10. ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΙΚΟ ΚΑΙ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΟ ΥΠΟΣΥΣΤΗΜΑ

Transcript

1 10. ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΙΚΟ ΚΑΙ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΟ ΥΠΟΣΥΣΤΗΜΑ 10.0 Εισαγωγή Μετά τη µελέτη του κινηµατικού και του δυναµικού µοντέλου ενός ροµποτικού βραχίονα, τα οποία ουσιαστικά αναφέρονται στο µηχανολογικό υποσύστηµα, περνάµε στην ανάλυση του ηλεκτρολογικού και ηλεκτρονικού υποσυστήµατος. Όπως έχουµε ήδη σηµειώσει στο µηχανολογικό υποσύστηµα ανήκουν εκτός των άλλων οι κινητήρες του βραχίονα, οι οποίοι µελετώνται στα πλαίσια ολόκληρου του υποσυστήµατος µαζί µε τους συνδέσµους και τις αρθρώσεις. Στην περίπτωση όµως που οι κινητήρες είναι ηλεκτρικοί, η οποία είναι από τις πλέον συνήθεις, µπορεί να θεωρηθεί ότι αποτελούν ένα ξεχωριστό υποσύστηµα, το ηλεκτρολογικό υποσύστηµα. Όσον αφορά στο ηλεκτρονικό υποσύστηµα, σ αυτό ανήκουν οι αισθητήρες και οι επιµέρους συνιστώσες του συστήµατος ελέγχου (π.χ. ηλεκτρονικά ισχύος, αναλογικο-ψηφιακοί µετατροπείς, ψηφιακο-αναλογικοί µετατροπείς κτλ.). Με όλες αυτές τις συνιστώσες πρόκειται να ασχοληθούµε στη συνέχεια Σερβοκινητήρες Για την πραγµατοποίηση της επιθυµητής κίνησης ενός ροµποτικού µηχανισµού απαιτείται η συνδυασµένη κίνηση των αρθρώσεών του. Η τελευταία επιτυγχάνεται µε χρήση κινητήρων, οι οποίοι και κινούν συνολικά το µηχανικό σύστηµα. Οι κινητήρες που χρησιµοποιούνται στις συνήθεις ροµποτικές εφαρµογές αποτελούν εξέλιξη των κινητήρων που επί σειρά ετών χρησιµοποιούνταν σε εφαρµογές βιοµηχανικού αυτοµατισµού. Ωστόσο για τις ειδικές εφαρµογές που εξετάζουµε οι κινητήρες χρειάζεται να πληρούν ορισµένες επιπλέον απαιτήσεις, σε σχέση πάντα µε τις συµβατικές βιοµηχανικές εφαρµογές. Παραδειγµατικά αναφέρουµε την απαίτηση για χαµηλή αδράνεια και µεγάλη σχέση ισχύος-βάρους, ικανότητα ανάπτυξης υψηλών επιταχύνσεων, δυνατότητα λειτουργίας σε ένα µεγάλο εύρος ταχυτήτων και συνεχή περιστροφή ακόµα και σε χαµηλές ταχύτητες λειτουργίας. Στα παραπάνω θα πρέπει να προσθέσουµε την απαιτήσεις για ακρίβεια και παρακολούθηση της επιβαλλόµενης τροχιάς. Όλα αυτά τα χαρακτηριστικά οδηγούν τελικά στη χρήση µιας ειδικής κλάσης κινητήρων που ονοµάζονται σερβοκινητήρες. Περισσότερες λεπτοµέρειες για την υλοποίηση του σέρβο θα δώσουµε πιο κάτω. Οι σερβοκινητήρες που χρησιµοποιούνται στις ροµποτικές εφαρµογές µπορεί να είναι τριών ειδών. Έχουµε λοιπόν: Πνευµατικοί: κάνουν χρήση της πνευµατικής ενέργειας που παρέχεται από ένα συµπιεστή και τη µετασχηµατίζουν σε µηχανική ενέργεια µε τη βοήθεια πιστονιών ή στροβίλων. Οι κινητήρες αυτοί παρουσιάζουν ιδιαίτερες δυσκολίες στον έλεγχο, εξαιτίας της αναπόφευκτης συµπιεστότητας του χρησιµοποιούµενου ρευστού. Για το λόγο αυτό και δεν χρησιµοποιούνται συχνά, εκτός από εφαρµογές που δεν απαιτούν υψηλή ακρίβεια, όπως το άνοιγµα και το κλείσιµο της αρπάγης του εργαλείου. Υδραυλικοί: µετασχηµατίζουν την υδραυλική ενέργεια µίας δεξαµενής σε µηχανική, µε χρήση κατάλληλων αντλιών. Οι κινητήρες αυτοί µπορούν να υλοποιήσουν τόσο µεταφορική (χρήση ενός εµβόλου) όσο και περιστροφική κίνηση (χρήση αξονικών ή ακτινικών εµβόλων). Ηλεκτρικοί: µετασχηµατίζουν την ηλεκτρική ενέργεια του δικτύου διανοµής ηλεκτρισµού σε µηχανική. Τα πιο συνηθισµένα είδη τέτοιων κινητήρων είναι οι κινητήρες συνεχούς ρεύµατος µόνιµων µαγνητών (permanent-magnet dc servomotors) και 1

2 κινητήρες συνεχούς ρεύµατος χωρίς ψήκτρες (brushless dc servomotors). Απαραίτητα συνοδευτικά εξαρτήµατα αυτών των κινητήρων είναι ένας µετασχηµατιστής, ένας ανορθωτής τάσης και ένας πυκνωτής. Τα εξαρτήµατα αυτά µετασχηµατίζουν την εναλλασσόµενη τάση του δικτύου σε συνεχή κατάλληλου µεγέθους και στη συνέχεια την αποθηκεύουν. Οι υδραυλικοί και ηλεκτρικοί σερβοκινητήρες παρουσιάζουν ποικίλα πλεονεκτήµατα και µειονεκτήµατα, τα οποία αποτελούν καθοριστικό παράγοντα για τη χρήση τους στις διάφορες εφαρµογές. Σε επίπεδο εγκατάστασης οι ηλεκτρικοί κινητήρες εµφανίζουν τα εξής πλεονεκτήµατα: ευρεία διάθεση της χρησιµοποιούµενης ηλεκτρικής ενέργειας, χαµηλό κόστος και µεγάλη ποικιλία προϊόντων, υψηλός συντελεστής µετατροπής ισχύος, εύκολη συντήρηση, δεν ρυπαίνουν το περιβάλλον εργασίας. Ταυτόχρονα όµως παρουσιάζουν τους παρακάτω περιορισµούς: εξαιτίας της επίδρασης της βαρύτητας στο βραχίονα µπορεί να προκληθεί βραχυκύκλωµα. Στις περιπτώσεις αυτές απαιτείται η χρήση ειδικών φρένων, χρειάζονται ειδική προστασία όταν λειτουργούν σε εύφλεκτο περιβάλλον. Από την άλλη πλευρά οι υδραυλικοί κινητήρες παρουσιάζουν αρκετά αξιοσηµείωτα µειονεκτήµατα. Τα πιο σπουδαία είναι: ανάγκη ύπαρξης πηγής υδραυλικής ισχύος, υψηλό κόστος, µικρή ποικιλία προϊόντων µε ιδιαίτερες δυσκολίες κατασκευής τους σε µικρές διαστάσεις, χαµηλός συντελεστής µετατροπής ισχύος, αυξηµένες ανάγκες συντήρησης, ρύπανση του περιβάλλοντος εργασίας εξαιτίας διαρροών υδραυλικού ρευστού. Παρόλα αυτά οφείλουµε να σηµειώσουµε ότι οι υδραυλικοί κινητήρες: δεν παρουσιάζουν προβλήµατα βραχυκυκλώσεων, είναι αυτολυπαινόµενοι, µε το υδραυλικό ρευστό να εκτελεί εκτός των άλλων χρέη ψυκτικού µέσου, είναι ιδιαιτέρως ασφαλείς σε επικίνδυνα περιβάλλοντα, παρουσιάζουν πολύ υψηλές σχέσεις ισχύος-βάρους. Αν εξετάσουµε τις δύο παραπάνω κλάσεις κινητήρων από πλευράς λειτουργίας θα διαπιστώσουµε ότι: και οι δύο τύποι σερβοκινητήρων παρουσιάζουν καλή δυναµική συµπεριφορά, αν και οι ηλεκτρικοί σερβοκινητήρες εµφανίζουν µεγαλύτερη ευκολία ελέγχου. Η παρατήρηση αυτή σχετίζεται µε την άµεση εξάρτηση της δυναµικής συµπεριφοράς των υδραυλικών σερβοκινητήρων από τη θερµοκρασία στην οποία βρίσκεται το χρησιµοποιούµενο ρευστό. οι ηλεκτρικοί σερβοκινητήρες δίνουν χαµηλές ροπές σε υψηλές ταχύτητες. Επειδή στις συνήθεις ροµποτικές εφαρµογές απαιτούνται υψηλές ροπές σε χαµηλές ταχύτητες είναι αναγκαία η χρήση µειωτήρων. Οι τελευταίοι µεσολαβούν ανάµεσα στον κινητήρα και την άρθρωση δηµιουργώντας ελαστικότητα και χάρη. Απ την άλλη οι υδραυλικοί 2

3 σερβοκινητήρες είναι σε θέση να δηµιουργήσουν µεγάλες ροπές σε µικρές ταχύτητες, µε αποτέλεσµα να µην απαιτείται η ενδιάµεση χρήση µειωτήρων. Όπως προκύπτει από τις παραπάνω παρατηρήσεις η χρήση υδραυλικών σερβοκινητήρων κρίνεται απαραίτητη κυρίως στους βραχίονες που είναι επιφορτισµένοι µε τη διακίνηση µεγάλων ωφέλιµων φορτίων. Στην περίπτωση αυτή οι υδραυλικοί κινητήρες όχι µόνο είναι πιο κατάλληλοι από τους αντίστοιχους ηλεκτρικούς, αλλά επιπλέον το κόστος της υδραυλικής εγκατάστασης αποτελεί ένα σχετικά µικρό ποσοστό της συνολικής επένδυσης του ροµποτικού συστήµατος. Πάντως σε όλες εκείνες τις εφαρµογές που δεν έχουµε µεγάλα ωφέλιµα φορτία, προτιµάται η χρήση ηλεκτρικών σερβοκινητήρων. Οι τελευταίοι µπορεί να θεωρηθεί ότι ανήκουν στο µηχανολογικό υποσύστηµα του ροµπότ, είναι όµως εύλογο να θεωρηθεί ότι αποτελούν ένα ξεχωριστό υποσύστηµα Ηλεκτρονικό Υποσύστηµα Σε ένα ροµποτικό βραχίονα το ηλεκτρονικό υποσύστηµα είναι υπεύθυνο για τη συνολική λειτουργία και την επικοινωνία µε το περιβάλλον και το χρήστη. Το υποσύστηµα αυτό αποτελείται από διάφορες ηλεκτρονικές συνιστώσες, οι οποίες θα µπορούσαν να οµαδοποιηθούν σε τρεις βασικές κατηγορίες. Οι κατηγορίες αυτές φαίνονται στο σχήµα 10.1 και είναι οι ακόλουθες: Αισθητήρες: µαζί µε διάφορες άλλες συνιστώσες χαµηλής ισχύος αποτελούν το υποσύστηµα αίσθησης, το οποίο παρέχει στον κεντρικό ελεγκτή του ροµπότ πληροφορίες για την κατάσταση του ροµπότ και του περιβάλλοντος εργασίας. Ηλεκτρονικά Ισχύος: πρόκειται ουσιαστικά για τους ενισχυτές, σκοπός των οποίων είναι η ενίσχυση ενός κατάλληλου σήµατος ελέγχου και η τροφοδοσία των κινητήρων που θέτουν σε κίνηση τις αρθρώσεις. Ηλεκτρονικά Συστήµατα Μετατροπής Σηµάτων: οι συνιστώσες αυτές έχουν ως σκοπό τη µεταφορά σηµάτων µεταξύ των διαφόρων υποσυστηµάτων του ροµπότ και τη µετατροπή τους σε κατάλληλη µορφή (π.χ. αναλογική, ψηφιακή). Στην κατηγορία αυτή ανήκουν οι αναλογικο-ψηφιακοί µετατροπείς (A/D Converters), οι ψηφιο-αναλογικοί µετατροπείς (D/A Converters) και οι συγκριτές. ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΟ ΥΠΟΣΥΣΤΗΜΑ ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ ΚΑΙ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ ΧΑΜΗΛΗΣ ΙΣΧΥΟΣ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ ΙΣΧΥΟΣ (ΕΝΙΣΧΥΤΕΣ) ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΙΣ ΣΗΜΑΤΩΝ (A/D Converters, D/A Converters) Σχήµα 10.1 Συνιστώσες του Ηλεκτρονικού Υποσυστήµατος Η αρχή λειτουργίας και η σπουδαιότητα κάθε µίας από τις παραπάνω οµάδες ηλεκτρονικών θα περιγραφούν αναλυτικά παρακάτω Αισθητήρες Για την επίτευξη της επιθυµητής απόδοσης και συµπεριφοράς ενός ροµποτικού συστήµατος απαιτείται η σε τακτά χρονικά διαστήµατα µέτρηση διαφόρων µεγεθών που αναπαριστούν τόσο την εσωτερική κατάσταση του ροµπότ όσο και την αλληλεπίδρασή του µε το 3

4 περιβάλλον εργασίας. Η µέτρηση των µεγεθών αυτών πραγµατοποιείται µε τη βοήθεια ειδικών αισθητήρων που µπορεί να είναι εσωγενείς (proprioceptive sensors) ή εξωγενείς (heteroceptive sensors). Στην πρώτη κατηγορία (proprioceptive) ανήκουν αισθητήρες που µετρούν: τη θέση των αρθρώσεων (απόσταση για πρισµατική ή γωνία για περιστροφική άρθρωση), την ταχύτητα κίνησης των αρθρώσεων, τις δυνάµεις και ροπές που ασκούνται στη µηχανική κατασκευή από το περιβάλλον. Οι σπουδαιότεροι τέτοιοι αισθητήρες είναι αντίστοιχα: τα ποτενσιόµετρα (potentiometers), οι optical encoders (absolute και incremental) και οι resolvers, τα ταχύµετρα (tachometers), οι αισθητήρες δύναµης-ροπής (force-torque sensors). Στη δεύτερη κατηγορία (heteroceptive) ανήκουν οι: αισθητήρες αφής (tactile sensors), αισθητήρες προσέγγισης (proximity sensors), αισθητήρες εύρους (range sensors), υπερηχητικοί αισθητήρες (ultrasonic sensors), υπέρυθροι αισθητήρες (infrared sensors), κάµερες. Στα πλαίσια της παρούσας ανάλυσης θα παρουσιάσουµε την αρχή λειτουργίας των absolute και incremental encoders, οι οποίοι είναι οι πλέον συνήθεις σε ροµποτικές εφαρµογές. Οι αισθητήρες αυτοί δίνουν τη γωνιακή θέση της εκάστοτε άρθρωσης και χρησιµοποιούνται τόσο στην περίπτωση πρισµατικών όσο και την περίπτωση περιστροφικών αρθρώσεων, µιας και οι χρησιµοποιούµενοι κινητήρες είναι συνήθως περιστροφικού τύπου (π.χ. ηλεκτρικοί κινητήρες). Επιπλέον σηµειώνουµε ότι οι µετρήσεις θέσης των encoders µπορούν να αξιοποιηθούν για τον έµµεσο υπολογισµό της ταχύτητας της άρθρωσης Absolute Encoders Ένας absolute encoder αποτελείται από έναν γυάλινο οπτικό δίσκο, ο οποίος φέρει οµόκεντρους κύκλους που ονοµάζονται ίχνη (tracks). Κάθε ίχνος φέρει ένα σύνολο από διαδοχικούς διαφανείς και αδιαφανείς τοµείς (sectors), οι οποίοι έχουν προκύψει µε απόθεση µεταλλικού φιλµ. Σε κάθε ίχνος εκπέµπεται δέσµη φωτός, η οποία κατευθύνεται σε µία φωτοδίοδο ή ένα φωτοτρανζίστορ που βρίσκεται τοποθετηµένο στην πίσω πλευρά του οπτικού δίσκου. Με κατάλληλη διαρρύθµιση των διαφανών και αδιαφανών τοµέων του δίσκου είναι δυνατός ο µετασχηµατισµός ενός πεπερασµένου πλήθους γωνιακών θέσεων σε ψηφιακά δεδοµένα. Ο αριθµός των ιχνών καθορίζει το µήκος της προκύπτουσας ψηφιολέξης και κατά συνέπεια την ανάλυση του encoder. Κατά τη χρήση της κλασικής ψηφιακής κωδικοποίησης και αρίθµησης για τις γωνιακές θέσεις είναι δυνατό να δηµιουργηθεί ένα πρόβληµα, το οποίο σχετίζεται µε την ταυτόχρονη µετάβαση πολλών ιχνών από διαφανείς σε αδιαφανείς τοµείς και αντίστροφα. Στην περίπτωση αυτή είναι πιθανό να υπάρξει ασάφεια στις µετρήσεις µε αποτέλεσµα να πάρουµε λανθασµένα αποτελέσµατα. Για την αποφυγή αυτού του προβλήµατος συχνά γίνεται χρήση του κώδικα Gray µε βάση τον οποίο σε κάθε διακεκριµένη µετάβαση έχουµε µία µόνο αλλαγή στην αντίθεση (contrast) του οπτικού δίσκου. 4

5 Στα παρακάτω σχήµατα 10.2,3 δίνονται οι σχηµατικές αναπαραστάσεις δύο absolute encoders µε 4 ίχνη, οι οποίοι µπορούν να ορίσουν 2 4 =16 διαφορετικές γωνιακές θέσεις. Από αυτούς ο πρώτος χρησιµοποιεί κλασική ψηφιακή κωδικοποίηση ενώ ο δεύτερος χρησιµοποιεί κωδικοποίηση Gray. Από απλή παρατήρηση των δύο σχηµάτων µπορεί κανείς να διακρίνει τις υφιστάµενες διαφορές και τη φιλοσοφία στην οποία στηρίζεται ο κώδικας Gray. Σχήµα 10.2 Αναπαράσταση ενός 4-bit Absolute Encoder Σχήµα 10.3 Αναπαράσταση ενός 4-bit Absolute Encoder µε κωδικοποίηση Gray Τελειώνοντας κρίνεται σκόπιµο να σηµειώσουµε ότι σύµφωνα µε τις συνήθεις ανάγκες ελέγχου µία τυπική ανάλυση για absolute encoder είναι 12 τουλάχιστον bits (ίχνη). Στην περίπτωση αυτή µπορούν να κωδικοποιηθούν 2 12 =4096 διαφορετικές γωνιακές θέσεις, όµως η πολυπλοκότητα και το κόστος του αισθητήρα αυξάνονται σηµαντικά. Στο σχήµα 31 φαίνεται ένας absolute encoder µε ανάλυση 10 bits. Ο αισθητήρας αυτός είναι σε θέση να κωδικοποιήσει 2 10 =1024 διακεκριµένες γωνίες της άρθρωσης στην οποία και τοποθετείται Incremental Encoders Σχήµα 10.4 Absolute Encoder µε ανάλυση 10-bits Στις περισσότερες ροµποτικές εφαρµογές προτιµάται η χρήση incremental encoders και όχι τόσο η χρήση absolute encoders. Αυτό συµβαίνει διότι από κατασκευαστικής απόψεως οι incremental encoders είναι πιο απλοί και κατά συνέπεια πιο φθηνοί. Όπως οι absolute encoders έτσι και ένας incremental encoder αποτελείται από έναν οπτικό δίσκο µε διαδοχικούς διαφανείς και αδιαφανείς τοµείς (sectors). Στην περίπτωση που εξετάζουµε υπάρχουν µόλις 2 ίχνη (tracks) µε ίσο πλήθος διαφανών και αδιαφανών τοµέων. Μάλιστα η διαδοχή των περιοχών διαφορετικής αντίθεσης (contrast) παρουσιάζει διαφορά 5

6 φάσης 90 στα δύο ίχνη, κάτι που φαίνεται καθαρά και στο σχήµα Είναι φανερό λοιπόν ότι η παρουσία των δύο ιχνών επιτρέπει τον προσδιορισµό όχι µόνο του πλήθους των µεταβάσεων που σχετίζεται µε τη γωνιακή περιστροφή, αλλά ακόµα και του πρόσηµού τους, δηλαδή της φοράς περιστροφής. Για τον ορισµό της απόλυτης γωνιακής θέσης αναφοράς (απόλυτο µηδέν) οι encoders αυτού του τύπου φέρουν συνήθως και ένα τρίτο ίχνος, το οποίο αποτελείται από ένα µόνο αδιαφανή τοµέα. Σε παλαιότερες εφαρµογές για τον ορισµό της γωνίας αναφοράς γινόταν συνδυασµένη χρήση encoder και ποτενσιοµέτρου (potentiometer). Σχήµα 10.5 Αναπαράσταση ενός Incremental Encoder Παρά την απλούστερη κατασκευαστική διαµόρφωση σε σχέση µε τους absolute encoders, η χρήση incremental encoders σε ένα σύστηµα κίνησης και ελέγχου αρθρώσεων απαιτεί την ύπαρξη και λειτουργία ορισµένων συνοδευτικών ηλεκτρονικών κυκλωµάτων. Πιο συγκεκριµένα κάθε encoder διαθέτει τα δικά του ηλεκτρονικά επεξεργασίας σήµατος, τα οποία και παρέχουν απ ευθείας στον κεντρικό ελεγκτή ψηφιακές µετρήσεις γωνιών. Για το σκοπό αυτό χρησιµοποιούνται εκτός των άλλων κατάλληλες ηλεκτρονικές διατάξεις µέτρησης και αποθήκευσης. Επειδή όµως οι πληροφορίες και τα δεδοµένα των µετρήσεων αποθηκεύονται σε µη-στατικές µνήµες είναι πιθανό να σηµειωθεί αλλοίωσή τους εξαιτίας διαταραχών που δρουν στο ηλεκτρονικό κύκλωµα ή ακόµα και διακυµάνσεων στην τάση τροφοδοσίας. Τα µειονεκτήµατα αυτά προφανώς δεν εµφανίζονται στους absolute encoders όπου η πληροφορία κωδικοποιείται απ ευθείας στον οπτικό δίσκο. Με τη χρήση κατάλληλου εξωτερικού κυκλώµατος είναι δυνατός ο υπολογισµός των γωνιακών ταχυτήτων της άρθρωσης από τις µετρήσεις γωνίας. Εάν σε κάθε µετάβαση του encoder από διαφανή σε αδιαφανή τοµέα και αντίστροφα παράγεται ένας παλµός, τότε η ταχύτητα µπορεί να προκύψει µε τους εξής τρεις τρόπους: κάνοντας χρήση ενός µετατροπέα τάσης-προς-συχνότητα (voltage-to-frequency converter) µε αναλογική έξοδο, µετρώντας ψηφιακά τη συχνότητα των παλµών που παράγονται, µετρώντας ψηφιακά το χρονικό διάστηµα που διαρκούν οι παραγόµενοι παλµοί. Ειδικά για τις δύο τελευταίες µεθόδους σηµειώνουµε ότι η πρώτη είναι κατάλληλη για µετρήσεις σε υψηλές ταχύτητες περιστροφής, ενώ η δεύτερη είναι κατάλληλη για µετρήσεις σε χαµηλές ταχύτητες περιστροφής Ενισχυτές Ισχύος Ένας ενισχυτής ισχύος είναι επιφορτισµένος µε τη ρύθµιση της ροής ισχύος που παρέχεται από την κύρια τροφοδοσία του συστήµατος κα πρέπει να διοχετευθεί στους επενεργητέςκινητήρες για την εκτέλεση της επιθυµητής κίνησης των αρθρώσεων. Η ρύθµιση αυτή 6

7 υλοποιείται µε τη βοήθεια κατάλληλου σήµατος ελέγχου. Με λίγα λόγια ο ενισχυτής κρατάει ένα κλάσµα της συνολικής ισχύος που διατίθεται από την πηγή τροφοδοσίας, και είναι ανάλογο του σήµατος ελέγχου, και το διοχετεύει στον κινητήρα που κινεί την άρθρωση. Στις συνήθεις ροµποτικές εφαρµογές για την κίνηση της κάθε άρθρωσης χρησιµοποιείται ξεχωριστός κινητήρας, ο οποίος και διαθέτει τον δικό του ενισχυτή ισχύος. Προφανώς κατά τη λειτουργία του ενισχυτή ένα µέρος της ισχύος εισόδου απορρίπτεται προς το περιβάλλον (π.χ. θερµότητα). Όλα αυτά αναπαρίστανται σχηµατικά στο σχήµα ΙΣΧΥΣ ΕΛΕΓΧΟΥ ΙΣΧΥΣ ΚΥΡΙΑΣ ΤΡΟΦΟ ΟΣΙΑΣ ΕΝΙΣΧΥΤΗΣ ΙΣΧΥΟΣ ΙΣΧΥΣ ΚΙΝΗΤΗΡΑ ΑΠΟΡΡΙΠΤΟΜΕΝΗ ΙΣΧΥΣ Σχήµα 10.6 Ροή Ισχύος σε έναν Ενισχυτή Ισχύος Η λειτουργία που περιγράψαµε πιο πάνω είναι γενική και ισχύει ανεξάρτητα από το είδος των χρησιµοποιούµενων σερβοκινητήρων (ηλεκτρικών, υδραυλικών, πνευµατικών). Σε κάθε περίπτωση πάντως η ισχύς που σχετίζεται µε το σήµα ελέγχου είναι συνήθως ηλεκτρική. Ειδικά για την περίπτωση ελέγχου ηλεκτρικών κινητήρων είναι απαραίτητη η τροφοδοσία τους µε τάση ή ρεύµα κατάλληλης µορφής, ανάλογα µε το είδος του χρησιµοποιούµενου σερβοκινητήρα. Η τάση αυτή (ή το ρεύµα) είναι συνεχής για τους σερβοκινητήρες συνεχούς ρεύµατος µόνιµων µαγνητών και εναλλασσόµενο για τους κινητήρες συνεχούς ρεύµατος χωρίς ψήκτρες. Η τιµή της τάσης για τους κινητήρες της πρώτης κατηγορίας και οι τιµές της τάσης και της συχνότητας για τους κινητήρες της δεύτερης κατηγορίας καθορίζονται από το σήµα ελέγχου του ενισχυτή, έτσι ώστε να είναι δυνατή η επιθυµητή κίνηση της άρθρωσης. Για τα εύρη ισχύος που απαιτούνται στην κίνηση αρθρώσεων, τα οποία είναι τάξης µεγέθους µερικών kw, χρησιµοποιούνται συνήθως ενισχυτές τρανζίστορ (transistor amplifiers) που εφαρµόζουν τεχνικές διαµόρφωσης εύρους παλµού (pulse-width modulation, PWM). Πιο συγκεκριµένα οι ενισχυτές που χρησιµοποιούνται για τον έλεγχο κινητήρων συνεχούς ρεύµατος µόνιµων µαγνητών είναι µετατροπείς συνεχούς ρεύµατος-σε-συνεχές ρεύµα (dc-todc converters choppers), ενώ οι αντίστοιχοι ενισχυτές για τη δεύτερη κατηγορία ηλεκτρικών σερβοκινητήρων είναι µετατροπείς συνεχούς ρεύµατος-σε-εναλλασσόµενο (dcto-ac- converters inverters). Με αυτού του είδους τους ενισχυτές επιτυγχάνονται συντελεστές µετατροπής ισχύος της τάξεως του 0.9, ενώ το κέρδος ενίσχυσης φτάνει µία τάξη µεγέθους Σύστηµα Ελέγχου Σε µία ροµποτική εφαρµογή το σύστηµα ελέγχου αποτελεί την κύρια συνιστώσα του ηλεκτρικού και ηλεκτρονικού υποσυστήµατος και µπορεί να θεωρηθεί η «καρδιά» ή το «µυαλό» του ροµπότ. Είναι το σύστηµα εκείνο που παρακολουθεί, συντονίζει, ελέγχει, παίρνει τις αποφάσεις και δίνει εντολές σε ολόκληρο το υπόλοιπο σύστηµα. Όλες αυτές οι 7

8 λειτουργίες πραγµατοποιούνται από ένα µοναδικό µικροεπεξεργαστή, ο οποίος σε συνεργασία µε ορισµένα άλλα chips και προσαρµοστικά ηλεκτρονικά (π.χ. ηλεκτρονικά σήµατος και ισχύος) αναλύει και εκτελεί το πρόγραµµα του ροµπότ. Περισσότερες λεπτοµέρειες για την υλοποίηση του ελέγχου πρόκειται να δώσουµε στη συνέχεια. Μία από τις βασικότερες λειτουργίες του ελεγκτή ενός ροµπότ είναι η επικοινωνία µε όλα τα επιµέρους υποσυστήµατα του ροµπότ, η συγκέντρωση πληροφοριών για την κατάστασή τους, η ανάλυση των πληροφοριών αυτών και τελικά η λήψη αποφάσεων και η διαβίβαση εντολών. Η λειτουργία αυτή παριστάνεται σχηµατικά στο σχήµα 10.7, στο οποίο δίνεται η βασική αρχιτεκτονική ενός ροµποτικού συστήµατος. Σύστηµ α Ελέγχου Επεξεργασία Σήµ ατος Επεξεργασία Σήµ ατος Ενίσχυση Επενεργητές Αισθητήρες Μετάδοση Κίνησης Μηχανισµ ός Αισθητήρες Μηχανολογικό Υποσύστηµ α Περιβάλλον Ηλεκτρονικό Υποσύστηµ α Σχήµα 10.7 Βασική Αρχιτεκτονική ενός Ροµποτικού Συστήµατος Στο παραπάνω σχήµα έχει τηρηθεί η σύµβαση που έχουµε χρησιµοποιήσει µέχρι τώρα για τα βασικά υποσυστήµατα και τις βασικές συνιστώσες ενός ροµπότ. Ωστόσο είναι φανερό ότι οι επενεργητές, στην περίπτωση που είναι ηλεκτρικοί κινητήρες, θα µπορούσε να θεωρηθεί ότι αποτελούν ένα ξεχωριστό υποσύστηµα (ηλεκτρολογικό υποσύστηµα ή ακόµα και ηλεκτρο- µηχανολογικό υποσύστηµα). Επιπλέον πρέπει να σηµειώσουµε ότι στο σύστηµα ελέγχου ανήκουν διάφορες συνιστώσες του ηλεκτρονικού υποσυστήµατος, οι οποίες θα µπορούσαν να εξεταστούν και µεµονωµένα. Παραδειγµατικά αναφέρουµε τους ενισχυτές ισχύος, ενώ δεν θα πρέπει να ξεχνάµε και τη συνεισφορά που έχουν οι αισθητήρες στην όλη λειτουργία του ελέγχου. Η βασική αρχιτεκτονική σχεδιασµού που δίνεται στο σχήµα 10.7 ακολουθείται σε όλες τις ροµποτικές εφαρµογές, µε διάφορες µικρότερες ή µεγαλύτερες τροποποιήσεις που σχετίζονται µε τη φύση της εκάστοτε εφαρµογής. Για παράδειγµα στην περίπτωση ενός 8

9 τροχοφόρου ροµπότ (Mobile Robot - MR) η αντίστοιχη αρχιτεκτονική θα είναι αυτή που φαίνεται στο σχήµα PC µε πρόγραµµα ελέγχου OFF BOARD Η/Υ Κεντρικός Ελεγκτής ON BOARD ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΟ ΥΠΟΣΥΣΤΗΜΑ ΕΛΕΓΧΟΥ Έλεγχος Αισθητήρων Έλεγχος Κίνησης Έλεγχος Υπερήχων Οδοµετρία Έλεγχος Κινητήρων Υπέρηχοι Προφυλακτήρες Optical Encoders Κινητήρες ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΙΚΟ ΥΠΟΣΥΣΤΗΜΑ ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΙΚΟ ΥΠΟΣΥΣΤΗΜΑ Μετάδοση Κίνησης + Σύστηµα ιεύθυνσης Σχήµα 10.8 Αρχιτεκτονική ενός Αυτόνοµου Τροχοφόρου Ροµπότ Παραπάνω σηµειώσαµε ότι µία από τις λειτουργίες του συστήµατος ελέγχου είναι, όπως υποδηλώνει άλλωστε και το όνοµά του, ο έλεγχος. Υπάρχουν δύο βασικά είδη ελέγχου και συνακόλουθα συστηµάτων ελέγχου: ανοικτού βρόχου και κλειστού βρόχου (σχήµατα 10.9 α & β). ΡΟΜΠΟΤΙΚΟΣ ΒΡΑΧΙΟΝΑΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΚΙΝΗΣΗΣ ΡΟΜΠΟΤΙΚΟΣ ΒΡΑΧΙΟΝΑΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΚΙΝΗΣΗΣ ΕΠΕΝΕΡΓΗΤΕΣ ΑΡΘΡΩΣΕΩΝ ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ ΘΕΣΗΣ ΑΡΘΡΩΣΕΩΝ ΕΠΕΝΕΡΓΗΤΕΣ ΑΡΘΡΩΣΕΩΝ ΕΛΕΓΚΤΗΣ ΣΗΜΑΤΑ ΕΝΤΟΛΩΝ ΕΛΕΓΚΤΗΣ ΣΗΜΑΤΑ ΕΝΤΟΛΩΝ (α) Σχήµα 10.9 Σύστηµα Ελέγχου: (α) Ανοικτού Βρόχου (β) Κλειστού Βρόχου Σε ένα σύστηµα ανοικτού βρόχου δεν υπάρχουν αισθητήρες και έτσι ο ελεγκτής αγνοεί την κατάσταση στην οποία βρίσκεται ο µηχανισµός. Πιο συγκεκριµένα δεν γνωρίζει αν το ροµπότ κινήθηκε, ως αποτέλεσµα της εντολής που έδωσε, και πόσο. Το γεγονός αυτό προφανώς περιορίζει τις δυνατότητες του συστήµατος. Οι κινητήρες των ροµπότ αυτού του τύπου είναι απλοί και όχι σερβοκινητήρες, η δε κίνησή τους είναι µάλλον απότοµη και πολλές φορές ανακριβής. Ωστόσο στα πλεονεκτήµατά τους θα πρέπει να συµπεριλάβουµε το χαµηλό (β) 9

10 κόστος και την εύκολη συντήρηση. Μία αρκετά συνηθισµένη εφαρµογή είναι η φορτοεκφόρτωση. Από την άλλη πλευρά τα συστήµατα κλειστού βρόχου ενσωµατώνουν ανάδραση θέσης ή/και ταχύτητας, µε τη βοήθεια κατάλληλων αισθητήρων. Στην περίπτωση αυτή ο ελεγκτής συγκρίνει την πραγµατική κατάσταση (π.χ. θέση, ταχύτητα) του ροµπότ, όπως αυτή προκύπτει από την ανάγνωση των αισθητήρων, µε την προγραµµατισθείσα και παράγει ανάλογες διορθωτικές εντολές προκειµένου να µηδενίσει το µεταξύ τους σφάλµα. Οι κινητήρες ενός τέτοιου ροµπότ ενσωµατώνουν τη λειτουργία σέρβο (είναι δηλαδή σερβοκινητήρες), η δε προκύπτουσα κίνηση είναι αρκετά οµαλή και ακριβής. Η έννοια του «σέρβο» είναι άµεσα συνυφασµένη, όπως φαίνεται και από τις παραπάνω παρατηρήσεις, µε τον έλεγχο κλειστού βρόχου. Στην περίπτωση ροµπότ µε σερβοµηχανισµούς κάθε άξονας του ροµπότ ελέγχεται και κινείται από ένα ξεχωριστό σύστηµα σέρβο. Αυτό αυτοµάτως σηµαίνει ότι ο πραγµατοποιούµενος έλεγχος γίνεται σε δύο επίπεδα: Το πρώτο αφορά στον κεντρικό ελεγκτή του όλου συστήµατος (µερικές φορές καταχρηστικά θεωρείται ότι από µόνος του αποτελεί το σύστηµα ελέγχου) και το δεύτερο στους ελεγκτές κίνησης των µεµονωµένων αρθρώσεων και συνακόλουθα κινητήρων. Ο ελεγκτής κίνησης είναι ουσιαστικά ένας µικροεπεξεργαστής που έχει ως αποστολή τον µεµονωµένο έλεγχο της λειτουργίας του αντίστοιχου κινητήρα και της κίνησης της αντίστοιχης άρθρωσης. Ο ελεγκτής αυτός λαµβάνει τις εντολές από το κεντρικό σύστηµα ελέγχου και τις διαβιβάζει στον κινητήρα που κινεί την άρθρωση, αφού προηγουµένως προηγηθεί η µετατροπή του σήµατος ελέγχου από ψηφιακό σε αναλογικό και η ενίσχυσή του στα σωστά επίπεδα τάσης ή ρεύµατος. Στο σηµείο αυτό καταδεικνύεται η χρησιµότητα των ηλεκτρονικών ισχύος (ενισχυτές), αλλά και των προσαρµοστικών ηλεκτρονικών που παρεµβάλλονται µεταξύ του ελεγκτή και του ενισχυτή. Η παρουσία του ψηφιο-αναλογικού µετατροπέα (D/A Converter) είναι απαραίτητη από τη στιγµή που οι µικροεπεξεργαστές λειτουργούν ψηφιακά και ο φυσικός κόσµος (ενισχυτής, κινητήρας, άρθρωση) λειτουργεί αναλογικά. Προφανώς για το κλείσιµο του βρόχου στον έλεγχο είναι αναγκαία η λήψη µετρήσεων θέσης ή/και ταχύτητας των αρθρώσεων, οι οποίες λαµβάνονται συνήθως από incremental encoders. Το κλείσιµο του βρόχου ελέγχου στον ελεγκτή κίνησης πραγµατοποιείται συνήθως µε αρκετά µεγαλύτερη συχνότητα από τη συχνότητα διαβίβασης των εντολών του κεντρικού ελεγκτή. Στο σχήµα δίνεται ένα τυπικό δοµικό διάγραµµα ελεγκτού κίνησης ενός ροµποτικού βραχίονα, ενώ στο σχήµα δίνεται ένα πιο λεπτοµερειακό δοµικό διάγραµµα όπου φαίνεται η αλληλεπίδραση του ελεγκτή κίνησης µε τον κεντρικό ελεγκτή στη συγκεκριµένη περίπτωση έχει γίνει η θεώρηση ότι ο ελεγκτής κίνησης υλοποιεί αλγόριθµο ελέγχου θέσης PID. Εντολή Εισόδου + Σ - Ελεγκτής και Επενεργητές Άρθρωση Βραχίονα (Εγκατάσταση) Θέση (Ταχύτητα) Στοιχεία Ανάδρασης Σχήµα Τυπικό οµικό ιάγραµµα Ελέγχου Άρθρωσης Βραχίονα 10

11 Είσοδος / Έξόδος Γένεση Προφίλ Κίνησης Κεντρικό Σύστηµα Ελέγχου Ελεγκτής Κίνησης R E x PID DAC C Αποκωδικοποιητής Κίνησης Ενίσχυση Incremental Εncoder Κινητήρας Σχήµα οµικό ιάγραµµα Ελέγχου µε Έλεγχο Θέσης PID 10.6 Μελέτη Περιπτώσεως: Ο Βραχίονας PUMA 560 Στο σηµείο αυτό θα δούµε πως υλοποιούνται όλα όσα περιγράψαµε παραπάνω στην περίπτωση ενός πραγµατικού ροµπότ, ενός PUMA 560. Ο ροµποτικός βραχίονας PUMA 560 της εταιρείας Unimation Inc. (βλ. σχήµα 1.1) είναι ένας ανθρωποµορφικός βραχίονας µε σφαιρικό καρπό. Κατά συνέπεια διαθέτει 6 περιστροφικές αρθρώσεις, κάθε µία από τις οποίες προσδίδει ένα βαθµό κινητικότητας στην κατασκευή. Κάθε άρθρωση του βραχίονα κινείται από ξεχωριστό σερβοκινητήρα, στην άτρακτο του οποίου βρίσκεται τοποθετηµένος ένας incremental encoder. Ο αισθητήρας αυτός συνεργάζεται µε ένα ποτενσιόµετρο, το οποίο ορίζει την απόλυτη µηδενική γωνία, και παρέχει στο σύστηµα ελέγχου µετρήσεις θέσης. Από τις µετρήσεις αυτές είναι δυνατός ο υπολογισµός και των ταχυτήτων των αρθρώσεων από τον ελεγκτή του βραχίονα. Προφανώς κάθε σερβοκινητήρα συνοδεύουν όλες οι απαραίτητες ηλεκτρονικές συνιστώσες (π.χ. ηλεκτρονικά ισχύος). Τα υποσυστήµατα ενός PUMA 560 µε ελεγκτή Mark II, καθώς και ο τρόπος διασύνδεσης και επικοινωνίας τους, δίνονται στο σχήµα Στο τελευταίο φαίνεται ότι για τον έλεγχο του βραχίονα υπάρχει ένας κεντρικός ελεγκτής (LSI-11), ενώ για τον έλεγχο κίνησης της κάθε άρθρωσης υπάρχει από µία ξεχωριστή κάρτα ελέγχου (Digital Servo Board). Πάνω στις κάρτες αυτές υλοποιείται ο έλεγχος κλειστού βρόχου των αρθρώσεων, ο οποίος είναι PID. Στα σχήµατα 10.13, 14 δίνεται η εσωτερική διαρρύθµιση του ελεγκτή Mark II µέσα από δύο φωτογραφίες (άνοψη-κάτοψη). Στις φωτογραφίες αυτές φαίνονται οι διάφορες ηλεκτρολογικές και ηλεκτρονικές συνιστώσες του συστήµατος ελέγχου, καθώς επίσης και οι πλακέτες που τις υλοποιούν. Ο LSI-11 είναι ο βασικός επεξεργαστής του συστήµατος ελέγχου του βραχίονα και είναι υπεύθυνος για την όλη λειτουργία του PUMA. 11

12 Σχήµα ιασύνδεση των Υποσυστηµάτων ενός Ελεγκτή Mark II Σχήµα Εσωτερικό του Ελεγκτή του PUMA 560 (Άνοψη) 12

13 Σχήµα Εσωτερικό του Ελεγκτή του PUMA 560 (Κάτοψη) Συγκεκριµένα, ο LSI-11 : Πραγµατοποιεί σε πραγµατικό χρόνο τους αναγκαίους υπολογισµούς για την κίνηση του βραχίονα, επιβλέπει την ανταλλαγή πληροφοριών ανάµεσα στους αισθητήρες του βραχίονα και το σύστηµα ελέγχου, επικοινωνεί µε το χρήστη, και ελέγχει τις διάφορες περιφερειακές συσκευές. Ο κύκλος λειτουργίας (συνολικό διάστηµα δειγµατοληψίας) του LSI-11 είναι τα 28ms. Αντίθετα από τον LSI-11, που επιβλέπει και ελέγχει καθολικά τη λειτουργία του βραχίονα, οι κάρτες ελέγχου των σερβοκινητήρων έχουν ως αποστολή να υλοποιήσουν σε επίπεδο άρθρωσης τις εντολές θέσης που έχει δώσει ο επεξεργαστής. Σε κάθε κάρτα ελέγχου περιέχεται ένας µικροεπεξεργαστής (Rockwell 6503), ο οποίος πραγµατοποιεί τον έλεγχο της κίνησης της αντίστοιχης άρθρωσης σε τοπικό επίπεδο και µε συχνότητα πολύ µεγαλύτερη από τη συχνότητα λειτουργίας του LSI-11. Περίπου 32 φορές κατά τη διάρκεια του κύκλου των 28 ms (δηλαδή κάθε ms) τα σήµατα από τους incremental encoders συγκρίνονται µε τις γωνιακές θέσεις που έχει υπολογίσει ο LSI-11. Στη συνέχεια παράγονται κατάλληλα διορθωτικά σήµατα που διοχετεύονται στους ενισχυτές ισχύος και καταλήγουν στους κινητήρες κινώντας τις αρθρώσεις. Η αρχιτεκτονική του συστήµατος ελέγχου του PUMA 560 δίνεται στο σχήµα όπου εκτός των άλλων φαίνεται και πάλι η αλληλεπίδραση του ελεγκτή του βραχίονα µε τις ποικίλες περιφερειακές συσκευές. 13

14 Σχήµα Αρχιτεκτονική Ελέγχου του PUMA