Návrh měřícího a řídícího řetězce

VŠB-TU
2005/2006
Prostředky automatického řízení
Semestrální práce
Návrh měřicího a řídicího řetězce ramena robotu
Ha Minh SN172
20.5.2006
ZADÁNÍ
1.
2.
3.
4.
Návrh struktury vícenásobného měřicího a řídicího řetězce pro konkrétní zadání –
měření polohy koncového bodu ramene robota a pro měření polohu robotu od objektu
(překážky).
Technologické schéma dle normy ČSN 180060, struktura měřicího řetězce,
Přiřazení konkrétních technických prostředků,
Výpočet odhadu výsledné chyby řetězce.
I. NÁSTIN ROBOTU S RAMENEM
Senzor 1
Senzor 2
Senzor 3
Senzor 4
Obr. 1 Pojízdný robot s pohyblivým ramenem.
Robot je obecně chápán jako technický systém schopný napodobovat nebo nahrazovat
mechanické a intelektuální funkce člověka. Roboty mohou být klasifikovány podle jejich typů
mechanických konstrukcí, jejich řídicích systémů, nebo jejich napájecích jednotek. Můžeme
je rovněž klasifikovat podle jejich chování (statický nebo dynamický). Většina dnes
existujících robotů jsou průmyslové roboty.
Navržený robot na obr. 1 má pohyblivé rameno, které má 3 rotační klouby. Na konci ramena
je zapěstí se třemi prsty. Každý prst má jeden článek, který umožňuje prst pohybovat v rovině
(ve dvou směrech). Robot je navíc schopen otáčet se kolem hlavní osy. Vzhledem k tomu, že
těleso má tolik stupnů volnosti v daném bodě, kolik je dimenze prostoru, kam se muže v
daném bode pohnout. Navržený robot je pojízdný, má prsty se 1 článekem a 4 rotační klouby,
přitom kazdý kloub odnímá 1 stupeň volnosti, a proto robot má 8 stupně volnosti.
2
Vzhlem ke konstrukci navrženého robotu lze robot přiřadit ke skupině servisních robotů.
Tento robot může mimo jiné konat jednoduché práce jako nakladat, umísťovat předměty.
Mým úkolem je navrhnout měřicí řetězec pro ramenno robotu. Aby řídicí jednotka mohla řídit
pohyb zapěstí robotu, musí vědět jak se každý článek ramena kinematicky pohybuje, proto je
třeba umístit v každém kloubu senzor (senzor 1 až 3), který snímá úhel natočení jednoho
článku ramena vůči hruhému. Robot je rovněž vybaven optický snímač (senzor 4) pro zjistění
vzdálenost zapěstí od předmětu.
II. MĚŘICÍ A ŘÍDICÍ ŘETĚZEC 1 PRO MĚŘENÍ ÚHLU NATOČENÍ
1. Popis senzorů
Zvolil jsem si inkrementální senzor E6A2-CW3E od firmy Omron Europe B.V.
(http://www.eu.omron.com/ema). A to protože inkrementální senzory jsou typicky používané
ve zpětnovazebních systémech řízení polohy, rychlosti a případně zrychlení v rozsahu
aplikací od periferií počítačů, přes průmyslovou robotiku až po zdravotnickou techniku. Navíc
jsou charakteristické svou vysokou rozlišovací schopností, malými rozměry a nízkou
hmotností [1].
Pricip zvoleného senzoru je založen na otáčivém mezikruží s pravidelně se střídajícími
průhlednými a neprůhlednými ryskami, které při otáčení přerušují emitované světlo LED
diody umístěné na jedné těným na druhé straně mezikruží naproti LED diodě. Do optické
cesty mezi zdrojem a přijímačem světla je zařazen ještě nepohyblivý maskovací s rykami o
stejné rozteči, jako má kotouč pohyblivý. Světlo ze zdroje prochází přes průhledné rysky
segmentu pevného maskovacího kotouče, dopadá na fotosenzor maximální světelný tok.
V případě, že jsou v zákrytu průhledné rysky pohyblivého kotouče a neprůhledné rysky
segmentu nepohyblivého polohami se světelný tok mění přímo úměrně posunutí obou
kotoučů. Výstupní signály fotosenzoru mají periodu nepřímo úměrnou počtu rysek na otáčku
a rychlosti otáčení pohyblivého kotouče. Tyto signály jsou pomocí napěťového komparátoru
přeměny na pravoúhlé signály [2],[8].
Nazev
E6A2-CW3E
Popis
•
•
•
•
•
•
•
•
Pulzů na
otáčku
Miniaturní provedení
Krytí IP50
–10 až +55 °C
Spojka standardní
součástí dodávky
Output resistance: 2 kΩ
Residual voltage: 0.4 V
max.
Sink current: 20 mA max.
Hmotnost: Approx. 35 g
100, 200
Max. výst.
frekvence
20 kHz
Napájení
5 - 12 VDC
Výstup
A, B
Otevřený
kolektor
NPN
(∅4 mm)
Tab. 1 Technické specifikace senzoru E6A2-CW3E
3
2. Návrh měřícího a řídicího řetězce
Zvolený senzor obsahuje 2 fotosenzory, signál z těchto senzorů se označuje A a B
(kvadraturní signál). Tento kvadraturní signál je pak přiveden k integrovanému kvadraturnímu
dekodéru LS7083 (na pulzy a směr). Pro zjistění polohy jsou výstupní pulzní signály
přivedeny na obousměrný čítač, který se nachází na mikroprocesoru AT89C52. Dekodér
LS7083 poskytuje na svém výstupu CLK- pulzní signál a výstupu UP/DN – informaci o
směru. Vlastní čítání pulzů s ohledem na směr je realizováno mikroprocesorem.
Dekodér LS7083 má zabudován filtr zamezující zpracování vstupních pulzů o šířce pulzu
nižší, než je nastavená hodnota odporu RB. Dále tento dekodér umožňuje zvolení X1 a X4
způsob dekodování. Výstupní signály z dekodéru jsou přivedeny na řídicí vstupy
čítače/časovače 2 – T2, jehož mod činnosti se volí bity registrů T2CON a T2MOD.
Obr. 2 Připojení inkrementálního senzoru k mikroprocesoru řady x52 pomocí LS7084.
III. MĚŘÍCÍ A ŘÍDICÍ ŘETĚZEC 2 PRO MĚŘENÍ VZDÁLENOSTI
1. Popis snímače
Pro detekci vzdálenosti se nejvíce používá indukční, kapacitní, ultrazvukový a optické
senzory. Pro náš účel jsem si zvolil optické reflexní senzor GP2D02 od firmy Sharp. Tento
snímač patří do skupiny tzv. optické reflexní senzory. Senzor GP2D02 obsahuje LED diodu,
PIN fotodiodu, několik optik a jednotku pro zpracování signálu (zesilovač a A/D převodník).
To vše je v kompaktním krabičce rozměr 29 x 14 x 14,4 mm. Jen čtyři piny přenášejí
elektrický signál. Dva z nich jsou napájení a další dva se vytvoří jednoduché sériové rozhraní
pro další zpracování dat během měření.
4
detek. objekt
Obr. 3 Princip IR senzoru
Princip tohoto senzoru je velmi jednoduchý. LED diody vysílá infračervený paprsek
k objektu. Odražený paprsek dopadá na fotodiodu. Z velikosti úhlu mezi vysílaným a
odraženým paprskem se odvodí měřenou vzdálenost [7].
Parametr
Symbol
Rozsah
Jednotka
Napajecí napětí
VCC
-0.3 ÷ +7
V
Pracovní napětí
VCC
4.5 ÷ 5.5
V
Výstupní napětí
VO
-0.3 ÷ VCC+0.3
V
Pracovní teplota
Topr
-10 ÷ +60
°C
Skladovací teplota
Tstg
-40 ÷ +70
°C
L
20 ÷ 150
cm
Rozsah délky měření
Poznámky
Tab. 2 Technické specifikace senzoru GP2D02.
Obr. 4 Senzor GP2D02 s propojovacím kabelem .
2. Návrh měřícího a řídicího řetězce
Senzor je připojen k programovatelnému mikrokontrolér BS1-IC od firmy Parallax Inc
(příklad řídicího programu je uveden v příloze). Hodnota změřené vzdálenosti je zobrazována
na displeji LCD_BACKPACK. Všechny tři jednotky z celého obvodu jsou poháněné ze
5
stejného napájecího napětí +5 VCD. I/O pin D0 přenáší data k displeji. I/O pin D1 řídí LED
k zobrazení začátek měření. Vstup Vin ze senzoru GP2DO2 je připojený k FET Q1.
Výsledek měření délky bude načten přes vstup D3.
Obr. 5
Schéma spojení senzoru, mikrokontroléru a displeje.
IV. TECHNOLOGICKÉ SCHÉMA
1.1
1.2
GJ
1.1
GJ
1.2
1.1 1.2
1.3 2.1
TECHNOLOGICKÝ
APARÁT
UC
1.3
GJ
1.3
GJ
2.1
GI
2.1
6
V. SCHÉMA MĚŘICÍCH ŘETĚZCŮ PRO RAMENO ROBOTU
Fotosenzor
f/U1
δ 1=0,05∼0,1%
f
2
Zesilovač
Dekodér
U1/U2
δ 2=0,1∼0,5%
4
U2/UN
δ 3=0,1∼0,3%
5
6
Fotosenzor
Zesilovač
Dekodér
δ 1=0,05∼0,1%
δ 2=0,1∼0,5%
δ 3=0,1∼0,3%
f/U1
U1/U2
7
f
3
8
9
Fotosenzor
Zesilovač
Dekodér
δ 1=0,05∼0,1%
δ 2=0,1∼0,5%
δ 3=0,1∼0,3%
f/U1
10
U2/UN
U1/U2
Čítač
1
f
µP
U2/UN
16
ŘÍDICÍ
JEDNOTKA
(PC)
14
11
f
Fotosenzor
f/I1
δ 1=0,1∼0,5%
12
Zesilovač
I1 /I2
δ 2=0,1∼0,5%
15
13
Převodník
I2/UN
δ 3=0,1∼0,3%
µPC
Dig. displej
δ 3=0,1∼0,2%
VI. VÝPOČET CHYB MĚŘICÍHO ŘETĚZCE
1. Měřicí řetězec s inkrementálními senzory
δ vr = 3
∑ (S
2
r
2
2
) = 3 S 2fotosenzor + S zesilovač
+ S dekodér
Optimistická chyba
δ vr = 3 0,05 2 + 0,12 + 0,12 = 0,5%
Pesimistická chyba
δ vr = 3 0,12 + 0,5 2 + 0,3 2 = 1,8%
7
2. Měřicí řetězec s optickým senzorem
δ vr =
∑ (S
2
r
2
2
) = S 2fotosenzor + S zesilovač
+ S A2 / D + S Displej
Optimistická chyba
δ vr = 0,12 + 0,12 + 0,12 + 0,12 = 0,2%
Pesimistická chyba
δ vr = 0,5 2 + 0,5 2 + 0,3 2 + 0,2 2 = 0,8%
VII. SEZNAM POUŽITÝCH KOMPONENTŮ A NÁKLADY
Název, označení
Obrázky
Množství
Cena [Kč]
1
70
1
3275
1
80
Mikroprocesor
AT89C52
Inkrementální senzor
E6A2-CW3E
Dekodér
LS7084
Propojovací
kabely
50
Celkem
3475
Tab. 3 Seznam součastek pro měřicí řetězec 1
8
Název, označení
Obrázky
Množství
Cena [Kč]
1
800
1
112,5
1
375
Mikrokontrolér
BS1_IC
IR senzor
GP2D02
LCD Displej 16x2
TM162ADA7
Propojovací kabely
50
Celkem
1337,5
Tab. 4 Seznam součastek pro měřicí řetězec 2
VIII. ZÁVĚREČNÉ ZHODNOCENÍ
V této práci jsem navrhl měřicí řetezce sloužící k ovladání pohybu ramena robotu. Výpočítal
jsem, že přesnost takto navržených řetězců pohybuje v rozmezí od 0,2 až 1,8%. V reálu se
obvykle k řízení zapěstí robotu musí ještě použít 6-složkový senzor síly a momentu. To
ovšem by bylo třeba jen v případě, když robot vykoná nějakou práci (např. držení nějakého
předmětu), což není cílem této práce.
Měřící a řídicí retězec 1: Předností výše uvedeného řešení využívajícího standarních možností
mikroprocesoru řady x52 je:
ƒ
Při rozsahu čítání 16 bitů je toho zcela transparentní, využívající pouze technické
prostředky – čítač/časovač 2 a nepředstavující pro systém žádnou softwarovou zátěž,
ƒ
Za cenu minimální softwarové zátěže, spočívající v režii obsluhy přerušení
způsobeného přetečením/podtečením čítače/časovače 2, je možno téměř neomezeně
zvýšit rozsah čítání,
9
ƒ
Použitím kvadraturníhi dekodéru LS7084 je zavedena filtrace signálů A a B
inkrementálního senzoru a je tak výrazně zvýšena spohlelivost a přenost měření,
ƒ
Volitelná možnost použít zvýšené rozlišitelnosti režimu X4 kvadraturního dekodéru.
V případě potřeby připojit 2 inkrementální snímače, můžeme použít dekodér LS7166.Údaj o
poloze je možné dále zpracovat, zobrazovat, poslat přes sériový kanál do nadřazeného
systému.
Měřicí a řídicí řetězec 2: Signál je zpracován softwareově a to sice programovaltelným
mikrokontrolérem BS1_IC. Výhodou tohoto řešení jeho technická a cenová nenaročnost.
Omezením pak maximální zpracovatelská frekvence odvislá od výpočetního výkonu
mikroprocesoru. Min. rozsahu měření zvoleného senzoru je 20 cm, proto je třeba umístístit
senzor o této délce od okraje robotu.
VIII. SEZNAM POUŽITÝCH LITERATUR
[1] Novák P..Mobilní roboty – pohon, senzory, řízení. BEN, 2000.
[2] Novák P..Teorie průmyslových robotů, skriptum VŠB-TU Ostrava, prosinec 2000.
[3] URL: Rotační inkrementální senzory: Petr Novák, katedra robotechniky, VŠB-TU
Ostrava, časopis Automa 10/2002 - http://www.automa.cz/automa/2002/au100232.htm
[4] URL: Monitorování servisními roboty , Kárník L, časopis Automa 5/2004 http://www.automa.cz/automa/2004/au050418.htm
[5] URL: Připojení inkrementálního snímače k PC: Petr Tůma, Technická univerzita v
Liberci, časopis Automa 1/2001- http://www.automa.cz/automa/2001/au010150.htm
[6] URL: AT90S2313 datasheet - http://www.atmel.com/atmel/acrobat/doc0839.pdf
[7] URL: Sharp GP2DO2 - a sensor for distance depending control, Kuhnel Claus https://www.totalrobots.com/access_files/sensors.htm
[8] URL: E6A2 datasheet - http://www.eu.omron.com/ema
10
PŘÍLOHA - Příklad řídicí program
' -----[ Title ]---------------------------------------------'
' File...... GP2DO2.BAS
' Purpose... Test of Distance Measuring Sensor Sharp GP2DO2
' -----[ Program Description ]--------------------------'
' The distance measuring sensor Sharp GP2DO2 Type 1 measures
' distances between 10 cm and 80 cm.
' The result of 16 measurements is given serial as a count byte.
' The BASIC Stamp controls the starts the measurements, reads the
' result and send it serial to an LCD.
' -----[ Revision History ]-------------------------------'
' 18.03.95: Version 1.0
' -----[ Constants ]----------------------------------------'
symbol LCD = 0 ' serial output to LCD
symbol LED = 1 ' LED control
symbol Vin = 2 ' sensor control
symbol baud = N2400 ' Baudrate
' -----[ Variables ]----------------------------------------'
symbol count = b0 ' result of measurement
symbol i = b1 ' loop variable
symbol Vo = pin3 ' sensor data
' -----[ Initialization ]------------------------------------'
init: low Vin
high LED
count = 0
gosub LCD_clear
' -----[ Main Code ]--------------------------------------'
start:pulsout LED,20000
gosub sensor_control
gosub LCD_print
pause 1000
goto start
' -----[ Subroutines ]-------------------------------------'
sensor_control:
'debug cls
high Vin
pause 70
count = 0
for i = 0 to 7
pulsout Vin,10
count = count * 2 + Vo
'debug %count
next i
low Vin
'debug count
return
LCD_clear:
serout LCD,baud,(254,1,254)
serout LCD,baud,("Count:")
return
LCD_print:
serout LCD,baud,(254,136,254,#count," ")
return
11