31 июля 2016г.
В статье рассматривается возможность применения силовых оболочковых элементов в качестве исполнительного двигателя линейного перемещения звена манипулятора. Иллюстрация применения проводится на примере одного из вариантов звена линейного перемещения манипулятора. Используется коррекция с использованием методов подчиненного регулирования и теории ПИД-регуляторов.
Введение. На сегодняшний момент, силовые оболочковые элементы (СОЭ) используются в антропоморфных манипуляторах, например, в известных Airic’s Arm и Shadow Hand. Однако такие манипуляторы используются в основном в научных целях. К сожалению, в промышленных манипуляторах СОЭ не применяются, хотя обладают определенными достоинствами по сравнению с классическими пневматическими исполнительными элементами. К ним относятся высокие значения развиваемого усилия, особенно в начальном положении, высокую удельную мощность и отсутствие сухого трения и люфтов между перемещающимися частями, что позволяет работать на ползучих скоростях. К основным недостаткам можно отнести малую величину перемещения относительно длины СОЭ (не более 25% от исходной длины) и существенное падение развиваемого усилия при сокращении СОЭ.
Упрощенно СОЭ типа пневмомускул (ПМ) состоят из отрезков эластомерных шлангов, армированных нерастяжимыми нитями. При подаче сжатого воздуха под давлением они увеличивают свой размер в поперечном направлении и одновременно сокращаются вдоль продольной оси.
Более подробно о СОЭ разных типов можно прочитать в [1, 4–6].
1. Постановка задачи. В данной статье рассмотрим один из возможных вариантов конструкции платформы для выдвижения руки робота- манипулятора. Ее принципиальная схема представлена на рисунке 1. На схеме приняты следующие обозначения: 1, 9 – датчики давления для пневмомускулов; 2, 8 – пневмомускулы; 3, 7 – тяги; 4 – блок; 5 – платформа; 6 – датчик линейных перемещений.
Рис. 1. Принципиальная
схема привода выдвижения
Принцип функционирования системы довольно прост. При подаче сжатого воздуха в один ПМ, происходит сброс воздуха из встречно включенного ПМ, тем самым происходит соответственно сокращение и удлинение ПМ, что приводит к перемещению платформы, к которой
присоединена выдвигаемая
часть манипулятора.
При расчете будем руководствоваться следующими исходными данными. При длине звена l = 0,5 м, величина хода платформы составит 0,1 м. Режим перемещения примем гармоническим, а величины статической θст и динамической θдин ошибок – 0,1 мм и 10 мм соответственно. Массу полезной
нагрузки манипулятора
примем
равной mн = 5 кг.
2.
Пример расчета. Для удовлетворения требований по точности необходимо применить следующие датчики обратной связи – датчик давления, для введения обратной связи по усилию, и датчик линейного перемещения.
Согласно [4], необходимо выбрать рабочую точку, в которой проводится
линеаризация передаточной функции СОЭ типа ПМ. Рабочий диапазон основного СОЭ составляет 20% от исходной длины, поэтому выберем рабочую точку при сокращении СОЭ, равном 10%, что соответствует середине рабочего диапазона.
Для выбора рабочего давления необходимо рассчитать соответствующую этому сокращению СОЭ действующую статическую нагрузку. Примем массу статической нагрузки на привод, с учетом полезной нагрузки и массы последующих звеньев, равной m = 15 кг,
что соответствует силе, развиваемой СОЭ, равной 150 Н. Необходимо
отметить, что все исходные характеристики взяты для того, чтобы проиллюстрировать
результатами моделирования возможность применения СОЭ в манипуляционных системах. Подробный пример расчета конкретного манипулятора рассмотрен в
[2].
На основе исходных данных,
используя силовые характеристики для
СОЭ
диаметром 20 мм из [3], находим требуемое рабочее давление, которое
в нашем случае будет примерно равно 0,35 МПа.
Согласно [4], передаточная функция исполнительного двигателя на СОЭ
имеет вид:
где kупр – коэффициент передачи по управлению, Т – постоянная времени, ξ – параметр затухания.
В итоге получим следующие параметры передаточной
функции (таблица Таблица
1.
|
kупр
|
Т
|
ξ
|
|
89,8
|
0,0035
|
0,177
|
|
|
Как отмечалось выше, синтез системы управления проведем при
помощи метода подчиненного регулирования и ПИД–регулятора, ввиду широкого применения в промышленности. Структурная схема системы
управления приведена на
рисунке 2.
2.
Результаты моделирования. Моделирование проводится в среде
Matlab Simulink. Результаты моделирования при синусоидальном входном воздействии представлены рисунке 3. На рис. 3а) представлена отработка сигнала, а на рис. 3б) – динамическая ошибка. На рис. 4 представлен график статической ошибки
при единичном
входном воздействии.
Из результатов
моделирования видно, что построенная таким образом система удовлетворяет предъявляемым к ней требованиям по точности и
быстродействию. Быстродействие системы обусловлено тем, что внутренний объем ПМ составляет десятые доли литра (в рассмотренном примере –
2,47∙10-4 м3), и при расходе пневмораспределителя в 100 л/мин заполняется воздухом за примерно 0,1 с. Довольно большая динамическая ошибка связана, по мнению авторов, с применением в качестве метода управления
подчиненного регулирования и ПИД-регуляторов. Использование других
методов коррекции теории автоматического управления позволит улучшить эти
показатели. Однако необходимо отметить,
что даже при использовании широко распространенных ПИД-регуляторов система удовлетворяет
требованиям.
Заключение. Приведенный пример подтверждает, что применение
силовых оболочковых элементов в качестве
исполнительного двигателя линейного перемещения звена манипулятора позволяет обеспечить выполнение предъявляемых требований к системе. Таким образом, можно
утверждать, что СОЭ с успехом могут быть применены в промышленных
манипуляторах. К преимуществам
данного решения можно отнести то, что
применение СОЭ позволит снизить массу манипулятора и повысить его
мощность.
Список литературы
1.
Chernus P., Sharovatov V. Dynamic mathematical model of two-way
bellow actuator
//
Procedia Engineering, Vol. 100, 2015, с. 1040-1045.
2.
Лошицкий
П.А., Шеховцова Е.Е. Перспективы применения силовых
оболочковых элементов в манипуляционных системах // «Робототехника
и техническая
кибернетика», 2014, №4, с. 68-72.
3.
Пневмомускул MAS [Электронный ресурс] / страница
содержит информацию о пневмомускулах, выпускаемых
фирмой
“Festo”
–
Режим доступа:
http://www.festo.com/cat/ru_ru/data/doc_ru/PDF/RU/MAS_RU.pdf, свободный. – Загл. с
экрана.
4.
Шароватов В.Т., Лошицкий
П.А. Математическая модель силового
оболочкового бесштокового пневмоцилиндра двустороннего
действия оболочкового типа // «Мехатроника, атоматизация, управление», 2012г., № 4, с.
24-30.
5.
Шароватов В.Т., Лошицкий П.А. Математическая модель силового
оболочкового бесштокового пневмоцилиндpа одностороннего
действия с возвратной пружиной //
«Мехатроника, автоматизация, управление», 2012г., № 11,
с. 45-49.
6.
Шароватов В.Т., Чернусь П.П.
Математическая модель силовой части
оболочкового пневмоцилиндpа одностоpоннего действия толкающего типа // «Мехатроника, автоматизация, управление», 2014г., № 9, с. 30- 36.
