3-DOF-rinnakkaismanipulaattori pallon tasapainotukseen
Pollari, Miko (2025)
2025
Teknisten tieteiden kandidaattiohjelma - Bachelor's Programme in Engineering Sciences
Tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunta - Faculty of Engineering and Natural Sciences
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2025-09-26
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202509259526
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202509259526
Tiivistelmä
Rinnakkaismanipulaattori on robottityyppi, joka koostuu useammasta ohjattavasta varresta. Varsien yhteisvaikutuksella pyritään orientoimaan ja liikuttamaan tasoa, johon on kiinnitetty esimerkiksi jokin työkalu. Yksi tunnettu teollisuudessa esiintyvä rinnakkaismanipulaattori on deltarobotti. Yleisesti poiminta- ja asetustehtävässä käytetään deltarobotteja, joiden ohjattavissa tasoissa on kiinni poimintalaite. Deltarobottien on toimittava nopeasti ja tarkasti, jonka takia niissä säädön onnistuminen tärkeää.
Tässä työssä suunniteltiin ja rakennettiin 3-DOF (Three Degrees of Freedom) -rinnakkaismanipulaattori tasapainottamaan yksiväristä palloa. Työssä käsiteltiin laitteen fyysistä rakennetta, konenäköä ja säätöä. Rakenteeksi valikoitui 3-RRS-rakenne (Revolute-Revolute-Spherical), jossa robotilla on kolme kättä. Yhden käden kinemaattinen ketju koostuu kahdesta sarananivelestä (engl. revolute joint) ja pallonivelestä (engl. spherical joint). Laitteen käsiä ohjattiin servomoottoreilla, sillä ne voitiin asettaa suoraan haluttuihin kulmiin.
Säädön mahdollistamiseksi tarvittiin mittauksia pallon sijainnista. Nämä mittaukset suoritettiin yksinkertaisen itsekehitetyn konenäköalgoritmin avulla, jonka tehtävänä oli paikantaa yksivärisen pallon keskusta. Kamerana työssä käytettiin geneeristä USB-verkkokameraa (Universal Serial Bus).
Työssä keskityttiin takaisinkytketyn säädön suunnitteluun. Säätörakenteeksi valikoitui tilatakaisinkytkentäsäätö. Tilamallia varten laitteen tiloiksi valittiin pallon x- ja y-koordinaatit sekä x- ja y-suuntaiset nopeudet. Pallon paikka saatiin suoraan mittauksista, mutta nopeudet estimoitiin paikkamittauksista. Paikat tiloina mahdollistivat pallon siirtämisen juuri tason keskelle. Puolestaan nopeudet tiloina mahdollistivat pallon pysäyttämisen. Laitteen dynamiikka johdettiin löytämällä relaatio servojen kulmien ja pallon kiihtyvyyden välille. Saatu tilamalli linearisoitiin, koska työssä hyödynnettiin lineaarista LQR-menetelmää (Linear Quadratic Regulator) takaisinkytkentävahvistusmatriisin laskemiseen. LQR-menetelmä laskee sellaisen vahvistusmatriisin, joka minimoi kustannusfunktion. Kustannusfunktioon valitaan tiloille ja ohjauksille painot, jotka määrittävät kuinka paljon kustannusta tietyt tilat ja ohjaukset aiheuttavat. Malli myös diskretoitiin rajatun näytteistystaajuuden takia.
Työn tuloksista nähtiin, että laite onnistui tasapainottamaan palloa, vaikka sen sijaintia häirittiin ulkoisesti. Nopeuksien vieminen nollaan onnistui hyvin, mutta pallon paikkaan jäi satunnaisesti tasapainotilan virhettä. Testaukset viittasivat itse pallon epätasaisen massan aiheuttavan tasapainotilan virheen.
Tässä työssä suunniteltiin ja rakennettiin 3-DOF (Three Degrees of Freedom) -rinnakkaismanipulaattori tasapainottamaan yksiväristä palloa. Työssä käsiteltiin laitteen fyysistä rakennetta, konenäköä ja säätöä. Rakenteeksi valikoitui 3-RRS-rakenne (Revolute-Revolute-Spherical), jossa robotilla on kolme kättä. Yhden käden kinemaattinen ketju koostuu kahdesta sarananivelestä (engl. revolute joint) ja pallonivelestä (engl. spherical joint). Laitteen käsiä ohjattiin servomoottoreilla, sillä ne voitiin asettaa suoraan haluttuihin kulmiin.
Säädön mahdollistamiseksi tarvittiin mittauksia pallon sijainnista. Nämä mittaukset suoritettiin yksinkertaisen itsekehitetyn konenäköalgoritmin avulla, jonka tehtävänä oli paikantaa yksivärisen pallon keskusta. Kamerana työssä käytettiin geneeristä USB-verkkokameraa (Universal Serial Bus).
Työssä keskityttiin takaisinkytketyn säädön suunnitteluun. Säätörakenteeksi valikoitui tilatakaisinkytkentäsäätö. Tilamallia varten laitteen tiloiksi valittiin pallon x- ja y-koordinaatit sekä x- ja y-suuntaiset nopeudet. Pallon paikka saatiin suoraan mittauksista, mutta nopeudet estimoitiin paikkamittauksista. Paikat tiloina mahdollistivat pallon siirtämisen juuri tason keskelle. Puolestaan nopeudet tiloina mahdollistivat pallon pysäyttämisen. Laitteen dynamiikka johdettiin löytämällä relaatio servojen kulmien ja pallon kiihtyvyyden välille. Saatu tilamalli linearisoitiin, koska työssä hyödynnettiin lineaarista LQR-menetelmää (Linear Quadratic Regulator) takaisinkytkentävahvistusmatriisin laskemiseen. LQR-menetelmä laskee sellaisen vahvistusmatriisin, joka minimoi kustannusfunktion. Kustannusfunktioon valitaan tiloille ja ohjauksille painot, jotka määrittävät kuinka paljon kustannusta tietyt tilat ja ohjaukset aiheuttavat. Malli myös diskretoitiin rajatun näytteistystaajuuden takia.
Työn tuloksista nähtiin, että laite onnistui tasapainottamaan palloa, vaikka sen sijaintia häirittiin ulkoisesti. Nopeuksien vieminen nollaan onnistui hyvin, mutta pallon paikkaan jäi satunnaisesti tasapainotilan virhettä. Testaukset viittasivat itse pallon epätasaisen massan aiheuttavan tasapainotilan virheen.
Kokoelmat
- Kandidaatintutkielmat [10747]