Експерименту з віддаленим керуванням «Robot Arm»
Кінематичний аналіз робота 6DoIt Mobile Robot Arm (6DMRA)
Мотивація:
Метою створення лабораторного стенду з віддаленим керуванням «Robot Arm», є реалізація можливості дослідження кінематики руху робота маніпулятора на прикладі зменшеної версії промислового роботу з 6 ступенями свободи - 6DOF DoIt Mobile Robot Arm (DMRA), в задачах мехатроніки. З можливістю оцінки перехідних процесів, що виникають у безщіткових двигунах постійного струму.
Головною задачею проекту – є реалізація віддаленого керування засобами Web-інтерфейсу для виконання лабораторних робіт в рамках дисципліни «Мехатронні комплекси та системи» для студентів 5 та 6 курсів. Даний стенд є частиною вже існуючих лабораторних стендів з віддаленим доступом, що були створені в рамках проекту Laboratories Across Borders (LAB) у співпраці між університетом «Reutlingen University», Germany та Dnipro University of Technology, Ukraine.
Лабораторні роботи, які були розроблені в рамках цього проекту присвячені наступним питанням:
- Виконанню кінематичного аналізу DMRA (рис.1).
- Вирішенню прямої задачі кінематики за допомогою метода Денавіта-Хартенберга.
- Прив’язці систем координат до зчленувань маніпулятора.
- Визначенню параметрів ланок і зчленувань.
- Побудові однорідних матриць перетворення.
- Вирішенню зворотної задачі кінематики.
- Розрахуноку координат \((x_i, y_i, z_i )\) кожної ланки.
Посилання на сторінку експерименту:
Методичні вказівки:
«Вивчення конструкції, параметрів та кінематичної схеми робота 6DoIt Mobile Robot Arm (6DMRA)»
«Кінематичний аналіз робота 6DoIt Mobile Robot Arm (6DMRA)»
«Кінематичний аналіз робота DMRA: зворотна задача кінематики»
Будова стенду
Лабораторну установку «Robot Arm» представлено на рис.3. Вона представляє собою зменшену версію промислового роботу 6DOF DoIt Mobile Robot Arm з 6 ступенями свободи. Рухливі ланки кінематичних пар робота приводяться у рух сервоприводами на базі безщіткового двигуна постійного струму моделі DS3218 (рис.2).
Двигуни з позначеннями М1-М7 розташовані на позиціях, показаних на рис.3. Крім серводвигунів на стенді розташовані інші елементи системи живлення і керування роботом. Відомості про які наведено нижче.
Стенд складається з наступних компонентів:
- А1 – Перший з двох контролерів Arduino Uno, який призначений для керування серводвигунами стенду «Robot Arm» (М1-М7).
- А2 – Додаткова плата розширення Servo Shield Board, що має роз'єми для підключення серводвигунів, інтерфейс для підключення до Arduino Uno, а також логіку керування, яка дозволяє легко програмувати та керувати кожним серводвигуном окремо.
- А3 – Power Supply представляє собою електронний блок живлення, який забезпечує енергією всі елементи схеми.
- А4 – Другий з двох контролерів Arduino Uno, який призначений для опитування давачів стенду «Robot Arm».
- А5, A6, A7 – Модуль давача MPU-6050, що поєднує функції акселерометра і гіроскопа в одному корпусі з 6-координатним (6DOF).
- A8 – Модуль TCA9548A представляє собою мультиплексор або комутатор для I2C (Inter-Integrated Circuit) шини. Він дозволяє розширити кількість під’єднаних пристроїв з 1 до 8, що одночасно приєднуються та передають дані по I2C через один з’єднувальний пін.
- A9, A10, A11 – ДМодуль давача INA3221, який призначений для вимірювання напруги та струму в електричних ланцюгах окремо по трьох каналах.
- R1 – Raspberry Pi 4, яка виконує роль сервера та здійснює комунікацію по COM порту з системою керування стенду - Arduino Uno (A1-A4).
Принцип роботи системи керування:
Принцип роботи системи керування стендом розглянемо на прикладі його функціональної схеми (рис.4).
Формування керуючого впливу на стенд «Robot Arm» відбувається шляхом завдання відповідних параметрів за допомогою віддалено Web-інтерфейсу керування. Даний інтерфейс реалізовано на базі платформи Raspberry Pi 4 (R1), яка виконує роль сервера. Інтерфейс представляє з себе Web-сторінку, доступ до якої можна отримати віддалено за допомогою PC, планшета або смартфона користуючись більшістю сучасних Web браузерів. Керуючий вплив у вигляді пакету даних передається з Raspberry Pi 4 до однієї з системи керування стендом - Arduino Uno (A1) за допомогою COM порту, шляхом під’єднання по USB-type B. Після опрацювання отриманого пакету даних Arduino Uno (А1) формує завдання на кут повороту кожного з серводвигунів M1-M7 з метою зміни положення робо-руки маніпулятора у просторі.
Серводвигуни M1-M7 підключаються безпосередньо до одного з вихідних каналів встановленої на Arduino Uno (А1) - плати розширення Servo Shield Board (А2), яка містить необхідні компоненти і логіку для генерації PWM-сигналів (ШІМ - Широтно-імпульсної модуляції), потрібних для керування кутом повороту серводвигунів.
Живлення всіх складових частин схеми відбувається за допомогою блоку живлення Power Supply (A3).
До кожного з серводвигунів M1-M7 під’єднаний відповідний вимірювальний канал одного з трьох давачів INA3221 (A9, A10, A11) з метою вимірювання напруги та струму, що протікає через кожен з них.
З метою вимірювання прискорення та кутової швидкості досліджуваного об'єкта в просторі та визначення його координат \((x_0, y_0, z_0)\) використовуються три модулі давача MPU-6050 (А5, A6, A7). Модуль об'єднує в собі триосевий гіроскоп (для вимірювання кутової швидкості) та триосевий акселерометр (для вимірювання прискорення) – 6DOF.
Всі вказані давачі підключаються до другого з двох контролерів Arduino Uno (A4) за допомогою модуля мультиплексора для I2C (Inter-Integrated Circuit) шини TCA9548A (А8), який спрощує одночасну комунікацію великої кількості давачів на одній лінії I2C. Потік даних від давачів зчитуються у режимі реального часу за допомогою Arduino Uno (А4), яка формує їх у пакет даних, що передається до Raspberry Pi 4 за допомогою COM порту шляхом під’єднання по USB-type B. Отриманий потік даних відображається на Web сторінці засобами вбудованого на сторінку вікна перегляду графіків.
Хід виконання лабораторних роботи можна оцінити в режимі реального часу за допомогою IP камери, що встановлена на конструкції «Robot Arm».