ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΕΦΑΡΜΟΓΗ 1 ΤO ΡΟΜΠΟΤ INTELLITEK ER-2u

Transcript

1 Εφαρμογή 1: Το ρομπότ INTELITEK ER-2u Εργαστήριο Ευφυών Συστημάτων και Ρομποτικής Τμήμα Μηχανικών Παραγωγής και Διοίκησης Πολυτεχνείο Κρήτης τηλ: / savas@dpem.tuc.gr, kyralakis@dpem.tuc.gr ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΕΦΑΡΜΟΓΗ 1 ΤO ΡΟΜΠΟΤ INTELLITEK ER-2u ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 1. ΤΟ ΡΟΜΠΟΤ INTELLITEK ER-2u Ο ΡΟΜΠΟΤΙΚΟΣ ΒΡΑΧΙΟΝΑΣ ER-2u Ο ΕΛΕΓΚΤΗΣ CONTROLLER-USB ΤΟ ΛΟΓΙΣΜΙΚΟ SCORBASE ΜΕΤΑΚΙΝΗΣΗ ΤΟΥ ΒΡΑΧΙΟΝΑ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΘΕΣΕΩΝ ΣΥΝΤΑΞΗ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΟΣ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΗΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗΣ ΑΣΚΗΣΗΣ ΤΟ ΡΟΜΠΟΤ INTELLITEK ER-2u Εικόνα 1: Το ρομποτικό σύστημα ER-2u Το ρομπότ ER-2u της INTELITEK είναι ένα εκπαιδευτικό ρομποτικό σύστημα. Αποτελείται από το ρομποτικό βραχίονα SCORBASE ER-2u, τη συσκευή ελέγχου CONTROLLER-USB και το λογισμικό ελέγχου και προγραμματισμού SCORBASE, που είναι εγκατεστημένο σε έναν προσωπικό υπολογιστή συνδεμένο με τον ελεγκτή. 1

2 Εφαρμογή 1: Το ρομπότ INTELITEK ER-2u 2. Ο ΡΟΜΠΟΤΙΚΟΣ ΒΡΑΧΙΟΝΑΣ ER-2u Εικόνα 2: Ο ρομποτικός βραχίονας, οι σύνδεσμοι και οι αρθρώσεις του Ο ρομποτικός βραχίονας SCORBASE ER-2u διαθέτει πέντε περιστροφικές αρθρώσεις και την αρπάγη. Μπορεί να μεταφέρει βάρος 600 γραμμαρίων με επαναληψιμότητα ±0.35 χιλιοστών. Οι αρθρώσεις, οι σύνδεσμοι και ο τρόπος μετακίνησής τους παρουσιάζονται στην Εικόνα 2. Εικόνα 3: Κωδικοποιητής ρομποτικού οχήματος Κάθε μια από τις αρθρώσεις μετακινείται με τη βοήθεια σερβοκινητήρων που ελέγχονται με τη μέθοδο του κλειστού βρόχου προκειμένου να τις οδηγήσουν στην επιθυμητή θέση. Η μέθοδος του κλειστού βρόχου ελέγχει την κίνηση του σερβοκινητήρα χρησιμοποιώντας πληροφορίες ανάδρασης, ανατροφοδότησης, για τη θέση της αντίστοιχης άρθρωσης. Οι πληροφορίες αυτές παράγονται από ειδικούς αισθητήρες, τους κωδικοποιητές, Εικόνα 3. 2

3 Εφαρμογή 1: Το ρομπότ INTELITEK ER-2u Οι κωδικοποιητές είναι οπτοηλεκτρονικές συσκευές, που προσαρμόζονται στον άξονα κίνησης. Με τη βοήθεια ενός δίσκου που περιστρέφεται μαζί με τον άξονα μπορούν να υπολογίζουν το τόξο αλλά και τη φορά περιστροφής. Ο δίσκος του κωδικοποιητή έχει κάποιο συμμετρικό, επαναλαμβανόμενο πρότυπο, για παράδειγμα άσπρους και μαύρους τομείς ή είναι διάτρητος σε συγκεκριμένα σημεία. Στην Εικόνα 3 παρουσιάζεται ένας κωδικοποιητής προσαρμοσμένος στον άξονα κίνησης ενός ρομποτικού οχήματος. Εικόνα 4: Το σύστημα κίνησης των αρθρώσεων του βραχίονα, Α: κιβώτιο υποδιπλασιασμού, Β: σερβοκινητήρας, Γ: κωδικοποιητής Το σύστημα κίνησης για κάθε μια από τις αρθρώσεις του βραχίονα περιλαμβάνει ένα σερβοκινητήρα, τον κωδικοποιητή του και ένα κιβώτιο υποβιβασμού της σχέσης μετάδοσης της κίνησης, που παρεμβάλλεται μεταξύ του άξονα του κινητήρα και της αντίστοιχης άρθρωσης. Στην έξοδο του κιβωτίου παράγεται ροπή πολλαπλάσια από αυτή που ασκεί ο κινητήρας στην είσοδό του. Έτσι η άρθρωση μπορεί και περιστρέφεται με την επιθυμητή ταχύτητα μεταφέροντας φορτία. Η Εικόνα 4 παρουσιάζει το σύστημα κίνησης των αρθρώσεων του βραχίονα. 3

4 3. Ο ΕΛΕΓΚΤΗΣ CONTROLLER-USB Εικόνα 5: ο ελεγκτής του ρομπότ, CONTROLLER-USB Ο ελεγκτής του ρομπότ ER-2u είναι μια συσκευή η οποία δέχεται τα κατάλληλα σήματα στις θύρες εισόδου δεδομένων που διαθέτει και παράγει τα αντίστοιχα σήματα στις θύρες εξόδου. Συνδέεται με έναν προσωπικό υπολογιστή στον οποίο είναι εγκατεστημένο το κατάλληλο λογισμικό. Με τη βοήθεια αυτού του λογισμικού προγραμματίζεται ο ελεγκτής και υλοποιείται η επικοινωνία και ανταλλαγή δεδομένων μεταξύ του προσωπικού υπολογιστή και του ελεγκτή. Ανάμεσα στις θύρες εισόδου και εξόδου της συσκευής του ελεγκτή υπάρχουν και οι παρακάτω: Θύρα επικοινωνίας με το ρομποτικό βραχίονα: είναι η θύρα εισόδου και εξόδου που χρησιμοποιείται για την ανταλλαγή δεδομένων και σημάτων ελέγχου με το ρομποτικό βραχίονα. 4 Εικόνα 8: Οι αναλογικές και ψηφιακές είσοδοι και έξοδοι στο εμπρόσθιο μέρος του ελεγκτή Οκτώ ψηφιακές θύρες εισόδου (Digital Inputs): Στην κάθε είσοδο αντιστοιχεί και μια φωτεινή ένδειξη που ανάβει όταν στην είσοδο ανιχνεύεται τάση, δηλαδή εισάγεται το λογικό ένα. Οι θύρες αυτές χρησιμοποιούνται για την εισαγωγή σημάτων καθοδήγησης του ελεγκτή αλλά και για την επικοινωνία του με άλλες ψηφιακές συσκευές. Έξι ψηφιακές θύρες εξόδου (Digital Outputs): Υπάρχει μια φωτεινή ένδειξη για την κάθε έξοδο που ανάβει όταν στην έξοδο αυτή ο ελεγκτής παράγει

5 την τάση που αναλογεί στο λογικό ένα. Οι θύρες αυτές υλοποιούν την επικοινωνία του ελεγκτή με άλλες συσκευές που διαθέτουν συμβατές ψηφιακές θύρες εισόδου. Τέσσερις αναλογικές θύρες εισόδου (Analog Inputs): εάν στους ακροδέκτες αυτών των θυρών εφαρμόσουμε τάση από 0 έως 10 Volt ο ελεγκτής μπορεί να τη μετρήσει και να χρησιμοποιήσει το αποτέλεσμα όπως του ορίζει το πρόγραμμα που εκτελεί. Μέσω αυτών των θυρών επικοινωνεί ο ελεγκτής με συσκευές που διαθέτουν τις κατάλληλες, συμβατές αναλογικές εξόδους, όπως ένα ποτενσιόμετρο ή ένας αναλογικός αισθητήρας υπερύθρων. Δύο αναλογικές θύρες εξόδου (Analog Outputs): σε αυτούς τους ακροδέκτες ο ελεγκτής μπορεί να παράγει τάσεις από 0 έως 10 Volt και ένταση ρεύματος μέχρι 20mA. Το μέγεθος της παραγόμενης τάσης καθορίζεται με τη βοήθεια κατάλληλων εντολών του προγράμματος που εκτελεί ο ελεγκτής. Χρησιμοποιούνται για την οδήγηση αναλογικών συσκευών όπως για παράδειγμα οι ηλεκτρικοί κινητήρες. Τέλος υπάρχει ο διακόπτης ασφαλείας που μόλις ενεργοποιηθεί ακινητοποιεί το ρομποτικό βραχίονα και παύει όλες τις λειτουργίες του ελεγκτή. 4. ΤΟ ΛΟΓΙΣΜΙΚΟ SCORBASE 5 Εικόνα 9: Το περιβάλλον εργασίας του λογισμικού SCORBASE Για τη λειτουργία του ρομποτικού συστήματος είναι απαραίτητη η εγκατάσταση του λογισμικού SCORBASE σε έναν προσωπικό υπολογιστή συνδεμένο με τον ελεγκτή. Με τη βοήθεια του λογισμικού αυτού προγραμματίζεται το ρομπότ και συντονίζεται η επικοινωνία των επιμέρους τμημάτων του. Το SCORBASE διαθέτει παραθυρικό περιβάλλον και είναι ιδιαίτερα φιλικό προς το χρήστη του. Οι κυριότερες λειτουργίες του περιλαμβάνουν: μετακίνηση του ρομποτικού βραχίονα αποθήκευση χαρακτηριστικών θέσεων εντός του χώρου εργασίας του

6 ανάγνωση των σημάτων εισόδου παραγωγή σημάτων εξόδου στις αντίστοιχες θύρες της συσκευής του ελεγκτή δημιουργία προγραμμάτων για την αυτοματοποιημένη εκτέλεση εργασιών από το ρομποτικό σύστημα Στις ασκήσεις θα εκτελεστούν απλές εργασίες μετακίνησης του βραχίονα και έλεγχος των θυρών εισόδου, εξόδου του ελεγκτή. Τα βήματα υλοποίησης τέτοιων εργασιών είναι σε γενικές γραμμές τα παρακάτω: 1. Ανάλυση των απαιτήσεων, ζητούμενων της εργασίας: στο βήμα αυτό πρέπει να προσδιοριστούν οι χαρακτηριστικές θέσεις, το είδος και ο αριθμός των θυρών του ελεγκτή που πρέπει να χρησιμοποιηθούν καθώς και ο αλγόριθμος που θα υλοποιεί την εργασία. 2. Μετακίνηση του βραχίονα: επιλέγονται οι χαρακτηριστικές θέσεις στις οποίες πρέπει να μετακινηθεί ο βραχίονας για την εκτέλεση της εργασίας και αποθηκεύονται με τη βοήθεια του λογισμικού του συστήματος. 3. Συγγραφή του κώδικα: με τη βοήθεια του λογισμικού του συστήματος συντάσσεται το πρόγραμμα, το οποίο χρησιμοποιώντας τις χαρακτηριστικές θέσεις που ορίσαμε στο προηγούμενο βήμα και τις θύρες εισόδου και εξόδου, επιτελεί με διαδοχικά βήματα την ζητούμενη εργασία. Η εργαστηριακή άσκηση αφορά απλές εργασίες μετακίνησης που καλύπτουν ένα μικρό υποσύνολο των δυνατοτήτων του συστήματος. Αρχικά από τη γραμμή εργαλείων επιλέγουμε το πλήκτρο New,, για να εμφανιστούν όλα τα απαραίτητα παράθυρα για την εκτέλεση της άσκησης: το παράθυρο Manual Movement για τις μετακινήσεις του βραχίονα, το παράθυρο Teach Positions για τη διαχείριση θέσεων και τα παράθυρα Program και Workspace για τη σύνταξη του προγράμματος (Εικόνα 9). 4.1 ΜΕΤΑΚΙΝΗΣΗ ΤΟΥ ΒΡΑΧΙΟΝΑ Εικόνα 10: Το παράθυρο κίνησης του βραχίονα, α: κίνηση ανά άρθρωση (Joints), β: κίνηση ανά άξονα του καρτεσιανού συστήματος συντεταγμένων (XYZ) Για τη μετακίνηση του βραχίονα πρέπει να ενεργοποιηθεί, από το μενού View, το παράθυρο Manual Movement. Το παράθυρο παρέχει τη δυνατότητα για δύο τρόπους μετακίνησης: Ανά άρθρωση(joints), όπου τα πλήκτρα του παραθύρου μετακινούν κάθε μια από τις αρθρώσεις του βραχίονα ξεχωριστά. Για παράδειγμα τα πλήκτρα 1,Q μετακινούν την 1 η άρθρωση προς τα δεξιά και αριστερά αντίστοιχα, τα πλήκτρα 2,W τη 2 η άρθρωση προς τα δεξιά και αριστερά αντίστοιχα (Εικόνα 10α). Επί των διευθύνσεων του καρτεσιανού συστήματος συντεταγμένων (XYZ) του βραχίονα. Για παράδειγμα τα πλήκτρα 1,Q μετακινούν το βραχίονα κατά τη διεύθυνση του άξονα Χ (Εικόνα 10β). Για να επιτευχθεί αυτό απαιτείται ταυτόχρονη κίνηση περισσότερων από μια αρθρώσεων. 6

7 Επιλέγοντας αυτόν τον τρόπο μετακίνησης τα πλήκτρα 5,Τ περιστρέφουν την αρπάγη και τα 4,R αλλάζουν το προσανατολισμό της. Και στους δύο τρόπους μπορεί να επιλεγεί η ταχύτητα μετακίνησης (Speed, 1-10). Η αρπάγη ανοίγει και κλείνει με τη βοήθεια των πλήκτρων και. 4.2 ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΘΕΣΕΩΝ Εικόνα 11: Το παράθυρο διαχείρισης θέσεων Το σύστημα ER-2u μπορεί να αποθηκεύσει και να διαχειριστεί μέχρι 1000 θέσεις του χώρου εργασίας του βραχίονα. Από τη στιγμή που μια θέση έχει οριστεί και αποθηκευτεί από το σύστημα μπορεί να χρησιμοποιηθεί από προγράμματα που εκτελούν εργασίες αυτοματοποιημένα. Το παράθυρο διαχείρισης θέσεων, Teach Positions, που επίσης ενεργοποιείται από το μενού View, περιλαμβάνει τις παρακάτω λειτουργίες: Αποθήκευση θέσης: αφού ο βραχίονας έχει μετακινηθεί στην επιθυμητή θέση, αποθηκεύεται στο σύστημα με τη βοήθεια του πλήκτρου. Για την αποθήκευσή της θα πρέπει πρώτα να της αποδοθεί ένας αριθμός από το 1 έως το 1000 (Position Number, Εικόνα 11). Ο αριθμός αυτός είναι το όνομά της και χρησιμοποιείται όποτε πρέπει να γίνει αναφορά στη συγκεκριμένη θέση. Διαγραφή θέσης: για να διαγραφεί μια θέση, αναγράφεται ο αριθμός της στο χώρο Position Number του παράθυρου διαχείρισης θέσεων, και στη συνέχεια με τη βοήθεια του πλήκτρου διαγράφεται. Μετακίνηση σε μια από τις αποθηκευμένες θέσεις: επιλέγοντας το πλήκτρο ο βραχίονας μετακινείται στη θέση η οποία αναγράφεται στο χώρο Position Number του παράθυρου διαχείρισης θέσεων. 4.3 ΣΥΝΤΑΞΗ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΟΣ Αφού οριστούν οι απαιτούμενες θέσεις στο χώρο εργασίας του βραχίονα, επιλεγούν οι θύρες εισόδου και εξόδου της συσκευής του ελεγκτή θα χρησιμοποιηθούν και σχεδιαστεί ο αλγόριθμος υλοποίησης της εργασίας μπορεί να αρχίσει η συγγραφή του προγράμματος που αυτοματοποιεί την εκτέλεση των εργασιών. Η συγγραφή του προγράμματος γίνεται με τη χρήση των παραθύρων Program και Workspace. 7

8 Εικόνα 12: Τα παράθυρα σύνταξης του προγράμματος Στο παράθυρο Workspace επιλέγεται η κάρτα Commands όπου παραθέτονται, σε δενδρική δομή, οι τρεις ομάδες των εντολών: Ομάδα AXIS CONTROL, που περιλαμβάνει τις εντολές που μετακινούν το βραχίονα μεταξύ των αποθηκευμένων θέσεων. Πιο συγκεκριμένα η εντολή OpenGripper ανοίγει την αρπάγη, η CloseGripper κλείνει την αρπάγη και η GoToPosition#... μετακινεί το βραχίονα σε μια προκαθορισμένη θέση. Ομάδα PROGRAM FLOW, που περιλαμβάνει τις εντολές ελέγχου ροής του προγράμματος. Από την ομάδα αυτή θα χρησιμοποιηθεί για την εργαστηριακή άσκηση μόνο η Wait που θέτει το σύστημα σε αδράνεια για ένα προκαθορισμένο χρονικό διάστημα. Ομάδα INPUTS & OUTPUTS, που περιλαμβάνει τις εντολές διαχείρισης των θυρών εισόδου και εξόδου. Από την ομάδα αυτή θα χρησιμοποιηθούν για την εργαστηριακή άσκηση η ON που θέτει σε λογικό ένα (κατάσταση ON) μια προκαθορισμένη ψηφιακή έξοδο και η OFF που τη θέτει στο λογικό μηδέν (κατάσταση OFF). Στο παράθυρο Program προβάλλονται οι εντολές που απαρτίζουν το πρόγραμμα. Για να εισάγουμε μια εντολή στο πρόγραμμα, αρχικά επιλέγουμε τη θέση εισαγωγής της, ανάμεσα στις υπόλοιπες αριθμημένες εντολές, με τη βοήθεια του δείκτη του ποντικιού. Στη συνέχεια επιλέγουμε με διπλό κλικ τη συγκεκριμένη εντολή από τη λίστα του γειτονικού παραθύρου Workspace και η εισαγωγή ολοκληρώνεται. Για να εκτελεσθεί το πρόγραμμα που έχουμε συντάξει, επιλέγεται στο παράθυρο Program η πρώτη εντολή του προγράμματος, με αύξοντα αριθμό 1, και στη συνέχεια το πλήκτρο πλήκτρο. Για να εκτελείται ξανά και ξανά το ίδιο πρόγραμμα πρέπει να επιλεχθεί το. Τέλος για να εκτελεστεί μόνο η εντολή που έχει επιλεχθεί στο παράθυρο Program χρησιμοποιείται το πλήκτρο ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΗΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗΣ ΕΦΑΡΜΟΓΗΣ Η εργαστηριακή εφαρμογή με το ρομπότ ER-2u περιλαμβάνει: 1. Εκμάθηση του γραφικού περιβάλλοντος εργασίας του λογισμικού SCORBASE. 2. Εξοικείωση με τους τρόπους μετακίνησης του βραχίονα, καθώς και εξοικείωση με τις θύρες εισόδου και εξόδου της συσκευής του ελεγκτή.

9 3. Αποθήκευση θέσεων στο χώρο εργασίας του βραχίονα. 4. Εκτέλεση απλής εργασίας μετακίνησης με ταυτόχρονο έλεγχο των θυρών εισόδου και εξόδου της συσκευής του ελεγκτή, όπως αυτή θα περιγραφεί από τον επιβλέποντα κατά τη διάρκεια εκτέλεσης της εφαρμογής. 9