Διπλωματική Εργασία του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ: ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ & ΑΥΤΟΜΑΤΟΥ ΕΛΕΓΧΟΥ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΓΕΝΙΚΗΣ ΗΛΕΚΤΡΟΤΕΧΝΙΑΣ Διπλωματική Εργασία του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών Γιαννίκος Γεώργιος του Δημητρίου Αριθμός Μητρώου: 6418 Θέμα Μελέτη, κατασκευή και έλεγχος (με PLC) συστήματος ολισθαίνουσας συστοιχίας πνευματικών μυών Επιβλέπων Σταμάτιος Μάνεσης Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Πάτρα, 2013

2 2 ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η Διπλωματική Εργασία με θέμα «Μελέτη, κατασκευή και έλεγχος (με PLC) συστήματος ολισθαίνουσας συστοιχίας πνευματικών μυών» Του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών Γιαννίκου Γεωργίου του Δημητρίου Αριθμός Μητρώου: 6418 Παρουσιάστηκε δημόσια και εξετάστηκε στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις.../../ Ο Επιβλέπων Σταμάτιος Μάνεσης Καθηγητής Ο Διευθυντής του Τομέα Νικόλαος Κούσουλας Καθηγητής

3 3 Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Θέμα: «Μελέτη, κατασκευή και έλεγχος (με PLC) συστήματος ολισθαίνουσας συστοιχίας πνευματικών μυών». Φοιτητής: Γιαννίκος Γεώργιος Επιβλέπων: Μάνεσης Σταμάτιος Περίληψη Η προσομοίωση της κίνησης των ζώων αποτελεί αντικείμενο έρευνας στον τομέα της ρομποτικής από το Έκτοτε έχουν κατασκευαστεί πολλά ρομπότ τα οποία εξομοιώνουν πλήρως την κίνηση των θηλαστικών, των πτηνών και των ερπετών και συμπεριφέρονται ακριβώς όπως αυτά. Συγκεκριμένα στον τομέα των ερπετών ο Hirose το 1972 παρουσίασε το τον ACMIII, το πρώτο φίδι ρομπότ, το οποίο μπορούσε να κινηθεί μόνο σε λεία επιφάνεια, προσομοιώνοντας την κίνηση του φιδιού. Εν συνεχεία, με την πρόοδο της τεχνολογίας και τον πνευματικό κόπο χιλιάδων επιστημόνων, κατασκευάστηκαν διάφορα εξελιγμένα μοντέλα ρομπότ-φιδιών με τεράστιες δυνατότητες. Αποτελεί, πλέον, πραγματικότητα η ύπαρξη ρομπότ-φιδιών, που μπορούν να κινηθούν σε οποιαδήποτε επιφάνεια. Στη διπλωματική αυτή πραγματοποιήθηκε η κατασκευή και η λειτουργία ενός σύνθετου ενεργοποιητή αποτελούμενου από μια συστοιχία πνευματικών μυών πεπιεσμένου αέρα και ελεγχόμενου μέσω ενός προγραμματιζόμενου λογικού ελεγκτή (PLC). Τα έμβολα συνδέονται μεταξύ τους είτε με σταθερή είτε με ελεύθερη άρθρωση επιτρέποντας στη συστοιχία να κινηθεί ευθύγραμμα ή καμπυλόγραμμα αντίστοιχα. Κατά την ευθύγραμμη κίνηση η κατασκευή αποτελείται από 7 τεχνητούς μύες, οι οποίοι συνδέονται μεταξύ τους με σταθερή άρθρωση και τροφοδοτούνται από ψηφιακές βαλβίδες. Επίσης, η συστοιχία είναι εφοδιασμένη με μια συμπαγή σιδερένια κατασκευή ως ουρά και έναν αυτοσχέδιο μηχανισμό φρένων. Ο χρήστης, αφού φορτώσει το αντίστοιχο πρόγραμμα στην CPU του PLC, με το πάτημα ενός μπουτόν ξεκινά την κίνηση της διάταξης. Στο πρόγραμμα αυτό χρησιμοποιείται ένα πλήθος από χρονομετρητές οι οποίοι καθορίζουν πότε πραγματοποιείται η διαστολή και η συστολή των εμβόλων ρυθμίζοντας έτσι τη συμπεριφορά του πνευματικού ενεργοποιητή. Στην παρούσα διπλωματική αναλύθηκαν 3 μοτίβα ευθύγραμμης κίνησης. Στο πρώτο μοτίβο η συστολή και η διαστολή είναι ανεξάρτητες, στο δεύτερο έχουμε διαδοχική συστολή/διαδοχική διαστολή και στο τρίτο η διαστολή επικαλύπτει τη συστολή. Η διακοπή της κίνησης γίνεται μέσω του μπουτόν λήξης. Για το σενάριο της οφιοειδούς και της πλάγιας κίνησης η κατασκευή αποτελείται από 5 τεχνητούς πνευματικούς ενεργοποιητές. Οι 4 χρησιμοποιούνται ως ενεργό μέρος της συστοιχίας, ενώ ο πέμπτος ως κεφαλή. Ανάμεσα στα έμβολα υπάρχει αρθρωτή ζεύξη με δυνατότητα κίνησης. Έτσι, κατά τη συστολή και την διαστολή των μυών δημιουργείται μια γωνία μεταξύ

4 4 τους. Ρυθμίζοντας αυτή τη γωνία κατάλληλα μέσω της πίεσης επιτυγχάνουμε την οφιοειδή κίνηση του σύνθετου πνευματικού ενεργοποιητή. Ο χρήστης μέσω μπουτόν έχει τη δυνατότητα να ελέγχει την κίνηση της συστοιχίας. Επιλέγει την έναρξη και τη λήξη της κίνησης καθώς και το αναποδογυρίζει. Στην ευθύγραμμη κίνηση εστιάσαμε την προσοχή μας στην εύρεση του βέλτιστου πλάνου κίνησης ώστε να επιτευχθεί το γρηγορότερο αποτέλεσμα. Από την άλλη μεριά στην καμπυλόγραμμη κίνηση τα πράγματα δεν ήταν τόσο απλά. Κύριο ζητούμενο εδώ ήταν η προσομοίωση της οφιοειδούς κίνησης. Η αδυναμία εφαρμογής του θεωρητικού υπόβαθρου που ήδη υπάρχει για τα φίδια-ρομπότ, εξαιτίας της ασυμμετρίας της κατασκευής, της αδυναμίας να επιτευχθούν οι επιθυμητές γωνίες λόγω παραμόρφωσης του σκελετού και της μη γραμμικής συμπεριφοράς της, οδήγησαν στη διενέργεια πολλών πειραμάτων ώστε να υπερκεραστούν οι δυσκολίες και να επιτευχθεί το επιθυμητό αποτέλεσμα. Παράλληλα, στην πλάγια κίνηση μελετήθηκε η ικανότητα μετακίνησης της συστοιχίας σε ανισόπεδα τερέν. Κατά τη διάρκεια των πειραμάτων παρουσιάστηκε μια πληθώρα προβλημάτων τα οποία έπρεπε να αντιμετωπιστούν τόσο στην ευθύγραμμη όσο και στην οφιοειδή κίνηση. Λόγω της μεγάλης δύναμης που ασκούν οι μύες κατά την εκτόνωσή τους και του μικρού συντελεστή τριβής του εδάφους του εργαστηρίου, η συστοιχία κατά τη διαστολή των εμβόλων ολίσθαινε προς τα όπισθεν, δημιουργώντας έτσι σημαντική καθυστέρηση στην συνολική μετακίνηση της συστοιχίας. Για την αντιμετώπιση του φαινομένου αυτού χρησιμοποιήθηκε ένα σιδερένιο βαρίδιο και ένα αυτοσχέδιο φρένο στην ουρά της συστοιχίας, που συγκρατούσαν τη συστοιχία κατά τη διαστολή των μυών και την ωθούσαν προς τα εμπρός. Αυτή η μεγάλη δύναμη των μυών ήταν πρόβλημα και για την καμπυλόγραμμη κίνηση, καθώς προκαλούσε παραμόρφωση του σκελετού, εισάγοντας έτσι σημαντικούς περιορισμούς στη μέγιστη πίεση των μυών. Ταυτόχρονα, οδηγούσε σε χαλάρωση των βιδών που συγκρατούσαν την κινούμενη άρθρωση. Εκτός αυτών, ένα επιπλέον εμπόδιο που παρουσιάστηκε ήταν η παρακώλυση της κίνησης από τους σωλήνες που τροφοδοτούσαν τα έμβολα. Αυτό το θέμα ήταν μείζονος σημασίας για την οφιοειδή κίνηση, καθώς αν δεν ομαδοποιούνταν κατάλληλα οι σωλήνες, η μετακίνηση της συστοιχίας ήταν μηδενική. Τέλος, οι βαλβίδες έπρεπε να είχαν τη δυνατότητα της εύκολης μετακίνησης, καθώς, λόγω του περιορισμένου μήκους σωλήνων, εισάγονταν περιορισμοί στο διάστημα που μπορούσε να διανύσει η συστοιχία. Τα θέματα αυτά αντιμετωπίσθηκαν με πρακτικούς τρόπους ώστε η μεταφορά των βαλβίδων να γίνεται εύκολα και με ασφάλεια, χωρίς να παρενοχλείται η κίνηση. Εν κατακλείδι, το αποτέλεσμα της προσπάθειας αυτής ήταν να δημιουργηθεί ένας σύνθετος ενεργοποιητής, ο οποίος έχει τη δυνατότητα να κινείται πλάγια, ευθύγραμμα, καθώς και να προσομοιώνει την κίνηση του φιδιού σε πολύ ικανοποιητικό βαθμό με μικρό όμως αποτέλεσμα ως προς την ταχύτητα. Η χρήση αισθητήρων για μέτρηση της γωνίας που δημιουργείται μεταξύ των εμβόλων και η κατασκευή πιο ανθεκτικού σκελετού, ώστε να αντέχει στη μεγάλη δύναμη που ασκούν οι μύες, θα οδηγούσαν σε ένα καλύτερο αποτέλεσμα αλλά θα ξέφευγε από τα όρια της εργασίας αυτής.

5 5 Πανεπιστήμιο Πατρών Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Τεχνολογίας Υπολογιστών ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ Μελέτη, κατασκευή και έλεγχος (με PLC) συστήματος ολισθαίνουσας συστοιχίας πνευματικών μυών.

6 6 ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Η παρούσα διπλωματική εργασία εκπονήθηκε στα πλαίσια του προπτυχιακού προγράμματος σπουδών του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών, υπό την επίβλεψη του Καθηγητή κ. Σταμάτιου Μάνεση. Θα ήθελα να ευχαριστήσω θερμά τον κύριο Σταμάτη Μάνεση για την ευκαιρία που μου έδωσε να ασχοληθώ με ένα τόσο ενδιαφέρον αντικείμενο, καθώς και για τη συνεργασία του καθ όλη τη διάρκεια της εργασίας μου. Ιδιαίτερα θέλω να εκφράσω τις ευχαριστίες μου στην υποψήφια διδάκτορα κ. Ελένη Κελασίδη, του τμήματος Engineering Cybernetics του Norwegian University of Science and Technology, για την πολύτιμη βοήθεια που μου πρόσφερε με τις άριστες γνώσεις της πάνω στο αντικείμενο της οφιοειδούς ρομποτικής κίνησης. Η συμβολή της έπαιξε καθοριστικό ρόλο στην επίτευξη του επιθυμητού αποτελέσματος. Τέλος, θα ήθελα να ευχαριστήσω θερμά την οικογένειά μου και ιδιαίτερα τους γονείς μου για τη συμπαράστασή τους σε όλη αυτή την προσπάθεια.

7 7 Περιεχόμενα Κεφάλαιο 1 : Εισαγωγή Κεφάλαιο 2 : Πειραματική διάταξη 2.1 Πειραματική διάταξη ευθύγραμμου ενεργοποιητή 2.2 Πειραματική διάταξη καμπυλόγραμμου ενεργοποιητή 2.3 Έμβολά/Τεχνητοί μύες 2.4 Βαλβίδες Ψηφιακές βαλβίδες Αναλογικές βαλβίδες 2.5 Λοιπός εξοπλισμός Κεφάλαιο 3: Τεχνητοί πνευματικοί μύες 3.1 Εισαγωγή 3.2 Μοντελοποίηση των ΤΠΜ Φαινομενολογικό μοντέλο Μοντελοποίηση της εταιρίας FESTO Μέθοδος μοντελοποίησης 3.3 Ιδιότητες των ΤΠΜ Κεφάλαιο 4 : Προγραμματιζόμενοι Λογικοί Ελεγκτές (PLCs) 4.1 Εισαγωγή/Σύντομη αναφορά στη χρήση του PLC 4.2 Δομή του PLC Kεντρική Μονάδα Επεξεργασίας (CPU) Μονάδες εισόδου Ψηφιακές μονάδες εισόδου Αναλογικές μονάδες εισόδου Μονάδες εξόδου Ψηφιακές μονάδες εξόδου Αναλογικές μονάδες εξόδου 4.3 Προγραμματισμός ενός PLC. 4.4 Ηλεκτρολογικό διάγραμμα διάταξης.

8 8 4.5 Δήλωση Hardware Κεφάλαιο 5: Οφιοειδής ρομποτική κίνηση 5.1 Εισαγωγή 5.2 Ευθύγραμμη κίνηση 5.3 Οφιοειδής κίνηση 5.4 Πλάγια κίνηση ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Ι: Χαρακτηριστικά Hardware ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ ΙΙ: Προγράμματα ευθύγραμμης κίνησης ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ ΙΙΙ: Πρόγραμμα oφιοειδούς κίνησης Βιβλιογραφία Διαδικτυακοί Ιστότοποι

9 9 Κεφάλαιο 1 : Εισαγωγή Η προσομοίωση της κίνησης των ζώων αποτελεί αντικείμενο έρευνας στον τομέα της ρομποτικής από το Έκτοτε έχουν κατασκευαστεί πολλά ρομπότ τα οποία εξομοιώνουν πλήρως την κίνηση των θηλαστικών, των πτηνών και των ερπετών και συμπεριφέρονται ακριβώς όπως αυτά. Συγκεκριμένα στον τομέα των ερπετών ο Hirose το 1972 παρουσίασε το τον ACMIII, το πρώτο φίδι ρομπότ, το οποίο μπορούσε να κινηθεί μόνο σε λεία επιφάνεια, προσομοιώνοντας την κίνηση του φιδιού. Εν συνεχεία, με την πρόοδο της τεχνολογίας και τον πνευματικό κόπο χιλιάδων επιστημόνων, κατασκευάστηκαν διάφορα εξελιγμένα μοντέλα ρομπότ-φιδιών με τεράστιες δυνατότητες. Αποτελεί, πλέον, πραγματικότητα η ύπαρξη ρομπότ-φιδιών, που μπορούν να κινηθούν σε οποιαδήποτε επιφάνεια. Στη διπλωματική αυτή πραγματοποιήθηκε η κατασκευή και η λειτουργία ενός σύνθετου ενεργοποιητή αποτελούμενου από μια συστοιχία πνευματικών μυών πεπιεσμένου αέρα και ελεγχόμενου μέσω ενός προγραμματιζόμενου λογικού ελεγκτή (PLC). Τα έμβολα συνδέονται μεταξύ τους είτε με σταθερή είτε με ελεύθερη άρθρωση επιτρέποντας στη συστοιχία να κινηθεί ευθύγραμμα ή καμπυλόγραμμα αντίστοιχα. Κατά την ευθύγραμμη κίνηση η κατασκευή αποτελείται από 7 τεχνητούς μύες, οι οποίοι συνδέονται μεταξύ τους με σταθερή άρθρωση και τροφοδοτούνται από ψηφιακές βαλβίδες. Επίσης, η συστοιχία είναι εφοδιασμένη με μια συμπαγή σιδερένια κατασκευή ως ουρά και έναν αυτοσχέδιο μηχανισμό φρένων. Ο χρήστης, αφού φορτώσει το αντίστοιχο πρόγραμμα στην CPU του PLC, με το πάτημα ενός μπουτόν ξεκινά την κίνηση της διάταξης. Στο πρόγραμμα αυτό χρησιμοποιείται ένα πλήθος από χρονομετρητές οι οποίοι καθορίζουν πότε πραγματοποιείται η διαστολή και η συστολή των εμβόλων ρυθμίζοντας έτσι τη συμπεριφορά του πνευματικού ενεργοποιητή. Στην παρούσα διπλωματική αναλύθηκαν 3 μοτίβα ευθύγραμμης κίνησης. Στο πρώτο μοτίβο η συστολή και η διαστολή είναι ανεξάρτητες, στο δεύτερο έχουμε διαδοχική συστολή/διαδοχική διαστολή και στο τρίτο η διαστολή επικαλύπτει τη συστολή. Η διακοπή της κίνησης γίνεται μέσω του μπουτόν λήξης. Για το σενάριο της οφιοειδούς και της πλάγιας κίνησης η κατασκευή αποτελείται από 5 τεχνητούς πνευματικούς ενεργοποιητές. Οι 4 χρησιμοποιούνται ως ενεργό μέρος της συστοιχίας, ενώ ο πέμπτος ως κεφαλή. Ανάμεσα στα έμβολα υπάρχει αρθρωτή ζεύξη με δυνατότητα κίνησης. Έτσι, κατά τη συστολή και την διαστολή των μυών δημιουργείται μια γωνία μεταξύ τους. Ρυθμίζοντας αυτή τη γωνία κατάλληλα μέσω της πίεσης επιτυγχάνουμε την οφιοειδή κίνηση του σύνθετου πνευματικού ενεργοποιητή. Ο χρήστης μέσω μπουτόν έχει τη δυνατότητα να ελέγχει την κίνηση της συστοιχίας. Επιλέγει την έναρξη και τη λήξη της κίνησης καθώς και το αναποδογυρίζει. Στην ευθύγραμμη κίνηση εστιάσαμε την προσοχή μας στην εύρεση του βέλτιστου πλάνου κίνησης ώστε να επιτευχθεί το γρηγορότερο αποτέλεσμα. Από την άλλη μεριά στην καμπυλόγραμμη κίνηση τα πράγματα δεν ήταν τόσο απλά. Κύριο ζητούμενο εδώ ήταν η προσομοίωση της οφιοειδούς κίνησης. Η αδυναμία εφαρμογής του θεωρητικού υπόβαθρου που ήδη υπάρχει για τα φίδια-ρομπότ, εξαιτίας της ασυμμετρίας της κατασκευής, της αδυναμίας να επιτευχθούν οι επιθυμητές γωνίες λόγω παραμόρφωσης του σκελετού και της μη γραμμικής συμπεριφοράς της, οδήγησαν στη διενέργεια πολλών πειραμάτων ώστε να υπερκεραστούν οι δυσκολίες και να επιτευχθεί το επιθυμητό αποτέλεσμα. Παράλληλα, στην πλάγια κίνηση μελετήθηκε η ικανότητα μετακίνησης της συστοιχίας σε ανισόπεδα τερέν.

10 10 Κατά τη διάρκεια των πειραμάτων παρουσιάστηκε μια πληθώρα προβλημάτων τα οποία έπρεπε να αντιμετωπιστούν τόσο στην ευθύγραμμη όσο και στην οφιοειδή κίνηση. Λόγω της μεγάλης δύναμης που ασκούν οι μύες κατά την εκτόνωσή τους και του μικρού συντελεστή τριβής του εδάφους του εργαστηρίου, η συστοιχία κατά τη διαστολή των εμβόλων ολίσθαινε προς τα όπισθεν, δημιουργώντας έτσι σημαντική καθυστέρηση στην συνολική μετακίνηση της συστοιχίας. Για την αντιμετώπιση του φαινομένου αυτού χρησιμοποιήθηκε ένα σιδερένιο βαρίδιο και ένα αυτοσχέδιο φρένο στην ουρά της συστοιχίας, που συγκρατούσαν τη συστοιχία κατά τη διαστολή των μυών και την ωθούσαν προς τα εμπρός. Αυτή η μεγάλη δύναμη των μυών ήταν πρόβλημα και για την καμπυλόγραμμη κίνηση, καθώς προκαλούσε παραμόρφωση του σκελετού, εισάγοντας έτσι σημαντικούς περιορισμούς στη μέγιστη πίεση των μυών. Ταυτόχρονα, οδηγούσε σε χαλάρωση των βιδών που συγκρατούσαν την κινούμενη άρθρωση. Εκτός αυτών, ένα επιπλέον εμπόδιο που παρουσιάστηκε ήταν η παρακώλυση της κίνησης από τους σωλήνες που τροφοδοτούσαν τα έμβολα. Αυτό το θέμα ήταν μείζονος σημασίας για την οφιοειδή κίνηση, καθώς αν δεν ομαδοποιούνταν κατάλληλα οι σωλήνες, η μετακίνηση της συστοιχίας ήταν μηδενική. Τέλος, οι βαλβίδες έπρεπε να είχαν τη δυνατότητα της εύκολης μετακίνησης, καθώς, λόγω του περιορισμένου μήκους σωλήνων, εισάγονταν περιορισμοί στο διάστημα που μπορούσε να διανύσει η συστοιχία. Τα θέματα αυτά αντιμετωπίσθηκαν με πρακτικούς τρόπους ώστε η μεταφορά των βαλβίδων να γίνεται εύκολα και με ασφάλεια, χωρίς να παρενοχλείται η κίνηση. Εν κατακλείδι, το αποτέλεσμα της προσπάθειας αυτής ήταν να δημιουργηθεί ένας σύνθετος ενεργοποιητής, ο οποίος έχει τη δυνατότητα να κινείται πλάγια (Εικόνα 1.1), ευθύγραμμα (Εικόνα 1.2), καθώς και να προσομοιώνει την κίνηση του φιδιού σε πολύ ικανοποιητικό βαθμό με μικρό όμως αποτέλεσμα ως προς την ταχύτητα (Εικόνα 1.3). Η χρήση αισθητήρων για μέτρηση της γωνίας που δημιουργείται μεταξύ των εμβόλων και η κατασκευή πιο ανθεκτικού σκελετού, ώστε να αντέχει στη μεγάλη δύναμη που ασκούν οι μύες, θα οδηγούσαν σε ένα καλύτερο αποτέλεσμα αλλά θα ξέφευγε από τα όρια της εργασίας αυτής. Εικόνα 1.1: Σύνθετος ενεργοποιητής κινούμενος πλάγια

11 11 Εικόνα 1.2: Σύνθετος ενεργοποιητής κινούμενος ευθύγραμμα Εικόνα 1.3: Σύνθετος ενεργοποιητής σε οφιοειδή κίνηση

12 12 Κεφάλαιο 2 : Πειραματική διάταξη 2.1 Πειραματική διάταξη ευθύγραμμου ενεργοποιητή Ο ευθύγραμμος σύνθετος ενεργοποιητής αποτελείται από 7 τεχνητούς πνευματικούς μύες συνδεδεμένους με σταθερή άρθρωση (Εικόνα 2.2), ώστε να μην παρεκκλίνει από την ευθύγραμμη τροχιά του. Η άρθρωση αυτή αποτελείται από μια συμπαγή κατασκευή από αλουμίνιο η οποία είναι εφοδιασμένη με δύο οπές ώστε να συνδέονται το αρσενικό μέρος του ενός ενεργοποιητή με το θηλυκό του άλλου. Με τη χρήση παξιμαδιών ολοκληρώνεται η τοποθέτηση του εξαρτήματος σταθερής σύζευξης κάνοντας έτσι την άρθρωση στιβαρή και ανθεκτική στη μεγάλη δύναμη που ασκούν οι μύες κατά την εκτόνωσή τους. Κατά την πειραματική εφαρμογή η παραγόμενη, κατά την εκτόνωση, δύναμη σε συνδυασμό με το χαμηλό συντελεστή τριβής του εδάφους του εργαστηρίου προκαλούσαν ολίσθηση προς τα όπισθεν, καθυστερώντας έτσι τη συνολική μετακίνηση της συστοιχίας. Σε πρώτη φάση, λοιπόν, αυξήθηκε ο συντελεστής τριβής του εδάφους με τη χρήση μοκέτας. Παράλληλα κατασκευάστηκε ένα συμπαγές σιδερένιο βαρίδιο, που σε συνδυασμό με έναν αυτοσχέδιο μηχανισμό φρένων συγκρατούσαν τη συστοιχία κατά την εκτόνωση των εμβόλων, αποτρέποντας την ολίσθηση προς τα πίσω του σύνθετου ενεργοποιητή αλλά και μετέτρεπαν την παραγόμενη δύναμη σε δύναμη ώθησης. Η κατασκευή αυτή τοποθετήθηκε στην «ουρά» της συστοιχίας (Εικόνα 2.3). Τέλος, θέμα μείζονος σημασίας ήταν η διαχείριση των καλωδίων που τροφοδοτούσαν τη συστοιχία με πεπιεσμένο αέρα. Αυτά πολλές φορές μπλέκονταν μεταξύ τους προκαλώντας έτσι την παρακώληση της κίνησης της συστοιχίας. Για το λόγο αυτό ομαδοποιήθηκαν και συγκεντρώθηκαν όσο το δυνατόν πλησιέστερα στο σώμα του σύνθετου ενεργοποιητή και τακτοποιήθηκαν με τέτοιο τρόπο ώστε να προκαλείται μία σχετική συμμετρία της κατασκευής ως προς τον άξονα κίνησης (Εικόνα 2.1). Εικόνα 2.1. Ομαδοποίηση σωλήνων πεπιεσμένου αέρα.

13 13 Εικόνα 2.2 Μη κινητή άρθρωση εμβόλων. Εικόνα 2.3 Μηχανισμός που χρησιμοποιήθηκε ως φρένο (ουρά).

14 Πειραματική διάταξη oφιοειδούς ενεργοποιητή Στην πλάγια και την οφιοειδή κίνηση ο σκελετός της ολισθαίνουσας συστοιχίας είναι πιο περίπλοκος. Η κατασκευή κρίνεται αναγκαία να είναι όσο το δυνατόν ελαφρύτερη και να επιτρέπει την ελεύθερη κίνηση των μυών. Γι αυτό χρησιμοποιήθηκε ένας σκελετός από αλουμίνιο, τα σχέδια του οποίου φαίνονται στο σχήμα 2.2. Πιο συγκεκριμένα, ας υποθέσουμε ότι η συστοιχία μας αποτελείται από ν έμβολα. Παρατηρήθηκε μετά από πειράματα ότι, αν τροφοδοτηθούν όλοι οι μύες με πίεση περίπου στα 1.2 bar, η συστοιχία ευθυγραμμίζεται (Σχήμα 2.1α). Η ακριβής τιμή της πίεσης ποικίλει ανάλογα με την θέση του εκάστοτε μυός στην συστοιχία. Εν συνεχεία, τροφοδοτούμε το έμβολο ν-1 με πίεση μεγαλύτερη από τα 1.2 bar, με αποτέλεσμα τη συστολή του. Η ενέργεια αυτή έχει ως αποτέλεσμα την πλαγιολίσθηση του εμβόλου αυτού. Παράλληλα, έλκει τα γειτονικά έμβολα δημιουργώντας έτσι δύο γωνίες φ 1 και φ 2. Παρατηρούμε ότι η επίδραση στην άρθρωση ν-1 είναι αρκετά μεγαλύτερη από την αντίστοιχη στην άρθρωση ν (Σχήμα 2.1β). Μάλιστα πολλές φορές ανάλογα με τη θέση του εκάστοτε εμβόλου μέσα στη συστοιχία η γωνία που έπεται αυτού μπορεί να μείνει αμετάβλητη. Επομένως, μπορούμε να θεωρήσουμε ότι τροφοδοτώντας ένα έμβολο με πεπιεσμένο αέρα είναι δυνατό να ελέγξουμε τη γωνία που σχηματίζει αυτό με το προηγούμενό του. Για τον τελικό υπολογισμό της πρέπει να ληφθεί υπόψη η επίδραση και των υπολοίπων εμβόλων. Αυτή εξαρτάται από τη θέση που κατέχει το έμβολο μέσα στη συστοιχία. Αυτός είναι και ο κύριος λόγος που η απόκριση του συστήματος είναι μη γραμμική. Σχήμα 2.2 : Απλοποιημένη σύνδεση των εμβόλων.

15 Σχήμα 2.1 Μηχανολογικά σχέδια κατασκευής για καμπυλόγραμμη κίνηση. 15

16 Έμβολα/Τεχνητοί μύες Για την ευθύγραμμη κίνηση της συστοιχίας χρησιμοποιήθηκαν 7 μύες της εταιρίας FΕSTO (Εικόνα 2.4) με τα ακόλουθα χαρακτηριστικά: Κατασκευαστής: Festo AG & Co. KG Moντέλο: ΜΧΑΜ-20-ΑΑ-DSMP N-(AM-CM) Tύπος λειτουργίας : Mονής δράσης DMSP (Single-acting, pulling) Εσωτερική διάμετρος : 20mm Ονομαστικό μήκος (Μήκος ελαστικού μέρους): 305mm Συνδέσεις τύπου Press-fitted Connections: Μια σύνδεση τύπου ΑΜ (pneumatic connection-axial male thread) Mια σύνδεση τύπου CM (Νο pneumatic connection male thread) Mέσο λειτουργίας : Φιλτραρισμένος πεπιεσμένος αέρας Επιτρεπόμενες πιέσεις λειτουργίας : 0 έως 6 bar Μέγιστο επιτρεπόμενο βάρος πρόσθετου φορτίου : 80 kg Επιτρεπόμενη θερμοκρασία λειτουργίας : -5 έως 60 ο C Μέγιστη επιτρεπόμενη έκταση σε ηρεμία (υπό μέγιστο φορτίο): έως 4 % του ονομαστικού μήκους. Μέγιστη επιτρεπόμενη συστολή: έως 25 % του ονομαστικού μήκους Θεωρητική τιμή δύναμης υπό μέγιστη επιτρεπόμενη πίεση: 1500 Ν Βάρος: 189 g Εικόνα 2.4: Festo ΜΧΑΜ-20-ΑΑ-DSMP N-(AM-CM) Για την οφιοειδή και την πλάγια κίνηση χρησιμοποιήθηκαν 5 μύες από τους οποίους οι τέσσερις είναι ενεργοί ενώ ο πέμπτος είναι ανενεργός και παίζει το ρόλο της κεφαλής. Περαιτέρω ανάλυση των πνευματικών μυών και των ιδιοτήτων τους πραγματοποιείται στο κεφάλαιο 3.

17 Βαλβίδες Για την ευθύγραμμη κίνηση της συστοιχίας χρησιμοποιήθηκαν ψηφιακές βαλβίδες, επειδή δεν επιθυμούμε κάποιο έλεγχο στην πίεση του αέρα. Οι μύες φουσκώνουν στο μέγιστο των δυνατοτήτων τους και ξεφουσκώνουν τελείως. Αντιθέτως, στην οφιοειδή και την πλάγια κίνηση σε κάθε χρονική στιγμή δίνουμε διαφορετικές τιμές πίεσης σε κάθε έμβολο, ώστε να πετύχουμε τις επιθυμητές γωνίες μεταξύ των μυών, για να έχουμε κίνηση της συστοιχίας. Για το λόγο αυτό χρησιμοποιήθηκαν αναλογικές βαλβίδες Ψηφιακές βαλβίδες Κατά τη διενέργεια πειραμάτων χρησιμοποιήσαμε 7 ψηφιακές βαλβίδες οι οποίες τροφοδοτούν τα έμβολα με πεπιεσμένο αέρα ο οποίος παρέχεται από το εργαστηριακό δίκτυο πεπιεσμένου αέρα. Οι βαλβίδες αυτές είναι δεμένες πάνω σε μια βάση, καθιστώντας έτσι εφικτή και ασφαλή τη διενέργεια πειραμάτων (Εικόνα 2.5). Η βάση αυτή είναι εφοδιασμένη με διάφορες υποδοχές. Στη μια υποδοχή συνδέεται η τροφοδοσία του πεπιεσμένου αέρα, ενώ από τις υπόλοιπες τροφοδοτούνται οι ψηφιακές βαλβίδες. Εικόνα 2.5: Ψηφιακές βαλβίδες στερεωμένες πάνω στην βάση τους Aναλογικές βαλβίδες Στην οφιοειδή και την πλάγια κίνηση χρησιμοποιήθηκαν αναλογικές βαλβίδες οι οποίες τροφοδοτούν 4 μύες με πεπιεσμένο αέρα που προέρχεται από το εργαστηριακό δίκτυο πεπιεσμένου αέρα. Μέσω αυτών των βαλβίδων μας δίνεται η δυνατότητα να δίνουμε διάφορες τιμές πίεσης σε κάθε χρονική στιγμή. Οι αναλογικές βαλβίδες που χρησιμοποιήθηκαν είναι οι VPPM-6F-L-1-F-0L6H-V1N της εταιρίας FESTO (Εικόνα 2.6).

18 18 Εικόνα 2.6: Αναλογικές βαλβίδες της FESTO εν λειτουργία Κατασκευαστής: Festo AG&Co. KG Moντέλο: VPPM-6F-L-1-F-0L6H-V1N Tεχνικά χαρακτηριστικά: Αναλογικός ρυθμιστής πίεσης τύπου VPPM3-δρόμων με ηλεκτρική ενεργοποίηση. Ονομαστική διάμετρος εισόδου 6 [mm]/εξόδου 4.5 [mm] Βαλβίδα τύπου F (Flange) Λειτουργία βαλβίδας τύπου 1 ( 3-way ρυθμιστής πίεσης, normally closed) Πνευματική σύνδεση τύπου Flange/Sub-base (F) Mέσο λειτουργίας: φιλτραρισμένος πεπιεσμένος αέρας με πίεση ασφαλούς λειτουργίας από 0 έως 6 bar. Μέγιστη επιτρεπόμενη πίεση : 8 bar. Γενική ακρίβεια ελέγχου 2 % (απόκλιση της τάξης των bar) Καθορισμός setpoint μεταβλητής σε τάση V1(0-10V) Διακοπτική έξοδος τύπου Ν (ΝPN) Ένδειξη λειτουργίας τύπου LED. Τάση λειτουργίας 21.6 έως 26.4VDC. Επιτρεπόμενη θερμοκρασία λειτουργίας 0 έως +60 Ο C. Βάρος 400g. Στο σχήμα 2.3 φαίνονται αναλυτικά οι διαστάσεις των αναλογικών βαλβίδων.

19 19 Σχήμα 2.3: Μηχανολογικό σχέδιο με διαστασιολόγηση των αναλογικών βαλβίδων H βαλβίδα τύπου VPPM έχει σχεδιαστεί έτσι ώστε να ρυθμίζει την πίεση σε σχέση με μια καθορισμένη ονομαστική (setpoint) τιμή. Ένας ενσωματωμένος αισθητήρας καταγράφει την πίεση εισόδου και αφού συγκρίνει την πίεση εξόδου με την προκαθορισμένη τιμή, αν παρουσιαστούν αποκλίσεις, ενεργοποιείται η βαλβίδα έτσι ώστε η πίεση να φτάσει την προκαθορισμένη τιμή. Στο σχήμα 2.4 παρουσιάζεται αναλυτικά το διάγραμμα λειτουργίας της αναλογικής βαλβίδας. Σχήμα 2.4: Διάγραμμα λειτουργίας αναλογικής βαλβίδας VPPM

20 20 Εικόνα 2.7 Πρόσοψη ψηφιακής βαλβίδας 1 Θύρα ηλεκτρικής σύνδεσης 8-pin. 2 LED ένδειξη λειτουργίας και κατάστασης 3 LED ένδειξη συμπεριφοράς ελέγχου 4 Κουμπιά περιήγησης στις λειτουργίες της βαλβίδας. Η πρόσοψη της αναλογικής βαλβίδας (Εικόνα 2.7) είναι εξοπλισμένη με led τα οποία ενημερώνουν το χρήστη για την κατάσταση λειτουργίας της και τη συμπεριφορά ελέγχου της. Παράλληλα διαθέτει και τρία κουμπιά περιήγησης, ώστε ο χρήστης να έχει τη δυνατότητα να διαλέξει ανάμεσα στις τρείς συμπεριφορές ελέγχου της βαλβίδας. Στην πρώτη επιλογή η απόκριση είναι αρκετά γρήγορη αλλά με μεγαλύτερο χρόνο αποκατάστασης λόγω της υπερύψωσης. Στη δεύτερη, που είναι και η εργοστασιακή, προσφέρεται μικρός χρόνος αποκατάστασης και υπερύψωσης. Τέλος, στην τρίτη επιλογή, ο χρόνος αποκατάστασης είναι αρκετά μικρός αλλά έχουμε μεγάλη ακρίβεια στην τελική τιμή. Επειδή το πείραμά μας απαιτεί τη γρήγορη απόκριση των μυών, επιλέχθηκε η πρώτη συμπεριφορά ελέγχου. Τέλος, για την εγκατάσταση των βαλβίδων χρησιμοποιήθηκαν ειδικές βάσεις (Εικόνα 2.8). Πάνω σε κάθε βάση μπορούσαν να εγκατασταθούν έως δύο αναλογικές βαλβίδες. Οι βάσεις αυτές είχαν διπλό ρόλο, καθώς αφενός κρατούσαν τις βαλβίδες, εξασφαλίζοντας έτσι την ασφαλή και εύκολη μεταφορά τους κατά τη διενέργεια πειραμάτων, και αφετέρου επέτρεπαν την ελεύθερη ροή του πεπιεσμένου αέρα. Οι διαστάσεις της κάθε βάσης φαίνονται στο σχήμα 2.5.

21 21 Εικόνα 2.8: Βάση στήριξης ψηφιακών βαλβίδων Σχήμα 2.5: Μηχανολογικό σχέδιο βάσης στήριξης των ψηφιακών βαλβίδων 2.4 Λοιπός εξοπλισμός 1) Ηλεκτρονικός υπολογιστής: Χρησιμοποιήθηκε για τη γραφή του προγράμματος σε STEP 7. Ο υπολογιστής αυτός μας επέτρεπε μέσω του SIMATIC να επικοινωνούμε με το PLC (Εικόνα 2.9). Εικόνα 2.9: Προσωπικός ηλεκτρονικός υπολογιστής που χρησιμοποιήθηκε.

22 22 2) Προγραμματιζόμενος λογικός ελεγκτής της Siemensμε CPU 313C (Εικόνα 2.10). Εικόνα 2.10: PLC Siemens 313C 3) Siemens PC/MPI cable: Χρησιμεύει για την επικοινωνία μεταξύ PLC και υπολογιστή. (Εικόνα 2.11) Εικόνα 2.11: Siemens PC/MPI cable 4) Mπουτόν: Με αυτά χρήστης μπορεί να ελέγχει τη λειτουργία της διάταξης. Για τον έλεγχο του σύνθετου ευθύγραμμου ενεργοποιητή χρησιμοποιήθηκαν δύο μπουτόν, ένα για την έναρξη και ένα για τη διακοπή της κίνησης. Για την οφιοειδή συστοιχία, χρησιμοποιήθηκαν τέσσερα μπουτόν, ένα για την έναρξη και ένα για τη λήξη της λειτουργίας, ένα για την ευθυγράμμιση και ένα για πλήρες φούσκωμα των μυών (στα όρια αντοχής του σκελετού). Με τον τρόπο αυτό ο χρήστης μπορούσε να ξεκινήσει ή να σταματήσει τη διαδικασία, ενώ συνδυάζοντας το μπουτόν της πλήρους διαστολής των μυών και της διακοπής λειτουργίας, αναποδογύριζε την διάταξη. 5) Αναλογική βαθμίδα εξόδου SM 332 (AO2x12bit): Χρησιμοποιήθηκε ως επέκταση του PLC ώστε να είναι εφικτή η σύνδεση επιπλέον δύο αναλογικών βαλβίδων, καθώς o προγραμματιζόμενος λογικός ελεγκτής είναι εξοπλισμένος με μόνο δυο αναλογικές εξόδους.

23 23 Κεφάλαιο 3: Τεχνητοί πνευματικοί μύες. 3.1 Εισαγωγή Οι τεχνητοί πνευματικοί μύες είναι ενεργοποιητές που μετατρέπουν τη δυναμική ενέργεια του πεπιεσμένου αέρα σε δύναμη έλξης. Πρόκειται ουσιαστικά για συστολικές/διαστολικές συσκευές οι οποίες λειτουργούν με τη βοήθεια του πεπιεσμένου αέρα. Ο ΤΠΜ εφευρέθηκε το 1950 από το φυσικό Joseph L. McKibben, αν και η σύλληψη της ιδέας, σύμφωνα με τους Marcincin και Palko, έγινε το 1930 από το Ρώσο εφευρέτη Garasiev. Aναπτύχθηκε πρώτη φορά το 1960 ως πηγή ενεργοποίησης για έναν ορθωτικό βραχίονα και χρησιμοποιήθηκε ως τεχνητό άκρο σε άτομα με ειδικές ανάγκες. Το 1980 η εταιρία Bridgestone παρουσίασε έναν βελτιωμένο ΤΠΜ μεγαλύτερης ισχύος ο οποίος χρησιμοποιήθηκε σε εφαρμογές βαφής στη βιομηχανία, σε εφαρμογές για άτομα με ειδικές ανάγκες και σε διατάξεις ρομποτικής. Ένας ΤΠΜ κατασκευάζεται από ένα λεπτό ελαστικό σωλήνα ο οποίος καλύπτεται από ένα πλεγμένο δικτυωτό κέλυφος. Τα δυο του άκρα είναι κλειστά. Το ένα αποτελεί το στόμιο εισόδου, όπου γίνεται η είσοδος του πεπιεσμένου αέρα, ενώ στο άλλο εφαρμόζεται το μηχανικό φορτίο. Όταν το στόμιο τροφοδοτείται, ο εσωτερικός ελαστικός σωλήνας τείνει να αυξήσει τον όγκο του έναντι του πλεγμένου κελύφους. Η μη επεκτασιμότητα του πλεγμένου νήματος όμως προκαλεί σύμπτυξη του ενεργοποιητή και δημιουργεί δύναμη έλξης όταν είναι συνδεδεμένος με ένα φορτίο. Στη διπλωματική αυτή χρησιμοποιήσαμε ένα νέο είδος ΤΠΜ της εταιρίας FESTO. Η βασική του κατασκευή περιλαμβάνει ένα στεγανό περιτύλιγμα και εύκαμπτο σωλήνα με μη ελαστικές ίνες τοποθετημένες σε ραβδοειδή μορφή. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα ένα τρισδιάστατο δικτυωτό πλέγμα το οποίο παραμορφώνεται όταν τροφοδοτείται με πεπιεσμένο αέρα. Αυξάνοντας την πίεση του αέρα συστέλλονται οι μύες δημιουργώντας έτσι μια δύναμη έλξης στην αξονική κατεύθυνση του ΤΠΜ. Οι ΤΠΜ έχουν αρκετά πλεονεκτήματα σε σχέση με τον κλασσικό πνευματικό κύλινδρο όπως υψηλή ισχύ σε σχέση με το βάρος τους, ευκαμψία κατασκευής, μεταβλητή δυνατότητα εγκατάστασης και ανθεκτικότητα μηχανικής φθοράς. Επίσης λόγω του ότι ένα μικρό μέγεθος ΤΠΜ μπορεί να παράγει μεγάλη δύναμη έλξης έχουμε ελάχιστη κατανάλωση πεπιεσμένου αέρα. Τέλος, παρά το χαμηλό τους κόστος, η αξιοπιστία τους είναι αρκετά υψηλή. Από την άλλη μεριά, τους ΤΠΜ τους χαρακτηρίζει μια υψηλή μη γραμμική χαρακτηριστική λειτουργίας λόγω της συμπιεστότητας του αέρα, των φυσικών ιδιοτήτων των ελαστικών ή πλαστικών υλικών και της γεωμετρικής συμπεριφοράς του κελύφους τους. Για αυτό το λόγο είναι δύσκολο να μοντελοποιηθούν και να ελεγχθούν.

24 Μοντελοποίηση ΤΠΜ Ο ΤΠΜ, στην κλασική του μορφή, αποτελείται από ένα σύνθετο υλικό που κατασκευάζεται από μια μήτρα καουτσούκ με ενσωματωμένες δομικές ίνες. Αν ο μυς τροφοδοτηθεί με πεπιεσμένο αέρα συρρικνώνεται, δημιουργώντας έτσι μια δύναμη έλξης του εξωτερικού φορτίου (Σχήμα 3.1). Σχήμα 3.1 Δύο λειτουργικές φάσεις του ΤΠΜ [1] Φαινομενολογικό μοντέλο Στο σχήμα 3.2 απεικονίζεται το φαινομενολογικό μοντέλο του ΤΠΜ που χρησιμοποιήθηκε για να περιγράψει τη δυναμική του ΤΠΜ. Αυτό αποτελείται από ένα στοιχείο ελατηρίου, ένα στοιχείο απόσβεσης και ένα συσταλτικό στοιχείο συνδεδεμένα παράλληλα. Σχήμα 3.2 Φαινομενολογικό μοντέλο του ΤΠΜ [1].

25 25 Η διαφορική εξίσωση που διέπει το μοντέλο αυτό είναι η εξίσωση (3.1) (3.1) όπου με Χ συμβολίζεται η μετακίνηση του ΤΠΜ, με Μ η μάζα των κινούμενων μερών μόνο, καθώς η μάζα του ΤΠΜ είναι αρκετά μικρή και θεωρείται αμελητέα, με Β ο συντελεστής απόσβεσης, με Κ ο συντελεστής του ελατηρίου, με F ce ο συντελεστής συστολικής δύναμης και με L το εξωτερικό φορτίο. Θεωρώντας Μ=0 και f(t)= Fce L τότε η εξίσωση (3.1) γίνεται: (3.2) όπου ως f(t) ορίζεται η συνάρτηση εισόδου που αναγκάζει το σύστημα να τεθεί σε λειτουργία. Διαιρώντας και τα δύο μέλη της εξίσωσης (3.2) με Κ και θέτοντας Β τ και f(t) = KX D, Κ όπου X D είναι η επιθυμητή μετατόπιση του άκρου του ΤΠΜ, προκύπτει η ακόλουθη εξίσωση, (3.3) Εφαρμόζοντας μετασχηματισμό Laplace στην εξίσωση (3.3) και θεωρώντας τις αρχικές συνθήκες μηδενικές προκύπτει η συνάρτηση μεταφοράς του φαινομενολογικού μοντέλου του ΤΠΜ, (3.4) Μοντελοποίηση της εταιρίας FESTO Στο σχήμα 3.3 παρουσιάζεται το γεωμετρικό μοντέλο της εταιρίας FESTO, όπου L και D είναι το μήκος και η διάμετρος του κυλίνδρου αντίστοιχα. Υποθέτοντας μη επεκτασιμότητα του πλέγματος του υλικού, οι γεωμετρικές συνθήκες είναι το μήκος b, ο αριθμός στροφών n για ένα μοναδικό νήμα και η γωνία α που σχηματίζεται μεταξύ του νήματος και του άξονα του κυλίνδρου, η οποία αλλάζει καθώς μεταβάλλεται το μήκος του. Σχήμα 3.3 Γεωμετρικό μοντέλο του ΤΠΜ της FESTO [1].

26 26 Με την χρήση των παραπάνω στοιχείων, οι Tondu και Lopez (2000), υποθέτοντας ότι το πάχος των τοιχωμάτων του μυός είναι πολύ μικρό και ότι η πίεση μεταδίδεται ομοιόμορφα σε όλη την επιφάνειά της μεμβράνης, ανέπτυξαν ένα μαθηματικό μοντέλο το οποίο οδήγησε στην εξίσωση (3.5), (3.5) Όπου, 0 ε ε max,,, r 0 = ονομαστική εσωτερική ακτίνα, l 0 = ονομαστικό μήκος του μυός και P = πίεση. Στη συνέχεια, οι Tondu και Lopez (2000), λαμβάνοντας σοβαρά υπόψη το γεγονός ότι ο μυς δεν είναι κυλινδρικός στα άκρα του αλλά μάλλον πεπλατυσμένος, εισάγουν μια παράμετρο k για την βελτίωση της εξίσωσης (3.5). Η επιλογή της παραμέτρου k έγινε με δύο προσεγγίσεις: (3.6) 1. Η παράμετρος k έχει μια σταθερή τιμή η οποία μπορεί να ποικίλει ανάλογα με το κατασκευαστικό υλικό του μυός. 2. Η παράμετρος k εξαρτάται από την πίεση του μυός σε κάθε δεδομένη στιγμή. Η δεύτερη επιλογή παρέχει το πιο ακριβές και ολοκληρωμένο μοντέλο. Παρόλα αυτά ο αναλυτικός υπολογισμός των παραμέτρων είναι πολύπλοκος και δεν οδηγεί πάντα σε ακριβή αποτελέσματα. Για το λόγο αυτό η πιο αποτελεσματική λύση είναι να υπολογιστούν μέσω πειραματικών δοκιμών. Το 2002 ο Petrovic πρότεινε την εξίσωση (3.7) στην προσπάθεια του να μοντελοποιήσει τη σχέση ανάμεσα στη δύναμη που ασκείται από έναν μυ κατά μήκος του άξονά του και την πίεση και την συστολή. Όπου q είναι η μετατόπιση, η οποία δίνεται από την σχέση q = l l 0. (3.7) Για τον υπολογισμό των συντελεστών της εξίσωσης, έπρεπε να προστεθεί ένας νέος όρος φ(q) που εξαρτάται από την συστολή του μυός και όχι από την πίεση. Έτσι η εξίσωση (3.7) γίνεται: (3.8) O όρος φ(q) πρέπει να μπορεί να υπολογιστεί εμπειρικά ώστε να μπορούν να προσδιοριστούν οι υπόλοιποι παράμετροι της εξίσωσης. Για τον αναλυτικό προσδιορισμό των παραμέτρων κρίνεται αναγκαία η εισαγωγή προσεγγίσεων σύμφωνα με τα μοντέλα των Umetanietal. 1999, Colbrunnetal και Pedrovic 2002, ή πειραματικά. Το πιο ρεαλιστικό γεωμετρικό μοντέλο του ΤΠΜ είναι αυτό που φαίνεται στο σχήμα 3.4 (Doumit 2009). Αναπτύχθηκε προκειμένου να περιγραφεί η πραγματική μορφή του μυός, λαμβάνοντας υπόψη το ακανόνιστο σχήμα στα άκρα του κατά τη διάρκεια της διόγκωσής του.

27 27 Σχήμα 3.4 Γεωμετρικό Μοντέλο του ΤΠΜ [1] Στο σχήμα 3.4 παρατηρούμε ότι το μοντέλο αυτό αποτελείται από δυο τμήματα: 1. Τμήμα κώνου: Χρησιμοποιείται για τη μοντελοποίηση του κάθε άκρου του μυός. L z L L β d Μήκος που έχει δημιουργηθεί από τον κώνο Οριζόντιο μήκος του κώνου Γωνία του κώνου στα άκρα του μυός Διάμετρος άκρου Το μήκος L z που έχει δημιουργηθεί από τον κώνο υπολογίζεται πειραματικά, ενώ το οριζόντιο μήκος του κώνου δίνεται από την ακόλουθη σχέση: (3.9) 2. Τμήμα κυλίνδρου: Αποτελεί τη μοντελοποίηση του μεσαίου τμήματος του ΤΠΜ και διέπεται από την παραμόρφωση της πλεξούδας. L m D Μήκος μεσαίου τμήματος Διάμετρος μεσαίου τμήματος Βασιζόμενοι στο σχήμα 3.3, το μεσαίο τμήμα του μυ χαρακτηρίζεται από τις σχέσεις, (3.10)

28 28 Επομένως προκύπτει ότι η διάμετρος πλέξης είναι: (3.11) Τέλος, το συνολικό μήκος του κυλίνδρου δίνεται από την σχέση: Aν θεωρήσουμε τον μυ καθαρά κυλινδρικό, το μήκος του δίνεται από την ακόλουθη σχέση (3.12) (3.13) Μέθοδος μοντελοποίησης Όπως αναφέραμε προηγουμένως, όταν ένας μυς τροφοδοτείται με πεπιεσμένο αέρα συστέλλεται με αποτέλεσμα το μήκος του να ελαττώνεται σε L u, αποκτώντας έτσι ένα νέο σημείο ισορροπίας (Σχήμα 3.5α). Το μήκος L u ονομάζεται μήκος υπό συστολή και δίνεται από τον ακόλουθο τύπο, (3.14) Παρατηρούμε ότι το μήκος υπό συστολή μεταβάλλεται συναρτήσει της πίεσης (Σχήμα 3.5β). Το μήκος L s ονομάζεται τανυσμένο μήκος και προκύπτει από τη διαφορά μεταξύ του στιγμιαίου μήκους και του μήκους συστολής (Σχήμα 3.5γ). Ο συσταλμένος μυς τείνει να αυξήσει το μήκος του ανάλογα με την εφαρμοζόμενη δύναμη έλξης F. Παρατηρούμε, λοιπόν, ότι ο ΤΠΜ συμπεριφέρεται σαν ελατήριο όταν λειτουργεί με ή χωρίς δύναμη έλξης (Σχήμα 3.6). Σχήμα 3.5 Βασικά χαρακτηριστικά του εμπειρικού μοντέλου [1].

29 29 Κατά την διάρκεια διαφόρων πειραμάτων, οι ερευνητές παρατήρησαν ότι η δύναμη αυτή μπορεί να μοντελοποιηθεί με τον ίδιο τρόπο όπως η δύναμη πάνω σε ένα ελατήριο. Σχήμα 3.6 Ισοδύναμο διάγραμμα ΤΠΜ και ελατηρίου [1]. Η ελαστική δύναμη που παράγεται στον μυ μοντελοποιείται σύμφωνα με την ακόλουθη σχέση: (3.15) όπου Κ είναι η παράμετρος ακαμψίας του μυός. Η παράμετρος αυτή είναι μεταβλητή, σε αντίθεση με του ελατηρίου που είναι σταθερή. Παρατηρώντας την εξίσωση (3.16) διαπιστώνεται ότι δεν εξαρτάται μόνο από τις προαναφερθείσες ιδιότητες, αλλά και από την πίεση λειτουργίας του αέρα στο εσωτερικό τους. (3.16) όπου c 1, c 2, c 3, c 4 είναι σταθερές που είναι δυνατόν να βρεθούν από πειραματικά δεδομένα. Η τιμή της ακαμψίας αυξάνεται με την αύξηση του τανυσμένου μήκους, ενώ για δεδομένο τανυσμένο μήκος μειώνεται όταν αυξάνεται η πίεση που εμπεριέχεται στον μυ σε ένα εύρος χαμηλών πιέσεων. Παρόλα αυτά η παράμετρος της ακαμψίας αυξάνεται όταν η πίεση του αέρα μέσα στον ΤΠΜ ξεπεράσει μια συγκεκριμένη ελάχιστη τιμή. Αυτή η απροσδόκητη μη γραμμική συμπεριφορά οφείλεται στην περίπλοκη δομή του ΤΠΜ.

30 Ιδιότητες ΤΠΜ Το μήκος ισορροπίας ενός ΤΠΜ υπό στατικές συνθήκες καθορίζεται από τρεις παραμέτρους: Το επίπεδο της πίεσης Την εξωτερική φόρτιση Τη μεταβολή του όγκου προς το μήκος του συγκεκριμένου μυός. Θεωρούμε έναν τεχνητό μυ υπό πίεση p που έχει απειροελάχιστη μάζα dm αερίου και διογκώνεται για συγκεκριμένο χρονικό διάστημα dt. Έτσι, μεγαλώνοντας τον όγκο της μεμβράνης του κατά dv, αναπτύσσεται ένα καθαρό ποσό έργου pdv. Ταυτόχρονα, το μήκος της μεμβράνης αλλάζει κατά dl και ένα φορτίο F μετατοπίζεται κατά την ίδια απόσταση, χρησιμοποιώντας ένα ποσό έργου Fdl. Αν αμελήσουμε το απαιτούμενο έργο για την παραμόρφωση της μεμβράνης και θεωρήσουμε ότι υπάρχουν στατικές συνθήκες, τότε η αναπτυσσόμενη δύναμη είναι: (3.17) όπου - ορίζεται ως η ενεργός περιοχή του μυός/ενεργοποιητή. Ως «συστολή» ορίζεται η μεταβολή του μήκους σε σχέση με τη μέγιστη τιμή L max. Στο σχήμα 3.7 βλέπουμε τις χαρακτηριστικές καμπύλες για δεδομένο φορτίο. Σχήμα 3.7: Διάγραμμα ισοβαρών καμπυλών δύναμης-συστολής ενός ΤΠΜ (%) [1].

31 31 Κάθε καμπύλη τιμών παράγεται από τη δύναμη των μυών ως συνάρτηση της συστολής υπό σταθερή πίεση. Παρατηρούμε ότι οι καμπύλες έχουν παρόμοια μορφή και ότι η τιμή της δύναμης μειώνεται πάντα από την υψηλότερη τιμή έως το μηδέν. Λόγω αυτής της χαρακτηριστικής, οι ενεργοποιητές αυτοί αναφέρονται ως μύες που προσομοιάζουν τους ανθρώπινους μύες. Μια άλλη ιδιότητα των ΤΠΜ είναι η διατασιμότητά τους C. Αυτή οφείλεται στη συμπίεση του αερίου με το οποίο λειτουργεί ο πνευματικός ενεργοποιητής και στην πτώση ισχύος στις χαρακτηριστικές καμπύλες συρρίκνωσης. Η διατασιμότητα μπορεί να εκφραστεί σαν το αντίστροφο της ακαμψίας Κ και δίνεται από τον εξής τύπο: (3.18) Αν στο εσωτερικό των μυών υφίσταται κάποια πολυτροπική διεργασία, τότε η παραπάνω εξίσωση γίνεται: (3.19) όπου με P 0 συμβολίζεται η πίεση του περιβάλλοντος και με n ο πολυτροπικός εκθέτης. Παρατηρούμε λοιπόν ότι η διατασιμότητα προσαρμόζεται με τον έλεγχο της πίεσης. Λόγω του ότι οι ΤΠΜ είναι συσταλτικές συσκευές μπορούν να δημιουργήσουν κίνηση προς μια μόνο κατεύθυνση. Έτσι λοιπόν για να δημιουργήσουμε αμφίδρομη κίνηση πρέπει να συνδυαστούν δυο ενεργοποιητές ο ένας για να κινεί το φορτίο και ο άλλος για να το φρενάρει. Αυτή η αντίθετη, ως προς την παραγωγή έργου, σύνδεση ΤΠΜ αναφέρεται ως μια ανταγωνιστική διάταξη μυών και μπορεί να χρησιμοποιηθεί είτε για γραμμική είτε για παλινδρομική κίνηση. Σχήμα 3.8 Ανταγωνιστική διάταξη μυών [1].

32 32 Όπως αναφέραμε προηγουμένως οι ΤΠΜ μοιάζουν με τους σκελετικούς μύες, αφενός επειδή είναι και οι δυο γραμμικοί συσταλτικοί μηχανισμοί με συνεχή μείωση της σχέσης φορτίου-συστολής και αφετέρου για να παράγουν αμφίδρομη κίνηση πρέπει να εργάζονται ανταγωνιστικά. Παρόλα αυτά διαφέρουν σε πολλά σημεία όπως ότι οι σκελετικοί μύες δεν αλλάζουν όγκο κατά τη διάρκεια της συστολής, έχουν μια αρθρωτή δομή, είναι οργανωμένοι σε μονάδες, λειτουργούν μέσα από την ενέργεια που αποθηκεύουν και διαχωρίζονται σε αργούς και γρήγορους τύπους. Η σημαντικότερη όμως διαφορά είναι ότι οι σκελετικοί μύες μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως πηγή ενέργειας ή για την κατασκευή μυών άλλων βιολογικών συστημάτων. Συνεχίζοντας, όσον αφορά τις ιδιότητες, οι ΤΠΜ είναι πολύ ισχυροί από την πλευρά παραγωγής έργου ασχέτως αν είναι εξαιρετικά ελαφρείς, λόγω του ότι το κύριο κατασκευαστικό υλικό είναι μια μεμβράνη. Επίσης, συνδέονται πολύ εύκολα σε όλες τις διατάξεις κάνοντας έτσι εύκολη την αντικατάστασή τους. Ταυτόχρονα είναι πολύ φιλικοί με το περιβάλλον, καθώς «καύσιμό» τους είναι ένα εντελώς αθώο αέριο, o αέρας. Παράλληλα, δεν εγκυμονούν κινδύνους, καθώς αποκλείουν τις πιθανότητες έκρηξης ή πυρκαγιάς, και θεωρούνται ως οι κατάλληλες συσκευές αλληλεπίδρασης ανθρώπου-μηχανής.

33 33 Κεφάλαιο 4: Προγραμματιζόμενοι Λογικοί Ελεγκτές (PLCs) 4.1.Εισαγωγή / Σύντομη αναφορά στη χρήση του PLC. Mέχρι το τέλος του 1960 οι αυτοματισμοί στη βιομηχανία γίνονταν με τη χρήση ηλεκτρομηχανικών ηλεκτρονόμων. Τότε οι προγραμματιζόμενοι λογικοί ελεγκτές έκαναν για πρώτη φορά την εμφάνισή τους σε μια αμερικάνικη βιομηχανία αυτοκινήτων προκειμένου να καλυφθούν οι ανάγκες για αυτοματοποίηση στην παραγωγική διαδικασία και η μορφή τους ήταν εντελώς διαφορετική από αυτή που έχουν σήμερα. Ένας προγραμματιζόμενος λογικός ελεγκτής (PLC) είναι μια στερεή ηλεκτρονική συσκευή με μικροεπεξεργαστή και προγραμματιζόμενη μνήμη η οποία μπορεί να αποθηκεύσει και να εκτελέσει εντολές του χρήστη για υλοποίηση συναρτήσεων λογικής Boole, ακολουθιακής λογικής, χρονισμού, απαρίθμησης και αριθμητικών πράξεων προκειμένου, μέσω ψηφιακών ή αναλογικών εισόδων/εξόδων, να ελεγχθεί μια συγκεκριμένη διεργασία. Η σχεδίαση των περισσότερων PLCs είναι παρόμοια με αυτή ενός υπολογιστή. Οι προγραμματιζόμενοι λογικοί ελεγκτές είναι κατασκευασμένοι ώστε να αντέχουν σε βιομηχανικό περιβάλλον και είναι εφοδιασμένοι με ειδικές διασυνδέσεις εισόδου/εξόδου και με μια γλώσσα ελέγχου προγραμματισμού. Τα PLCs αντικαθιστούν ένα σημαντικό μέρος του εξοπλισμού καθώς και χρονοβόρες εργασίες του κλασικού τρόπου ανάπτυξης ενός συστήματος αυτοματισμού. ΧΘΕΣ Ογκώδεις εγκαταστάσεις Κύκλωμα αυτοματισμού Καλωδιώσεις Πίνακας με υλοποιημένο κύκλωμα με εισόδους/εξόδους ΣΗΜΕΡΑ Μία συσκευή Πρόγραμμα Προγραμματισμός PLC με κάρτες εισόδων εξόδων Παρατηρούμε, λοιπόν, ότι τα PLCs έχουν μια σειρά από πλεονεκτήματα σε σχέση με τον κλασικό αυτοματισμό, τα οποία λόγω των σύγχρονων απαιτήσεων τα καθιστούν αναγκαία. Οικονομία χώρου: Οι ψηφιακές συσκευές αντικατέστησαν τις ογκώδεις εγκαταστάσεις καθώς εμπεριέχουν δεκάδες χρονοδιακόπτες, δεκάδες απαριθμητές και εκατοντάδες βοηθητικά ρελέ. Οικονομία χρόνου: Το PLC δίνει τη δυνατότητα να μπορούμε να γράφουμε το πρόγραμμα ταυτόχρονα με την εγκατάστασή του και τη σύνδεσή του με τις συσκευές εισόδου/εξόδου. Αντιθέτως, στο συμβατικό αυτοματισμό πρέπει πρώτα να σχεδιαστεί το κύκλωμα αυτοματισμού μετά να κατασκευαστεί ο βιομηχανικός πίνακας αυτοματισμού και στη συνέχεια να γίνει η εγκατάστασή του και η σύνδεσή του με τις συσκευές εισόδου και εξόδου. Εύκολη τροποποίηση αυτοματισμού: Στο συμβατικό προγραμματισμό μια απλή τροποποίηση σημαίνει αφαίρεση καλωδίων, προσθήκη νέων καλωδίων και συσκευών και κυρίως παύση της λειτουργίας του ελεγχόμενου συστήματος για κάποιο χρονικό

34 34 διάστημα. Αντιθέτως, στα PLCs απλά γράφουμε ένα καινούργιο πρόγραμμα και το φορτώνουμε είτε εν λειτουργία στοplc είτε με παύση λίγων δευτερολέπτων. Εύκολος εντοπισμός βλαβών: Με τα PLCs μπορούμε να παρακολουθούμε την τρέχουσα διαδικασία μέσω της επιλογής monitor και να βλέπουμε ανά πάσα στιγμή τι τιμή παίρνουν οι μεταβλητές μας. Επίσης, μας δίνεται η δυνατότητα μέσω της εντολής FORCE VALUE να δώσουμε μια πλασματική τιμή σε κάποια μεταβλητή ώστε να παρατηρήσουμε την απόκριση του συστήματος. Αυτές τις δυνατότητες δεν τις έχουμε στο συμβατικό αυτοματισμό κάνοντας έτσι τον εντοπισμό βλαβών μια επίπονη και χρονοβόρα διαδικασία. Σύγχρονος τρόπος και μέσα εργασίας: Ο κόσμος των καλωδίων και του κατσαβιδιού αποτελεί πλέον παρελθόν για τους μηχανικούς. Τώρα δουλεύουν με υπολογιστή, προγραμματίζουν σε περιβάλλον windows,εκτυπώνουν τα σχέδια τους κτλ Συμπεραίνουμε, λοιπόν, ότι οι προγραμματιζόμενοι λογικοί ελεγκτές καθιστούν την επίλυση των προβλημάτων που προκύπτουν ευκολότερη σε σχέση με τους κλασσικούς ηλεκτρονόμους. Τα PLCs μπορούν να σχεδιαστούν με ικανότητες επικοινωνίας που τους επιτρέπουν να συνδέονται με άλλα συστήματα υπολογιστών και να παρέχουν διασύνδεση με τους ανθρώπους. Ο προγραμματιζόμενος λογικός ελεγκτής είναι μια συσκευή καθοδηγούμενη από το γεγονός, το οποίο σημαίνει ότι όταν πραγματοποιείται ένα γεγονός έχει σαν αποτέλεσμα να συμβεί μια λειτουργία ή να δοθεί μια έξοδος στο σύστημα. 4.2 Δομή του PLC Ένας προγραμματιζόμενος λογικός ελεγκτής μπορεί να διαιρεθεί σε επιμέρους τμήματα όπως φαίνεται στο σχήμα 4.1: Σχήμα 4.1: Μέρη ενός PLC [3]

35 35 Στο σχήμα 4.2 παρουσιάζεται αναλυτικά η αρχιτεκτονική του PLC. Παρατηρούμε ότι η αρχιτεκτονική του PLC βασίζεται στις ίδιες αρχές οι οποίες εφαρμόζονται και στην αρχιτεκτονική των υπολογιστών. Σχήμα 4.2: Αρχιτεκτονική του PLC [3] Υπάρχουν δύο βασικοί τύποι κατασκευής ενός PLC: η συμπαγής και η δομική μορφή (σταθερά ή ρυθμιζόμενα). Εικόνα 4.1 α) Συμπαγής μορφή Προγραμματιζόμενου Λογικού Ελεγκτή [2]. β) Δομική μορφή Προγραμματιζόμενου Λογικού Ελεγκτή [2].

36 36 Τα PLCs της πρώτης κατηγορίας είναι συμπαγείς κατασκευές στις οποίες το σύστημα I/O είναι ενσωματωμένο (Εικόνα 4.1α). Αυτές οι κατασκευές συνήθως δεν είναι επεκτάσιμες. Βασικό πλεονέκτημα αυτής της μορφής είναι το μικρό κόστος, υστερούν όμως σε ευελιξία προσαρμογής. Τα PLCs της δεύτερης κατηγορίας αποτελούνται από βαθμίδες οι οποίες είτε τοποθετούνται πάνω σε μια κοινή βάση (rack), η οποία συντελεί στη λειτουργική συνεργασία όλων των μονάδων, είτε ενώνονται με βισματωτές πρίζες. Με αυτό τον τρόπο μπορεί να γίνει η σύνθεση ενός προγραμματιζόμενου λογικού ελεγκτή ώστε να ανταποκρίνεται πλήρως στις ανάγκες της κάθε εφαρμογής (Εικόνα 4.1β) Kεντρική μονάδα επεξεργασίας (CPU) Η κάρτα CPU ενός PLC περιέχει τις μονάδες μνήμης, τον επεξεργαστή, κυκλώματα επικοινωνίας μεταξύ των διάφορων τμημάτων του PLC καθώς και μια μονάδα τροφοδοσίας. Στο σχήμα 4.3 φαίνεται μια απλουστευμένη παρουσίαση της κάρτας CPU. Η CPU 313C δεν έχει ενσωματωμένο τροφοδοτικό και γι αυτό χρησιμοποιήθηκε εξωτερική πηγή 24VDC τάσης. Σχήμα 4.3: Απλοποιημένη δομή της CPU Η CPU ενός PLC εκτελεί τις λογικές και αριθμητικές λειτουργίες, διαχειρίζεται τη μνήμη, παρακολουθεί τις εισόδους, υλοποιεί τη λογική του χρήστη και ανοίγει τις κατάλληλες εξόδους. Η επικοινωνία του μικροεπεξεργαστή με τις μονάδες μνήμης και τα ενδιάμεσα κυκλώματα εισόδου/εξόδου γίνεται μέσω ενός συστήματος αγωγών που ονομάζεται δίαυλος (bus). Στον παρακάτω πίνακα φαίνονται ορισμένα βασικά χαρακτηριστικά της κεντρικής μονάδας επεξεργασίας του PLC που χρησιμοποιήσαμε:

37 37 Γενικές πληροφορίες Έκδοση Ηardware 0.1 Έκδοση Firmware V 3.3 Software Simatic step 7.0 v5.3 SP1 προγραμματισμού Τροφοδοτικό Μόνιμη Τάση 24V DC Χαμηλότερη επιτρεπτή 19.2V τάση Yψηλότερη επιτρεπτή 28.8V τάση Χρόνοι εκτέλεσης Bit operations 0.07μs Word operations 0.15μs Fixed point arithmetic 0.2μs Floating point addition 0.72μs CPU Blocks DB Μέγιστος αριθμός 1024 (εύρος 1 έως 16000) Μέγιστο μέγεθος : 64 kbyte FB Mέγιστος αριθμός: 1024 (εύρος 0 έως 7999) Μέγιστο μέγεθος : 64 kbyte FC Mέγιστος αριθμός: 1024 (εύρος 0 έως 7999) Μέγιστο μέγεθος : 64 kbyte OB Μέγιστο μέγεθος : 64 kbyte Number of free cycle OBs : 1 (OB 1) Number of time alarm OBs : 1 (OB10) Number of delay alarm OBs : 2 (OB 20, 21) Number of time interrupt OBs : 4 ( OB 32, 33, 34, 35) Number of process alarm OBs 1 (OB 40) Number of startup OBs 1 (OB 100) Number of asynchronous error OBs: 4 (OB 80, 82, 85, 87) Number of synchronous error OBs: 2 (OB 121, 122) Στη μνήμη ενός PLC γίνεται η αποθήκευση του εκτελέσιμου προγράμματος, των καταστάσεων εισόδων/εξόδων καθώς και διάφορα προσωρινά δεδομένα. Οι μνήμες που απαρτίζουν ένα PLC διακρίνονται σε: ROM (Read-only Memory): Μνήμες «μόνο ανάγνωσης» που χρησιμοποιούνται για την αποθήκευση των δεδομένων του προγράμματος, έτσι ώστε να καθίσταται δυνατή η ανάγνωση των περιεχομένων της. RAM (Random Access Memory): Μνήμες τύπου τυχαίας προσπέλασης. Αυτές επιτρέπουν στο χρήστη να μπορεί να γράφει και να διαβάζει ελεύθερα και χωρίς περιορισμούς και πρόγραμμα και δεδομένα. EPROM (Erasable Programmable Read-Only Memory): Πρόκειται για μια μνήμη ανάγνωσης με δυνατότητα διαγραφής μέσω εκπομπής της σε υπεριώδη ακτινοβολία. ΕΕPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory): Aυτός ο τύπος μνήμης είναι παρόμοιος με την ΕPROM με τη διαφορά ότι για τη διαγραφή της δεν χρειάζεται η έκθεσή της σε υπεριώδη ακτινοβολία αλλά γίνεται ηλεκτρικά, εφαρμόζοντας ηλεκτρική τάση στους ακροδέκτες του ολοκληρωμένου.

38 38 Η μνήμη της CPU 313Cαποτελείται από τα εξής: Work memory Integrated 128 kbyte Size of retentive memory 64 kbyte for retentive data blocks Load Memory Max size 8Mbyte Backup present Yes (Guaranteed by MMC) without battery Yes (Program and data) Μονάδες εισόδου Οι βαθμίδες εισόδου εστιάζουν στη λήψη σημάτων από εξωτερικές πηγές (π.χ. μπουτόν, αισθητήρες κτλ), στη μετατροπή τους σε σήματα κατανοητά για την CPU μέσω ειδικών ηλεκτρονικών κυκλωμάτων που διαθέτουν και στη μεταφορά τους σε αυτή. Οι μονάδες εισόδου διακρίνονται σε αναλογικές και ψηφιακές Ψηφιακές μονάδες εισόδου Οι ψηφιακές μονάδες εισόδου δέχονται διακριτές εισόδους που αντιστοιχούν σε λογικό 0 για τη χαμηλή τάση και σε λογικό 1 για την υψηλή. Στην ψηφιακή βαθμίδα γίνεται η μετατροπή του επιπέδου της τάσης και η διαμόρφωση των σημάτων εισόδου ώστε αυτά να είναι συμβατά με την τάση λειτουργίας του επεξεργαστή και των υπόλοιπων ηλεκτρονικών στοιχείων. Κατόπιν τα διαμορφωμένα σήματα οδηγούνται στη μονάδα ηλεκτρικής απομόνωσης ώστε να έχουμε απομόνωση των υψηλών επιπέδων ισχύος. Τέλος, κάθε διαμορφωμένο και ηλεκτρικά απομονωμένο σήμα πολυπλέκεται και οδηγείται στο μικροεπεξεργαστή σειριακά (Σχήμα 4.4). Το PLC που χρησιμοποιήσαμε έχει 24 ψηφιακές εισόδους με διευθυνσιοδότηση από το έως το 126.7

39 39 Σχήμα 4.4: Blockδιάγραμμα λειτουργιών ψηφιακής βαθμίδας εισόδου Αναλογικές μονάδες εισόδου Oι αναλογικές βαθμίδες δέχονται αναλογικά σήματα και αφού τα μετατρέψουν σε ψηφιακά μέσω ενός A/D μετατροπέα, τα προωθούν στην CPUγια επεξεργασία (Σχήμα 4.5). Τα σήματα αυτά προέρχονται από αισθητήρες οι οποίοι μετατρέπουν τη φυσική τιμή του μεγέθους σε πρότυπα σήματα τάσης (0 10V ή V) ή ρεύματος (0 20 ma ή 4 20 ma). Σχήμα 4.5 Απλοποιημένο διάγραμμα βαθμίδας αναλογικών εισόδων [2]. Η CPU 313C έχει 4(+1) αναλογικές εισόδους με διευθυνσιοδότηση από

40 Μονάδες εξόδου Οι βαθμίδες εξόδου μεταφέρουν τα επεξεργασμένα σήματα από την CPU στους ακροδέκτες στους οποίους συνδέονται τα εξωτερικά στοιχεία (ενδεικτικές λυχνίες, βαλβίδες κτλ). Όπως οι μονάδες εισόδου, έτσι και οι μονάδες εξόδου χωρίζονται σε αναλογικές και ψηφιακές Ψηφιακές μονάδες εξόδου Η βαθμίδα ψηφιακών εξόδων εκτελεί μια διαδικασία επεξεργασίας των ασθενών σημάτων που λαμβάνει από το μικροεπεξεργαστή, ακριβώς αντίστροφη αυτής της μονάδας ψηφιακών εισόδων, με την διαφορά ότι είναι εφοδιασμένη και με μια μονάδα διατήρησης σημάτων για την αποθήκευση των σημάτων που στέλνονται από τον μικροεπεξεργαστή μέχρι την επόμενη αποστολή σημάτων (Σχήμα 4.6). Σχήμα 4.6: Block διάγραμμα λειτουργιών ψηφιακής βαθμίδας εξόδου. To PLC που χρησιμοποιήθηκε έχει 16 ψηφιακές εξόδους με διευθυνσιοδότηση από το έως το Από αυτές χρησιμοποιήθηκαν οι 7 με διευθύνσεις Αναλογικές μονάδες εξόδου Οι αναλογικές βαθμίδες εξόδου κάνουν την αντίστροφη διαδικασία από τις αναλογικές βαθμίδες εισόδου. Αφού λάβουν τα αριθμητικά δεδομένα σε ψηφιακή μορφή από την

41 41 κεντρική μονάδα επεξεργασίας, τα μετατρέπουν σε αναλογικές τάσεις ή ρεύματα προκειμένου να ελέγξουν τις αναλογικές συσκευές (Σχήμα 4.7). Το PLC του πειράματος διαθέτει 2 αναλογικές εξόδους με διευθυνσιοδότηση από 752 έως 755. Επίσης, εγκαταστάθηκε μια επιπλέον βαθμίδα αναλογικών εξόδων που πρόσθεσε ακόμα δύο αναλογικές εξόδους με διευθυνσιοδότηση από 256 έως 259. Σχήμα 4.7 Μπλοκ διάγραμμα λειτουργιών για την μετατροπή ενός ψηφιακού σήματος σε αναλογικό. 4.3 Προγραμματισμός ενός PLC Ο προγραμματισμός του PLC μπορεί να γίνει αφενός με χρήση ηλεκτρονικού υπολογιστή (PC) μέσω ειδικού λογισμικού που ο εκάστοτε κατασκευαστής παρέχει και αφετέρου μέσω ενσωματωμένης ή αποσπώμενης ειδικής μονάδας προγραμματισμού (PG). Στην διπλωματική αυτή χρησιμοποιήθηκε ηλεκτρονικός υπολογιστής (Εικόνα 2.9) με λογισμικό Μicrosoft Windows XP και ως λογισμικό προγραμματισμού η SIMATIC STEP 7 Version 5.3 SP1 της Siemens. Η επίτευξη της επικοινωνίας μεταξύ του PLC και του PC γίνεται με τη βοήθεια ΜPI (Multipoint Interface) καλωδίου και του απαραίτητου USB ADAPTER της Siemens (Εικόνα 2.11). Το PLC που χρησιμοποιήσαμε διαθέτει τρείς γλώσσες προγραμματισμού: 1. LAD (Ladder Diagram). Eίναι η πρώτη γλώσσα που αναπτύχθηκε και πρόκειται για τη μεταφορά του ηλεκτρολογικού σχεδίου από το χαρτί στον υπολογιστή. 2. FBD (Function Block Diagram). Σε αυτή τη γλώσσα το ηλεκτρολογικό κύκλωμα αντικαθίσταται από το λογικό κύκλωμα. 3. STL (Statement List). Αυτή η γλώσσα δεν είναι γραφική όπως οι προηγούμενες δύο αλλά χρησιμοποιεί εντολές που αντιστοιχούν σε λογικές πύλες καθώς και μικροεντολές προερχόμενες από την assembly. H επιλογή της γλώσσας προγραμματισμού αφορά αποκλειστικά τον προγραμματιστή. Οι κατασκευαστές προγραμματιζόμενων λογικών ελεγκτών εφοδιάζουν συνήθως τα

42 42 προϊόντα τους και με τις τρεις γλώσσες προγραμματισμού. Παρόλα αυτά από κατασκευαστή σε κατασκευαστή οι γλώσσες προγραμματισμού παρουσιάζουν διαφορές, αναγκάζοντας έτσι τον προγραμματιστή να προσαρμόζεται στον εκάστοτε κατασκευαστή. Στη διπλωματική αυτή το πρόγραμμα αναπτύχθηκε σε γλώσσα STL, όπως φαίνεται στα παραρτήματα ΙΙ,ΙΙΙ. Οι εντολές εκτελούνται διαδοχικά και κυκλικά καθορίζοντας τη σύνταξη του προγράμματος. Η STEP 7 μας δίνει επίσης τη δυνατότητα να εισάγουμε δομικό προγραμματισμό. Παρόλα αυτά, λόγω της απλότητας των προγραμμάτων που εισάγουμε δεν χρησιμοποιούμε αυτή την ιδιότητα και γράφουμε τα προγράμματά μας σε ένα ΟΒ1 (Organization Block). 4.4 Hλεκτρολογικό διάγραμμα διάταξης Στην ενότητα αυτή παρουσιάζεται η διασύνδεση των εξωτερικών στοιχείων της διάταξης με το PLC. Για την επιτυχή λειτουργία της διάταξης πρέπει το κάθε εξωτερικό στοιχείο να συνδέεται στην κατάλληλη βαθμίδα εισόδου/εξόδου. Στην πειραματική διάταξη που μελετάται τα εξαρτήματα που χρησιμοποιούνται, όπως αναφέραμε και στο κεφάλαιο 2, είναι τα εξής : Τροφοδοτικό Κουμπιά χειρισμού (button) Αναλογικές βαλβίδες Ψηφιακές βαλβίδες Στο σχήμα 4.8 παρουσιάζεται μια απλοποιημένη απεικόνιση της διασύνδεσης των διαφόρων συσκευών πάνω στο PLC. Κατ αρχάς η πρώτη σύνδεση που πραγματοποιείται είναι αυτή μεταξύ του τροφοδοτικού και του PLC. Το τροφοδοτικό είναι η συσκευή που παρέχει την κατάλληλη τάση για τη λειτουργία του PLC. Η διασύνδεσή του είναι μια απλή διαδικασία καθώς το μόνο που χρειάζεται είναι να συνδεθούν οι ακροδέκτες L + και Μ του τροφοδοτικού με τους αντίστοιχους L + και Μ της CPU. Στη συνέχεια με παρόμοιο τρόπο τροφοδοτούμε όλες τις βαθμίδες του PLC διαδοχικά. Στη συνέχεια πραγματοποιήθηκε η σύνδεση των ψηφιακών συσκευών εισόδου και εξόδου. Αναφερόμαστε στα κουμπιά χειρισμού και στις ψηφιακές βαλβίδες που χρησιμοποιήθηκαν για την επίτευξη της ευθύγραμμης κίνησης (Σχήμα 4.9). Οι επιπλέον δύο αναλογικές βαλβίδες που χρησιμοποιήθηκαν κατά την οφιοειδή κίνηση, εγκαταστάθηκαν πάνω στην πρόσθετη αναλογική βαθμίδα SM 332 A02x12BIT (Σχήμα 4.10).

43 43 Σχήμα 4.8: 1 Aναλογικές είσοδοι/έξοδοι 2 ψηφιακές είσοδοι 3 ψηφιακές έξοδοι Σχήμα 4.9 : Block διάγραμμα ψηφιακών εισόδων/εξόδων και σύνδεση button και βαλβίδων.

44 44 Σχήμα 4.10: Block διάγραμμα αναλογικών εισόδων/εξόδων και σύνδεση αναλογικών βαθμίδων Από κάθε αναλογική βαλβίδα εξέρχονται 8 αγωγοί από τους οποίους για την εγκατάστασή μας απαραίτητοι ήταν οι ακόλουθοι: Καφέ: Αντιστοιχεί στον ακροδέκτη 2 της αναλογικής βαλβίδας. Ο αγωγός αυτός αποτελεί τον αγωγό τροφοδοσίας της βαλβίδας, γι αυτό συνδέεται απευθείας με το τροφοδοτικό (24VDC). Κίτρινο: Αντιστοιχεί στον ακροδέκτη 4 της αναλογικής βαλβίδας και αποτελεί τον αγωγό εισόδου (W + ). Πράσινο: Αντιστοιχεί στον ακροδέκτη 3 της εξόδου της αναλογικής βαλβίδας και αποτελεί τον αγωγό εξόδου (W - ). Μπλε: Αντιστοιχεί στον ακροδέκτη 7 της αναλογικής βαθμίδας και συνδέεται με τη γείωση.

45 Δήλωση Hardware Για την ορθή λειτουργία του PLC μείζονος σημασίας διαδικασία είναι ο καθορισμός του hardware, δηλαδή η δήλωση της CPU και των εκάστοτε αναλογικών/ψηφιακών μονάδων εισόδου/εξόδου στην εφαρμογή προγραμματισμού του. Το SIMATIC STEP 7 έχει αυτόματα δηλωμένες την CPU και τις ενσωματωμένες εισόδους/εξόδους (Σχήμα 4.11). Επιπλέον διαθέτει έναν πλήρη κατάλογο με τις επιπρόσθετες συμβατές μονάδες που μπορούν να συνδεθούν (Εικόνα 4.2). Έτσι ο χρήστης το μόνο που χρειάζεται να κάνει είναι να εισάγει την εκάστοτε μονάδα που χρησιμοποιεί από τον κατάλογο με την μέθοδο drag and drop. Σχήμα 4.11: Δήλωση Hardware στο SIMATIC STEP 7.

46 Εικόνα 4.2: Κατάλογος εξαρτημάτων συμβατών με την CPU. 46

47 47 Επίσης, ο χρήστης μέσω της επιλογής Properties μπορεί να ενημερωθεί για τα τεχνικά χαρακτηριστικά της εκάστοτε μονάδας. Ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζουν τα propertiesτης CPU, όπου ο χρήστης έχει την επιπλέον δυνατότητα να καθορίσει σημαντικές παραμέτρους, όπως ο χρόνος κυκλικής σάρωσης, η μνήμη κτλ, όπως φαίνεται στις εικόνες 4.3, 4.4, 4.5. Εικόνα 4.3: Γενικές πληροφορίες της CPU 313C. Εικόνα4.4: Cycle/Clock Memory της CPU 313C Εικόνα4.5: Retentive Memory της CPU 313C.

48 48 Στα properties των μονάδων εισόδου/εξόδου ο χρήστης έχει τη δυνατότητα να δει ορισμένα βασικά χαρακτηριστικά των βαθμίδων αυτών (Εικόνες 4.6, 4.9, 4.12), τις διευθύνσεις τους (Εικόνες 4.7, 4.8, 4.10, 4.13), καθώς και να καθορίζει διάφορες σημαντικές παραμέτρους, όπως ο τύπος και το εύρος των αναλογικών βαθμίδων εισόδου/εξόδου (Εικόνα 4.11). Εικόνα 4.6: Γενικές πληροφορίες των αναλογικών εισόδων/εξόδων Εικόνα 4.7: Διευθύνσεις αναλογικών εισόδων/εξόδων

49 49 Εικόνα 4.8: Ιδιότητες αναλογικών εξόδων Εικόνα 4.9: Γενικές πληροφορίες της επιπρόσθετης αναλογικής βαθμίδας.

50 50 Εικόνα 4.10: Διευθύνσεις αναλογικών εξόδων της επιπρόσθετης βαθμίδας Εικόνα 4.11: Output properties της επιπρόσθετης αναλογικής βαθμίδας. Εδώ φαίνεται και ο καθορισμός του τύπου εισόδου και της τάσης.

51 51 Εικόνα 4.12: Γενικές πληροφορίες ψηφιακής μονάδας εισόδου/εξόδου Εικόνα 4.13: Διευθύνσεις ψηφιακών εισόδων/εξόδων.

52 52 Κεφάλαιο 5: Οφιοειδής ρομποτική κίνηση 5.1 Εισαγωγή Η εξομοίωση της κίνησης των διαφόρων ζώων αποτέλεσε αντικείμενο έρευνας για τους επιστήμονες που ασχολούνται με τον τομέα της ρομποτικής. Κάθε ζώο προκειμένου να μετακινηθεί, αλλάζει πρώτα το σχήμα του προκειμένου να δημιουργήσει τις απαιτούμενες δυνάμεις στα αντικείμενα που βρίσκονται γύρω του. Λαμβάνοντας υπόψη τον τρίτο νόμο του Νεύτωνα τα αντικείμενα αυτά, λόγω της «δράση-αντίδρασης», προκαλούν αντίστοιχες δυνάμεις που μετακινούν το ζώο (Σχήμα 5.1). Σχήμα 5.1 Aλληλεπίδραση αντικειμένου με το περιβάλλον [4]. Τα ζώα ανάλογα με το σημείο που έχουν τον σκελετό τους χωρίζονται σε τρείς κατηγορίες: Εξωσκελετικά (π.χ. έντομα, αράχνες κτλ) Ενδοσκελετικά (π.χ. θηλαστικά, φίδια, ψάρια κτλ) Χωρίς καθόλου σκελετό (π.χ. σκουλίκια, χταπόδια κτλ) Εμείς θα ασχοληθούμε με τα ρομπότ που εξομοιώνουν τα ενδοσκελετικά ζώα και συγκεκριμένα τα φίδια. Ο πρώτος που ασχολήθηκε με τα φίδια-ρομπότ ήταν ο Shigeo Hirose. Αυτός διαπίστωσε ότι τα φίδια προκειμένου να κινηθούν δίνουν μια καμπύλη στο σώμα τους προκαλώντας έναν ελικοειδή σχηματισμό. Κατά τη μετακίνηση του φιδιού εμφανίζονται δύο δυνάμεις τριβής στην επιφάνειά του, τόσο κατά την κανονική όσο και κατά την εφαπτομενική κατεύθυνση. Το κλειδί για τη δημιουργία κίνησης είναι η διαφορά των δύο αυτών τριβών. Η κανονική είναι μεγαλύτερη από την εφαπτόμενη οδηγώντας έτσι στην αποφυγή της πλαγιολίσθησης. Στηριζόμενος σε αυτό το γεγονός ο Hirose το 1972 παρουσίασε το ACMIII, το πρώτο φίδι ρομπότ (Εικόνα 5.1). Το ACMIII αποτελούνταν από 21 κομμάτια και 20 συνδέσεις και είχε μήκος 2 μέτρα. Για τη μετακίνησή του χρησιμοποιούσε ρόδες και έναν open-loop έλεγχο έχοντας έτσι μειωμένη προσαρμοστικότητα με στο περιβάλλον γύρω του. Εντούτοις, το σχέδιο ελέγχου ήταν αρκετά διαισθητικό και αποτέλεσε τα θεμέλια για την ρομποτική της οφιοειδούς μετακίνησης.