Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Система автоматического управления локтевого сустава робота

ВВЕДЕНИЕ

Управление – совокупность действий, обеспечивающих проведение любого процесса в целях достижения определенных результатов.

Системы автоматического управления создаются для того, чтобы автоматически, без непосредственного участия человека поддерживать необходимый режим работы различных обслуживаемых этими автоматами объектов. Системы автоматического управления самостоятельно, без вмешательства извне либо поддерживают постоянной, либо изменяют по заранее заданному закону одну или несколько физических величин, характеризующих процессы, происходящие в обслуживаемых объектах, или же сами определяют в зависимости от ряда условий нужный или оптимальный закон управления объектом.

В данной курсовой работе разрабатывается система автоматического управления локтевым суставом робота.

Робот – автоматическое устройство с антропоморфным действием, которое частично или полностью заменяет человека при выполнении работ в опасных для жизни условиях или при относительной недоступности объекта.

Робот может управляться оператором либо работать по заранее составленной программе. Использование роботов позволяет облегчить или вовсе заменить человеческий труд на производстве, при работе с тяжелыми грузами, вредными материалами, а также в других тяжелых или небезопасных для человека условиях.

Человекоподобный робот после его создания станет первым универсальным инструментом, так как сможет пользоваться широчайшим набором любых технических средств, уже сделанных человеком для себя.

Конструктивные тенденции роботов: развитие модульных конструкций как роботов в целом, так и их сборочных единиц; расширение применения электромеханических роботов с волновыми передачами, обеспечение выборки зазоров.

1 ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

Цель курсовой работы

Целью данного курсового проекта является разработка системы автоматического управления локтевым суставом робота. Система должна отвечать заданным в техническом задании параметрам, обеспечивая необходимое быстродействие, а также точность регулирования.

1.2 Технические характеристики системы регулирования

- грузоподъемность, Н 250;

- частота опроса датчиков, с^-1 1500;

- скорость обработки сигнала, 40;

- тип привода магнитожидкостный;

- точность позиционирования, мм 0,1;

- быстродействие, м/с 0,5;

- время регулирования, с ≤2;

- перерегулирование, % ≤20;

- колебательность ≤1,3;

- максимально допустимое отклонение регулируемой

величины в установившемся режиме, % ≤4;

- период дискретизации, с ≤2;

- рабочий диапазон температур, ⁰С -15..35.

1.3 Функциональная схема системы регулирования

Система автоматического управления локтевым суставом робота состоит из микропроцессора (МП), магнитожидкостного цилиндра (МЖЦ), объекта управления (ОУ), магнитожидкостного датчика угла поворота (ДУ). Функциональная схема изображена на рисунке 1.

МП – микропроцессор, МЖЦ – магнитожидкостный цилиндр, ОУ – объект управления, ДУ – магнитожидкостный датчик угла.

Рисунок 1 – Функциональная схема системы автоматического

Регулирования локтевым суставом робота

2 ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ

ЛОКАЛЬНОЙ СИСТЕМЫ УПАВЛЕНИЯ

2.1 Выбор микропроцессора

Одной из характерных особенностей нынешнего этапа научно-технического прогресса является все более широкое применение микроэлектроники. Особое внимание в настоящее время уделяется внедрению микропроцессоров, обеспечивающих решение задач автоматизации управления механизмами, приборами и аппаратурой. Адаптация микропроцессора к особенностям конкретной задачи осуществляется в основном путем разработки соответствующего программного обеспечения, заносимого затем в память программ.

Микропроцессор – программно-управляемое устройство, предназначенное для обработки цифровой информации и управления этим процессом, выполненное в виде одной или нескольких БИС с высокой степенью интеграции электрических элементов.

Для разрабатываемой системы автоматического регулирования выбираем микропроцессор, исходя из технических характеристик и экономической эффективности, INTEL80C31/32.

Серия INTEL80C31/32 подходит для широкого спектра приложений от схем высокоскоростного управления автомобильными и электрическими двигателями до экономичных удаленных приемопередатчиков, показывающих приборов и связных процессоров. Наличие ПЗУ позволяет подстраивать параметры в прикладных программах (коды передатчика, скорости двигателя, частоты приемника и т.д.).

Малые размеры корпусов, как для обычного, так и для поверхностного монтажа, делает эту серию микроконтроллеров пригодной для портативных приложений. Низкая цена, экономичность, быстродействие, простота использования и гибкость ввода/вывода делает INTEL80C31/32 привлекательным даже в тех областях, где ранее не применялись микроконтроллеры.

Характеристики микропроцессора:

- точная эмуляция – отсутствие каких-либо ограничений на использование программой ресурсов микроконтроллеров;

- до 256К эмулируемой памяти программ и данных;

- поддержка банкированной модели памяти;

- распределение памяти между эмулятором и устройством пользователя с точностью до одного байта;

- до 512К аппаратных точек останова по доступу к памяти программ и данных;

- аппаратная поддержка для отладки программ на языках высокого уровня;

- трассировка 8 произвольных внешних сигналов;

- 4 выхода синхронизации аппаратуры пользователя;

- программируемый фильтр трассировки;

- 48-разрядный таймер реального времени;

- встроенная система самодиагностики аппаратуры эмулятора;

- максимальная тактовая частота, МГц 30;

- ROM/EPROM, Кбайт 4;

- RAM, байт 512;

- количество счетчиков 2;

- число линий ввода/вывода 32;

- напряжение питания, В 3,3...5;

- рабочий интервал температур, ⁰С 55..+125.

Так как микропроцессор является программно-управляемым устройством, то его передаточная функция имеет вид:

2.2 Магнитожидкостный датчик угла

Магнитожидкостный датчик угла предназначен для измерения пространственных углов относительно линии горизонта. Датчик состоит из полого цилиндрического корпуса, снаружи которого наматываются измерительные и питающие обмотки. В качестве чувствительного элемента в датчике используется постоянный магнит, взвешенный в магнитной жидкости.

Технические характеристики:

- диапазон измеряемых углов, град -90..+90;

- диапазон рабочих температур, град -60..+60;

- сохраняет работоспособность после воздействия

механических ударов с перегрузкой, м/с² 1500;

- синусоидальной вибрации в диапазоне частот, Гц 500;

- диаметр цилиндра, мм 17;

- длина цилиндра, мм 55;

- масса, г 6;

- намагниченность насыщения, кА/м 100;

- напряженность магнитного поля, А/м 10⁵.

В качестве управляющей среды присутствует магнитная жидкость – вода. В качестве магнетика – высокодисперсное железо, ферромагнитные окислы Fe₂O₃, Fe₃O₄.

Передаточная функция магнитожидкостного датчика:

где – коэффициент передачи;

= 0,5с - постоянная времени.

B – угол отклонения, град;

А – входная величина напряжения, В.

Передаточная функция примет вид:

2.3 Выбор гидроцилиндра

Наиболее важным критерием гидроцилиндра в разрабатываемой системе является массогабаритные характеристики, а также давление, на которое рассчитано данное устройство. Данный гидроцилиндр предназначен для перемещения рабочего органа в соответствии с поступающими на его вход импульсами.

Так как величина хода штока небольшая и давление не превышает 20МПа, его не следует проверять на устойчивость от действия продольной силы.

Рисунок 2 – Основные и расчетные параметры гидроцилиндра

Внутренний диаметр D=32мм;

диаметр штока d_ш=0,5D=16мм;

ход поршня S=10D=320мм;

рабочее давление Р=0.33 Н.

По основным параметрам определим следующие зависимости:

- площадь поршня в поршневой полости 1 и в штоковой полости 2

соответственно

Расчет на прочность. Прочностным расчетом определяют толщину стенок цилиндра, толщину крышек (головок) цилиндра, диаметр штока, диаметр шпилек или болтов для крепления крышек.

Толщину стенки цилиндра определим по формуле:

где условное давление, равное (1,2..1,3)P, Р_у=0,41 Н;

- допустимое напряжение на растяжение,

коэффициент поперечной деформации (коэффициент Пуассона),

Для D=32 мм принимаем припуск на обработку металла, равный 0,7мм.

Толщина крышки цилиндра определим по формуле:

где - диаметр крышки,

Уравнение движения гидроцилиндра имеет вид:

где Т – постоянная времени привода гидроцилиндра, с;

- относительное перемещение гидроцилиндра, мм;

- относительное регулирующее воздействие.

Перейдя к стандартной форме изображения передаточной функции звена, получим следующую формулу:

Таким образом, гидроцилиндр можно представить в виде апериодического звена.

Площадь поперечного сечения отверстия определим по формуле:

При скорости жидкости =100мм/с скорость изменения объема составит:

Перейдем от скорости изменения объема к скорости изменения давления жидкости:

Постоянная времени примет значение:

Таким образом, передаточная функция примет вид:

2.4 Выбор и расчет передаточной функции объекта управления

Объектом управления локтевого сустава робота является шарнирное соединение, применяемое для связи элементов механизма, подвижных относительно друг друга, в режиме скольжения.

Рисунок 3 – Радиально-упорный шарнир

Шарниры существуют в различных исполнениях, с различными поверхностями скольжения для определенного применения.

В данной системе применены радиально-упорные шарниры, имеющие кольца, сферическая поверхность которых выполнена под некоторым углом к оси шарнира. Это позволяет шарнирным соединениям воспринимать комбинированные нагрузки (радиальные и осевые). Каждый шарнир предназначен для применения при действии нагрузки только в одном направлении. Радиальные нагрузки порождают в шарнире осевую силу, которую необходимо компенсировать силой той же величины, но действующей в противоположном направлении. Поэтому такой шарнир устанавливается напротив второго шарнира. Если два шарнира установлены таким образом, что центр их сферы совпадает, получается шарнир способный выдерживать повышенные радиальные и осевые нагрузки, действующие в двух направлениях.

Радиально-упорные шарниры в данной системе автоматического управления изготовлены в комбинации поверхностей скольжения сталь/композит PTFE. Кольца радиально-упорных шарниров изготовлены из закаленной хромированной стали и отшлифованы. Покрытие поверхности скольжения из композита PTFE нанесено метод инжекции на внутреннюю поверхность внешнего кольца. поверхность скольжения внутреннего кольца шарнирного соединения выполнена из твердого хрома и покрывается литиевой смазкой.

По принципу технического обслуживания шарнирные соединения подразделяются на шарниры, требующие технического обслуживания в процессе эксплуатации, и самосмазывающиеся шарниры.

В данной системе автоматического управления локтевым суставом робота используется самосмазывающийся шарнир, не нуждающийся в периодическом техническом обслуживании, так как поверхности скольжения этих шарниров имеют специальные покрытия из современных материалов, обладающие низким сопротивлением трению.

Область допустимых рабочих температур этих шарниров лежит в диапазоне от -40⁰С до +75⁰С, но в течение ограниченного времени они могут работать при температуре до 110⁰С. Однако, в этих случаях, при достижении температуры 50⁰С нагрузка на шарнирные соединения должна быть снижена.

Передаточная функция объекта управления:

- коэффициент передачи, показывающий зависимость максимального отклонения объекта управления от максимального хода штока.

А – максимальный угол отклонения руки робота;

В – максимальное перемещение штока гидроцилиндра.

Следовательно, передаточная функция имеет вид:

(18)

3 РАСЧЕТ ДАТЧИКА ОБРАТНОЙ СВЯЗИ

Магнитожидкостный датчик угла предназначен для измерения пространственных углов относительно линии горизонта. В качестве чувствительного элемента в датчике используется постоянный магнит, взвешенный в магнитной жидкости.

Постоянный магнит – изделие различной формы из магнитотвердого материала с высокой остаточной магнитной индукцией, сохраняющий состояние намагниченности в течение длительного времени. Постоянный магнит применяется в качестве автономных источников магнитного поля.

Свойства магнита определяются характеристиками размагничивающего участка петли магнитного гистерезиса материала магнита: чем выше остаточная индукция В_rи коэрцитивная сила Н_с, тем выше намагниченность и стабильность магнита.

Рисунок 4 – Семейство петель магнитного гистерезиса (внешняя петля соответствует состоянию насыщения)

В_r – остаточная индукция; Н_с – коэрцитивная сила

Для производства постоянных магнитов обычно используются следующие материалы: бариевые и стронциевые магнитотвердые ферриты, магниты NdFeB (неодим-железо-бор), редкоземельные магниты SmCo (самарий-кобальт), магниты ALNICO.

На рисунке 5 представлены графики, показывающие динамику развития свойств магнитов со временем.

Рисунок 5 – Диаграмма развития свойств магнитов

В таблице 1 представлены характеристики магнитных материалов.

Таблица 1 – Основные характеристики магнитных материалов

Материал	(ВН)_max, МГс*Э	В_r, Гс	Н_с, Э	Цена, $ за 1 кг на российском рынке	Цена, $ на единицу (ВН)_max
Гибкие магнитные материалы	1,6	1725	1325	5-10	3,1-6,2
Керамика (феррит)	3	4000	2400	1-2,5	0,3-0,85
ALNICO	9	13500	1400	44,1	4,3
SmCo	20	10500	9200	250-500	12,5
NdFeB	50	14200	12500	70-150	1,4-3,7

Согласно таблице 1 для системы автоматического управления локтевым суставом робота выбирается постоянный магнит ALNICO, удовлетворяющий по своим характеристикам всем заданным параметрам системы.

Магниты ALNICO изготавливаются методом порошковой металлургии из композиционного сплава SmCo₅/Sm₂Co₁₇ и характеризуются высокими магнитными свойствами, отличной коррозионной устойчивостью и хорошей стабильностью параметров при температурах до 350⁰С, что обеспечивает им преимущества на высоких температурах перед магнитами NdFeB.

Расчет магнитной индукции аксиально-намагниченных цилиндрических магнитов с радиусом (r) и длиной (l ), в точке расположенной на расстоянии (d) от поверхности, вдоль оси производится по формуле:

r=17 мм,

d=10 мм,

l=55 мм.

Рисунок 6 – Цилиндрический магнит

r – радиус, В – индуктивность, l – длина магнита, d – расстояние от поверхности магнита

4 РАСЧЕТ УСТОЙЧИВОСТИ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ЛОКТЕВЫМ СУСТАВОМ РОБОТА

4.1 Расчет общей передаточной функции системы и проверка системы автоматического управления локтевым суставом робота на устойчивость

Для определения непрерывной части передаточной функции системы необходимо провести преобразование структурной схемы системы без микропроцессора.

Рисунок – Структурная схема локальной системы автоматического управления локтевым суставом робота

Общая передаточная функция замкнутой системы будет иметь вид:

Проведем оценку устойчивости системы по критерию Ляпунова. Для устойчивости системы необходимо и достаточно, чтобы все корни характеристического уравнения замкнутой системы имели отрицательные вещественные части.

Характеристическое уравнение замкнутой системы имеет вид:

Найдем корни характеристического уравнения, используя пакет Mathcad, в результате получим:

Так как все вещественные части корней отрицательны, то есть корни лежат в левой полуплоскости комплексной плоскости, то это означает, что система устойчива.

Проверим систему на устойчивость по критерию Гурвица.

Для того, чтобы САУ была устойчива необходимо и достаточно, чтобы все определители Гурвица были положительны.

Главный определитель Гурвица составляют по следующим правилам:

по главной диагонали записывают коэффициенты, начиная с а₁ и заканчивая а_n,
недостающие элементы столбца вверх заполняются коэффициентами с возрастающими индексами, а вниз с уменьшающимися,
если номер индекса i>n или i<0, то на месте такого элемента записывается ноль.

На основании выше изложенных правил составим определители Гурвица и вычислим их:

;

Как видно из расчетов система устойчива, так как определители Гурвица положительны.

Построим переходный процесс замкнутой системы:

Рисунок - График переходного процесса замкнутой системы автоматического управления локтевым суставом робота

Показатели качества системы:

h_уст= 0,54 –установившееся значение переходного процесса;

t_р=0,4 с – время регулирования системы;

t_н=t_с=0,63 с – время нарастания регулируемой величины и время согласования;

n=1 – число колебаний за время регулирования;

С учетом этих показателей можно сделать вывод, качество управления САР соответствует требованиям нашей системы и не требует дополнительной коррекции.

Для определения косвенных показателей качества построим амплитудно-частотную характеристику замкнутой системы управления локтевым суставом робота.

Рисунок – График амплитудно-частотной характеристики замкнутой системы управления локтевым суставом робота

Косвенные показатели качества системы:

w₀=0 – резонансная частота;

w_пр=0÷10 Гц – полоса пропускания;

w_ср= 60 Гц – частота среза;

Таким образом, получаем, что аналоговая система является устойчивой, основные параметры удовлетворяют условиям технического задания.

4.2 Расчет общей передаточной функции и проверка дискретной системы регулирования локтевым суставом робота

Общая передаточная функция замкнутой системы с учетом микропроцессора:

Для перехода от линейной системы к дискретной необходимо провести z-преобразование передаточной функции замкнутой системы.

Чтобы осуществить z-преобразование передаточной функции замкнутой системы W(p), воспользуемся программным пакетом Matlab.