Aktuální vydání

celé číslo

03

2024

Automatizační technika v energetice a teplárenství, úspory energie

Snímače teploty

celé číslo

Inovace laboratoře robotiky v oblasti pohonů

Článek informuje o způsobu provádění praktické části výuky robotiky v ÚAMT VUT v Brně a o inovaci uskutečněné zde nedávno v oblasti elektrických pohonů pro robotická zařízení.
 

Výuka robotiky v ÚAMT

 
Ústav automatizace a měřicí techniky (ÚAMT), který je součástí Fakulty elektrotechniky a komunikačních technologií Vysokého učení technického v Brně, zajišťuje výuku robotiky celkem ve dvou semestrech. V jednom semestru probíhá výuka pro studenty bakalářského studia, druhý semestr je určen pro studenty magisterského studia. V každém semestru navštěvuje předmět v průměru 80 studentů. Při takových počtech studentů je velmi obtížné zajistit kvalitu praktické části studia.
 
V daném případě se osvědčila výuka formou projektů, na nichž pracují až pětičlenné skupiny studentů pod dozorem pedagogických pracovníků. Studenti jsou takto nejen vedeni k tomu, aby vyřešili daný odborný problému, ale také se učí týmové spolupráci. V mnoha případech se tak dospěje k velmi zajímavým výsledkům, které mohou přispět k další motivaci studentů, k formulování zadání dalších projektů, a dokonce i k řešení některých výzkumných problémů.
 
Uvedený přístup také snižuje finanční náročnost výuky, pokud jde o náklady na vybavení laboratoře. Avšak i tak jsou náklady na praktickou výuku, vzhledem k neustálému technickému vývoji prvků používaných v robotických systémech, značné. Vybavení laboratoře se v potřebné kvalitě daří obnovovat mj. díky podpoře poskytované v rámci projektů Fondu rozvoje vysokých škol MŠMT. Článek dále přibližuje inovaci uskutečněnou nedávno v ÚAMT v oblasti elektrických pohonů pro robotická zařízení.
 

Použití servomechanismů v pohonech robotů

 
V robotických projektech se ve velké míře používají elektrické pohony. K sestavení byť jen jednoho velmi jednoduchého humanoidního robota je třeba mít alespoň šest řízených pohonů. V minulosti byly v robotice pro tyto účely používány servomechanismy běžně používané v modelech řízených rádiem (modelářská serva). Hlavní předností těchto serv je poměrně nízká cena. Z hlediska použití v robotice však mají mnoho nedostatků. Asi největším z nich je způsob nastavování žádané polohy a obecně komunikace se servem. Ačkoliv jsou dnes některá serva uvnitř řízena procesorem, je z důvodu kompatibility zachován způsob nastavování pomocí doby trvání pulzu v tranzistorové logice (TTL). Není tedy možné nastavovat další parametry a především nelze vyčítat aktuální hodnotu natočení serva. Každý takový pohon musí být propojen s centrální řídicí jednotkou vlastním kabelem, což v případě konstrukcí s většími počty pohonů přináší vážné problémy s kabeláží. Po zapnutí se serva skokem přestavují do pozice určené řídicím signálem, kterým je doba trvání pulzu analogového signálu (modulace šířkou pulzu – PWM).
 
K nedostatkům servomechanismů patří také pevná struktura algoritmu a parametrů regulátoru použitého v jejich konstrukci. Nelze s nimi tudíž např. vyvinout proměnný moment nebo sílu. Konstrukce modelářských serv dále neumožňuje použít je jako zdroje spojitého pohybu po delší dráze, např. k pohonu kol mobilních robotů apod. Serva totiž mají omezený rozsah natočení (obvykle 180° nebo méně) a nedovolují realizovat kontinuální otáčivý pohyb.
 
Některé z uvedených nedostatků nové generace digitálních serv již nemají, pro plnohodnotné a kvalitní řízení pohybu je však tato inovace stále ještě nedostatečná. Protože výroba vlastních pohonů, které by dokonale vyhovovaly požadavkům v oboru robotiky, je mimo možnosti většiny školních pracovišť, byl pracovníky ÚAMT hledán – a nalezen – vhodný systém pohonů na trhu.
 

Pohony Dynamixel

 
V současné době jsou na trhu k dispozici pohony od firmy Robotis [1], které již nemají většinu nedostatků vlastních modelářským servům. Jde o řadu pohonů s firemním označením Dynamixel, primárně určených ke stavbě humanoidních a zooidních robotů, např. ve stavebnici Bioloid [2].
 
K původní řadě motorů Dynamixel s označením AX jsou v současné době přidány dvě výkonnější a robustnější řady označené RX a EX. Ke každé z řad je k dispozici promyšlená sada spojovacích mechanických prvků, z nichž lze sestavovat různá ramena a mechanismy. Zatímco řada AX používá plastové spojovací prvky a v samotném pohonu plastové převody, řada RX je již vybavena kovovými převody i spojovacími prvky, takže je k použití při praktické výuce výhodnější (obr. 1).
 

Uspořádání pohonu RX-64

 
Pohony Dynamixel jsou digitální. Jádrem řídicí jednotky je mikroprocesor Atmel ATmega8, který přes spínací můstek H typu L6201 řídí motor Maxon RE-max. Motor pohání přes převodovku s převodem 1:200 výstupní hřídel pohonu. Poloha výstupní hřídele je snímána potenciometrem muRata SV01 [3]. Tento potenciometr měří úhel natočení v rozsahu 333,3°, ale může se kontinuálně otáčet. Napětí z potenciometru je desetibitovým A/D převodníkem převáděno na číselný údaj úhlové polohy hřídele. Z řady těchto údajů je pak běžným postupem vypočítávána i rychlost otáčení výstupní hřídele pro regulaci otáčivé rychlosti pohonu. Konstrukci pohonu ukazují obr. 2, obr. 3 a obr. 4.
 
Regulační struktura pohonu se skládá z regulačních smyček proudu (resp. točivého momentu), rychlosti a polohy (úhlu natočení). Žádané hodnoty úhlu natočení a rychlosti jsou do pohonu zadávány z nadřazeného počítače přes sériovou sběrnici. Touto cestou lze také měnit parametry regulačního obvodu a získávat aktuální údaje polohy výstupní hřídele, její rychlosti otáčení, točivého momentu atd.
 

Komunikační sběrnice

 
Pohony se ovládají prostřednictvím sběrnice RS-485, kterou také mohou být mezi sebou propojeny. Jde o dvouvodičovou sběrnici, ke které lze připojit až 254 daných pohonů s unikátními identifikačními čísly (ID). Pohony se připojují čtyřvodičovým kabelem vedoucím napájení, zem a komunikační signály (typu A a typu B). Každý pohon má dva navzájem vnitřně propojené konektory (vstup, výstup k dalšímu zařízení). Velkou předností celého zapojení je jeho rozšiřitelnost. Je-li do existující sítě třeba přidat další pohon, stačí sběrnici v libovolném místě rozpojit a vložit nový pohon. Malou daní za tuto variabilitu je nutnost mít sběrnici o čtyřech vodičích. Komunikační protokol přesně odpovídá potřebám při řízení sběrnice a připojených pohonů. Zpráva začíná jednoznačným identifikátorem začátku zprávy. Následují ID pohonu, údaj o délce zprávy, vlastní instrukce, hodnoty příslušných parametrů a jako závěrečný údaj kontrolní součet. Nachází-li se na sběrnici pohon s odeslaným ID, dorazí do řídicí jednotky obratem odpověď o vykonání příkazu, popř. chybové hlášení.
 

Technické parametry pohonu RX-64

 
Základní katalogové údaje pohonu jsou hmotnost 125 g, rozměry 40,2 × 61,1 × 41,0 mm, napájecí napětí 12 až 21 V DC. Na napájecím napětí jsou závislé mezní točivý moment (6,4 až 7,7 N·m) a maximální otáčky (asi 0,8 až 1 s–1). U pohonu je udáván rozlišovací krok 0,29° při rozsahu nastavení polohy 300° a možnost kontinuálního otáčení s možností nastavení otáček.
 
Uváděné údaje je ovšem nutné při použití pohonů v úlohách s většími požadavky na přesnost prověřit. Na obr. 5 jsou uvedeny výsledky několika měření, při nichž byl nezatížený pohon postupně přestavován po jednom inkrementu žádané hodnoty. Je patrné, že pohon v některých případech na jeden či několik inkrementů nereagoval. Průměrná hodnota pootočení připadající na jeden inkrement (ze všech uvedených měření) je 0,288°/inkrement. Co se týče řízení rychlosti pohonu při kontinuálním otáčení, nemá pohon, vzhledem k použitému potenciometru, rychlostní zpětnou vazbu. Je tedy třeba
provést kalibraci.
 

Podpora

 
Ze strany výrobce i příznivců internetu jsou produkty řady Dynamixel dobře podporovány. Na internetu existují volně ke stažení graficky pěkně zpracované programy pro řízení a nastavování parametrů pohonů a vývojové nástroje (SDK) pro mnohé z používaných programovacích jazyků, popř. prostředí (LabVIEW, Matlab, Java, Visual Basic, C/C++, C#, Python). Zkušenější programátoři jsou schopni si bez problémů napsat svoji vlastní knihovnu pro řízení těchto pohonů, která bude lépe vyhovovat jejich potřebám.
 

Závěr – doporučení

 
Díky grantu FRVŠ má skupina robotiky ÚAMT poměrně značné zkušenosti s používáním pohonů Dynamixel. Celkově lze říci, že jednotky jsou vhodné pro výuku robotiky i pro některé jednodušší reálné úlohy. Je však také důležité dodat, že při práci s jednotkami je třeba brát v úvahu skutečné hodnoty jejich parametrů a omezení, která jsou těmto pohonům vlastní. Určitým problémem může někdy být skutečnost, že s pohony se komunikuje prostřednictvím sběrnice RS-485. Z pohledu autorů jde však jednoznačně o přednost, protože jde o kvalitní komunikační sběrnici, která se v průmyslových úlohách používá zcela běžně. Studenti si tak vyzkouší připojení k mikroprocesorovému systému při použití této sběrnice, popř. mají k dispozici převodník mezi sběrnicemi RS-485 a USB, umožňující připojit systém pohonů k běžnému PC. Pro potřeby studentských projektů je vytvořena vlastní objektová knihovna v jazyce C#, která umožňuje nastavit a sejmout hodnoty všech parametrů jednotek Dynamixel, navíc s možností obsloužit libovolný počet těchto jednotek. Studenti jsou tak odděleni od samotného protokolu a mohou se soustředit na vlastní problém. Zkušenosti s využitím pohonů Dynamixel jsou ve skupině robotiky ÚAMT vcelku pozitivní, především v oblasti teleprezence (obr. 6). Při použití v úlohách vyžadujících větší přesnost a opakovatelnost chování pohonu je však zapotřebí postupovat velmi uvážlivě.
 
Poděkování
Článek vznikl s podporou projektu č. 2577/2010/F1/a Fondu rozvoje vysokých škol ministerstva školství, mládeže a tělovýchovy.
 
Internetové odkazy:
[1] Informace firmy Robotis [online]. Dostupné na <http://www.robotis.com/xe/> [cit. 2010-10-30].
[2] Informace firmy Robotis [online]. Dostupné na <http://www.robotis.com/xe/bioloid_en> [cit. 2010-10-30].
[3] Katalog firmy Murata [online]. Dostupné na <http://www.murata.com/catalog/r50/el0595.pdf> [cit. 2010-10-30].
 
prof. Ing. František Šolc, CSc.
doc. Ing. Luděk Žalud, Ph.D.
Ing. Tomáš Florián
ústav automatizace a měřicí techniky
FEKT VUT v Brně
 
Obr. 1. Pohon Dynamixel RX-64 opatřený spojovacími prvky (kovovými)
Obr. 2. Pohled na pohon ze strany odvrácené od hřídele
Obr. 3. Pohled na vnitřní uspořádání pohonu ze strany odvrácené od hřídele s vyklopenou deskou plošného spoje
Obr. 4. Pohled na pohon bez krytu ze strany hřídele
Obr. 5. Úhel natočení výstupní hřídele pohonu v závislosti na počtu požadovaných inkrementů
Obr. 6. Použití pohonů v mechanismu dálkového – teleprezenčního ovládání kamery