4.1 Pracownia Mechatroniki i Automatyki

Kierownik

prof. dr hab. Lucyna Leniowska

budynek A0, skrzydło B2, pokój 378

tel.  17 851 85 39

email: lleniowska@ur.edu.pl

W ramach Pracowni prowadzone są badania teoretyczne i doświadczalne, dotyczące następujących zagadnień:

• Problemy aktywnej redukcji drgań układów mechanicznych. Celem prac jest opracowanie modeli matematycznych, oraz symulacyjne i eksperymentalne badanie skuteczności projektowanego sterowania, dla wybranych obiektów - głównie cienkich płyt o różnych kształtach.
• Analizę wibroakustyczną urządzeń (badania realizowane w 2019 r na zlecenie podmiotów zewnętrznych, )
• Obliczenia, symulacje i pomiary izolacyjności akustycznej przegród (badania realizowane w 2020 r na zlecenie podmiotów zewnętrznych)
• Projektowanie i symulacje działania aktywnych/pasywnych tłumików akustycznych do zrzutu sprężonych gazów (badania realizowane od 2018 roku we współpracy z podmiotami zewnętrznymi).
• Prace związane z projektowaniem i wykonaniem wieloczłonowego manipulatora chirurgicznego nowej generacji, przeznaczonego do małoinwazyjnych zabiegów operacyjnych(część zadań zrealizowano w ramach projektu NCN nr NN514 237638). Prototyp został opatentowany: Patent P-420509 pt „Przegub z napędem i sterowaniem łączącym ramiona robota”. Data udzielenia patentu 15 12. 2018r
• Prace związane z opracowaniem prototypu podnośnika sterowanego zdalnie, przeznaczonego  dla osób niepełnosprawnych. Projekt zrealizowany w ramach grantu Satander Universitades (kierownik prof. L. Leniowska) uzyskał wzór użytkowy Polskiego Urzędu Patentowego nr 122695 pt. ”Dźwig osobisty”.

Pracownia jest wyposażona w nowoczesną aparaturę badawczą:

Wibrometr z trzema głowicami laserowymi. PSV-400-3D firmy Polytec. Dzięki zastosowaniu trzech niezależnych głowic skanujących i trzech kontrolerów prędkość drgań mierzona jest jednocześnie we wszystkich trzech kierunkach przestrzeni 3D w każdym z punktów pomiarowych. Trzy przetworniki sterowane są jednocześnie poprzez jednostkę centralną PSV i dedykowane oprogramowanie.

Urządzenie pozwala mierzyć drgania z odległości do obiektu mierzonego od 0,4 m. Największą zaletą wibrometru laserowego jest brak wpływu układu pomiarowego na mierzony obiekt oraz stosunkowa prosta procedura pomiarowa, gdzie nie ma potrzeby przestawiania czujników na obiekcie mierzonym. Wybrane parametry techniczne urządzenia:

• Odległość pomiarowa od 0,4 do około 100 m,
• Wielkość skanowanych powierzchni od kilku mm2 do >m2,
• Zakres kątowy skanowania +/− 20_ z rozdzielczością kątową < 0,002_ i stabilnością kątową pomiaru < 0,01_/godz.,
• Kolorowy układ optyczny wyposażony w auto-fokus i 18-krotny zoom optyczny, a także 4-krotny cyfrowy,
• Siatka skanowania powierzchni (kartezjańska, biegunowa) o gęstości do 512 x 512 punktów pomiarowych,
• Prędkość skanowania 100 punktów na sekundę,
• Układ do sterowania wiązka lasera - pozycjonowanie oraz ostrość wiązki,
• 4 kanały pomiarowe z pasmem częstotliwości do 1 MHz,
• Zakres mierzonych prędkości od 0.01 μm/s do 10 m/s,
• System zbierania danych (jednostka centralna z procesorem 3.2 GHz, 1 GB RAM, 160 GB HDD, czytnik DVD, nagrywarka CD, LAN, 19” TFT LCD), 4 kanały z 16 bitowymi przetwornikami A/D, 1 kanał generatora, 2 kanały 16 bitowe D/A do sterowania skanerem,

Pracowania również posiada liczne czujniki drgań – tensometry, elementy: PZT, MFC, PVDF wraz z 4/8 kanałowymi wzmacniaczami. Wzmacniacz MGCplus firmy HBM jest modułowym wzmacniaczem pomiarowym o nowoczesnej konstrukcji, przeznaczonym do współpracy z prawie wszystkimi rodzajami czujników, o wysokiej klasie dokładności 0,03%.

Badania będą przeprowadzane na różnego typu obiektach m.in.na płytach o różnych kształtach, czy na modelu motoszybowca DG-808s.

1.2. Prace związane z projektowaniem i wykonaniem wieloczłonowego manipulatora chirurgicznego nowej generacji, przeznaczonego do małoinwazyjnych zabiegów operacyjnych

Celem prac jest opracowanie konstrukcji mechanicznej wieloczłonowego manipulatora, jego modelu matematycznego, zaprojektowanie mikroprocesorowego systemu sterowania lokalnego (na bazie kontrolerów ruchu) oraz nadrzędnego w postaci komputera PC z systemem operacyjnym czasu rzeczywistego. Powstała już pierwsza konstrukcja ROCH-1, która jest dalej rozwijana. Założono, że robot powinien tworzyć wieloczłonowy otwarty łańcuch kinematyczny, mieć przekrój poprzeczny nie przekraczający 10 mm i składać się w dużym stopniu z gotowych podzespołów. Inne założenia projektowe to:

• Własny interfejs mechaniczny pomiędzy członami,
• Względna łatwość montażu, osiagalna na poziomie mikromechaniki,
• Wbudowane napędy BLDC wraz z przekładniami,
• Czujniki zintegrowane z konstrukcją,
• Możliwość wielokrotnego użytku,
• Możliwośc sterylizacji manipulatora.

W Pracowni znajduje się humanoidalny robot Motoman (Yaskawa), który posiada dwa ramiona, jedno do trzymania narzędzi, drugie zaś do podtrzymania systemu wizyjnego wyposażonego w kamerę endoskopową i ksenonowe źródło światła. Stanowisko to umożliwi kontynuację badań z zakresu robotyki medycznej (małoinwazyjne zabiegi chirurgiczne).

Pracownia posiada również zestaw badawczy do pomiarów biomedycznych. Zestaw składa się z dziewięciu różnych modułów: elektrokardiograficznych, elektromiograficznych, elektrookulograficznych, elektroencefalograficznych, fotopletyzmograficznych, ciśnienia krwi, tętna, wentylacji układu oddechowego oraz impedancji ciała ludzkiego. Do czujników i przetworników wykorzystywanych na stanowisku należą: przetwornik ciśnienia, przetwornik fotoelektryczny na podczerwień (nadajnik-odbiornik), czujnik tensometryczny, czujnik temperatury i elektrody powierzchniowe.

Prowadzone są także badania z zakresu projektowania i budowy urządzeń medycznych oraz rehabilitacyjnych, wspomagających osoby niepełnosprawne.

Do wspomagania prac projektowych wykorzystywane jest stanowisko CAD, w skład, którego wchodzą skaner laserowy 3D, zestaw monitorów i komputer wraz z odpowiednim oprogramowaniem. Projekty będą drukowane na drukarce 3D, w celu sprawdzenia poprawności założeń konstrukcyjnych.

Do badań nieniszczących, jakie będą wykonywane na obiektach badanych stosowana jest termowizja. Najważniejsza zaletą kamer termowizyjnych jest bezkontaktowy pomiar temperatury, co pozwala na określenie jej wartości w przypadku obiektów niedostępnych lub będących w ruchu.

Kamera znajdująca się w wyposażeniu Pracowni posiada wejścia jak i wyjścia analogowe co umożliwia jej współprace z zewnętrznymi urządzeniami rejestrującymi lub regulującymi wybrany proces technologiczny. Posiada także interfejsy do komunikacji ze sterownikami przemysłowymi PLC. Zakres pomiarowy kamery mieści się w zakresie od -40˚C do +500˚C z czułością 0,025˚C, co jest niezbędne przy monitorowaniu minimalnych różnic temperatur. Bardzo użyteczną funkcją kamery jest możliwość równoległego przechwytywania zdjęcia termowizyjnego i widzialnego, oba obrazy można oglądać na komputerze w czasie rzeczywistym.

W prowadzonych badaniach istotną rolę pełni modelowanie obiektu. Stosowane są zarówno metody ściśle matematyczne, jak również metody numeryczno-doświadczalne, a zwłaszcza metoda identyfikacji parametrycznej. Pozwala to sformułować różne wersje poszukiwanych modeli oraz porównywać ich zgodność. Przewiduje się też testowanie nieliniowych modeli rozważanych obiektów, o postaci sieci neuronowej i strukturze obliczeniowej algorytmów Rungego-Kutty.

Aby realizować powyższe badania do Pracowni tej, zakupiono także oprogramowanie specjalistyczne:

• Matlab,
• Simulink,
• Control System Toolbox,
• FuzzyLogicToolbox,
• Matlab Coder,
• Neutral Network Toolbox,
• Real-Time Windows Target,
• Simulink Coder.

Aby osiągnąć wymienione cele badawcze planuje się rozwiązać wiele problemów natury technicznej, co pozwoli na bieżąco weryfikować wyniki badań teoretycznych i symulacyjnych. Należą do nich:

• organizacja stanowisk doświadczalnych z komputerowym systemem sterowania,
• opracowywanie i rozwijanie istniejącego już specjalistycznego oprogramowania własnego, działającego w czasie rzeczywistym i pozwalającego na implementację testowanych algorytmów sterowania i identyfikacji,
• przeprowadzenie serii badań doświadczalnych dla różnych obiektów.

Pracownia wyposażona jest także w eksperymentalne zestawy mechatroniczne, zawierające interfejsy pomiarowe. Urządzenia te umożliwiają testowanie nietypowych zaawansowanych algorytmów sterowania dla najczęściej występujących konfiguracji obiektów mechatronicznych. Należą do nich:

Zestaw mechatroniczny “Modular Servo”, umożliwiający badanie serwomechanizmu oraz enkoderów wraz z kartą pomiarowo - sterującą współpracujący z oprogramowaniem Matlab/LabView.

Środowiska Matlab/Simulink będą służyły do tworzenia własnych algorytmów sterowania modelem dźwigu, posiadającym trzy stopnie swobody. Stanowisko wyposażone jest w trzy silniki DC sterowane poprzez modulację szerokości impulsu PWM. Każdy silnik ma dodatkowo zainstalowany enkoder inkrementalny.

Urządzenie to posiada kartę pomiarowo - sterującą współpracującą również z oprogramowaniem LabView, co będzie wykorzystywane również na zajęciach z przedmiotu Procedury pomiarowe.

System działa w czasie rzeczywistym, umożliwia również pisanie algorytmów sterowania w języku C. Stanowisko to umożliwia badanie algorytmów sterowania obiektem nieliniowym w czasie rzeczywistym np. śledzenie trajektorii ruchu, minimalizowanie amplitudy drgań ładunku. Studenci będą budować układy sterowań w środowisku Matlab/Simulink.

Kolejnym urządzeniem, dla zostaną zbudowane układy sterowania jest helikopter z dwoma silnikami sterowanymi poprzez modulację szerokości impulsu. Dodatkowo napędy te są wyposażone w tachogeneratory służące do pomiaru prędkości obrotowej. Do określenia położenia belki wykorzystywać będą enkodery wysokiej rozdzielczości. W przyszłości będą tworzone i badane algorytmy sterowania obiektem silnie nieliniowym w czasie rzeczywistym np. stabilizacja położenia, szybka reakcja na zakłócenia.

Kolejnym urządzeniem umożliwiającym badanie algorytmów sterowania silnikami DC jest zestaw z wahadłem odwróconym przedstawiony poniżej.

Celem badań jest zaprojektowanie algorytmu tak, aby wprowadzić wahadło w pozycję pionową wraz z utrzymaniem równowagi. Wózek jest napędzany silnikiem DC poprzez przekładnię pasową. Sterowanie będzie polegało na odpowiednim przesuwie wózka (w ograniczonym zakresie) i rozkołysanie wahadła w celu ustawienia go w pozycji pionowej. Następnie algorytm ma utrzymać równowagę wahadła nawet przy pojawiającym zakłóceniu.

Kolejnym interesującym zestawem jest obiekt mechatroniczny do badania zjawiska „magnetycznej lewitacji” przedstawiony na rysunku poniżej.

Zestaw posiada otwartą strukturę sterowania, umożliwiającą testowanie różnych algorytmów sterowania dla obiektu nieliniowego. Obiektem lewitacji jest sfera ferromagnetyczna o niewielkiej masie umieszczona pomiędzy elektromagnesami. W ramie znajduje się czujnik optyczny dający zwrotną informacje o położeniu kuli. Sterując odpowiednią wartością prądu w cewce górnej i dolnej „ustawiają„ położenie sfery lewitującej.

W Pracowni Mechatroniki i Automatyki umożliwia prowadzenie badań wykorzystując wiedzę dotyczącą programowania mikrokontrolerów i sterowników przemysłowych do sterowania różnymi obiektami mechatronicznym. Przykład jednego z nich przedstawiony jest na rysunku poniżej. Zestaw zawiera czujniki poziomu cieczy, elektrozawory, zawory ręczne, pompę hydrauliczną, stopień mocy do sterowania zaworami. Stanowisko umożliwia szybkie prototypowanie układów sterowania, badanie algorytmów sterowania obiektem symulującym fragment procesu technologicznego. Istnieje możliwość budowy układu sterowania w środowisku Matlab/Simulink oraz LabView co poszerza możliwości wykorzystania stanowiska laboratoryjnego. Zestaw ten może być również sterowany z wykorzystaniem sterownika PLC.