XIV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Изучение возможностей роботов-манипуляторов. Создание управляемого манипулятора с возможностью ночного зрения

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Ковелин Дмитрий Андреевич 1

---

1МАОУ СОШ № 15 г. Челябинска

Васильева Ирина Викторовна 1

---

1МАОУ СОШ № 15 г. Челябинска

Работа в формате PDF

884.7 KB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

В наш век огромных промышленных достижений, человек все чаще подвергается опасности на предприятиях, заводах, в военной сфере. Встала необходимость в создании устройства, которое может выполнять частичные функции человека для подробного анализа, замены мускульной силы или точной и микроскопической работы. Тогда стало ясно, что это устройство должно напоминать руки человека, ибо они являются ключевыми «механизмами» в его теле, удовлетворяя всем необходимым критериям для разработки или изучения какой-либо технологии. Первыми, кто увидел возможности использования такого робота – стали Джордж Девол и Джозеф Эленберг. В 1962 году они создали первую компанию, производившую промышленных роботов. В то время для их программирования использовались перфокарты. Однако сейчас нет необходимости в их использовании, ибо на замену перфокарт пришли мощные, компактные и удобные полупроводниковые, магнитные и оптические носители.

Таким образом, цель нашего исследования заключается в следующем: создание робота-манипулятора на удаленном управлении, использующего ночное зрение для выполнения своих обязанностей и изучения на готовой модели его возможностей. Проведение трех тестов и составление сравнительной таблицы используемых моделей на производстве в настоящее время и опытной модели.

Задачи:

Изучить устройство промышленных роботов, их эксплуатации.

Напечатать детали на 3D принтерах и собрать их.

Написать программный код для работы серводвигателей, моторов, гироскопа и камеры ночного зрения.

Установить связь между датчиками движения на специальной перчатке для удаленной манипуляции и двигателями на самом роботе через Wi-Fi связь

Провести ряд тестов на готовой модели, для оценки возможностей робота, и составить сравнительную таблицу с используемыми рабочими моделями в производстве

Гипотеза: собранный экспериментальный робот не имеет схожести с промышленными роботами на заводах и в более узких спецификациях применения и может быть использован исключительно в домашних условиях

Глава 1. Теоретическая часть.

Устройство промышленного робота

 Промышленный робот - автоматическая машина, состоящая из манипулятора и устройства программного управления его движением, предназначенная для замены человека при выполнении основных и вспомогательных операций в производственных процессах.

Манипулятор - совокупность пространственного рычажного механизма и системы приводов, осуществляющая под управлением программируемого автоматического устройства или человека-оператора действия (манипуляции), аналогичные действиям руки человека.

Промышленные роботы предназначены для замены человека при выполнении основных и вспомогательных технологических операций в процессе промышленного производства. При этом решается важная социальная задача - освобождения человека от работ, связанных с опасностями для здоровья или с тяжелым физическим трудом, а также от простых монотонных операций, не требующих высокой квалификации. Гибкие автоматизированные производства, создаваемые на базе промышленных роботов, позволяют решать задачи автоматизации на предприятиях с широкой номенклатурой продукции при мелкосерийном и штучном производстве. Копирующие манипуляторы, управляемые человеком-оператором, необходимы при выполнении различных работ с радиоактивными материалами. Кроме того, эти устройства незаменимы при выполнении работ в космосе, под водой, в химически активных средах. Таким образом, промышленные роботы и копирующие манипуляторы являются важными составными частями современного промышленного производства.

Механическая подвижная рука самого робота управляется при помощи электронной системы. Чаще всего, в современных устройствах не применяется гидравлика и пневматика, так как такие системы слишком дорогие в эксплуатации и недолговечные. Наиболее важные характеристики руки-манипулятора:

Количество осей: Зачастую у промышленных роботов 4 оси. Такие устройства используются для сортировочных и фасовочных работы. Также манипулятор может иметь 6 осей, если нужно выполнять более сложные работы. В нашей работе будет использовано 3 оси.

Количество степеней свободы: Их может быть от 2 до 6. Чем больше степеней свободы, тем больше у робота возможностей и тем точнее устройство может повторять движения человеческой руки.

Основные части устройства:

Плечо. Так называют неподвижную основу, на которую крепятся все остальные элементы.

Локоть. Определяет главное положение манипулятора в пространстве.

Запястье. Этот элемент отвечает за точность выполнения работы.

Кисть. Захватывает предметы и выполняет другие действия. В качестве «пальцев» могут выступать присоски, распылители, отвертки, сварочные и другие элементы.[1]

Отдельные части манипулятора перемещаются в пространстве благодаря приводам, которые являются аналогами мышц у человека. Если в качестве источника механической энергии выступает электродвигатель, то такие приводы называются электрическими. Управляют роботом мы будем удаленно с помощью перчатки, на которой будет установлен трехосевой датчик наклона(гироскоп), а изображение с видеокамеры будет поступать на монитор компьютера. Оператору необходимо следить за параметрами устройства и регулярно контролировать результаты работы.

Также существуют устройства, в которых реализована возможность самообучения. Работу единожды выполняют в ручном режиме, после чего робот запоминает всю последовательность действий и повторяет их.

1.2. Геометро-кинематические характеристики

 Движения, которые обеспечиваются манипулятором делятся на:

глобальные (для роботов с подвижным основанием) - движения стойки манипулятора, которые существенно превышают размеры механизма;

региональные (транспортные) - движения, обеспечиваемые первыми тремя звеньями манипулятора или его "рукой", величина которых сопоставима с размерами механизма;

локальные (ориентирующие) - движения, обеспечиваемые звеньями манипулятора, которые образуют его "кисть", величина которых значительно меньше размеров механизма.

    В соответствии с этой классификацией движений, в манипуляторе можно выделить два участка кинематической цепи с различными функциями: механизм руки и механизм кисти. Под "рукой" понимают ту часть манипулятора, которая обеспечивает перемещение центра схвата - точки М (региональные движения схвата); под "кистью" - те звенья и пары, которые обеспечивают ориентацию схвата (локальные движения схвата).
    Рассмотрим структурную схему антропоморфного манипулятора, то есть схему которая в первом приближении соответствует механизму руки человека [2]

1.3. Ардуино (Arduino IDE)

Для серводвигателей и гироскопа мы использовали универсальные платы Arduino Mega из-за большого количества аналоговых пинов, необходимых для более тонкой настройки. Что такое плата ардуино?

Arduino – это инструмент для проектирования электронных устройств, более плотно взаимодействующих с окружающей физической средой. Представляется в виде линейки выпускаемых плат. Такая плата, включает в себя микроконтроллер, предохранители, цифро-аналоговые пины, ШИМ, разъемы для USB и внешнего питания, I2C, UART интерфейсные контакты. Плата является компактной версией компьютера, своеобразная мини-копия, которая может выполнять несложные функции для различных устройств. [3]

Что такое микроконтроллер? По сути это микросхема, которая состоит из:

Центрального процессора, в который входят: блок управления, регистры, EEPROM (ПЗУ)

Периферии, включающей в себя порты ввода-вывода, контроллеры прерываний, таймеры, генераторы различных импульсов, аналоговые преобразователи и подобные элементы.

Несмотря на сложное устройство принцип работы микроконтроллера очень прост. Он основан на аналоговом принципе действия. Система понимает лишь две команды («есть сигнал», «нет сигнала»). Из этих сигналов в его память вписывается код определенной команды. Когда МК считывает команду, он ее выполняет.

В каждом из МК прописаны свои базовые наборы команд. И только их он способен принимать и выполнять. Сочетая отдельные команды между собой, можно написать уникальную программу, по которой будет работать любое электронное устройство именно так, как требуется.

Глава 2. Практическая часть

2.1. Описание робота

Рассмотрим рисунки из приложений [4][5][6].Робот состоит из напечатанных моделей на 3D принтере, с использованием ABC пластика. В основании базы,(Рис.6), (Рис.4) по бокам запястья и на кисти зафиксированы DC сервомоторы с редукторами и энкодерами, клешни раздвигает серводвигатель SG90, подключенные к плате Arduino Mega. На перчатке (Рис.5) установлен Troyka-модуль и датчики изгиба, подключенные ко второй arduino mega и модулю ESP8266. На ней располагаются: пять полых силиконовых трубок (внутри по разные концы фоторезист и светодиод), печатная плата, на которой расположены делитель напряжения, гироскоп и микроконтроллер Ардуино.

2.2 Принцип работы установки

При изменении положения перчатки, гироскоп передает сигнал на wi-fi модуль ESP8266. Данные значения преобразуются в углы и переносятся в удаленное облачное хранилище, откуда их принимает второй модуль ESP8266. Значения углов поворота передаются в серводвигатели и совершается движение робота. Изображение с камеры поступает на wi-fi модуль, который транслирует сигнал на подключенный к локальной сети компьютер. Данный робот работает аналогично заводским роботам-манипуляторам для сборки, используя разве что меньшие габариты. Пользуясь 4 осями и движениями руки в 3-х мерном пространстве, этот робот может поднимать различные вещи, дотягиваясь до них, если не дотягивается человеческая рука. Возможность достать какой-то упавший предмет из чана с токсичным или вредоносным веществом для кожи. Анализируя поступающий от делителя напряжения ток, Ардуино вычисляет сопротивление каждого фоторезиста в отдельности в данный момент времени, а также получается необходимые к фильтрации данные с гироскопа. Таким образом Ардуино будет располагать данными о каждой оси свободы перчатки, соответствующей оси свободы манипулятора

Помимо всех обязательных составляющих частей, которые должны быть в любом манипуляторе для стабильной работы, необходимо сделать определенные вычисления касательно оказываемого веса на саму руку, чтобы иметь представление о возможном ограничении в поднятии тяжелого предмета. Для этого воспользуемся формулой для нахождения момента силы.

Где М= векторное произведение силы на плечо, F= сила тяжести, направленная к центру земли от центра массы тела, l= длина плеча робота-манипулятора (локоть). Составим таблицу для нахождения действующей силы в момент поднятия тела. Это позволит определить, какой крутящий момент будет оптимален, и какие моторы нужно подобрать, чтобы их мощности хватило для совершения работы. (Таблица 1).

Таблица 1

Таблица вычисления момента силы для каждого объекта эксперимента

В качестве тестов мы попробовали захватить и поднять 3 предмета, представленных в таблице. Благодаря данным (Таблица 1) для DC моторов с крутящим моментов до 9.5 кг/см и серводвигателей MG995 с крутящим моментом до 8,5 кг/см этого вполне хватило при поднятии каждого предмета. Для вычисления точности, при захвате был зафиксирован фломастер и проведены две параллельные линии под углом в 90°. Все данные были занесены в (Таблица 2). Осталось доказать гипотезу. Необходимо составить сравнительную таблицу средних характеристик промышленных роботов и опытного образца. (таблица 2). В конце эксперимента мы смогли определить преимущества и недостатки нашего опытного образца и составить сравнительную таблицу (таблица 3).

Таблица 2

Сравнительная таблица характеристик промышленных роботов-манипуляторов и опытного образца

Таблица 3

Сравнительная таблица всех преимуществ и недостатков образца

Исходя из этого сравнения можно сделать вывод, что наш образец во многом схож с применяемыми в различных сферах, роботами манипуляторами и может быть пригоден для использования в одной из этих областей при необходимой модификации и доработке.

Заключение

В данной работе я узнал, что такое роботы-манипуляторы, зачем они нужны и каким функционалом обладают. Мною была достигнута поставленная цель – создать опытный образец, и проведена аналогия при составлении сравнительной таблицы с характеристиками промышленных роботов-манипуляторов, используемыми при производстве, что опровергло поставленную теорию. Была составлена сравнительная таблица всех плюсов и минусов нашего образца, которая четко показывает, что необходимо доработать или модифицировать. Удалось достигнуть всех поставленных задач и поставить цель для себя в будущем: продолжить изучение этой обширной и перспективной темы. Таким образом, я узнал, почему роботы-манипуляторы считаются основой всей будущей автоматизации механических процессов.

Список литературы

Петин В.А. Проекты с использованием контроллера Arduino. – СПб.: БХВ-Петербург, 2014.–400 с.: ил. –(Электроника)

Соммер У. Программирование микроконтроллерных плат Arduino/Freeduino. – СПб.: БХВ-Петербург, 2012.–256 с. Ил –(Электроника)

Юревич Е.И. Основы робототехники: учеб.пособие. – 4-е изд., перераб. И доп. – СПб.: БХВ-Петербург,2017.–304 с.: ил.–(Учебная литература для вузов)

Булгаков А.Г., Воробьев В.А. Промышленные роботы. Кинематика, динамика, контроль и управление. Серия «Библиотека инженера», – М.: СОЛОН-ПРЕСС, 2011.–488 с.: ил.

Проектирование и разработка промышленных роботов/ С.С. Аншин, А.В. Бабич, А.Г. Баранов и др.; Под общ. Ред. Я.А. Шифрина, П.Н. Белянина. – М.: Машиностроение, 1989.–272 с.: ил. –(Автоматические манипуляторы и робототехнические системы).

Приложения

Приложение 1

Схема коллаборативного, стационарного робота-манипулятора с расположением и движением осей вращения [1]

Приложение 2

Структурная схема антропоморфного манипулятора, ее траектория движения [2]

Приложение 3

Распиновка платы Arduino Mega с пояснениями к каждому компоненту [3]

Приложение 4

Фото прототипа стационарного робота-манипулятора, не подключенного к плате Arduino Mega и не подключенного к источнику питания [4]

Приложение 5

Фото прототипа перчатки, подключенной к печатной плате, гироскопу и микроконтроллеру [5]

Приложение 6

Фото внутренности прототипа стационарного робота [6]