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

Transkriptio

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

2 1. Projektin eteneminen Projektin ollessa noin puolivälissä toimilaitteen mekaaninen osuus sekä alustava elektroninen osuus on toteutettu. Muistilankaa on testattu sekä itsenäisesti että osana toimilaitetta ja sen säädettävyydestä on saatu lupaavia tuloksia. Säätöä on kokeiltu on/off tyyppisenä hystereesisäätönä ja se on toiminut asteen kymmenyksen tarkkuudella pienellä, muutaman asteen toiminta alueella. Myös langan asettamista kierteiseksi (jouseksi) on kokeiltu ja havaittu, että siten voidaan suurentaa langan dynaamista aluetta. Alla olevasta listauksesta on vihreällä merkitty ne osuudet, jotka on jo toteutettu projektissa. Keltaisella puolestaan on merkitty ne osuudet, joiden työstäminen on aloitettu, mutta jotka eivät ole vielä valmiita ja punaisella ne osuudet, joita ei ole vielä aloitettu. Kiteytettynä seuraavat projektin osat on toteutettu: Muistinlangan ominaisuuksien selvittäminen Yksinkertaisen mekaanisen nivelen toteutus Anturi readout µc ohjelman toteutus Palvelinpuolen ohjelmiston runko 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

3 Työmäärä: 3h x 1hlö = 3 h Tuotokset: Mekaaninen toimilaite, jota tullaan säätämään Elektroniikkapiirin toteutus: Tavoite: Langan lämpötilan hallinta Työmäärä: 8h x 1hlö = 8 h Tuotokset: Mikrokontrolleriohjattu ohjaussignaalin tehovahvistin Arduinon ohjelmointi Tavoite: Arduinopiirin ohjelmointi Työmäärä: 15h x1hlö = 15 h Tuotokset: Ohjelma Arduinolle Säätösuunnittelu: Tavoite: Suunnitella ja toteuttaa projektissa tarvittava säätöalgoritmi 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

4 2. Projektin toteutuneet vaiheet Toimilaitteen mekaaninen osa koostuu tukevasta muovisesta alustasta sekä kevyestä alumiinivarresta, johon on nivelellä kiinnitetty alumiininen poikkivarsi. Tämä toteutus on todettu riittävän hyväksi paikanhallinta tarkoituksiin. Paikkasäätö toteutetaan poikkivarrelle asentamalla muistilanka varren ja poikkivarren päiden väliin ja ohjaamalla sitä sen läpi johdettua virtaa katkomalla. Laitteisto on havainnollistettu kuvassa 1. Virranohjaus on toteutettu mikrokontrolleriohjelmalla, joka mittaa varren asennon inkrementtianturilla ja ohjaa langan läpi kulkevaa sähkövirtaa nmosfet kytkimellä. Tähän asti säätörutiinina on kokeiltu on/off säätöä suoralla ja huonohkoksi jouseksi ohjelmoidulla langalla. Jousilangasta on tarkoitus tehdä paranneltu, tasaisemmin kierretty jousi, jolla dynaamista aluetta saataisiin kasvatettua. Alustavien kokeilujen perusteella tällä hetkellä valistunut ennuste on se, että proportionaaliohjaus ei tuo merkittävää etua käytetyssä järjestelmässä. Langan suhteellisen heikon voiman vuoksi, jopa hystereesitön on/off säätö tuntuu tarjoavan hyvän askelvasteen ja kohtuullisen tarkan paikan säädön. Langan lämpötilan mittaamiselle ei ole ollut tarvetta. Lanka alkaa vääntyä kohti austeniitti muotoa jo huomattavasti valmistajan ilmoittamaa suositusvirtaa pienemmällä virralla, joten riski langan ylikuumenemiselle ei pitäisi olla huomattava. Kuva 1: Projektissa käytetty laitteisto.

5 3. Ajanhallinta Kuten projektisuunnitelmassa todettiin, projektia on toteutettu tekemällä sekä yhdessä että itsenäisesti, mutta kuitenkin niin, että kaikki projektin jäsenet ovat mahdollisimman hyvin selvillä projektin tapahtumista ja etenemisestä. Ajanhallinnallisesti projekti on hieman jäljessä aikataulusta: ryhmän jäsenet ovat käyttäneet vajaan kolmanneksen kokonaistuntitavoitteesta. Säätösuunnittelu ja testaus ovat siirtyneet kolmella viikolla eteenpäin. Syitä tähän viivästymiseen ovat projektin jäsenten sairastelu sekä aikataulujen yhteensovittamisen vaikeus. Myös viikonloppuna työskentelyn mahdollisuus oli suljettu pois, sillä toimilaitteen käyttöön tarvittava virtalähde oli laitoksen tiloissa lukkojen takana. Ajankäyttöongelmiin on haettu ratkaisua anomalla kulkukortti laitokselle, joka mahdollistaa työskentelyn virtalähteen ääressä myös viikonloppuisin. Taulukko 1. Ajankäyttösuunnitelma. Taulukko 2. Gantt kaavio.

6 4. Riskienhallinta Projektille arvioiduista riskeitä toteutui ainoastaan työryhmän jäsenten sairastuminen. Jälkikäteen voidaan arvioida, että alkuperäiseen riskitaulukkoon olisi pitänyt lisätä myös yhteisen ajan löytämisen vaikeus. Kaikkien ryhmän jäsenten käydessä töissä eri viikonpäivinä, tapaamisia oli vaikeaa sopia. 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

7 5. Jatkosuunnitelma Projektia on tarkoitus jatkaa kokeilemalla erilaisia säätömenetelmiä varren kulman ohjaukseen. Ensimmäisenä vuorossa on edellä mainitun tasaisesti kierretyn jousilangan valmistaminen ja testitulosten tallennukseen ja visualisointiin soveltuvan ohjelman toteutus. Ohjelmalla on tarkoitus pystyä helposti kokeilemaan erilaisia ohjauksia ja vasteita. Ohjelmalle suunnitellaan testisekvenssi, jolla sama testi voidaan luotettavasti ajaa eri systeemikonfiguraatioille. Testeistä saatua dataa ja eri menetelmien hyvyyttä voi tämän jälkeen vertailla Matlab ohjelmalla käyttäen esimerkiksi PNS tai ITAE mentelmiä. Kirjallisuuskatsauksen ja simulaation tarpeellisuudesta keskustellaan ohjaajan kanssa. Kiteytettynä projektissa on tarkoitus seuraavaksi toteuttaa µc ohjelman parantelu ja viimeistely Datan reaaliaikainen piirto Datan tallennus Erilaisten säätörutiinien toteuttaminen ja testaus Eri systeemikombinaatioiden testaus Operaatiopisteet, kuormat Testitulosten analysointi & päätelmät Projektiraportin laatiminen