Чиетчуа Такам Кристиан Исмаель, магистрант

Безмен Пётр Анатольевич, к.т.н., доцент

Россия, г. Курск, Юго–Западный государственный университет

christiantakamismael@gmail.com, pbezmen@yahoo.com

РАЗРАБОТКА И СОЗДАНИЕ МАНИПУЛЯТОРА ТИПА PUMA 560 С ЧЕТЫРЬМЯ СТЕПЕНЯМИ СВОБОДЫ

В данной статье описывается система управления манипулятором типа PUMA 560 с 4 степенями свободы, задачей которого является перемещение объектов с помощью присоски, которая под отрицательным давлением, создаваемым вакуумным насосом, позволит конечному устройству выполнить эту операцию. Чтобы сделать управление роботом возможным, решение, предложенное в данном исследовании, заключается в использовании соединительной платы типа Arduino UNO или Mega, которая является отличным интерпретатором языка программирования.

Ключевые слова: электроника, манипулятор, схема, питание, программирование, микроконтроллер, сервомотор.

Манипулятор PUMA 560 с 4 степенями свободы — это робот с 4 оборотами суставов. Система этого робота состоит из двух частей:

• 
  Механическая структура, которая имеет дело с различными связями и сочленениями от основания до конечного органа.
  
• 
  Электронная структура, которая занимается управлением сочленениями и оконечным органом робота, и его перемещением в рабочем пространстве.
  

Рука манипулятора является механическим компонентом системы и имеет 4 оси вращения, каждая из которых управляется серводвигателем постоянного тока.

Сервомотор — это моторизованная система, способная достигать и поддерживать заданные положения. В случае с роботом PUMA он способен достигать позиций.

Все части руки манипулятора соединены друг с другом с помощью шарниров. Первое сочленение обеспечивается сервомотором типа HS-805BB, который может развивать крутящий момент от 19,8 до 24,7 кг/см, это сочленение заставляет всю конструкцию вращаться вокруг вертикальной оси, второе сочленение обеспечивается вторым сервомотором (HS-475HB), установленным вертикально и обеспечивающим первое вращение вокруг горизонтальной оси, за которым следует второе сочленение с помощью третьего сервомотора (HS-HS422) вокруг горизонтальной оси, параллельной первой оси. Для того чтобы концевой элемент всегда был ориентирован в вертикальном направлении, к концу второго рычага прикреплен четвертый сервомотор. Как показано на рисунках ниже, терминал был разработан для выполнения как минимум двух функций:

---

Писать на горизонтальной поверхности и использование присоски для поднятия предмета из одной точки в другую.





Сервомотор3

воздушный канал

Сервомотор2

Сервомотор4

Пружина

Сервомотор1 Присоска

Плата питания

Arduino UNO

Рисунок 1 – Структурная схема манипулятора с 4 степенями свободы

На рисунке 2 ниже показан вид сбоку манипулятора PUMA, который подчеркивает функцию присоски в рабочем пространстве.



Рисунок 2 – Выделение функции присоски манипулятора

Электронная часть манипулятора состоит из платы питания, платы Arduino UNO или Mega и одножильных и USB проводов.

В конструкцию силовой платы встроен микропроцессор, который управляет электрическими силовыми ораганами (4 серводвигателя суставов робота). Эта плата имеет H-мост и все необходимые соединения, позволяющие подключить ее непосредственно к плате Arduino UNO или Mega.

М одуль Arduino имеет четыре штыревых разъема, специально предназначенных для подключения сервомоторов. Один из двух выходов Н-моста используется для питания вакуумного насоса, который находится на конце руки. На рисунке 3 ниже показана электрическая схема системы.

Рисунок 3 – Электрическая схема силовой платы

В общем, термин сервомеханизм относится к системе, которая включает в себя все необходимые элементы для создания желаемой реакции на внешнюю команду. Серводвигатель состоит из двигателя постоянного тока и всей электроники Серводвигатель состоит из двигателя постоянного тока и всей электроники, которая обеспечивает замкнутый контур для адекватного управления углом поворота вала двигателя, На рисунке 4 показан принцип работы.

---

Рисунок 4 – Принцип работы сервомотора

Управляющий сигнал подается в виде импульсов переменной ширины, соответствующих желаемому углу поворота. Для поддержания заданного положения сигнал должен быть периодическим с частотой от 50 до 100 Гц. Максимальное значение угла поворота может варьироваться в зависимости от модели, но обычно находится в пределах +/- 90°, на рисунке 5 приведены примеры сигналов для 3 положений оси вращения.

_{0° 0° 0°}







Рисунок 4 – Серводвигатели, используемые в манипуляторе

После завершения механической и электронной частей вся система должна быть приведена в действие таким образом, чтобы конечное устройство достигло желаемого положения. Для этого необходимо владение понятиями математического и физического расчета в робототехнике для создания адекватной обратной кинематической модели исследуемой руки-манипулятора. Прямая и обратная кинематические модели определяются в соответствии с диаграммой на рисунке 5.



Совместные переменные Прямая кинематика Отношение терминальный

(углы θ, расстояния d) Обратная кинематика орган (X,Y,Z)

Рисунок 5 – Прямая и обратная кинематика

Для того чтобы заставить реального робота выполнять движения, алгоритм, выполняющий обратную кинематику, должен быть реализован на модуле Arduino, эта программа получает координаты (x, y, z) от команды в среде Matlab, Эта команда затем декодируется и используется в качестве входных данных для программы, выполняющей расчеты обратной кинематики, в результате чего ширина импульсов, управляющих каждым из четырех серводвигателей, позволяет получить необходимые углы (θ

---

₁, θ₂, θ₃, θ₄), соответствующие желаемым координатам (x, y, z). Рисунок 6 иллюстрирует принцип работы системы.



Matlab

(x, y, z, 0/1) ПК

usb

Рисунок 5 – Принцип работы манипулятора

Приведенная выше блок-схема объясняет общую связь между ПК и платой Arduino, управляющей шарнирами руки. Из среды Matlab пользователь посылает через последовательный порт кадр данных, содержащий желаемые координаты (x, y, z), а также состояние всасывающего насоса; четвертый параметр - двоичная переменная, позволяющая включить насос, если эта переменная установлена в 1, и выключить, если она установлена в 0.

С технической стороны, чтобы переместить объект из точки P1 с координатами (X₁, Y₁, Z₁) в точку P2 с координатами (X₂, Y₂, Z₂) с помощью руки манипулятора, необходимо отправить все шаги, которые должен выполнить робот, из скрипта Matlab в следующем формате:

>> fprintf ("PortSérie",’ xyz 0/1 ’)

Приэтом для лучшего отслеживания траектории важно соединить набор точек, описывающих отрезки прямых линий вдоль этой траектории, не забыв выполнить хорошую калибровку сервомоторов манипулятора.

Список литературы

[1] Robotics. Aspects fondamentaux, J.-P. Lallemand, S. Zeghloul, Masson1994, 312 pages. [2] Jean-Louis Boimond " ROBOTICS ", ISTIA, Université Angers.

[3] Jacques Gangloff " Cours de Robotique ".

[4] Notes of course controls of Robots of Handling /master2/automatic and systems/year 2017/2018, University of Blida, Mr Kazed Boualem.

Веб-сайты

[5]Http://edusol.education.fr/sti/sites/edusol.educatin.fr.sti/files/ressources/techniques/5875/5875-industrial-robotics-eduscol-2015_0.pdf, 2015, date accessed, November 2022

[6]Https://www.ensta-bretage.fr/jaulin/mastersds_cours_robot_boimond.pdf,

[7]Https://www.google.fr/webhp?source=search_app&gfe_rd=cr&ei=lzlQWOqWIYv_8AeH9 o_IDg&gws_rd=ssl#q=%C3%A9tymologie+du+mot+robotique

Tcheutchoua Takam Christian Ismael, master's student

Bezmen Petr Anatolievich, Ph.D., Associate Professor

Russia, Kursk, Southwestern State University

christiantakamismael@gmail.com, pbezmen@yahoo.com
DESIGN AND DEVELOPMENT OF A PUMA 560 MANIPULATOR WITH FOUR DEGREES OF FREEDOM
Annotation: In This article describes the control system of a manipulator arm type PUMA560 with 4 degrees of freedom, whose task is to move objects using a suction cup that, under a negative pressure exerted by a vacuum pump, will allow the terminal organ to perform this operation.

To make possible the control of the robot, the solution proposed in this study is to use a linkage board type Arduino UNO or Mega which is an excellent interpreter of programming language.

Keyword: Electronic, manipulator, circuit, power, programming, microcontroller, servomotor.

---

Смотрите также файлы

• Лабораторная работа 2 По дисциплине Моделирование процессов и систем.docx

• .docx

• Российский государственный социальный университет Факультет экологии и техносферной безопасности Практическое задание 1 по дисциплине Надежность технических систем и техногенный риск.docx

• Российский государственный социальный университет Факультет экологии и техносферной безопасности Рубежный контроль 2 по дисциплине Надежность технических систем и техногенный риск.docx

• Горизонт планирования 4 года. Мероприятия.doc