Moderní řízení pohybových stavů mechanické soustavy průmyslového robota prostřednictvím elektromechanických akčních členů

Ing. Jiří Zátopek

Doctoral thesis

Abstract:

Tato dizertační práce se primárně zabývá porovnáním moderních neautonomních metod řízení pohybu, se standardní, léty prověřenou autonomní regulační strukturou, a to na reálném mechatronickém/robotickém systému s dynamickými projevy odpovídajícími chování sériového průmyslového robota antropomorfního typu. V první části práce jsou rozebírány možné typové struktury systému, je vytvořen kompletní konstrukční CAD model a vybráno elektrotechnické vybavení. Dále je popisována výroba první verze prototypu a představeno finální řešení, které zahrnuje vlastní výrobu, sestavení a zprovoznění celého systému. Následující pasáž je věnována softwarové aplikaci, která obsahuje ukázku její struktury s popisem tříd, funkcí, způsobem vzájemné komunikace mezi řídicí a výkonovou částí zařízení a grafickým uživatelským rozhraním. Nezanedbatelná část práce je věnována zpracování obrazu z kamery, kde je detailně popsán celý postup vyhodnocení snímku včetně ukázek zdrojového kódu. Konečná fáze kamerového vyhodnocení využívá komplexní kinematické transformace, kterým je věnována další kapitola. Tyto transformace používají k odvození obecné matice homogenní transformace mimo jiného i CAD model, jehož části jsou využívány v podstatě v celé práci, a výsledky jsou aplikované jak na obrazové vyhodnocení, tak při návrhu zákona řízení. Před samotným odvozením regulátorů je sestaven matematický a fyzikální model, z nichž první zmiňovaný slouží k návrhu řízení a pro základní analýzu chování, druhý uvedený zase k simulacím reálného chování systému, ověření správnosti odvození matematického modelu, ladění regulátoru, ale i např. k výběru akčních členů. Oba modely jsou součástí největší kapitoly, zabývající se řízením pohybu. Tato kapitola popisuje regulaci nakloněné roviny a kuličky, od nastavení proudové smyčky, přes návrh kaskádní P(I)(D) regulace, až po odvození a implementaci jedné z moderních metod řízení pohybu - výpočtu točivých momentů. Všechny naměřené regulační pochody jsou statisticky vyhodnoceny a průběhy vykresleny v přehledných grafech. V poslední části práce je stanoveno celkem 5 kritérií posuzujících kvalitu regulace, na jejichž základě jsou porovnány oba přístupy k řízení pohybu. Zvláštní důraz je po celou dobu řešení kladen na ověření všech dílčích cílů na reálném robotickém systému.

Abstract:

This doctoral thesis primarily focuses on comparing modern non-autonomous motion control methods with a standard, years-proven autonomous control structure on a real-build mechatronic/robotic system with dynamics appropriate to the industrial serial robot behaviour of an anthropomorphic type. In the first part of the work, the possible kinematic structures of the system are analyzed, a complete structural CAD model is created, and the electrical equipment is selected. Next, the prototype fabrication is introduced, and the final solution is presented, which includes the construction, assembly and commissioning of the entire system. The following section is devoted to the software application, which includes a presentation of its structure with a description of classes and functions, the method of mutual communication between the control and power parts of the device, and a graphical user interface. A comprehensive part of the work contains camera image processing, where the entire image evaluation process is described in detail, including source code samples. Camera evaluation uses complex kinematic transformations covered in the next chapter. These transformations use, among others, a CAD model to derive the general transformation matrix, parts of which are used essentially throughout the work, and the results are applied both to image evaluation and to the design of the control law. Before the controllers' derivation, a mathematical and physical model was created. The first mentioned is for the design of the controllers and the fundamental demeanour analysis. The second is for behaviour simulations of the existing system, the mathematical model correctness verification, tuning of the controller, and, for example, the selection of actuators. Both models are part of the most significant chapter dealing with motion control. This chapter describes the inclined plane and ball position regulation, from the current loop setup, through the P(I)(D) cascade regulation design, to the derivation and implementation of one of the modern motion control methods - the computed torques. All measured control processes are statistically evaluated and presented in clear graphs. In the last part of the thesis, five criteria assessing the quality of regulation are established, based on which both motion control approaches are compared. Particular attention is placed on verifying all sub-goals on a real-build robotic system.

Keywords

kulička na nakloněné rovině, řízení pohybu, kinematika, dynamika, sériový průmyslový robot, zpracování obrazu, PID, výpočet momentů

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 22. 9. 2022

Thesis defence

• Date of defence: 8. 12. 2022
• Supervisor: doc. RNDr. Ing. Zdeněk Úředníček, CSc.

Tomas Bata University in Zlín

Faculty of Applied Informatics

Doctoral programme / field:
Engineering Informatics / Automatic Control and Informatics