Управление мехатронной системой на базе многозвенных роботов-манипуляторов

https://doi.org/10.21122/2227-1031-2019-18-4-350-354 УДК 62.529

Управление мехатронной системой

на базе многозвенных роботов-манипуляторов

Кандидаты техн. наук, доценты Н. Н. Гурский1*, Ю. А. Скудняков2*, инж. В. С. Артющик1*, асп. А. Н. Безручко1*

^Белорусский национальный технический университет

© Белорусский национальный технический университет, 2019 Belarusian National Technical University, 2019

Реферат. Рассматривается задача управления многозвенными роботами-манипуляторами для реализации высокотехнологичных процессов в промышленности. Излагаются последовательные шаги использования компьютерных технологий при построении роботов-манипуляторов, включающие математические, алгоритмические и аппаратно-программные средства для создания многоприводной мехатронной системы под управлением промышленного микроконтроллера фирмы OMRON. Приведена кинематическая схема робота-манипулятора, совершающего два типа движений - поворот вокруг оси z и прямолинейное перемещение рабочего органа вдоль радиуса поворота с точным позиционированием в заданную точку рабочего пространства. Электромеханическая конструкция манипулятора позволяет обеспечить транспортировку объектов производства в соответствии с заданным технологическим процессом. Для проектирования технологического процесса транспортирования объектов производства разработан программный модуль, позволяющий автоматизировать описание основных операций движения рабочего органа робота-манипулятора с последующим автоматическим формированием последовательности команд для управляющей программы, обеспечивающей работу электрических приводов звеньев манипулятора в реальном времени. Чтобы ускорить процесс проектирования траектории движения рабочего органа, разработана пространственная имитационная модель робота-манипулятора в среде MatLab-Simulink. Рассматривается обобщенная схема мехатронной системы управления роботом-манипулятором на базе программируемого логического контроллера OMRON, функционирующего под управлением программы, разработанной в среде программирования Sysmac Studio Automation. Для промышленного использования мехатронной системы в период наладки и эксплуатации создана программа для программируемого терминала с интерфейсными элементами и элементами анимации. Представлен внешний вид опытного образца робота-манипулятора. Разработанная мехатронная система робота-манипулятора может быть технологически ориентирована на решение других задач промышленного производства.

Ключевые слова: мехатронная система, робот-манипулятор, компьютерные технологии, программно-аппаратные средства, микроконтроллер, технологический процесс, электрический привод, управляющая программа, имитационная модель, программируемый логический контроллер, программируемый терминал, опытный образец

Для цитирования: Управление мехатронной системой на базе многозвенных роботов-манипуляторов / Н. Н. Гур-ский [и др.] // Наука и техника. 2019. Т. 18, № 4. С. 350-354. https://doi.org/10.21122/2227-1031-2019-18-4-350-354

Control of Mechatronic System Based on Multilink Robot-Manipulators

N. N. Hurski1*, Yu. A. Skudnyakov2), V. S. Artsiushchyk1*, A. N. Bezruchko1*

^Belarusian National Technical University (Minsk, Republic of Belarus),

2)Belarusian State University of Informatics and Radioelectronics

Abstract. The task of controlling multi-link robots with manipulators for implementation of high-tech processes in industry has been considered in the paper. The paper presents sequential steps of using computer technology in construction of robotic-

Адрес для переписки

Гурский Николай Николаевич

Белорусский национальный технический университет

просп. Независимости, 65, корп. 11

220013, г. Минск, Республика Беларусь

Тел.: +375 17 293-95-64

povt@bntu.by

Address for correspondence

Hurski Nikalai N.

Belarusian National Technical University 65/11 Nezavisimosty Ave., 220013, Minsk, Republic of Belarus Tel.: +375 17 293-95-64 povt@bntu.by

Наука

и техника. Т. 18, № 4

manipulators, including mathematical, algorithmic, and hardware and software tools for creating a multi-drive mechatronic system controlled by OMRON industrial microcontroller. A kinematic scheme of a robot manipulator has been described in the paper and it performs the following two types of movements - rotation around the z axis and rectilinear movement of a working element along a turning radius with precise positioning at a given point in the working space. Electromechanical design of the manipulator allows to ensure transportation of production objects in accordance with a given technological process. For designing the technological process of transporting production objects, a software module has been developed that makes it possible to automate description of basic operations for movement of the robot manipulator working body with subsequent automatic generation of a command sequence for a control program ensuring operation of electric drives in manipulator links in real time. To speed up the process of designing trajectory of the working body, a spatial simulation model of a robot-manipulator in the MatLab-Simulink environment has been developed. The paper considers a generalized diagram of a mechatronic control system for a robot-manipulator based on the OMRON programmable logic controller operating under control of a program developed in the programming environment Sysmac Studio Automation. A program for a programmable terminal with interface elements and animation elements has been developed for industrial use of the mechatronic system during adjustment and operation period. The paper provides an appearance of a robot-manipulator prototype. The developed mechatronic system of the robot-manipulator can be technologically oriented towards solving other problems of industrial production.

Keywords: mechatronic system, robot-manipulator, computer technologies, software and hardware, microcontroller, technological process, electric drive, control program, simulation model, programmable logic controller, programmable terminal, prototype

For citation: Hurski N. N., Skudnyakov Yu. A., Artsiushchyk V. S., Bezruchko A. N.

Введение

Мехатронные системы стремительно расширяют область применения. Они начинают интенсивно использоваться для реализации высокотехнологичных процессов в различных отраслях промышленности, качественного улучшения характеристик широкого спектра разнообразных объектов [1]. Применение мехатронного подхода при создании устройств и машин определяет их основные преимущества по сравнению с традиционными электромеханическими системами: точность реализации сложных движений, высокие степень интеграции и надежность, долговечность, помехозащищенность и быстрое перепрограммирование для выполнения требуемых операций [2].

В статье рассматриваются особенности компьютерных технологий при построении роботов-манипуляторов, включающие математические, алгоритмические и аппаратно-программные средства для создания многоприводной мехатронной системы под управлением промышленного микроконтроллера фирмы OMRON.

Основная часть

В общем случае, для автоматизации различных производственных операций применяются многофункциональные многозвенные мани-

пуляционные роботы. Кинематическая схема многозвенного робота манипулятора показана на рис. 1.

Fig. 1. Kinematics of multilink manipulator

Работа манипулятора заключается в позиционировании рабочего органа (точка B) в точку с заданными координатами. Для этого используются электроприводы на базе электрических двигателей постоянного или переменного тока. Понятие электропривода, кроме двигателя, включает схему управления, редуктор, датчики.

Как известно, состояние манипулятора описывается прямой и обратной задачами кинематики [3]. Прямая задача - вычисление координат (X, Y) положения рабочего органа манипулятора по его кинематической схеме с заданными длинами звеньев (Lb L2, ..., Ln) и их ориентацией ф (здесь n - число степеней свободы манипулятора). Обратная задача -вычисление углов (фь ф2, ..., фп) по заданному положению рабочего органа в точке В(Х, Y).

H Наука

итехника. Т. 18, № 4

Математическая модель прямой задачи записывается в виде вектора

B =

( X \

VY ,

f П i ^

Е Li cosE^

i=1 i=1

п i

V i=1 i=1 J

Технически востребованной является обратная задача кинематики. Однако она, как правило, не имеет однозначного решения, поскольку для заданного положения рабочего органа не всегда существует единственное значение углов ф1, ф2, ..., ф„. Задача может быть решена аналитически с учетом требуемых ограничений или, в общем случае, численными методами.

Численное решение заключается в оптимизации нормы |В - Бг|, где В, Вг - вектор текущих и заданных координат рабочего органа соответственно. Для поиска оптимизируемых параметров ф1, ф2, ..., фп с критерием оптимизации В - Бг| могут быть использованы методы оптимизации нулевого, первого или второго порядков, либо методы случайного поиска [4].

При решении многих практических задач, связанных с позиционированием рабочего органа в заданную точку пространства, применяется кинематическая схема двухзвенного манипулятора [5-7] с тремя степенями свободы: две вращательные с параметрами ф1, ф2, третья -линейное перемещение вдоль оси г. В этом случае для решения обратной задачи используется аналитическое решение, основанное на теореме косинусов [8].

На основе данной кинематической схемы разработана электромеханическая конструкция манипулятора для транспортировки объектов производства в соответствии с требуемым технологическим процессом. Робот-манипулятор совершает два типа движений - поворот вокруг оси г и прямолинейное перемещение рабочего органа вдоль радиуса поворота с точным позиционированием в заданную точку рабочего пространства. Внешний вид робота-манипулятора показан на рис. 2. Из рисунка видно, что такая конструктивная схема имеет четыре степени свободы. С учетом прямолинейного перемещения рабочего органа вдоль радиуса

поворота степень свободы, связанная с кистью робота, может быть исключена. Такое техническое решение возможно при синхронизации поворота кисти в зависимости от угла поворота плеча. Рабочая пространственная зона манипулятора ограничивается длинами звеньев, длиной кисти, а также высотой подъема механизма манипулятора.

, Синхронизировано С с плечом

Рис. 2. Внешний вид робота-манипулятора Fig. 2. Appearance of robot-manipulator

Для проектирования технологического процесса [9] транспортировки объектов производства разработан программный модуль, главное окно которого показано на рис. 3. На рисунке представлено множество заданных точек (для примера ограниченное 16-ю) в плоскости x-y рабочей зоны механизма, в которые может перемещаться схват манипулятора в соответствии с технологическим маршрутом. На рис. 3 показаны два положения звеньев манипулятора - одно для совершения поворота, второе - для линейного позиционирования.

При планировании маршрута движения необходимо последовательно отметить требуемые точки и задать для них тип команды и ее параметры. Для просмотра сгенерированного цифрового маршрута разработана пространственная имитационная модель манипулятора, приведенная на рис. 4. На этом рисунке цифрами обозначены производственные участки, на которые манипулятор транспортирует объекты в соответствии с рис. 3.

Наука

и техника. Т. 18, № 4

y 3

4 \2

11 \

/ 1V--- SjO \

5 13/

\ ^ У16

\6 15 /

/8

X

Рис. 3. Плоская модель манипулятора и траектория движения рабочего органа

Fig. 3. Plane model of manipulator and trajectory of working body movement

Рис. 4. ЭО-модель манипулятора Fig. 4. 3D-model of manipulator

Программная реализация планирования маршрута выполнена в среде Embarcadero RAD

Studio. Пространственная имитационная модель манипуляционного механизма реализована в программной системе MatLab-Simulink. Она дает возможность наблюдать качественную сторону динамического состояния манипулятора и ускоряет процесс проектирования реальной конструкции.

Работу манипулятора в режиме реального времени обеспечивает микроконтроллер с зашитой в его память управляющей программой, основу функциональности которой составляет код, отлаженный на этапе моделирования. Для программирования микроконтроллера OMRON использовалась среда программирования Sysmac Studio Automation, поддерживающая язык релейно-контактной логики.

Обобщенная схема мехатронной системы управления роботом-манипулятором, ее взаимодействия с внешним окружением показана на рис. 5.

Для промышленного использования [10] разработанной мехатронной системы требуется дополнить ее средствами управления, необходимыми в период наладки и эксплуатации. Для этого используются программируемые терминалы с интерфейсными элементами и элементами анимации. Главный экран такого терминала показан на рис. 6.

Изложенные этапы программирования, моделирования и управления работой мехатрон-ной системы робота-манипулятора на базе двухзвенного механизма программируемым логическим контроллером OMRON реализованы в опытном образце, внешний вид которого приведен на рис. 7.

Программируемый логический контроллер

Программируемый терминал

Электромеханическая часть робота-манипулятора

Сервопр11Еод1 Сервопривод 2 Сервопривод 3

Ш'-JÊ'M

iL

i

Рис. 5. Обобщенная схема мехатронной системы Fig. 5. Generalized scheme of mechatronic system

I

Наука

итехника. Т. 1B, № 4

1

Рис. 6. Экран терминала управления манипулятором Fig. 6. Manipulator Control Terminal Screen

Рис. 7. Опытный образец робота-манипулятора Fig. 7. Prototype of robot-manipulator

ВЫВОДЫ

1. Разработано программное обеспечение, поддерживающее работу электрических приводов робота-манипулятора на базе двухзвенного механизма под управлением промышленного программируемого логического контроллера OMRON.

2. Создана методика проектирования технологического процесса позиционирования робота-манипулятора, позволяющая обеспечить требуемую точность и скорость транспортировки объектов производства.

3. Мехатронная система робота-манипулятора может быть технологически ориентирована на решение других задач промышленного производства.

ЛИТЕРАТУРА

1. Зенкевич, С. Л. Основы управления манипуляцион-ными роботами / С. Л. Зенкевич, А. С. Ющенко. М.: Изд-во МГТУ имени Н. Э. Баумана, 2004. 480 с.

2. Юревич, Е. И. Основы робототехники / Е. И. Юревич // 2-е изд. СПб.: БХВ-Петербург, 2005. 207 с.

3. Механика промышленных роботов / под ред. К. В. Фролова, Е. И. Воробьева. М.: Высш. шк., 1988. Т. 1. Кинематика и динамика. 304 с.

4. Кетков, Ю. Л. MatLab 7: программирование, численные методы / Ю. Л. Кетков, А. Ю. Кетков, М. М. Шульц. СПб.: БХВ -Петербург, 2005. 752 с.

5. Гурский, Н. Н. Математические и компьютерные модели мехатронных систем аддитивного производства / Н. Н. Гурский // Математические методы в технике и технологиях: сб. тр. Междунар. науч. конф. СПб., 2017. Т. 12, ч. 1. С. 151-156.

6. Бургин, Б. Ш. Анализ и синтез двухмассовых электромеханических систем / Б. Ш. Бургин // Новосибирск: Новосиб. электротех. ин-т, 1992. 199 с.

7. Имитационное моделирование механизма наплавления пластмасс в аддитивных технологиях / Н. Н. Гурский [и др.] // Системный анализ и прикладная информатика. 2016. Т. 12, № 4. С. 25-30.

8. Попов, Е. П. Манипуляционные роботы. Динамика и алгоритмы / Е. П. Попов, А. Ф. Верещагин, С. Л. Зенкевич. М.: Наука, 1978. 398 с.

9. Пол, Р. Моделирование, планирование траекторий и управление движением робота-манипулятора / Р. Пол. М.: Наука, 1976. 104 с.

10. Бурдаков, С. Ф. Проектирование манипуляторов промышленных роботов и роботизированных комплексов / С. Ф. Бурдаков, В. А. Дьяченко. М.: Высш. шк., 1986. 264 с.

Поступила 17.04.2019 Подписана в печать 25.06.2019 Опубликована онлайн 31.07.2019

REFERENCES

1. Zenkevich S. L., Yushchenko A. S. (2004) Fundamentals for Control of Manipulation Robots. Moscow, Publishing House of Bauman Moscow State Technical University. 480 (in Russian).

2. Yurevich E. I. (2005) Fundamentals of Robotics. 2nd еd. Saint-Petersburg, Publishing House "BKhV-Peterburg". 207 (in Russian).

3. Vorob'ev E. I., Popov S. A., Sheveleva G. I., Frolov K. V. (1988) Mechanics of Industrial Robots Vol. 1. Kinematics and Dynamics. Moscow, Vysshaya Shkola Publ. 304 (in Russian).

4. Ketkov Yu. L., Ketkov A. Yu., Schultz M. M. (2005) Mat-Lab 7: Programming, Numerical Methods. Saint-Petersburg: Publishing House "BKhV-Peterburg". 752 (in Russian).

5. Gurskii N. N. (2017) Mathematical and Computer Models of Mechatronic Systems for Additive Production. Matema-ticheskie Metody v Tekhnike i Tekhnologiyakh: Sb. Tr. Mezhdunar. Nauch. Konf. T. 12, Ch. 1 [Mathematical Methods in Engineering and Technology: Collection of Papers of International Scientific Conference. Vol. 12. Part 1]. Saint-Petersburg, 151-156 (in Russian).

6. Burgin B. Sh. (1992) Analysis and Synthesis of Two-Mass Electromechanical Systems. Novosibirsk, Novosibirsk. Electro-Technical Institute. 199 (in Russian).

7. Gurskii N. N., Skachek V. A., Skachek A. V., Skudnya-kov Yu. A. (2016) Simulation Modeling of Mechanism for Welding Plastics in Additive Technologies. Sistemnyi Analiz i Prikladnaya Informatika = System Analysis and Applied Information Science, 12 (4), 25-30 (in Russian).

8. Popov E. P., Vereshchagin A. F., Zenkevich S. L. (1978) Manipulation Robots. Dynamics and Algorithms. Moscow, Nauka Publ. 398 (in Russian).

9. Paul R. (1976) Modeling, Trajectory Planning and Motion Control of Robotic Arm. Moscow, Nauka Publ. 104 (in Russian).

10. Burdakov S. F., Dyachenko V. A. (1986) Designing of Manipulators for Industrial Robots and Robotic Complexes. Moscow, Vysshaya Shkola Publ. 264 (in Russian).

Received: 17.04.2019 Accepted: 25.06.2019 Published online: 31.07.2019

Наука

и техника. Т. 18, № 4