Технические науки/ 11 Робототехника
Богданов
Д.Р., д.т.н. Даринцев О.В.
Институт
механики Уфимского научного центра РАН, Россия
Разработка информационной подсистемы многозвенного манипулятора на базе
ПЛИС
В области манипуляторов специального
назначения в особый класс можно выделить манипуляторы типа «хобот», работа
которых реализуется на приводах разного типа, также различаются их
кинематические схемы. Разрабатываемый авторами манипулятор [1] отличается от
известных тем, что его звенья не имеют жёсткой связи между собой. Так предлагаемый
вариант, по сравнению с классическими шарнирными манипуляторами, обеспечивает
более высокую гибкость, возможность захвата объектов их обхватом, полное размыкание
звеньев при ускоренных движениях и одновременном ослаблении тросов, возможность
формирования движения типа «встряхивание» для расклинивания манипулятора.
Звенья, составляющие манипулятор, имеют
внешнюю сферическую поверхность и перекатываются друг относительно друга при
натяжении и перемещении четырех тросов. Тросы, проходящие через звенья, должны
натягиваться и ослабляться попарно, причём натяжение всех тросов должно быть
одинаковым по усилиям, синхронным и достаточным, чтобы обеспечить условие квазистатического
равновесия в точке позиционирования:
.
На сегодняшний день разработан
экспериментальный стенд многозвенного манипулятора (МЗМ), с помощью которого
предполагается провести тестирование разрабатываемых стратегического,
тактического и исполнительного уровней управления манипулятором. На основе полученных
данных в дальнейшем будут проведены корректировка и модернизация кинематической
и динамической моделей, алгоритмов управления. Структурная схема стенда МЗМ
представлена на рис. 1. Можно выделить три основных компонента стенда: терминал,
модуль управления МЗМ (МУ МЗМ) и узел перемещения тросов (УПТ).
Рис. 1 – Структурная схема МЗМ:
К ‑ клавиатура; М ‑ манипулятор
типа «мышь»; УПТ – узел перемещения тросов; ДПТ1…4 – двигатели
постоянного тока 1…4; ДПН1…4 – датчики перемещения и натяжения 1…4; МУ МЗМ – модуль
управления МЗМ; ПДД МЗМ – плата драйверов двигателей МЗМ; ППОС – плата
предварительной обработки сигналов с УПТ
На уровне терминала реализуются
стратегический и тактический уровни планирования-управления МЗМ, модуль
управления МЗМ (МУ МЗМ) и узел перемещения тросов (УПТ) составляют исполнительный
уровень системы управления.
МУ МЗМ состоит из следующих частей:
- контроллер для расчёта и поддержания
необходимой скорости перемещения тросов;
- плата первичной обработки сигналов
(ППОС), полученных с узлов перемещения тросов и блокировки двигателей МЗМ,
осуществляемых по сигналам концевых датчиков с УПТ;
- плата драйверов двигателей МЗМ.
В состав УПТ входят четыре двигателя
постоянного типа (ДПТ) и датчики перемещения и натяжения троса (ДПН).
Двигатели ДПТ1, ДПТ3 и ДПТ2, ДПТ4 реализуют путем совместной работы
единый привод сегмента манипулятора. Если движение происходит строго в
плоскости, образованной тросами 1, 3, тогда работа соответствующих двигателей
осуществляется в противофазе (например, ДПТ1 натягивает трос, а ДПТ3
отпускает), обеспечивая при этом одинаковое натяжение тросов. Двигатели ДПТ2, ДПТ4
при этом работают синфазно, поддерживая одинаковое натяжение тросов 2, 4 для
исключения сваливания звеньев манипулятора вбок.
Поэтому принципиальное значение для
управления подобным манипулятором имеет обратная связь по перемещению и
натяжению тросов. Для этого был разработан и реализован 4-х канальный датчик
перемещения и натяжения тросов. Особенности реализации датчика видны из
кинематической схемы, представленной на рис. 2.
Датчики каждого из каналов идентичны,
поэтому для понимания принципа организации информационной системы достаточно
рассмотреть работу датчика на примере одной пары каналов. Ролики 2 и 5 играют
роль направляющих для троса. Оси роликов установлены на подшипники качения. На
оси ролика 5 установлен оптический энкодер инкрементного типа (16384
импульсов/оборот), позволяющий измерить поворот оси ролика и соответственно
перемещение L троса с дискретностью
4,985мкм:
,
где R ‑ радиус
ролика, мм ; a – угол поворота
ролика, рад.; N ‑ количество
импульсов с энкодера; W ‑ цена
деления одного импульса, рад/имп (характеристика энкодера).
Рис 2.
Кинематическая схема МЗМ в одной плоскости:
1, 12 ‑ двигатели
постоянного тока для перемещения тросов 1, 3 (ДПТ1, ДПТ3); 2, 5, 13, 16 ‑ направляющие
ролики; 3,14 ‑ натяжные ролики; 4, 15 – коромысло; 6,
17 – пружины растяжения; 7 – первое опорное звено МЗМ; 8 ‑ промежуточные
звенья; 9 – последнее звено МЗМ; 10, 18 – энкодеры абсолютного типа
(ЛИР-ДА-219А); 11, 19 – энкодеры инкрементного типа (ЛИР-219А); 20 ‑ тросы
Ролик 3 через ось и подшипник установлен
на консоль коромысла, второй конец которого через пружину растяжения
фиксируется к корпусу датчика.
Приём и предварительная обработка сигналов
с энкодеров выполняется в ППОС. Как видно из структурной схемы платы обработки
сигналов (рис. 3) дифференциальные сигналы с энкодеров инкрементного типа,
предназначенных для измерения перемещения тросов, через приёмники дифференциальных сигналов (ПДС ЭИ1
‑ ПДСЭИ4) поступают на входы программируемой логической интегральной
схемы (ПЛИС).
Рис 3. Структурная схема платы обработки сигналов с
4-х канального датчика перемещения и натяжения тросов МЗМ
В модуле обработки сигналов с энкодера
инкрементного типа (МОС ЭИ) производятся следующие операции:
- выделение из фронтов квадратурных
(сдвинутых друг относительно друга на 90град) сигналов A и B счётных импульсов и
формирование сигнала направления счёта. Далее эти сигналы поступают на 16-ти
разрядный счётчик;
- обработка нулевого (реперного) сигнала С, которая заключается в инкременте или
декременте содержимого счётчика, в зависимости от направления движения оси
энкодера, на значение N (количество
импульсов на один оборот энкодера);
- перезапись содержимого счётчика в
буферный регистр по синхронизирующему импульсу, поступающему с модуля обработки
сигналов энкодеров абсолютного типа (МОС ЭА).
Схема приёма данных с энкодеров
абсолютного типа (ЭА) работает следующим образом. При поступлении сигнала
фиксации состояния энкодеров (СФСЭ) с микроконтроллера, автомат опроса ЭА
формирует последовательность N+1
импульсов (N ‑ разрядность
энкодера). Содержание внутреннего содержимого счётчика энкодера фиксируется в выходном
регистре энкодера первым спадающим фронтом последовательности импульсов. На
каждый последующий импульс, энкодер выдает содержимое выходного регистра в последовательном
коде, начиная со старшего разряда. Так как физический интерфейс ЭА реализован
на базе дифференциальных сигналов (интерфейс SSI), между выводами ПЛИС и ЭА установлены приёмники и передатчики
дифференциальных сигналов (ППДС ЭА). Сигналы с ППДС ЭА поступают далее на
регистр сдвига, формируя параллельный код значения ЭА.
Для того чтобы значения с энкодеров
инкрементного типа и абсолютного типа снимались одновременно, в автомате ЭА по
сигналу, который фиксирует значение ЭА, формируется синхронизирующий сигнал для
фиксации значений ЭИ. Таким образом, происходит одновременное считывание данных
с энкодеров ДПН и параллельная первичная обработка сигналов в ППОС по синхроимпульсу,
поступающему с микроконтроллера. Это позволяет обеспечить требуемую синхронность
в системе управлении двигателями. После расчёта необходимых значений скорости
вращения двигателей производится одномоментная загрузка новых значений ШИМ в
микроконтроллер, пропорциональных скорости приводов УПТ.
Для обеспечения необходимого диапазона
натяжений тросов на коромыслах датчиков натяжения тросов установлены магниты из
редкоземельных металлов диаметром 2 мм и высотой 2 мм, которые вызывают
срабатывание концевых выключателей, построенных на основе датчиков Холла, в
крайних положениях коромысел. Сигналы с концевых выключателей поступают в
модуль обработки концевых выключателей (МОКВ), где происходит их фильтрация и
формируется байт состояния концевых выключателей, который может быть прочитан
по необходимости микроконтроллером через буферный регистр. Сигналы с выхода
МОКВ поступают также на модуль блокировки приводов (МБП), который в зависимости
от их значения блокирует соответствующие сигналы управления приводами, поступающие
с контроллера (СУП_МК). Далее, с выхода МБП сигналы управления приводами (СУП)
поступают на плату ПДД МЗМ, что позволяет блокировать вращение двигателей в
направлениях, вызвавших срабатывание концевых выключателей.
Модуль
SPI в ПЛИС реализует обмен данными с микроконтроллером. ПЛИС в данном случае играет роль пассивного
(ведомого) устройства, т.е. все процессы по обмену данными инициирует
микроконтроллер в соответствии с внутренней программой.
Для реализации платы первичной обработки
сигналов ППОС применена микросхема типа EPM1270TC144-5 фирмы ALTERA, внутренняя структура которой была разработана фирменным средством
проектирования QUARTUS II [2]. При
этом была использована примерно половина доступных ресурсов микросхемы. При
дальнейшем усовершенствовании информационной подсистемы манипулятора в случае
реализации части интеллектуальных алгоритмов аппаратным способом, перенос уже
разработанной и отлаженной структуры в новую, более емкую, микросхему ПЛИС не
вызовет никаких затруднений.
Предварительная апробация разработанной
схемы показала высокое быстродействие и надежность предлагаемого решения,
возможность дальнейшего усовершенствования исполнительного уровня системы за
счет аппаратной реализации алгоритмов обработки данных на базе ПЛИС.
Работа по данной тематике проводится
авторами в рамках выполнения гранта РФФИ 10-08-00567-а.
Литература:
1.
Д.Р. Богданов, О.В.
Даринцев, С.В. Сильнова Модельное наполнение интеллектуальной системы управления
многозвенным манипулятором // Материалы Межд. науч.-техн. конференции ИИ-2010
– Донецк, ИПИИ, 2010. - С. 461-468.
2.
http://www.altera.com/literature/hb/max2/max2_mii5v1.pdf / MAX II
Device Handbook, Руководство пользователя
и описание ПЛИС.