Freestyle Platforma Stewarta

[davidpi]

Chciałbym zaprezentować Wam, chyba pierwszy na Forbocie, manipulator równoległy typu Platforma Stewarta.

Urządzenie powstało w ramach pracy magisterskiej na Wydziale Mechatroniki i Budowy Maszyn Politechniki Świętokrzyskiej pod czujnym okiem dr inż. Pawła Łaskiego. Temat pracy: projekt manipulatora o zamkniętym łańcuchu kinematycznym, o sześciu stopniach swobody z napędem elektrycznym.

Projektowanie.

Projekt konstrukcji mechanicznej został wykonany w Solid Worksie. Wszystkie układy elektroniczne projektowane były w Eagle, a algorytmy sterowania wyprowadzane z pomocą Matlaba. Poniżej widać projekt konstrukcji mechanicznej.

Mechanika:

Manipulator posiada 6 stopni swobody. Składa się z nieruchomej podstawy, sześciu jednakowych i symetrycznie rozmieszczonych ramion oraz ruchomej platformy.

Podstawa wykonana z polietylenu HDPE, platforma ruchoma z poliamidu. Ramiona składają się z dolnej części w postaci płaskownika z włókna szklanego, górnej w postaci pręta stalowego (w przyszłości będzie pręt z włókna węglowego) i dwóch przegubów kulistych.

Urządzenie napędza sześć serwonapędów Tower Pro MG995. Zamocowane one są za pomocą uchwytów z aluminium.

Elektronika:

Część elektroniczna składa się z trzech modułów. Pierwszy to moduł sterownika głównego. Zbudowany został w oparciu o ATMegę 128 taktowaną kwarcem 16MHz. Zajmuje się on praktycznie jedynie wykonywaniem obliczeń kinematyki. Moduł ten komunikuje się ze światem zewnętrznym za pomocą USARTu. Na płytce wyprowadzone są dwa złącza DB9 służące do połączenia z komputerem w standardzie napięć RS232 i z kontrolerem w standardzie TTL. Ponadto ATMega 128 połączona jest za pomocą drugiego kanału USART ze sterownikiem serwonapędów.

Drugi moduł to moduł sterownika serwonapędów. Zbudowany jest w oparciu o ATMegę 8 z kwarcem 8MHz. Sygnał PWM generowany jest programowo za pomocą dwóch timerów.

Trzeci moduł to moduł kontrolera. Za jego pomocą użytkownik może sterować manipulatorem. Jego sercem jest ATMega 8 z kwarcem 8MHz. Dwie gałki z potencjometrami służą do zmiany pozycji i orientacji platformy roboczej. Kontroler ma również trzy mikroswitche za pomocą których można zmieniać informacje wyświetlane na LCD oraz funkcje potencjometrów. Na LCD wyświetlane są ustawiana pozycja i orientacja platformy, oraz współrzędne przegubowe serwonapędów.

Urządzenie zasilane jest z zasilacza komputerowego DELL. Do pracy wymaga napięcia +5V i zapasu wydajności prądowej ok. 9A.

Sterowanie:

Manipulator wypracowuje zadaną przez użytkownika pozycję i orientacje platformy roboczej w bazowym układzie współrzędnych. Układ ten związany jest z podstawa manipulatora.

Po załączeniu zasilania robot przyjmuje pozycję startową. Za pomocą kontrolera lub komputera do układu sterowania przesyłana jest pozycja i orientacja platformy jaką robot ma wypracować. Układ sterowania wyznacza tor ruchu w postaci linii prostej z punktu aktualnego do docelowego i wykonuje ruch wzdłuż tej prostej z krokiem nie większym niż 1 mm. Po każdym kroku na bieżąco przeliczana jest kinematyka odwrotna i wyliczane nowe wartości współrzędnych przegubowych. Po wyliczeniu układ sterowania wysyła do sterownika serwonapędów współrzędne przegubowe serw do wypracowania.

Zadanie odwrotne kinematyki wymaga w każdym cyklu obliczeń rozwiązania sześciu układów trzech równań nieliniowych z trzema niewiadomymi ( po jednym dla każdego ramienia).

Układy te rozwiązywane są Metodą Newtona – Raphsona. Obliczenia są dosyć skomplikowane, dlatego mimo użycia kwarcu 16MHz udało się uzyskać tylko 15 – 20 cykli obliczeń na sekundę. Widać na filmach, że manipulator porusza się takimi drobnymi kroczkami. Drugą słabością manipulatora są niewątpliwie niezbyt mocne napędy. Objawia się to niedokładnością w pracy i takimi momentami przestojów. Mimo to konstrukcja spełnia swoje założenia i chyba nie wyszła tak najgorzej.

Tutaj kilka pozostałych zdjęć, a w najbliższym czasie postaram sie dodać jakiś filmy z pracy urządzenia.

Pojawiły się dwa filmy 🙂

[Harnas]

Świetna konstrukcja. Możesz wstawić jakiś filmy?

[davidpi]

Dziękuje.

Właśnie cały czas próbuje wrzucić coś na YT. Jak tylko mi się uda to podam linki.

[piotreks-89]

No super Ci to wyszło 😉 Prezentuje się naprawdę profesjonalnie. Możesz wrzucić jakiś filmik z działania całej platformy? Mocowania dla serw gdzieś kupiłeś czy zlecałeś ich wykonanie?

[Polecacz 101]

Produkcja i montaż PCB - wybierz sprawdzone PCBWay!
   • Darmowe płytki dla studentów i projektów non-profit
   • Tylko 5$ za 10 prototypów PCB w 24 godziny
   • Usługa projektowania PCB na zlecenie
   • Montaż PCB od 30$ + bezpłatna dostawa i szablony
   • Darmowe narzędzie do podglądu plików Gerber
Zobacz również » Film z fabryki PCBWay

[davidpi]

Kilka rzeczy wykonał mi kolega JarekK z forum. Płyty podstawy i mocowania serw są właśnie od niego.

Platforma i elementy z włókna szklanego zostały wykonane na uczelni w laboratorium CNC.

[mog123]

Analogi z pada od ps2?🙂

[deuther]

Podziwiam, że podjąłeś się równoległego i zrealizowałeś to;) Kawał dobrej roboty! Mam dwa pytania: Mógłbyś wrzucić równania? Jak poradziłeś sobie z prawami do publikacji projektu, nie było problemów ze strony uczelni?

[davidpi]

Analogi z pada od ps2?🙂

Chyba tak. Kupiłem na bazarach za 5pln

Mógłbyś wrzucić równania? Jak poradziłeś sobie z prawami do publikacji projektu, nie było problemów ze strony uczelni?

Odnośnie równań to nie mogę się nimi podzielić, gdyż projekt będzie prawdopodobnie jeszcze rozwijany. Będzie zmiana na napędy pneumatyczne i zrobiona dynamika. Natomiast odnośnie praw to promotor nie miał nic przeciwko umieszczaniu materiałów tutaj więc chyba nie bedzie problemu. Ale oczywiście żadnych istotnych szczegółów technicznych na razie nie mogę zdradzać 😋

[Sen]

Nie rozumiem zbytnio do czego mogłoby być to zastosowane ale konstrukcja ogólnie ok

[davidpi]

Nie rozumiem zbytnio do czego mogłoby być to zastosowane ale konstrukcja ogólnie ok

Zastosowań jest kilka. Można zrobić frezarkę 5-cio osiową montując na platformie wrzeciono. Bardzo często stosuje się takie platformy do budowy symulatorów. Na Kieleckich targach przemysłu obronnego był symulator rosomaka. Kabina osadzona na takiej platformie, symulowała ruchy jakie wykonuje maszyna podczas jazdy w terenie.

[ojebejbe]

Bardzo ładnie wygląda. Estetyka wykonania godna podziwu 🙂

Nie rozumiem zbytnio do czego mogłoby być to zastosowane ale konstrukcja ogólnie ok

Fotel w którym grasz w gry rajdowe, symulujący wszystkie wertepy, etc.

Pozycjonowanie anteny satelitarnej,
itp.

Mógłbyś wrzucić równania?

Ale, że w sensie konkretnie jakie? Do sterowania taką platformą (zadanie odwrotne kinematyki) wystarczy Ci tw. Pitagorasa 😉 Zagadnienie sterowania platformą Stewarta opisane są w jednej z instrukcji laboratoryjnych Pracowni Nauki Programowania i Aplikacji Robotów Przemysłowych Politechniki Łódzkiej.

[deuther]

Nie stwierdziłem konkretnie jakie równania mnie interesują, ponieważ spodziewałem się, że dostane całkowite;) Nie tyle chodzi mi o kinematykę równoległego, co zastosowanie w tej kinematyce (z założenia napędzanej translacyjnie) napędów obrotowych.

[ojebejbe]

Wcześniej nie zwróciłem uwagi na płytki, które pełnią funkcję "ramienia serwa". Nie jest trochę tak, że z platwormy Stewarta zrobił Ci się bardziej robot Delta? 🙂 W sumie sterowanie rotacją (a nie przeniesieniem rotacji na ruch liniowy, np. przekładnią ślimakową, co właściwie można traktować w obliczeniach jako ruch liniowy) takiej platformy nie jest nowym pomysłem.

Nie wiem na ile temat jest do rozwinięcia i nie mam zamiaru umniejszać Twojej pracy (temat jest ciekawy i przede wszystkim nie jest popularny). Chciałbyś raczej rozwinąć projekt pod kątem szybkości efektora, precyzji, czy może obciążalności? Czekam na filmy z kolejnych etapów 🙂

[davidpi]

Projekt ma być rozwijany i zostanie skończony jako praca doktorska. Napędy zostaną zmienione na mięśnie pneumatyczne. Do sterowania zostanie dołożona dynamika. I sterowanie mięśniami prawdopodobnie w logice rozmytej. Do tego trochę pracy badawczej. Zobaczymy co z tego wyjdzie 🙂

[gohandi]

Praca ciekawa, jakby co polecam pracę dr Karpiela .