Распределенная система управления погрузочным манипулятором параллельно-последовательной структуры

ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

УДК 621.865.8

РАСПРЕДЕЛЕННАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ПОГРУЗОЧНЫМ МАНИПУЛЯТОРОМ ПАРАЛЛЕЛЬНО-ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОЙ СТРУКТУРЫ

DISTRIBUTED CONTROL SYSTEM LADING MANIPULATOR OF PARALLEL-SERIAL STRUCTURE

И.А. Несмиянов1, кандидат технических наук, доцент В.Н. Скакунов2, кандидат технических наук, доцент Е.Н. Захаров1, инженер А.Г. Иванов1, студент

1 2 11 I.A. Nesmiyanov1, V.N. Skakunov2, E.N. Zaharov1, A.G.Ivanov1

1 Волгоградский государственный аграрный университет 2Волгоградский государственный технический университет

1 Volgogradsky State Agrarian University

2Volgogradsky State Technical University

В статье представлено описание разработанной системы управления манипулятором погрузочного робота с распределенным управлением его исполнительными приводами. Предлагаемая архитектура системы управления позволяет более эффективно реализовывать программные движения исполнительного органа манипулятора в режиме реального времени. Разработанное программное обеспечение позволяет реализовывать набор функций для вычисления основных параметров алгоритмов управления актуаторами манипулятора в реальном времени в зависимости от заданных режимов работы.

The article describes the control system developed by the loading robot manipulator with distributed control of its actuators. The proposed architecture allows the control system to implement the program the motion of the executive body of the manipulator more effectively in real-time. Software allows to implement a set of functions to calculate the basic parameters actuators of the manipulator control algorithm in real time according to predetermined operating modes.

Ключевые слова: манипулятор, система управления, программное движение.

Key words: manipulator, control system, programmed motion.

Введение. Основные архитектурные особенности системы управления роботом манипулятором параллельно-последовательной структуры, прежде всего, обусловлены заданной механической конструкцией и характером предопределенных программных движений [6, 2, 4, 3].

В централизованной системе управления, большая часть операций по планированию и их реализации выполняется на удаленном компьютере оператора. Кроме того, во встроенной системе управления в центральном контроллере сосредоточены все основные функции управления нижнего уровня. В этом случае система управления оказывается жестко связанной с механической конструкцией манипулятора, слабо поддается масштабированию и переносу («портированию») на другие робототехнические комплексы [1, 5, 7, 8].

Материалы и методы. При проектировании системы управления ставилась задача разработки и исследования возможностей реконфигурируемых типовых модулей управления исполнительными механизмами - электроприводами разных типов, в т.ч. упругими и нелинейными приводами [9]. Кроме того, условия эксплуатации манипуляторов потребовали дополнение их набором сенсорных модулей для пространственной

ИЗВЕСТИЯ*

№ 1 (45), 2017

ориентации, глобальной навигации и системой технического зрения, открывающими возможности по применению системы для управления в реальном времени различными робототехническими комплексами такими, как роботы-манипуляторы, мобильные роботы и комплексы этих устройств.

Рисунок 1 - Структурная схема распределенной системы управления

приводами манипулятора С целью построения модульной и масштабируемой системы управления разработан набор типовых модулей, позволяющих выбирать архитектуру системы, ориентированную на решение конкретной прикладной задачи. В основе этого набора, находится модуль управления двигателем постоянного тока. На рисунке 1 приведена структура системы управления манипулятором параллельно-последовательной структуры с четырьмя степенями подвижности, построенная на типовых модулях управления отдельными электроприводами.

Особенностью предложенной топологии локальных шин в системе управления является широкое применение беспроводных каналов связи для организации обмена данными между периферийными контроллерами и центральным процессором. Помимо более высокой скорости передачи при наличии множества подвижных взаимосвязанных механических узлов беспроводные каналы повышают надежность обмена данными.

Применение в качестве центрального блока обработки данных промышленных компьютеров, таких как ARBOR FPC7702, или одноплатных микрокомпьютеров типа Raspberry Pi 2/3 позволяют перенести наиболее ресурсоемкие задачи управления на встраиваемую систему, приближая возможность реализации автономного режима работы.

Результаты и обсуждение. Экспериментальные исследования проводились на манипуляторе с четырьмя поступательными исполнительными звеньями, установленном на поворотной платформе (рисунок 2 а).

Рисунок 2 - Экспериментальная установка: а) манипулятор параллельно-последовательной структуры с четырьмя поступательными парами - актуаторами; б) внешний вид модуля управления: 1 - микроконтроллер, 2 - мостовые усилители; 3 - USB-порт

Модуль управления электроприводом построен на основе 32-разрядного микроконтроллера STM32F100RB (рисунок 2б). В составе модуля одноканальный мостовой драйвер VNH2SP30-E и минимальный набор схем обвязки, включающий два линейных электронных стабилизатора и набор соединителей для стандартных аналоговых и цифровых интерфейсов. В модуле программно реализованы основные операции по обработке данных сенсорной системы и алгоритмы управления приводом: цифровые фильтры, вычислитель расстояния по данным от энкодера, ПИД-регулятор, генератор ШИМ-сигналов, формирователь сигналов управления по заданной траектории перемещения штока исполнительного звена.

Элементы сенсорной системы, которые могут быть подключены к модулю, соединены с платой по стандартным схемам: ИК-датчик расстояния по интерфейсу SPI, УЗ-дальномер по одной из GPIO линий контроллера, датчик тока в разрыв выходной цепи мостового усилителя, а встроенный энкодер в зависимости от типа актуатора ко входу аналого-цифрового преобразователя или при частотном выходе энкодера к цифровым линиям контроллера. Связь с центральным контроллером осуществляется с помощью WiFi - модема на базе схемы ESP 8266-12F. Модем подключается к порту UART микроконтроллера STM32F100RB.

В экспериментальной установке для встраиваемой системы управления в качестве ведущего вычислителя верхнего уровня использовались различные типы одноплатных компьютеров и микроконтроллеров. Одноплатный микрокомпьютер Raspberry Pi 2 и микроконтроллер STM32F437 в супервизорном режиме полностью выполняли

функции интеллектуальных коммуникаторов между удаленной ЭВМ и контроллерами нижнего уровня. Однако ресурсов этих вычислителей недостаточно для поддержки автономного режима, в частности, для работы с системами технического зрения [10, 11].

Применение мощных промышленных компьютеров типа ARBOR FPC7702 повышает эффективность разработанных алгоритмов обработки изображений и траекторий движения рабочих звеньев, но быстродействие системы остается невысоким. Существенно повысить скорость работы позволят применение технологий CUDA и графических процессоров.

Программное обеспечение системы управления, разработанное для управления электроприводами манипулятора, разделено на два уровня. Верхний уровень представляет программный модуль, исполняемый на управляющем компьютере. Он реализует набор функций для вычисления основных параметров алгоритмов управления актуато-рами манипулятора в реальном времени в зависимости от заданных режимов работы. Нижний уровень включает модули управления отдельными исполнительными механизмами манипулятора, выполняемыми на микроконтроллере бортовой системы. В зависимости от исполнения встроенной системы управления (централизованная с единственным контроллером во встроенной системе или распределенная многопроцессорная система) функции управления на верхнем и нижнем уровнях могут перераспределяться, но в целом сохраняется клиент-серверная архитектура, в которой клиентское приложение выполняется на удаленном ведущем компьютере, а серверная часть передается встроенной бортовой системе управления.

Программное обеспечение системы управления манипулятором на компьютере оператора реализует ряд функций верхнего уровня. К числу основных относятся:

• расчет параметров траектории движения захвата манипулятора;

• графический интерфейс пользователя для задания режима и параметров перемещения рабочей точки манипулятора и отображения ее текущего состояния;

• формирование команд управления во встраиваемую бортовую систему в соответствии с заданным режимом и параметрами по заданным законам перемещения захвата манипулятора и актуаторов;

• выполнение операций обмена информацией по беспроводному каналу связи.

Обмен информацией между программами верхнего и нижнего уровней осуществляется по протоколу, основанному на разработанной системе команд управления.

Программы верхнего уровня написаны на языке C# в среде разработки Visual Studio 2013. Они выполняют расчетные вычисления для реализации заданных алгоритмов перемещения рабочей точки манипулятора, отображение в интерфейсных окнах задаваемых параметров и формирование команд управления для модулей нижнего уровня.

Микроконтроллеры в распределенной модульной структуре генерируют все основные сигналы управления исполнительными устройствами манипулятора-трипода, включающими линейные приводы манипулятора. Модули нижнего уровня принимают сигналы обратной связи от исполнительных устройств, обрабатывают поток измерительной информации от сенсорной системы (датчики тока, дальномеры, а в расширенном варианте от устройства технического зрения) [12].

Заключение. Спроектированная система управления позволяет определять законы изменения управляющих сигналов, которые обеспечивают реализацию синтезированных законов изменения обобщенных координат манипулятора, а разработанные программные средства для компьютера, оператора и бортовой системы обеспечивают позиционирование захвата манипулятора при задании различных программных законов траектории движения, минимизирующих время достижения заданной точки.

Библиографический список

1. Герасун, В.М. Системы управления манипуляторами на основе пространственных исполнительных механизмов [Текст]/ В.М. Герасун, И.А. Несмиянов // Мехатроника, автоматизация, управление. - 2010. - №2. - С. 24-28.

2. Динамический синтез оптимальных программных движений манипулятора-трипода [Текст]/ В.В. Жога, В.М. Герасун, И.А. Несмиянов, Н.С. Воробьева, В.В. Дяшкин-Титов // Проблемы машиностроения и надежности машин. - 2015. - №2. - С. 85-92.

3. Дяшкин-Титов, В.В. Алгоритм позиционирования захвата манипулятора-трипода [Текст] / В.В. Дяшкин-Титов, Н.С. Воробьева, С.Е. Терехов // Современное машиностроение: наука и образование: материалы 5-й Международной научно-практической конференции /Под ред. А.Н. Евграфова и А.А. Поповича. - СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2016. - С. 634-644.

4. Задача позиционирования манипулятора параллельно-последовательной структуры с управляемым захватным устройством [Текст]/ В.В. Жога, В.В. Дяшкин-Титов, И.А. Несмиянов,

H.С. Воробьева. // Мехатроника, автоматизация, управление. - 2016. - №8. - Т. 17. - С. 525-530.

5. Несмиянов, И.А. Система управления погрузочным манипулятором параллельной структуры [Текст]/ И.А. Несмиянов, Н.С. Воробьёва, В.И. Токарев // Вестник Федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования Московский государственный агроинженерный университет им. В.П. Горячкина. ФГОУ. Агро-инженерия. - 2012. - №3 (54). - С. 42-44.

6. Пындак, В.И. Кинематические возможности погрузочных манипуляторов на базе пространственных механизмов [Текст]/ В.И. Пындак, Н.С. Воробьева, С.Д. Фомин // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: наука и высшее профессиональное образование. - 2016. - № 1 (41). - С. 190-195.

7. Система управления манипулятора сельскохозяйственного робота [Текст]/ И.А. Несмиянов, В.В. Жога, В.Е. Павловский, Н.С. Воробьева // Известия Нижневолжского аг-роуниверситетского комплекса: наука и высшее профессиональное образование. - 2014. -№3(35). - с.226-231.

8. Система управления манипулятора-трипода [Текст] /В.В. Жога, И.А. Несмиянов, В.В. Дяшкин-Титов, Н.С. Воробьева // Робототехника и техническая кибернетика. - 2014. - №4 (5). - С. 58-62.

9. Dynamics of tripod drive with elastic self-sustaining transmission. I. A. Nesmiyanov, V. V. Zhoga, N. S. Vorobieva, V. V. Dyashkin-Titov. Vibroengineering PROCEDIA Volume 8 contains papers presented at the 22-nd International Conference on VIBROENGINEERING. The main theme of this Conference is "Dynamics of Strongly Nonlinear Systems". Kaunas, Lithuania, 2016. Pp.512-516.

10. Walking Mobile Robot with Manipulator-Tripod. V.Zoga, A.Gavrilov, V.Gerasun,

I.Nesmianov, V.Pavlovsky, V.Skakunov, V.Bogatyrev, D. Golubev, V.Dyashkin-Titov, N.Vorobieva. Advances on Theory and Practice of Robots and Manipulators. Proceedings of ROMANSY 2014 XX CISM-IFToMM Symposium on Theory and Practice of Robots and Manipulators. Springer, рp. 463-471.

11. Synthesis of Control Algorithm and Computer Simulation of Robotic Manipulator-Tripod. Ivan Nesmiyanov Victor Zhoga, Vladimir Skakunov, Stanislav Terekhov, Natalia Vorob'eva, Victor Dyashkin-Titov, Farea Ali Hussein Al-hadsha. Creativity in Intelligent Technologies and Data Science. First Conference, CIT&DS 2015. Volgograd, Russia. Springer, pp 392-404.

12. Processing of Data from the Camera of Structured Light for Algorithms of Image Analysis in Control Systems of Mobile Robots. Vladimir Skakunov, Victor Belikov, Victor Zhoga and Ivan Nesmiyanov. Advances in Mechanical Engineering. Selected Contributions from the Conference «Modern Endineering: Science and Education», June 2014. Springer, рp. 149-158.

Reference

1. Gerasun, V. M. Sistemy upravleniya manipulyatorami na osnove prostranstvennyh ispolnitel'nyh mehanizmov [Tekst]/ V. M. Gerasun, I. A. Nesmiyanov // Mehatronika, avtomatizaciya, upravlenie. - 2010. - №2. - S. 24-28.

2. Dinamicheskij sintez optimal'nyh programmnyh dvizhenij manipulyatora-tripoda [Tekst]/ V. V. Zhoga, V. M. Gerasun, I. A. Nesmiyanov, N. S. Vorob'eva, V. V. Dyashkin-Titov // Problemy mashinostroeniya i nadezhnosti mashin. - 2015. - №2. - S. 85-92.

3. Dyashkin-Titov, V. V. Algoritm pozicionirovaniya zahvata manipulyatora-tripoda [Tekst] / V. V. Dyashkin-Titov, N. S. Vorob'eva, S. E. Terehov // Sovremennoe mashinostroenie: nauka i obrazovanie: materialy 5-j Mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii /Pod red. A. N. Evgrafova i A. A. Popovicha. - SPb.: Izd-vo Politehn. un-ta, 2016. - S. 634-644.

4. Zadacha pozicionirovaniya manipulyatora parallel'no-posledovatel'noj struktury s uprav-lyaemym zahvatnym ustrojstvom [Tekst]/ V. V. Zhoga, V. V. Dyashkin-Titov, I. A. Nesmiyanov, N. S. Vorob'eva. // Mehatronika, avtomatizaciya, upravlenie. - 2016. - №8. - T. 17. - S. 525-530.

5. Nesmiyanov, I. A. Sistema upravleniya pogruzochnym manipulyatorom parallel'noj struktury [Tekst]/ I. A. Nesmiyanov, N. S. Vorob'jova, V. I. Tokarev // Vest-nik Federal'nogo gosu-darstvennogo obrazovatel'nogo uchrezhdeniya vysshego professional'nogo obrazovaniya Moskovskij gosudarstvennyj agroinzhenernyj universitet im. V. P. Goryachkina. FGOU. Agroinzheneriya. - 2012.

- №3 (54). - S. 42-44.

6. Pyndak, V. I. Kinematicheskie vozmozhnosti pogruzochnyh manipulyatorov na baze prostranstvennyh mehanizmov [Tekst]/ V. I. Pyndak, N. S. Vorob'eva, S. D. Fomin // Izvestiya Nizh-nevolzhskogo agrouniversitetskogo kompleksa: nauka i vysshee profes-sional'noe obrazovanie. - 2016.

- № 1 (41). - S. 190-195.

7. Sistema upravleniya manipulyatora sel'skohozyajstvennogo robota [Tekst]/ I. A. Nesmiyanov, V. V. Zhoga, V. E. Pavlovskij, N. S. Vorob'eva // Izvestiya Nizhnevolzhskogo agrouniversitetskogo kompleksa: nauka i vysshee professional'noe obrazovanie. - 2014. - №3(35). - s. 226-231.

8. Sistema upravleniya manipulyatora-tripoda [Tekst] /V. V. Zhoga, I. A. Nesmiyanov, V. V. Dyashkin-Titov, N. S. Vorob'eva // Robototehnika i tehnicheskaya kiber-netika. - 2014. - №4 (5). - S. 58-62.

9. Dynamics of tripod drive with elastic self-sustaining transmission. I. A. Nesmiyanov, V. V. Zhoga, N. S. Vorobieva, V. V. Dyashkin-Titov. Vibroengineering PROCEDIA Volume 8 contains papers presented at the 22-nd International Conference on VI-BROENGINEERING. The main theme of this Conference is "Dynamics of Strongly Nonlinear Systems". Kaunas, Lithuania, 2016. Pp.512-516.

10. Walking Mobile Robot with Manipulator-Tripod. V.Zoga, A.Gavrilov, V.Gerasun, I.Nesmianov, V.Pavlovsky, V.Skakunov, V.Bogatyrev, D. Golubev, V.Dyashkin-Titov, N.Vorobieva. Advances on Theory and Practice of Robots and Manipulators. Proceedings of ROMANSY 2014 XX CISM-IFToMM Symposium on Theory and Practice of Robots and Manipulators. Springer, rp. 463-471.

11. Synthesis of Control Algorithm and Computer Simulation of Robotic Manipu-lator-Tripod. Ivan Nesmiyanov Victor Zhoga, Vladimir Skakunov, Stanislav Terekhov, Natalia Vorob'eva, Victor Dyashkin-Titov, Farea Ali Hussein Al-hadsha. Creativity in Intelligent Technologies and Data Science. First Conference, CIT&DS 2015. Volgograd, Russia. Springer, pp 392-404.

12. Processing of Data from the Camera of Structured Light for Algorithms of Image Analysis in Control Systems of Mobile Robots. Vladimir Skakunov, Victor Belikov, Victor Zhoga and Ivan Nesmiyanov. Advances in Mechanical Engineering. Selected Contributions from the Conference "Modern Endineering: Science and Education", June 2014. Springer, rp. 149-158.

E-mail: ivan_nesmiyanov@mail.ru