Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Описание предметной области, выбор методов исследования 12
1.1. Соврем енное состоя н ие вопроса диагностики зубочел юстной системы человека и изготовления протезов в ортопедической стоматологии 12
1.2. Современное состояние вопроса проектирования систем технического зрения устройств воспроизведения движений. 19
1.3. Особенности построения робототехнических систем воспроизведения движений 25
Глава 2. Система технического зрения электромеханического артикулятора 34
2.1. Разработка алгоритмов для идентификации координат объекта оригинала с использованием реперных точек 34
2.1.1. Общее описание алгоритма для идентификации координат реперных точек 3 4
2.1.2. Предварительная обработка (фильтрация) изображения 36
2.1.3. Пороговая обработка 37
2.1.4. Алгоритм заполнения 38
2.1.5. Процедура фильтрации по размеру 43
2.1.6. Определение координат реперной точки 44
2.1.7. Трехмерная модель нанесения реперных точек на объект оригинал 45
2.2. Разработка алгоритмов для идентификации координат реперных точек объекта оригинала методом контуров изображения 48
Общее описание алгоритма метода контуров изображения.
2.2.2. Пороговая обработка рабочего окна 48
2.2.3. Поиск контура изображения и расчет производной 49
2.2.4. Расчет скользящей средней 51
2.2.5. Пороговая обработка скользящей средней и определение координат реперных точек 51
2.3. Компьютерное моделирование объекта оригинала 62
Глава 3. Моделирование электромеханической системы артикулятора 67
3.1. Моделирование кинематики артикулятора 67
3.1.1. Математическая модель преобразования координат артикулятора 67
3.1.2. Обратная позиционная задача 75
3.1.3. Описание применения устройства у правления 80
3.1.4. Анализ геометрии рабочего пространства артикулятора 83
3.2. Математическая модель динамики электромеханической системы артикулятора 86
3.2.1. Особенности динамики артикулятора с выбранной кинематической схемой 86
3.2.2. Математическая модель привода артикулятора 88
3.2.3. Расчет динамических моментов нагрузки 92
3.2.4. Расчет матриц инерции 97
3.2.5. Описание применения пружины натяжения 106
3.2.6. Расчет динамического момента пружины натяжения 111
3.2.7. Параметры математической модели динамики артикулятора. 119
3.3. Моделирование динамики электромеханической системы артикулятора в среде MATLAB 122
3.4. Результаты исследования модели динамики артикулятора. 128
3.5. Динамический анализ упругой податливости артикулятора. 136
3.6. Анализ энергетических возможностей приводов артикулятора. 146
Глава 4. Практическая реализация аппаратно-программного комплекса артикулятора 153
4.1. Описание использования СТЗ 153
4.2. Практическая реализация системы управления электроприводами артикулятора 157
4.2.1. Функциональная схема системы управления 157
4.2.2. Описание датчиков положения 158
4.2.3. Описание платы усилителей 160
4.2.4. Описание платы управления 161
4.3. Программное обеспечение системы управления артикулятором 163
4.3.1. Генерация входных данных программы микроконтроллера платы управления 163
4.3.2. Алгоритмическое обеспечение микроконтроллера платы управления 168
4.4. Описание экспериментальной установки артикулятора, методики проведения эксперимента и результатов измерений. 173
Заключение 182
Литература
- Соврем енное состоя н ие вопроса диагностики зубочел юстной системы человека и изготовления протезов в ортопедической стоматологии
- Разработка алгоритмов для идентификации координат объекта оригинала с использованием реперных точек
- Математическая модель преобразования координат артикулятора
- Практическая реализация системы управления электроприводами артикулятора
Введение к работе
Актуальность работы
В последнее время, все более актуальным становится создание электромеханических машин — автоматических артикуляторов для воспроизведения движений (натурного моделирования) нижней челюсти человека (объекта оригинала).
Для решения задачи получения информации о движении объекта оригинала на основе системы технического зрения, необходима разработка средств описания движений объекта оригинала, а также алгоритмов для идентификации фазовых координат объекта оригинала, с учетом требований: по обеспечению уровня информации необходимого для индивидуализации свойств движения объекта оригинала, размеру занимаемой памяти, переносимости и быстродействию.
В процессе разработки, физическая "подгонка" компонентов электромеханической машины неоправданна из-за высокой стоимости данного процесса. Поэтому актуальным является создание адекватных математических моделей в форме структурных схем MATLAB, содержащих блоки расчета динамических процессов электромеханической системы и компоненты системы управления, моделирование которых позволит определить параметры электромеханических устройств, при которых обеспечивается требуемое качество воспроизведения.
Для адекватного натурного моделирования необходимо обеспечить жесткость кинематической цепи, а также обеспечение системой управления заданного критерия качества управления электроприводами. Причем в качестве сигналов заданий электроприводов используется результат преобразования фазовых координат объекта оригинала в обобщенные координаты электроприводов в рамках решения обратной позиционной задачи.
Изложенное определяет целесообразность и актуальность проведения исследований, направленных на совершенствование методики построения электромеханических устройств воспроизведения движений.
Тематика диссертационной работы соответствует одному из основных научных направлений Воронежского государственного технического университета «Вычислительные системы и программно-аппаратные электротехнические комплексы».
Работа велась в рамках межвузовской научно-технической программы «Автоматический ортопедический артикулятор».
Объектом исследования является электромеханический комплекс на базе электроприводов постоянного тока, с системой идентификации фазовых координат объекта оригинала.
Цель работы: разработка комплексного алгоритма реализующего управление электроприводами постоянного тока в рамках электромеханической системы управления автоматическим артикулятором с системой идентификации фазовых координат объекта оригинала, на основе моделей, учитывающих требования предъявляемых к устройствам воспроизведения движений.
Задачи исследования:
Разработка моделей измерения фазовых координат объекта оригинала.
Разработка алгоритмов идентификации координат реперных точек на видеосъемке объекта оригинала, с учетом требований предъявляемых к этим средствам.
Разработка моделей преобразования координат реперных точек на видеосъемке объекта оригинала в координаты кинематической цепи с закрепленным натурным объектом в рамках решения обратной позиционной задачи.
Разработка адекватной комплексной модели электромеханической системы, включающей в себя: динамику механизмов с упругими звеньями, нелинейности, модели электроприводов, компоненты системы управления, а также динамику пружины натяжения кинематической цепи.
7 5. Синтез алгоритма управления многодвигательным электромеханическим комплексом, реализующим воспроизведение движений объекта оригинала, с учетом заданных критериев качества.
Методы исследования:
В работе использованы методы теории математического моделирования, теории автоматического управления, теории электропривода.
В работе получены следующие результаты, отличающиеся научной новизной:
Модели измерения фазовых координат объекта оригинала, отличающиеся свойством индивидуализации сохраняемых движений объекта оригинала в трех плоскостях;
Разработаны алгоритмы идентификации координат реперных точек на видеосъемке объекта оригинала, отличающиеся реализацией обработки видеосъемки в трех плоскостях и идентификацией методом контуров изображения;
Разработано устройство, реализующее алгоритм управления электроприводами артикулятора, отличающегося тем, что оно содержит блоки управления и блоки решения обратной позиционной задачи;
Предложена методика применения пружины натяжения кинематической цепи, позволяющая "выбирать" люфты электроприводов артикулятора, а также увеличивающая общую жесткость кинематической цепи;
Комплексная математическая модель динамических процессов электромеханического артикулятора в форме структурной схемы, отличающаяся тем, что она содержит блоки расчета динамических моментов нагрузки электроприводов артикулятора, создаваемых пружиной натяжения кинематической цепи;
Получены аналитические зависимости максимальной динамической ошибки электроприводов артикулятора от коэффициента жесткости пружины
8 натяжения кинематической цепи, позволившие выбрать рекомендуемое значение коэффициента жесткости; Практическая ценность: программы системы технического зрения, предназначенные для идентификации фазовых координат объекта оригинала, результаты работы которых, позволяют сделать вывод об индивидуальных свойствах движения объекта оригинала; программы, обеспечивающие преобразование фазовых координат объекта оригинала в координаты кинематической цепи, результаты работы которых, могут быть использованы для анализа применения различных кинематических схем для электромеханических машин воспроизведения движений; комплексная модель электромеханического артикулятора, результаты исследования которой могут быть использованы для выбора параметров электромеханических систем воспроизведения движений;
Достоверность полученных результатов следует из адекватности и корректности применяемых в работе теоретических и экспериментальных методов, а также сходимости расчётных и экспериментальных зависимостей.
Реализация работы:
Основные теоретические и практические результаты работы внедрены в учебный процесс кафедры «Автоматики и информатики в технических системах» Воронежского государственного технического университета в лабораторный практикум по дисциплине «Специализированные исполнительные устройства».
Результаты теоретических и экспериментальных исследований, проведённых в работе, внедрены в ВГМА имени Н.Н. Бурденко (г. Воронеж) на кафедре ортопедической стоматологии.
Апробация работы: основные положения диссертации докладывались на региональной научно-технической конференции «Новые технологии в научных исследованиях, проектировании, управлении, производстве», г. Воронеж 2002
9 г.; на региональной научно-технической конференции «Новые технологии в научных исследованиях, проектировании, управлении, производстве», г. Воронеж, 2003 г.; на шестой региональной молодёжной научной и инженерной выставке «Шаг в будущее, Центральная Россия», г. Липецк, 2003 г.; на VI Международном инновационном салоне «Инновации и инвестиции» г. Москва, 2004 г.; на ежегодных научных конференциях профессорско-преподавательского состава Воронежского государственного технического университета (г. Воронеж 2002-2003 г.); на XV юбилейной международной интернет - конференции молодых ученых аспирантов и студентов по современным проблемам машиноведения г. Москва, ноябрь 2003 г.
Основные положения выносимые на защиту:
Модели описания движений объекта оригинала, алгоритмы программ системы технического зрения, работающие методами реперных точек и контуров изображения, а также алгоритмы программы решения обратной позиционной задачи;
Математическая модель в форме структурной схемы динамических процессов электромеханического системы артикулятора;
Результаты исследования зон сервиса, а также исследование программы решения обратной позиционной задачи;
Результаты исследования модели динамики, в частности динамический анализ упругой податливости кинематической цепи артикулятора на возможность возникновения резонансов, проверка энергетических возможностей приводов артикулятора;
Методика применения пружины натяжения кинематической цепи артикулятора, влияние ее на качество воспроизведения движений;
6. Алгоритм управления электроприводами артикулятора, обеспечи вающий требуемое качество воспроизведения;
7. Модель движения объекта оригинала в системе AutoCAD.
Публикации Основное содержание диссертации отражено в 13 печатных работах и 2 патентах РФ.
В работах опубликованных в соавторстве, и приведённых в конце автореферата, лично соискателю принадлежит: в работе 56 - проведён анализ кинематики артикулятора; в 57 — проведен расчет статических и динамических моментов механической системы артикулятора; в 58 ~ проведен расчет передаточных функций регуляторов приводов артикулятора; в 7 - расчет элементов платы усилителей; в 44 - приведен анализ рабочего пространства артикулятора; в 54 — произведен обзор использования систем технического зрения.
Структура и объём работы: Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы и приложений. Содержит 222 страниц машинописного текста, 115 иллюстраций, 8 таблиц и список литературы из 88 наименований.
В первой главе диссертационной работы приводится описание предметной области, а также обзор современных методов построения систем воспроизведения движений содержащих системы технического зрения (средств идентификации фазовых координат объекта оригинала).
Во второй главе представлены модели описания движений объекта оригинала, алгоритмы программ системы технического зрения с методикой репер-ных точек, а также способом выделения контуров изображения. Рассмотрены вопросы моделирования движений объекта оригинала в системе AutoCAD.
Третья глава посвящена вопросу разработки комплексной модели электромеханического артикулятора, моделированию и исследованию свойств модели. Приведено описание алгоритмов преобразований фазовых координат объекта оригинала в обобщенные координаты кинематической цепи артикулятора. Произведен анализ рабочего пространства и энергетических возможностей исполнительных двигателей автоматического артикулятора. Приведен расчет статических и динамических моментов на основе уравнений Лагранжа II рода. Отмечено, что использование пружины натяжения позволяет "выбрать"
11 люфты приводов, но приводит к появлению дополнительного динамического момента, приведен расчет этого момента, а также способ компенсации с помощью нелинейных регуляторов. Приведен анализ упругости кинематической цепи артикулятора.
В четвёртой главе приведены описания практической реализации системы технического зрения, математическая модель алгоритма управления электроприводами, описание системы управления исполнительного уровня. Проведен анализ экспериментальных исследований.
Соврем енное состоя н ие вопроса диагностики зубочел юстной системы человека и изготовления протезов в ортопедической стоматологии
Важным условием успешного развития стоматологии является наличие в арсенале средств совершенных и объективных методов исследования. Медицинская наука в последнее время все интенсивнее применяет компьютерную технику для диагностики, исследования и лечения зубочелюстной системы человека.
Одним из наиболее значимых достижений в автоматизации стоматологических научных исследований явилось применение регистрирующих компьютерных систем с целью анализа движений нижней челюсти.
Ранее использовались такие методы регистрации как пантограф и фото исследования. При этом используются черно-белые и цветные фотографии, диапозитивы, диафильмы и кинофильмы.
Существенным недостатком указанных подходов является достаточная сложность и, что самое главное, неточность ручных измерений, снижающая эффективность оригинальной методики покадрового исследования процесса движения. Рациональная методика диагностики динамических характеристик зубочелюстной системы должна строиться при выполнении самых ответственных этапов исследования на естественном жевательном аппарате без какого-либо воздействия извне.
Поэтому чрезвычайно важно использование регистрирующих компьютерных систем для получения более объективной информации о функциональном состоянии зубочелюстной системы.
Компьютерный метод по сравнению с другими методами сократил время с часов до нескольких минут. Компьютерный метод также более удобен в плане обработки и интерпретации результатов исследования.
Компьютер анализирует информацию и немедленно вычисляет данные индивидуальных деталей для адаптированного артикулятора.
В настоящее время для изготовления протезов широко используются ручные артикуляторы. Так на рисунке 1.1 представлен один из применяемых ручных артикуляторов. В этих артикуляторах имеются специальные поворотные механизмы, работая которыми врач приводит в движение платформу. Движение платформы используется врачом-стоматологом для подгонки протезов.
Далее пациент начинает жевать пробу. Этот процесс снимает видеокамера в плоскости лица пациента (как показано на рисунке 1.2). Записанное таким образом видеоизображение вводится в компьютер и разбивается на кадры. После этого специальная программа анализирует каждый кадр и определяет координаты (в пикселях изображения) белых реперных точек NASION и GNATION. Полученные таким образом траектории движения этих точек служат источником информации для функционального исследования зубочелюстной системы человека (пример двух зависимостей координаты Y изображения от номера кадра для одной точки показан на рисунке 1.3).Таким образом, по данной методикой исследуется движение нижней челюсти пациента. Результатом анализа траекторий движения точки GNATION является тот или иной диагноз.
При использовании вышеописанной методики можно идентифицировать лишь двумерное движение движущегося объекта, поскольку движение объекта снимается лишь в одной плоскости и, следовательно, найденные координаты траектории движения точки GNATION представляют собой координаты проекций движущегося объекта на плоскость съемки. Таким образом, в вышеописанной методике снимается лишь проекция движения объекта.
Как известно, объект оригинал имеет шесть степеней свободы, поэтому необходимо идентифицировать его фазовые координаты. В трехмерной модели видеосъемка белых реперных точек осуществляется в трех плоскостях: 1) плоскость крена - по аналогии с вышеописанной методикой (см. рис 1.2.); 2) плоскость тангажа (видеосъемка осуществляется сбоку)- здесь на лицо пациента наносятся четыре точки, одна из которых опорная; 3) плоскость курса (видеосъемка осуществляется снизу) - на пациента наносятся три точки, одна из которых опорная.
Система технического зрения (СТЗ), является частью информационно-диагностической системы, в состав которой входит робототехнический комплекс - артикулятор. Он представляет собой шести степенной робот-манипулятор, в котором жестко закреплена платформа (натурный объект). Этот робот-манипулятор воспроизводит движения объекта оригинала(запись движений которого производят видеокамеры). Движущийся по закону объекта оригинала натурный объект является важнейшим элементом процесса подгонки зубного протеза врачом-стоматологом. В процессе воспроизведения врач, используя абразивные материалы, производит подгонку протеза. Под платформой здесь понимается макет нижней челюсти человека.
Платформа представляет собой твердое тело. Как известно твердое тело обладает шестью степенями свободы, поэтому положение платформы в пространстве однозначно задается шестью числами: тремя координатами x,y,z и тремя углами а,р,у. В качестве артикулятора используется шестистепенной робот-манипулятор, работающий в ангулярной системе координат.
Вышеописанная методика диагностики методом нанесения реперных точек имеет свои недостатки. В частности к ним можно отнести необходимость нанесения на лицо пациента белых пятен - реперных точек. В плоскости тангажа (вид сбоку) методика нанесения реперных точек имеет свою специфику, связанную с индивидуальными особенностями каждого пациента. В процессе жевательных движений кожный покров на лице человека имеет свойство перемещаться относительно костей. Эти перемещения вносят ошибку в измерения координат реперных точек, поскольку суть методики предполагает, что реперная точка как бы закреплена в определенном месте кости. Амплитуда этих перемещений зависит от индивидуальных особенностей пациента. Следовательно, и величина ошибки будет зависеть от пациента.
Разработка алгоритмов для идентификации координат объекта оригинала с использованием реперных точек
Идентификация фазовых координат объекта оригинала с использованием реперных точек, осуществляется с помощью поиска на изображении областей соответствующих реперным точкам. Блок-схема алгоритма поиска реперных точек приведена на рисунке 2.1. В качестве параметров алгоритма (для первого кадра видеосъемки) задаются: рабочие окна поиска реперных точек, пороги обработки рабочих окон, области реперных точек, файл с результатами измерений координат реперных точек. Результатом работы программы является файл с массивом координат реперных точек. Предварительная обработка изображения применяется с целью уменьшения воздействия помех на изображении при поиске реперных точек.
Изображение до применения медианного фильтра.
В качестве фильтра используется медианный фильтр с квадратной апертурой размером 5x5 пикселов изображения. На рисунках 2.2 и 2.3 показан результат работы медианного фильтра.
Фильтр делающий такое преобразование изображения работает как сглаживающий фильтр. Отфильтрованное таким образом изображение представляет собой относительно небольшое число областей, каждая из которых имеет свою яркость. Поскольку рассматриваемые белые реперные точки являются одними из самый ярких частей изображения, данный фильтр подчеркивает границу между областью изображения с белой
Следующим шагом алгоритма после предварительной фильтрации является процедура пороговой обработки изображения. Согласно /54/ данная процедура пороговой обработки изображения представляет собой сегментацию изображения по яркости. Данная процедура является необходимым шагом перед процедурой, реализующей алгоритм заполнения, поскольку алгоритм заполнения предполагает область поиска реперной точки в сегментированном виде. Это означает, что в области поиска должна быть четко заданная граница реперной точки. Для правильной работы алгоритма заполнения необходим перепад яркости на границе области реперной точки и остальным изображением. Это иллюстрирует рисунок. 2.4.
На рисунках показана область поиска реперной точки до (рис. 2.4), и после (рис. 2.5) установки порога на яркость изображения. Реперная точка находится в центре обоих изображений. Как видно на рис. 2.5 граница реперной точки четко обозначена резким перепадом яркости. Это достигается установкой порога на RGB компоненты пикселов изображения, т.е. данная процедура, сканируя все изображения, считывает значения RGB компонент текущего пиксела и записывает в них значение равное 255, если они превосходят заданый порог и О в противном случае.
В вышеописанном алгоритме одним из шагов является процедура, реализующая алгоритм заполнения области. Согласно /54/ существует множество таких алгоритмов. В общем можно выделить два вида таких алгоритмов: 1) алгоритмы, использующие список ребер (сюда можно включить и алгоритмы заполнения многоугольников); 2) алгоритмы заполнения с затравкой;
Все эти алгоритмы заполнения предназначены для заполнения области изображения указанным цветом. В нашей задаче алгоритм заполнения необхо дим по следующим причинам: во-первых, при обработке изображения возникает задача измерения размеров областей в пикселах (для процедуры фильтрации по размеру); во-вторых, алгоритм заполнения используется с целью идентификации областей - т.к. в процессе обработки каждая область "заливается" своим уникальным цветом, она не может быть спутана с какой-либо другой областью.
В процессе работы были проанализированы оба типа алгоритмов на предмет использования в нашей задаче. У алгоритмов, использующих список ребер, выявлен серьезный недостаток, обусловленный необходимостью создания списка ребер в процессе предварительной подготовки перед работой рассматриваемого алгоритма. Создание списка ребер области заполнения является в нашем случае ненужной задачей. Выбор был сделан в пользу алгоритма заполнения с затравкой, из-за высоких требований по памяти первого.
Основываясь на литературных данных можно указать два алгоритма заполнения области с затравкой: 1) Простой алгоритм со стеком; 2) Построчный алгоритм заполнения.
В работе были проанализированы оба вышеописанных алгоритма на предмет использования для нашей задачи. В результате анализа для использования был выбран построчный алгоритм с затравкой.
Математическая модель преобразования координат артикулятора
Процесс трехмерного компьютерного моделирования движения объектов средствами AutoCAD подразумевает наличие 6xN массива координат (т.к. твердое тело имеет шесть степеней свободы, N — число точек). Следовательно, необходимо осуществить преобразование координат реперных точек объекта оригинала, в плоскостях съемки, в шесть координат объекта - модели.
В работе предложен метод, обеспечивающий преобразование координат реперных точек в координаты, используемые системой моделирования AutoCAD.
Рассмотрим три информативные реперные точки в плоскости тангажа. На рисунке 2.23 показаны два момента времени (два кадра) съемки. Три точки, соединенные сплошной жирной линией, соответствуют первому кадру. Точки, соединенные пунктирной линией соответствуют второму кадру. Реперные точки на кадрах смещены друг относительно друга из-за естественного движения объекта. Из рисунка понятно, что величинами, характеризующими движение объекта в плоскости тангажа, являются показанные на рисунке 2.23 вектор L и угол alpha. 4z
Величина ск равная проекции L на ось X, характеризует смещение объекта вдоль оси Х(си рис. 2.23) в плоскости тангажа. Для объяснения преобразования координат представим себе, что система координат на рисунке 2.24 связана с первоначальным положением объекта, причем лицевая сторона объекта "смотрит" в направлении оси X. Тогда из геометрических соображений понятно, что величина dx равна смещению координаты X объекта в декартовой системе координат. Аналогично поворот на угол alpha в плоскости тангажа (см. рис. 2.23) соответствует повороту на угол alpha вокруг оси Г (см. рис. 2.24). Таким образом, величины L и alpha, в плоскости тангажа, преобразовываются в координаты X и угол beta (угол поворота вокруг оси У).
Рассмотрим преобразование координат в плоскости крена (см. рис. 2.25). Величина dz, равная проекции L на ось Z характеризует смещение объекта вдоль оси Z (см рис. 2.25) в плоскости крена. По аналогии с предыдущим случаем величина dz равна смещению координаты Z объекта в декартовой системе координат. Угол alpha (см рис. 2.25) равен углу поворота вокруг оси X. Таким образом, величины L и alpha, в плоскости крена, преобразовываются в координаты Z и угол thetha (угол поворота вокруг оси X).
Рассмотрим преобразование координат в плоскости курса (см. рис, 2.26). Величина dy равная проекции L на ось Y характеризует смещение объекта вдоль оси У (см рис. 2.26) в плоскости курса. По аналогии с предыдущими случаями величина dy равна смещению координаты Y объекта в декартовой системе координат. Угол alpha (см рис. 2.26) равен углу поворота вокруг оси Z. Таким образом, величины L и alpha, в плоскости курса, преобразовываются в координаты Y и угол gamma (угол поворота вокруг оси Z).
Как говорилось выше объект исследования, имеет шесть степеней свободы, т.е. его положение однозначно задается шестью координатами. Таким образом, после преобразования координат мы имеем шесть чисел: три координаты -X, Y, Z и три угла - beta, theta, gamma.
Полученные таким образом шесть координат используются для компьютерного моделирования движений объекта в системе AutoCAD. Для этого была разработана программа на Visual Basic, используя встроенный интерфейс между системами AutoCAD и Visual Basic.
Компьютерная модель движения объекта разработана используя пакет AutoCAD (см. рисунок 2.27).
Практическая реализация системы управления электроприводами артикулятора
Система управления исполнительного уровня состоит из: платы управления на основе микроконтроллера MSP430F149, цифровых датчиков положения, платы усилителей, источника питания.
В плате управления используются микроконтроллеры фирмы Texas Instruments серии MSP430F149 с кварцевым резонатором 8 МГц. На рисунке 4.4 приведена функциональная схема системы управления ар-тикулятором. В таблице 4.1 приведены номиналы двигателей артикулятора. В качестве двигателей артикулятора используются коллекторные двигатели постоянного тока с независимым возбуждением.
Цифровые датчики положения закреплены на валу двигателя. Они представляют собой оптомеханические приборы, преобразующие угол поворота вала двигателя в серию импульсов по каналам А и В (показаны на рис. 4.5 вверху и внизу соответственно). Механическая часть представляет собой колесо с Dnum = 46 отверстиями. Оптическая часть датчика состоит из генератора светового луча и оптоприемника, расположенных по разные стороны колеса с отверстиями. Причем световой луч направлен перпендикулярно плоскости вращения колеса. На рисунке 4.5 буквой D обозначены моменты времени прохождения световым лучом отверстий колеса датчика.
Выходы датчика представляют собой 2 цифровые линии (2 бита). Как известно, двоичное число из двух разрядов соответствует четырем комбинациям. Как видно из рисунка 4.5, при прохождении световым лучом одного отверстия колеса состояние датчика проходит все свои комбинации. Состояния датчика показаны на рисунке 4.6 (в формате АВ).
Определить направление вращения вала с датчиком можно, основываясь на значениях предыдущего и текущего состояния датчика. Как видно из рисунка 4.6, смена состояний из 10 в 00 может быть только при вращении вала с датчиком в отрицательном направлении.
Положительное направление счета датчика определяется как положительное направление обобщенной координаты (см. построения Денавита-Хартенберга), соответствующей углу поворота двигателя с датчиком. При проектировании в случае несоответствия была произведена замена каналов А и В при подключении к выводам микроконтроллера.
Рассмотрим элементы платы усилителей (см. приложение 1). Элементы TV1, VD17, С5 образуют 12-ти вольтовый нестабилизирован-ный источник для питания двигателей и электроники. Элементы DA1, С2, С4, С6 образуют 5-ти вольтовый источник для питания усилителей и платы управления.
Микросхемы DD2, DD3 являются драйверами затворов MOSFET транзисторов силового моста. Элементы VD3, VD6 и С1, СЗ являются «плавающими» источниками, для питания драйверов затвора верхнего ключа. Резисторы R1, R3, R4, R5 ограничивают ток выходного каскада драйвера затвора IR2104, при переключении.
Элементы DD1, DD4, DD6 являются силовыми интегральными мостовыми усилителями, для управления двигателями. Диоды VD1, VD2, VD4, VD5, VD7 - VD14 шунтируют якорь двигателя, для защиты выходного каскада от импульсов самоиндукции. Резисторы R2, R6, R13 являются шунтами для измерения тока в цепи якоря двигателя.
Элемент DD3 является силовым 2-х канальным интегральным мостовым усилителем, с ШИМ ограничением тока через нагрузку, для управления двигателями. Резисторы R7 , R10 - шунты-датчики тока. Цепочки R8, R9 и С7, С8 время - задающие для ШИМ.
Резисторы R14, R17, R20, R23, R26, R29 являются ограничителями тока через инфракрасные светодиоды инкрементных датчиков положения, а резисторы Rll, R12, R15, R16, R18, R19, R21, R22, R24, R25, R27, R28- нагрузочные сопротивления фототранзисторов. Последовательно соединенные диоды VD15 - VD18 снижают напряжение с 5 до примерно 3 вольт, чтобы согласовать сигнал с логикой микроконтроллера.
Разъемы DRV1-DRV6 подключаются непосредственно к выходам двигателей. Обозначения VOZB и ROT на разъемах DRV1-DRV6 означают обмотки возбуждения и якоря соответственно.
На элементах DD2, R3, R3, R4, С7, С8, VT1 собран параметрический стабилизатор для питания цифровой части микроконтроллера и его "обвязки".
Резистор R3 не используется, Резистор R5, С9 - элементы обратной связи. Емкости С11, С8 - конденсаторы фильтра источника питания.
Емкости С13, С16 — фильтры внутреннего источника опорного напряжения АЦП, СЗ, С4, С17 - цепи фильтрации питания.
Узел DD3, Rl, R2 является монитором питания с внешним сбросом и предназначен для сброса микроконтроллера в случае нажатии кнопки SW1, при включении напряжения питания DVCC, при появлении кратковременной импульсной помехи по цепям питания.
Кнопка SW1 - ручной "сброс".
Через разъем JTAG1 происходит программирование и отладка программы в микроконтроллере, а через разъемы Р1 — Рб выведены все линии ввода/вывода микроконтроллера. Цепи С15, CIS, Q1 и С19, С20, Q2 образуют внешние элементы для работы встроенных в микроконтроллер тактовых генераторов. Микросхема МАХ2343 - многоканальный приемопередатчик для организации интерфейса RS232 между микроконтроллером и компьютером. Конденсаторы СЗ, С4, СЮ, СП, СП шунтируют цепи питания от высокочастотных помех. В колодку РР1 вставляется микроконтроллер MSP430F149 фирмы Texas Instruments.
