4. Исследовательская часть

Посвящена подготовке манипулятора Katana для проведения исследования механизма, обеспечивающего активную податливость с косвенным определением параметров в зависимости от изменения коэффициентов ПИД регулятора, разработке алгоритма податливости и его исследованию.

4.1 Робот-манипулятор Katana

 

 

Рисунок 2 – Робот-манипулятор Katana 200 (Neuronics)

Робот Katana является программируемым [5], но его базовые функции не дают возможности реализовать требуемую задачу. Невозможно, как получить данные от датчиков скорости и тока, так и изменять усилие в зависимости от внешних факторов, не связанных с работой его датчиков и не записанных в базовых функциях. 

Вместе с тем, высокая чувствительность приводов и точность позиционирования робота Katana позволяют получать данные с высокой точностью, достаточной для реализуемого задания.

Таким образом, первой задачей является  создание полностью свободно программируемой системы управления, которая позволит полностью управлять всеми аппаратными возможностями робота. Для этих целей первоначально была выбрана платформа Arduino Nano на базе микроконтроллера ATmega 168.

Для управления приводами был использован управляемый от Arduino мост  Gravitech.

Рисунок 3 – Внешний вид электропривода на основе Arduino (источник питания не показан)

На рисунке 3: 1 – Приводное устройство(MotorUnit)состоящее из редуктора, микромашины постоянного тока с постоянными магнитами и энкодера;

2 – ArduinoNano; 3 – Монокристальный управляемый мост Gravitech

С его помощью возможно управлять микромашинами постоянного тока с постоянными магнитами, используемыми в роботе Katana, с использованием ШИМ, а так же получать данные о величине тока якоря.

Так как регулирование контуров предполагалось изначально задать по закону ПИД регулирования, сформировав трёхконтурную СПР по положению, а на её основе создавать алгоритм, обеспечивающий адаптирующуюся податливость,  остро встала проблема точности данных обратных связей и расчёта коэффициентов дискретного ПИД регулятора. При реализации СПР на Arduino возникла проблема необходимости проведения большого количества расчётов, зависящих от времени, таких как подсчёт импульсов энкодера, формирование ШИМ, формирование диаграмм работы привода в зависимости от величины перемещения в контуре положения. Таким образом, появилась необходимость в использовании ещё одного контроллера. В дополнение к первому, была использована платформа Arduino MEGA.

С помощью связи по I2C шине, рассчитанные задания на скорость передавались на управляющую систему  – Arduino Nano. Это ещё усложнило расчёт коэффициентов ПИД регулирования и точного определения скорости, так как время выполнения программы и передачи по I2C шине оказывают влияние на их величину.

Рисунок 4 – Формула дискретного ПИД регулятора

Рисунок 5 – Формула учёта дискретности в постоянных времени

Решить проблему возможно было бы разделением функции обратной связи по скорости и по положению на разные контроллеры, но это потребовало бы использования ещё одного микроконтроллера. В дальнейшем, для компактности установки и упрощения работы с контроллерами более простым решением было бы использовать не платформу Arduino, а непосредственно микроконтроллеры ATmega. Так как использование таймеров уже требует работы с регистрами ATmega, выходящие за программные функции, обеспечиваемые Arduino на языке C++. Что позволило бы организовать такую их работу, которая не мешала бы формированию ШИМ. Также недостатком выбранной платформы оказалась недостаточная точность определения тока якоря.

Для упрощения работы с системой управления робота было решено заменить контроллер на базе платформы Arduino, специализированным контроллером EPOS 24/1 фирмы Maxon Motors.

Данный контроллер специально разработан для управления микромашинами постоянного тока в робототехнических системах и содержит высокоточные контуры регулирования с автоматическим подсчётом всех постоянных времени.  Он не содержит специализированного программного пакета для разработки программ, но разработчиками предусмотрена DLL библиотека для программирования контроллера на языке С++, что позволяет свободно его программировать.

Таким образом, выбор был остановлен на контроллере EPOS.

Рисунок 6 – Внешний вид электропривода на основе EPOS (источник питания не показан)

На рисунке: 6 – Приводное устройство(MotorUnit)состоящее из редуктора, микромашины постоянного тока с постоянными магнитами и энкодера;

2 – Контроллер EPOS; 3 – Преобразователь (RS-232/USB-COM)