and inspection vehicle. For steering
joystick with two degrees of freedom was used. The whole constructions
are made of Lego Technic and Mindstorms NXT 2.0. Control system was
developed by using simulation environment Matlab Simulink with additional
libtaries serving the microcontroller, sensors and servo motors from Lego
32
%0LQRURZLF]$1RZDN)6WHIDĔVNL
Mindstorms kit. The object of the research was examination how force
feedback affects on the control quality. Test scenarios assumed steering of
the manipulator located 5 m far from the operator. In the second variant
inspection vehicle was equipped with camera, operator steers the vehicle
based only on view on notebook screen. To sum up the article, a comparison
of the values obtained for the disabled and active feedback were shown.
Keywords: joystick, force feedback, Matlab Simulink, Lego Mindstorms
NXT 2.0, manipulator, inspection vehicle
0JULQĪ%DUWRV] MINOROWICZ – doktorant Z=DNáDG]LH
8U]ąG]HĔ 0HFKDWURQLF]Q\FK 6ZRMą G]LDáDOQRĞü QDXNRZą VNXSLD
ZRNyá ]DJDGQLHĔ ]ZLą]DQ\FK ] NRQVWUXNFMą XU]ąG]HĔ HOHNWURK\GUDXOLF]Q\FK RUD] ]DVWRVRZDQLD QDU]ĊG]L &$[ $NWXDOQLH Z ramach
GRNWRUDWX SURZDG]L SUDFH EDGDZF]H ]ZLą]DQH ] Z\NRUzystaniem
w NRQVWUXNFML DNWXDWRUyZ PDWHULDáyZ ] PDJQHW\F]Qą SDPLĊFLą
NV]WDáWX
0JU LQĪ $PDGHXV] NOWAK – doktorant Z =DNáDG]LH
8U]ąG]HĔ 0HFKDWURQLF]Q\FK 6ZRMą G]LDáDOQRĞü QDXNRZą VNXSLD QD
PRGHORZDQLXLVWHURZDQLXXU]ąG]HĔHOHNWURK\GUDXOLF]Q\FKV\VWHPyZ
PHFKDWURQLF]QF\FKZ\NRU]\VWDQLXPDWHULDáyZLQWHOLJHQWQ\FK
0JU LQĪ )UHGHULN 67()$ē6., – doktorant Z =DNáDG]LH
8U]ąG]HĔ 0HFKDWURQLF]Q\FK 6ZRMą G]LDáDOQRĞü QDXNRZą VNXSLD
ZRNyá ]DJDGQLHĔ ]ZLą]DQ\FK ] NRQVWUXNFMą XU]ąG]HĔ HOHNWURK\Graulicznych oraz wykorzystanie technik wspomagania komputerowego
CAx w projektowaniu maszyn.