Návrh manipulátoru s podporou Computer Aided Designu

Tags: CAD | Mechatronika | Strojírenství

Slovo mechatronika bylo vytvořeno kombinací dvou slov, a to mecha z mechanics a tronics z electronics, kde je chápáno jako synergická integrace mechaniky, elektroniky a inteligentního počítačového řízení v návrhu a výrobě produktů a procesů. Jinak řečeno, mechatronika je definována jako technologie, která kombinuje mechaniku s elektronikou a informační technologií pro formování funkční interakce a prostorové integrace v komponentech, modulech, produktech a systémech.

Cílem mechatronického návrhu je výrobek s optimální kombinací mechaniky, elektroniky a softwarového inženýrství v co nejkratším čase a s minimálními náklady. CAD nástroje (obr. 1) jsou jakýmsi pomocným nástrojem při návrhu mechatronických výrobků [1].

Obr. 1 Vymezení vztahu mechatroniky a CADu [1]

Cílem tohoto článku je představit konstrukci manipulátoru, který vznikl jako didaktická pomůcka pro výuku předmětů studijního programu Mechatronika na Strojnické fakultě Technické univerzity v Košicích [2]. Úlohou bylo navrhnout, popsat a vytvořit zařízení s vícerými stupni volnosti pohybu, které je ovládané jednočipovým mikropočítačem. Návrh tohoto manipulátoru v sobě zahrnuje řešení vícerých problémů, které směřují k integrování mechaniky, elektroniky a řízení do jednoho funkčního celku. Hlavní důraz byl přitom kladen na to, aby byla možná co největší míra variability řešení, tj. aby bylo možné variovat zapojení a byl tak vytvořen větší prostor pro experimentální práci studentů. Studenti tak mají možnost ověřit si na funkčním modelu získané teoretické poznatky. Z toho důvodu bylo potřebné manipulátor vybavit mnohými ochrannými prvky, aby se předešlo možnému poškození jednotlivých částí manipulátoru při neopatrném zacházení. Tvorba manipulátoru byla inspirována návrhy řešení podobné problematiky v dané oblasti [3, 4, 5, 6].

Popis funkcí manipulátoru

Manipulátor má čtyři stupně volnosti pohybu (obr. 2). Jeho pracovním nástrojem je chapadlo využívající mechanismus paralelogramu s možností uchopení břemene s jedním rozměrem od 5 do 35 mm, které je umístěno v akčním dosahu ramen manipulátoru, a manipulace s ním.

Obr. 2 3D model manipulátoru StanleyBot1 [2]

Celá základna se může s ramenem otáčet vpravo i vlevo o neomezený úhel. Rozsah otáčení jednotlivých kloubů rozděleného na polovici je přibližně 180°. Jakmile jsou všechna ramena ve svojí středové poloze, celé rameno manipulátoru směřuje i s chapadlem svisle nahoru. Od této středové polohy má tedy každý kloub možnost pootočení o ±90°. CAD model manipulátoru byl použit pro vyšetření krajních poloh ramen manipulátoru a vyšetření kolizí jednotlivých dílů při pohybu manipulátoru (obr. 3). Finální podoba 3D modelu, která sloužila jako podklad pro realizaci, je na obr. 1.


Obr. 3 Vyšetřování možností modelu manipulátoru

Deska procesoru umožňuje vzhledem k výukovému procesu variabilnost zapojení externích součástí a je ji možné používat i samostatně, bez toho, aby ovládala manipulátor. Je na ní možné zapojit všechna základní zapojení a obeznámit se s jejich fungováním, a tak pokrývá potřeby pomůcky pro předměty studijního oboru mechatronika. Všechny klouby jsou vybaveny snímáním úhlového natočení potenciometrickými snímači, aby bylo možné pracovat se zpětnou vazbou při řízení pohybů manipulátoru.

Samostatně řešeným uzlem bylo chapadlo manipulátoru (obr. 4). Návrh byl realizován v podobě 3D modelu. Rozměry a celkové uspořádání je výsledkem několika rozměrových variant vyšetřovaných v prostředí CAD editoru (obr. 3).

Obr. 4 Návrh chapadla manipulátoru

Hlavní části systému manipulátoru – subsystémy

Hlavními částmi manipulátoru jsou subsystémy řízení, motoriky a senzoriky.

Subsystém řízení

Pro řízení činností manipulátoru je vzhledem k výukovému procesu a náplni předmětu mechatroniky zvolen programovatelný jednočipový mikropočítač Basic Stamp BS2-IC. Tento mikropočítač má taktovací frekvenci 20 MHz a má integrovaný interpret jazyka PBasic.

Subsystém motoriky – pohybové akční členy

Pro vytvoření vlastního pohybu jednotlivých kloubů je použit modelářský servomotor Futaba S3003.

Subsystém senzoriky

Pro snímání úhlů natočení jednotlivých kloubů jsou použity odporové snímače – potenciometry s lineárním průběhem odporové dráhy, které jsou umístěny v osách výstupních hřídelí servomotorů. Tlak sevření chapadla je dvojstavově snímaný pomocí mikrospínačů. Pro registraci pootočení točnice vzhledem k základně je použit hermeticky uzavřený reléový kontakt s permanentním magnetem.

Konstrukční řešení prototypu manipulátoru

Protože cílem bylo vytvořit funkční model (obr. 5, 6) určený pro didaktické účely, jako hlavní materiál byl z důvodu názornosti zvolen průhledný plast – plexisklo. Hlavní plošný spoj, kde je umístěn mikropočítačový modul, je plně využit pro potřeby manipulátoru, ale zároveň je možné všechny tyto části vyřadit z funkce bez zásahu do plošného spoje. Plošný spoj potom nabízí prostor na realizaci různých základních zapojení ověřujících vlastnosti mikropočítačových modulů.

Obr. 5 Funkční model manipulátoru [2]

Obr. 6 Chapadlo upevněné na univerzálním zakončení třetího kloubu [2]

Vlastní realizaci předcházelo vytvoření virtuálního prostorového (3D) modelu v programu CAD (obr. 2), umožňujícím zároveň i kinematickou analýzu kolizí jednotlivých dílů manipulátoru (obr. 3, 4). K tomuto vzhledu a takto vytvořené představě, která je zachycena na obr. 5, směřovalo úsilí při výrobě samotného funkčního modelu. Konstrukce chapadla je zřejmá z obr. 6. Při jeho návrhu byl využit princip paralelogramu. Je ovládán pomocí táhla v pružném pouzdru. Zakončení chapadla obsahují membránové mikrospínače, které byly vyvinuty pro toto použití a fungují jako tlakové snímače sevření chapadel.

Vše pro zvýšení kreativity

Výsledná podoba manipulátoru StanleyBot1 je na obr. 5. Jeho vyrobením byla završena snaha přispět ke zkvalitnění výuky předmětů studijního oboru mechatronika a k zdravé motivaci studentů, kteří se v budoucnosti rozhodnou studovat tento odbor na Strojnické fakultě Technické univerzity v Košicích. Při jeho navrhování a výrobě vzniklo množství nápadů a myšlenek pro úpravy manipulátoru. Tím byl vytvořen další prostor pro kreativitu studentů, kteří budou mít možnost s popsaným výukovým modelem pracovat.

Hlavní technické údaje

Počet stupňů volnosti mechanické části manipulátoru je čtyři plus chapadlo. Napájecí napětí procesorové desky a servomotorů je 5 V, stabilizované, odběr maximálně 1 A. Hmotnost celého zařízení nepřevyšuje 1000 g, hmotnost zdvíhaného břemene může být 20 g.

Článek byl vypracován s podporou projektu VEGA 1/0201/08 „Výskum štruktúr a správania sa modulov mechatronickej mobilnej technickej sústavy na úrovni orgánov a stavebných prvkov za účelom zlepšenia vlastností mobilnej technickej sústavy“ a VEGA 1/4164/07 „Výskum špecifických problémov pri meraní dĺžok a bilancovaní neistôt merania“.

Literatura

[1] ICT – MECHATRONIC – CAD What is ICT?, available online: cited september 15th 2008.
[2] ZAMRIJ, S.: Funkčný model manipulátora pre didaktické účely. [Diplomová práca.] Strojnícka fakulta Technickej univerzity v Košiciach, 2004.
[3] KONEČNÝ, Z.–MOSTÝN, V. Výpočet kloubových proměnných robotů a manipulátorů s využitím vlastností AutoCADu, Sborník vědeckých prací VŠB-TU: Ostrava 1997, s. 81–84, ISSN 1210-0471.
[4] KONEČNÝ, Z.–SKAŘUPA, J.: Variational geometry in design of robots and manipulators. Sborník vědeckých prací Vysoké školy báňské – Technické univerzity Ostrava, roč. XLVII, řada strojní, č.1/2001, Ostrava 2001, ISSN 1210-0471.
[5] KARDOŠ, J.: Variable Structure Motion Control Systems, In: Baltazár Frankovič ed.: Trends in Control Theory and Applications, Veda, Bratislava 1999, pp. 132–158.
[6] VITKO, A., ŠAVEL, M., KAMENIAR, D., JURIŠICA, L. Design of Sensor Fusion and Fault Clustering of Legged Robot. In: Measurement and Control in Robotics. IAI, Madrid, Spain 2003, ISBN 84-607-9693-0,1-6.