Aktuální vydání

celé číslo

08

2020

Mozaika novinek a informací

Restart ekonomiky

celé číslo

Simulink pomáhá s návrhem řízení robotické ruky

Automa 3/2001

Ing. Petr Byron,
Humusoft, s. r. o.

Simulink pomáhá s návrhem řízení robotické ruky

Nakládání s radioaktivním odpadem je velmi citlivý problém, jehož řešení nepřipouští možnost selhání techniky ani obsluhy.

Obr. 1.

Vývoj v této oblasti vyžaduje špičkové technologie s vysokým stupněm spolehlivosti. Před zajímavý problém byli postaveni pracovníci Pacific Northwest National Laboratory (PNNL), kteří získali objednávku od Ministerstva energetiky USA na realizaci robotické ruky, která bude schopna rozbíjet usazeniny a čistit zásobníky jaderného odpadu. Odpad je skladován zhruba třináct metrů pod zemí a přístup do zásobníku je možný pouze malým otvorem o průměru jeden metr v horní části tanku. Ruka tedy musí být velmi tenká a dlouhá, s dostatečným počtem kloubových spojů (stupňů volnosti), avšak musí mít relativně velkou tuhost s nízkým rezonančním kmitočtem. Popsaný systém má výrazný sklon k vibracím a kmitání a jeho řízení rozhodně není snadnou úlohou.

Vývojoví odborníci PNNL zjistili, že ruku není možné modelovat a testovat standardními metodami, a rozhodli se rozdělit návrh do dvou relativně samostatných kroků. Jedna regulační smyčka bude použita na hrubou regulaci polohy nosné části ruky. Na konci ruky bude upevněn manipulátor (vlastně další kratší ruka) s přesnou regulací polohy pomocí další samostatné regulační smyčky. Celý systém bude vybaven zpětnovazebním tlumením oscilací, jehož idea spočívá v úpravě zamýšlené trajektorie manipulátoru (krátké ruky) tak, aby se využila setrvačnost celého systému k potlačení oscilací. Pohyb by měl omezovat oscilace, ale přitom nesmí být narušena stabilita, robustnost a spolehlivost systému. Systém je značně nelineární, což téměř vylučuje použití konvenčních vývojových nástrojů.

Inženýři PNNL vyrobili prototyp robotické ruky v měřítku 1 : 2. Model byl tvořen ocelovým nosníkem o délce 4,5 m, výšce 30 cm a tloušťce 2 cm. Na jednom konci byl upevněn tak, aby se druhý konec mohl volně pohybovat v horizontální rovině. Tření s podložkou bylo minimalizováno použitím vzduchového polštáře jako ložiska. Tím bylo odstraněno pnutí a deformace nosníku v jeho podélné ose. Na volný konec plovoucího nosníku byl připevněn hydraulický manipulátor se šesti stupni volnosti. Fyzikální model systému posloužil vývojářům k vyhodnocení navrhovaných strategií řízení a posunul vývoj robotické ruky vpřed. Avšak brzy se ukázalo, že hledání optimálního řízení testováním fyzikálního modelu by trvalo několik let.

Obr. 2.

Jedinou cestou k urychlení vývoje byla počítačová simulace. Technici PNNL zvolili pro vyhodnocování jednotlivých alternativ řídicích strategií Matlab a Simulink firmy The MathWorks, Inc. Při počítačové simulaci mohli brát v úvahu mnohem větší množství pracovních parametrů než při testování fyzikálního modelu. Polohu, rychlost a zrychlení bylo možné vyhodnocovat v podstatě v jakémkoliv bodě a čase. Tyto údaje mohly být následně použity pro výpočet rovnic optimálního řízení. Pro modelování mechaniky systému použili vývojoví pracovníci PNNL prostorový simulační program DADS firmy Computer Aided Design Software, Inc. Tento nástroj je přímo propojen se simulačním prostředím Matlab/Simulink a dovoluje modelovat, simulovat a animovat všechny základní testy modelu, včetně problémů pevnosti a pružnosti. Propojením obou zmíněných simulačních nástrojů vzniklo prostředí, ve kterém bylo možné dosti snadno vytvořit detailní model robotické ruky postihující nejen vlastnosti regulačních smyček, elektroniky a hydrauliky celého zařízení, ale i problematiku tuhosti všech mechanických částí, vibrace a oscilace. Samozřejmostí byla možnost realistické vizualizace dat a animace jednotlivých částí ruky.

Integrovaný simulační nástroj naplnil očekávání vývojářů – napomohl vytvořit model, který přesně odrážel reálné fyzikální vlastnosti robotické ruky. Jakmile byl model ruky dokončen, bylo možné vytvořit linearizovanou verzi, která byla základem pro diferenciální rovnice modelu řízení pohybu. Tento model vypočítával akční zásahy pohonných jednotek potřebné k tlumení vibrací nosného tělesa ruky. Byla vytvořena databáze reakcí výkonného konce ruky (manipulátoru) na skokové změny žádané polohy. Přechodové funkce byly měřeny pro různé počáteční polohy a různé zátěže manipulátoru. Vývojáři data získaná simulací detailně analyzovali a hledali optimální lineární řízení, jehož odezva na skokovou změnu požadované polohy manipulátoru by nevybočila z povoleného rozsahu odchylky. Tak byl vytvořen soubor lineárních přenosových funkcí regulátoru, které byly nahrány do řídicí jednotky fyzického prototypu robotické ruky. Testování prototypu vykázalo minimální odchylky od závěrů počítačové simulace. Výsledkem je velmi robustní systém s vysokou odolností proti vibracím.

„Moderní modelovací a simulační nástroje, jako Matlab a Simulink, dovolují technikům vytvářet realistické simulace řízení mechanických systémů. Tento přístup osvobozuje vývojáře od časově náročného procesu ručního sestavování pohybových rovnic, který byl nejen neefektivní, ale také často byl zdrojem chyb,“ říká o nových metodách práce šéfkonstruktér PNNL Carl Baker.

Závěrem je možné říci, že použití počítačového modelu ruky, který byl vytvořen pomocí softwarových nástrojů firmy The MathWorks, Inc., bylo v daném případě pravděpodobně jedinou možností, jak navrhnout optimální řízení robotické ruky odolné proti vibracím, a to ve zlomku doby, kterou by vyžadoval tradiční způsob návrhu.