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

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ: ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΚΑΙ ΑΥΤΟΜΑΤΟΥ ΕΛΕΓΧΟΥ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΓΕΝΙΚΗΣ ΗΛΕΚΤΡΟΤΕΧΝΙΑΣ Διπλωματική Εργασία των φοιτητριών του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών Καραστεργίου Βασιλικής του Γεωργίου Αριθμός Μητρώου:5978 Τσιλομήτρου Ουρανίας του Αποστόλου Αριθμός Μητρώου:6116 Θέμα «Ανάπτυξη εφαρμογών σε όλα τα δυνατά περιβάλλοντα προγραμματισμού του ρομπότ Katana-Neuronics» Επιβλέπων Μάνεσης Σταμάτης Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Πάτρα, Ιούλιος 2010 1

2

ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η Διπλωματική Εργασία με θέμα «Ανάπτυξη εφαρμογών σε όλα τα δυνατά περιβάλλοντα προγραμματισμού του ρομπότ Katana-Neuronics» Των φοιτητριών του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών Καραστεργίου Βασιλικής του Γεωργίου Αριθμός Μητρώου:5978 Τσιλομήτρου Ουρανίας του Αποστόλου Αριθμός Μητρώου:6116 Παρουσιάστηκε δημόσια και εξετάστηκε στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις 8/7/2010 Ο Επιβλέπων Μάνεσης Σταμάτης Αναπληρωτής Καθηγητής Ο Διευθυντής του Τομέα Κούσουλας Νικόλαος Καθηγητής 3

4

Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Θέμα: «Ανάπτυξη εφαρμογών σε όλα τα δυνατά περιβάλλοντα προγραμματισμού του ρομπότ Katana-Neuronics» Φοιτήτριες: Καραστεργίου Βασιλική Τσιλομήτρου Ουρανία Επιβλέπων: Μάνεσης Σταμάτης Περίληψη Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι ο προγραμματισμός και ο έλεγχος του ρομποτικού βραχίονα Katana s400 6M90 της εταιρίας Neuronics AG σε διάφορα περιβάλλοντα. Ο ρομποτικός βραχίονας έχει προγραμματιστεί στο περιβάλλον της γλώσσας C++, της γλώσσας C, του Matlab και του Labview. Βασικό στόχο αποτέλεσε η δημιουργία προγραμμάτων, τα οποία θέτουν τον ρομποτικό βραχίονα σε εκτέλεση βασικών λειτουργιών και κινήσεων. Τα προγράμματα αυτά δημιουργήθηκαν στο περιβάλλον της γλώσσας C++ και του Matlab. Προγράμματα για πιο σύνθετες λειτουργίες υλοποιήθηκαν στο περιβάλλον προγραμματισμού της γλώσσας C και του Labview. Στα προγράμματα αυτά συμπεριλαμβάνεται και ο έλεγχος του ρομπότ μέσω κάρτας ψηφιακών εισόδων/εξόδων (IOs), που είναι ενσωματωμένη στην βαθμίδα ελέγχου του ρομπότ. Επιπλέον, πραγματοποιήθηκε έλεγχος μέσω εφαρμογών TCP/IP, μέσω των οποίων δίνεται η δυνατότητα προγραμματισμού του ρομπότ από κάποια απομακρυσμένη θέση. Επιπρόσθετο στόχο αποτέλεσε η ανάπτυξη εφαρμογής, στην οποία χρησιμοποιήθηκε PLC για τον έλεγχο του ρομπότ σε συνδυασμό με μια μεταφορική ταινία, η οποία χρησιμοποιήθηκε για τη μεταφορά αντικειμένων. Κατά την εφαρμογή αυτή, το ρομπότ ελέγχθηκε μέσω της κάρτας ψηφιακών εισόδων/εξόδων. Τέλος, πραγματοποιήθηκε ορθή και αντίστροφη κινηματική ανάλυση και ορισμός του χώρου εργασίας του ρομποτικού βραχίονα. 5

6

Ευχαριστίες Σε αυτό το σημείο θα θέλαμε να ευχαριστήσουμε τον επιβλέποντα Αναπληρωτή Καθηγητή Σταμάτη Μάνεση για τη συνεχή καθοδήγηση και την πολύτιμη βοήθεια, που μας προσέφερε κατά τη διάρκεια εκπόνησης της διπλωματικής εργασίας. Επίσης, θα θέλαμε να ευχαριστήσουμε τη Μεταπτυχιακή Φοιτήτρια Κελασίδη Ελένη για την άμεση ανταπόκρισή της σε όποιο σημείο χρειαστήκαμε βοήθεια και τον Μεταπτυχιακό φοιτητή Στεργιόπουλο Ιωάννη για τις πολύτιμες συμβουλές του. 7

8

Περιεχόμενα Πρόλογος...σελ. 13 Κεφάλαιο 1: Εισαγωγή 1.1 Γενικά...σελ. 15 1.2 Ιστορικά στοιχεία...σελ. 16 1.3 Χαρακτηριστικά των ρομπότ...σελ. 16 1.4 Δομή των Ρομπότ...σελ. 18 1.5 Κατηγορίες Ρομπότ...σελ. 19 Κεφάλαιο 2: Ο ρομποτικός βραχίονας Katana 400 6M90G 2.1 Ασφάλεια...σελ. 22 2.2 Σύνδεση του Katana με τον ηλεκτρονικό υπολογιστή...σελ. 23 2.2.1 Σύνδεση μέσω καλωδίου Ethernet...σελ. 23 2.2.2 Σύνδεση μέσω καλωδίου USB...σελ. 23 2.3 Βαθμίδα Ελέγχου (Control Board )...σελ. 24 2.4 Τηλεχειριστήριο Β3...σελ. 27 2.5 Μηχανική Ανάλυση...σελ. 28 2.6 Συστήματα Συντεταγμένων...σελ. 29 2.7 Έλεγχος των αξόνων του Katana...σελ. 33 2.8 Ανίχνευση Συγκρούσεων...σελ. 35 2.8.1 Έλεγχος σφάλματος θέσης...σελ. 35 2.8.2 Έλεγχος σφάλματος ταχύτητας... σελ. 36 2.8.3 Σχέσεις μεταξύ ορίων σύγκρουσης και τιμών ΠΠΔ(Παλμοί Πλάτος Διαμόρφωσης )...σελ. 36 2.8.4 Τιμές πρότυπων ορίων σύγκρουσης...σελ. 37 Κεφάλαιο 3: Θεωρητική Ανάλυση 3.1 Παράμετροι Denavit Hartenberg...σελ. 38 3.2 Ορθή Κινηματική Ανάλυση...σελ. 40 3.3 Αντίστροφη Κινηματική Ανάλυση...σελ. 42 3.4 Εύρεση Ιακωβιανής Μήτρας...σελ. 51 3.5 Περιβάλλον Εργασίας......σελ. 53 Κεφάλαιο 4: Προγραμματισμός μέσω του KNI 4.1 Εγκατάσταση του KNI...σελ. 56 4.2 Η βιβλιοθήκη KNI...σελ. 56 4.2.1 Βασικές έννοιες της γλώσσας C++ και βασικές βιβλιοθήκες.... σελ. 56 4.2.2 Η Αρχιτεκτονική Λογισμικού του KNI...σελ. 58 4.3 Βασικές βιβλιοθήκες του KNI...σελ. 60 Κεφάλαιο 5: Προγραμματισμός σε περιβάλλον γλώσσας C++ μέσω του KNI 9

5.1 Demo Προγράμματα...σελ. 63 5.2 Προγραμματισμός σε γλώσσα C++...σελ. 63 5.2.1 Δημιουργία Project και εκτελέσιμου αρχείου...σελ. 63 5.2.2 Προγράμματα σε γλώσσα C++...σελ. 68 5.3 Συμπεράσματα...σελ. 80 Κεφάλαιο 6: Προγραμματισμός σε περιβάλλον γλώσσας C μέσω του KNI 6.1 Demo Προγράμματα...σελ. 82 6.2 Προγραμματισμός σε γλώσσα C...σελ. 83 6.2.1 Δημιουργία Project και εκτελέσιμου αρχείου...σελ. 83 6.2.2 Προγράμματα σε γλώσσα C...σελ. 85 6.3 Συμπεράσματα...σελ. 91 Κεφάλαιo 7: Προγραμματισμός σε περιβάλλον Matlab μέσω του KNI 7.1 Demo Προγράμματα...σελ. 92 7.2 Προγραμματισμός στο περιβάλλον του Matlab...σελ. 94 7.2.1 Δημιουργία εκτελέσιμου αρχείου...σελ. 94 7.2.2 Προγράμματα στο περιβάλλον του Matlab...σελ. 96 7.3 Συμπεράσματα...σελ. 101 Κεφάλαιo 8: Προγραμματισμός σε περιβάλλον Labview μέσω του KNI 8.1 Demo Προγράμματα...σελ. 102 8.2 Προγραμματισμός στο περιβάλλον του Labview...σελ. 102 8.2.1 Δημιουργία εκτελέσιμου αρχείου...σελ. 103 8.2.2 Πρόγραμμα στο περιβάλλον του Labview...σελ. 103 8.3 Συμπεράσματα...σελ. 106 Κεφάλαιο 9: Εφαρμογές Δικτύου 9.1 Πρωτόκολλο TCP/IP...σελ. 107 9.2 Ρυθμίσεις ενσωμάτωσης Katana στο δίκτυο...σελ. 107 9.3 Προγραμματισμός και έλεγχος του ρομπότ από απομακρυσμένη θέση...σελ. 108 9.3.1 Εκτέλεση προγραμμάτων μέσω του KNI...σελ. 108 9.3.2 Εκτέλεση προγραμμάτων μέσω του Katana4D...σελ. 108 9.4 Συμπεράσματα...σελ. 110 Κεφάλαιο 10: Εφαρμογή με PLC 10.1 Απαιτούμενος εξοπλισμός...σελ. 111 10.2 Συνδέσεις στο PLC...σελ. 113 10.3 Πρόγραμμα στο περιβάλλον της γλώσσας C...σελ. 113 10

10.4 Πρόγραμμα του PLC...σελ. 115 10.5 Υλοποίηση...σελ. 116 10.6 Συμπεράσματα...σελ. 117 Συμπεράσματα...σελ. 118 Παράρτημα Α...σελ. 119 Παράρτημα Β Προγράμματα σε C++...σελ. 127 1 o Μέρος...σελ. 127 2 o Μέρος...σελ. 132 Προγράμματα σε C...σελ. 143 Προγράμματα σε Matlab...σελ. 157 Βιβλιογραφία...σελ. 168 11

12

Πρόλογος Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι ο έλεγχος του ρομποτικού βραχίονα Katana s400 6M90G της εταιρίας Neuronics AG σε διάφορα περιβάλλοντα. Ο ρομποτικός βραχίονας έχει ελεγχθεί στο περιβάλλον προγραμματισμού της γλώσσας C++, της γλώσσας C, του Matlab και του Labview. Επίσης, έχει επιτευχθεί ο έλεγχος μέσω κάρτας ψηφιακών εισόδων/εξόδων (IOs), η οποία είναι ενσωματωμένη στο ρομπότ, και ο έλεγχος μέσω εφαρμογών TCP/IP. Επιπλέον, αναπτύχθηκε εφαρμογή, στην οποία χρησιμοποιήθηκε PLC για τον έλεγχο του ρομπότ σε συνδυασμό με μια μεταφορική ταινία. Τέλος, πραγματοποιήθηκε ορθή και αντίστροφη κινηματική ανάλυση και ορισμός του χώρου εργασίας του ρομποτικού βραχίονα. Συγκεκριμένα για κάθε κεφάλαιο: Στο Κεφάλαιο 1 κάνουμε μια εισαγωγή για τα ρομπότ, τη δομή και τα χαρακτηριστικά τους. Στο Κεφάλαιο 2 καταγράφονται και περιγράφονται τα χαρακτηριστικά του ρομποτικού βραχίονα Katana s400 6M90G και ο τρόπος ελέγχου του. Στο Κεφάλαιο 3 παρουσιάζεται η θεωρητική ανάλυση του ρομπoτικού βραχίονα. Ειδικότερα, πραγματοποιείται ορθή και αντίστροφη κινηματική ανάλυση, καθώς και η καταγραφή του χώρου εργασίας βάσει των επιτρεπτών γωνιών κάθε άρθρωσης του ρομποτικού βραχίονα. Στο Κεφάλαιο 4 αναλύεται η αρχιτεκτονική της βασισμένης σε γλώσσα C++ βιβλιοθήκης, KNI, που χρησιμοποιείται για τον προγραμματισμό και τον έλεγχο του ρομποτικού βραχίονα σε αντικειμενοστραφείς και μη αντικειμενοστραφείς γλώσσες. Στο Κεφάλαιο 5 παρουσιάζεται η διαδικασία που ακολουθήθηκε, για τη δημιουργία προγραμμάτων σε περιβάλλον γλώσσας προγραμματισμού C++. Επίσης, καταγράφονται και αναλύονται τα προγράμματα που έχουν δημιουργηθεί με σκοπό την εκτέλεση ορισμένων κινήσεων από το ρομπότ. Στο Κεφάλαιο 6 γίνεται αναφορά στον προγραμματισμό στο περιβάλλον της μηαντικειμενοστραφούς γλώσσας C, καθώς και αναλυτική επεξήγηση των προγραμμάτων που δημιουργήθηκαν. Στο Κεφάλαιο 7 περιγράφεται η διαδικασία δημιουργίας προγραμμάτων στο περιβάλλον Matlab για την πραγματοποίηση ορισμένων υποδειγματικών κινήσεων του ρομποτικού βραχίονα. Στο Κεφάλαιο 8 περιγράφεται η μεθοδολογία προγραμματισμού στο περιβάλλον LabView και η υλοποίηση μιας σειράς κινήσεων και μεθόδων ελέγχου του ρομπότ. Στο Κεφάλαιο 9 περιγράφεται ο τρόπος ενσωμάτωσης του ρομπότ σε τοπικό δίκτυο και η επικοινωνία με αυτό από κάποια άλλη θέση του δικτύου. Στο Κεφάλαιο 10 περιγράφεται ο τρόπος, με τον οποίον αναπτύχθηκε εφαρμογή με τη χρήση PLC. Στην εφαρμογή αυτή ενσωματώθηκε το ρομπότ με χρήση ψηφιακής κάρτας εισόδων/εξόδων, μια μεταφορική ταινία για τη μεταφορά αντικειμένων και ένα φωτοκύτταρο για ανίχνευση αντικειμένου σε συγκεκριμένη θέση. 13

Ολοκληρώνοντας, παρατίθενται συγκεντρωτικά τα συμπεράσματα, που εξήχθησαν με βάση τη δημιουργία των προγραμμάτων στα διάφορα περιβάλλοντα προγραμματισμού, που χρησιμοποιήθηκαν, αλλά και εκείνα, που προέκυψαν από την υλοποίηση των εφαρμογών, που αναπτύχθηκαν. Στο Παράρτημα Α παρουσιάζονται οι αλγόριθμοι σε κώδικα Matlab, που χρησιμοποιήθηκαν στη θεωρητική ανάλυση. Στο Παράρτημα Β παρουσιάζονται τα προγράμματα σε γλώσσα C++, σε γλώσσα C και στο περιβάλλον του Matlab. Το μεγαλύτερο μέρος των εργασιών που διεξήχθησαν, πραγματοποιήθηκε από κοινού. Βέβαια, υπεύθυνη για την υλοποίηση και τη συγγραφή των Κεφαλαίων 2, 4, 6, 7, 10 ήταν η Καραστεργίου Βασιλική, ενώ για την υλοποίηση και τη συγγραφή των Κεφαλαίων 1, 3, 5, 8, 9 υπεύθυνη ήταν η Τσιλομήτρου Ουρανία. 14

1. Εισαγωγή 1.1 Γενικά Η Ρομποτική είναι εκείνος ο κλάδος της επιστήμης του μηχανικού, που ασχολείται με τη σύλληψη, τη σχεδίαση, την κατασκευή, τη θεωρία και τις εφαρμογές των ρομπότ. Τα ρομπότ είναι μηχανές, που δεν έχουν τη μορφή ή τη συμπεριφορά του ανθρώπου, αλλά μπορούν να εκτελούν εργασίες, που κάνει ο άνθρωπος. Η χρήση τους, λοιπόν, έχει σκοπό την αντικατάσταση του ανθρώπου στην εκτέλεση εργασίας, η οποία αφορά τόσο στο φυσικό επίπεδο, όσο και στο επίπεδο λήψης απόφασης. Η εξέλιξη των ρομπότ έχει περάσει από πολλά στάδια. Τα ρομπότ της πρώτης γενιάς δεν είχαν την ικανότητα υπολογισμού και αίσθησης, σε αντίθεση με τα ρομπότ της δεύτερης γενιάς, τα οποία διαθέτουν περιορισμένη υπολογιστική ισχύ, γλώσσες προγραμματισμού υψηλού επιπέδου και αισθητήρες ανατροφοδότησης. Τα ρομπότ της τρίτης γενιάς διαθέτουν νοημοσύνη με την έννοια ότι είναι ικανά να παίρνουν αποφάσεις κατά τη διάρκεια εκτέλεσης της εργασίας τους. Τις ικανότητες αυτές, τις αποκτούν μέσω τεχνικών της τεχνητής νοημοσύνης σε συνδυασμό με εξελιγμένες μορφές αισθητήρων αφής, δύναμης, απόστασης, όρασης, κ.ο.κ.. Τα βιομηχανικά ρομπότ είναι εξελιγμένα συστήματα αυτοματισμού, που χρησιμοποιούν ηλεκτρονικό υπολογιστή σαν μια βασική συνιστώσα του ελέγχου τους. Σήμερα, οι υπολογιστές αποτελούν ένα βασικό μέρος του βιομηχανικού αυτοματισμού. Κατευθύνουν γραμμές παραγωγής και ελέγχουν συστήματα κατασκευής (λ.χ. εργαλειομηχανές, συγκολλητές, κοπτικές διατάξεις Laser κ.α.) Τα νέα ρομπότ εκτελούν ποικίλες εργασίες στα βιομηχανικά συστήματα και γενικά συμμετέχουν στον πλήρη αυτοματισμό των εργοστασίων. Το κύριο πλεονέκτημα του ρομπότ είναι η ευελιξία του. Μπορεί να προσαρμοστεί σε διάφορα προϊόντα στην ίδια γραμμή παραγωγής, όπως απαιτούν οι αλλαγές της αγοράς, και να επαναπρογραμματιστεί έτσι, ώστε να είναι κατάλληλο για μικρές ή μεγάλες μεταβολές του παραγόμενου προϊόντος. Έτσι, προσφέρει στη βιομηχανία μαζικής παραγωγής έναν τρόπο να αντιμετωπίζει τις μεταβολές της απαιτούμενης ποσότητας ή του τύπου του προς παραγωγή προϊόντος. Σύμφωνα με το Robot Institute της Αμερικής, ως ρομπότ μπορούμε να ορίσουμε έναν μηχανισμό σχεδιασμένο, ώστε μέσω προγραμματιζόμενων κινήσεων να μεταφέρει υλικά, τεμάχια, εργαλεία ή ειδικευμένες συσκευές με σκοπό την εκτέλεση ποικιλίας εργασιών. Ένας τέτοιος μηχανισμός περιλαμβάνει, συνήθως, τις ακόλουθες συνιστώσες: ένα μηχανολογικό υποσύστημα, ένα υποσύστημα αίσθησης και ένα σύστημα ελέγχου. Το μηχανολογικό υποσύστημα επιτρέπει στο ρομπότ να εκτελεί την εργασία, που του έχει ανατεθεί. Αποτελείται από μηχανισμούς, που επιτρέπουν στο ρομπότ να κινείται, όπως αρθρώσεις, σύστημα μετάδοσης κίνησης, επενεργητές κινητήρες, οδηγούς, κ.λ.π.. Το υποσύστημα αίσθησης βοηθάει το ρομπότ να συλλέγει πληροφορίες για την κατάσταση, στην οποία βρίσκονται τόσο το ίδιο, όσο και το περιβάλλον του. Εκτός των άλλων, δέχεται εξωτερικές εντολές, τις επεξεργάζεται, τις μεταφράζει σε ηλεκτρική ισχύ, που θα δοθεί στους κινητήρες του ρομπότ, καθώς, επίσης, παράγει σήματα εξόδου, που θα πληροφορούν για την κατάσταση του συστήματος. Στο υποσύστημα αίσθησης περιλαμβάνονται όργανα μέτρησης, αισθητήρες, ηλεκτρονικά στοιχεία, κ.λ.π.. 15

Το σύστημα ελέγχου συνδυάζει με κατάλληλο τρόπο την αίσθηση με τη δράση έτσι, ώστε το ρομπότ να λειτουργεί αποτελεσματικά και με τον επιθυμητό τρόπο. Ο ελεγκτής του ρομπότ επιβλέπει και συντονίζει ολόκληρο το σύστημα, ενώ για τη σχεδίαση και την υλοποίησή του απαιτείται ο συνδυασμός γνώσεων από πολλές γνωστικές περιοχές, όπως είναι ο αυτόματος έλεγχος, η τεχνητή νοημοσύνη, η επιστήμη των υπολογιστών, κ.λ.π.. 1.2 Ιστορικά στοιχεία Τα βιομηχανικά ρομπότ αναπτύχθηκαν ταυτόχρονα με τον υπολογιστικό αριθμητικό έλεγχο (CNC). Βεβαίως, το πρώτο ρομπότ κατασκευάστηκε το 1961, αλλά τα ρομπότ άρχισαν να παίζουν πρωτεύοντα ρόλο στη βιομηχανική παραγωγή μόνον κατά τα τέλη της δεκαετίας του 1970. Η λέξη «ρομπότ» πρωτοεμφανίστηκε πριν από έναν αιώνα. Ο Τσέχος δραματογράφος Karel Capek, χρησιμοποίησε για πρώτη φορά το 1921 αυτόν τον όρο στο έργο του R.U.R.( "Rossum's Universal Robots"). Αυτός ο όρος επινοήθηκε από την τσέχικη λέξη «robota», η οποία έχει τη σημασία της καταναγκαστικής εργασίας. Στο έργο του περιγράφεται η κατασκευή έξυπνων συσκευών, οι οποίες χρησιμοποιούνται ως υπηρέτες του ανθρώπινου δημιουργού τους. Κατά τη δεκαετία του 1940, ο Ρώσος συγγραφέας επιστημονικής φαντασίας, Isaac Asimov, περιέγραψε το ρομπότ ως μια μηχανή με εμφάνιση ανθρώπου απαλλαγμένο,όμως, από συναισθήματα. Η συμπεριφορά του υπαγορευόταν από έναν εγκέφαλο προγραμματισμένο από ανθρώπους με ιδιαίτερο τρόπο, ώστε να ακολουθεί βασικές ηθικές αρχές. Για πρώτη φορά, επίσης, χρησιμοποιήθηκε από τον Asimov ο όρος «ρομποτική» για να περιγράψει τον τομέα της επιστήμης, που ασχολείται με τα ρομπότ. Ο όρος βιομηχανικό ρομπότ (industrial robot) καθιερώθηκε το 1954 από τον G.C. Devol (ΗΠΑ). Ο Devol περιέγραψε πώς μπορεί να κατασκευαστεί ένα ελεγχόμενο μηχανικό χέρι, το οποίο μπορεί να εκτελεί διάφορες εργασίες στη βιομηχανία. Το πρώτο βιομηχανικό ρομπότ κατασκευάστηκε και τέθηκε σε λειτουργία το 1961 από την εταιρία Unimation. Έκτοτε, τέθηκαν σε λειτουργία χιλιάδες ρομπότ στην Αμερική, στην Ιαπωνία και στην Ευρώπη. Η πρώτη γενιά των σύγχρονων ρομπότ απείχε κατά πολύ από τα ανθρωπόμορφα μηχανήματα, καθώς οι περισσότεροι κατασκευαστές δεν είχαν σκοπό να μιμηθούν το ανθρώπινο γένος. Το δημοφιλές ρομπότ Unimate της δεκαετίας του 1960 ήταν ικανό να κινήσει μονάχα το ένα του χέρι προς διάφορες κατευθύνσεις και να ανοιγοκλείνει την παλάμη του. Σήμερα, υπάρχουν πάνω από δύο εκατομμύρια ρομπότ Roomba, τα οποία κινούνται και εκτελούν εργασίες (σκούπισμα), που άλλοτε εκτελούνταν από τους ανθρώπους, αλλά μοιάζουν περισσότερο με γρήγορες χελώνες παρά με υπηρέτες. 1.3 Χαρακτηριστικά των ρομπότ Η τυπική μορφή ενός ρομπότ φαίνεται στην εικόνα 1.1. Βασικά, ένα βιομηχανικό ρομπότ μιμείται το ανθρώπινο χέρι. Επειδή τα βιομηχανικά ρομπότ εκτελούν διάφορους χειρισμούς, ονομάζονται και μηχανικοί χειριστές ή απλώς χειριστές. Ένα ρομπότ έχει αρθρώσεις ανάλογες αυτών του ανθρώπινου χεριού, δηλαδή τον "ώμο", 16

τον "αγκώνα" και τον "καρπό". Ο καρπός μπορεί να περιστρέφεται γύρω από τρεις άξονες, τον "διαμήκη", που έχει τη διεύθυνση των δακτύλων (η κίνηση ονομάζεται κύλιση roll), τον "εγκάρσιο", που βρίσκεται στο επίπεδο της παλάμης (κίνηση ανύψωσης pitch) και είναι κάθετος ως προς τα δάκτυλα, και τον "κάθετο" άξονα, που είναι κάθετος ως προς τους άλλους δύο (κίνηση στροφής yaw), δηλαδή προς το επίπεδο της παλάμης. Οι αρθρώσεις οδηγούνται από κινητήρες ή γενικότερα από στοιχεία δράσης, που μπορεί να είναι πνευματικά, υδραυλικά, ηλεκτρικά. Τα κινητήρια στοιχεία δράσης (κινητήρες, έμβολα, κ.α.) δίνουν στα ρομπότ πολύ μεγαλύτερη ισχύ από αυτήν, που μπορεί να αναπτύξει ο άνθρωπος. Εικόνα 1.1 Τυπική μορφή βιομηχανικού ρομπότ (Cincinnati Milacron) Ο υπολογιστής ενός σύγχρονου ρομπότ περιέχει ένα πρόγραμμα ελέγχου και ένα πρόγραμμα εργασίας. Το πρόγραμμα ελέγχου δίνεται από τον κατασκευαστή και ρυθμίζει την κίνηση κάθε μιας άρθρωσης του ρομπότ. Το πρόγραμμα εργασίας δίνεται από τον χρήστη και καθορίζει τις κινήσεις, που χρειάζονται για να εκτελεστεί κάθε φορά η επιθυμητή εργασία. Ένα πρόγραμμα εργασίας μπορεί να παραχθεί είτε περνώντας το ρομπότ από τις θέσεις, που απαιτεί η συγκεκριμένη εργασία, είτε χρησιμοποιώντας κατάλληλες γλώσσες προγραμματισμού. Όταν χρησιμοποιείται μια γλώσσα προγραμματισμού, το ρομπότ περιέχει έναν κατάλληλο επεξεργαστή, που μεταφράζει το πρόγραμμα εργασίας και παρέχει τα δεδομένα, που χρειάζεται το πρόγραμμα ελέγχου για να καθοδηγήσει το ρομπότ στις επιθυμητές κινήσεις. Το πρόγραμμα ελέγχου χρησιμοποιεί το πρόγραμμα εργασίας σαν είσοδο και συνεπώς, για κάθε εργασία ο χρήστης πρέπει να γράψει ένα διαφορετικό πρόγραμμα εργασίας. Τα πλεονεκτήματα των βιομηχανικών ρομπότ συνοψίζονται ως εξής: α) Ευελιξία β) Υψηλή παραγωγικότητα γ) Καλύτερη ποιότητα προϊόντος δ) Βελτιωμένη ποιότητα ζωής 17

Τα ρομπότ είναι ιδανικά για εργασίες μη ευχάριστες ή επικίνδυνες, όπως το βάψιμο με ψεκασμό και ο χειρισμός ραδιενεργών ουσιών. Επίσης, τα ρομπότ μπορούν να εργάζονται σε ανιαρές και επαναλαμβανόμενες εργασίες, που είναι, όμως, απλές και χρειάζονται ανειδίκευτους εργάτες. Οι κυριότερες βιομηχανικές εφαρμογές των ρομπότ είναι οι ακόλουθες: i) Φόρτωμα και ξεφόρτωμα μηχανών ii) Σημειακή συγκόλληση iii) Συγκόλληση τόξου iv) Βάψιμο ψεκασμού v) Συναρμολόγηση εξαρτημάτων vi) Επίβλεψη vii) Σιδηρουργικές εργασίες (τρύπημα, κόψιμο, σφυρηλάτημα, κ.α.) viii) Ρίψη μετάλλων σε καλούπια (χυτήρια) 1.4 Δομή των Ρομπότ Το βιομηχανικό ρομπότ είναι ένας προγραμματιζόμενος μηχανικός χειριστής, ικανός να κινείται προς διάφορες διευθύνσεις, εφοδιασμένος στο άκρο του με μια διάταξη εργασίας, που ονομάζεται τελικό σημείο δράσης (ή εργαλείο), και ικανός να εκτελεί διάφορες βιομηχανικές εργασίες, που συνήθως γίνονται από τον άνθρωπο. Ένα σύγχρονο ρομπότ περιλαμβάνει τουλάχιστον τρία βασικά δομικά μέρη: 1) τον χειριστή (βραχίονα, χέρι), που είναι το κινούμενο μηχανικό τμήμα, 2) τα στοιχεία δράσης (κινητήρες κ.λ.π.), που ενεργοποιούν τις αρθρώσεις του βραχίονα και 3) τον υπολογιστή, που αποθηκεύει και εκτελεί τα προγράμματα εργασίας και ελέγχει τις κινήσεις του ρομπότ. Ο βραχίονας του ρομπότ περιέχει το κύριο σώμα και τον καρπό, που έχει στο τέλος του το εργαλείο (τελικό στοιχείο δράσης). Το εργαλείο μπορεί να είναι μια κεφαλή συγκόλλησης, ένα πιστόλι χρωματίσματος, ένα μηχανικό εργαλείο ή μια αρπάγη, που ανοιγοκλείνει ανάλογα με την εφαρμογή, στην οποία πρόκειται να χρησιμοποιηθεί το ρομπότ. Επειδή όλα τα εργαλεία στερεώνονται στο τέλος των ρομπότ, λέγονται και "τελικά στοιχεία δράσης". Το κύριο σώμα (δηλαδή ο κορμός) του ρομπότ αποτελείται από μια διαδοχή συνδέσμων ή μελών (links), που συνδέονται με αρθρώσεις (joints). Οι αρθρώσεις ελέγχουν τις κινήσεις των συνδέσμων. Η ομάδα των αρθρώσεων, που ελέγχει την κίνηση του εργαλείου, ονομάζεται "καρπός". Κάθε μια από τις αρθρώσεις του βραχίονα και του καρπού παρέχει έναν βαθμό ελευθερίας στην κίνηση του τελικού στοιχείου δράσης. Έτσι, ένα ρομπότ με n βαθμούς ελευθερίας περιέχει n αρθρώσεις ή n άξονες κίνησης γενικά. Η κίνηση του τελικού στοιχείου δράσης ρυθμίζεται ελέγχοντας τη θέση και την ταχύτητα των αξόνων κίνησης του ρομπότ. Στη ρομποτική ένας άξονας κίνησης ισοδυναμεί με έναν βαθμό ελευθερίας, ως προς τον οποίο μπορεί να κινηθεί το ρομπότ. Για να μπορέσει ένα ρομπότ να φτάσει ένα αυθαίρετο σημείο (μέσα στο χώρο εργασίας του) με έναν επιθυμητό προσανατολισμό του εργαλείου, χρειάζεται να έχει έξι άξονες (βαθμούς ελευθερίας) κίνησης. Έστω και μόνο ένας διαφορετικός προσανατολισμός του εργαλείου μπορεί να αλλάξει εντελώς τη θέση του βραχίονα του ρομπότ. 18

Οι άξονες κίνησης ενός ρομποτικού βραχίονα μπορεί να είναι άξονες στροφικής κίνησης (περιστροφικές αρθρώσεις) ή γραμμικής μεταφορικής κίνησης (πρισματικές αρθρώσεις). Ένας στροφικός άξονας οδηγείται άμεσα από έναν ηλεκτρικό κινητήρα ή έμμεσα από ένα σύστημα αλυσίδας ή οδοντωτών τροχών. Η κίνηση κατά μήκος ενός γραμμικού άξονα πραγματοποιείται από ένα πρισματικό ζεύγος ή μέσω μιας κοχλιωτής λειτουργίας. Ένα πρισματικό ζεύγος διαθέτει ένα υδραυλικό ή πνευματικό έμβολο, ενώ ένας κοχλίας μετατρέπει την περιστροφική κίνηση ενός ηλεκτρικού κινητήρα σε γραμμική κίνηση κατά μήκος του αντίστοιχου άξονα του βραχίονα. 1.5 Κατηγορίες Ρομπότ Τα ρομπότ ταξινομούνται κατά τρεις τρόπους ανάλογα με τον τύπο κίνησης, τη μηχανική δομή και τον τύπο ελέγχου. Η επιλογή του τύπου του συστήματος κίνησης, του συστήματος ελέγχου και της μηχανικής δομής ενός ρομπότ εξαρτάται από την κατηγορία εφαρμογών, στις οποίες πρόκειται αυτό να χρησιμοποιηθεί. Επιπλέον, ο καρπός και το τελικό στοιχείο δράσης (εργαλείο) πρέπει, επίσης, να εκλεγούν ανάλογα με την προβλεπόμενη εφαρμογή. Ανάλογα με τον τύπο κίνησης διακρίνουμε τα ρομπότ σημείου προς σημείο και συνεχούς δρόμου. Ένα ρομπότ σημείου προς σημείο κινείται προς μια θέση, που ορίζεται αριθμητικά και στην οποία σταματάει, και το τελικό στοιχείο δράσης εκτελεί την επιθυμητή εργασία, ενώ το ρομπότ είναι σταματημένο. Όταν συμπληρωθεί η εργασία, το ρομπότ κινείται προς το επόμενο σημείο και ο κύκλος επαναλαμβάνεται. Στα συστήματα σημείου προς σημείο η τροχιά και η ταχύτητα του ρομπότ κατά τη μετάβασή του από σημείο σε σημείο δεν έχουν ιδιαίτερη σημασία και έτσι, τα συστήματα αυτά διαθέτουν απλώς μετρητές της αξονικής θέσης για τον έλεγχο της τελικής θέσης του ρομπότ. Στα ρομποτικά συστήματα συνεχούς δρόμου, ή καμπύλης, το εργαλείο εκτελεί την εργασία του, ενώ το ρομπότ (οι άξονες) βρίσκεται σε κίνηση. Όλοι οι άξονες κινούνται ταυτοχρόνως, καθένας με διαφορετική ταχύτητα. Οι ταχύτητες αυτές συντονίζονται από τον υπολογιστή έτσι, ώστε να ληφθεί η απαραίτητη τροχιά (δρόμος). Ο δρόμος, που ακολουθεί το εργαλείο ενός ρομπότ συνεχούς δρόμου, καθορίζεται από τον λόγο των αξονικών ταχυτήτων και την αρχική θέση του εργαλείου. Ανάλογα με τη μηχανική δομή του ρομπότ διακρίνουμε τα ρομπότ σε πέντε κατηγορίες: καρτεσιανά, κυλινδρικά, σφαιρικά, αρθρωτά, SCARA. Εικόνα 1.2 (α) καρτεσιανό ρομπότ (xyz), (β) κυλινδρικό ρομπότ, (γ) σφαιρικό (πολικό) ρομπότ, (δ) αρθρωτό ρομπότ Ένα ρομπότ καρτεσιανών συντεταγμένων αποτελείται από τρεις γραμμικούς άξονες (κινούνται σε ευθεία γραμμή και δε γυρίζουν), που ο ένας με τον άλλο σχηματίζουν 19

γωνία 90 μοιρών. Ένα τέτοιο ρομπότ φαίνεται στην εικόνα 1.2.(α). Η δομή του μπορεί να είναι όμοια με τις εργαλειομηχανές (βάση, τραπέζι εργασίας,κ.α.). Το κύριο σώμα ενός ρομπότ κυλινδρικών συντεταγμένων (εικόνα 1.2.(β)) αποτελείται από έναν οριζόντιο άξονα στηριγμένο σε μια κατακόρυφη κολώνα. Η κολώνα είναι με τη σειρά της στερεωμένη πάνω σε μια περιστρεφόμενη βάση. Ο οριζόντιος βραχίονας κινείται προς τα εμπρός και προς τα πίσω κατά τη διεύθυνση του διαμήκους άξονά του και επίσης, ανεβοκατεβαίνει στην κολώνα. Κολώνα και βραχίονας στρέφονται σαν ένα σώμα πάνω στη βάση γύρω από τον κατακόρυφο άξονα. Ένα ρομπότ σφαιρικών συντεταγμένων αποτελείται από μια στρεφόμενη βάση, ένα ανυψωμένο στέλεχος και έναν τηλεσκοπικό βραχίονα, που κινείται προς τα μέσα και προς τα έξω. Τα αρθρωτά ρομπότ αποτελούνται από τρία σταθερά μέλη (συνδέσμους), που ενώνονται μεταξύ τους με στροφικές αρθρώσεις και είναι τοποθετημένα πάνω σε μια στρεφόμενη βάση. Η κινηματική τους διάταξη μοιάζει με εκείνη του ανθρώπινου χεριού. Το εργαλείο (αρπάγη) είναι ανάλογο της παλάμης και προσαρμόζεται στον κάτω βραχίονα μέσω του καρπού. Ο "αγκώνας" συνδέει τον κάτω βραχίονα με τον άνω και ο "ώμος" συνδέει τον άνω βραχίονα με τη βάση. Ένα ρομπότ τύπου SCARA συνδυάζει ιδιότητες αρθρωτού και κυλινδρικού ρομπότ. Εικόνα 1.3 Σχηματική απεικόνιση SCARA ρομπότ Ανάλογα με τον τρόπο ελέγχου διακρίνουμε ρομπότ ανοιχτού και κλειστού βρόχου. Στα ρομπότ ανοιχτού βρόχου η έξοδος δεν έχει καμία επίδραση στην είσοδο, δεν υπάρχει δηλαδή ανατροφοδότηση. Η κίνηση των αξόνων (αρθρώσεων) γίνεται με βηματικούς κινητήρες. Ο άξονας του βηματικού κινητήρα περιστρέφεται κατά μια σταθερή γωνία για κάθε παλμό, που δέχεται στην είσοδό του. Οι βηματικοί κινητήρες παρέχουν τον απλούστερο τρόπο μετατροπής μιας ακολουθίας ηλεκτρικών παλμών σε ανάλογη γωνιακή μετατόπιση. Επειδή, όμως, δεν υπάρχει ανατροφοδότηση από τη θέση του άξονα, η ακρίβεια θέσης εξαρτάται αποκλειστικά από την ικανότητα του κινητήρα να προχωράει κατά τον ακριβή αριθμό βημάτων σύμφωνα με το πλήθος παλμών, που δέχεται στην είσοδό του. Ένα καλύτερο σύστημα προκύπτει, αν η έξοδος μετράται και ανατροφοδοτείται με κατάλληλο τρόπο στην είσοδο του συστήματος. Έτσι, στα ρομπότ κλειστού βρόχου η θέση των αξόνων μετράται με κατάλληλα αισθητήρια όργανα ανατροφοδότησης (λ.χ. ψηφιακοί κωδικοποιητές). 20

2. Ο ρομποτικός βραχίονας Katana 400 6M90G Ο ρομποτικός βραχίονας Katana 400 6M90 είναι δημιουργία της ελβετικής εταιρίας Neuronics AG. Έχει πέντε βαθμούς ελευθερίας. Περιλαμβάνει πέντε περιστροφικές αρθρώσεις και την αρπάγη ως τελικό στοιχείο δράσης, η οποία εκτελεί κινήσεις ανοίγματος και κλεισίματος. Η ακόλουθη εικόνα περιγράφει τα χαρακτηριστικά του ρομπότ: τις προεπιλεγμένες (offset) γωνίες των κινητήρων και το περιστροφικό τους εύρος, καθώς και τα μήκη κάθε βραχίονα. Εικόνα 2.1 Katana 400 6M90G DOF 6 Max height [mm] 687 a Offset angles [ o ] M1 0 M2 124.25 M3 52.7 M4 63.5 M5 8.5 Operating System [ o ] M1 345.7 M2 140 M3 241.5 M4 232 M5 332.2 M6 140 ( with gripper ) Arm lengths [mm] UA 190 FA 139 WR 147.3 GR 130 ( with gripper ) Πίνακας 2.1 Χαρακτηριστικά του Katana 400 6M90 G Για να τεθεί το ρομπότ σε λειτουργία για πρώτη φορά, χρειάστηκαν τα ακόλουθα εξαρτήματα: - Ρομποτικός βραχίονας Katana 400 - Καλώδιο τροφοδοσίας - Καλώδιο Ethernet - USB καλώδιο - CD εγκατάστασης του Katana4D και του KNI. Το Katana 4D είναι το πρόγραμμα, που έχει δημιουργηθεί από τη Neuronics AG και παρέχει στον χρήστη ένα εύχρηστο περιβάλλον ελέγχου του ρομπότ. Στο Katana4D χρησιμοποιείται η ομώνυμη γλώσσα. Το KNI είναι βιβλιοθήκη, η οποία παρέχει στον χρήστη τη δυνατότητα ελέγχου του ρομπότ μέσω διαφόρων γλωσσών. Για απευθείας προγραμματισμό χρησιμοποιείται η γλώσσα C++ και για προγραμματισμό σε γλώσσα C, στο περιβάλλον του Matlab και στο περιβάλλον του Labview χρησιμοποιείται το αρχείο wrapper.dll ως διεπαφή μέσω αυτών των περιβαλλόντων προγραμματισμού και των κλάσεων της γλώσσας C++. 21

2.1 Ασφάλεια Βαθμονόμηση - Calibration Το ρομπότ απαιτείται να μετακινείται σε μια ασφαλή αρχική του θέση χειροκίνητα, πριν την εκκίνηση της διαδικασίας βαθμονόμησης. Αν η βαθμονόμηση πρέπει να γίνει αυτόματα, θα πρέπει να λαμβάνεται υπ όψιν η θέση, από την οποία το ρομπότ ξεκινά τη διαδικασία της βαθμονόμησης, που πρέπει να είναι ασφαλής και καλώς ορισμένη. Σύγκρουση Να εκτελείται πάντα διαδικασία κύριας βαθμονόμησης (main calibration) μετά από κάθε σύγκρουση. Ρυθμίσεις Συγκρούσεων Οι παράμετροι σύγκρουσης πρέπει να έχουν τεθεί με ακρίβεια σε σχέση με οποιαδήποτε κίνηση έτσι, ώστε όλες οι κινήσεις να μπορούν να εκτελεστούν, αποφεύγοντας τις συγκρούσεις, αλλά ακόμα και αν προκληθεί μια σύγκρουση, να μην καταστραφούν αντικείμενα, τα οποία βρίσκονται μέσα στα πλαίσια του χώρου της εκάστοτε κίνησης. Αυτό εξαρτάται από το φορτίο και την ταχύτητα. Ο πίνακας 2.2 δείχνει τις τιμές για τη διαμόρφωση των παραμέτρων σύγκρουσης για κάθε άξονα, οι οποίες είναι καθορισμένες υπό μεσαίο φορτίο και ταχύτητες TCP (κεντρικό σημείο εργαλείου Tool Center Point). (ΠΠΔ: Παλμός Πλάτος Διαμόρφωσης) ΠΠΔ Σφάλμα Θέσης Σφάλμα Ταχύτητας Άξονας 1 127 250 10 Άξονας 2 100 200 10 Άξονας 3 80 250 40 Άξονας 4 100 200 15 Άξονας 5 127 100 10 Άξονας 6 127 100 10 Πίνακας 2.2 Προτεινόμενες Παράμετροι Σύγκρουσης Προστασία των αξόνων Για την αποφυγή καταστροφών στα ηλεκτρονικά στοιχεία, κατά τη χειροκίνητη μετακίνηση του ρομπότ, οι άξονές του θα πρέπει να μετακινούνται με προσοχή και όχι γρηγορότερα από 45 μοίρες ανά δευτερόλεπτο. Περιβάλλον εργασίας Το περιβάλλον εργασίας θα πρέπει να έχει καταγραφεί. (Δες παράγραφο 3.4) 22

2.2 Σύνδεση του Katana με τον ηλεκτρονικό υπολογιστή Το Katana 400 μπορεί να συνδεθεί με έναν ηλεκτρονικό υπολογιστή μέσω ενός πρότυπου Ethernet ή μέσω ενός καλωδίου USB. 2.2.1 Σύνδεση μέσω καλωδίου Ethernet Η σύνδεση του Katana με τον υπολογιστή γίνεται είτε μέσω ενός τοπικού δικτύου LAN, είτε μέσω ενός καλωδίου Ethernet. Το Katana αποκτά μια στατική IP διεύθυνση: - IP address: 192.168.168.232 - Network Mask: 255.255.255.0 Στην πρώτη φάση διαμόρφωσης, πρέπει να τεθεί η διεύθυνση IP του υπολογιστή, με σκοπό τη δυνατότητα σύνδεσης με το Katana. Αυτή έχει τεθεί ως : 192.168.168.200 / 255.255.255.0. Μετά την αποκατάσταση σύνδεσης για πρώτη φορά, μπορεί να γίνει αλλαγή της IP του Katana για να συνδεθεί στα πλαίσια του τοπικού δικτύου. Για να γίνει αυτό, ανοίγουμε ένα πρόγραμμα περιήγησης διαδικτύου (internet browser) και συνδεόμαστε στο ενσωματωμένο web interface του Katana 400: http://192.168.168.232, το οποίο έχει την παρακάτω μορφή. Εικόνα 2.2 Αλλαγή διεύθυνσης IP από το web interface Σε αυτήν τη σελίδα, δίνεται η δυνατότητα να θέσει ο χρήστης το IP του ρομπότ. 2.2.2 Σύνδεση μέσω καλωδίου USB Το Katana τίθεται σε λειτουργία και συνδέεται με τον υπολογιστή μέσω του καλωδίου συσκευής USB. Στα Windows, το Katana αναγνωρίζεται αυτόματα ως USB 23

Ethernet κάρτα. Στην πρώτη σύνδεση του Katana μέσω USB, ανοίγει ένα παράθυρο (wizard) εγκατάστασης του νέου υλικού και αφού επιλεγεί η θέση, όπου περιέχεται ο οδηγός εγκατάστασης (driver), το Katana εγκαθίσταται ως συσκευή Network. Στη συνέχεια, πρέπει να ενεργοποιηθεί το TCP/IP πρωτόκολλο και να εισαχθεί η ακόλουθη διεύθυνση IP: Διεύθυνση IP: 192.168.1.1 Subnet mask: 255.255.0.0 H σύνδεση αποκαθιστάται και μπορεί να ελεγχθεί για την ορθότητα της λειτουργίας της με την εντολή ping στο περιβάλλον του MS-DOS ως εξής: ping 192.168.1.1 2.3 Βαθμίδα Ελέγχου (Control Board ) Αυτό το κεφάλαιο περιγράφει τις συνδέσεις στη βαθμίδα ελέγχου του Katana. Περιγράφεται μια σειρά από πρότυπα συνδέσεων, που αποτελούνται από ψηφιακές εισόδους/εξόδους I/O για διάφορες απαιτήσεις σύνδεσης. Η βαθμίδα ελέγχου, όπως είναι εμφανές, είναι πρακτικά ένα αναπόσπαστο κομμάτι του Katana 400. Συνδέεται με το Katana σε μια ενσωματωμένη υποδοχή σύνδεσης, SUB-D. Μια ενσωματωμένη βάση δύο επιπέδων επιτρέπει ασφαλή τοποθέτηση του ρομπότ και παρέχει διάφορες επιλογές συμπεριφοράς. Κόμβος Ethernet Εικόνα 2.3 Βαθμίδα Ελέγχου Η βάση ελέγχου παρέχει πλήρη TCP/IP υποστήριξη για εφαρμογές LAN και Web. H IP της βάσης ελέγχου είναι καθορισμένη και μπορεί εύκολα να διαμορφωθεί, ώστε να «συναντήσει» τη διάταξη του δικτύου στόχου. Τα λογισμικά ελέγχου (software), Katana4D και KNI, μπορούν να συνδεθούν μέσω θύρας Ethernet ή θύρας USB. Οι συνδέσεις Ethernet επιτρέπουν εύκολη σύνδεση με βιομηχανικές συσκευές Ethernet, με συσκευές αναλογικών και ψηφιακών εισόδων, μέσω ModBus/TCP πρωτοκόλλου, όπως, επίσης, και συνδέσεις με PLC. Παρέχεται δυνατότητα σύνδεσης με άλλα δίκτυα, όπως το Profinet ή το EtherCAT, μέσω μετατροπέων δικτύου ModBus/TCP. Το Katana έχει έναν ενσωματωμένο κόμβο Ethernet, ο οποίος καταλήγει σε δύο RJ4 υποδοχές. Η θύρα Ethernet είναι ένα από τα δύο πρότυπα συνδέσεων, διαθέσιμα για επικοινωνία με το KNI και το Katana4D. Εξυπηρετητής USB 24

Ο εξυπηρετητής USB καταλήγει σε δύο υποδοχές σύνδεσης USB. Αυτές χρησιμοποιούνται για τη σύνδεση του τηλεχειριστηρίου, για συγκεκριμένες συνδέσεις με τις περιφερειακές συσκευές, για αποθήκευση προγράμματος με λειτουργία standalone (χωρίς εξαρτήσεις) και για αναβάθμιση του σταθερού τμήματος λογισμικού (firmware). Κατά τη διεξαγωγή της παρούσας διπλωματικής εργασίας στο Katana 400 6M90G έχει πραγματοποιηθεί αναβάθμιση firmware στην έκδοση 2.2. Συσκευή USB Η ενσωματωμένη θύρα συσκευής USB χρησιμοποιείται ως εναλλακτική της θύρας Ethernet για λόγους επικοινωνίας, ειδικά αν το Katana δε μπορεί να ενσωματωθεί σε ένα συγκεκριμένο δίκτυο. Προσφέρει μια σημείο προς σημείο σύνδεση στο ρομπότ, ενώ χρησιμοποιεί το TCP/IP πρωτόκολλο. (Παρακαλείται ο χρήστης να διαβάσει τις οδηγίες εγκατάστασης του Katana για λεπτομέρειες σε σχέση με την εγκατάσταση σύνδεσης μέσω της συσκευής USB θύρας.) Τροφοδοσία Η υποδοχή για τροφοδοσία φαίνεται στην εικόνα 2.4. Προσφέρει παροχή 24 Volts σε περιφερειακές συσκευές. Ψηφιακές Είσοδοι/Έξοδοι ( IOs ) Το Katana 400 παρέχει ένα σύνολο οκτώ ψηφιακών εισόδων/εξόδων, οι έξι από τις οποίες μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως είσοδοι και οι δύο ως έξοδοι. Από τις έξι εισόδους, οι δύο έχουν εκχωρηθεί σε ειδικές λειτουργίες Power Fail και Soft Stop. 4 ψηφιακές είσοδοι για γενική χρήση (InA, InB, InC, InD) Soft Stop: επιτρέπει τη διακοπή ενός προγράμματος του Katana, πατώντας ένα εξωτερικό κουμπί. (InE) UPS είσοδος για να τεθεί το Katana σε θέση ασφαλείας, όταν η κεντρική τροφοδοσία έχει υποβαθμιστεί ή διακοπεί. (InF) 2 ψηφιακές έξοδοι (OutA, OutB) Συνολική πηγή ρεύματος: μέγιστο 0.5A Τροφοδοσία 24V Η εικόνα 2.4 δείχνει τις ψηφιακές I/Os. Σύνδεση ακροδεκτών Η σύνδεση των ακροδεκτών των ενσωματωμένων εισόδων/εξόδων εξαρτάται από τις ρυθμίσεις του jumper στο εσωτερικό της βαθμίδας ελέγχου. Η προεπιλεγμένη ρύθμιση είναι active low, όπως περιγράφεται πιο κάτω. Αυτό σημαίνει, ότι θα υπάρχει χαμηλό σήμα, αν βραχυκυκλωθούν οι ακροδέκτες 1 και 2, ή αν δοθεί GND στον ακροδέκτη 2 (Βλέπε Σχήμα 2.6). 25

Εικόνα 2.4 Ψηφιακές I/Os Επιλογές του I/O jumper Η συμπεριφορά των ψηφιακών I/Os μπορεί να διαμορφωθεί, ρυθμίζοντας τα jumpers στη βαθμίδα ελέγχου. Διατίθενται οι ακόλουθες ρυθμίσεις: Η εικόνα 2.5 δείχνει τις επιλεγμένες ρυθμίσεις του jumper των ψηφιακών I/Os. Εικόνα 2.5 Ρυθμίσεις του ψηφιακού I/O jumper Δίνεται σχηματική αναπαράσταση μιας θύρας εισόδου (όπως είναι στις InA μέχρι την InD, στη SoftStop και στην PowerFail) και μιας θύρας εξόδου (όπως είναι στην OutA και στην OutB): Η εικόνα 2.6 δείχνει το σχήμα των ενσωματωμένων ψηφιακών I/Os. Συστατικά Μέρη της Βάσης Ελέγχου Εικόνα 2.6 Σχήμα ψηφιακών I/Os Η βαθμίδα ελέγχου του Katana 400 έχει, εκτός από συνδέσεις στην εμπρόσθια πλευρά της, τις παρακάτω σχετικές υποδοχές, όταν παραλαμβάνεται ως ξεχωριστό τμήμα: 1. Πρώτη σειριακή θύρα (για εσωτερική χρήση μόνο) 2. CAN 1 (άξονες) και CAN 2 (αισθητήρες), εσωτερική τροφοδοσία 3. Δεύτερη σειριακή θύρα (για εσωτερική χρήση μόνο) 26

4. Ψηφιακή I/O 5. Jumpers 6. Βάση επεξεργαστή 7. FPGA Η εικόνα 2.7 δείχνει σχηματικά μια κάτοψη της βαθμίδας ελέγχου του Katana. Εικόνα 2.7 Κάτοψη βάσης ελέγχου Χαρακτηριστικά της Κεντρικής Μονάδας Επεξεργασίας (CPU) PPC MPC5200 750MIPS FPGA στη βάση 32 MB Flash Μνήμη 64 MB RAM 2.4 Τηλεχειριστήριο Β3 Είναι δυνατόν να εκτελέσουμε ένα πρόγραμμα κατευθείαν από το ρομπότ, χωρίς να χρειαστεί να το συνδέσουμε σε έναν εξωτερικό υπολογιστή. Τέτοια προγράμματα είτε έχουν δημιουργηθεί από ένα υπάρχον πρόγραμμα Katana4D, είτε έχουν γραφτεί σε γλώσσα Python ή σε C++, χρησιμοποιώντας ένα ειδικό μέσο διασύνδεσης ανεξάρτητης μορφής (standalone). Το τηλεχειριστήριο Β3 έχει τρία πλήκτρα με τρία αντίστοιχα LEDs: PLAY, AXIS, και POWER. Συνδέεται μέσω καλωδίου USB με το Katana. (α) (β) Εικόνα 2.8 (α) Τηλεχειριστήριο Β3, (β) κατάσταση επικοινωνίας και standalone 27

Έναρξη επικοινωνίας με το ρομπότ Για να αποκατασταθεί επικοινωνία με το ρομπότ, πρέπει να πιεστεί το πλήκτρο POWER. Στην έναρξη ανάβει μόνο το POWER LED. Το ρομπότ μπορεί να προγραμματιστεί μέσω του Katana4D ή του KNI. Στην κατάσταση επικοινωνίας με το ρομπότ μέσω του τηλεχειριστηρίου μπορεί να πατηθεί το πλήκτρο AXIS, με σκοπό να ακινητοποιηθούν όλοι οι άξονες. Έναρξη standalone προγράμματος Γράφουμε ένα standalone πρόγραμμα σε text αρχείο και το αποθηκεύουμε σε USB-stick. Το πρόγραμμα ανιχνεύεται πρώτα στο USB-stick και μετά στο ίδιο το ρομπότ. Πιέζοντας το πλήκτρο PLAY εξερχόμαστε από την κατάσταση επικοινωνίας και ξεκινάμε την εκτέλεση του προγράμματος. Όσο το standalone πρόγραμμα εκτελείται το PLAY LED είναι αναμμένο. Το πλήκτρο POWER μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να σταματήσει το ρομπότ αμέσως και για να τερματιστεί το πρόγραμμα. Το πλήκτρο AXIS δεν έχει καμιά λειτουργία, που μπορεί να χρησιμοποιηθεί από standalone πρόγραμμα. Αν το ρομπότ συγκρουστεί κατά τη standalone λειτουργία, όλοι οι κινητήρες σταματούν και το AXIS αρχίζει να αναβοσβήνει. Τότε, κάθε πλήκτρο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον τερματισμό του standalone προγράμματος. Αφού το πρόγραμμα ολοκληρωθεί ή διακοπεί, μόνο το POWER LED ανάβει και η κατάσταση επικοινωνίας είναι και πάλι ενεργή. Σημείωση Αφού πιέσουμε το πλήκτρο PLAY, αν δεν υπάρχει κανένα διαθέσιμο πρόγραμμα, τα PLAY και POWER ανάβουν ταυτοχρόνως για ένα δευτερόλεπτο. Επίσης, αν το PLAY LED ανάψει για λίγο, το πρόγραμμα έχει ολοκληρωθεί με σφάλμα. Μπορούμε να πληροφορηθούμε για το μήνυμα σφάλματος από το ρομπότ μέσω του web interface. 2.5 Μηχανική Ανάλυση Η βαθμίδα και οι βραχίονες (arms) είναι φτιαγμένα από στρώσεις αλουμινίου. Για να εξασφαλιστεί η ακριβής τοποθέτηση με την ελάχιστη διαδρομή κίνησης για κάθε άξονα, έχουν τοποθετηθεί Harmonic Drives (εικόνα 2.9). Για την κίνηση, χρησιμοποιούνται κινητήρες FaulhaberR DC με ψήκτρες. Είναι εξοπλισμένοι με υψηλής ανάλυσης ψηφιακούς κωδικοποιητές (encoders). Εικόνα 2.9 Harmonic Drives 28

2.6 Συστήματα Συντεταγμένων Αυτό το κεφάλαιο πληροφορεί τον χρήστη σχετικά με τα διαφορετικά συστήματα συντεταγμένων του ρομπότ και τις γωνίες, οι οποίες είναι απαραίτητες για τον προσανατολισμό του εργαλείου. Η θέση του εργαλείου (για παράδειγμα η αρπάγη, μια κάμερα) περιγράφεται από το TCP του (κεντρικό σημείο εργαλείου Tool Center Point). Αυτό είναι ένα φανταστικό σημείο αναφοράς, το οποίο βρίσκεται στο κέντρο του εργαλείου. Για να περιγραφεί η στάση του εργαλείου του ρομπότ, απαιτούνται οι συντεταγμένες του TCP και ο προσανατολισμός του. Χρησιμοποιούνται τρία διαφορετικά συστήματα συντεταγμένων: K W : Παγκόσμιο σύστημα συντεταγμένων K B : Σύστημα συντεταγμένων της βάσης K tool : Σύστημα συντεταγμένων του εργαλείου Η εικόνα 2.10 δείχνει την κατάσταση όλων των συστημάτων συντεταγμένων και τον τρόπο, με τον οποίο αυτά σχετίζονται. Κανόνας του δεξιού χεριού Όλα τα παραπάνω συστήματα συντεταγμένων ορίζονται από τον κανόνα του δεξιού χεριού (εικόνα 2.11). Παγκόσμιο σύστημα συντεταγμένων Το παγκόσμιο σύστημα συντεταγμένων είναι ένα σταθερό σύστημα. Το κέντρο του Ο W μπορεί να επιλέγεται από τον χρήστη. Ο άξονας +z W είναι συγγραμικός ως προς τη βαρύτητα, αλλά προσανατολισμένος προς την αντίθετη κατεύθυνση. Εικόνα 2.10 Όλα τα συστήματα συντεταγμένων 29

Σύστημα συντεταγμένων της Βάσης Εικόνα 2.11 Κανόνας δεξιού χεριού Το σύστημα συντεταγμένων της βάσης εξαρτάται από το ρομπότ. Ο κατασκευαστής του ρομπότ ορίζει το κέντρο του συστήματος. Στο Katana το κέντρο Ο Β βρίσκεται στη διασταύρωση των περιστροφικών αξόνων των κινητήρων 1 και 2 (εικόνα 2.12). Ο άξονας z B αντιστοιχεί στον περιστροφικό άξονα του κινητήρα 1 και δείχνει από τη βάση προς το ρομπότ. Οι άξονες x B και y B είναι προσανατολισμένοι όπως στις εικόνες 2.12 και 2.13. Σύστημα συντεταγμένων εργαλείου Το εργαλείο του Katana είναι η αρπάγη. Το κέντρο του συστήματος συντεταγμένων της αρπάγης είναι ορισμένο από το κεντρικό σημείο της (TCP). Η θέση και ο προσανατολισμός του συστήματος συντεταγμένων της αρπάγης είναι ορισμένο από τους περιστροφικούς και τους ομογενείς μετασχηματισμούς του συστήματος συντεταγμένων της βάσης. Για τον προσανατολισμό, χρησιμοποιούνται οι γωνίες Euler. Ο άξονας +z tool δείχνει πάντα μακριά από το ρομπότ. Εικόνα 2.12 Σύστημα Συντεταγμένων της Βάσης 30

Εικόνα 2.13 Οι x και y του Συστήματος Συντεταγμένων της Βάσης Προσανατολισμός του εργαλείου Τρείς γωνίες, φ, θ και ψ, των οποίων η εξήγηση παρουσιάζεται στη συνέχεια, περιγράφουν τον τρόπο περιστροφής του συστήματος συντεταγμένων του εργαλείου και αυτού της βάσης. Χρησιμοποιούνται Ζ-Χ-Ζ γωνίες Euler. Αποτελείται από τρείς περιστροφές: 1. Περιστροφή του συστήματος συντεταγμένων της βάσης Κ B γύρω από τον άξονα z B υπό γωνία φ. Δημιουργείται ένα νέο σύστημα συντεταγμένων Κ 1 (εικόνα 2.15). 2. Περιστροφή του συστήματος συντεταγμένων Κ 1 γύρω από τον άξονα x 1 υπό γωνία θ. Δημιουργείται ένα νέο σύστημα συντεταγμένων Κ 2 (εικόνα 2.16). 3. Περιστροφή του συστήματος συντεταγμένων Κ 2 γύρω από τον άξονα z 2 υπό γωνία ψ. Το νέο σύστημα συντεταγμένων αντιστοιχεί στο σύστημα συντεταγμένων του εργαλείου (εικόνα 2.17). Η γωνία θ περιγράφει τη γωνία, που σχηματίζεται μεταξύ του άξονα z tool και του άξονα z του συστήματος συντεταγμένων της βάσης. Εικόνα 2.14 Σύστημα συντεταγμένων εργαλείου 31

Εικόνα 2.15 Περιστροφή γύρω από τον άξονα z B υπό γωνία φ Εικόνα 2.16 Περιστροφή γύρω από τον άξονα x 1 υπό γωνία θ Προσαρμογή στο ρομπότ Εικόνα 2.17 Περιστροφή γύρω από τον άξονα z 2 υπό γωνία ψ Σε αυτό το κεφάλαιο, όσες θεωρητικές πληροφορίες αναφέρθηκαν παραπάνω συσχετίζονται με το υλικό. Στον πίνακα 2.3 φαίνονται οι παράμετροι, που χρειάζονται για να λυθεί το πρόβλημα της αντίστροφης κινηματικής για το ρομπότ Katana 400 6M90 M6/G. Επίσης, φαίνεται ποιοί κινητήρες (συντομογραφικά: M) επηρεάζουν κάθε μια από τις τρεις γωνίες Euler. 32

Βαθμοί Ελευθερίας 5 IK (Αντίστροφη Κινηματική) x, y, z, φ, θ φ M1, M2, M3, M4, M5 θ M2, M3, M4, M5 ψ M2, M3, M4, M5 Πίνακας 2.3 : Σύνοψη Κινηματικών 2.7 Έλεγχος των αξόνων του Katana Συντομογραφίες L είναι η συνάρτηση ανοιχτού βρόχου T είναι η συνάρτηση κλειστού βρόχου PI είναι ο PI- ελεγκτής, ο οποίος συνίσταται από έναν παράγοντα ολοκλήρωσης και 1 έναν σταθερό παράγοντα: PI = ki + kp s e είναι το σφάλμα μεταξύ της ανατροφοδότησης και του σήματος αναφοράς r είναι το σήμα αναφοράς P είναι το μοντέλο (ένα μοντέλο φυσικής συμπεριφοράς του κινητήρα) P/PI σειριακός έλεγχος Στο Katana υπάρχει ένας ελεγκτής σε κάθε άξονα. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα αποκεντρωμένο έλεγχο. Σε κάθε άξονα έχουμε έναν P/PI σειριακό έλεγχο, που υλοποιείται στο συγκεκριμένο firmware. Ένα πλεονέκτημα είναι, ότι αυτή η δομή χρησιμοποιεί P και PI ελεγκτές, οι οποίοι είναι πολύ δημοφιλείς και γνωστοί στη βιομηχανία. Η ιδέα είναι να χρησιμοποιηθούν οι πληροφορίες για τη θέση και την ταχύτητα, με σκοπό τον έλεγχο του Katana. Σε έναν εσωτερικό βρόχο οδηγούμε πίσω την ακριβή ταχύτητα, τη συγκρίνουμε με την επιθυμητή και κλείνουμε τον βρόχο με έναν PI ελεγκτή. Αυτή η δομή φαίνεται στην εικόνα 2.18. Εικόνα 2.18 Αλγόριθμος ελέγχου άξονα Οι παράμετροι του ελεγκτή, που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη ρύθμιση του συστήματος, είναι οι K Position, K Speed και K Integral. Για να είμαστε σε θέση να καταλάβουμε καλύτερα τις συνέπειες αλλαγής μιας παραμέτρου, χρειάζεται να επανασχεδιαστεί το block διάγραμμα. Το νέο διάγραμμα φαίνεται στην εικόνα 2.19. Τώρα, η δομή του ελεγκτή γίνεται φανερή. Ο PI ελεγκτής του εσωτερικού βρόχου έχει δημιουργηθεί με τους παράγοντες K I και K D, όπως φαίνεται στο κάτωθι σχήμα. Ο 33

P ελεγκτής του εξωτερικού βρόχου έχει δημιουργηθεί με τον παράγοντα K P (σχήμα 2.19). Εικόνα 2.19 Block διάγραμμα μετά τη ρύθμιση Μετά από μερικές υποθέσεις, βρίσκουμε τις σχέσεις μεταξύ των διαφορετικών παραμέτρων: kd = KSpeed ki = ( KSpeed KIntegral ) 1000 kp = KPosition KSpeed Συχνά, είναι πιο εύκολο να αλλάζουμε τα k d, k i και k p για να φτάσουμε σε συμπεράσματα για τα K Position, K Speed και K Integral, από το να βρούμε τα τελευταία κατευθείαν. Τιμές παραμέτρων Για να βρούμε τις καταλληλότερες παραμέτρους για τον P- και τον PI- ελεγκτή, πρέπει να ακολουθηθούν τρία βήματα: Πρώτον, μόνο ο εσωτερικός βρόχος (από το r s στην ταχύτητα) λαμβάνεται υπ όψιν. Αυτός ο βρόχος κλείνει με έναν PI-ελεγκτή. Linnen = actualspeed rs = PI P Οι παράμετροι k d και k i μπορούν να βρεθούν με επαναληπτική μέθοδο. Δεύτερον, η συμπεριφορά μεταφοράς του εσωτερικού βρόχου προσεγγίζεται από μια σχετικά εύκολη συνάρτηση μεταφοράς: T = PI P 1+ PI P s innen ( ) Τρίτον, κλείνουμε τον εξωτερικό βρόχο με έναν P- ελεγκτή. Αν ο εσωτερικός βρόχος T innen είναι αρκετά γρήγορος, μπορεί να τεθεί ίσος με 1. Αλλιώς, η συνάρτηση μεταφοράς από το r p στην ακριβή θέση (actualposition) είναι: Laussen = actualposition rp = k p Tinnen Η κατάλληλη παράμετρος k p μπορεί να βρεθεί με επαναληπτική μέθοδο. Μετά από διάφορους υπολογισμούς και επαναληπτικές ρυθμίσεις, βρίσκουμε τις κατάλληλες παραμέτρους, που ορίζονται στην προεπιλογή: 34

K Speed K Pos K Int Άξονας 1 80 10 50 Άξονας 2 60 10 200 Άξονας 3 50 10 200 Άξονας 4 60 20 250 Άξονας 5 35 40 180 Άξονας 6 50 20 150 Πίνακας 2.4 : Προεπιλεγμένες Τιμές Παραμέτρων Ελεγκτή Κανονικά, δεν είναι απαραίτητο να γίνουν αλλαγές στις παραμέτρους. Αλλά, σε συγκεκριμένες εφαρμογές, πιθανόν αυτό να είναι αναγκαίο. Είναι σημαντικό, οι παράμετροι να αλλάζουν με μικρά βήματα. K Int : Αν το K Int αυξηθεί, το σφάλμα μόνιμης κατάστασης θα εξαφανιστεί και έτσι, η ακρίβεια θα αυξηθεί, ενώ η απόκλιση από την επιθυμητή ταχύτητα και θέση θα πρέπει να μειωθεί. Με τις προεπιλεγμένες τιμές, δεν έχουμε απόκλιση από την επιθυμητή ταχύτητα και θέση. Αλλά, αν το φορτίο αυξηθεί πάνω από τα 500 g, αυτό είναι σημαντικό. Αν το K Int φτάσει σε πολύ υψηλή τιμή, η ταχύτητα και η θέση θα "υπερακοντιστούν". K Speed : Το K Speed είναι ο παράγοντας απόσβεσης του συστήματος. Αυτός ο παράγοντας είναι σημαντικός, ώστε το κεντρικό σημείο εργαλείου (TCP) να κάνει δυναμικές κινήσεις χωρίς αιφνίδιες αλλαγές στην ταχύτητα. Αν έχει πολύ μεγάλη τιμή, το σύστημα γίνεται "επιθετικό". Για παράδειγμα, ο άξονας θα αρχίσει να τραντάζεται έντονα. K Pos : Το K Pos είναι σημαντικός παράγοντας για να φτάσουμε γρήγορα στην επιθυμητή θέση. Αλλά, αν έχει πολύ μεγάλη τιμή, ο άξονας θα αποκτήσει συμπεριφορά ελατηρίου. Μόνο μικρές διαταραχές μπορούν να ενεργοποιήσουν την κίνηση του κινητήρα. 2.8 Ανίχνευση Συγκρούσεων Η ανίχνευση συγκρούσεων χρησιμοποιεί δύο διαφορετικές τακτικές ελέγχου (checks): 1. Έλεγχος σφάλματος θέσης 2. Έλεγχος σφάλματος ταχύτητας Η ανίχνευση συγκρούσεων γίνεται από τον ελεγκτή του κάθε άξονα ανεξάρτητα. Όμως, όταν ο πρώτος έλεγχος αποτύχει σε κάθε ελεγκτή, περνάμε σε δεύτερο έλεγχο. Αν αποτύχει και ο δεύτερος έλεγχος, όλοι οι κινητήρες στο ρομπότ θα σταματήσουν απευθείας. 2.8.1 Έλεγχος σφάλματος θέσης Όταν η διαφορά μεταξύ της επιθυμητής και της τρέχουσας θέσης είναι μεγαλύτερη από ένα προκαθορισμένο όριο, το επικαλούμενο ως όριο σύγκρουσης, ο κινητήρας σταματά. 35

Συνθήκη αποτυχίας: όριο σφάλματος θέσης < θέση επιθυμητή θέση τρέχουσα Υπάρχουν δύο διαφορετικά όρια σύγκρουσης, ένα για σημείο προς σημείο (point to point) κινήσεις και ένα δεύτερο για spline κινήσεις. Προσοχή Σε περίπτωση, που ο χρήστης δουλεύει με μεγαλύτερες μάζες (400-500 g), τα όρια σύγκρουσης δε θα πρέπει να είναι πολύ μικρά. Σε μεγάλες επιταχύνσεις, το σφάλμα θέσης αυξάνει ραγδαία στην αρχή της κίνησης, εξαιτίας της επιτρεπόμενης ροπής κινητήρα. 2.8.2 Έλεγχος σφάλματος ταχύτητας Όταν ο έλεγχος σφάλματος θέσης αποτυγχάνει και η τρέχουσα ταχύτητα είναι μικρότερη από ένα όριο, το οποίο εξαρτάται από την επιθυμητή ταχύτητα, ο έλεγχος αποτυγχάνει και ο κινητήρας θα σταματήσει. Το όριο είναι το ποσοστό της τρέχουσας ταχύτητας και της επιθυμητής ταχύτητας. Συνθήκη αποτυχίας: όριο σφάλματος ταχύτητας < 100 ( ταχύτητα τρέχουσα ταχύτητα επιθυμητή ) * 100 Το όριο είναι ποσοστιαία τιμή. Αν το όριο έχει τεθεί στο 10, η ανίχνευση σύγκρουσης αρχίζει, όταν η τρέχουσα ταχύτητα είναι μικρότερη από το 90 % της επιθυμητής ταχύτητας. Όπως για το σφάλμα θέσης, υπάρχουν όρια και για το σφάλμα ταχύτητας και για τις σημείο προς σημείο κινήσεις και για τις spline. Προσοχή Ο δεύτερος έλεγχος θα πρέπει να βοηθάει στην ανίχνευση συγκρούσεων, σε περίπτωση, που η δύναμη του κινητήρα είναι πολύ μικρή. Γενικά, οι κινήσεις, για τις οποίες η δύναμη του κινητήρα είναι αρκετά μικρή, θα πρέπει να αποφεύγονται. 2.8.3 Σχέσεις μεταξύ ορίων σύγκρουσης και τιμών ΠΠΔ(Παλμοί Πλάτος Διαμόρφωσης ) Οι τιμές ΠΠΔ χρησιμοποιούνται στον καθορισμό της μέγιστης δύναμης οδήγησης για κάθε κινητήρα, που επιτρέπεται, για την περιστροφή του. Το εύρος είναι μεταξύ - 127 και 127, που αντιστοιχεί στο εύρος -32767 and 32767. Για εγγύηση ασφαλούς χρήσης του ρομπότ χωρίς "επιθετικές" κινήσεις, οι τιμές ΠΠΔ τίθενται σε μικρότερες τιμές για τους κινητήρες 2, 3 και 4. Αυτό αποτρέπει αυτούς τους κινητήρες να κινηθούν με υπερβολική δύναμη, πράγμα που μπορεί να προκαλέσει ζημιές. Όμως, χρησιμοποιώντας μικρές τιμές ΠΠΔ γι αυτούς τους κινητήρες, περιορίζουμε τη μέγιστη επιτάχυνσή τους και, ακολούθως, την ταχύτητα και το ωφέλιμο φορτίο τους. Αυτό εισάγει μεγαλύτερα σφάλματα θέσης και ταχύτητας, όσο χρησιμοποιούμε το ρομπότ σε υψηλότερες ταχύτητες. Σε μερικές περιπτώσεις, αυτό μπορεί να οδηγήσει σε εσφαλμένη ανίχνευση σύγκρουσης, όταν τα σφάλματα υπερβούν τα όρια. Γι αυτό, όταν χρησιμοποιούνται μικρότερες ΠΠΔ με μεγαλύτερες ταχύτητες, είναι σημαντικό να τεθούν αρκετά ψηλά τα όρια σύγκρουσης, ώστε να ανιχνεύονται συγκρούσεις μόνο, όταν μια πραγματική σύγκρουση συμβεί. 36

2.8.4 Τιμές πρότυπων ορίων σύγκρουσης Επιλέγονται πρότυπα όρια σύγκρουσης, ώστε να παρέχεται αξιόπιστη ανίχνευση της ακριβούς σύγκρουσης σε εφαρμογές, που χρησιμοποιούν μεσαία ωφέλιμα φορτία και TCP ταχύτητες. Όμως, σε μερικές ακραίες περιπτώσεις (όπου χρησιμοποιούνται μέγιστα ωφέλιμα φορτία, πολύ υψηλές ή πολύ χαμηλές ταχύτητες), τα όρια θα πρέπει να οριστούν προσεχτικά, ώστε να ταιριάζουν στην εφαρμογή και να οδηγούμαστε στην ανίχνευση κάθε σύγκρουσης. Ο ακόλουθος πίνακας δείχνει τα πρότυπα ΠΠΔ και όρια συγκρούσεων, που χρησιμοποιούνται για τους έξι άξονες του ρομπότ. Αυτές οι τιμές εξασφαλίζουν ανίχνευση σύγκρουσης, όταν χρησιμοποιείται το ρομπότ για μεσαία φορτία (μέχρι 300 g) και για ταχύτητες μεταξύ 40 και 120: ΠΠΔ Όριο θέσης Όριο ταχύτητας Άξονας 1 127 250 10 Άξονας 2 100 200 10 Άξονας 3 80 250 40 Άξονας 4 100 200 15 Άξονας 5 127 100 10 Άξονας 6 127 100 10 Πίνακας 2.5 : Πρότυπα όρια σύγκρουσης Αυτά τα όρια ανταποκρίνονται, επίσης, σε ανίχνευση πολύ μικρής ευαισθησίας σύγκρουσης. Αυτό σημαίνει πως μια σύγκρουση θα συμβεί από οποιοδήποτε άγγιγμα στο ρομπότ, ενώ αυτό κινείται. Αυξάνοντας το όριο θέσης για όλους τους άξονες μέχρι 1000, θα δίνεται μια λιγότερο ευαίσθητη ανίχνευση. Τα επιλεγμένα όρια σχετίζονται με τις τιμές ΠΠΔ, που χρησιμοποιούνται για κάθε άξονα. Για τον άξονα 3, σημειώνεται ότι υπολογίζονται μεγαλύτερα σφάλματα θέσης για κάθε άξονα, όταν ο άξονας κινείται με ταχύτητα μεγαλύτερη από 120. Για να εξισορροπήσουμε το σφάλμα θέσης, το όριο ταχύτητας τίθεται σχετικά σε υψηλή τιμή. Αυτό μπορεί να προκαλέσει πρόβλημα για πολύ χαμηλές ταχύτητες (κάτω από 40), καθώς η σύγκρουση θα είναι δυσκολότερο να ανιχνευτεί για τον άξονα 3 με αυτό το υψηλό όριο. Γι αυτό, δίνεται ως συμβουλή να τεθεί το όριο ταχύτητας στην τιμή 20 μόνο, όταν χρησιμοποιούμε το ρομπότ σε χαμηλές ταχύτητες. Αντιθέτως, αν το ρομπότ χρησιμοποιείται με μεγάλα ωφέλιμα φορτία ή υψηλές ταχύτητες, προτείνεται να κρατάμε το όριο ψηλά, ή ακόμα να το θέσουμε μέχρι 50 σε ακραίες περιστάσεις. Αν συμβούν προβλήματα στην ανίχνευση σύγκρουσης για χαμηλές ή υψηλές ταχύτητες, αυτό θα ισχύει για τους άλλους άξονες (κυρίως τους άξονες 2 και 4). 37