Pomiary Automatyka Robotyka 2/2010

dr inĪ. Krzysztof Krupa mgr inĪ. Damian Bartkowski Instytut Technologii Maszyn i Automatyzacji Produkcji Politechnika Krakowska

MANIPULATOR NAĝLADUJĄCY RUCH RAMIENIA CZàOWIEKA W artykule opisano zagadnienie budowy i sterowania manipulatora naĞladującego ruch ramienia czáowieka. Projekt konstrukcyjny wykonano w systemie Catia. Do napĊdu wykorzystano serwonapĊdy sterowane za pomocą mikrokontrolera. Interfejs uĪytkownika napisano w programie Visual Basic. A MANIPULATOR IMITATING HUMAN’S ARM MOVE In the paper an idea of making artificial arm imitating human’s arm move is described. Mechanical part of manipulator is designed with the use of Catia system. As manipulator’s drive units servomechanisms with microchip based controller are used. To control the arm a computer software, which serves as user interface, is built 1. WSTĉP NaĞladowanie natury juĪ od wieków stanowiáo siáĊ napĊdową ludzkoĞci. Czáowiek staraá siĊ zrozumieü przyrodĊ i za pomocą dostĊpnych Ğrodków powieliü jej funkcjonowanie. Niektóre dziaáania száy w kierunku udoskonalenia tego, co stworzyáa przyroda. Od dawna teĪ czáowiek marzyá, aby ciĊĪką pracĊ ktoĞ za niego wykonywaá. I udaáo siĊ. WymyĞlono maszyny, które nazwano robotami. Trudno wyobraziü sobie dzisiejszy przemysá bez robotów. W wielu przypadkach są znacznie szybsze i zdecydowanie bardziej dokáadne niĪ czáowiek, nie mylą siĊ, nie narzekają, … . Ludzie niezwiązani z techniką, bardzo czĊsto sáowo robot kojarzą z maszyną podobną do czáowieka. Wiele prac na Ğwiecie prowadzi siĊ w kierunku zbudowania humanoidalnego robota. Prace te idą w dwóch kierunkach. Pierwszym jest zbudowanie egzoszkieletu, czyli dającego siĊ áatwo sterowaü robota, znaczenie zwiĊkszającego moĪliwoĞci siáowe czáowieka. Drugi kierunek, to wszelkiego rodzaju protezy. Historia protez zaczĊáa siĊ na początku XVI wieku. Byáy to bardzo prymitywne, ale teĪ bardzo pomocne, drewniane przedáuĪenia kikutów. WspóáczeĞnie dąĪy siĊ do poáączenie wiedzy technicznej z medyczną. Podejmuje siĊ próby lokalizacji odpowiednich nerwów i za ich pomocą sterowania napĊdami odpowiednio zbudowanych protez. W artykule tym zdefiniowano wymagania i podjĊto próbĊ budowy manipulatora naĞladującego ramiĊ czáowieka. Czujniki umieszczone na rzeczywistym ramieniu oraz odpowiednie przetworzenie uzyskanej z nich informacji pozwoliáoby na zdalną manipulacjĊ np. w niebezpiecznym dla czáowieka Ğrodowisku. 2. WSPÓàCZESNE ROZWIĄZANIA – ROBOTY HUMANOIDALNE Konstrukcje, których opisy czĊsto moĪna znaleĨü w internecie, nie zawsze mają wymiary zbliĪone do wymiarów czáowieka. Badania prowadzone są tak, aby znaleĨü najlepsze rozwiązanie mechaniczne, które bĊdzie realizowalne konstrukcyjnie, a jednoczeĞnie moĪliwe bĊdzie stosowanie istniejących napĊdów i ukáadów sterowania. Pierwszym przykáadem jest robot KHR-1 firmy Kondo Kagaku o wysokoĞci 34 cm [i4] (rys. 1).

554

automation 2010

Pomiary Automatyka Robotyka 2/2010

V

V

V

Rys. 1. Robot KHR-1 z zaznaczeniem schematu strukturalnego ramienia [i4] Firma Fujitsu wyprodukowaáa robota HOAP-2 o masie 7 kg i wysokoĞci 50 cm [i2] (rys. 2). Robot posiada 24 obrotowe pary kinematyczne klasy V. RamiĊ robota skáada siĊ z trzech par obrotowych, co daje trzy stopnie swobody, a pod wzglĊdem ruchliwoĞci odpowiada poáączeniu w stawie ramieniowym czáowieka. Znacznie wiĊkszego robota humanoidalnego o nazwie ASIMO wyprodukowaáa firma Honda Motor Company [i1, i3]. Robot o masie 54 kg i wysokoĞci 130 cm potrafi chodziü i biegaü z prĊdkoĞcią 6 km/h. Robot ASIMO, tak samo jak robot HOAP-2, parĊ kinematyczną równowaĪną ze stawem ramieniowym (para obrotowa klasy III) ma rozdzieloną na trzy pary obrotowe V klasy. Para kinematyczna odpowiedzialna za ruchy obracania na zewnątrz i do wewnątrz zostaáa umiejscowiona w poáowie ramienia robota. Odwracanie i nawracanie przedramienia jest niemoĪliwe, poniewaĪ poáączenie symulujące staw áokciowy posiada jedną parĊ obrotową umoĪliwiającą zginanie i prostowanie.

Rys. 2. Robot HOAP-2 [i2]

automation 2010

555

Pomiary Automatyka Robotyka 2/2010

Rys. 3. Robot ASIMO [i1] Prace nad konstrukcją manipulatorów, odpowiadających moĪliwoĞciami ludzkiej rĊce, prowadzi wiele firm i instytucji naukowych. W Institute of Robotics and Mechatronics [1] skonstruowano ramiĊ DLR Lightweight Arm II (rys. 4). RamiĊ zostaáo rozdzielone na trzy pary kinematyczne V klasy. Odwracanie i nawracanie oraz zginanie i prostowanie przedramienia jest moĪliwe, poniewaĪ poáączenie symulujące staw áokciowy ma dwie pary obrotowe klasy V. DLR Lightweight Arm posiada dwie pary kinematyczne, które są równowaĪne z stawem promieniowo-nadgarstkowym rĊki. Manipulator zgodnie z zaáoĪeniem konstruktorów posiada ruchliwoĞü równą 7, co odpowiada ruchliwoĞci koĔczyny górnej czáowieka bez uwzglĊdniania dáoni.

A

B

Rys. 4. A – Struktura mechaniczna mnipulatora DLR Lightweight Arm B – elektronika DLR Lightweight Arm [1] DáoĔ czáowieka jest na tyle skomplikowana, Īe prace nad sztuczną dáonią stanowią oddzielny temat.

556

automation 2010

Pomiary Automatyka Robotyka 2/2010

3. SYNTEZA STRUKTURALNO-KINEMATYCZNA MANIPULATORA BezpoĞrednim celem opisywanego zagadnienia jest konstrukcja manipulatora, wykonanie ukáadu sterowania oraz zbudowanie interfejsu uĪytkownika. Pierwszym etapem jest synteza strukturalna, polegająca na okreĞleniu parametrów opisujących áaĔcuch kinematyczny. Interesującymi parametrami są klasy poáączeĔ miĊdzy czáonami, ruchliwoĞü i manewrowoĞü. Sposób okreĞlania tych wartoĞci jest opisany m.in. w pracach [2, 3]. Synteza kinematyczna polegaáa m.in. na rozwiązaniu zadania prostego oraz odwrotnego kinematyki. Zadanie proste kinematyki polegaáo na obliczeniu pozycji, orientacji, prĊdkoĞci i przyspieszeĔ poszczególnych czáonów manipulatora wzglĊdem podstawy dla danego zbioru wspóárzĊdnych konfiguracyjnych. W odwrotnym zadaniu wyznaczono zbiór wartoĞci przemieszczeĔ kątowych w parach kinematycznych zapewniających usytuowanie chwytaka w okreĞlonej pozycji i orientacji. Zadanie odwrotne jest waĪnym elementem projektowania, poniewaĪ otrzymane relacje wykorzystywane są w algorytmie sterowania ruchem manipulatora. W obu przypadkach zastosowano metodĊ macierzową, przy zastosowaniu notacji Denavita – Hartenbrga. Zgodnie z przeprowadzoną analizą biomechaniczną koĔczyny górnej czáowieka oraz studium nad dotychczasowymi rozwiązaniami, do dalszej analizy zostaáa wybrana struktura manipulatora przedstawiona na rys. 5, w której zastosowano tylko pary obrotowe klasy V.

Rys. 5. PrzyjĊty schemat manipulatora

automation 2010

557

Pomiary Automatyka Robotyka 2/2010

4. MODEL MANIPULATORA W SYSTEMIE CATIA Do zaprojektowania modelu manipulatora wykorzystano system Catia v5R18. Jest to zintegrowany system CAD/CAM/CAE/FEM [4] dający moĪliwoĞü wykonania nie tylko samego modelu, ale równieĪ analizy kinematycznej caáego mechanizmu. W module Part Design zaprojektowano poszczególne podzespoáy (rys. 6).

Rys. 6. ZáoĪenie „áokcia” wraz z drzewem operacji NastĊpnie, w module Assembly Design, odebrano odpowiednie stopnie swobody i dokonano wáaĞciwego ich poáączenia w zespoáy ruchowe (rys. 7).

Rys. 7. Model manipulatora w systemie Catia Ze wzglĊdu na dostĊpnoĞü Ğrodków, tworzony model nie odzwierciedla wiernie koĔczyny górnej czáowieka, ale funkcjonalnie jest bardzo do niej zbliĪony. Na rys. 8 przedstawiono fizycznie wykonany model takiego manipulatora.

558

automation 2010

Pomiary Automatyka Robotyka 2/2010

Rys. 8. Fizyczna realizacja ramienia 5. NAPĉD MANIPULATORA Manipulator jest mechanizmem wieloczáonowym, którego czáony ustalone są wzglĊdem siebie w okreĞlonej pozycji, za pomocą napĊdu nadąĪnego. W wiĊkszoĞci rozwiązaĔ napĊd znajduje siĊ w kaĪdej osi manipulatora. Bardzo waĪnym etapem projektowania jest dobór napĊdu dla poszczególnych par kinematycznych. Projektowany manipulator ma 5 stopni swobody, które w pierwszej wersji, mają byü sterowane przy uĪyciu komputera. W zaáoĪeniu, celem weryfikacji, zaplanowano fizyczne wykonanie modelu, dlatego do napĊdu rozwaĪono zastosowanie silników krokowych lub serwonapĊdów modelarskich. Po analizie wad i zalet kaĪdego z rozwaĪanych rozwiązaĔ, gáównie ze wzglĊdu na korzystniejszy stosunek momentu siáy do masy, zdecydowano siĊ na serwonapĊdy pozycjonowane szerokoĞcią impulsu (Pulso Width Position Serwo), zbudowane z silnika prądu staáego, przekáadni redukcyjnej, czujnika poáoĪenia (w tym przypadku potencjometr) i ukáadu scalonego (rys. 9).

Rys. 9. Budowa serwonapĊdu Sterowanie odbywa siĊ dáugoĞcią impulsu, w którym sygnaá o dáugoĞci 1,5 ms odpowiada poáoĪeniu zerowemu waáu silnika. Zmiana dáugoĞci o 1 μm odpowiada zmianie poáoĪenia waáu o 1°. Sygnaá zadawany powinien byü wysyáany z czĊstotliwoĞcią 50 Hz, nie jest to jednak czĊstotliwoĞü wiąĪąca.

automation 2010

559

Pomiary Automatyka Robotyka 2/2010

6. STEROWANIE Na etapie projektu wstĊpnego rozwaĪano zastosowanie sterowników PLC oraz mikrokontrolerów. Ze wzglĊdu na wybrane serwonapĊdy modelarskie, zdecydowano siĊ na zastosowanie mikrokontrolera SK18 firmy Sommer Technologies [i5], którego schemat przedstawiono na rys. 10. SK18 obsáuguje do 18 serwonapĊdów.

Rys. 10. Schemat sterownika SK18 [i5] Poáączenie mikrokontrolera SK18 z komputerem odbywa siĊ za pomocą portu szeregowego COM. Do uzyskania Īądanego poáoĪenia przesyáane są 4 bajty jeden za drugim. Pierwszy bajt SYNC odpowiedzialny jest za poinformowanie kontrolera o nadchodzącej transmisji. Kontroler przestawia siĊ w tryb nasáuchu i oczekuje na kolejne bajty. Są to bajty numeru serwa, pozycji i szybkoĞci. Bity P1 i P0 sáuĪą do uzyskania wiĊkszej dokáadnoĞci poáoĪenia waáu serwa. Podziaá na poszczególne bajty przedstawia rys. 11.

Rys. 11. Opis 4 bajtów wykorzystywanych w transmisji danych [i5] Wykonany ukáad mechaniczny z odpowiednio dobraną i skonfigurowaną elektroniką wymaga jeszcze programu sterującego umoĪliwiającego áatwy interfejs z uĪytkownikiem. W pierwszej wersji zaáoĪono, Īe sygnaáy wymuszające przemieszczenia, zadawane bĊdą z poziomu programu umieszczonego w PC. Wymaga to dynamicznego rozwiązywania zadania odwrotnego kinematyki. W tym celu okno dialogowe podzielono na trzy czĊĞci (rys. 12):

560

automation 2010

Pomiary Automatyka Robotyka 2/2010

x Sterowanie rĊczne – zawiera elementy do „rĊcznej” zmiany poáoĪeĔ osi manipulatora. Po wyborze opcji „Z.odwrotne” ramka „Sterowanie rĊczne” zmienia siĊ w ramkĊ „Zadanie odwrotne” (rys. 13.), w której umieszczono elementy sterujące do ustawiania pozycji i orientacji czáonu roboczego oraz wyĞwietlania obliczonych kątów konfiguracyjnych i macierzy konfiguracji chwytaka. x „PamiĊtanie pozycji” – zawiera elementy sterujące, sáuĪące do zapamiĊtywania kątów konfiguracyjnych osi manipulatora. x Pole grafiki – przedstawia graficzne poáoĪenie ukáadu związanego z czáonem roboczym wzglĊdem ukáadu odniesienia.



Rys. 12. Okno formularza z zaznaczonym podziaáem

Rys. 13. Okno formularza z wybraną opcją „Zadanie odwrotne”

automation 2010



561

Pomiary Automatyka Robotyka 2/2010

W ramce „Zadanie odwrotne” znajdują siĊ równieĪ elementy sáuĪące do zmiany pozycji i orientacji chwytaka: x Suwaki poziome sáuĪące do zmiany poáoĪenia oraz orientacji czáonu roboczego wzglĊdem ukáadu odniesienia. x Przycisk sterujący uruchamiający procedurĊ obliczającą kąty konfiguracyjne manipulatora dla zadanej macierzy poáoĪenia i orientacji czáonu roboczego. x Etykieta „kąt” – wyĞwietla wartoĞci konfiguracyjne dla rozwiązanego zadania odwrotnego. x Etykiety „macierz” – wyĞwietla wartoĞci wersorów obrotu oraz odlegáoĞci ukáadu związanego z chwytakiem wzglĊdem ukáadu odniesienia. Elementy sterujące odpowiedzialne za pamiĊtanie kątów konfiguracyjnych znajdują siĊ na Ramce „PamiĊtanie pozycji” (rys. 12.). Do tych elementów naleĪą: z Lista wyboru – w tym elemencie zapisywane są kąty konfiguracyjne do póĨniejszego odtworzenia. z Przyciski wyboru opcji – elementy sáuĪące do wyboru docelowego zapamiĊtywania kątów konfiguracyjnych. Opcja S.rĊczne zapamiĊtuje wartoĞci kątów ustawione sterowaniem rĊcznym. Opcja Z.odwrotne zapamiĊtuje kąty obliczone w zadaniu odwrotnym. z Suwak poziomy – za jego pomocą wybierany jest numer elementu listy wyboru, który ma zostaü usuniĊty. z Etykieta „usuĔ” – wyĞwietla numer elementu listy wybrany do usuniĊcia. z Przyciski sterujące w ramce „PamiĊtanie pozycji” odpowiedzialne są za dodawanie i usuwanie konfiguracji z listy wyboru oraz za odtwarzanie i przerywanie odtwarzania konfiguracji poáoĪenia manipulatora. Ostatnim elementem okna formularza jest Pole grafiki (rys. 12.) sáuĪące do wizualizacji poáoĪenia ukáadu chwytaka wzglĊdem ukáadu odniesienia. Czerwona linia odpowiada osi x, niebieska osi y, a zielona osi z. 7. PODSUMOWANIE Na rys. 14 przedstawiono fizyczną realizacjĊ opisywanego przedsiĊwziĊcia. NaleĪy jednak podkreĞliü, Īe budĪet byá niemal zerowy, dlatego estetyka odegraáa tu drugorzĊdną rolĊ. Prace nad budową i sterowaniem manipulatorów prowadzone są w wielu oĞrodkach naukowo-badawczych. Ich rezultaty uwarunkowane są wiedzą i inwencją twórczą, ale w znacznej mierze zaleĪą od dostĊpnoĞci Ğrodków zarówno na etapie projektowania, jak i fizycznej realizacji. W artykule tym przedstawiono, w ogólnym zarysie, pomysá na wykonanie ramienia manipulatora, które moĪe byü czĊĞcią egzoszkieletu. Wykonany model fizyczny nie odzwierciedla wiernie ramienia, jednak wykonany zostaá tak, aby przenosiü obciąĪenia proporcjonalne do obciąĪeĔ ramienia czáowieka. Przedstawiony sposób sterowania, a takĪe rodzaj zastosowanych napĊdów dają podstawĊ do budowy wiernej kopii ramienia czáowieka. Zastosowanie egzoszkieletów moĪe byü olbrzymie – począwszy od zdalnej manipulacji w miejscach niebezpiecznych dla Īycia, przez nietypowe prace wymagające uĪycia wiĊkszej siáy, po zastosowania medyczne dające moĪliwoĞü ruchu ludziom z róĪnego rodzaju wadami wrodzonymi lub nabytymi na skutek np. wypadków. To ostatnie zastosowanie jest szczególnie interesujące ze wzglĊdu na interfejs czáowiek – ukáad sterowania, w skáad którego mogą wchodziü zarówno zakoĔczenia nerwowe, jak i rejestrowane i odpowiednio przetwarzane fale mózgowe.

562

automation 2010

Pomiary Automatyka Robotyka 2/2010

Rys. 14. Rzeczywisty model manipulatora naĞladującego ruch ramienia czáowieka 7. LITERATURA [i1] http://en.wikipedia.org/wiki/Asimo [i2] http://jp.fujitsu.com/group/automation/downloads/en/services/humanoidrobot/hoap2 /instructions.pdf [i3] http://world.honda.com/ASIMO/ [i4] http://www.kondo-robot.com/pdf/KHR-1HardwareManual_English.pdf [i5] www.sommertech.pl [1] Hirzinger G., Butterfafl J., Fischer M., Grcbenstein M., Hiihnle M., Liu H., Schaefer I., Sporer N., A Mechatronics Approach to the design of light-weight arms and muitifingered hands. Procedings of the 2000 IEEE International Conference on Robotics & Automation; San Francisco, CA April 2000. [2] Morecki A., Knapczyk J. (praca zb.), Podstawy Robotyki – teoria i elementy manipulatorów i robotów, Wyd. 3 zm. i rozsz.; WNT, Warszawa; 1999,. [3] Wawrzecki J., Teoria manipulatorów, Wyd. 2; Wydaw. Politech. àódzkiej, àódĨ; 2007. [4] WyleĪoá M., Modelowanie bryáowe w systemie Catia, Przykáady i ûwiczenia, Helion, Gliwice. 2002.

automation 2010

563