Мой первый робот
Данная работа была представлена на НПК "Шаг в будущее" в 2015 году
Скачать:
| Вложение | Размер |
|---|---|
 moy_pervyy_robot.ppt | 1.1 МБ |
Предварительный просмотр:
Подписи к слайдам:
Введение “ С игрушек начинаются большие проекты ” Робототехника является одним из главных направлений научно- технического прогресса, в котором проблемы механики и новых технологий соприкасаются с проблемами искусственного интеллекта. Специалисты обладающие знаниями в этой области сильно востребованы и вопрос внедрения робототехники в учебный процесс весьма актуален.
Введение Конструирование роботов, позволяет манипулировать реальными объектами. Анализ и обработка информации поступающей с разных внешних датчиков у робота, дает представление об информационных процессах, происходящих в живых системах. Воплощение физических моделей позволяет взглянуть с «близкого расстояния» на процесс создания электронных блоков, передач, рычагов, на принцип работы систем с обратной связью.
ЦЕЛЬ: Создать BEAM ˗ робота, имитирующего движения живого организма, который будет осуществлять поиск наиболее яркого источника света и двигаться к нему ˗ фототаксис.
Задачи: Разработать и собрать робота из имеющихся деталей. Спаять, настроить электронную схему и добиться работоспособности системы. Исследовать поведение робота на подвижный источник света. Внести необходимые конструктивные изменения и настройки, по результатам испытаний. Сравнить результаты поведения построенной системы с живыми организмами. Предложить варианты дальнейшей модернизации и области применения данных систем.
ВЕАМ-роботы Мы решили создать компактного, простого, но в то же время функционального робота, способного взаимодействовать с окружающей средой. Поиски в интернете привели к так называемым, BEAM роботам. Выбор был не случаен, так как эти электронные механизмы при своей конструктивной простоте и минимумом деталей, могут достаточно эффективно имитировать поведение живых существ, без всякого программного кода.
ВЕАМ, что это? Роботы BEAM — Слово BEAM является аббревиатурой от B iolоgy ( Б иология), E lectronics ( Э лектроника), A esthetics ( Э стетика), M echanics ( М еханика). Роботы ВЕАМ обычно представляют собой набор аналоговых цепей (копирующих биологические нейроны), которые позволяют роботу взаимодействовать с рабочим окружением.
Концепция ВЕАМ-роботов BEAM-робототехника родилась в 1989 году в тот момент, когда 10 ноября Марком Тилденом был создан простой BEAM-робот класса solaroller. За 20 минут, находясь под лучами солнечного света, робот смог преодолеть дистанцию в 15 сантиметров. Концепция BEAM-роботов, предложенная Марком Тилденом, состояла в том, что реакция на внешние факторы должна обеспечиваться на первом этапе самой машиной, без участия какого-либо "мозга", как это происходило и в живой природе, на пути от простейших к человеку. По этому же пути должно идти совершенствование и создание более сложных систем.
Классы BEAM -роботов Solaroller - небольшой робот на колесах, который движется за счет энергии, полученной с помощью солнечной батареи. Вначале энергия накапливается в конденсаторе, а далее происходит его разряд в электромотор.
Классы BEAM -роботов Photovore - это два solarroller'а, соединенных вместе. В основе роботов этого типа лежит реакция фототаксиса, которая заставляет их перемещаться к самому яркому источнику света.
Классы BEAM -роботов Walker - ходящий робот, относящийся к самому многочисленному классу BEAM-роботов. Наиболее распространенные роботы этого класса имеют четыре ноги, управляемые двумя моторами.
Преимущества ВЕАМ-роботов В отличие от традиционных роботов большинство BEAM-роботов способны "жить" в реальном мире. Биоморфная аналоговая техника имеет невероятное преимущество перед традиционной техникой, также как небольшие мозги насекомого способны обеспечивать жизнь в реальном мире намного более эффективно, чем робот управляемый компьютером с операционной системой.
Описание устройства Робот представляет собой компактное электромеханическое устройство способное определять направление источника света, поворачиваться к нему и двигаться в его сторону, а так же следовать за подвижным источником.
Принцип работы Принцип взаимодействия со средой осуществляется путем фоторецепции. Фотодатчики находятся в режиме ожидания и срабатывают в момент освещения. Расположение датчиков перекрестное по отношению к двигателям, т.е. при срабатывании правого фотоэлемента, включается левый двигатель и наоборот. Таким образом, решается задача поворота робота. Как только система повернулась к свету, оба датчика срабатывают и включаются два двигателя, так робот движется к источнику.
Устройство робота В основе конструкции робота используются два основных модуля - механическая часть и электронная схема "нейронная сеть". ИМС L293DNE Фотодатчики Электродвигатели ИК излучатели и приемники (модификация)
Механическая часть Готовых частей для сборки механической части не нашлось и нам пришлось «изобретать велосипед» из того что имелось в наличии. Просмотрев различные прототипы ходовой части для подобных роботов, выяснили, что они вообще могут обойтись без сложной механики, используя для движения непосредственно оси электродвигателей.
Электронный блок Монтаж схемы выполнен на макетной плате. ИМС L 293 DNE размещена в специальной панели, на случай выхода её из строя и быстрой замены. В качестве фотодатчиков используются фототранзисторы, работающие в видимом диапазоне. Электродвигатели от сломанной игрушки. Питание схемы осуществляется с помощью литиевого аккумулятора на напряжение 4,2 В, взятого от той же игрушки, он весьма компактный и экономичный. Заряд аккумулятора производится от старого телефона.
Блок-схема электронного модуля
Схема электрическая принципиальная. PTR1, PTR2 – фототранзисторы; М1, М2 – электродвигатели; R1,R2 – резисторы; L293DNE – универсальный драйвер двигателей.
Испытание и настройка Перед окончательной сборкой ещё раз проверили все электрические цепи на предмет обрыва или замыкания, полярность подключения батареи, двигателей и фотодатчиков. После чего все детали заняли свое место и мы приступили к испытаниям. С замиранием сердца, на схему было подано напряжение. Ничего не задымилось и не перегрелось ˗ хороший признак. Направив робота в сторону окна, оба двигателя заработали, следовательно, всё сделано правильно. Перекрывая по очереди оба датчика, убедились, что двигатели работают в перекрестном режиме, как и было задумано.
Результаты испытаний Скорость вращения электродвигателей слишком велика, чересчур шустрый; Фотодатчики реагировали на боковой "паразитный" свет; Поворот робота к источнику света, осуществлялся не совсем уверенно; Угол восприятия света, при котором срабатывали датчики, крайне мал.
Настройка Первую проблему решили пока оставить, так как она не влияет на общее функционирование системы, кроме того, что приходится его догонять. Со второй и третьей разобрались очень просто, на фотодатчики были установлены бленды из небольших отрезков резиновой трубки, а фототранзисторы были немного разведены в разные стороны.
Настройка Для решения четвертой проблемы, потребовались некоторые конструктивные модификации, добавили пару датчиков, параллельно к имеющимся, тем самым расширили угол обзора. Дело в том, что угол срабатывания фотодатчика составляет всего около 20˚. При их совместной работе, с учетом частичного перекрытия, угол обзора получается менее 35˚. Поэтому добавили еще пару датчиков, параллельно к имеющимся, тем самым расширили угол обзора до ~70˚. Ниже на рисунке это наглядно видно.
Расположение фотодатчиков 4 3 2 1 ~70˚ 1, 2 ˗ передние датчики 3, 4 ˗ боковые датчики
Второе испытание После внесенных изменений, были проведены повторные испытания и получены следующие результаты: 1. Робот стал меньше реагировать на боковую засветку; 2. Более уверенно определяет источник света и движется к нему; 3. Угол обзора стал значительно шире; 4. Движение стало более забавным и разнообразным; Таким образом, были решены основные задачи и достигнута поставленная цель.
Сравнение фототаксиса робота и живого организма Механизм фототаксиса у простейших живых организмов (Эвглена зелёная и ей подобные), включает три основные стадии: 1. поглощение света и первичная реакция в фоторецепторе; 2. преобразование стимула и передача сигнала двигательному аппарату; 3. изменение движения.
Механизм фототаксиса робота В нашей системе данный процесс реализуется следующим образом: 1. поглощение света фотодиодом и его срабатывание; 2. в зависимости от того какой датчик сработал, передается сигнал тому или иному двигателю через универсальный драйвер; 3. система поворачивается к свету с помощью двигателей и движется к нему.
Варианты модернизации 1. Оснащение солнечной батареей обеспечит большую автономность робота; 2. Дополнение инфракрасными излучателями и приемниками позволит роботу следовать по линии, но для этого необходимо установить регулятор оборотов двигателей; 3. Установка 2-х дополнительных светодиодов, даст возможность роботу следовать за препятствием, например за ладонью; 4. Оснащение тактильными сенсорами позволит роботу обнаруживать и обходить препятствия.
Области применения 1. Детские игрушки – забавные, маленькие, насекомоподобные устройства; 2. Обследование внутренней поверхности трубопроводов, на предмет различных дефектов; 3. Управление поворотом за солнцем солнечных батарей; 4. Исследование планет
Заключение Весь процесс создания робота, от идеи до её воплощения – очень увлекательное занятие. В процессе работы над конструкцией узнали много нового и приобрели дополнительные навыки, такие как паяние, использование измерительных приборов, расчет необходимых номиналов сопротивлений, чтение электронных схем, моделирование и пр. Расширили свой кругозор в таких областях науки как физика, информатика, биология, технология, радиоэлектроника.
Что дальше? На этом останавливаться не собираемся, в перспективе создание BEAM -роботов всех основных классов ( solaroller , wolker ). В дальнейшем предполагается создание роботов на программируемых микроконтроллерах серии ATMega, PIC , а так же участие в состязаниях роботов (сумо, трасса, кегельринг и др.)
Список литературы и интернет ресурсов 1. Бишоп О. «Настольная книга разработчика роботов» – М: МК-Пресс, Корона-Век, 2010 2. Гололобов В.Н. «С чего начинаются роботы. О проекте Arduino для школьников (и не только)» - Интернет издание, 2011 3. Ньютон Б. «Создание роботов в домашних условиях» – М: НТ Пресс, 2007 4. Предко М. «123 эксперимента по робототехнике» – М: НТ Пресс, 2007 Интернет-ресурсы 1. http://www.myrobot.ru/ 2. http://beam-robot.ru/common/ 3. http://www.russianrobotics.ru/ 4. http://www.robotics.ru/ 5. http://www.prorobot.ru/ 6. https://ru.wikipedia.org
Спасибо за внимание
Рисуем акварелью: "Романтика старого окна"
Городецкая роспись
Лиса-охотница
Злая мать и добрая тётя
За чашкой чая