Aktuální vydání

celé číslo

08

2020

Mozaika novinek a informací

Restart ekonomiky

celé číslo

Řízení unikátní robotické paže s využitím metody Model-Based Design

V robotických systémech se uplatňuje nepřeberně nepřeberné množství nových nápadů a inovací. Nové koncepce usnadňují interakci robotů s lidmi, a to nejen z hlediska funkčních schopností, ale i bezpečnosti. K prudkému rozvoji robotiky přispívají i moderní vývojové postupy, jako je metoda zvaná Model-Based Design realizovaná při použití nástrojů Matlab®a Simulink® od firmy MathWorks®.

Společnost Festo AG, inspirována pohybovými schopnostmi sloního chobotu, vyvinula zcela nový typ mechatronické paže s názvem Bionic Handling Assistant (obr. 1). Na rozdíl od průmyslových robotických ramen, která jsou obvykle umisťována do ochranných klecí, je paže Bionic Handling Assistant navržena tak, aby mohla být v přímém kontaktu s lidmi. Mechanická část paže je vyrobena z lehkých plastových dílů poháněných stlačeným vzduchem, takže náhodný fyzický kontakt člověka s ní je neškodný. Bezpečnost hlídá také řídicí systém pneumatiky.

Robotická paže Bionic Handling Assistant představuje složitý systém s jedenácti stupni volnosti zahrnující dvanáct komor, třináct pneumatických pohonů a dvanáct snímačů polohy. Pohyb paže s hmotností 1,8 kg a délkou 1,1 m řídí dvanáct regulátorů tlaku a dvanáct regulátorů polohy, které musí pracovat ve vzájemném souladu. Pneumatické systémy jsou výrazně nelineární a „chobot“ je elastický, takže nebylo možné použít jednoduché PID regulátory. Optimální odezvy řídicího systému bylo dosaženo aktivním tlumením vibrací a použitím specializovaných nelineárních stavových modelů ve spojení se zpětnovazebními i dopřednými řídicími strukturami.

Model-Based Design

Úkolem vývojářů bylo namísto nákladné specializované elektroniky vytvořit řídicí systém na základě sériově vyráběného hardwaru kategorie programovatelného automatu (PLC). V předchozích projektech byly programy pro PLC sestavovány ručně. Algoritmus řízení paže Bionic Handling Assistant je však pro tento způsob práce příliš složitý. Proto byl software řídicího systému paže navržen metodou Model-Based Design (MBD) při použití nástrojů Matlab a Simulink (obr. 2).

Základem procesu návrhu metodou Model-Based Design je model řízené soustavy a jejího řídicího systému v prostředí Simulink. Model je využíván v celém vývojovém procesu od stanovení požadavků na finální zařízení, přes návrh řídicího systému až po jeho použití na cílové řídicí platformě a ověření prototypu celého zařízení. Model zařízení je během vývoje průběžně zpřesňován a jeho kvalita je ověřována při simulacích. Jestliže úloha vyžaduje zavedení navrženého řídicího systému na softwarovou/hardwarovou platformu, metoda MBD nabízí automatické generování kódu z modelu v prostředí Simulink, a to včetně kódu pro systémy pracující v pevné řádové čárce nebo systémy reálného času. Automatické generování kódu nejen zásadně zkracuje dobu potřebnou na vývoj, ale také odstraňuje obvyklé a časté chyby vznikající při manuálním psaní programů.

Od modelu k výslednému zařízení

Vývojáři firmy Festo sestavili v prostředí Simulink matematické modely pneumatických komor, z nichž je robotická paže složena, a navrhli řídicí systém, jehož funkce ověřili simulacemi.

Z modelu řídicího systému byl automaticky vygenerován zdrojový kód v jazyce C. Kód byl poté použitý s prototypovým hardwarem, s nímž proběhly počáteční laboratorní zkoušky. Naměřené údaje byly využity ke zpřesnění modelu řízené soustavy a následující optimalizaci řídicího systému vedoucí ke zlepšení výkonnosti a stability zařízení.

Poté byl využit nástroj Simulink PLC Coder, který z optimalizovaného modelu řídicího systému přímo vygeneroval řídicí program v podobě strukturovaného textu podle normy IEC 61131 (Structured Text – ST). Strukturovaný text byl importován do vývojového prostředí CoDeSys IDE od firmy 3S-Smart Software Solutions. Zde byl zkompilován a zaveden do PLC typu Festo CMXR-C2.

Algoritmy zavedené do PLC byly ověřeny porovnáním frekvenční charakteristiky a časové odezvy zařízení s výsledky získanými z modelů v prostředí Simulink. Díky použité metodě automatického zavádění řídicích algoritmů do sériového PLC bylo možné prvotní návrh snadno iterovat. Opakovaným laděním modelů a generováním variant strukturovaného textu bylo dosaženo optimální funkce celého zařízení.

Závěr

Robotická paže Bionic Handling Assistant byla úspěšně prezentována na mnoha místech světa a získala ocenění v Evropě a Severní Americe.

Metoda Model-Based Design umožnila modelovat, simulovat, optimalizovat i generovat kód pro realizaci regulátoru ve společném, jednotném prostředí. Výsledkem je větší efektivita procesu vývoj. Firma Festo nyní používá nástroj Simulink PLC Coder a standardní PLC při vývoji dalších pokročilých mechatronických systémů, které by cestou vývoje specializovaných řídicích jednotek nebyly z ekonomických důvodů realizovatelné. 

(Humusoft s. r. o.)

Obr. 1. Robotická paže Bionic Handling Assistant od firmy Festo (foto: Festo AG)

Obr. 2. Princip programování PLC metodou Model-Based Design