CC BY
16МАТЕМАТИКА И ИНФОРМАТИКА
УДК 621.86
ОРГАНИЗАЦИЯ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ НЕСКОЛЬКИХ МАНИПУЛЯТОРОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕХАНИЗМОВ УДАЛЕННОГО УПРАВЛЕНИЯ
А. Ю. Карпутина, Р. А. Бандурин
ФГБОУ ВО «Брянский государственный университет имени академика И.Г. Петровского»
В статье предложена распределенная система управления производственной линии, состоящей из двух манипуляторов, объединенных проводной или беспроводной сетью, и конвейерной ленты. Разработана структура системы, основные алгоритмы управления, а также реализующие их программы. Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект №17-79-10274). Ключевые слова: манипулятор, манипуляционная система, удаленное управление, взаимодействие.
Манипуляторы используются в качестве исполнительного органа в различных машинах (промышленные роботы, транспортно-технологические машины). В настоящее время проводятся научные исследования, направленные на разработку системы удаленного управления, позволяющей организовать взаимодействия нескольких манипуляторов. Для проектирования, разработки и настройки разрабатываемой системы удаленного управления предлагается использовать виртуальные модели манипуляторов, моделирование рабочих процессов в которых выполняется с использованием подходов, предложенных в [1-6].
Манипуляторы используются на сборочных поточных линиях. В настоящей работе рассматривается система, состоящая из двух манипуляторов, объединенных проводной или беспроводной сетью, и конвейерной ленты, имитирующей обслуживаемую сборочную линию (рис.1).
Рис. 1. Общий вид системы. 1, 2 - связанные сетью манипуляторы, 3 - конвейерная лента, 4 - объект манипулирования (груз)
Трехзвенный манипулятор (рис. 2, а) установлен на поворотной платформе. На конце установлен грузозахватный орган (рис. 2, б).
а) б)
Рис. 2. Внешний вид манипулятора: а - манипулятор, б - грузозахватный орган, 1 - поворотная платформа, 2 - звено, 3 - шарнир, 4 - грузозахватный орган
Система управления (рис. 3) управляет работой контроллеров, которые, в свою очередь, управляют сервоприводами. Синхронная работа сервоприводов манипуляторов и конвейерной ленты позволяет объекту управления выполнять заданные технологические операции. В рамках исследования реализована следующая последовательность операций: захват груза первым манипулятором, перенос груза первым манипулятором на конвейер, передача сигнала о завершении переноса другому манипулятору, перехват груза с конвейера вторым манипулятором, перенос груза вторым манипулятором в зону обработки, передача сигнала от второго манипулятора к первому о завершении действия, повторение цикла.
Рис. 3. Структура системы управления. 1 - компьютер с кодом программы, 2, 3 - контроллеры, 4, 5 - сервоприводы, пунктирной линией обозначено сетевое соединение, сплошной линией обозначено проводное соединение
Система управления состоит из компьютера, хранящего и исполняющего программу управления, контроллеров, беспроводной сети и сервоприводов. Контроллеры объединены в сеть при помощи беспроводных модулей по стандарту IEEE 802.11. Система реализована на базе платформы Arduino (рис. 4). Контроллеры Arduino стоят на порядок ниже аналогов: например, Arduino UNO стоит 390 руб., Raspberry Pi - 3690 руб. [7]. Платформа Arduino менее требовательна к питанию. Рекомендуемое питание для Arduino UNO 7-12 Вольт, напряжение стабилизируется до 5 Вольт. Плате Raspberry Pi на входе необходимо строго 5 Вольт, поэтому для работы с ней необходим фильтр питания с током 1A. Для реализации системы также использованы сервомоторы Tower Pro 9g, Sensor Shield V5, Wi-Fi Shield.
Рис. 4. Упрощенная структура микроконтроллера Arduino UNO
Характеристики платы использованной платформы Arduino Uno следующие. Максимальная длина и ширина печатной платы составляют 6.86 и 5.34 см соответственно. Разъем USB и силовой разъем выходят за границы печатной платы. На плате предусмотрены четыре отверстия для винтов. Расстояние между цифровыми выводами равняется 0.4 мм, хотя между другими выводами оно составляет 2.54 мм. Основные технические характеристики: микроконтроллер ATmega328, рабочее напряжение 5 В, входное напряжение (рекомендуемое) 7-12 В, входное напряжение (пределы) 6-20 В, количество цифровых вводов/выводов 14, количество аналоговых входов 6, объем флэш-памяти 32 Кб, тактовая частота 16 МГц.
Плата расширения Arduino Sensor Shield V5.0 APC220 (рис. 5) предназначена для подключения различных устройств Arduino или аналогов устройств через стандартные интерфейсы. Управление платой расширения осуществляется или от контроллера Arduino или другим микропроцессорным управляющим устройством.
Рис. 5. Интерфейсы платы расширения Arduino Sensor Shield V5.0 APC220
На плате расширения Arduino Sensor Shield V5.0 APC220 расположено множество интерфейсов для подключения различных внешних устройств и питания:
• SD card interface (интерфейс для подключения карт памяти SD);
• Ultrasonic interface (интерфейс для подключения ультразвуковых датчиков);
• Интерфейс для подключения внешнего источника питания (блока питания, батареи);
• Колодка питания Arduino;
• Шесть аналоговых входов обозначенных;
• Analog IO ports (интерфейс аналоговых входов-выходов);
• I2C (IIC) port (Inter-Integrated Circuit) - последовательная шина данных для связи интегральных схем;
• Интерфейс RS232 (последовательная шина COM);
• ACP220 wireless module interface (подключение внешнего Wi-Fi модуля ACP220);
• Bluetooth interface (интерфейс для подключения внешнего устройства Bluetooth);
• Digital IO ports (колодка цифровых входов-выходов);
• LCD parallel interface (параллельный порт для подключения дисплея);
• LCD serial interface (последовательный порт для подключения дисплея). Контроллер сервоприводов на базе платформы Arduino программируется с помощью
специального компилятора. В начале программы проводится инициализация библиотеки для управления сервоприводами с помощью команды:
#include <Servo.h>
Далее выполняем инициализацию переменных для сервоприводов:
Servo base; //Сервопривод поворотной колонны Servo one; //Сервопривод первого звена манипулятора Servo two; //Сервопривод второго звена манипулятора Servo three; //Сервопривод третьего звена манипулятора Servo grip; //Сервопривод грузового захвата Servo claw; //Сервопривод грузового захвата
После подачи питания или сброса (перезагрузки) платы Arduino выполняем функцию setup, которая задает скорость обмена данными и сопоставляет имена переменных сервоприводов контактам контроллера, ан которые будут подаваться сигналы для управления:
void setup() {
Serial.begin (9600); //Скорость обмена данными
base.attach(2); //Подключение сервопривода к контакту микроконтроллера
one.attach(3);
two.attach(4);
three.attach(5);
grip.attach(6);
claw.attach(7);
}
Позиционирование робота выполняется с помощью отдельных функций, которые вызываются при необходимости по мере выполнения технологических операций. Необходимая позиция сервомотора задается командой write [8]. Для управления исследуемым манипулятором используются следующие функции:
- для возврата манипулятора в исходную позицию:
void defaultposition() {
base.write(90);
one.write(15);
two.write(15);
three.write(15);
grip.write(15);
claw.write(50);
}
- поворот манипулятора влево:
void rotateleft() {
base.write(165);
}
- поворот всей конструкции вправо:
void rotateright() {
base.write(15);
}
- раскрытие схвата манипулятора:
void clawopen() {
claw.write(15);
}
- закрытие схвата манипулятора:
void clawclose() {
claw.write(5 0);
}
- выдвижение первого звена:
void forward() {
one.write(50); two.write(50); three.write(30);
}
С помощью указанных выше и подобных функций можно управлять манипулятором:
void loop() {
defaultposition();
delay(2000); //задержка перед выполнением следующей функции в мс
rotateleft();
delay(2000);
clawopen();
delay(2000);
forward();
delay(2000);
clawclose();
delay(2000);
defaultposition();
}
В ходе исследования был разработан тестовый объект управления - трехзвенный манипулятор с захватом. Манипулятор подключен к портативному компьютеру, с помощью которого осуществляется программирование контроллера и управление. В ходе дальнейших исследований два таких манипулятора будут поставлены в единую технологическую линию.
Список литературы
1. Лагерев И.А., Лагерев А.В. Динамика трехзвенных гидравлических кранов-манипуляторов: монография - Брянск: БГТУ, 2012. - 196 с.
2. Лагерев А.В., Мильто А.А., Лагерев И.А. Динамико-прочностной анализ гидравлических крано-манипуляторных установок мобильных машин - Брянск: РИО БГУ, 2015. -186 с.
3. Lagerev A.V., Lagerev I.A., Milto A.A. Tool for Preliminary Dynamics and Stress Analysis of Articulating Cranes // International Review on Modelling and Simulations. - 2014. - V. 7. -No. 4. - P. 644-652.
4. Лагерев И.А. Моделирование напряженно-деформированного состояния крана-манипулятора машины для сварки трубопроводов // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. - 2011. - №4. - С. 29-36.
5. Лагерев И.А., Лагерев А.В. Динамический анализ трехзвенного гидравлического крана-манипулятора // Вестник Брянского государственного технического университета. -2011. - №3. - С. 9-16.
6. Лагерев И.А. Динамическая нагруженность крана-манипулятора самоходной машины для сварки трубопроводов при движении с грузом // Подъемно-транспортное дело. - 2011. - №3. - С. 7-10.
7. DNS - интернет магазин цифровой и бытовой техники по доступным ценам. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.dns-shop.ru (Дата обращения: 23.10.2017).
8. Карпутина А.Ю. Выбор сервопривода для манипулятора мехатронного технологического комплекса // Ученые записки Брянского государственного университета. - 2017. -№3. - С. 26-29.
Сведения об авторах
Карпутина Анастасия Юрьевна - магистрант кафедры информатики и прикладной математики, ФГБОУ ВО «Брянский государственный университет имени академика И.Г. Петровского», e-mail: madam.tenshi@yandex.ru
Бандурин Роман Андреевич - кандидат экономических наук, доцент, начальник отдела инновационного развития, ФГБОУ ВО «Брянский государственный университет имени академика И.Г. Петровского», e-mail: amberscorp@mail.ru.
AN INTERACTION REMOTE CONTROL OF SEVERAL MANIPULATORS
A. Y. Karputina, R. A. Bandurin
Bryansk State University named after Academician I. G. Petrovsky
The paper proposed a distributed control system production line, which consists of two manipulators, a combined wired or wireless network, and conveyor belts. Formulated the structure of the system, basic control algorithms and implement their programs. This research was awarded by Russian Scientific Foundation (project №17-79-10274).
Key words: manipulator, manipulation system, remote control, interaction.
References
1. Lagerev I.A., Lagerev A.V. Dinamika trekhzvennykh gidravlicheskikh kranov-manipulyatorov: monografiya - Bryansk: BGTU, 2012. - 196 s.
2. Lagerev A.V., Mil'to A.A., Lagerev I.A. Dinamiko-prochnostnoi analiz gidravlicheskikh krano-manipulyatornykh ustanovok mobil'nykh mashin - Bryansk: RIO BGU, 2015. -186 s.
3. Lagerev A.V., Lagerev I.A., Milto A.A. Tool for Preliminary Dynamics and Stress Anal-ysis of Articulating Cranes // International Review on Modelling and Simulations. - 2014. -V. 7. - No. 4. - P. 644-652.
4. Lagerev I.A. Modelirovanie napryazhenno-deformirovannogo sostoyaniya krana-manipulyatora mashiny dlya svarki truboprovodov // Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Mashinostroenie. - 2011. - №4. - S. 29-36.
5. Lagerev I.A., Lagerev A.V. Dinamicheskii analiz trekhzvennogo gidravlicheskogo kra-na-manipulyatora // Vestnik Bryanskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. - 2011. -№3. - S. 9-16.
6. Lagerev I.A. Dinamicheskaya nagruzhennost' krana-manipulyatora samokhodnoi mashiny dlya svarki truboprovodov pri dvizhenii s gruzom // Pod"emno-transportnoe delo. - 2011. -№3. - S. 7-10.
7. DNS - internet magazin tsifrovoi i bytovoi tekhniki po dostupnym tsenam.
[Electronic resource]. - URL: http://www.dns-shop.ru (Date of affress: 23.10.2017).
8. Karputina A.Yu. Vybor servoprivoda dlya manipulyatora mekhatronnogo tekhnologi-cheskogo kompleksa // Uchenye zapiski Bryanskogo gosudarstvennogo universiteta. - 2017. -№3. - S. 26-29.
About authors
Karputina A. Y. - graduate student, Department of Applied mathematics and Computer science, Bryansk State University named after Academician I.G. Petrovsky, e-mail: madam.tenshi@yandex.ru
Bandurin R. A. - PhD in Economics Science, Associate Professor, Bryansk State University named after Academician I. G. Petrovsky, Head of Innovative Development Department, e-mail: amberscorp@mail.ru.
