Aktuální vydání

celé číslo

12

2021

Automatizace v chemickém a petrochemickém průmyslu

Průtokoměry a regulační ventily

celé číslo

Vývoj prototypů pneumatických paralelních manipulátorů

číslo 1/2006

Vývoj prototypů pneumatických paralelních manipulátorů

Ryszard Dindorf, Pawel Laski, Jakub Takosoglu

Článek popisuje vývoj prototypu paralelního manipulátoru s kinematickou strukturou 3-UPRR a následný výzkum prováděný na jeho virtuálních modelech. Cílem simulace na modelech bylo analyzovat kinematické parametry a navrhnout úpravy tak, aby bylo možné zvětšit pracovní prostor manipulátoru bez případných kolizí jednotlivých pohonů. Pomocí modelů bylo navrženo řízení manipulátoru prostřednictvím fuzzy regulátoru. Další výzkum bude zaměřen na analýzu a syntézu dynamického chování a programování manipulátoru.

1. Úvod

Vývoj automatizace a robotiky s sebou přinesl zvýšený zájem o pneumatické systémy, protože mají vynikající dynamické vlastnosti a jsou velmi spolehlivé. Použití pneumatických servopohonů ve víceosých manipulátorech je ovšem omezeno jejich v mnoha případech neuspokojivou přesností. Pneumatické servopohony v elektropneumatických systémech proto mnohdy vykonávají jen podpůrné operace a zajišťují vedlejší funkce.

Obr. 1.

Obr. 1. Prototyp pneumatického paralelního manipulátoru 3-UPRR

Karteziánský manipulátor s pneumaticky poháněnými osami v sériovém řetězci je klasifikován jako otevřená kinematická soustava. V sériových kinematických řetězcích způsobuje mechanické napětí, akumulované v jednotlivých osách, zhoršení přesnosti, s níž je dosaženo požadované pozice pneumatického manipulátoru. Paralelní mechanismy jsou naproti tomu mechanismy s uzavřenou kinematickou strukturou, v nichž je koncový člen spojen s nepohyblivou základnou nezávislými paralelními kinematickými řetězci. Roboty a stroje s takovou kinematickou strukturou se označují PKR – Parallel Kinematic Robots a PKM – Parallel Kinematic Machines [4]. Manipulátory s paralelní kinematickou strukturou dosahují lepší přesnosti a opakovatelnosti dosažení požadované pozice a mohou vyvozovat větší sílu než běžné manipulátory se sériovou kinematickou strukturou, protože jejich mechanická konstrukce je tužší. Také u obráběcích strojů s paralelní kinematickou strukturou lze dosáhnout větší tuhosti a lepších dynamických vlastností než u běžných strojů. Nesčetné paralelní (Nonapod, Hexapod, Tripod) a hybridní (Tricept, Dyna-M, Linapod) manipulátory využívají Stewartovu-Goughovu plošinu. V jejich názvech jsou obsažena označení druhů kinematických vazeb a počet stupňů volnosti (DoF – Degrees of Freedom). Šest základních kinematických vazeb používaných v paralelních manipulátorech je uvedeno v tab. 1 [5]. K výpočtu počtu stupňů volnosti u paralelních manipulátorů se používá Tsaiův vzorec [7].

Tab. 1.

Tab. 1. Základní kinematické vazby používané v paralelních manipulátorech

Do skupiny paralelních manipulátorů patří též translační paralelní manipulátory (TPM – Translantional Parallel Manipulators) se třemi stupni volnosti (3-DoF), které obsahují minimálně jeden prizmatický kloub. V této skupině jsou nejběžnější prostorové paralelní mechanismy se strukturou 3-PUU, 3-UPU, 3-UPS, 3-CPU, 3-PUS, 3-PCRR a planární paralelní mechanismy se strukturou 3-RPR, 3-PRR, 3-PPR a 3-RRR [6]. Jedním z nich se budou zabývat následující kapitoly.

2. Prototyp pneumatického paralelního manipulátoru

V oddělení mechatroniky Technické univerzity Kielce (Polsko) byl zkonstruován prototyp pneumatického translačního paralelního manipulátoru (PTPM) založeného na kinematické struktuře tripodu. Tento prototyp, vybavený přesným servopneumatickým polohovacím systémem od firmy Festo, je znázorněn na obr. 1. Manipulátor se skládá z nepohyblivé základny, pohyblivého koncového členu, tří pneumatických lineárních pohonů a pomocných zařízení [1], [3]. Obr. 2. Pohon každé osy je složen z pneumatického přímočarého bezpístnicového motoru DGPIL-25-600 s vestavěným odměřováním ve zpětné vazbě (vestavěný snímač Temposonic pro kontinuální odměřování), proporcionálního průtokového pneumatického ventilu 5/3 typu MPYE-5-1/8-HF-010B, jednotky rozhraní SPC-AIF a řídicího subsystému polohování SPC-200 (vše od společnosti Festo). Dále je pohon vybaven jednotkou rozhraní Ethernet-CAN. V symbolickém vyjádření lze kinematickou strukturu tohoto manipulátoru se třemi stupni volnosti popsat jako 3-UPRR. Každý ze tří identických kinematických řetězců manipulátoru se tedy skládá z těchto sériově řazených prvků: univerzálního Kardanova kloubu (U), prizmatického kloubu (P), tvořeného pneumatickým motorem, a dvou otočných kloubů (R). Unašeč pohonu je spojen s nepohyblivou základnou pomocí Kardanova kloubu U a hlava pneumatického válce s pohyblivým koncovým členem pomocí otočného kloubu R. Druhý otočný kloub R je umístěn na centrální části koncového členu, určené pro upevnění technologického zařízení nebo nástroje (TPC – Tool Point Center). Konstrukce manipulátoru zabezpečuje, že koncový člen a nepohyblivá základna zůstanou v každé poloze rovnoběžné. Představená konstrukce pneumatického paralelního manipulátoru 3-UPRR je zajímavým řešením ze skupiny paralelních manipulátorů 3-DoF TPM.

3. Výzkum vlastností pneumatického paralelního manipulátoru pomocí virtuálního modelu

Systémy CAD (Solidworks, Mechanical Desktop, Solid Edge), běžně používané konstruktéry strojů, umožňují vytvářet objemové trojrozměrné modely (solid models) komplexních mechanismů s paralelní kinematickou strukturou. Tyto modely byly použity k simulaci, jejímž cílem bylo analyzovat dosažení zadané pozice TPC, které je výsledkem pohybů jednotlivých přímočarých pneumatických motorů, nezávisle řízených servoventily. Objemový model manipulátoru 3-UPRR vytvořený v Solidworks je znázorněn na obr. 2. Pro záznam geometrických a pneumatických vztahů je možné použít kinematický model podle obr. 3. Pohyb manipulátoru byl simulován s využitím nástroje Dynamic Designer Motion, který je ovládán prostřednictvím grafického rozhraní SolidWorks. Pro simulaci bylo nutné stanovit základní parametry modelu, kinematické dvojice a omezující podmínky pohybu. Na základě zadaných vlastností použitých materiálů, rozměrů a tvaru jednotlivých částí byla spočítána jejich hmotnost. V některých případech bylo nutné zavést kinematické dvojice vyjadřující tuhost konstrukce. Výsledky simulace byly uloženy ve formátu AVI (Audio Video Interleave).

Obr. 3.

Obr. 2. Objemový model pneumatického paralelního manipulátoru 3-UPRR
Obr. 3. Kinematické schéma pneumatického paralelního manipulátoru 3-UPRR

Protože možnosti simulace kinematických i dynamických vlastností manipulátoru v Solidworks jsou omezené, byl pro další simulaci použit Simmechanics, součást softwarové sady Matlab-Simulink (Mathworks). Knihovna Simmechanics totiž umožňuje v jediném modelu analyzovat jak kinematické, tak dynamické vlastnosti manipulátoru. V simulacích založených na SimMechanics byl vytvořen ekvivalentní model tripodu s naznačením jeho prostorové orientace. V knihovně SimMechanics jsou všechny objemové prvky manipulátoru popsány pomocí elipsoidů setrvačnosti a jsou jim přiřazeny jejich hmotnosti a tenzory momentu setrvačnosti. V Simulinku je potom model manipulátoru propojen se svým řídicím systémem. Na obr. 4 je ekvivalentní model popisovaného pneumatického manipulátoru vytvořený popsaným způsobem. Ekvivalentní model zachovává kinematické vazby a prostorovou orientaci modelu vytvořeného s využitím Solidworks. Pro vytvoření ekvivalentního modelu je nutné určit souřadnice těžišť jednotlivých prostorových prvků v absolutních i relativních souřadnicích. Blokové schéma kinematického modelu vytvořeného pomocí Simmechanics je uvedeno na obr. 5.

Obr. 4. Obr. 6.

Obr. 4. Ekvivalentní model pneumatického paralelního manipulátoru 3-UPRR
Obr. 6. Příklad trajektorie koncového členu pneumatického paralelního manipulátoru 3-UPRR

Tento model byl posléze použit pro analýzu trajektorií TPC při pohybu manipulátoru. Příklad výsledku simulace, trajektorie TPC v karteziánských souřadnicích, je na obr. 6. Simulace pomocí tohoto modelu byla doplněna o analýzu řízení manipulátoru. S využitím simulace a experimentů s modelem bylo určováno a optimalizováno nastavení různých druhů regulátorů pohonů. Pro řízení jednotlivých servopneumatických os byly použity fuzzy regulátory (FLC – Fuzzy Logic Controller) typu PD se dvěma vstupy (e(t) – odchylka polohy a De(t) – změna odchylky polohy) a s jedním výstupem u(t) – napětí na cívce servoventilu. V procesu fuzzyfikace byly použity příslušnostní funkce typu min, pro aktivaci implikační operátory typu min a pro operaci agregace výstupních pravidel operátory typu max. Byl použit soubor celkem dvaceti pěti fuzzy pravidel. Pro defuzzyfikaci byla použita metoda souřadnice svislého řezu (CoA – Centre of Area). Použití FLC zlepšuje dynamické vlastnosti manipulátoru a přesnost dosažení žádané pozice a eliminuje poruchy vznikající v řídicím systému manipulátoru.

Obr. 5.

Obr. 5. Blokový diagram pneumatického paralelního manipulátoru 3-UPRR

Výzkum ukázal použitelnost fuzzy logiky pro řízení pneumatických paralelních manipulátorů s různými podobami kinematických řetězců. Paralelní manipulátory se servopneumatickými pohony, kde se uplatňují pokročilé metody řízení, se ukázaly být vhodné pro rychlou a přesnou třísouřadnicovou manipulaci typu pick and place (uchop a přemísti).

4. Závěr

Výzkum prováděný na virtuálních modelech zkrátil dobu potřebnou pro konstrukci prototypu pneumatického paralelního manipulátoru 3-UPRR. Analýza geometrických a kinematických vlastností prototypu vedla k četným změnám a modifikacím konstrukce, jejichž cílem bylo zvětšit pracovní prostor manipulátoru bez případných kolizí jednotlivých lineárních pohonů. Výzkum také umožnil závěrečnou optimalizaci konstrukce manipulátoru a návrh jeho řízení. Náš další výzkum bude zaměřen na analýzu a syntézu dynamického chování a programování manipulátoru.

Očekává se, že manipulátor s kinematickou strukturou 3-UPRR najde uplatnění zejména při manipulaci s předměty v průmyslové výrobě nebo v rehabilitační medicíně.

Literatura:
[1] DINDORF, R. – LASKI, P.: Model research of pneumatic parallel manipulator. Pomiary Automatyka Kontrola, 2005, Nr. 6.
[2] DINDORF, R. – TAKOSOGLU, J.: Analysis of pneumatic servo-drive using fuzzy controller. Pneumatyka, 2005, 1.
[3] LASKI, P.: Prototyping of electro-pneumatic manipulator a tripod structure. Hydraulika i Pneumatyka, 2004, 6.
[4] HEBSACKER, M.: Entwurf und Bewertung Paralleler Werkzeugmaschinen – das Hexagliede. ETH, Zürich, 2000.
[5] MERLET, J. P.: Parallel robot. Springer Verlag. New York, London, 2000.
[6] COMPANY, O.: Machines-outils rapides a structure parallele. Méthodologie de conception, applications et nouveaux concepts. Universite Montpellier II, Sciences et Techniques du Languedoc, Montpellier, 2000.
[7] TSAI, L. W.: Robot Analysis: The Mechanics of Serial and Parallel Manipulators. John Wiley & Sons, New York, 1999.

Prof. Ryszard Dindorf
(dindorf@tu.kielce.pl),
Msc. Eng. Pawel Laski
(laskip@eden.tu.kielce.pl),
Msc. Jakub Takosoglu
(qba@asystent.tu.kielce.pl),
oddělení mechatroniky,
Fakulta mechatroniky a strojního inženýrství, Technická univerzita Kielce