Модифицированный манипулятор «Агроробот» на дистанционном управлении

XII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Модифицированный манипулятор «Агроробот» на дистанционном управлении

Нешатаев Д.А. 1
1МБОУ "Белоевская СОШ"
Нешатаева Л.В. 1
1МБОУ "Белоевская СОШ"
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

В настоящее время современное производство быстрыми темпами развивается, совершенствуется, и уже не может обходиться без автоматизированных станков с числовым программным управлением и роботов-манипуляторов. Эти устройства освобождают людей от опасной и тяжелой физической работы, точно и с большой скоростью выполняют поставленные задачи. Разработками в этой области могут заниматься не только большие корпорации, научно-исследовательские институты, ученые и инженеры, но и обычные школьники.

Манипулятор «Агроробот» произведен в Санкт-Петербургском Федеральном государственном автономном научном учреждении «Центральный научно-исследовательский и опытно-конструкторский институт робототехники и технической кибернетики» (Приложение 1, рис.1). Эта компания - лидер отечественного роботостроения. Данный «Агроробот» разработан целенаправленно для проведения Всероссийского конкурса для учащихся сельских школ «АгроНТИ», который стартовал в 2019 году. В 2020 году я принял участие в конкурсе, занял 3 место в финале очного Всероссийского этапа. Призом за победу стал «Агроробот» (Приложение 2, рис.5-6.). Институт выпускает несколько видов манипуляторов, в том числе экземпляры и с видеокамерой. Образец моего манипулятора без видеокамеры, поэтому я решил его модифицировать подручными устройствами, и показать возможность применения данного устройства (Приложение 1, рис.2-4.).

Тема работы: Модифицированный манипулятор «Агроробот» на дистанционном управлении.

Актуальность работы заключается в том, что в настоящее время дистанционно управляемые манипуляторы востребованы во всех областях науки и техники.

Цель работы: модифицировать манипулятор «Агроробот» на дистанционном управлении, продемонстрировать его работу, доказать возможность его применения для различных целей.

Задачи:

Изучить литературу по данной теме.

Продемонстрировать принцип работы модифицированного манипулятора «Агроробот», его узлов и деталей, и дистанционного управления.

Объект: модифицированный манипулятор «Агроробот» на дистанционном управлении.

Предмет: возможность применения манипулятора на дистанционном управлении для различных целей.

В основу работы положена следующая гипотеза: дистанционно управляемые манипуляторы можно применять для различных целей.

Практическая значимость: результаты исследования могут быть использованы во внеурочной деятельности по информатике и физике.

Место проведения: МБОУ «Белоевская средняя общеобразовательная школа».

Срок реализации: декабрь 2020 - февраль 2021 г.г.

Для реализации цели исследования и решения поставленных задач использовались следующие методы:

теоретические (изучение и обобщение литературы);

2) эмпирические (наблюдение, фотографирование, видеосъёмка);

3) статистические (оценка значимости работы в целом).

Работа предусматривает два этапа:

теоретический - изучение литературы по данной теме;

практический - модификация манипулятора и её демонстрация.

Теоретическая часть

Понятия: манипулятор, робот и робот-манипулятор

Манипулятор - это механизм для изменения пространственного положения объектов [1].

Робот - это программируемое механическое устройство, способное выполнять задачи и взаимодействовать с внешней средой без помощи со стороны человека [2].

Робот – манипулятор - автоматическое или управляемое оператором устройство, выполняющее алгоритм операций вместо человека. Он состоит изнескольких степеней подвижности, и программного управления, которое служит для выполнения в производственном процессе двигательных и управляющих функций. Разработаны они для того, чтобы выполнять повторяющиеся, сложные и опасные действия вместо человека [3].

Виды манипуляторов

Существует около 30 видов манипуляторов, которые выполняют различные операции: сварку, сверление, резку, сборку сложных узлов и целых систем, упаковку, погрузку, разгрузку и т.д.

Манипуляторы по типу управления делятся на управляемые человеком и автоматические.

Управляемые человеком устройства используют там, где нет возможности полностью запрограммировать оборудование, и ему нужен контроль оператора. Управление манипулятором осуществляется с пульта, который может быть стационарным или мобильным. Работа оператора сводится к отслеживанию параметров на пульте, а так же к периодическому контролю результатов работы. И это можно выполнять дистанционно с помощью видеокамеры – для управления манипулятором оператору даже не требуется находиться с ним в одном помещении [4].

Автоматические манипуляторы используют для выполнения монотонных,

простых операций – техника полностью заменяет человека и при этом обеспечивает более высокие показатели работы.

Подвижные манипуляторы перемещаются по помещению с помощью колес, гусениц, рельсов и т.д. И практически всегда в целях безопасности оснащаются датчиками движения (температуры и т.д.).

Использование таких устройств дает возможность в самые малые сроки увеличить объем производства в разы и получить конкурентное преимущество. Ожидается, что через несколько лет наличие таких механизмов на производстве станет обязательным условием «выживания» на рынке, так как ручной труд не выдерживает никакой конкуренции с возможностями манипулятора [4].

Современная система связи

Один из методов дистанционного управления техническими объектами, при котором управляющие воздействия и обратная связь осуществляются через радиоканал с помощью радиоволн, является радиоуправление[5].

В системах радиоуправления при передаче команды от оператора, (диспетчера) к объекту, команды, задаваемые оператором некоторой манипуляцией на пульте управления, преобразуется в последовательность электрических импульсов, а затем этими импульсами модулируется (с помощью фазовой, амплитудной, частотной модуляции и т. д.) несущая частота радиосигнала.

Системы радиоуправления подразделяются на дискретные (передают фиксированный набор команд на включение/выключение исполнительных устройств, или изменение их состояния на заданный шаг) и пропорциональные (передают команды на плавно изменяемый отклик исполнительного устройства, например рулевого механизма, в соответствии с изменением положения органа управления).

В некоторых системах (например, в системах управления ракет в полёте, беспилотных летательных аппаратов) управление производится непрерывно при помощи автоматически получаемого сигнала рассогласования между заданным и истинным (текущим) состояниями объекта управления, например, положения его в пространстве.

Дистанционно управляемые манипуляторы

Дистанционно управляемые манипуляторы классифицируются по типу систем управления с командным, копирующим и полуавтоматическим управлением.

Командное управление характеризуется тем, что человек-оператор путем нажатия различных кнопок или включения различных тумблеров запускает по очереди приводы манипулятора по различным степеням подвижности, добиваясь, поочередного включения каждого привода требуемого конечного положения всего манипуляционного механизма.

Копирующее управление отличается тем, что человек-оператор работает с задающим механизмом, кинематически полностью подобным рабочему манипулятору. При этом каждый шарнир задающего механизма связан по принципу следящей системы с соответствующим шарниром рабочего манипулятора. В копирующей системе наблюдение может вестись визуально, либо на расстоянии по телевизионной системе.

Полуавтоматическая система дистанционного управления манипулятором отличается от копирующей другим характером задающего устройства и наличием вычислителя. Вместо многозвенного механизма, повторяющего кинематику рабочего манипулятора, здесь применяется управляющая рукоятка с несколькими степенями свободы, и вместо сложного движения при копирующем способе человек-оператор производит только легкое нажатие на рукоятку в требуемом направлении. Сигналы от управляющей рукоятки поступают в микропроцессорное вычислительное устройство, где они преобразуются по определенным алгоритмам, в результате чего формируются сигналы управления, подаваемые на все приводы звеньев манипулятора. В такой системе благодаря наличию микропроцессорного вычислительного устройства могут быть реализованы самые различные алгоритмы управления [6].

Применение манипуляторов

Роботы-манипуляторы успешно применяются в самых разных отраслях экономики, позволяя снизить себестоимость продукции без снижения ее качества.

Манипуляторы в последние годы получили широкое применение [7]:

- в автомобильной промышленности (Приложение 2, рис.1.);

- в электротехнике и электронике (Приложение 2, рис.2.);

- в машиностроении и металлообработке шлифовка и финишная обработка инструментов (Приложение 2, рис.3.);

- в химической промышленности: (Приложение 2, рис.4.);

- в медицине и фармацевтике: (Приложение 2, рис.5.);

- в сельском хозяйстве: (Приложение 2, рис.6.);

- в образовании: (Приложение 2, рис.7.);

- в военной промышленности: (Приложение 2, рис.8.);

- в кулинарии: (Приложение 2, рис.9.);

- для подводных работ применяются манипуляторы, устанавливаемые на небольших необитаемых подводных аппаратах-роботах;

- актуальны дистанционно управляемые и роботизированные манипуляторы для работы в космическом пространстве (Приложение 2, рис.10.);

- широкой областью применения дистанционно управляемых манипуляторов является обслуживание атомных, термоядерных и энергетических установок, где они работают в условиях высокой радиации и сильных магнитных полей.

С каждым годом эта сфера науки приобретает все больший масштаб.

Практическая часть

Основные характеристики и комплектация модифицированного манипулятора «Агроробот»

Приложение 3, Таблица 1. Характеристики «Агроробота»

2.2. Устройство модифицированного манипулятора «Агроробот»

«Мозгом» манипулятора, анализирующим поступающую от датчиков информацию и принимающего решения в соответствии с целью деятельности (программой) является микроконтроллер на базе Arduino - крошечная микросхема с возможностями небольшого компьютера. В нем работает программа, которая собирает данные с органов управления и передает управляющие сигналы на модель. По большей части функционал пульта и определяется микроконтроллером и загруженной в него программой.

Вся информация хранится в его электронной памяти. Питание осуществляется от аккумулятора. Кровеносная система – электрические провода. Ноги – колёса и электродвигатели; руки – сервоприводы. Геймпад/пульт для управления роботом.

У манипулятора «Агроробот»: (Приложение 1, рис.2.)

- шесть двигателей с колёсами;

- два сервопривода для захвата предмета; один сервопривод для наклона камеры; один сервопривод для раздатчика предметов.

Все они являются частью одной платформы. Для передачи данных и энергии, каждый датчик подсоединяется к микроконтроллеру кабелем типа «3-pin».

Комплект навесного оборудования (диспенсер для «посадки», механизированный плуг и механизированное захватное устройство).

Сервопривод (лат. servus – слуга, помощник; следящий привод) — это привод, в котором используется отрицательная обратная связь, позволяющая точно управлять параметрами движения исполнительного (выходного) звена привода (чаще всего это выходной вал) [8]. Для создания такой обратной связи обычно используется датчик положения выходного звена сервопривода, но могут применяться и датчики скорости, усилия и т. д. Получается, что сервопривод — это привод, на который подается сигнал, указывающий выдвинуться или повернуться в определенное положение. Если такими приводами оснащен робот, то он может двигаться подобно руке человека и выполнять всю ту работу, которую можем выполнять мы. Без него невозможно обойтись, особенно когда речь идет о решении задачи точного перемещения грузов или предметов (покраска, сварка, шлифовка, перемещение изделий на конвейере и т. д.) [9].

Электрический двигатель, (электродвигатель) - электрическая машина, с помощью которой электрическая энергия преобразуется в механическую, для приведения в движение различных механизмов [10]. Так как питается манипулятор от литий-ионных аккумуляторов, то ток постоянный, а поэтому используется щёточный двигатель. Очень важная особенность щёточно-коллекторного узла – его малый ресурс из-за трения. На пульте управления присутствуют кнопки управления, светодиоды,

указывающие рабочее состояние, подключение к манипулятору и переключатель питания.

Устройством отображения информации является жидкокристаллический дисплей. На него выводится информация о заряде батарей.

Осязание заменяют различные датчики: видеокамера, датчики расстояния до препятствия и другие. Может оснащаться датчиками, аналогов

которых нет у человека, например датчиком уровня радиации.

Принцип работы модифицированного манипулятора «Агроробот»

К базовой комплектации «Агроробота» добавлено крепление для смартфона и сам смартфон. Крепление способно наклоняться.

По команде оператора манипулятор передвигается, захватывает, перемещает и оставляет предметы в нужном месте (даже вне зоны видимости).

Каждая кнопка на пульте управления отправляет свой особый сигнал, который считывается приёмником и обрабатывается микроконтроллером. Микроконтроллер включает определённый двигатель или функцию в зависимости от сигнала.

Видео и аудио связь осуществляется с помощью облачного сервиса, к которому можно подключиться в любой точке мира, где есть доступ к Интернету. Для загрузки видео и аудио в облако используется специальное приложение IP Webcam, установленное на смартфон, так как в нём есть все необходимые функции: аккумулятор, доступ к связи, вычислительная система.

Заключение

В ходе работы я достиг поставленной цели:

Изучил литературу по данной теме и пополнил багаж знаний в области робототехники.

Модифицировал манипулятор «Агроробот» на дистанционном управлении, продемонстрировал его работу, и доказал возможность его применения для различных целей.

Работая по данной теме в Интернет-ресурсах, я изучил научно-популярную литературу. Познакомился с понятиями: манипулятор, робот-манипулятор. Узнал, что:

существуют около 30 видов манипуляторов, которые выполняют различные операции: сварку, сверление, резку, сборку сложных узлов и целых систем, упаковку, погрузку, разгрузку и т.д.;

манипуляторы по типу управления делятсяна управляемые человеком и автоматические;

дистанционное управление манипуляторами осуществляются через радиоканал с помощью радиоволн;

дистанционно управляемые манипуляторы классифицируются по типу систем управления с командным, копирующим и полуавтоматическим управлением;

роботы-манипуляторы успешно применяются в самых разных отраслях экономики.

Выполнив работу, я пришел к выводу, выдвинутая мною гипотеза подтвердилась: дистанционно управляемые манипуляторы широко применяются для различных целей.

Но, самое главное:

При проведении испытаний, выявил достоинства в дистанционном управлении:

- отсутствие проводов;

- малая задержка радиосвязи;

- wi-fi связь делает возможным видео и аудио потоки;

Недостатки:

- малая дальность;

- связь сильно ухудшается при плохих погодных условиях или препятствиях (бетонные стены);

- имеется задержка wi-fi связи (от нескольких сот миллисекунд до десятков секунд);

- для устранения вышеописанных недостатков потребуются дополнительные антенны, которые повлияют на вес и энергопотребление;

- беспроводную связь можно заглушить и перехватить специальными устройствами;

2) База манипулятора сделана из алюминия, скреплённого винтами, что позволяет достичь прочности при сравнительно низком весе. Однако, присутствуют и пластмассовые детали, распечатанные на 3D принтере, что ещё сильнее уменьшает их надёжность. Некоторые из этих деталей расположены в важных и критичных для работоспособности местах: на креплениях подвески, между двумя основными алюминиевыми пластинами. Данную конструкцию можно масштабировать, при этом размеры микроконтроллера сильно не вырастут, что позволит разместить больше батарей и дополнительных компонентов. При увеличении масштаба увеличится и нагрузка, поэтому придётся установить более сильные двигатели, заменить пластмассу и алюминий на более прочные материалы (сталь), а сервоприводы захватывающего механизма, возможно, придётся заменить гидравлическими системами, что позволит перевозить грузы большой массы.

3) В манипуляторе используется специально созданный для манипуляторов данной серии микроконтроллер на базе Arduino. Arduino является очень популярным open-source проектом среди энтузиастов электроники. В большинстве случаев используются языки C/C++, однако не обязательно использовать именно их, главное помнить то, что Arduino – лишь аппаратное обеспечение, которое должно получить уже скомпилированный машинный код, иначе Arduino не сможет его прочитать. Например, можно использовать и Python с библиотекой pyFirmata, которая позволит работать с протоколом Firmata.

На этом я не собираюсь останавливаться. Продолжу модернизировать «Агроробот».

Список литературы

«Википедия. Манипулятор (грузоподъёмное устройство)». [Электронный ресурс] URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Манипулятор_(грузоподъёмное_устройство)

«Что такое робототехника». [Электронный ресурс] URL: http://vex.examentechnolab.ru/lessons/unit_2_introduction_to_robotics/44

«Робот-манипулятор - устройство и преимущества». [Электронный ресурс] URL: https://sltgroup.ru/catalog/base/robot-manipulyator-ustroystvo-preimushchestva/

«Роботы-манипуляторы – виды и особенности применения». [Электронный ресурс] URL: https://vektorus.ru/blog/robot-manipulyator.html

«Дистанционно управляемые роботы и манипуляторы». [Электронный ресурс] URL: https://docplayer.ru/41702758-Lekciya-7-distancionno-upravlyaemye-roboty-i-manipulyatory-distancionno-upravlyaemye-manipulyatory-klassificiruyutsya-po-tipu-sistem-upravleniya-s-komandnym.html

«Дистанционно управляемый мобильный многофункциональный манипулятор». [Электронный ресурс] URL: https://kzpatents.com/6-u1402-distancionno-upravlyaemyjj-mobilnyjj-mnogofunkcionalnyjj-manipulyator.html

«Роботы-манипуляторы. Применение». [Электронный ресурс] URL: https://top3dshop.ru/blog/manipulator-robots-features-and-applications.html

«Википедия. Сервопривод». [Электронный ресурс] URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Сервопривод

«Сервопривод: что это такое, как работает серводвигатель и для чего нужен - принцип работы и устройство». [Электронный ресурс] URL: https://stanokcnc.ru/articles/servoprivod-chto-eto-takoe-kak-rabotaet-servodvigatel-i-dlya-chego-nuzhen-printsip-raboty-i-ustroyst/

10. «Википедия. Электрический двигатель». [Электронный ресурс] URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Электрический_двигатель.

Приложение 1.

Манипулятор «Агроробот»

Рис. 1. Базовый «Агроробот»

Рис. 2. Модернизированный «Агроробот», вид спереди

Рис. 3. Модернизированный «Агроробот», вид спереди

Рис. 4. Модернизированный «Агроробот», вид сбоку

Рис. 5. Участие в конкурсе «АгроНТИ» -2020 г. Пермь ПГАТУ

Рис. 6. Финал Всероссийского конкурса «АгроНТИ» - 2020

Приложение 2.

Области применения манипуляторов

Рис.1. Сборка автомобилей на заводе «Tesla»

 

Рис.2. Робот-манипулятор Yaskawa Motoman MH12

Рис. 3. Шлифовка и обработка фрезерованных формовочных инструментов

Рис.4. Робот из нержавеющей стали с семью степенями свободы

Рис. 5. KUKA LBR Med - роботизированная инновация для медицины

Рис.6. Система «Vegebot» для автономного сбора урожая салата

Рис. 7. Агроробот

Рис. 8. Сверхлегкий робот небольшой мобильной роботизированной системы

Рис. 9. Укладка оладьев с помощью роботов ABB IRB 360 FlexPicker

Рис. 10. Косморобот

 

Приложение 3.

Таблица 1. Характеристики «Агроробота»

Модифицированный манипулятор «Агроробот»

имеет следующие характеристики:

Управление

управление платформой через среду программирования Arduino, посредством пульта радиоуправления и облачной видеосвязи

Функциональные возможности

возможность перемещения, раздачи, захвата и перемещения различных небольших предметов

Программирование

среда разработки Arduino IDE

   

Питание

две литий-ионных батареи 3,7 В

Габариты

30 см. x 16 см. x 35 см.

Масса

1 кг. 700 г.

Основная комплектация:

 

плата UNO R3 (Arduino-совместимый контроллер) –

1 шт.

 

сервопривод RDS3115 – 4 шт.

 

motor shield (защита мотора) – 1 шт.

 

платформа машинки – 1 шт.

 

шестиколесное шасси, за основу которого взято шасси марсохода Curiosity

 

мотор – 6 шт.

 

литий-ионный аккумулятор 18650 – 2 шт.

 

радио модуль – 1 шт.

Просмотров работы: 67