FAKULTET STROJARSTVA I BRODOGRADNJE, ZGREB
Izravno prać enje i otkrivanje sudara industrijskog robota
Katedra za zavarene konstrukcije
Igor Kuš, 0035176220
Asistent: Maja Remenar
FSB, Zagreb Strojevi i oprema za zavarivanje Igor Kuš,0035176220
1
Contents 1. Uvod ...........................................................................................................................................2
2. Opis sustava i arhitektura simulatora ..........................................................................................3
Povezivanje s robotom ................................................................................................................3
3D virtualni simulator ..................................................................................................................5
3. Modeliranje sustava ....................................................................................................................6
Izravni geometrijski model ..........................................................................................................6
Obrnuti geometrijski model.........................................................................................................6
Izravni dinamički model robota ...................................................................................................7
Model pogonskog zgloba .............................................................................................................7
4. Algoritam za otkrivanje i uklanjanje mogućnosti sudara ............................................................ 10
5. Rezultati istraživanja i zaključak ................................................................................................ 11
6. Reference: ................................................................................................................................. 12
FSB, Zagreb Strojevi i oprema za zavarivanje Igor Kuš,0035176220
2
1. Uvod Razvojem novih tehnologija,a samim time i razvojem prateće opreme, proizvodni sustavi postaju sve
kompleksniji i sofisticiraniji. Svjedoci smo eksponencijalnog rasta primjene robota u industriji, ne
postoji više grana industrije u kojoj roboti barem djelomično nisu zamijenili čovjeka. Prednost
primjena robota nije samo da može obavljati teške i za čovjeka opasne poslove, već da poslove koji
se ponavljaju obavi dosljedno i jednolično.
Velika i automatizirana postrojenja zahtijevaju neprestano praćenje rada robota kako bi se izbjegli
nepoželjni sudari ili neželjene operacije. Takve neželjene radnje dovode do velikog gubitka vremena,
ali moguća su i materijalna oštećenja. Software koji se najčešće koristi za programiranje robota u
industriji je RobotStudio [1.]i SimPro [2.], no glavni nedostatak ovakvih programa je to što se
programiranje vrši offline te ne postoji izravno praćenje robota u njegovom radu.
U proteklih nekoliko godina počeo je razvoj aplikacija za otkrivanje i izbjegavanje prepreka u radnom
prostoru, a time i sudara. Većina tih aplikacija su Java3D virtualne simulacije koje simuliraju radni
prostor i radnu putanju robota te su bazirane na zatvorenom sustavu s povratnom vezom. Na taj
način moguće je spriječiti udar robota u neželjenu postojeću prepreku, ali i dalje nam ostaje problem
ranije nepredvidivih situacija i novonastalih problema.
U ovom seminaru opisan je razvoj 3D virtualnog simulatora na primjeru robota sa šest stupnjeva
slobode. Simulator je napravljen na temelju geometrijskog modela robotskog manipulatora i
dinamičkog modela pogona. Svrha ovog simulatora je izravno praćenje i otkrivanje sudara robota u
stvarnim operacijama tijekom proizvodnog procesa. Za izradu pogona zgloba robota potreban je
jedinstven pristup, takozvani „ bond graph“ koji blokovski prikazuje veze i prijenos energije između
elemenata sustava. Inovativni pristup na ovom modelu odnosi se na FDI(Fault Detection and
Isolation) modelu u svrhu otkrivanja i sprečavanja sudara industrijskog robotskog manipulatora. To se
postiglo korištenjem online virtualnog simulatora temeljenog na robotskom zglobu i pogonu.
Simulacija upozorava nadzorni sustav robota na eventualne udare u prepreke analizirajući reziduale u
vremenskom području.
FSB, Zagreb Strojevi i oprema za zavarivanje Igor Kuš,0035176220
3
2. Opis sustava i arhitektura simulatora Robot korišten u ovom istraživanju je ABBov robot manipulator oznake IRBI 40[3.]. Ovim uređajem
nije moguće ručno upravljanje već se njegov rad regulira pomoću sustava s povratnom vezom.
Karakterizira ga 6 stupnjeva slobode, moguće ga je koristiti za razne namjene kao što su: elektrolučno
zavarivanje, sklapanje, razvrstavanje, pakiranje itd.
Povezivanje s robotom
Za povezivanje s robotom koristi se WebWare SDK razvojni kit. Pomoću njega kreiramo korisničko
sučelje te povezujemo robota mrežnim kablom( propusnosti do 100Mb/s).
Na taj način možemo:
izmjenjivati programe između računala i robota
zapisivati i čitati ulazno/izlazne RAPID varijable
pokretati i zaustavljati naredbe
primati poruke i zapise robota
očitavati trenutnu poziciju robota
WebWare SDK ima punu podršku za Windows aplikacije izrađene Microsoftovim Visual Basicom,
virtualni 3D simulator napravljen je u DevC++. Sučelje se sastoji od 4 ActiveX naredbe, jedna od njih
je Help koji ima potpunu korisničku podršku za cijelo sučelje.
Slika 1: Manipulator IRBI 140
FSB, Zagreb Strojevi i oprema za zavarivanje Igor Kuš,0035176220
4
Slika 2:Blok prikaz komunikacije s robotom
Slika 3:Korisničko sučelje za komunikaciju s robotom
FSB, Zagreb Strojevi i oprema za zavarivanje Igor Kuš,0035176220
5
3D virtualni simulator
Preko LAN mreže sustav od robota dobiva izravne podatke te ih automatski prikazuje u 3D simulaciji i
analizi. Na taj način omogućeno je upravljanje robota preko mreže, kao i pregled robota i njegove
putanje iz svih kutova. Takav pristup uvelike povećava efikasnost i sigurnost programera robota.
Slika 4:Virtualni simulator
FSB, Zagreb Strojevi i oprema za zavarivanje Igor Kuš,0035176220
6
3. Modeliranje sustava
Izravni geometrijski model
Izravni geometrijski model daje nam mogućnost da proračunamo sve veze unutar robota prema zglobnim koordinatama koje utječu na radne koordinate robota. Parametri pričvršćivanja manipulatora određeni su po preporuci: Denavit and Hartenberg convention[4.], uzimajući manipulator kao idealno čvrsto tijelo. Na taj način određen je izravni model manipulatora, a koordinate nultočke prihvata alata prikazane su sljedećom jednadžbom:
Obrnuti geometrijski model
Ovaj pristup omogućuje nam da izračunamo koordinate zgloba pomoću poznatih veličina nultočke alata robota. Više je metoda kojima je moguće proračunati nultočku alata,a neke od njih su:
Paul metoda: metoda koja se najviše koristi u indsutriji. Ova metoda nastoji slijednom metodom izdvojiti i prepoznati zglobne varijable na način da množi odgovarajuću transformiranu matricu u svakoj fazi.[5.]
Piper metoda:koristi se da robote sa šest stupnjeva slobode s tri rotaciona ili tri translatorna pogonska zgloba.[6.]
Raghvan roth metoda:metoda za robote s maksimalno 6 zglobova, a rezultat je polinom 16. stupnja[7.]
FSB, Zagreb Strojevi i oprema za zavarivanje Igor Kuš,0035176220
7
Planiranje putanje: sastoji se od putanje kojom je prošao manipulator i vremena potrebnog da se prijeđe taj put. Putanja može biti planirana za svaki od zglobova ili cjelokupna u kartezijevom koordinatnom sustavu. Kod ove metode potrebno je prijeći željeni put preko postojećih prepreka kako bismo napravili točnu putanju, što može predstavljati razne probleme u realnom svijetu. Korištenjem obrnute kinematike i ove metode daje nam najjednostavniji i najbrži način da riješimo probleme radnog ograničenja.
Slika 5:Putanja robota
Izravni dinamički model robota
Ovim modelom opisujemo ubrzanja u zglobu u ovisnosti o poziciji, brzini i momentu zgloba.
Deriviranjem dobivene akceleracije u vremenu dobivamo trzaj, koji nam je veoma bitan za stabilnost
sustava. Prikaz ovisnosti akceleracije modela :
Nekoliko je matematičkih izraza kojime možemo prikazati dinamički sustav odabranog
modela(Lagrange, Newton-Euler). Lagrangeov izraz predstavlja jednadžbu gibanja opisujući ovisnost
rada i energije sustava. Dobivena(izlazna) snaga 6-osnog manipulatora jednaka je razlici Lagrangea(
koji opisuje kinetičku energiju) i potencijalne energije, a dana je izrazom[8.]:
Model pogonskog zgloba
Model sa šest stupnjeva slobode sastoji se od šest pogonskih dijelova. Svaki od njih sastoji se od tri
osnovne komponente; istosmjernog motora, zupčanog prijenosa i radnog/teretnog dijela.
Slika 6:Pogonski sklop manipulatora
FSB, Zagreb Strojevi i oprema za zavarivanje Igor Kuš,0035176220
8
Električni dio istosmjernog motora
Električni dio sastoji se od RL-strujnog kruga istosmjernog motora, a dijelovi koji ga čine su: el.
izvor(U), el. otpor(R), induktivna zavojnica(L) i elektromotorne sile (EMF) koja je linearna
elektromotornoj sili rotora.
Slika 7:RL-krug
Prijenosna funkcija ovog kruga tj. istosmjernog motora jednaka je idealnom Integralnom članu.
Ako je:
∫ ∫ ∫
( )
Kod prijenosa signala na daljinu važno je uzeti u obzir da promjena zahtjevane ili
poremećajne veličine na ulazu u stazu izaziva tek nakon mrtvog vremena Tm odgovarajuću
promjenu regulirane veličine koja aktivira regulacijski uređaj. Možemo zaključiti da mrtvo
vrijeme utječe na stabilnost regulacijskog kruga, regulacijski krug postaje nestabilniji.[9.]
Mehanički dio istosmjernog motora
Mehanički dio pogonskog dijela sastoji se od: momenta tromosti rotora J, faktora trenja f,
krutosti prijenosne osi K i momenta motora U.
Slika 8:Bond graph mehanički dio
FSB, Zagreb Strojevi i oprema za zavarivanje Igor Kuš,0035176220
9
Kod svakog elektro-mehaničkog sustava postoje mehanički gubitci koji umanjuju korisnost
našeg sustava. Kod svakog prijenosa snage, u ovom slučaju zupčanom prijenosu javljaju se
gubitci uslijed djelovanja trenja ulaskom i izlaskom zuba u zahvat. Snaga se prenosi oblikom,
a ne trenjem. Također potrebno je uzeti u obzir i momente tromosti svakog dijela sustava.
Prijenos snage i momenta elektro-mehaničkog pogona nije linearan te ovisi o zračnosti među
zubima. Utjecaj takvog praznog hoda na prijenos momenata prikazan je slikama:
Slika 9:Zračnost u zahvatu
Slika 10:Utjecaj zračnosti na prijenos momenta
FSB, Zagreb Strojevi i oprema za zavarivanje Igor Kuš,0035176220
10
4. Algoritam za otkrivanje i uklanjanje mogućnosti sudara Kako bi se otkrile prepreke i riješili problemi koji prepreke predstavljaju za zglobove
manipulatora, napravljen je FDI (Fault Detection and Isolation) algoritam[10.]. Generiranjem
FDI algoritma izravno iz „bond graph“ modela[11.]dobivamo matricu s odgovarajućim
popisom grešaka(FSM) i popis redundancija veza(ARR). ARR otkriva moguće vanjske
prepreke koje sprječavaju nesmetan rad manipulatora. FDI prikuplja reziduale s popisa ARR
te prikazuje razliku dinamičkog sustava u normalnim uvjetima rada te onih s preprekom.
Koraci generiranja FSM algoritma:
Izrada „bond graph“ modela na temelju glavnog problema prepreke
Udvostručenje senzora i prilagodba „bond grapha“ izvedenom problemu
Zapisivanje temeljnih veza za svaki spoj
Otklanjanje nepoznatih varijabli temeljnih veza uzimajući u obzir uzročne staze
„bond graph“ modela
Generiranje ARR liste i odgovarajuće FSM matrice
Slika 11:Generiranje reziduala pomoću virtualnog simulatora u realnom vremenu
FSB, Zagreb Strojevi i oprema za zavarivanje Igor Kuš,0035176220
11
5. Rezultati istraživanja i zaključak U ovom istraživanju u kojem je za primjer uzet robot oznake IRB 140 dobiveni su rezultati pomoću
modela u virtualnom simulatoru te je generiran FDI algoritam za generiranje i praćenje reziduala.
Na dijagramu 1 prikazano je ponašanje manipulatora u normalnim uvjetima rada, gdje možemo
vidjeti da je vrijednost reziduala jednaka 0 i da nema odstupanja. Kod nailaska manipulatora na
prepreku u dijagramu 2 očitujemo značajna odstupanja reziduala od nule te sukladno tome u
dijagramu 3 prikazani su kutni pomaci zglobova .
Dijagram 1:Vrijednosti reziduala u normalnim uvjetima
Dijagram 2:Vrijednosti reziduala nailaskom manipulatora na prepreku
Dijagram 3:Kutni pomak zglobova nailaskom manipulatora na prepreku
FSB, Zagreb Strojevi i oprema za zavarivanje Igor Kuš,0035176220
12
Ovakvim pristupom nadzora omogućeno nam je izravno (online) praćenje rada i radnog prostora
manipulatora te pravovremeno otkrivanje potencijalnih prepreka i ograničenja. Ovaj sustav uvelike
olakšava nadzor nad manipulatorom jer za nadzor nije potrebno biti kraj manipulatora, već se nadzor
može obavljati iz kontrolne sobe. Za razliku od manipulatora kod kojih se nailazak na prepreku
sprječava samo ugradnjom senzora (npr. kapacitivnih) korištenje virtualnog simulatora i FDI agoritma
olakšava nam pronalazak rješenja za nastavak rada kod nailaska na prepreku, time skraćujemo
vrijeme nepredviđenih zastoja i samim time podižemo kvalitetu procesa. Ovaj način možda nije
trenutno tehnološki najnapredniji, kao što bi bila primjena umjetnih neuronskih mreža koje bi u
teoriji uz primjenu odgovarajućih senzora predstavljale bolje i samostalnije rješenje, ali je trenutno
optimalno rješenje za otkrivanje mogućih smetnji pri radu manipulatora, gdje to uvjeti rada
zahtijevaju.
6. Reference: [1.] http://www.abb.com/product/seitp327/78fb236cae7e605dc1256f1e002a892c.aspx
[2.] http://www.simpro.it/home.php.
[3.] http://www.abb.com/
[4.] Hartenberg RS, Denavit JA. A kinematic notation for loxer pair mechanisms based on
matrices. J Appl Mech 1995;77:215–21.
[5.] Paul RCP. Robot manipulators: mathematics, programming and control. Cambridge: MIT
Press; 1981.
[6.] Pieper DL. The kinematics of manipulators under computer control. PhD thesis, Stanford
University; 1968.
[7.] Raghavan M, Roth B. Inverse kinematics of the general 6R manipulator and related
linkages. Trans ASME J Mech Des 1990;115:502–8.
[8.] Coiffet P. Modeling and control of robots. Hermčs, Paris, 156 p., ISBN:978-2-86601-079-9
(09/1986).
[9.] Tugomir Šurina, Automatska regulacija, treće izdanje, FSB;1987
[10.] Isermann R. Supervision, fault detection and fault diagnosis methods – an introduction.
Control Eng Pract 1997;5(5):639–52.
[11.] Ould Bouamama B, Samantaray AK, Staroswiecki M, Dauphin-Tanguy G. Derivation of
constraint relations from bond graph models for fault detection and isolation. In:
International conference on bond graph modeling and simulation (ICBGM’03),
Simulation series, vol. 35(2); 2003. p. 104–9.