Научно-исследовательская работа "Изучение механики в сфере робототехники"
опыты и эксперименты по физике (11 класс) по теме

Научно-исследовательская работа по созданию роботов и систем на их основе: электромеханические приводы, микроконтроллерное управление

РОБОТЫ, МЕХАТРОНИКА, МИКРОКОНТРОЛЛЕРЫ, РОБОТОТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ

Руководитель группы Пеньковская Л.Н.

Объект исследования: роботы и системы на их основе.

Цель работы :

1. Проведение литературного обзора процессов создания аналитических моделей робототехники с использованием сервоприводов. Создание отчета о патентных исследованиях в области робототехники. Определение и обоснование оптимального варианта направления исследований и разработка плана проведения теоретических и экспериментальных исследований.

2. Пример создания трехмерной модели робототехнического комплекса на гусеничной платформе.

3. Пример корректировки трехмерной модели для получения корпуса, в котором используется меньшее количество материалов, по сравнению с аналогами.

При разработке общей методики проведения исследований выделены следующие основные направления: проработка конструкции робототехнического комплекса, проработка системы управления.

Выводы:

Сделан выбор и приведено обоснование принятого направления исследований и способов решения поставленных задач при разработке и исследовании технологии создания робототехнического комплекса.

Представлены результаты разработки общей методики проведения исследований.

Создана трехмерная модель робототехнического комплекса.

Проведено трехмерное моделирование динамики робототехнического комплекса космического назначения.

Разработана методика экспериментальных исследований.

Техпроцессы изготовления робототехнического комплекса базируются на технологиях, широко используемых в робототехнике, и не требуют в большей степени специальных (дополнительных) мер по экологической защите.

ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ.

РК - робототехнический комплекс

МК – микроконтроллеры

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1 Выбор и обоснование принятого направления исследований и способов решения поставленных задач при разработке и исследовании роботов

1. 1.1 Аналитический обзор

1.2 Разработка основных принципов построения конструктива роботов

1.3 Выбор обоснованного варианта направления исследований

2 Результаты экспериментальных и теоретических исследований

2.1 План проведения экспериментальных и теоретических исследований

2.2 Анализ основных типов конструкции подвижной части робототехнического комплекса

2.3 Конструкция робототехнического комплекса

2.3.1 Общий вид трехмерной модели робототехнического комплекса

2.3.2 Манипулятор (рука)

2.3.3 Гусеничная платформа

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время исследования в области робототехники являются весьма актуальными. Одними из популярных конструкций роботов, являются робототехнические комплексы различного назначения.

В настоящей работе рассматривается пример разработки робототехнического комплекса. Данная модель позволит вынимать поверхностный материал тонкими слоями, перевозить его и затем разгружать в склады-накопители. Устойчивость машины обеспечивается за счет ее собственного веса, а также за счет тяговых усилий, которые создаются в процессе загрузки. Комплексы такого типа способны обеспечивать довольно глубокую выемку в местах с крутыми откосами и работать в сочетании с различным транспортным оборудованием, находящимся на расстоянии более 100 м.

Основной проблемой при работе с управляемыми роботами, действующими по принципу передачи телеизображения, стало наличие существенных задержек в канале обратной связи и неудобная для оператора среда управления. Также размер и качество изображения затрудняют работу специалиста, который должен оценивать положение робота и расстояние между объектами рабочего пространства.

В сложившейся ситуации возникла идея создания нового робототехнического комплекса на гусеничной платформе с манипулятором (механической рукой) для захвата образцов породы с улучшенной для оператора средой управления.

Цель настоящего этапа НИР:

1) Проведение литературного обзора процессов создания аналитических моделей робототехники с использованием сервоприводов. Создание отчета о патентных исследованиях в области робототехники (приложение 1). Определение и обоснование оптимального варианта направления исследований и разработка плана проведения теоретических и экспериментальных исследований.

2) Создание трехмерной модели робототехнического комплекса на гусеничной платформе с манипулятором (механической рукой) для захвата образцов породы.

3) Корректировка трехмерной модели для получения корпуса, в котором используется меньшее количество материалов, по сравнению с аналогами.

В основной части работы приведены:

1) Выбор направления исследований, включающий обоснование направления исследования, методы решения задач и их сравнительную оценку, описание выбранной общей методики проведения НИР;

2) Теоретические исследования, включая определение характера и содержание теоретических исследований, методы исследований, методы расчета, обоснование необходимости проведения экспериментальных работ, принципы действия разработанных объектов, их характеристики;

3) Обобщение и оценка результатов исследований, включающих оценку полноты решения поставленной задачи и предложения по дальнейшим направлениям работ, оценку достоверности полученных результатов и их сравнение с аналогичными результатами отечественных и зарубежных работ, обоснование необходимости проведения дополнительных исследований, отрицательные результаты, приводящие к необходимости прекращения дальнейших исследований.

1 Выбор и обоснование принятого направления исследований и способов решения поставленных задач при разработке и исследовании роботов.

1.1 Аналитический обзор

Микроконтроллеры в робототехнике.

Микроконтроллеры можно встретить почти в любом современном электронном цифровом (и не только цифровом) устройстве: мобильных телефонах, фотокамерах, калькуляторах, часах, телевизорах, плеерах, компьютерах, в промышленной электронике, автомобильной электронике, военной технике и др. В основном микроконтроллеры применяться там, где приоритетным является уменьшение размеров, потребляемой мощности, увеличение устойчивости к внешним факторам, например в роботах. Быстродействие, значительно меньше чем у мощных процессоров, но его хватает для выполнения большинства требуемых от устройства функций. Технологии совершенствуется, и быстродействие микроконтроллеров возрастает. Новые поколения МК могут выполнять сложные расчеты за малое время. Но, хотя производители стремятся обеспечить работу своих изделий на высоких частотах, они, в то же время, предоставляют заказчикам выбор, выпуская модификации, рассчитанные на разные частоты и напряжения питания.

Микроконтроллер в прошлом имел название "однокристальная микро-ЭВМ". Первый патент на однокристальную микро-ЭВМ был выдан в 1971 году инженерам М. Кочрену и Г. Буну, сотрудникам Texas Instruments. Они предложили на одном кристалле разместить не только микропроцессор, но и память, устройства ввода-вывода. С появлением однокристальных микро-ЭВМ связывают начало эры компьютерной автоматизации в области управления. Поэтому микроконтроллер и имеет такое название (control - управление). На сегодняшний день существует большое количество микроконтроллеров разных типов. Популярностью у разработчиков пользуются 8-битные микроконтроллеры PIC фирмы Microchip Technology и AVR фирмы Atmel, а также ARM, которые разрабатывает фирма ARM и продаѐт лицензии другим фирмам. таким, как Atmel.

Теоретическая робототехника, под которой мы понимаем совокупность методов конструирования робототехнических систем и исследования их механических характеристик и принципов управления, является одним из самых молодых и перспективных направлений исследований последних десятилетий. В этой отрасли знаний объединились достижения механики (в частности, теории механизмов), а также кибернетики (включая теорию информации, теорию автоматического управления, электронику). Теоретическая робототехника представляет собой пример впечатляющих результатов междисциплинарного взаимодействия. Создаваемые на этой основе технические системы способны исследовать не только поверхности удаленных планет и глубины океана, но и

внутреннее строение человеческих органов, а также молекулярную структуру органических и неорганических веществ на нано-уровне. Робототехнические системы представляют собой устройства, позволяющие наиболее адекватно смоделировать характеристики и принципы управления, соответствующие некоторым функциям человеческого тела [1].

Исследования по робототехнике и мехатронике в основном начались в самом начале 70-х годов. Они были связаны с проблемой создания роботов и транспортных средств нового типа - шагающих аппаратов. С теоретической точки зрения, задачи управления движением таких механических объектов составили принципиально новый класс задач управления сложными системами со многими механическими степенями свободы [2]

Примеры математических компьютерных моделей и лабораторных макетов, применявшихся в исследованиях шагающих аппаратов, показаны на рисунке 1. Эти работы практически впервые в мире продемонстрировали возможность решения задачи управления ходьбой технических устройств – роботов.

Рисунок 1 - Шагающие роботы

В настоящее время эти исследования продолжаются. Широко используются современные средства работы на ЭВМ (например, графика и мультимедиа), применяется современная микрокомпьютерная техника, бортовые ЭВМ, интегральные датчиковые системы [4]. Создаются реальные прототипы будущих машин.

Подход предварительного трехмерного моделирования может существенно расширить возможности создания робототехнических систем. Проектировщик еще на стадии предварительного просмотра вариантов может убедиться в преимуществах или недостатках того или иного решения, посмотреть, как будет двигаться предполагаемый механизм.

Позднее были проведены другие циклы исследований робототехнических систем, заложившие основу теории построения роботов и методов их реализации как технических устройств. Разработана теория и проведено моделирование двуногой ходьбы. Рассмотрен большой класс задач автоматизации сборки. Проведены исследования сенсорных систем роботов и систем их приводов, найдены оптимальные варианты их конструкций.

В настоящее время исследования идут также по таким направлениям, как создание интеллектуальных автономных колесных роботов (пример показан на рисунке 2) роботов с гибридными колесно-шагающими двигателями, разработка гусеничного автономного робота для естественной среды, управление мини-роботами, управление роботами-манипуляторами.

Рисунок 2 - Колесные роботы

Разработаны методы автоматического взаимодействия робота-манипулятора с быстрыми подвижными объектами, совершающими заранее неизвестные движения под действием естественных сил. Эксперименты проводились с двумя типами объектов - стержнем на бифилярном подвесе (рисунок 3) и сферическими маятниками. Контур управления роботом содержит систему технического зрения. Выполняется прогноз движения объектов на основе их динамических моделей.

Разработаны эффективные методы удаленного управления роботами через Интернет и, более широко, в случаях управления роботами с задержками управляющего сигнала и при нагруженных каналах связи. Методы основаны на использовании "виртуального дублера" - трехмерных моделей робота и его рабочего пространства, функционирующих в масштабе реального времени.

Удаленное управление роботом через сеть общего пользования было продемонстрировано во время Международной конференции по робототехнике ICRA'2001 (Сеул, Южная Корея, май 2001). Робот-манипулятор управлялся из конференц-зала на расстоянии свыше 10000 км.

И, наконец, еще один класс новых, весьма актуальных задач - задачи группового управления коллективом роботов, совместно решающих общую задачу. Эти задачи начали развиваться как задачи управления командой роботов, в том числе - играющих в командную игру. В рамках этого направления в настоящее время рассматривается задача управления командой роботов, играющих в футбол (это эффективный "полигон" для отработки новых методов).

Исследования задач управления роботами позволили создать и развить теории и методы, открывшие новые страницы в теоретической механике, теории управления, программировании и смежных научных дисциплинах [1].

1.2 Разработка основных принципов построения конструктива роботов.

Первый этап разработки робототехнического устройства в МИЭТ – разработка трехмерной модели робота. После создания трехмерной модели, на чертежах деталей толщиной 1,5 мм в местах сгиба создавались отверстия диаметром 2 мм, для более удобного дальнейшего сгиба (рисунок 10). Далее чертѐж каждой детали передаѐтся на установку лазерной резки Bulat LRS-150A, скорость резки деталей толщина алюминия которых составляет 1,5 мм – 4 мм в сек, скорость резки деталей

толщина которых составляет 3 мм – 1 мм в сек (рисунок 3). Итого приблизительное общее время изготовления одного робота составляет 2 часа.

Рисунок 3 - Место сгиба

Рисунок 4 - Детали после лазерной резки

После лазерной резки детали толщиной 1,5 мм передаются на сгиб с помощью специальной оснастки (рисунок 4).

Состав основных частей робота: 1) алюминий толщиной 1,5 мм; 2) алюминий толщиной 3 мм; 3) сервоприводы; 4) качалки; 5) болты диметром 2 мм; 6) гайки диметром 2 мм; 7) медные втулки; 8) аккумулятор LiPo 2800 mAh; 9) контроллер; 10) беспроводная видеокамера.

После получения необходимых деталей проводится анодирование (чернение алюминия). Осуществляется нарезание резьбы диаметром 2 мм в предусмотренных для этого деталях. Далее проводится сборка необходимой конструкции. Подвижные части робота закреплены с одной стороны на валу сервопривода, с другой стороны медной втулкой (рисунок 5).

Рисунок 5 - Схематичное изображение крепления подвижных частей.

Далее проводится установка контроллера на предусмотренное для этого место. Проводится подключение сервоприводов в установленном порядке. После подключения питания необходимо провести калибровку робота, то есть установить положение каждого сервопривода в начальную позу относительно которой будут осуществляться другие движения. Контроллер подключается к персональному компьютеру с помощью кабеля USB и прошивается стандартная прошивка, в которой имеется несколько стандартных движений и поз. Возможно написание новый собственных движений. Управление запрограммированными движениями осуществляется по Bluetooth модулю через персональный компьютер, либо коммуникатор. Так же программным обеспечением предусмотрено управление

каждым сервоприводом в отдельности с помощью персонального компьютера по Bluetooth модулю. Далее необходимо установить на робота беспроводную видеокамеру. Проводится установка разработанного программного обеспечения для видеокамеры, с помощью которого робот может самостоятельно проводить поиск различных предметов.

1.3 Выбор обоснованного варианта направления исследований

В МИЭТ-е на протяжении нескольких лет разрабатывались робототехнические системы на общих конструктивно-технологических принципах: конструкционный материал преимущественно – алюминий, двигательные элементы – сервоприводы, элемент питания – аккумулятор, контроллер – стандартный контроллер сервоприводов АРМ.

На основе этих принципов был разработан ряд робототехнических систем, например: 1) Роботизированная рука (рисунок 6); 2) Андроидный робот (рисунок 7); 3) Шестиногий робот (рисунок 8) и др.

Рисунок 6 - Роботизированная рука

Рисунок 7 - Андроидный робот.

Рисунок 8 – Шестиногий робот.

Исходя из полученного опыта научных исследований и практических разработок, рассмотрим разработку робота на примере робототехнического комплекса с механической рукой. В качестве основы для передвижения выступает гусеничная платформа (рисунок 9), манипулятором (механическая рука) является модуль аналогичный роботизированной руке представленной на рисунке 5, но меньший по размеру и обладающий скорректированной конструкцией ориентированной на снятие поверхностного материала тонкими слоями (рисунок 10).

Рисунок 9 - Гусеничная платформа.

Рисунок 10 - Манипулятор (механическая рука).

Избранный тип конструкции механической руки обладает рядом преимуществ:

1. а) “Пальцы” механической руки изготовлены из стали Сталь 20 ГОСТ 1050-88, что обеспечивает высокую прочность данной конструкции.
2. б) В предложенном типе конструкции окончания “пальцев” острое с углом заточки 20-30 градусов. Данная заточка “пальцев” служит для облегчения захвата твѐрдых пород.
3. в) Сервоприводы применяемые в механической руке имеют импульсное управление (от 1 до 2 мс), что обеспечивает высокую точность позиционирования.
4. г) Сервоприводы применяемые в механической руке имеют железный редуктор, что обеспечивает:

1. 1) высокую точность позиционирования
2. 2) долговечность.

Выбранный тип платформы (гусеничный) так же имеет ряд преимуществ:

а) Центр тяжести расположен снизу (связано это с тем, что большая часть механизмов расположена внизу конструкции и изготовлена из металла), что обеспечивает хорошую устойчивость на поверхности.

б) Имеет хорошую проходимость (это связано с большой площадью соприкосновения с землѐй), что является не маловажным фактором для исследования пород.

Как недостаток необходимо отметить следующее: в связи с тем, что большая часть конструкции состоит из металла, РК имеет большой вес, в результате чего проходимость на сыпучих поверхностях может ухудшиться.

2 Результаты экспериментальных и теоретических исследований

При разработке общей методики проведения исследований были выделены следующие основные направления: проработка конструкции робототехнического комплекса, проработка технологических вопросов изготовления корпуса робототехнического комплекса, а также проверка робототехнического комплекса космического назначения с помощью трехмерной модели.

2.1 План проведения экспериментальных и теоретических исследований

1. Анализ основных типов конструкции подвижной части робототехнического комплекса

2. Конструкция робототехнического комплекса космического назначения

3. Общий вид трехмерной модели робототехнического комплекса

4. Манипулятор (рука)

5. Гусеничная платформа

2.2 Анализ основных типов конструкции подвижной части робототехнического комплекса

Робототехнические системы с применением сервоприводов являются основным направлением в робототехнике, которое в последнее время получило значительное развитие. Технология изготовления корпуса робототехнического комплекса космического назначения основана, главным образом, на операциях, резки и изгиба листового метала. В то же время технология изготовления данного робототехнического комплекса имеет множество существенных особенностей, которые при разработке конкретных механических структур и систем приходится учитывать, используя типовые технологические процессы. Эти проблемы могут быть преодолены путем разработки нестандартных технических решений. Кроме того, развитие робототехники приводит к необходимости разработки и исследования конструкций, технологий, контрольно-измерительной аппаратуры, метрологии и спецтехнологического оборудования, не характерных для стандартных измерений.

В связи с этим в настоящей работе ставилась цель исследовать особенности базовой технологии изготовления робототехнического комплекса на основе трехмерной модели.

Рассмотрим два варианта конструкции роботизированной руки (в соответствии с рисунком 11).

а- роботизированная рука с дополнительной степенью свободы

б – роботизированная рука

Рисунок 11 - Варианты конструкции роботизированной руки.

Совершенно очевидно, что конструкция, приведенная на рисунке 11 (а), имеет ряд преимуществ по сравнению с конструкцией, приведенной на рисунке 11 (б). Это связано с тем, что захват роботизированной руки, представленной на рисунке 11 (а) будет более оптимизирован и имеет большее число степеней свободы (для взятия породы требуется меньше давление на роботизированную руку, так же количество захваченного материала в несколько раз выше за счет конструкции “пальцев”). Таким образом, в дальнейшем будем рассматривать конструкцию, показанную на рисунке 11(а).

Одной из основных характеристик данного робототехнического комплекса является точность позиционирования, а также проходимость платформы. Ниже рассмотрена зависимость точности позиционирования от расстояния точки управления.

Так как работа робототехнического комплекса должна осуществляться не только на земле, очевидно, что навигация (GPS, ГЛОНАС) не применима к данной конструкции. Вследствие чего встал вопрос о необходимости применения микросистемной техники (гироскопов и акселерометров). Но поскольку вследствие долгой работы робототехнического комплекса возможно накопление ошибки позиционирования, то необходима установка беспроводной видеокамеры. Скорость ухода современных гироскопов составляет менее 0,001 град/час. Предельная чувствительность акселерометров менее 0,00001g.

Предположим, что РК двигается из точки А в точку В, расположенные на расстоянии 100 метров друг от друга по траектории показанной сплошной линией (рисунок 12). Будем считать предельную чувствительность акселерометра достаточной, чтобы ею пренебречь. Так же предположим, что данное исследование длилось около 2-х часов. В среднем можно сказать, что погрешность угла составляет 0,001 градус. Следовательно, робототехническая платформа будет двигаться по траектории показанной пунктиром на рисунке 12 (показано условно). Видно, что при возвращении в исходное положение в результате погрешности гироскопа образуется смещение E.

Рисунок 12. Траектория движения робототехнического комплекса.

Для оценки смещения E. Воспользуемся теоремой синусов

(1) CBASINCACABSINCB

E=CA=CBASINCABSINCB

E=001,0SIN995,89100SIN

E=1,747*10-3 (м)

E=1,747 (мм)

Из проведѐнных расчетов видно, что смещение платформы в конечной точке составляет менее 2 мм. Если же изучение почвы длиться более суток и траектория движения более сложная, то конечное смещение может достигать 2 м, вследствие чего для корректировки маршрута необходимо воспользоваться беспроводной видеокамерой.

2.3 Конструкция робототехнического комплекса

Конструкция робототехнического комплекса состоит в основном из листового алюминия, крепѐж компонентов осуществляется с помощью болтов М3x8 и М5x8.

2.3.1 Общий вид трехмерной модели робототехнического комплекса

На рисунке 13 приведен общий вид трехмерной модели робототехнического комплекса. Гусеничная платформа (1), манипулятор расположен наверху платформы (2), контроллер состоит из одной платы, расположенной в задней части конструкции (3), беспроводная видеокамера расположена в передней части конструкции (4), датчик гироскоп (5), датчик акселерометр (6) [3].

Рисунок 13 - Общий вид трехмерной модели робототехнического комплекса

Все детали робототехнического комплекса объединены в монолитный блок с электрическими соединениями между ними. Необходимые рабочие зазоры между подвижными частями конструкции предусмотрены в трехмерной модели.

2.3.2 Манипулятор (рука)

В результате анализа и моделирования различных вариантов конструкций манипулятора, представленных в предыдущих разделах, для трехмерной модели

робототехнического комплекса была выбрана оптимальная конструкция подвижной части манипулятора.

Подвижная часть представляет собой манипулятор с возможностью перемещения во всех плоскостях (рисунок 14).

1 – подвижные части, 2 – “пальцы”.

Рисунок 14 - Манипулятор рука.

2.3.3 Гусеничная платформа

Для создания трехмерной модели платформы было изучено несколько типов гусениц для движения.

На рисунке 15 приведен внешний вид трехмерной модели гусеничной платформы выполненной из стали.

Гусеничная платформа состоит из гусениц (1), колес, с помощью которых осуществляется движение (2), зубчатых колес (3), с помощью которых передается движение на гусеницы с редукторов (4), корпуса (5).

1 – гусеницы, 2 – колеса, 3 – зубчатые колеса, 4 – редукторы, 5 – корпус.

Рисунок 15 - Трехмерная модель гусеничной платформы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Сделан выбор и приведено обоснование принятого направления исследований и способов решения поставленных задач при разработке робототехнического комплекса. В качестве основания использована гусеничная платформа, в качестве подвижной части выбрана конструкция руки, представленная на рисунке 9. Конструкционный материал - сталь.

Представлены результаты разработки общей методики проведения исследований. При разработке общей методики проведения исследований были выделены следующие основные направления: проработка конструкции подвижной части, проработка технологических вопросов создания, а также проверка работоспособности робототехнического комплекса с помощью созданной трехмерной модели.

Рассмотрены погрешности перемещения робототехнического комплекса в автоматическом режиме. Технологические процессы учитывают экономное и рациональное использование топливно-энергетических и материальных ресурсов. Техпроцессы изготовления робототехнического комплекса базируются на технологиях, широко используемых в робототехнике, и не требуют в большей степени специальных (дополнительных) мер по экологической защите.

Разработана методика экспериментальных исследований, проведена подготовка испытательных стендов и установок, входящих в состав испытательных стендов.

“Пальцы” механической руки изготовлены из стали Сталь 20 ГОСТ 1050-88, что обеспечивает высокую прочность данной конструкции.

В предложенном типе конструкции окончания “пальцев” острое с углом заточки 20-30 градусов [5]. Данная заточка “пальцев” служит для облегчения захвата твѐрдых пород.

Сервоприводы, применяемые в конструкции механической руки, имеют импульсное управление (от 1 до 2 мс), что обеспечивает высокую точность позиционирования.

Разработана трехмерная модель робототехнического комплекса, проведены испытания трехмерной модели, сделана обработка данных.

В данном отчете достигнута цель и выполнены задачи для данного этапа работы в соответствии с техническим заданием и календарным планом. Полученные результаты будут использованы при продолжении работы.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

[1] Интернет – Робототехника и мехатроника http://www.keldysh.ru/pages/anniver/achievment/21_robot.htm

[2] Интернет - Анализ ситуации с технической точки зрения http://btvt.narod.ru/4/kg.htm

[3] Вавилов В.Д. Интегральные датчики //Учебник. – Нижегород. гос. техн. ун-т. Н. Новгород, 2003 - С. 270-315.

[4] Мокров Е.А. Интегральные датчики. Состояние разработок и производства. Направления развития, объемы рынка // Датчики и системы.-2000.-№1.-С. 28…30.

[5] Интернет – Заточка режущего инструмента http://library.novosel.ru/show.php?c=17&id=1647