234 Ventil 17 /201 1/ 3 Robotski krmilnik za hidravlično teleskopsko dvigalo AVTOMATIZACIJA V GRADBENIŠTVU Justin ČINKELJ, Roman KAMNIK, Peter ČEPON, Matjaž MIHELJ, Marko MUNIH Dr. Justin Činkelj, univ. dipl. inž., izr. prof. dr. Roman Kamnik, univ. dipl. inž., mag. Peter Čepon, univ. dipl. inž., izr. prof. dr. Ma- tjaž Mihelj, univ. dipl. inž., prof. dr. Marko Munih, univ. dipl. inž, Univerza v Ljubljani, Fakulteta za elektrotehniko Izvleček: Avtomatizacija v gradbeništvu lahko skrajša čas izvedbe in izboljša delovne pogoje. V prispevku pred- stavljamo razvoj robotskega vodenja za hidravlično teleskopsko dvigalo, ki je namenjeno za avtomatizacijo montaže fasadnih elementov. Projekt je izveden na pobudo in s financiranjem podjetja Trimo iz Trebnjega. V delu so predstavljene lastnosti teleskopskega dvigala, identifikacija parametrov in razvoj zaprtozančnega vodenja. Eksperimentalni preizkusi na stroju kažejo zadovoljive lastnosti za uporabo v praktični aplikaciji. Ključne besede: hidravlični sistem, teleskopski manipulator, robotsko vodenje 1 Uvod V gradbeništvu gradbeni delavci opravljajo težaška opravila v vseh vremenskih razmerah. Trendi uvajanja avtomatizacije v gradbeništvu, ki bi izboljšali delovne pogoje in kvaliteto, zaostajajo za trendi uvajanja robot- skih sistemov v klasičnih industrijskih okoljih [1]. Če so v industriji roboti že postali standardni del proizvodne tehnologije, predvsem za manipu- lacijo in varjenje obdelovancev, je v gradbeništvu mogoče srečati le posamezne primere prototipnih naprav za avtomatizacijo nekaterih delovnih operacij [2, 3, 4]. Vzrok za težave pri razvoju avtomatizacije v gradbeništvu je moč iskati v izraziti nestrukturiranosti delovnega okolja, spremenljivosti posameznih projek- tov, velikosti delovnega prostora in velikih obremenitvah. Delo pred- stavlja razvoj robotskega sistema za avtomatizacijo montaže fasadnih panelov v gradbeništvu [5]. Projekt avtomatizacije montaže fasadnih panelov je zasnovalo in financiralo podjetje Trimo iz Trebnjega. V pro- jektni skupini so sodelovali razisko- valci podjetja Trimo, Fakultete za elektrotehniko v Ljubljani, Tehniške univerze v Gradcu in podjetja Moto- man, Ribnica. Operacija montaže fasadnega pane- la je sestavljena iz manipulacije oz. prenosa panela do fasade, finega pozicioniranja in vstavitve v režo ter privijačenja. Za namene prijema pan- ela, finega pozicioniranja, vstavitve v režo in privijačenja je bil razvit robot- ski mikromanipulator, ki je nameščen na vrhu teleskopskega dvigala. Za manipulacijo montažnega pane- la skupaj z mikromanipulatorjem od odjemnega mesta do mesta montaže na fasado služi hidravlično teleskopsko dvigalo. Skupna obre- menitev dvigala s težo panela in mikromanipulatorja znaša 2000 kg. Zahteve za natančnost pozicioni- ranja bremena znašajo 0,1 m znotraj krogelnega delovnega prostora pol- mera 10 m. V prispevku je predsta- vljen zaprtozančni robotski sistem vodenja za komercialno dosegljivo teleskopsko dvigalo, ki ustreza zastavljenim zahtevam in omogoča uporabo v različnih načinih delova- nja. Drugo poglavje predstavlja me- hansko konfiguracijo in zasnovo pro- gramske opreme za zaprtozančno vodenje. Tretje poglavje predstavlja metodologijo praktične evalvacije kvalitete vodenja v zunanjih koordi- natah, četrto pa izmerjene rezultate. 2 Opis sistema 2.1 Zasnova strojne opreme Za osnovo sistema za manipulacijo mikromanipulatorja in panelov smo izbrali komercialno dosegljivo av- todvigalo s teleskopsko roko Merlo Roto 45.21 MCSS. Zaradi potrebe po hkratnem gibanju več osi je bila pri proizvajalcu vgrajena večja hidravlična črpalka s pretokom 145 l/min pri najvišjih obratih dizelskega motorja 2300 obr/min ter hidravlični ventili z deljenim pretokom, ki omogočajo hkratno gibanje več osi tudi ob preseženi pretočni zmoglji- vosti črpalke. Za doseganje poljubne pozicije in orientacije vrha mora mehanizem vsebovati šest prostostnih stopenj gibanja. Osnovna konfiguracija dvi- 235 Ventil 17 /201 1/ 3 AVTOMATIZACIJA V GRADBENIŠTVU gala jih vsebuje le štiri, zato sta bili na dvigalo dodatno vgrajeni še dve orientacijski prostostni stopnji, gnani s hidravličnimi aktuatorji. Na sliki 1 je prikazano hidravlično teleskopsko dvigalo z nadgrajeno konfiguracijo 6 prostostnih stopenj (DOF). Za izvedbo zaprtozančnega vodenja smo v posamezne osi dvigala vgradili senzorje pozicije in razvili strojno in programsko opremo za vodenje. Na dvigalo je bilo vgrajenih 5 rotacijskih resolverjev in 1 žični merilnik razdalje. Na sliki 2 so prikazani ključni elemen- ti osnovnega dvigala (zelena barva) ter dodatno vgrajene komponenete (rumena barva). Pri osnovnem dvi- galu krmilnik dvigala preslika si- gnal ene osi krmilne palice v krmilno napetost ustrezne hidravlične osi, kar omogoča zgolj ročno vodenje v sklepnem koordinatnem sistemu. Varnostna enota lahko ustavi gibanje z izklopom glavnega ventila. Za iz- vedbo zaprtozančnega vodenja sta poleg dveh dodatnih prostostnih stopenj in senzorjev pozicije ključna RT-krmilnik (ang. real-time) in WDT- modul (ang. watchdog timer). RT- krmilnik zajema signale senzorjev pozicije in zaprtozančno izračunava krmilno napetost ventilov. Program- ska oprema omogoča gibanje v kartezičnem koordinatnem sistemu ter gibanje med vnaprej posnetimi ali sproti izračunanimi točkami. WDT-modul nadzoruje časovno pravilnost delovanja RT-krmilnika (tj. ali RT-krmilnik deluje v realnem času, znotraj po- danih časovnih omejitev). Če se ta ne odziva v določenem časovnem oknu, WDT-modul iz- klopi električno napajanje hidra- vličnih ventilov. Zadnji dve kom- ponenti sta še GUI (ang. graph- ical user inter- face) PC in zas- lon na dotik. GUI PC izvaja poleg uporabniškega vmesnika še izračun ciljnih točk za dvigalo, ki jih nato pošlje RT-krmilniku. GUI PC in RT-krmilnik sta grajena na osnovi procesorskih modulov PC/104. RT- krmilnik vsebuje tri dodatne mo- dule – za analogne vhode, analogne izhode in CAN-vodilo (ang. Controler area network). 2.2 Zasnova strojne opreme Za zaprtozančno vodenje gibanja smo na najnižjem nivoju za vsako os realizirali svoj regulator, ki deluje ne- odvisno od ostalih osi. Struktura re- gulatorja je prikazana na sliki 3. Vhoda sta referenčna hitrost in po- zicija. Za rotacijske osi (prva in šesta os) sta to kar hitrost in pozicija same osi. Enako velja za tretjo (izteg tel- eskopa) in peto os. Pri drugi in četrti osi pa smo izvajali regulacijo na nivoju gibanja cilindra in upoštevali nelinearno povezavo med zasu- kom sklepa in pomikom cilindra. Pri vodenju četrtega sklepa (nagib vilic) smo upoštevali še hidravlično povezavo z drugim sklepom (nagib teleskopa), ki ohranja konstanten na- klon. Oba sklepa skupaj s kompen- zacijskim cilindrom namreč pred- stavljata hidravlični paralelogram. Strukturo regulatorja predstav- lja regulator PI s hitrostno naprej zaključeno zanko in kompenzacijo pozitivnega prekrivanja bata ventila. Hitrostna naprej zaključena zanka je namenjena skrajšanju odzivnega časa ventila in s tem tudi sistema, kompenzacija pozitivnega prekriva- nja bata ventila odpravlja mrtvi hod kot največjo nelinearnost sistema, integrirni člen pa odpravi napako v ustaljenem stanju. Na sliki 3 je hitrostna naprej zaključena zanka predstavljena s konstantnim ojačanjem, čeprav je v resnici realizirana z vpogledno tabe- lo (vhod - hitrost, izhod - krmilna na- petost). Na ta način smo upoštevali nelinearnost statične karakteristike ventila. Ojačanji K p in K i sta konstan- tni, zaradi asimetričnosti hidravličnih cilindrov pa uporabljamo dve različni vrednosti, ki sta odvisni od smeri gibanja (predznaka hitrosti) posa- meznega sklepa. Hidravlični sistem je napajan s črpalko, ki deluje po principu zazna- vanja bremena. Princip delovanja vnaša zakasnitve v odzivu, kar niža frekvenčno širino zaprtozančnega Slika 1. Hidravlično teleskopsko dvigalo Merlo ROTO MCSS 45.21 za manipulacijo bremena z maso 2000 kg Slika 2. Komponente sistema za zaprtozančno vodenje hidravličnega teleskopskega dvigala 236 Ventil 17 /201 1/ 3 vodenja, hkrati pa to vpliva na delovanje ventila. Zato smo izvedli kompenzacijo prekrivanja ventila glede na tlak zaznavanja bremena. Pri nižjem tlaku uporabimo višjo krmilno napetost (rdeča krivulja) kot pri višjem tlaku (zelena krivulja). Za zaprtozančno vodenje dvi- gala v zunanjih koordinatah (tj. v svetovnem, kartezičnem koordi- natnem sistemu – WCS) smo razvili direktni kinematični model, tj. pres- likavo iz notranjih koordinat – pozicij sklepov (JCS), v zunanje koordinate ter inverzni kinematični model, tj. preslikavo iz zunanjih koordinat v notranje. Direktno kinematiko smo opisali po Denavit-Hartenbergovi metodi. Inverzna kinematika serijskih mehanizmov s 6 DOF je analitično rešljiva samo za tipe mehanizmov, pri katerih se tri zaporedne osi ro- tacije sekajo v isti točki ali so pa- ralelne. To za obravnavni meha- nizem ne velja, zato smo uporabili iterativni numerični algoritem. Pozi- cijsko napako v zunanjih koordina- tah v(t k ) pretvorimo v notranje koor- dinate preko množenja z inverzno analitično Jakobijevo matriko J −1 q(t k ). Dobljeno hitrost Δq˙(t k ) uporabimo za izračun popravka pozicije sklepov Δq(t k ). Z Δq(t k ) korigiramo trenut- no vrednost pozicije sklepov q(t k ), da dobimo novo vrednost q(t k+1 ) za naslednjo iteracijo. Numerična vrednost matrike J je izračunana iz geometrijske Jakobijeve matrike J g . Uporabljeni postopek zahteva kot vhodne podatke Denavit-Hartenber- gove parametre in trenutne pozicije sklepov. Planiranje trajektorije gibanja je bilo izvedeno na nivoju programske opreme. Vsak korak za premik pane- la pomeni eno ciljno točko za dvi- galo. Vmesne lege med začetno in končno točko izračunava RT-krmilnik z uporabo trapeznega hitrostnega profila. Vnaprej definirane ome- jitve hitrosti in pospeška so upora- bljene pri izračunu hitrostnega pro- fila. Izračunane vrednosti dinamično omejujemo glede na kapacitete hidravlične črpalke, pri gibanju v bližini končne lege sklepov in pri preprečevanju trčenja med mikro- manipulatorjem in segmenti dvigala. 3 Praktična evalvacija robotsko vodenega dvigala Izvedli smo praktično evalvacijo kvalitete zaprtozančnega vodenja v zunanjih koordinatah. Gibanje vrha dvigala smo izmerili z neodvisnim merilnim sistemom za merjenje kin- ematike gibanja. Uporabili smo brez- kontaktni optični me- rilni sistem Optotrak Certus. Si- stem upora- blja pozici- jske senzorje (kamere), ki merijo pozi- cijo aktivnih infrardečih markerjev. Dosegljiva je natančnost prostorske- ga merjenja pozicije do 0,1 mm. Na vrh dvigala smo pritrdili dve skupini štirih mark- erjev, ki vsaka določa lego enega koordinatnega sistema. Definirali smo tri skupine testnih gi- bov. Prva skupina sledi standardu za testiranje industrijskih robotov ISO 9283 (ang. Manipulating industrial robots – Performance criteria and related test methods), ki predpisu- je gibe med točkami t. i. ISO-kocke. ISO-kocka je predstavljena na sliki 4. Da bi testirali čim daljše gibe, smo testne točke ustrezno premaknili, s čimer je kocka postala kvader. Testni gibi so na sliki poudarjeni z debe- lo črto. Vključeni so diagonalni gib (točki T 1d in T 2d ) ter gibi vzdolž osi zunanjega koordinatnega sistema (pari točk T x , T y in T z ). 4 Rezultati Najpodrobneje smo analizirali hkrat- no večosno gibanje vrha dvigala v zunanjih koordinatah. Zanimali so nas parametri ponovljivosti končnih točk, napaka sledenja trajektorije in ponovljivost sledenja trajektorije pri izbranih testnih gibih. Ponovljivost končnih točk vseh gibov je prikazana na sliki 5. Vsak gib vsebuje dve točki, zato je re- zultat podan z dvema številkama za vsak par točk. Gibu vzdolž stranic in diagonale ISO-kocke ustrezajo točke Tx, Ty, Tz in Td, gibom za posnemanje nameščanja panela na fasado točke Fx, Fxy in Fz, gibu s hitro zaustavitvijo pa točki Sl in Sd. Slika 3. Regulacijska shema za zaprtozančno vodenje posameznega sklepa dvigala Slika 4. Testni gibi glede na ISO-kocko AVTOMATIZACIJA V GRADBENIŠTVU 237 Ventil 17 /201 1/ 3 Najslabša izmerjena ponovljivost znaša 8 mm. Med gibi vzdolž stranic ISO-kocke je najslabši rezultat pri gibu med točkama Ty. Pri tem gibu večino pomika opravi prva os, med- tem ko je pri pomikih vzdolž X- in Z-osi prva os skoraj mirovala. Tako lahko pojasnimo slabšo ponovlji- vost tega giba z zračnostjo v pogonu prve osi. Ponovljivost pri gibu s hitro ustavitvijo v nasprotju s pričakovanji ni bila slabša kot pri ostalih testih. Na sliki 6 je prikazana napaka sledenja trajektorije vzdolž celotne poti diagonalnega giba. Vidimo, da po začetku giba vrh dvigala za- vije vstran, nato se približuje in oddaljuje od referenčne poti in na koncu doseže končno točko. Napaka sledenja trajektorije je definirana kot maksimum napake sledenja trajekto- rije vzdolž celotne poti. Pri primeru diagonalnega giba sta to vrednosti 53 in 59 mm. Napaka sledenja trajektorije za vse gibe je prikazana na sliki 7. Največja napaka sledenja trajektorije znaša 77 mm. 5 Zakjuček Razviti sistem omogoča programira- no ali ročno vodeno izvajanje giban- ja dvigala glede na spremenljivke sklepov, koordinatni sistem baze ali koordinatni sistem vrha robota. Si- stem vodenja je razvit na način, da na dvigalu ohranja originalni krmilnik in mehanizme zagotavljanja var- nosti, s čimer so ohranjeni obstoječi varnostni certifikati. Dodan je var- nostni sistem, ki nadzira delovanje zaprtozančnega sistema vodenja. Kvaliteto zaprtozančnega vodenja smo preverili z neodvisnim optičnim merilnim sistemom. Parametri kvalitete gibanja tako poleg napake regulacije vključujejo tudi napake kinematičnega modela oz. me- hanske strukture dvigala. Parame- tre kvalitete gibanja (ponovljivost točke, napaka sledenja trajektorije in ponovljivost sledenja trajektorije) smo izračunali v skladu s standar- dom ISO 9283. Testni gibi so bili delno izbrani v skladu s standardom ISO 9283, deloma so posnemali gibe, potrebne za montažo fasadnega panela, deloma pa smo poizku- sili doseči čim večji vpliv zračnosti med segmenti teleskopa. Rezultati so pokazali ponovljivost točke do 8 mm, napaka sledenja trajektorije je bila do 77 mm, napaka ponovljivosti trajektorije pa do 59 mm, s čimer je zastavljeni cilj natančnosti pozicioni- ranja znotraj napake 0,1 m dosežen. Razvito robotizirano dvigalo je možno uporabiti tudi za druge na- loge, ki vključujejo manipulacijo težjih bremen v velikem delovnem prostoru ter ponovljivo ali predpro- gramirano gibanje v zunanjih koor- dinatah. AVTOMATIZACIJA V GRADBENIŠTVU tx ty tz td fx fxy fz stop 0 1 2 3 4 5 6 7 8 to ka č ponovljivost tok e [mm] č TT TT TT TT FF FF FF SS x1 x 2y 1 y2 z1 z 2d 1 d2 x1 x 2 xy1 xy2 z1 z 2l d .. .. .. .. .. .. .. gib T1−>T2 gib T2−>T1 −500 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 0 10 20 30 40 50 60 odmik vzd [mm] olž referenčne poti napaka sledenja [mm] T1 T2 T1−>T2 T2−>T1 Slika 5. Ponovljivost doseganja točk Slika 6. Napaka sledenja v smeri naprej in nazaj pri diagonalnem gibu 238 Ventil 17 /201 1/ 3 Literatura [1] B. Peter, B. Martin, W. Hans: In- formation technology support to construction design and pro- duction, Computers in industry 35 (1) (1998), 1–12. [2] K. Nisita, M. Itou, S. Miyaki: De- velopment & Application of Column-Field-Welding Robot, v: Proc. of the 17th International Symposium on Automation and Robotics in Construction (ISARC 2000), Taipei, Taiwan, 2000. [3] P. Gonzales de Santos, J. Estre- mera, M. A. Jimenez, E. Garcia, M. Armanda: Manipulators help out with plaster panels in construction, Industrial robot: an international journal 30 (2) (2003), 508–514. [4] P. Gonzales de Santos, J. Estre- mera, E. Garcia, M. Armanda: Power assist devices for instal- ling plaster panels in constructi- on, Automation in Construction 17 (4) (2008), 459–466. [5] J. Činkelj, R. Kamnik, P . Čepon, M. Mihelj, M. Munih: Closed-lo- op control of hydraulic telesco- pic handler, Automation in Con- struction 19 (7) (2010), 954–963. tx ty tz td fx fxy fz 0 10 20 30 40 50 60 70 80 to ka č napaka sledenja trajektorije [mm] TT TT TT TT FF FF FF x1 x 2y 1 y2 z1 z 2d 1 d2 x1 x 2 xy1 xy2z 1 z2 .. .. .. .. .. .. gib T1−>T2 gib T2−>T1 Slika 7. Napaka sledenja trajektorije Robotic controller for hydraulic telescopic handling device Abstract: Automation can reduce needed time and dangerous working conditions in construction industry. This paper presents development of a robot controller for a hydraulic telescopic handler aimed at automation of montage buildings assembly. The project is designed and financed by the company Trimo, Trebnje. We present key properties of the telescopic handler, identification of system parameters and development of a controller. Experiments on real machine showed acceptable performance for a real world application. Keywords: hydraulic system, telescopic handler, robotic control AVTOMATIZACIJA V GRADBENIŠTVU Zahvala Delo sta financirala podjetje Trimo, d. d., Trebnje in Evropska komisija (program EUREKA, projekt E!-3902 ETECH). Avtorji se zahvaljujejo za prispevke pri idejni zasnovi in razvoju projekta Mihe Šantavca, univ. dipl. inž., Zorana Goljufa, univ. dipl. inž., Lojzeta Culjkarja, univ. dipl. inž., in mag. Danijela Zupančiča iz podjetja Trimo, d. d., ter Marka Gračnerja, univ. dipl. inž., in dr. Igorja Kovača s Tehniške univerze v Gradcu. 3. Internationale Kompressoren-Anwender Forum – 3. Mednarodni forum uporabnikov kompresorjev 27. in 28. 09. 2012 Dusseldorf, BRD Organizator: – VDMA Fachverband Kompressoren, Druckluft- und Vakuumtechnik Opomba: prireditev je organizirana sočasno z 10. Mednarodnim forumom uporabnikov črpalk (10. Internationale Pumpenanwenderforum) in 7. Konferenco EFRC Informacije: – www.introequipcon.com nadaljevanje s strani 232