Перечень моделируемого оборудования: промышленный робот PUMA РМ-01, пульт ручного управления, система управления ARPS, рабочий стол, набор объектов-примитивов.

Описание программы

Назначение программы

Данная программа представляет собой программу-тренажёр, которая даёт возможность получения навыков работы с трёхзвенным манипулятором (его моделью). Предложенный манипулятор представляет собой плоскую модель широко распространенного универсального антропоморфного промышленного робота РМ-01; модель имеет внешне схожую конструкцию (с соблюдением всех геометрических пропорций), подобный пульт ручного управления и язык программного обеспечения. Таким образом, студент, научившись работать с предложенной моделью, получит представление и некие навыки по управлению реальным промышленным роботом РМ-01.

Интерфейс программы

Графический интерфейс программы представлен на рисунке 1.

Рис. 1. Графический интерфейс программы

Основными компонентами пользовательского интерфейса программы являются средства отображения информации и органы управления.

Средства отображения информации

К средствам отображения информации относятся:

· графическая модель, которая помимо изображения самого манипулятора (позиция 1) включает рабочий стол, видеокамеру и находящиеся на столе объекты (позиции 2, 3.1 и 4 соответственно);

· поля вывода.

Поля вывода предназначены для выдачи информации пользователю о текущем состоянии модели, предупредительных сообщении, а также сообщений об ошибках (см. таблицу 1).

Таблица 1. Поля вывода

Тип поля	Позиция	Наименование
Информационные сообщения и изображения	5.2	Индикатор скорости
	8	Окно демонстрации выбранной системы координат
	9	Поле вывода относительных координат звеньев
	13	Поле вывода сообщений пользователю
Предупредительные сообщения	13	Поле вывода сообщений пользователю
Сообщения об ошибках	13	Поле вывода сообщений пользователю

Рассмотрим подробнее каждый из этих объектов.

Как уже отмечалось ранее, данная графическая модель является моделью манипулятора РМ-01 – аналога PUMA-560. Манипулятор РМ-01 был разработан первоначально как программируемый универсальный манипулятор для выполнения операций сборки. Его отличает высокая механическая точность изготовления, достаточно мощные приводы постоянного тока. Манипулятор выполняет основные технологические и частично транспортные операции. Его возможности расширены наличием комплекта инструментов, автоматически устанавливаемых на манипулятор.

Максимальная грузоподъемность манипулятора 2,5 кг при общей массе 53 кг. Статическое усилие в рабочей точке инструмента достигает 60 Н.

Манипулятор является антропоморфным, имеет шесть степеней подвижности. Шесть звеньев и основание манипулятора образуют шесть пар звеньев пятого класса. Вращение звеньев осуществляется вокруг осей, проходящих через центры суставов.

Звенья манипулятора могут перемещаться в строго определенном диапазоне: первое звено от -160⁰ до +160⁰, второе звено от -255⁰ до +45⁰, третье звено -45⁰ до 225⁰, четвертое звено от Подпись:
Рис. 2. Графическая модель -110⁰ до +170⁰, пятое звено от -100⁰ до +100⁰, шестое звено от -266⁰ до +266⁰.

Ввиду того, что модель является плоской, для нее реализовано только три степени подвижности – вращение звеньев вокруг осей. Диапазон вращения звеньев аналогичен РМ-01: для первого и второго звеньев -135⁰ до +135⁰, третье звено от -100⁰ до +100⁰. Нумерация звеньев идет от основания. Величина угла поворота звена модели (значение относительной координаты звена) отсчитывается от прямой, проходящей через ось вращения данного звена и центр основания колонны (для первого звена) или ось вращения предыдущего звена (для последней пары звеньев). За положительное направление принято вращение по направлению движения часовой стрелки.

Значения относительных координат звеньев в любой конфигурации модели манипулятора выводятся в полях 9.

Система очувствления модели представлена силомоментным датчиком, встроенным в запястье манипулятора, и системой технического зрения (позиции 3.2 и 3.1).

По запросу оператора на рабочий стол 2 выставляются фигуры 4 (подробнее об операции построения сцены будет рассказано ниже). Управляя манипулятором с помощью пульта ручного управления 5, можно захватывать объекты, переставлять их, составлять пирамиды. Координаты фигур, находящихся на столе, в любой момент можно вывести в окне 13, нажав на ТВК 3. В этом же окне, в зависимости от выбранного режима, выводятся предупреждающие сообщения или сообщения о совершенных ошибках. Программа может работать в двух режимах, выбор производится путем нажатия соответствующих кнопок 6. В режиме А демонстрируется работа системы очувствления с элементами искусственного интеллекта. Все действия оператора контролируются и анализируются программой, и выполняются только те из них, которые программа сочтет корректными, т.е. в результате которых не возникало бы аварийных ситуаций в том случае, если бы оператор управлял реальным манипулятором. Например, при попытке поставить кубик на шарик или выпустить фигуру из схвата, находящегося на большой высоте, будет выдаваться соответствующее сообщение в окне 13 и схват по команде не откроется.

Контрольные задания рекомендуется выполнять в режиме Б. При этом, программа моделирует выполнение всех действий оператора без анализа последствий, к которым они могут привести. Т.е., применительно к предыдущим примерам, схват откроется в любом случае, но фигуры на столе упадут, и работать с ними дальше будет нельзя.

Органы управления

Органы управления представлены кнопками и полями ввода:

· Позиция 5 – пульт ручного управления (ПРУ)

§ 5.1 – Кнопки управления скоростью

§ 5.3 – Кнопки управления схватом

§ 5.4 – Панель кнопок управления степенями подвижности

§ 5.5 – Панель кнопок выбора режима работы манипулятора

· Позиция 6 – кнопки выбора режима работы программы

· Позиция 7 – кнопка построения/обновления сцены

· Позиция 9 – поле ввода относительных координат звеньев

· Позиция 10 – кнопка ввода относительных координат звеньев

· Позиция 11 – поле ввода команд ARPS

· Позиция 12 – кнопка ввода команд ARPS

Пульт ручного управления манипулятора РМ-01

Пульт ручного управления манипулятора РМ-01 используется для управления манипулятором в ручном режиме, для обучения робота точкам, для выполнения проверочных и наладочных работ. Имеется пять режимов работы пульта:

1. COMP – управление манипулятором от ЭВМ. Кнопки управления пульта заблокированы.

2. Подпись:
Рис. 3. Пульт ручного управления JOINT – ручное управление манипулятором для перемещения каждого звена в связанных системах координат.

3. WORLD - ручное управление манипулятором для перемещения инструмента относительно базовой системы координат.

4. TOOL - ручное управление манипулятором в системе координат инструмента.

5. FREE – отключение приводов звеньев манипулятора.

Выбор режима управления осуществляется нажатием соответствующей кнопки на панели пульта (позиция 5.5). Выбранный режим индуцируется светодиодом.

Под обучением промышленного робота понимается программирование, при котором составление и ввод управляющей программы осуществляет человек (оператор) с помощью предварительного перемещения рабочего органа манипулятора и занесением в устройство управления значений параметров движения в виде управляющей программы.

Для обучения робота перемещениям из точки в точку на пульте имеется кнопка «STEP», нажатие которой приводит к записи текущего положения манипулятора в ОЗУ и присвоения ему соответствующего имени точки.

Скорость перемещения рабочего органа манипулятора регулируется нажатием кнопок «SPEED»: «+» или «-». Выбранная скорость соответствует количеству светящихся светодиодов восьмиступенчатого (в данной программе - четырехступенчатого) индикатора. Нажатием кнопок «+» и «-» можно увеличивать или уменьшать скорость.

Кнопки «OPEN» и «CLOSE» обеспечивают управление захватом манипулятора, которое осуществляется в режимах «JOINT», «WORLD», «TOOL».

Рис. 3. Пульт ручного управления

Ручное управление в режиме «JOINT»

Подпись:
Рис. 4. Движение манипулятора в
ручном режиме JOINT Для перехода в указанный режим необходимо нажать кнопку «JOINT» на пульте. С помощью кнопок «+» или «-» соответствующего звена манипулятора с первого по шестое (позиция 5.4) можно увеличивать или уменьшать угол поворота звеньев относительно друг друга. Так как модель имеет три степени подвижности, в каждом из трех указанных режимах инициированы по три пары кнопок. Соответствие между степенями подвижности и управляющими ими кнопками устанавливается по изображению выбранной системы координат (позиция 8). Для режима «JOINT» это кнопки «Y/2» (поворот первого звена), «Z/3» (поворот второго звена) и «RY/5» (поворот третьего звена).

Ручное управление в режиме «WORLD»

Подпись:
Рис. 5. Движение манипулятора в
ручном режиме WORLD

Для перехода в этот режим необходимо нажать кнопку «WORLD» на панели пульта. При нажатии кнопок «X/1», «Y/2», «Z/3» захват манипулятора перемещается вдоль осей базовой системы координат робота. С помощью кнопок «RX/4», «RY/5», «RZ/6» фланец кисти поворачивается вокруг осей базовой системы координат. Этим способом можно задавать ориентацию схвата, не меняя режима работы пульта. В программе инициированы кнопки «Y/2», «Z/3» (перемещение вдоль осей базовой системы координат) и «RX/4» (поворот схвата).

Ручное управление в режиме «TOOL»

Для перехода в указанный режим необходимо нажать кнопку «TOOL» на пульте. Так же, как и в режиме «WORLD», осуществляется перемещение инструмента вдоль осей координат (но не базовой системы, а системы координат инструмента). Ориентация схвата манипулятора задается теми же кнопками, что и в режиме «WORLD».

Перемещение схвата следует производить первоначально в режиме «JOINT» для выхода в рабочую зону и придания ему требуемой ориентации. Для ускорения выполнения данной процедуры относительные координаты звеньев можно вводить в полях 9 (которые одновременно являются, как уже упоминалось ранее, и полями вывода). По нажатию кнопки 10 манипулятор принимает требуемую ориентацию. Режим «WORLD» требует повышенного внимания, так как возможен выход звеньев в крайнее положение и отключение системы управления из-за того, что ЭВМ сама планирует вращение сочленений, исходя из заданного перемещения относительно базовой системы координат.

Начинать работу с ПРУ следует на малой скорости (одна - две риски светодиодного индикатора).

Обучение робота точкам

Обучение робота может осуществляться с использованием ПРУ или в командном режиме (в программе реализован только командный режим обучения). Заданием точек определяют те позиции, в которые должен переместиться инструмент манипулятора.

Существует три типа точек: координатные, абсолютные и комбинированные.

Абсолютные точки имеют перед своим именем знак #. Например, #А2, #COT. С помощью этих точек достигается более высокая точность выхода в заданное положение и однозначность конфигурации манипулятора. Координаты точки определяются в углах поворотов звеньев относительно связанных систем координат. Данный тип точек, в отличие от координатных, нельзя программно преобразовывать и комбинировать с другими точками.

Координатные точки определяются относительно базовой системы координат робота. Координаты схвата манипулятора РМ-01 вычисляются по проекциям начала системы координат рабочего органа манипулятора на оси базовой системы координат и тремя углами ориентации системы координат инструмента.

Командный режим обучения HERE

Для работы в режиме необходимо:

1. С использованием ПРУ вывести манипулятор в требуемое положение.

2. Для запоминания точки ввести с клавиатуры команду HERE A или HERE #A, где A или #A – имя точки в выбранной системе координат.

3. Для ввода координат других точек действие повторить.

Команда HERE, как и другие команды языка ARPS, вводится в окне 11. Запуск выполнения команды осуществляется при нажатии кнопки 12.

Построение сцены

При первом нажатии кнопки 7 осуществляется построение сцены (вывод объектов на рабочий стол) на основе информации, считанной из текстового файла. Если положение фигур в процессе работы как-то менялось, все последующие нажатия данной кнопки приведут к обновлению сцены - объекты будут выставлены на свои начальные позиции согласно текстовому описанию сцены.

Правила построения текстового описания сцены

В данной программе группа объектов представлена четырьмя видами предметов: шар, цилиндр, конус и прямоугольный параллелепипед. Для вывода объекта на экран необходимо знать его тип, координаты и параметры (см. таблицу 2).

Таблица 2. Элементы текстового описания объектов

	Тип объекта	Координата центра основания y	Радиус (радиус основания)	Высота объекта	Ширина объекта
Шар	ball	+	+	+
Конус	cone	+	+	+
Цилиндр	cyln	+	+	+
Параллелепипед	parl	+	+		+

Таблица 3. Пример табличного описания сцены

	Координата центра основания y (мм)	Радиус (радиус основания) (мм)	Высота объекта (мм)	Ширина объекта (мм)
Шар	90	15
Параллелепипед	270		50	35
Цилиндр	350	20	60

Под координатой центра основания для шара подразумевается координата точки касания шара с поверхностью стола.

Координаты и параметры объектов задаются в миллиметрах, отсчет координаты y ведется вдоль стола от левого края. Ширина стола равна 540 мм, максимальный габарит объекта по ширине (ширина раскрытия губок схвата) должен составлять 48 мм.

В текстовом описании сцены на первом месте в переменной number задается общее количество фигур. Далее, через знак &, следует перечень фигур с описанием их типов, параметров и координат. Информация о каждом объекте записывается в одну переменную fig_i (i – порядковой номер объекта в описании, начиная с 0-го), данные нужно перечислять по порядку согласно таблице 2, разделяя их знаком +.

Например, конус с координатой центра основания y = 155 мм, радиусом основания 15 мм и высотой 50 мм будет описываться так: «cone+155+15+50». А информация о сцене, описание которой содержится в таблице 3, представляется следующим образом:

«number=3&fig0=ball+90+15&fig1=parl+270+50+35&fig2=cyln+350+20+60»

Система управления ARPS

Язык программного обеспечения модели создавался по подобию языка программирования робота РМ-01 - ARPS.

ARPS (Advanced Robot Programming System, Усовершенствованная система программирования робота) – система на базе вычислительной машины, предназначенная для управлением роботом т.о., что задание вида работы, выполняемой роботом, осуществляется посредством введения программ в ЭВМ. Возможность программирования, обеспечиваемая системой ARPS, позволяет обучить робот быстро и аккуратно выполнять простые и сложные операции.

Система управления ARPS включает центральную ЭВМ, видеотерминал, накопитель на гибких магнитных дисках (НГДМ), выносной пульт ручного управления и линии входа/выхода. Программирование осуществляется путём записи с клавиатуры видеотерминала инструкций, предназначенных для управления роботом. При необходимости последующего использования программы можно записать на гибкий магнитный диск. Пульт ручного управления используется для обучения робота программируемым точкам позиционирования. С помощью линий входа/выхода робот может управлять различным оборудованием, например, конвейерами, станками, сварочными установками и т.д.

Операционная система ARPS постоянно хранится в программируемом постоянном запоминающем устройстве (ППЗУ) устройства управления. Она содержит инструкции управления роботом, а также ряд вспомогательных функций, с помощью которых выполняется программирование робота методом обучения, запись данных на гибкий магнитный диск и т.д. Обеспечена возможность составления новых программ во время работы робота. Целесообразно составить ряд программ общего использования (библиотеку программ), например, для операций загрузки-разгрузки, круговой интерполяции и т.д. Комбинирование этих библиотечных программ позволяет быстро программировать робот для выполнения более сложных задач и экономить время, необходимое для отладки программ.

Формат команд

Обычный формат команд имеет вид:

КОМАНДА аргумент1, аргумент2, …

КОМАНДА представляет собой последовательность символов, иллюстрирующую операцию, которую следует выполнить. Инструкции могут состоять как из одной части (например, BASE), так и из двух частей (например, ZERO MEMORY), и очень часто могут быть сокращены до одного, двух или трёх символов.

Аргумент1, аргумент2, … - переменные, точки, величины углов и т.д., связанные с командой. Вид и количество аргументов колеблются в зависимости от конкретной команды. В этом руководстве все аргументы написаны прописными буквами. Например, в команде:

DELAY время

время – единственный аргумент команды DELAY, которому пользователь должен придать требуемое значение, например,

DELAY 5

что приведёт к задержке в 5 секунд при выполнении программы.

Если тип аргумента заключён в угловые скобки (например, <время>), то аргумент является необязательным и пользователь не должен обязательно придавать ему значение. В этом случае СУ использует заданное внутреннее значение по умолчанию, которое почти всегда равно нулю. Например,

BASE <dx>, <dy>, <dz>, <z-rotation>

В команде все аргументы являются необязательными и поэтому команда, определяющая переход основной системы координат на 100 мм в направлении по оси Z, может быть записана следующим образом:

BASE , , 100

или

BASE 0, 0, 100, 0

Можно использовать следующие виды аргументов:

1. Целые переменные - буквы от A до Z, цифры от 0 до 9 и знак «.»; первым символом всегда должна быть буква. Рекомендуемая длина до десяти символов.

2. Десятичные числа – от -32768 до 32767.

3. Угловая величина – от -180 до 179.995 с шагом 0.005.

4. Расстояние – от -1024 до 1023.99 с шагом 0.01.

5. Имя точки – строка любой длины символов A – Z, знаков «.» и # или цифр от 0 до 9. Рекомендуемая длина до десяти символов. Знак # только для абсолютных точек.

Пример составления программы на языке ARPS

Предположим, что надо обучить робот простой задаче - переместить деталь. Эту задачу робот может выполнить с помощью следующих отдельных операций:

1. Переместиться над деталью

2. Переместить вплотную к детали

3. Сжать схват

4. Поднять деталь

5. Переместиться в точку над тарой

6. Переместиться вплотную к таре

7. Разжать схват

8. Переместиться обратно в точку над тарой

Вышеуказанная последовательность программного цикла может повторяться столько раз, сколько требуется при условии, что новая деталь автоматически устанавливается вместо предыдущей и старая заготовка убирается из тары, куда робот её положил.

Примечание: Предполагается, что в начале цикла схват манипулятора разжат.

Для того чтобы заставить робот выполнять приведённую выше программу, необходимо записать её, используя язык программирования ARPS.

1. GONEAR PART , 50 (cr)

2. GOS PART (cr)

3. CLOSE (cr)

4. GOSNEAR , 150 (cr)

5. GONEAR BOX , 100 (cr)

6. GO BOX (cr)

7. OPEN (cr)

8. GONEAR , 100 (cr)

Примечание: Точка PART представляет собой место, откуда деталь берётся. Точка BOX – это точка, где деталь устанавливается. Обучение определению точкам рассматривается ниже.

При выполнении программы манипулятор перемещается следующим образом:

1. Манипулятор перемещается в положение на расстоянии 50 мм над деталью

2. Манипулятор перемещается вплотную к детали

3. Осуществляется захват детали

4. Манипулятор перемещается вверх на 150 мм

5. Манипулятор перемещается над назначенной точкой на расстоянии 100 мм

6. Манипулятор перемещается вплотную к назначенной точке

7. Захват разжимается

8. Манипулятор поднимается на 100 мм вверх

Следующим шагом необходимо обучить робот требуемым в программе точкам. Определение точек может быть выполнено различными способами. Ради простоты на этом этапе используется только команда HERE.

Сначала обучим робот точке, в которой выполняется захват детали. С помощью пульта ручного управления перемещаем манипулятор в положение, в котором можно выполнять захват детали. После этого в ЗУ робота записываются координаты данного положения следующим образом:

HERE PART

Соответствующим способом обучают и точке BOX:

HERE BOX

Теперь программа может быть инициирована и можно проверить её функционирование.

Перечень и краткое описание команд программного обеспечения модели манипулятора

Команды для определения точек

HERE

С помощью HERE в ЗУ устанавливается величина точки, равной текущей позиции манипулятора. Формат команды:

HERE точка

где

- точка – положение манипулятора, в которое он был выведен с помощью пульта ручного управления

Например:

HERE A1

значение точки A1 = значение текущей позиции манипулятора (значения y, z)

LOCATE

По этой команде значение одной точки задаётся в качестве значения второй точки. Формат команды:

LOCATE точка1 = точка2

где

- точка1 - точка, чьё значение задаётся в качестве значения точки2

Пример:

LOCATE A1 = A2

в качестве величины точки A2 задаётся точка A1

CHANGE

С помощью этой команды можно изменить значение точек и/или записать новые точки. Формат команды:

CHANGE (точка)

При вводе команды выводится значение позиции и появляется знак вопроса:

CHANGE location? (изменить точку?)

после чего пользователь может задать с клавиатуры новые значения элементам точек, разделённым запятыми. Если значение каких-либо элементов не задано, а на клавиатуре набираются лишь разделительные символы (запятые), то эти значения остаются неизменными.

Пример:

Точка A1 подвергается изменениям следующим образом:

CHANGE A1

x z

------ ------

A1 10,00 5,00

CHANGE location? : 5,

x z

------ ------

A1 5,00 5,00

DISTANCE

По этой команде производится вычисление расстояния между двумя точками в системе координат. Формат команды:

DISTANCE переменная = точка1, точка2

где

- переменная - целочисленная переменная, значение которой задаёт расстояние между точкой1 и точкой2

Пример:

DISTANCE X = LOC1, LOC2

вычисляется расстояние между точками LOC1 и LOC2, величина устанавливается в виде переменной X.

SHIFT

Эта команда используется для перемещения точки в основной системе координат. Формат команды:

SHIFT точка = <dy>, <dz>

где

- dy - расстояние (в мм.), которое прибавляется к значению y точки

- dz - расстояние (в мм.), которое прибавляется к значению z точки

Пример:

SIFT LOC1 = 100, -200

к значению y0 точки прибавляется 100 мм, а из значения z точки вычитается 200 мм.

Команды управления манипулятором

GO

С помощью этой команды можно переместить манипулятор в желаемую точку. Формат команды:

GO точка

Пример:

GO LOC1

манипулятор перемещается в точку LOC1.

GONEAR

С помощью этой команды можно передвинуть манипулятор на нужное расстояние к заданной точке. Форматы команды:

GONEAR <точка>, расстояние

где

- точка – точка записанная в ЗУ. Если точка не задана, то по умолчанию используется текущая позиция схвата робота

- расстояние - расстояние, на которое передвинется манипулятор от желаемой точки. Расстояние измеряется в мм в направлении оси Z системы координат робота

Примеры:

а) GONEAR B1, 100

манипулятор передвинется к точке B1 и будет удалён от неё на расстояние 100 мм

б) GONEAR 100

манипулятор передвинется на 100 мм от текущего положения схвата в направлении оси Z системы координат робота

GO READY

По этой команде манипулятор перемещается в вертикальное положение (углы шарниров 1 = 0, 2 = 0, 3 = 0). Формат команды:

GO READY

Команды управления схватом манипулятора

Этой командой производится сжатие схвата манипулятора. Формат команды:

OPEN

По этой команде происходит разжатие схвата манипулятора. Формат команды:

OPEN

Команды ветвления

По этой команде выполняется сравнение двух чисел между собой и если сравнение истинно, то происходит ветвление программы. Формат команды:

IF число1 cmp число2 THEN JUMP метка

где

- число1 (переменная1) - целочисленная переменная или константа, значение которой является первой величиной сравнения

- число2 (переменная2) - вторая величина сравнения

- cmp – оператор сравнения

<> - не равны

= - равны

> - больше чем

< - меньше чем

> - больше или равна

< - меньше или равна

- метка - метка адреса строки программы, на которую передаётся управление, если сравнение переменной1 и переменной2 оказалось истинным

Пример:

IF A = B THEN JUMP 10

проверяются числа A и B, и если они раны, то управление передаётся на строку с адресом 10.

Специальные команды

SET

С помощью этой команды вычисляется значение для целочисленной переменной. Формат команды:

SET переменная = число1 <ариф. опер.> <число2>

где

- число1 = целочисленная переменная, величина которой задаётся по результату арифметической операции

- число2 = целочисленная переменная или константа.

- ариф. опер. = арифметическая операция переменными число1 и число2. Операторы таковы:

+ - сложение

- - вычитание

* - умножение

/ - деление

MOD – остаток, разность, модуль

AND – двоичное “И”

OR – двоичное ”ИЛИ”

Примеры:

а) SET X = 0

обнуляет переменную X

б) SET X = X+1

к переменной X прибавляется 1