MUISTILANGAT. Position Control of Shape Memory Alloy Muscles for Robotics. Pia Lindqvist Joni Leppänen Alexander Kokka

Transkriptio

1 MUISTILANGAT Position Control of Shape Memory Alloy Muscles for Robotics Pia Lindqvist Joni Leppänen Alexander Kokka

2 1. Projektin tavoite Tässä projektissa on tarkoitus muistilankoja hyväksikäyttäen suunnitella ja rakentaa sähkömekaaninen laite, jonka kuorman paikkaa voidaan säätää xz tasossa. Muistilangan idea on, että sen voi kuumentamalla palauttaa tiettyyn asentoon. Projektin tavoitteena on tutkia, onnistuuko muistilangan asennon säätäminen. Tavoitteena ei ole välttämättä toteuttaa toimivaa säätösysteemiä, vaan ylipäätään tutkia, onko sellaisen toteuttaminen mahdollista muistilankojen jokseenkin epälineaaristen ominaisuuksien vuoksi. Työssä käytetään Mondo tronics Muscle wire muistilankoja. Projektin lopputuotteena on tarkoitus syntyä dokumentaatiota muistilangan säädettävyysominaisuuksista sekä osana raporttia toteutuksen ja työvaiheiden kuvaus. Projekti jakautuu suunnitteluun, mekaaniseen toteutukseen, elektroniseen toteutukseen ja ohjelmistolliseen toteutukseen. Pyrkimys on saada kullekin ryhmän jäsenelle vähintään kolme opintopistettä, jolloin työmääräksi muodostuu 9 opintopistettä eli 243 tuntia. Kappaleessa 3 Ajanhallinta ja tiimityöskentely on kerrottu lisää ajankäytön jakamisesta.

3 2. Työn rakenne Kuten kappaleessa 1 mainittiin, tämä projekti jakautuu suunnitteluun, mekaaniseen toteutukseen, elektroniseen toteutukseen ja ohjelmistolliseen toteutukseen. Lisäksi tukitoimintoja ovat projektin ohjaus sekä dokumentointi. Seuraavassa on esitetty listauksena eri työvaiheet sekä niiden tavoitteet, riippuvuudet, työmäärä ja halutut tulokset. Työn jakaminen Projektin ohjaus Tavoite: Pyrkiä pitämään projekti aikataulussa sekä yhteydenpito ohjaajaan.. Riippuvuudet: Jatkuva prosessi Työmäärä: 4h x 1hlö = 4h Tuotokset: Aikataulu sekä sähköpostit ohjaajalle. Tutustuminen materiaalin ominaisuuksiin (esitehtävät): Tavoite: Ymmärtää miten muistimetallit toimivat Riippuvuudet: Ensimmäisenä ennen muita Työmäärä: 3h x 4hlö = 12 h Tuotokset: Esitehtävien ratkaisut, ymmärrys materiaalista Brainstorming: Tavoite: Keksiä projektin toteutustapa Riippuvuudet: Esitehtävien jälkeen, ennen mallinnusta ja toteutusta Työmäärä: 5h x 3hlö = 15 h Tuotokset: Projekti idea ja alustava suunnitelma Mekaaninen malli: Tavoite: Toteuttaa mekaaninen malli halvoista materiaaleista Riippuvuudet: Brainstormingin jälkeen, ennen mekaanista toteutusta ja elektroniikkapiiriä Työmäärä: 3h x 1hlö = 3 h Tuotokset: Esim. pahvinen mekaniikkamalli, jolla voidaan testata mekaanista toimintaa Mekaaninen toteutus: Tavoite: Toteuttaa mekaaninen toimilaite Riippuvuudet: Mekaanisen mallin jälkeen, ennen testausta Työmäärä: 3h x 1hlö = 3 h Tuotokset: Mekaaninen toimilaite, jota tullaan säätämään Elektroniikkapiirin toteutus: Tavoite: Stabiili virranhallinta Riippuvuudet: Mekaanisen mallin jälkeen, ennen testausta Työmäärä: 8h x 1hlö = 8 h Tuotokset: Mikrokontrolleriohjattu ohjaussignaalin tehovahvistin Arduinon ohjelmointi Tavoite: Arduinopiirin ohjelmointi Riippuvuudet: Mekaanisen mallin jälkeen, ennen testausta Työmäärä: 15h x1hlö = 15 h Tuotokset: Ohjelma Arduinolle

4 Säätösuunnittelu: Tavoite: Suunnitella ja toteuttaa projektissa tarvittava säätöalgoritmi Riippuvuudet: Mekaanisen mallin jälkeen, ennen testausta Työmäärä: 20h x 3hlö + 10h x 1hlö = 50 h Tuotokset: Kirjallisuuskatsaus simulaatiomalleista Tavoite: Tutkia, onko muistilankoja aiemmin mallinnettu simuloimalla Riippuvuudet: Testauksen aloittamisen jälkeen Työmäärä: 10h x 3hlö = 30h Simulaatio: Tavoite: Toteuttaa systeemin simulaatiomalli säätösuunnittelun ja testauksen tueksi Riippuvuudet: Kirjallisuuskatsauksen jälkeen, jos jää aikaa Työmäärä: 27 h x 3hlö = 81 h Tuotokset: Systeemiä vastaava simulaattori Testaus: Tavoite: Säätösysteemin testaaminen käytännössä Riippuvuudet: Tehdään toimilaitteen ollessa valmis Työmäärä: 30h x 3hlö = 90 h Tuotokset: Tutkimustulokset Dokumentointi: Tavoite: Tehdyn työn dokumentointi, jotta tulokset voidaan toistaa samanlaisella kokeella Riippuvuudet: Jatkuva prosessi Työmäärä: 8h x 2hlö + 12h x 1hlö = 28 h Tuotokset: Projektisuunnitelma, väliraportti ja loppuraportti

5 3. Ajanhallinta ja tiimityöskentely Tämä projekti toteutetaan kolmen hengen tiimissä ja projektissa on monia eri työvaiheita. Sen vuoksi projektin aikataulutus ja ajankäytön seuranta on tärkeää. Tässä projektissa ajanhallinta on toteutettu tekemällä aluksi ajankäyttösuunnitelma sekä Gantt kaavio, josta selviävät projektin eri osien riippuvuudet toisiinsa nähden sekä karkealla tasolla suunniteltu etenemistahti. Kurssin aikataulu on kuvattu taulukossa 1 ja näitä virstanpylväitä on käytetty hyväksi myös Gantt kaavion toteutuksessa. Taulukko 1. Kurssin aikataulu. Projektisuunnitelman esitys Väliraportin esitys Loppuesitys Loppuraportin palautus Projektin jakautuessa moneen eri osa alueeseen on järkevää jakaa vastuu tiimin jäsenten kesken. Tiimin sisällä vastuualueet päätettiin jakaa seuraavasti: Joni: Systeemisuunnittelu, mekaniikka ja testaus Pia: Arduinon ohjelmointi, dokumentaatio ja projektin ohjaus Alexander: Elektroniikka ja säätösuunnittelu Huolimatta tästä vastuunjaosta, kaikki tiimin jäsenet olivat innokkaita osallistumaan muihinkin kuin oman vastuualueensa toteutukseen ja oppimaan uutta mahdollisimman laajasti projektin aikana. Siitä syystä tiimin jäsenille on allokoitu aikaa myös muihin tehtäviin ja projekti on yleisesti ottaen päätetty toteuttaa yhdessä itsenäisen tekemisen sijaan. Ajankäyttösuunnitelma on kuvattu taulukossa 2 ja siitä selviävät myös kunkin tiimin jäsenen henkilökohtaiset tuntiallokoinnit. Ilman simulaatiomallin toteutusta tunteja kertyisi kolmen opintopisteen edestä ja simulointimallin kanssa neljän opintopisteen edestä. Taulukko 2. Ajankäyttösuunnitelma.

6 Taulukossa 3 on esitetty projektin osien riippuvuuden ja aikataulu Gantt kaavion muodossa. Taulukossa on kuvattu jokaiselle tehtävälle allokoidut tunnit sekä työn valmistumisen aikataulu viikkotasolla. Tunnit on esitetty yhden henkilön maksimitunteina kyseistä tehtävää kohden. Viikoista on ympyröity punaisella ne, joilla esiintyy jokin projektin virstanpylväs. Näin eri tehtävien kestot selittyvät paremmin. Taulukko 3. Gantt kaavio.

7 4. Riskinhallinta Projekteissa esiintyy aina riskejä, joko selkeitä tai piileviä. Sen vuoksi on tärkeää miettiä ja dokumentoida riskejä sekä niiden ehkäisyehdotuksia ennen projektin aloittamista. Taulukkoon 4 on koottu tämän projektin riskejä. Oleellisimmat riskit liittyvät materiaalin eli muistilankojen ominaisuuksiin. Näitä riskejä voidaan torjua testaamalla lankaa tarpeeksi ennen toteutusta, sekä pitämällä toimilaitteen suunnitelma mahdollisimman yksinkertaisena, kunnes muistilankojen ominaisuuksia ymmärretään. Myös työn tekemiseen liittyy riskejä, kuten huonot toteutukset ja materiaalien hajoaminen testikäytössä. Näihin toiminnallisiin riskeihin voidaan vaikuttaa omalla huolellisuudella ja hyvällä suunnittelulla ennen toteutusta. Pienen riskin kategoriaan sisältyy ryhmän jäsenten yhtäkkiset terveysongelmat, jolloin hiljainen tieto tai materiaalien hallussapito saattaisi johtaa ongelmiin. Nämä ongelmat pyritään välttämään hyvällä yhteydenpidolla sekä tiedon jakamisella ryhmäläisten kesken. Taulukko 4. Projektin riskit. Riski Seuraus Todennäköisyys Riskin minimointi Varasuunnitelma Muistimetalli lanka käyttäytyy odottamattomasti Systeemin mallintamisesta tulee vaikeaa Suuri Tehdään hyvissä ajoin tarpeeksi testejä, joiden avulla selvitetään langan käyttäytyminen. Yksinkertaistetaan mekaaninen malli Muistimetallilangan asennon säätäminen osoittautuu oletettua vaikeammaksi Mekaniikan liikkeistä tulee epätarkkoja. Suuri Tarpeeksi yksinkertainen suunnitelma Yksinkertaistetaan mekaaninen malli Laitteen mekaniikka ei toimi toivottavasti (liian suuri kitka nivelissä, ym.) Säädön suunnittelusta tulee hankalaa. Pieni Osoitetaan erityistä huomiota kitkaan mekaniikkaa suunnitellessa. Yksinkertaistetaan mekaaninen malli Mikrokontrolleri hajoaa Projekti viivästyy. Kustannukset nousevat. Pieni Ollaan huolellisia. Toisen kontrollerin käyttöönotto Muistimetallilanka loppuu erilaisten kokeilujen vuoksi Kuukauden viivästys Keskisuuri Suunniteltu käyttö Uusi tilaus, kun lankaa on jäljellä tarpeeksi vähän Työryhmän jäsenen sairastuminen Lähes olematon viivästys Pieni Tehtäväjaon ja perehtyneisyyden kaksinaistaminen Työtehtävien uudelleenjako

8 5. Alustava suunnitelma Muutaman suunnittelupalaverin sekä ohjaajan konsultoinnin tuloksena alustava suunnitelma on toteuttaa yksinivelinen toimilaite (Kuva 1), jossa säädetään yhden muistimetallilangan asentoa. Tämä valinta on tehty siksi, että muistimetallilangan säädettävyydestä ei vielä tiedetä paljoa. Yksinkertainen toimilaite vähentää ongelmia (epätarkkuutta) välysten ja kitkan suhteen ja auttaa keskittymään itse säätöongelmaan. Kuten kuvasta 1 nähdään, suunnitelmana on kiinnittää kaksi tankoa toisiinsa ja yhdistää ne muistimetallijousella, joka toiseen tankoon kiinnitetyn kuorman ansiosta suoristuu. Kun lankaan sitten johdetaan sähköä, jousen olisi tarkoitus palautua kierteiseksi, minkä ansiosta toimilaitteen nivel kääntyy ja vertikaalinen tanko ja siihen kiinnitetty kuorma nousevat. Kuva 1. Toimilaitteen alustava suunnitelma