Bencsik Attila L. főiskolai tanár egyetemi docens
Óbudai Egyetem
Mechatronikai és Autótechnikai Intézet
» A diagnosztika felosztása ˃ Állapotvizsgálat + Munkaprogram szerinti vizsgálat + Teszt vizsgálat
Pozícionálási pontosság
Vissza Játszási pontosság
Előírt pozíció
Tanítás
Tanítási pontosság
Tanított pozíció
Visszajátszás Elért pozíció Ismétlőképességi
Pozicionálási pontossági vizsgálat
Állapotvizsgálat: Munkaprogram szerinti vizsgálat PONTOSSÁG
→
A GEOMETRIAI PONTOSSÁG
→
→
→
B KINEMATIKAI PONTOSSÁG
→
C KINETIKAI PONTOSSÁG
→
D DINAMIKAI PONTOSSÁG
A1 HELYZETBEÁLLÁSI PONTOSSÁG
A2 PÁLYAMENTI PONTOSSÁG
→
A1.1 POZÍCIONÁLÁSI PONTOSSÁG
→
A1.2 ORIENTÁCIÓS PONTOSSÁG
→
A2.1 PÁLYAKÖVETÉSI PONTOSSÁG
→
A2.2 PÁLYAMENTI ORIENTÁCIÓS PONTOSSÁG
» Robot hajtás vizsgálat
Az állványon került elhelyezésre a terhelést végző pneumatikus munkahenger (középen) és a súly terhelést közvetítő görgője (felül).
A függőleges mozgatás erő terhelését végző munkahengeren jól látható a kifolyóági fojtás
» Mind a függőleges, mind a vízszintes mozgatási iránynál a méréseket úgy végeztük, hogy a mesterkart kézzel mozgatva előbb az egyik, majd irányváltást követően a másik irányba mozgattuk a robot-manipulátort. Megjegyzés A regisztrátumokon jól látszanak az irányváltáskor keletkező mechanikai lengések, melyek természetesen visszahatnak a mesterkarra is. A súly terheléssel végzett mérések a teher letételével fejeződtek be. A mérési regisztrátumokon az is látszik, hogy mikor kapcsoltuk be ill. ki a mesterkar kézi megfogójának végpontján elhelyezett nyomógombbal a nyomás érzetet.
A regisztrátumok közvetlenül értékelhetők, hiszen » a robot-manipulátor végpontján érzékelt erő jele került rögzítésre az egyik csatornán. » A másik csatornán az erőérzet keltő hidraulikus munkahenger - mely a mesterkaron található - aktív (vagyis proporcionális szelep által vezérelt) munkaterének nyomásértékét regisztráltuk. Megjegyzés: A nem aktív (az erőérzet keltő munkahenger másik tere) munkahenger-térben ilyenkor az elektronikus egység a nyomás működési tartományának középértékén tartja a nyomást.
Vízszintes mozgatás CH1: nyomás CH2: erő
Függőleges mozgatás Erőérzet be, G fel, irányváltás, G le, Erőérzet ki. (G=100N)
» A mellékelt minta regisztrátumokból egyértelműen kitűnik, hogy az erővisszajelzéses mesterkar közvetett erőérzet keltése jól követi a robot-manipulátor kar végpontján ébredő erőt. » Bár kismértékben megfigyelhető az elektronikus hidraulikus, rendszer holtidős tagként történő viselkedése, de ez véleményünk szerint egy ember által vezérelt teleoperációs rendszernél, ahol az ember reakció ideje nagyságrenddel nagyobb (az általánosan elfogadott 1 sec-ot figyelembevéve), ez elhanyagolható. » A vizsgálati eredményekből az is kitűnik, hogy a közepes frekvencia tartományban keletkező dinamikus gerjesztés ezen összetett elektronikus – hidraulikus – mechanikus rendszer némiképp csillapítja. » Ez a jelenség végeredményben kedvező, hiszen a teleoperációt végző személy számára – ha nem rendelkezne a rendszer a fentebb leirt tulajdonsággal - akkor is ezt ergonómiai okok miatt szoftveresen célszerű lenne beépíteni.
» Statikus merevség vizsgálat » Dinamikus merevség vizsgálat
Statikus merevség vizsgálat c=
g=
F X ,Y ,Z d X ,Y ,Z d X ,Y ,Z F X ,Y ,Z
N mm
µm N
A dinamikus merevség vizsgálat
F ( jω ) C ( jω ) = D ( jω )
F( f ) C( f ) = D( f )
összefüggéssel adható meg. Ahol: j = 1 ω = a gerjesztő erő illetve a létrejövő dinamikus deformáció körfrekvenciája, f = a gerjesztő erő illetve a létrejövő dinamikus deformáció frekvenciája, F = a gerjesztő erő, [N ]
[Hz ]
» A dinamikus deformáció mérése általában csak közvetve lehetséges, a könnyen mérhető gyorsulásjel kétszeres integrációjával. A torzítások elkerüléséért sokszor elhagyják az integrálást és az ún. dinamikus inertanciát mérik;
a ( jω ) I ( jω ) = F ( jω ) » ahol:
a
a( f ) I( f )= F( f )
a gerjesztés hatására létrejövő gyorsulás
1 robotkarvég 3 piezo erőmérő cella 5 ütő kalapács 7 integráló töltéserősítő 9 mérőmagnetofon 11 Számítógép
2 terhelésközvetítő készülék 4 előfeszítő betét 6 ütőbetét 8 töltéserősítő erőmérő cellához 10 FFT analizátor 12 nyomtató
» - A gerjesztő erőjelet lehetőleg minél jobban a Dirac impulzus jelalakra kell hozni. A visszapattanások és lecsengések kiszűrésére az erőjelnél un. (flat) – négyszögablakot kell használni. A válaszjelet viszont exponenciális szűrésnek kell alávetni, hogy a lecsengés utáni jelek a Fourier-transzformációnál ne okozzanak torzítást. » Az erőjel természetesen nem elégítheti ki a Dirac impulzus feltételeit és így csak meghatározott frekvenciáig jelent a spektrumban egyenletes gerjesztést. Az ütésjel frekvenciaspektrumát képezve megállapítottuk, hogy a legfontosabb 0-100 Hz-es sávban a gerjesztő erő spektruma egyenletesnek fogadható el, mivel 122 Hz-nél is még kisebb volt a szintesés mint 3 dB. (3. ábra)
» Mivel az erőjel spektruma igen egyenletes, ezért a gyorsulásválasz és a dinamikai inertancia függvénye szinte teljesen megegyezett. (4. ábra)
» A mérés megbízhatóságát az igen jónak nevezhető koherencia-függvény is jelezte. » A gyorsulás és inertancia jelekből kétszeres integrálással képeztük a kitérés válaszspektrumot és a dinamikai gyengeség függvényeit. A magasabb frekvenciákon egyértelműen megfigyelhető volt az amplitúdó-vágás. Mivel ez már a robot működésének szempontjából fontos, alacsony frekvenciákon is elég jelentős, ezért a későbbiekben a kritikus sajátfrekvenciákat elsősorban a dinamikai inertancia függvényekből célszerű kiolvasni. » A a gumi és a danamid ütőbetéttel végzett gerjesztés eredményeit hasonlítva egyértelműen megállapítható volt, hogy a danamid-betét az alacsonyabb frekvenciás csúcsokat elmossa, azonosíthatatlanná teszi. » Mivel a robot működése szempontjából ez az igazán érdekes frekvenciatartomány, a robotvizsgálatoknál a gumi betétet használtunk.
» Ipari robot kar és a „rázóasztal” » „Rázóasztal" » Mérési összeállítás
1. Az iparban elterjedt robotokkal » a feladatok széles skálája megoldható, » egyszerűsítő megkötések tehetők , » Az általános ipari gyakorlatban nem merül fel az emberi készségekkel összevethető szintű intelligencia igénye
2. Ipari technológiai feladatainkban » látás-izommozgás-erőkifejtés koordinációs képességeit teljesen automatizálni nehéz, » mesterkarral vezérelt manipulátorok alkalmazásánál a „szolga” manipulátor nagy fizikai ereje ötvözhető » az irányítási feladatra sokkal alkalmasabb emberi készségekkel » olcsóbban lehet eredményt elérni, mint a tisztán gépi intelligenciával
A technológiailag igényelt ún. „erő-pozíció kontrol” azon a felismerésen alapul, amely szerint egy munkadarab felületével érintkező szerszám pozíciója nem írható elő pontosan, csupán annak a felület érintősíkjában elhelyezkedő komponensei. Hasonló módon, a felületre ható erőnek az érintősík normálisával párhuzamos komponense írható elő tetszőlegesen. Nyomatékszabályozású vezérlés esetén e két egymásra ortogonális komponens elválasztható egymástól (ún. „feladatspecifikációs mátrix” technika).
Míg a normális irányú erőkomponens értékét a technológiai előírás szerint megadják, » a pozícióbeállításhoz egy rúgóállandó, » egy sebességeltéréssel arányos csillapítás és » egy inerciajellegű mátrix megadásával oszcillációmentes aszimptotikus beállást eredményező erőket/nyomatékokat írnak elő a maradék pozíciókomponensek beállítására, ahol is a pontos beállásnál a többlet nyomatékok/erők zérus értékűek (ún. „Impedance Control”, amelyben nem szükséges lokális erőszenzorok alkalmazása.
Összefoglalva a feladat ilyen megközelítése a következő gyakorlati nehézségekkel jár: » pontosan ismerni kell a munkadarab felületének és a robot által fogott szerszám végpontjának elhelyezkedését, és ezeket matematikailag vagy kiegészítő képfelismerő rendszer alkalmazásával le kell írni a vezérlés számára; » ha ez előre nem ismert, a kontakt erők ugyan mérhetők szenzorokkal, azonban a súrlódás miatt ebből az erőből nem állapítható meg a felület normálisa (ún. „Active Compliance Control”) ; » a súrlódás okozta „megcsúszás” jelensége és az ezzel ugrásszerűen változó súrlódási együttható nehezen kezelhető a vezérlés által;
» a gravitációs járulék csak akkor lenne leválasztható a kontakt erőkről, ha a mozgatott munkadarab/szerszám tömege elhanyagolható lenne a szolga manipulátor kar tömege illetve inerciaadatai mellett; ez azt jelenti, olyan vezérlést kellene megvalósítani, amely adaptív a munkadarabra ható gravitációs és kontakt erők szétválasztásában; » a „mester-szolga” rendszernek gyakorta változó struktúráltságú környezetben (pl. daru vezérlése különböző építési helyszíneken, stb.) kell működnie; e környezet felismerése és a benne való tájékozódás olyan adaptív intelligencia meglétét tételezi fel, amelyekkel már az egyszerűbb élőlények is rendelkeznek, míg gépi megvalósításuk roppant bonyolult, és költséges.
Érzékelés » az emberi kar, mint szenzor az izomfeszültség, valamint a kar törzshöz viszonyított mozgásának érzékelésére 2030 Hz tartományig » taktilis érzékelés esetén 320 Hz értékig (vibrációk, nyomófeszültségek) képes kielégítő érzékelésre
Feladat » a külső kontakt erők hiányát könnyű biztosítani úgy, hogy a megfigyelő szemmel ellenőrzi: hozzáér-e a manipulátorral mozgatott szerszám a környezetéhez; (ilyenkor maradó gravitációs erők/nyomatékok alapján ugyanúgy „megtanulható” a rendszer önsúlyának hatása, mint ahogy egy élőlény megtanul állni vagy bizonyos tárgyakat jól megfogva egyensúlyban tartani) » a vezérlésnek több szempontból is adaptívnak kell lennie: » a hordott munkadarab súlyától is függ a gravitációs rész;
Végrehajtás » a kontakt F erők és M nyomatékok mindig az adott feladattól függnek és szoros csatolás is kialakulhat köztük (pl. aszimmetrikusan megfogott gerenda két végén akad; az egyensúly ekkor különböző nagyságú kontakt erők mellett is fenntartható a velük arányosan növelt forgatónyomaték mellett stb.); » az emberi „karizmoknak” egy eredő transzlációs, rotációs és gravitációs mátrixokkal jellemezhető dinamikai rendszert kell megtanulniuk kezelni; » az adott dinamikai rendszerhez egy eredő r(u), O(u) kinematikai rendszer tartozik, amely – a szolga rendszer mozgását közvetlenül figyelve – hasonlóan megtanulható, mint például az autóvezetés
Előnyök » bár a rendszer kezelésének megtanulási folyamatát gyorsíthatja, ha a „mester” kar geometriai értelemben azonos vagy hasonló a „szolga” karhoz, lehetséges, hogy egy adott geometriai szerkezetű mesterkarral attól jelentősen különböző szerkezetű „szolga” manipulátor irányítása is megoldható; » az irányítást végző személynek csak egyszer kell megtanulnia egy adott „mester”-„szolga” rendszer eredő jellemzőit;
Előnyök (folytatás) (Ez a „tudás” automatikusan alkalmazható ugyanúgy, ahogy egy biológiai rendszer a saját jellemzőinek ismeretében különböző súlyú és méretű tárgyak biztonságos manipulálására is alkalmas.) » az adott „mester-szolga” rendszer kezelésének megtanulása és alkalmazása lényegesen egyszerűbb, mint a hagyományos, csak bizonyos szabadságfokok adott sebességű mozgását vagy megállítását lehetővé tevő közönséges „kapcsolókból” álló elektromos vagy hidraulikus rendszerek irányításának elsajátítása.
A mesterkar behatárolható kvalitatív jellemzői: 1. Megfelelően „intuitív” irányíthatóság a felhasználó részéről » az adott manipulátorral megegyező szabadságfokok megléte; » a mesterkarhoz kötött vonatkoztatási rendszer könnyen legyen úgy beállítható, hogy a szolga munkatere és a végrehajtó személy testéhez kötött vonatkoztatási rendszer a megszokott kezelési pozícióba legyen állítható egymáshoz képest; » a mester-szolga együttes legyen olyan, hogy a mesterkar szabadságfokainak mozgatásával a szolga manipulátor térbeli mozgása viszonylag könnyen áttekinthetővé váljon;
2. Nagy megbízhatóságú erővisszajelzés » Kis időkésleltetéssel és egyértelműen generált erő illetve nyomaték visszajelzés minimális súrlódás okozta zavarokkal; » minimális saját tehetetlenséggel terhelt kezelés; 3. Megfelelő mechanikai konstrukció » megfelelő mechanikai szilárdság amely kellő frekvenciatartománybeli sávszélességet biztosít az operátor által kiadott parancsok átvitelére;
3. Megfelelő mechanikai konstrukció » lehetőleg egymással csatolatlan szabadsági fokok mellet egyszerű kinematikai struktúra megléte; » az operátort a lehető legkisebb, emberileg kellemesen érzékelhető, még nem kimerítő erőhatások terheljék; » a mester kar részéről az emberi kéz lehetőségeihez illeszkedő méretű és alakú munkatér megléte; » a kar megfelelő mechanikai kiegyensúlyozása; » megfelelő erő-, nyomaték- és pozíciófelbontás.
» a „durva” szabad mozgásszakasz működtetésére a gyakorlatban különféle hidraulikus szelepek is beváltak a különböző eszközök kézi vezérlésében, » a speciális geometriai leképezés hiánya áthidalható a vezérlő személy intelligenciája és vizuális készségei által. » célszerű a mesterkaroknál fenntartani egy geometriai leképezésre nem nagyon érzékeny „joystick” típusú funkciót ellátó üzemmódot. » Szervovezérléseknél érdemes mester szolga rendszert alkalmazni » „Kényesebb” technológiai feladatoknál erővisszajelzéses teleoperációs rendszert célszerű választani
» a mesterkar munkahengereit direkt csővezetékek köthetik össze a hidraulikus "slave" manipulátor megfelelő munkahengereivel vagy motorjaival, alkalmas nyomáscsillapító rendszer felhasználásával; » a slave kar csuklónyomatékait elektromos úton vezetjük, csatolhatjuk be mesterkar vezérlésébe a külső elektromos jellel arányos nyomást biztosító szelepek segítségével.
Az ábrán az un. indirekt erővisszajelzési módszer megoldásának rajzát láthatjuk két szabadságfok erőérzetének megvalósítására. Az M jelű szelepek az erőérzetet keltő kettős működésű hidraulikus hengerek lezárását illetve az A és B ág összekapcsolásával az erőérzet megszüntetését végzik.
