UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA STROJNIŠTVO · gonila, navojna vretena …), ki služijo z a prenos momenta iz motorja na gnano gred stroja. 3.2.1 Spajanje elementov (gonila) V

UNIVERZA V MARIBORU

FAKULTETA ZA STROJNIŠTVO

David ROŽMARIN

MODIFIKACIJA MEHANIZMA

ROBOTSKEGA STEREO VIDA

Diplomsko delo

interdisciplinarnega univerzitetnega študijskega programa 1. stopnje

Mehatronika

Maribor, september 2012

I

Fakulteta za strojništvo

MODIFIKACIJA MEHANIZMA

ROBOTSKEGA STEREO VIDA

Diplomsko delo

Študent: David ROŽMARIN

Študijski program: interdisciplinarni univerzitetni študijski programa 1. stopnje

Smer: Mehatronika

Mentor (FERI): red. prof. dr. Riko ŠAFARIČ

Mentor (FS): izr. prof. dr. Karl GOTLIH

Somentorica: doc. dr. Suzana URAN

Lektorica: Alenka ROŽANC, dipl. slovenistka

Maribor, september 2012

II

III

I Z J A V A

Podpisani David ROŽMARIN izjavljam, da:

· je bilo predloženo diplomsko delo opravljeno samostojno pod mentorstvom (FERI)

red. prof. dr. Rika ŠAFARIČA, mentorstvom (FS) izr. prof. dr. Karla GOTLIHA in

somentorstvom doc. dr. Suzane URAN;

· predloženo diplomsko delo v celoti ali v delih ni bilo predloženo za pridobitev

kakršnekoli izobrazbe na drugi fakulteti ali univerzi;

· soglašam z javno dostopnostjo diplomskega dela v Knjižnici tehniških fakultet

Univerze v Mariboru.

Maribor, __________________ Podpis: ___________________________

IV

ZAHVALA

Zahvaljujem se mentorjema red. prof. dr. Riku

ŠAFARIČU in izr. prof. dr. Karlu GOTLIHU za

pomoč in vodenje pri opravljanju diplomskega dela.

Prav tako se zahvaljujem somentorici doc. dr. Suzani

URAN.

Zahvala gre tudi staršem, ki so mi pomagali, mi ob

študiju stali ob strani ter me podpirali.

V

MODIFIKACIJA MEHANIZMA ROBOTSKEGA STEREO VIDA

Ključne besede: robotski sistemi, stereo vid, konstruiranje

UDK: 004.896:681.513.3(043.2)

POVZETEK

V diplomskem delu sem predstavil osnove robotskih sistemov, servo pogonov ter gonil v

strojnih elementih. Naloga vsebuje opis robotskega stereo vida, njegovo delovanje, sestavo

ter pogon. Obširno je opisana modifikacija mehanizma, izdelava oz. dodelava nestandardnih

strojnih elementov s pomočjo programskega paketa CATIA ter izdelava delavniških risb.

Predstavljen je opis izdelave novega povezovalnega vezja s pomočjo programskega paketa

EAGLE in fizična izdelava tiskanega vezja. Na kratko sem opisal tudi elektronski in

programski del projekta robotskega stereo vida, ki sta ju bolj podrobneje obdelala moja

sošolca, s katerima sem sodeloval pri projektu.

Cilj naloge je bil usvojiti znanje o sestavnih delih stereo vida ter njegovega delovanja in

uporabe, pridobiti znanje o strojnih elementih in konstruiranju s programskimi paketi CATIA,

EAGLE in se poučiti o osnovah LabView-a. Seveda je bilo zelo pomembno, da smo

mehanizem spravili v pogon, ga vseskozi preizkušali, testirali in poskušali odpraviti

morebitne napake ter ga nadgradili z izboljšavami oz. preučevali, da bi deloval kar najbolje.

VI

MODIFICATION OF ROBOT STEREO VISION

Key words: robotic systems, stereo vision, design

UDK: 004.896:681.513.3(043.2)

ABSTRACT

In my bachelor's thesis I tried to introduce the basics of robotic systems, servo drives and

drivers in mechanical parts. The thesis also includes the description of robot stereo vision, its

activity, composition and drive. I extensively described the mechanism modification,

production and elaboration of nonstandard engine parts with the help of packaged software

CATIA, production of shop drawings, I also included a description of manufacture of a new

interlinked electronic circuit with packaged software EAGLE and I physically manufactured

the printed circuit. In addition I shortly defined the electronic and programming part of robot

stereo vision project, which was more thoroughly described by my colleagues, with whom I

collaborated on this project.

The objective of the thesis was to gain information about component parts of stereo vision

and its operation and application, knowledge of mechanical parts and constructing with

packaged software CATIA and EAGLE and get informed about the basics of LabView.

Naturally it was very important to set the mechanism in motion, to try it out throughout the

project, to test it and try to eliminate possible errors and to upgrade it with improvements and

study it so it would work better.

VII

KAZALO

1 UVOD ................................................................................................................................ 1

2 PREGLED STANJA ........................................................................................................ 3

3 ROBOTSKI SISTEMI ..................................................................................................... 5

3.1 SERVO POGONI .............................................................................................................. 7

3.1.1 Servomotorji ......................................................................................................... 7

3.1.2 Servoregulatorji in servokrmilniki........................................................................ 7

3.2 STROJNI ELEMENTI ........................................................................................................ 8

3.2.1 Spajanje elementov (gonila) ................................................................................. 8

4 STEREO VID .................................................................................................................... 9

4.1 PRINCIP DELOVANJA ................................................................................................... 10

4.2 OGRODJE IN OBLIKA Z MEHANIZMOM.......................................................................... 11

4.3 ELEMENTI MEHANIZMA ............................................................................................... 12

4.4 PREMIK OSI IN POGON ................................................................................................. 13

5 KONSTRUIRANJE IN IZBOLJŠAVE MEHANIZMA ............................................ 15

5.1 CATIA ....................................................................................................................... 16

5.1.1 Izkušnje in programski paket .............................................................................. 17

5.1.2 3D model ............................................................................................................ 17

5.1.3 Dokumentacija – delavniške risbe ...................................................................... 18

5.2 IZDELAVA/DODELAVA ELEMENTOV ............................................................................ 19

5.3 NAMESTITEV DODELANIH ELEMENTOV (MOTORJA) ..................................................... 19

5.4 EAGLE ...................................................................................................................... 20

5.4.1 Povezovalna ploščica elektronike ....................................................................... 21

5.4.2 Izdelava TIV ....................................................................................................... 22

5.5 ELEKTRONIKA (KRMILNIK, POGON MOTORJEV, KAMERE, NAPAJANJE) ........................ 23

5.5.1 Regulacija ........................................................................................................... 25

5.6 PROGRAMSKI DEL ....................................................................................................... 26

5.7 OSNOVNI IZRAČUN ODDALJENOSTI IN DOLOČITEV KOORDINAT ROBOTA V PROSTORU. 27

VIII

6 SKLEP ............................................................................................................................. 29

7 VIRI, LITERATURA ..................................................................................................... 31

8 PRILOGE ........................................................................................................................ 33

8.1 SEZNAM SLIK .............................................................................................................. 33

8.2 OSTALE PRILOGE ......................................................................................................... 34

8.3 NASLOV ŠTUDENTA..................................................................................................... 51

8.4 KRATEK ŽIVLJENJEPIS ................................................................................................. 51

IX

UPORABLJENI SIMBOLI

NaOH - natrijev hidroksid

HCI - solna kislina

H2O2 - vodikov peroksid

H2O - voda

L, l - skupna znana razdalja med kamerama

x - neznana razdalja kamere do višine navideznega trikotnika

y - neznana razdalja kamere do višine navideznega trikotnika

v - višina navideznega trikotnika

v´ - dolžina v navideznem trikotniku

α - kot zasuka kamere

β - kot zasuka kamere

y - kot zasuka osi, na kateri sta kameri

cos - kotna funkcija kosinus

i - prestavno razmerje

Z2 - število zob večjega zobnika

Z1 - število zob manjšega zobnika

ωref, Iref, Xref - referenčne vrednosti hitrostne, tokovne in položajne regulacije

ωdej, Idej, Xdej - dejanske vrednosti hitrostne, tokovne in položajne regulacije

X

UPORABLJENE KRATICE

FERI - Fakulteta za elektrotehniko, računalništvo in informatiko

DC - direct courent

AC - alternative courent

PID - proportional/integral/derivative controller

ipd. - in podobno

npr. - na primer

3D - tridimenzionalno

CAD - Computer Aided Design

CAM - Computer Aided Manufacturing

CATIA - Computer Aided Three-dimensional Interactive Application

EAGLE - Easily Applicable Graphical Layout Editor

TIV - tiskano vezje

LabView - Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench

IEEE - Institute of Electrical and Electronics Engieneering

NI - National Instruments

PID regulator - proporcionalno integralni diferencialni regulator

PCI - Peripheral Component Interconnect

Fire Wire - hitro serijsko komunikacijsko vodilo

ID - inkrementalni dajalnik

M - motor

Modifikacija mehanizma robotskega stereo vida 1

1 UVOD

Danes živimo v obdobju hitro razvijajočih se tehnologij. Ena izmed teh je tudi robotika.

Potreba po strojnem vidu je vedno večja, saj nam omogoča opravljanje težkega ali

nevarnega dela brez človeškega stika z nevarnimi in oteženimi opravili. Njegova prednost

je ta, da ima lahko stroj več »oči« na več različnih mestih, te sposobnosti pa človek žal

nima. To dosežemo s kamerami, ki nadomeščajo naše oči. Potrebno je poudariti, da se o

robotiki ne govori samo v znanstvenih vodah, temveč se z njimi srečujemo tudi pri

vsakodnevnih opravilih.

Zakaj se lotiti izdelave takšnega robota? V glavnem zato, ker bo v pomoč za

vsakodnevne potrebe in lajšanje življenja ljudem, predvsem tetraplegikom in invalidom z

možnostjo upravljanja invalidskega vozička s pomočjo govora. Prototipski robot stereo vid

bi se v bodoče dal namestiti na že omenjen invalidski voziček in bi nam s pomočjo dveh

kamer poskušal zajeti dvodimenzionalno sliko ter na podlagi tega skušal ugotoviti

oddaljenost vozička do ciljnega objekta. Robot je še v razvoju in v preizkušanju

mehanizma, strojne in programske opreme.

V diplomskem delu si bomo pogledali, koliko je že bilo postorjenega na prototipskem

robotu v laboratoriju za kognitivne sisteme v mehatroniki na Fakulteti za elektrotehniko,

računalništvo in informatiko v Mariboru. V grobem bo predstavljen celoten robotski stereo

vid ter njegovo delovanje. Nato se bomo osredotočili na konstrukcijo ter morebitne

izboljšave mehanizma, kot so izboljšave strojnih elementov in povezovalnega vezja z

dokumentacijo, za kar sem skrbel sam v sodelovanju z dvema sošolcema.

2 Modifikacija mehanizma robotskega stereo vida


2 PREGLED STANJA

Predhodno je bil izdelan 4-osni robot z dvema kamerama (Slika 2-1). Mehanizem deluje na

principu človeškega vida. Sestavljajo ga štirje Escap 28D11 motorji, dve kameri s fiksno

razdaljo med seboj in konstrukcija z motorji in zobniškimi dvojicami.

Štiriosni mehanizem vodimo z močnostno kartico, ki je bila razvita na Inštitutu za

robotiko na Fakulteti za elektrotehniko, računalništvo in informatiko v Mariboru.

Uporabljamo jo skupaj z NI PXI-7534 karto za regulacijo položaja, hitrosti in navora.

Potrebne so štiri močnostne kartice, za vsako os svoja kartica. Karte so potem povezane z

računalnikom preko NI PXI-7534 karte oz. krmilne karte za motorje ter preko Fire Wire

karte za povezavo s kamerama na mehanizmu. Celoten sistem oz. prototipski robot stereo

vid programiramo z LabView programskim okoljem, v katerem smo izdelali vodenje za

naš model v realnem času.

Slika 2-1: 4-osni mehanizem robota



3 ROBOTSKI SISTEMI

Robotski sistemi se uporabljajo predvsem v industriji in se vedno bolj nagibajo k uporabi v

vsakdanjem življenju. Ključni del robotskega sistema je robot, ki je avtomatsko krmiljen,

prosto programabilen, večnamenski manipulator z najmanj tremi osmi, bodisi na fiksnem

mestu ali pa na mobilnem sredstvu. Enako je tudi v našem primeru; gre za robota, ki je na

mobilnem sredstvu in ima štiri osi [2].

Slika 3-1: Kategorije robotov

Zelo pomemben faktor pri robotih igrajo prostostne stopnje, ki nam povejo število možnih,

medsebojno neodvisnih premikov (translacij, rotacij) togega telesa glede na bazni

koordinatni sistem [2].


Slika 3-2: Delovni prostor robotov

Poznamo tri različne izvedbe robotov (slika 3-3):

· portalni robot (a)

· SCARA robot (Selective Compliant Articulated Robot Arm) (b)

· antropomorfni robot (c)

Slika 3-3: Različne izvedbe robotov [2]


3.1 Servo pogoni

Servo pogone sestavlja sklop elementov:

· servomotor z dajalnikom,

· servoregulator,

· servokrmilnik,

· pogonski mehanski sklopi (sklopke, gonila, navojna vretena …).

3.1.1 Servomotorji

Servomotor nam omogoča relativno enostavno generiranje vrtljajev, položaja in navora.

Vrednost navora je neodvisna od števila vrtljajev motorja in je premosorazmerna s tokom

motorja. Za krajši čas lahko servomotor nekajkrat generira tudi nazivni navor. Kvaliteta

vsake regulacije (tudi s servomotorjem) pa je odvisna od točnosti in stabilnosti merilnega

sistema (inkrementalnega dajalnika položaja) in od servo regulatorja [3].

Poznamo DC servomotorje, ki se počasi umikajo AC servomotorjem. Zanje so značilne

kolektorske ščetke, kjer se pojavijo problemi zaradi obrabe ter iskrenja ščetk. Brezkrtačni

DC motorji so v bistvu AC servomotorji in se vedno več uporabljajo v industrijskih

procesih. Napajamo in krmilimo jih z elektronsko generirano izmenično napetostjo.

Ustrezen dajalnik za informacijo o hitrosti ter položaju motorja je že vgrajen. Imajo boljše

dinamične lastnosti od DC servomotorjev, zato se največ uporabljajo v aplikacijah, kjer je

potrebna velika dinamika ter točnost pogona. V povezavi s krmilniki PLC lahko opravljajo

merjenje položaja. Glavna omejitev za razširjeno uporabo AC servo pogonov je predvsem

višja cena [3].

3.1.2 Servoregulatorji in servokrmilniki

Servoregulator na osnovi informacije o hitrosti vrtenja in želeni vrednosti oblikuje signale

za krmiljenje močnostne enote, da ostanejo vrtljaji servomotorja v zahtevanih mejah. V

praksi so že razvili in izdelali univerzalni sistem za krmiljenje in regulacijo servomotorjev,

da se lahko uporabniki posvetijo problemom celotnega pogona in ne posebej električnemu

delu. Prav zato je v praksi uveljavljeno ime servoregulator, ki ne predstavlja le regulatorja,

ampak celoten električni del sistema za napajanje servomotorjev z merjenjem, obdelavo

informacij in močnostno enoto (slika 3-4) [3].


Slika 3-4: Blok shema servo pogona [3]

3.2 Strojni elementi

Poleg servomotorjev, servoregulatorjev in krmilnikov, ki so osnova vsakega servosistema,

so za izdelavo potrebni tudi ostali elementi. To so pogonski mehanski sklopi (sklopke,

gonila, navojna vretena …), ki služijo za prenos momenta iz motorja na gnano gred stroja.

3.2.1 Spajanje elementov (gonila)

V našem primeru je uporabljeno zobniško gonilo. Glede na način prenosa gibanja spada ta

vrsta gonil med gonila z enakomernim prenosom gibanja. Je najbolj (slika 3-6) uporabljena

vrsta med mehanskimi gonili [1].

Slika 3-5: Osnovne izvedbe zobniških dvojic (iz leve: valjaste z ravnimi in poševnimi zobmi, stožčaste,

polžaste) [4]


4 STEREO VID

Računalniški stereo vid deluje na način, Mitja Repinc (2009, 3) piše o tem: da dve med

seboj razmaknjeni kameri usmerimo tako, da gledata v isto točko opazovanega predmeta

in zajameta sliko iz dveh različnih pogledov (kot naše oči). Vsako oko zajame sliko iz svoje

perspektive in vsako sliko zase pošlje v možgane (slika 4-1), kjer se obdelata. Ko obe sliki

prispeta v možgane, jih ti združijo v eno sliko, da na obeh primerjajo podobnosti ter nato

dodajo še drobne razlike. Slednje pomenijo veliko razliko v končni združeni sliki, ki

omogoča tridimenzionalno stereo sliko [5].

Slika 4-1: Človeški vid


4.1 Princip delovanja

Sistem deluje tako, da s pomočjo že obstoječega stojala za dve kameri, ki imata funkcijo,

da sledita predmetu (zato je stojalo sestavljeno tako, da omogoča premikanje v vse smeri),

ustvarimo povezavo z osebnim računalnikom in ustrezno programsko opremo. To storimo

na način, da s programom LabWiew spravimo vse osi v pogon. Ob tem tudi zajamemo

slike in model odčitavanja podatkov vseh osi (kot zasuka), da z njihovo pomočjo

izračunamo razdaljo do premikajočega predmeta, kar je tudi namen te naprave. Naprave za

merjenje razdalje že obstajajo, vendar pa je namen tega projekta, da bi študentje sami

izdelali/dodelali takšno napravo in jo uporabljali v učne namene na fakulteti [5].

Slika 4-2: Princip delovanja

Imamo dve kameri, ki sledita opazovanemu objektu – predmetu (slika 4-2). Med seboj sta

oddaljeni z znano razdaljo (L=x+y), nas pa zanima kot zasuka posamezne kamere (»α« in

»β«). Tako tvorimo navidezni trikotnik, kjer imamo znano velikost ene stranice in oba

priležna kota. Razdalja med kamerama je dolžina stranice, zasuk kamer pa sta priležna

kota navideznega trikotnika. Višina navideznega trikotnika je razdalja do predmeta (»v«)

[5].


Slika 4-3: Višinska razdalja predmeta do mehanizma

Upoštevati moramo tudi, da predmet lahko leži višje ali nižje od pozicije kamer v prostoru

(slika 4-3). To storimo tako, da veličino »v« zapišemo kot »v'«, ki ni čisto natančna.

Možno je torej, da so kamere lahko usmerjene gor ali dol. Za izračun razdalje »v« se

uporabi kotna funkcija »cos« [5].

4.2 Ogrodje in oblika z mehanizmom

Tom Peinkiher (2011, 4) piše o tem naslednje: Ogrodje (slika 4-4) oz. ohišje je sestavljeno

tako, da omogoča premike v vse smeri. Stojalo se lahko primerja s človeškim videzom, ki

predstavlja človeški vrat ter oči. Ker je zasnovan na podlagi človeške anatomije, je

sposoben opazovati v vse potrebne smeri ter tudi določiti oddaljenost [9].

Vrat namreč omogoča gibanje in opazovanje v vse smeri, oči pa so na fiksni medsebojni

razdalji in so usmerjene v predmet ter jim tudi sledijo. Sliki se nato iz oči preneseta v naše

možgane in dobimo občutek oddaljenosti do opazovanega predmeta [5].

Da je temu resnično tako, obstaja enostaven test, pri katerem vzamemo v vsako roko

pisalo, roki razpremo in ju iztegnemo pred seboj ter pisali obrnemo tako, da sta konici

obrnjeni druga proti drugi. Zamižimo na eno oko in ju poskušamo približati z obema

rokama, da se dotakneta. Nato poskus ponovimo, vendar gledamo tokrat z obema očesoma.

Ugotoviti bi morali, da je z obema očesoma naloga dosti lažja kot le z enim očesom, kar je

posledica tega, da lahko z obema očesoma zaznavamo razdaljo do predmeta oziroma

globino prostora.


Oblika mehanizma robotskega stereo vida s slike 4-4 omogoča premikanje v štirih oseh.

Ogrodje je iz enostavnih in iz čim manjšega števila sklopov, ki so razstavljivi. Naprava je

namenjena testiranju in nadaljnjem učenju, zato ni dane posebne pozornosti na izgledu.

Slika 4-4: Prvotna oblika ogrodja [6]

4.3 Elementi mehanizma

Nestandardni deli (slika 4-5, slika 4-6), kot so vskočniki, ležaji, vijaki, matice, podložke,

ipd., so bili izdelani na Fakulteti za strojništvo v Mariboru, v laboratoriju za fleksibilne

obdelovalne sisteme.

Večina delov iz predhodno dokončanega stojala je izdelanih iz aluminija, razen gredi, ki

so izdelane iz jekla.

Slika 4-5: Podstavek, stojalo, nosilec motorja [7]


Slika 4-6: Nosilci motorjev [7]

4.4 Premik osi in pogon

Naš premik osi mora biti čim bolj preprost in kar se da poceni, seveda pa precej natančen

in zanesljiv. Pomembna je tudi teža, saj povzroča večje vztrajnostne momente, kar pa bi

lahko vplivalo na delovanje mehanizma.

Premik osi je izveden s servomotorjem in zobniško dvojico (slika 4-7). Na servomotorju

imamo manjši zobnik z 19 zobmi ter na oseh večji zobnik s 173 zobmi. Prestavno razmerje

izračunamo po enačbi (4.1), ki znaša 9,1.

1,919

173

1

2===

Z

Zi (4.1)

Slika 4-7: Servomotor z zobniško dvojico [7]

Veliki zobnik je izdelan iz aluminija, vendar ima obod oz. zobe iz poliestra, manjši zobniki

pa so v celoti iz kovine. Obod iz poliestra na velikem zobniku nam omogoča, da ne prihaja

do preveč sunkovitih začetnih gibov zaradi ublažitve. Pojavlja se problem obrabe.


Ker je tukaj ravno govora o prestavnem razmerju, je potrebno poudariti, da smo z njim

dosegli dosti boljšo ločljivost oz. natančnost računanja naših kotov osi. Če ne upoštevamo

prestavnega razmerja, je natančnost našega inkrementalnega dajalnika 400 pulzov/obrat,

kar pomeni ločljivost ±0,9 °/pulz na osi motorja. Ker pa smo dodali prestavno razmerje s

prestavo 9,1, dobimo ločljivost ±0,099°/pulz na osi modela.

Slika 4-8: Motor ESCAP 28D11 - 219P [7]

Za pogon je bil izbran servomotor znamke ESCAP 28D11, tip –219P (slika 4-8), ki so

opremljeni z inkrementalnim dajalnikom položaja, katerega je resolucija 400 pulzov na

obrat. Inkrementalni dajalnik je potreben za merjenje kota zasuka posamezne prostostne

stopnje mehanizma, kar je potrebno za izračun položaja opazovanega objekta [7].


5 KONSTRUIRANJE IN IZBOLJŠAVE MEHANIZMA

Velik problem so predstavljali vztrajnostni momenti, ki so zelo vplivali na delovanje

celotnega mehanizma. Problem se je pojavljal predvsem pri prvi vertikalni osi, kjer je

motor moral poganjati celotno težo mehanizma. Dodatno težavo predstavljajo vsi kabli, ki

so izjemno trdega tipa in povzročajo navore, ki jih mora motor premagovati, saj ima

premalo moči.

Sprva smo razmišljali o spremembi zobniške dvojice, in sicer o povečanju prestavnega

razmerja. Nemogoče je bilo najti takšne majhne zobnike s tako veliko/malo zobmi ter

ustreznim modulom. Žal pa zaradi finančnih zadev ni prišla v poštev opcija, da bi dali

izdelati nestandardne zobnike. Nato bi morali spremeniti še nosilec motorja zaradi

medosne razdalje novih zobnikov. Razmišljali smo tudi, da bi vgradili močnejši motor,

ampak se je pojavil problem, saj bi morali celotno elektronsko vezje, ki poganja motor,

nadomestiti z novim, močnejšim, to pa nam bi vzelo dodaten čas in stroške.

Odločili smo se, da bomo vzporedno, na drugo stran nosilca motorja vertikalne osi

dodali še en motor, ki je bil enak kot že vgrajen motor in smo ga imeli na razpolago (slika

5-1). Potrebno je bilo le spremeniti že obstoječe strojne elemente in dodati nosilec motorja.

Motor smo priključili samo z napajalno napetostjo iz že inštalirane karte za poganjanje

motorjev.


Slika 5-1: Ogrodje mehanizma z dodanim motorjem

5.1 CATIA

CATIA je bila sprva mišljena zgolj kot program za prostorsko modeliranje in računalniško

vodene projekte, ki so bili namenjeni proizvodnji.

Razvijati se je začela v poznih sedemdesetih letih, avtor pa je bila francoska (danes

priznana) družba za izdelovanje letal Dassault Aviation. Ob razvijanju in nadgrajevanju

programske opreme je bilo vse bolj očitno, da bo v prihodnosti zadeva na trgu še kako

popularna, zanimiva in kasneje tudi aktualna. V Dassaltu so se kmalu odločili za stopničko

višje in programsko opremo predstavili na trgu. Nadalje je bilo ustanovljeno podjetje

Dassault Systems, ki se je začelo ukvarjati samo z razvojem CATIE. Posledica tega so bili

veliki poslovni uspehi, ki so postavili podjetje med vodilne proizvajalce programske

opreme CAD/CAM [8].

Danes je CATIA (slika 5-2) preplavila praktično že cel svet in postala ena izmed

vodilnih programskih paketov za prostorsko modeliranje.


Slika 5-2: CATIA v avtomobilski industriji

5.1.1 Izkušnje in programski paket

S programskim paketom CATIA sem se seznanil že na Višji strokovni šoli na Ptuju ter v

tretjem letniku tekočega študija pri predmetu Računalniško podprto konstruiranje. Na tem

področju bi rad pridobil še več izkušenj.

Zelo me je razveselilo, da sem se odločil za projekt, pri katerem bom lahko uporabljal

programski paket CATIA in še bolj izpopolnil moje znanje o konstruiranju in pripravi

dokumentacij strojnih elementov.

5.1.2 3D model

Ker smo se odločili za rešitev, tj. za dodajanje dodatnega motorja in spremembe prirobnic,

nosilcev, ohišja ipd., je bilo potrebno pripraviti delavniške risbe. Te bodo služile za

izdelavo elementov v laboratoriju za fleksibilne obdelovalne sisteme na Fakulteti za

strojništvo v Mariboru, za katere smo se že predhodno dogovorili.

Najprej je bilo potrebno narediti skico, da sem potem lahko po njej ter po fizično

izmerjenih meritvah in merah prenesel oz. modeliral 3D model (slika 5-3, slika 5-4)

potrebnih elementov in jih ustrezno modificiral.


Slika 5-3: 3D model (sprememba elementov)

Slika 5-4: 3D model (sestava)

5.1.3 Dokumentacija – delavniške risbe

Z izdelavo delavniških risb se v delovnem okolju CATIA še nisem srečeval, zato je bilo to

zame nekaj čisto novega. Po najboljših močeh ter urah in urah sedenja pred osebnim

računalnikom mi je uspelo izdelati dobre delavniške risbe, katere so uporabili pri izdelavi.

Delavniške risbe so priložene kot priloga – glej poglavje 8.3 Ostale priloge.


5.2 Izdelava/dodelava elementov

Elemente so nam izdelali oz. dodelali na Fakulteti za strojništvo v Mariboru, v laboratoriju

za fleksibilne obdelovalne sisteme (slika 5-5). Potrebno je bilo razstaviti predhodno stojalo

in celotno ogrodje. V pomoč nam je bil g. Tašner in njegov laboratorij. Ob tem smo morali

paziti na standardne elemente, kot so ležaji, vskočniki ipd., ki smo jih kasneje znova

vgradili.

Slika 5-5: Dodelani elementi

5.3 Namestitev dodelanih elementov (motorja)

Ko so bili vsi novi elementi dodelani, smo sestavili ogrodje/stojalo in s še dodatnim

nosilcem iz pločevine namestili motor (slika 5-6). Nosilec je iz nerjavečega jekla, ki sem

ga izdelal po skicah in zamisli tako, da mi ni bilo potrebno modelirati elementa s pomočjo

CATIE. Zadeva je bila dokaj enostavna za izdelavo, saj nismo potrebovali 3D modela ali

delavniških risb.


Slika 5-6: Nameščen dodaten motor z novimi dodelanimi elementi in pločevinastim nosilcem

5.4 EAGLE

EAGLE - Easily Applicable Graphical Layout Editor (slika 5-7) je program za

konstruiranje in načrtovanje električnih vezij ter tiskanin. S tem programom sem se že

srečal v predhodnem letniku tega študija pri predmetu Sistemi mehatronike. Je zelo

enostaven za uporabo in z njegovo pomočjo hitro pridemo do želenega cilja [10].

Slika 5-7: Delovno okolje programe EAGLE


5.4.1 Povezovalna ploščica elektronike

Za izdelavo povezovalne ploščice (slika 5-9) smo se odločili predvsem iz razloga, ker je

predhodno izdelan sistem bil praktično neuporaben (slika 5-8). Sistem ni deloval, zelo

težko je bilo odkriti napake nedelovanja zaradi prepletanja kablov, otežen je bil dostop do

aktivnih in pasivnih elementov, še težje pa jih je bilo menjati.

Na začetku je bilo potrebno zbrati vse informacije in načrte ter jih temeljito preučiti.

Potem smo morali fizično preveriti vse povezave ločenih vezij z namenom, ali se ujemajo

z načrti ali ne. Še prej je bilo seveda potrebno izrisati skico vezja.

Slika 5-8: Nered in nepreglednost sistema

Predhodno je bil sistem povezan s sponkami in s kabli, ki so v »zraku«. Med posamezne

karte, kot so močnostne karte za krmiljenje motorjev, smo dodali še stikala za vklop

posamezne karte, da lahko deluje samo ena os posebej. Induktivna brezkontaktna stikala –

senzorji so morali oddati digitalni signal zaradi vhoda na kartici NI, zato smo to omogočili

s pomočjo tranzistorjev BC550 in pripadajočim vezjem. Uporabljen je bil tudi zakasnilni

vklop močnostnih kart, vse skupaj pa smo dali na eno karto. Razdelilna plošča za napajanje

je bila odstranjena in vse skupaj združeno na eno ploščo. Vse priključne kable je možno

hitro in brezhibno priključiti in izključiti, ker so na povezovalni plošči uporabljeni

konektorji.

Vezje in tiskanina sta priložena v prilogi – glej poglavje 8.3 Ostale priloge.


5.4.2 Izdelava TIV

Tiskano vezje je bilo izdelano po fotopostopku. Obrezano kupljeno ploščico z že

nanesenim fotolakom osvetlimo in preslikamo predhodno skonstruiran film v EAGLU na

ploščico. Pri moči 300 W in oddaljenostjo 30 cm je čas osvetljevanja trajal 3–4 min.

Po končanem preslikanju filma na ploščico se lotimo luženja, da speremo odvečen lak iz

ploščice. Lug dobimo tako, da v enem litru vode raztopimo 7g NaOH, čas razvijanja je od

½ do 1 min. Ploščico med razvijanjem cel čas premikamo in na koncu dobro operemo pod

tekočo vodo.

Na koncu preidemo na jedkanje, da razvijemo povezave. Za jedkanje potrebujemo

mešanico HCI, H2O2 in H2O. Jedkanje naj poteka v plastičnih posodah. Čas postopka je

odvisen od koncentracije, iztrošenosti in temperature raztopine. Jedkamo približno od 5–20

minut, če je temperatura raztopine maks. 50 °C. Ploščico moramo gibati s pinceto kot pri

luženju. Nato jo speremo s tekočo vodo in posušimo.

Opozorilo!

V primeru, da pride nezaščiten del telesa v stik s kislino, moramo mesto dotika takoj

sprati z vodo. Pri tem delu oz. na splošno pri razvijanju ploščice in luženju moramo imeti

oblečen delovni plašč.

Nato sledi vrtanje lukenj in spajkanje elementov. Spojna mesta morajo biti dobro

očiščena za dober spoj. Spajkalnik postavimo pri nožici, ki jo spajkamo pod kot 45° in ne

smemo nanesti preveč cina (tinola). Najprej spajkamo nižje elemente, kot so upori itd., šele

nato višje, kot so tranzistorji in konektorji.

Slika 5-9: Dokončana povezovalna plošča s pripadajočimi priključki


5.5 Elektronika (krmilnik, pogon motorjev, kamere, napajanje)

Tom Peinkiher (2011, 6) piše o tem naslednje: Za regulacijo in upravljanje

elektromotorjev je uporabljena karta proizvajalca National Instruments PXI-7534 (slika 5-

10). PXI dodaja mehanske, električne in programske funkcije, ki določajo popoln sistem za

testiranje in merjenje, zajemanje podatkov ter proizvodnjo aplikacij. Omogoča priključitev

in regulacijo elektromotorjev. Regulator je kompatibilen s programskim modulom

LabView Real-time module (modul za delo v realnem času) ter operacijskim sistemom

Windows Vista/NT/XP [9].

Slika 5-10: Karta NI PCI-7354 [6]

Uporabljene so štiri karte za analogno tokovno regulacijo (slika 5-11). Izdelane so bile kot

učni pripomoček na Fakulteti za elektrotehniko, računalništvo in informatiko Univerze v

Mariboru.

Slika 5-11: Karte za pogon (motorjev in vmesnika za inkrementalni dajalnik)


Kameri proizvajalca Unibrain sta »Fire-i™ Digital Board« (slika 5-12) kameri, s katerima

komuniciramo preko IEEE 1394 oz. Fire Wire priključka. Je hitro serijsko komunikacijsko

vodilo, namenjeno komunikaciji med napravami in za prenos podatkov v realnem času.

Kameri sta le elektronsko vezje z lečo in Fire Wire priključkom. Zajemata črno-belo sliko,

ki jo ostrimo ročno s privijanjem oz. odvijanjem leče.

Slika 5-12: Fire-i™ Digital Board kamera

Za napajanje je uporabljen računalniški napajalnik moči 400 W (slika 5-13), snet z ohišja.

Napajalnik je iz spodnje strani dodatno izoliran in nameščen na podstavek našega

robotskega ogrodja. Iz njega dobimo vse potrebne napetosti (+12V, -12V in 5V).

Uporabljen je predvsem zaradi dostopnosti in nizke cene [9].

Slika 5-13: Napajalnik [9]


5.5.1 Regulacija

Pri našem modelu stereo vida uporabljamo tri regulacije (slika 5-14) za reguliranje

motorjev:

· tokovno regulacijo,

· položajno regulacijo

· in hitrostno regulacijo.

Tokovna regulacija je izvedena za vsak motor posebej, zato ima vsak motor svojo karto.

Položajno in hitrostno regulacijo pa izvajamo za vse štiri motorje na NI karti s pomočjo

inkrementalnih dajalnikov.

Obširni opis izračuna elektronskih komponent, regulacije in dinamične analize je opisan v

viru [9].

Položajna reg.

Hitrostna reg.

Močnostni ojačevalnik

ID M

Merjenje

frekvence

pulzov

Števec

Xref ωref

ωdej

Iref

Idej Xdej

Tokovna regulacija

– – –

Slika 5-14: Regulacija


5.6 Programski del

Vodenje robotskega stereo vida smo izvedli s programom LabView od proizvajalca

National Instruments z dodatnima moduloma NI Motion, ki je uporabljen za krmiljenje

motorjev in upravljanjem s stikali, ter z modulom NI Vision, ki se uporablja za zajem,

analizo in manipulacijo slike ali videa. LabView uporablja grafično programiranje za

avtomatizacijo proizvodnje in merilnih naprav, kar tvori virtualni instrument. Vsak

virtualni instrument ima čelno ploščo (slika 5-15), kjer se nahajajo indikatorji, gumbi, polja

za vnos besedil in blokovni diagrami, kjer vse s specifičnimi ukazi povežemo v logično

zaključeno celoto [9], [11].

Uporabljen način programiranja je (State machine) diagram stanj. Prednost takšnega

programiranja je preglednost in točno določeno zaporedje izvajanja.

Programirana stanja:

· parametrizacija – določitev vseh parametrov

· inicializacija – iskanje referenčne lege in resetiranje položaja

· izvajanje giba

· stop

Slika 5-15: Čelna plošča v okolju LabView


5.7 Osnovni izračun oddaljenosti in določitev koordinat robota v prostoru

Slika 5-16: Navidezni trikotnik pri opazovanju predmeta

Osnovni način za ugotovitev dolžine oddaljenosti »v« (slika 5-16) opazovanega predmeta

izračunamo po naslednjem postopku:

(5.1)

(5.2)

(5.3)

S tem dobimo sistem s tremi neznankami: v, α in β. Znana dolžina ki predstavlja razdaljo

med kamerama, je l. Iz enačb (5.1) in (5.2) vstavimo dobljene vrednosti za x in y v prvo

enačbo (5.1). Dobimo:

(5.4)

Nato izrazimo iskano veličino v:

(5.5)


Ta izračun je natančen le, če je predmet vodoravno oddaljen od kamer. Prav zato moramo

upoštevati dejstvo, ali je predmet višje ali nižje od opazovanja. Predpostavimo, da je v

sedaj v', ker oddaljenost še vedno ni čisto natančna in uporabimo naslednji navidezni

trikotnik (slika. 5-17).

Slika 5-17: Navidezni trikotnik višinske razlike oddaljenosti opazovanega predmeta od kamer

Za ta izračun uporabimo trigonometrijsko kotno funkcijo »cos«, enačba (5.6), s katero

izračunamo dejansko razdaljo v. Kotna funkcija »cos« ima za kote med + 90° in - 90°

(slika 5-17 oznaka »y«) enako vrednost ne glede na to, kje se nahaja predmet glede na lego

kamer [5], [7].

(5.6)

Obširni opis izračuna oddaljenosti robota od predmeta je opisan v viru [9].


6 SKLEP

Na začetku je bilo potrebno pridobiti znanje o najpomembnejših delih, ki sestavljajo

robotski stereo vid. Seznanili smo se z osnovami robotskih sistemov in njihovo uporabo ter

s servo pogoni. Naučili smo se nekaj o strojnih elementih, predvsem o gonilih, ter seveda o

osnovah delovanja stereo vida. Uporabljali in spoznali smo tudi programski paket CATIA,

s pomočjo katerega smo izrisali 3D model naših strojnih elementov ter izdelali potrebne

delavniške risbe. Uporabili smo tudi znani programski paket EAGLE, s katerim smo

skonstruirali električno vezje in tiskanino. Naučili smo se osnov regulacije, nastavljanja

PID regulatorja in vpliva posameznih sprememb na končni odziv. S pomočjo sošolcev smo

se naučili uporabljati programski paket LabView in z njim zgradili program za vodenje

našega robotskega stereo vida. Ob koncu smo podali osnovne enačbe za orientacijo robota

v prostoru. Pri vsem tem smo se soočali z raznovrstnimi težavami kot so nedelovanje

osebnega računalnika, nedelovanje celotnega sistema, zmeda, nepreglednost ...

Z izdelavo diplomske naloge smo dosegli zastavljene cilje, saj sem se naučil

konstruiranja v programskem paketu CATIA in delovanja uporabljenih komponent pri

robotskem stereo vidu. Utrdil sem tudi znanje v konstruiranju elektronskih vezij v EAGLE

in izdelal TIV.

Obstajajo možnosti za modifikacijo in nadgraditev del, saj bi bilo potrebno izdelati

drugačne strojne elemente za pritrditev nadomestnih in ustrezno močnih motorjev, kar je

pokazala dinamična analiza osi, s katero se je ukvarjal sošolec. Potreba je po namestitvi

protiuteži za drugo os, nato pa je potrebno zamenjati oz. zgraditi takšni mehanizem, da bi

se rešili povezovalnih kablov za senzorje in kamere, ker izjemno vplivajo na vztrajnostne

momente osi. Ob koncu bi bila potrebna še implementacija programa za razpoznavanje

objektov v LabView programu vodenja.



7 VIRI, LITERATURA

[1] Z. Ren, S. Glodež, Strojni elementi I. del, Fakulteta za strojništvo, Maribor,

2009, str. 1–8.

[2] K. Gotlih, Roboti in robotizacija (zapiski predavanj), Fakulteta za strojništvo,

Maribor, 2006, str. 12–24. Dostopno na:

http://fs-server.uni-mb.si/si/inst/itkp/lttkt/izpiti-kg/Robotizacija_uvod_01.pdf

[15. 7. 2012].

[3] D. Rožmarin, Uporaba servo pogona za pomik polic regalnega skladišča,

Višja strokovna šola, Ptuj, 2009, citirano str. 3, str 3–22.

[4] Z. Ren, Zobniški mehanizmi (zapiski predavanj). Dostopno na:

http://lace.uni-mb.si/Finomehanika/slikovnogradivo/Finomehanika5%20-

%20zobniski%20mehanizmi.pdf [6. 6. 2012].

[5] M. Repinc, Merjenje razdalje s stereo vidom, Fakulteta za strojništvo, Maribor,

2009, str. 3–21.

[6] N. Zupanec, Vodenje robotskega mehanizma vida, Fakulteta za elektrotehniko,

računalništvo in informatiko, Maribor, 2011, str. 4.

[7] K. Stanislav, Gradnja krmilno napajalnega dela mehanizma robotskega vida,

Maribor, 2011, str. 8–12.

[8] Dassault Systemes Catia, Our Vision. Dostopno na:

http://www.3ds.com/company/about-dassault-systemes/our-vision/ [11. 6.

2012].

[9] T. Peinkiher, Načrtovanje in izvedba vodenja robotskega stereo vida, Fakulteta

za strojništvo, Maribor, 2011, str. 3, 6–10, 27–31.

[10] CadSoft Eagle, Tutorials. Dostopno na:

http://www.cadsoftusa.com/training/tutorials/?language=en [5. 3. 2012].

[11] National Instruments, Gettin started with NI motion. Dostopno na:

http://www.ni.com/pdf/manuals/373329d.pdf [5. 3. 2012].



8 PRILOGE

8.1 Seznam slik

Slika 2-1: 4-osni mehanizem robota ...................................................................................... 3

Slika 3-1: Kategorije robotov ................................................................................................ 5

Slika 3-2: Delovni prostor robotov ........................................................................................ 6

Slika 3-3: Različne izvedbe robotov [2] ................................................................................ 6

Slika 3-4: Blok shema servo pogona [3] ............................................................................... 8

Slika 3-5: Osnovne izvedbe zobniških dvojic (iz leve: valjaste z ravnimi in poševnimi

zobmi, stožčaste, polžaste) [4] ....................................................................................... 8

Slika 4-1: Človeški vid .......................................................................................................... 9

Slika 4-2: Princip delovanja ................................................................................................ 10

Slika 4-3: Višinska razdalja predmeta do mehanizma......................................................... 11

Slika 4-4: Prvotna oblika ogrodja [6] .................................................................................. 12

Slika 4-5: Podstavek, stojalo, nosilec motorja [7] ............................................................... 12

Slika 4-6: Nosilci motorjev [7] ............................................................................................ 13

Slika 4-7: Servomotor z zobniško dvojico [7] ..................................................................... 13

Slika 4-8: Motor ESCAP 28D11 - 219P [7] ........................................................................ 14

Slika 5-1: Ogrodje mehanizma z dodanim motorjem .......................................................... 16

Slika 5-2: CATIA v avtomobilski industriji ........................................................................ 17

Slika 5-3: 3D model (sprememba elementov) ..................................................................... 18

Slika 5-4: 3D model (sestava) ............................................................................................. 18

Slika 5-5: Dodelani elementi ............................................................................................... 19


Slika 5-6: Nameščen dodaten motor z novimi dodelanimi elementi in pločevinastim

nosilcem ....................................................................................................................... 20

Slika 5-7: Delovno okolje programe EAGLE ..................................................................... 20

Slika 5-8: Nered in nepreglednost sistema .......................................................................... 21

Slika 5-9: Dokončana povezovalna plošča s pripadajočimi priključki................................ 22

Slika 5-10: Karta NI PCI-7354 [6] ...................................................................................... 23

Slika 5-11: Karte za pogon (motorjev in vmesnika za inkrementalni dajalnik) .................. 23

Slika 5-12: Fire-i™ Digital Board kamera .......................................................................... 24

Slika 5-13: Napajalnik [9] ................................................................................................... 24

Slika 5-14: Regulacija ......................................................................................................... 25

Slika 5-15: Čelna plošča v okolju LabView ........................................................................ 26

Slika 5-16: Navidezni trikotnik pri opazovanju predmeta .................................................. 27

Slika 5-17: Navidezni trikotnik višinske razlike oddaljenosti opazovanega predmeta od

kamer ........................................................................................................................... 28

8.2 Ostale priloge

§ DELAVNIŠKE RISBE

§ ELEKTRIČNO VEZJE in TIV

§ ZGOŠČENKA z vsebino:

- diplomsko delo v elektronski obliki,

- delavniške risbe v obliki datotek (.CATDrawing, .CATProduct,

.CATPart), ki jih odpiramo s programskim paketom CATIA,

- električno in TIV vezje povezovalne ploščice v obliki datotek (.sch, .brd),

ki jih odpiramo s programskim paketom EAGLE.

PRILOGE

Delavniške risbe

Električno vezje

TIV


8.3 Naslov študenta

David Rožmarin

Muretinci 53

2272 Gorišnica

Tel. študenta: 0038651384156

E-mail študenta: [email protected]

8.4 Kratek življenjepis

Rojen: 20. 7. 1986, Ptuj

Šolanje Osnovna šola Gorišnica, Gorišnica 1993–2001

Poklicna in tehniška elektro šola Ptuj, smer: elektrikar-elektronik,

Ptuj, 2001–2004

Poklicna in tehniška elektro šola Ptuj, smer: elektrotehnik-elektronik,

Ptuj, 2004–2006

Višja strokovna šola Ptuj, smer: Mehatronika, Ptuj 2007–2009

Fakulteta za strojništvo, smer: Mehatronika, Maribor

Documents

UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA STROJNIŠTVO · gonila, navojna vretena …), ki služijo z a prenos momenta iz motorja na gnano gred stroja. 3.2.1 Spajanje elementov (gonila) V