B e n c s i k A t t i l a I P A R I R O B O T O K V I Z S G Á L A T I, Á L L A P O T - F E L Ü G Y E L E T I É S I R Á N Y Í T Á S I R E N D S Z E R E I N E K F E J L E S Z T É S E Pannon Egyetem Informatikai Tudományok Doktori Iskola D O K T O R I ( P h D ) É R T E K E Z É S T É Z I S E I Témavezető: Piglerné dr. Lakner Rozália V e s z p r é m, 2 0 0 8
1. Kutatási feltételek Munkahelyemen az ipar igényeihez igazodóan, sok éve végzünk ipari robotokkal kapcsolatos kutató-fejlesztő munkát. Ennek keretében elvégeztük ipari robot teljes körű prototípusvizsgálatát, kutatás-fejlesztési célprogram keretében kialakítottunk egy olyan robotvizsgáló laboratóriumot, amely hidraulikus hajtású robotok vizsgálatára szolgál, a robotkar és a hidraulikus rendszer paramétereinek mérései területén. Pályázati támogatással kifejlesztettük ipari robot-manipulátorok működtetéséhez az erővisszajelzéses mesterkar két olyan generációját, a hozzá tartozó mester-szolga-irányítási rendszerrel együtt, amelyek kisköltségűek és közvetlen ipari alkalmazásba vonhatók. Ezen munkák témavezetése és megvalósítása biztosították azt a kutatási hátteret, amely az értekezésben közöltek kidolgozását lehetővé tette. A prototípus vizsgálathoz kidolgozott eljárások tudományos eredményeit foglaltam össze az 1990-ben megvédett egyetemi doktori értekezésemben, melynek tárgya az ipari robotok méréstechnikai vizsgálata volt. 2. Kutatási célkitűzések A kutatás célja a robotika karrendszerei területén pontossági és merevségi vizsgálati eljárások kidolgozása, és a robot működének egészére vonatkozó irányítási, állapot-felügyeleti rendszer megalkotása, továbbá a mester-szolga megoldások hidraulikus erővisszajelzésének fejlesztése és irányítási eljárásainak új megoldásokkal történő gazdagítása.
Az állapotvizsgálat területén a téma legfontosabb irodalmaira alapozva olyan fogalmak és vizsgálatok megalkotása volt a cél, amelyek elsősorban a robotkar-mechanika jellemzőit tárják fel, de oly módon, hogy a mérések eredményei a robot egészére vonatkozó információkat adjanak. Cél volt, hogy a pontossági jellemzők, és azok mérőszámai együttesen jellemezzék az egész robot működési tulajdonságát. Ennek megfelelően dolgoztuk ki a statikus és dinamikus jellemzők definíciójának meghatározását és méréstechnikai megoldásainak kimunkálását is. Kutatási cél volt továbbá olyan statikus és dinamikus merevségi jellemzők és azok méréstechnikai realizációinak kidolgozása, amelyek egyrészt a robotkarmechanika tulajdonságairól tájékoztatnak, másrészt robot-specifikusak. A statikus és dinamikus merevségi jellemzők bemutatásának célja, hogy olyan definitív adatokat szolgáltat, amely az adott ipari robot alkalmazási területének definiálásában segít, és része lehet egy állapotvizsgálaton alapuló minősítési eljárásnak. Az ipari robotok, a komplex automatizálásban általában nyílt kinematikai láncú szerkezeti felépítésük miatt váratlan meghibásodásuk esetén veszélyt jelenthetnek önmagukra és a környezetre. E miatt került előtérbe a robot üzeme közbeni folytonos felügyelet, a rendszeres állapotvizsgálaton alapuló, a meghibásodások megelőzését szolgáló fenntartási rendszerek iránti igény. A robotirányításba integrált állapot-felügyelet megalkotásakor cél volt, hogy
egy sztochasztikus diszkrét idejű lineáris modellen alapuló optimális állapotbecslő jöjjön létre a diszkrét Kalman-féle szűrővel, és robot hajtásához szükséges bemeneti nyomatékok on-line módon legyenek számolhatók, mint a csukló koordináták és sebességek torzítatlan, minimális varianciájú becsléseinek és a korrigált gyorsulásoknak a függvénye, ahol az állapotbecslést a diszkrét Kalman-féle szűrő adja meg. Az erő-visszajelzéses mesterkar és a mester-szolga (master-slave) irányítási rendszer kifejlesztéséhez: elsőként a mester-szolga rendszerek elméleti alapjainak feltárása volt a cél, amely kísérleti vizsgálatok kialakítását és mérések elvégzését követelte a mesterkar konstrukciós típusainak és az erővisszajelzés működtetési sajátosságainak feltárása érdekében. Kutatási-fejlesztési célként fogalmaztuk meg két mesterkar konstrukció megalkotását, az antropomorf (az emberi kar méreteinek megfelelő) és a joystickszerű mechanikai felépítést követve. Kutatási cél volt az erővisszajelzés létező módszereinek tapasztalatait értékelve olyan új erőérzet keltési megoldások kialakítása, amely erőérzékelésnél korszerű informatikai fejlesztéseket használ fel, míg az erőérzet keltés a korszerű ipari gyakorlatban használatos gazdaságos megoldáshoz igazodik. Az erő-visszajelzéses mesterkar konstrukciójának továbbfejlesztését koncentrált paraméterű rendszerek klasszikus modellezéses vizsgálatával
kívántam megalapozni, melynek eredményeit felhasználtam a mester szolga irányítási rendszer kifejlesztésekor. A végrehajtó szerv, egy hidraulikus hajtású masterslave rendszernél a robot manipulátorban és az erőérzet-keltő mesterkarban is azonos esetünkben differenciális (kettős működésű) hidraulikus munkahenger. A hidraulikus szervo szeleppel működtetett kettős működésű munkahenger modellezési megoldásának fejlesztésével az irányítás minőségének javítása volt a cél. 3. Kutatási módszertan A kutatási módszerek kiválasztásánál a célkitűzésekben megfogalmazottak szerinti szempontok kerültek elsősorban figyelembe vételre. Ez tehát azt jelenti, hogy a nyílt kinematikai láncú ipari robotkarhoz illeszkedtek azok a módszerek, amelyek a klasszikus gépvizsgálati elvekből kiindulva a feladathoz tartozó új megoldásokat adták. Ezek a kar vizsgálati, méréstechnikai módszerek melyek alkalmazása az egyetemi doktori értekezésben, illetve azt követően nemzetközi publikációkban kerültek bemutatásra később a mesterszolga rendszerek fejlesztésének két generációja során hasznosultak. További szempont volt a módszerek kiválasztásánál, hogy a mester-szolga rendszerek különféle technológiai folyamatokban nyernek alkalmazást, elsősorban az itt bemutatott kutatási munkában mindenképp a robosztus, nagy teherbírású klasszikus ipari területeken. Az alkalmazott módszerek köre ennek megfelelően az alábbiak szerint csoportosítható.
A statikus pontossági és merevségi vizsgálatoknál mechanikai és a méréstechnikában használatos alkalmazott matematikai eszközöket használtam. A dinamikus merevségi vizsgálatok analízisénél mind az impulzus erőgerjesztéses, mind a harmonikus erőgerjesztéses megoldásnál a frekvencia tartományban alkalmazható matematikai apparátus került alkalmazásra. A robot irányítás és felügyelet kifejlesztésekor a Kalman szűrő alkalmazása jellemezte a munkát. Az összekapcsolt robot manipulátor és mesterkar fejlesztésekor használatos kutatási módszerek kiválasztása: a fejlesztendő objektum rendszertechnikai modellezésével, a paraméterek elméleti és méréstechnikai meghatározásával, valamint, a már elkészült mesterkar képességeinek méréstechnikai vizsgálatával, a modell folyamatos összevetése és pontosítása révén, a végleges megoldás kidolgozása érdekében történt. A kettős működésű munkahengert tartalmazó irányításhoz a választott matematikai módszer a skálázható lágy számítási eljárások lényeges elemeit használja, a hidraulikus munkahenger leírásárára analitikus modellt alkalmaztunk, a dugattyú nulla sebességű beállási fázisában a differenciálási fok és egy speciális külső adaptív hurok hangolásának az egyidejű alkalmazásával.
TÉZISEK 1. TÉZIS. Továbbfejlesztettem és rendszerbe foglaltam az ipari robotkarnak a különféle irányok és mozgási sebességek, valamint orientációk szerinti pályabefutásához illetve pozicionáláshoz tartozó pontossági jellemzőit, amelyek egyrészt egységes definíciós szerkezetben megadhatók, másrészt az ipari gyakorlatban közvetlenül felhasználhatók. Alkalmazástechnikai szempontok figyelembevételével kidolgoztam a méréstechnikai vizsgálat rendszerét, amely a statikus és dinamikus pontosságok méréstechnikai vizsgálatához és azok feldolgozására alkalmas. 2. TÉZIS. 2.1 Kialakítottam egy a nyílt kinematikai láncú mechanizmusok területén használható új, szabályozott statikus erőgerjesztésű merevségi vizsgálati eljárást, amely automatikus mérésszabályozási és mérés-feldolgozási rendszert tartalmaz, amely alkalmazható a statikus merevség (és annak reciproka) meghatározására ipari robotoknál, és biztosítja a robotkar merevségének méréstechnikai vizsgálatát. 2.2 Felismertem, hogy az impulzus- és harmonikus erőgerjesztéses dinamikus merevségi vizsgálattal egységes szemléletű vizsgálati rendszer alakítható ki a robottechnikában.
Kidolgoztam 3. TÉZIS. a különböző nagyságú és tömegeloszlású ipari robotkarok vizsgálatához illeszkedő impulzus gerjesztéses merevség definícióját, a rendszer méréstechnikai megvalósítását, és a mérési algoritmus speciális számítástechnikai feldolgozását, és a harmonikus erőgerjesztéses dinamikus merevségi vizsgálathoz tartozó eljárást. Kimunkáltam a Kalman-szűrő kínálta lehetőségek sajátos robottechnikai alkalmazhatóságát, és bevezettem robotmechanizmusok irányítási és állapot-felügyeleti problémáinak megoldására, ezen belül új, egységes alapelvű rendszert dolgoztam ki ipari robotok irányítására és állapot-felügyeletére, amely az általános koordináták és sebességek mérésén, illetve ezen állapot-jellemzők Kalman-szűrő által generált becslésén alapul, Az alap irányítási algoritmus továbbfejlesztéseként megadtam annak adaptív változatát, amely robosztus a jelentősebb dinamikai paraméter bizonytalanságokkal (inercia mátrix, geometriai paraméterek, tömegek, súrlódás, változó vagy ismeretlen terheléssel) szemben. Kimutattam, hogy az irányítás továbbfejlesztésével a hibadetektáló rendszer ciklikus működésű robotokra alkalmazható.
4. TÉZIS. Az emberi képességek és készségek figyelembevételével a mesterkarok két technikai realizációs csoportját alakítottam ki, az egyik antropomorf jellegű a másik joystick-szerű mechanikai felépítésű. Új, erőérzékelést valósítottam meg az úgynevezett közvetett erőérzet keltés területén, ahol 6D-s elektronikus erőérzékelés és jelfeldolgozás után proporcionális hidraulikus nyomáscsökkentő elemek alkalmazásával hidraulikus hengerek állítják elő azokat az erőket, melyeket a kezelő személy érez. 5. Tézis. Az általam kidolgozott, új irányítási megoldás az adaptív szabályozás és a törtrendű deriváltak kombinációját alkalmazza pontatlanul és részlegesen ismert, erősen csatolt, nemlineáris rendszerek szabályozására, amelyben lokálisan nem linearizálható diszkontinuitások is jelen vannak. A differenciális hidraulikus munkahenger szabályozásában az adaptív rész szerepe a modellezési hibák és külső erők hatásának kompenzálása volt. A diszkontinuitások környékén a hosszú memóriájú törtrendű deriváltak szűrték ki a visszacsatolt rendszerben a sebesség zérusátmeneteinél hektikusan fluktuáló súrlódási erőket a visszacsatolásból, míg a diszkontinuitásoktól távol a deriváltak memória nélküli egész rendű deriváltakká alakultak, lehetővé téve, hogy az adaptivitással kiegészített PID jellegű szabályozó pontos pályakövetést valósíthasson meg.
PUBLIKÁCIÓK Az értekezést megalapozó publikációk [1] Bencsik, A, Rudas, I.: Application of Linear Filtering in Industrial Robot Control. IEEE International Workshop on Intelligent Motion Control 20-22 August 1990. Bogazici University, Istambul T. 1.BC.5. [2] Bencsik, A., Rudas I.: Measurement of hydraulic characteristics for development of hydraulic master arm with force feedback. JUROB '90. Rijeka, 09 do 12.04.1990. III. 16. [3] Bencsik, Attila: Measure-Technical Examination of Static and Dynamic Characteristics of Industrial Robots. Symposium on Electronic Technology 90. September 17-21. Budapest V.5. [4] Rudas, I., Bencsik, A.: Computer aided design of robot manipulators. SEFI Annual Conference; Design in Engineering Education Dublin 90 4-7 September pp. 299-298. [5] Bencsik, Attila: Masterarm for Teleoperation Tasks with Sense of Force, Symposium on BIES, 29 Okt. 1992, Budapest, Hungary pp. 33. [6] Bencsik, Attila: Technical Solution of Hydraulic Force Reflection at Master-Slave Manipulators, 9 Th. ISARC, International Symposium on Automation and Robotics in Construction, June 3-5, 1992, Tokyo, Japan, pp.223-232. [7] Bencsik, Attila, Rudas Imre: Adaptive Control of Force Constrained Robot Manipulators using Master-Slave System 1CAR 92 IEEE International Workshop on Emerging
Technologies and Factory Automation, August 11-14, 1992, Melbourne, Australia, pp. 619-623. [8] Bencsik, Attila: Development of Master Slave Manipulator with Intelligent Force Perception and Force Reflection. 24. Th. ISIR, International Symposium on Industrial Robots, November 4-6, 1993. Tokyo, Japan, pp. 311-318. [9] Bencsik, Attila, Beke, Lajos: Force-Reflection Master Arm of Joystick- Like Structure for System of Telemanipulation. ISIE 93. IEEE International Symposium on Industrial Electronics June 1-3, 1993, Budapest, Hungary, pp. 728-733. [10] Bencsik, Attila, Rudas, Imre: Mechatronic Development for Force Feedback Teleoperation System IECON 93. International Conference on Industrial Electronics Control and Instrumentation, November 15-19, 1993. Hawaii., USA pp. 57-61. [11] Bencsik, Attila, L., Garai, Valeria: A Mechatronic System with Force Feeling to Increase the Activity of Manipulator Control. IECON 94 (20th International Conference on Industrial Electronics Control and Instrumentation) Sep. 5-9. 1994. Bologna, Italy pp. 1650-1654. [12] Bencsik, A., Rudas I., J., Horvath, L.: Outline of a New Formalism to Modelling of Manufacturing Processes. Proc. of the 113th Pannon Applied Mathematical Meeting (PAMM), 1995, Slovak Republic, pp. 176-180. [13] Bencsik, A., Rudas I., J.: Simulation Tool for Interactive Design of Force Reflecting Master Arms. Bulletins for Applied Mathematics 947/94. The 25th Year's Jubilee Meeting in London, United Kingdom, pp. 99-105.
[14] Bencsik Attila: 10 év a mechatronika szolgálatában Mechatronika Szeminárium MTA SzTAKI 1996. Az értekezés témájában készített publikációk [15] Bencsik, Attila, L., Suszter, György: Investigation of Robot Arm Rigidity, Mechatronics, An International Jouenal Vol 3. No. 2 April 1993, ISSN 0957 4158. [16] Bencsik, Attila, Suszter, György: Accuracy Features Measurement of Industrial Robots, Mechatronics, The Basis for New Industrial Development Computational Mechanics Publications, Southampton, Boston, pp. 153-158, ISBN 1 85312 367 6, 1 56252 291 4. [17] Bencsik, Attila, L: Kalman-Filter Based Control and Performance Monitoring Systems, Journal of Advanced Computiational Intelligence and Intelligent Informatics Vol.8. No.5 Sep. 2004, pp. 535-543, ISSN 1343 0130. [18] Bencsik, Attila, L, Rudas, Imre J.: Performance Monitoring and Control of Robotic Manipulator Using Kalman Filter Approach WSEAS Transactions on Systems Issue 5. Vol. 3. July 2004 pp. 2254-2259, ISSN 1109 2777. [19] Bencsik, Attila: Robot irányítási és felügyelő rendszerek Proc. 14th International Conference Mechanical Engeneering (OGÉT 2006) Marosvásárhely pp. 50-53, ISBN 978 7840 10 2. [20] Bencsik, Attila: Teleoperációs rendszerek erővisszajelzési problémája, GÉP XLV. évfolyam, szeptember, 1993. pp. 19-27, ISSN 0016-8572.
[21] Bencsik, Attila: Hidraulikus működtetésű teleoperációs rendszerek alkalmazásának lehetőségei és korlátai, XI. Nemzetközi Pneumatika.Hidraulika Konferencia és Kiállítás 2004. szeptember 21-23 Miskolc-Eger (PNEU-HIDRO 2004). [22] Bencsik, Attila L.: Robotvizsgálatok teleoperációs rendszerek fejlesztésében Dunaújvárosi Főiskola Közleményei XXVI/I. Dunaújváros 2005, pp. 37-45, ISSN 1586 8567. [23] Bencsik, Attila L.: Mester-szolga rendszerek erővisszajelzési módszerei Proc. 12th International Conference Mechanical Engineering (OGÉT 2002) Csíksomlyó pp. 33-37, ISBN 973 86097 9 8. [24] Tar, József, K, Bitó János, F., Pátkai, Béla, Bencsik, Attila, L.: Non-linear Improvement o fan Intelligent Adaptive Controller Designed for Hydraulic Differential Servo Cylinders, Proc. 1st Slovalian-Hungarian Joint Symposium on Applied Machine Intelligence (SAMI 2003) Herlany pp. 75-86, ISBN 963 7154 14 0. [25] Tar, József, K, Bencsik, Attila, L.: Integration of Soft Computing and Fractional Derivatives in Adaptiv Control Computing and Informatics, Vol. 24, 2005, pp. 603-616 ISSN. [26] Bencsik, Attila, L, Bede, Barnabás, Tar, József, K., Fodor, János: Fuzzy Differential Equations in Modeling of Hydraulic Differential Servo Cylinders Proc. 3rd Romanian-Hungarian Joint Symposium Applied Computational Intelligence (SACI 2006) Temesvár pp. 536-547, ISBN 963 7154 46 9. [27] Bede, B., Rudas, I.,J., Bencsik, A.,L.: First Order Linear Fuzzy Differential Equations under Generalized Differentiability Information Sciences, 177 (7) 1648-62, 2007.