II Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
ПРОТОТИП ШЕСТИНОГОЙ МАШИНЫ-ИССЛЕДОВАТЕЛЯ ДЛЯ ГОРНОЙ МЕСТНОСТИ
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Горная местность нашей республики накладывает свои специфические требования на некоторые сферы развития отраслей производства, на решение отдельных вопросов экономики. В некоторых случаях вопросы транспортировки, проблемы проведения исследования в труднодоступных местах представляют значительную трудность для осуществления поставленных задач. Следовательно, в таких случаях могут быть необходимы особые нестандартные транспортные средства доставки грузов или специальной аппаратуры, снимающей показания с датчиков и передающей сигналы оператору. Одним из вариантов подобного транспортного средства может стать шагоход – машина, в которой движителем являются ноги. Это может стать важным фактором при выполнении задач, для решения которых требуется движение по пересечённой местности. Выбор в качестве приоритетного вопроса темы, относящейся к шагающим транспортным средствам, обусловлен ещё и тем, что это достаточно оригинальное, перспективное и менее разработанное направление. Таким образом, у любого автора появляется больше шансов на самостоятельный творческий поиск.
Цель данного исследования – изучив уже известные технические решения, изготовить программируемую шагающую машину с электрическим приводом собственной конструкции. Задачей, в данном случае, стала работа по сбору и обобщению материала о шагающих машинах, как одного из предварительных этапов самостоятельной конструкторской деятельности. Второй этап предусматривал внесение авторских предложений, технических решений и путём перебора различных вариантов конструкции изготовление наиболее оптимальной модели.
Гипотеза – возможность изготовления авторской модели программируемой машины в условиях творческого объединения. Объект исследования – машина, управляемая микроконтроллером. Предмет исследования – способность компьютерных программ, управлять механикой собранной машины. Методы исследования – изучение теоретического материала с целью подготовки к созданию конструкторских решений по выбранной тематике, практические работы по изготовлению модели, её тестирование и устранение замеченных недостатков. Изучение физических основ работы микроконтроллеров. В процессе изготовления отдельные узлы модели после их тестирования были подвергнуты необходимым корректировкам. В итоге модель прошли успешные испытания.
Данная разработка достаточно актуальна, так как в машине использован микроконтроллер – однокристальный компьютер для решения относительно простых задач. А программирование, как известно, – очень современный аспект развития техники не только на сегодняшний день, но и в будущем. В настоящее время мы наблюдаем бурный расцвет робототехники. Этим уже занимаются не только инженеры в конструкторских бюро и на производстве, но и школьники в творческих объединениях системы дополнительного образования.
Практическая значимость данной работы состоит в том, что в результате получена действующая модель, способная выполнять поставленные перед ней задачи.
Новизной работы стало создание программируемой шагающей машины с дистанционным управлением по инфракрасному каналу. В процессе изготовления были применены технологии обработки оргстекла и металлов, позволяющие изготовить достаточно прочные и надёжные в эксплуатации детали данной машины.
При работе над выбранной темой были использованы современные материалы: учебная литература по прикладной физике и отдельным вопросам инженерии, книги по программированию, а также сведения из Интернета и журналы «Популярная механика».
Выбранная тема современна, так как направлена на решение важныхинженерных задач. В данном случае это - доступ в те места, где человеку находиться опасно или же просто невозможно физически, или же когда нет возможности добраться на обычном транспортном средстве.
2.Походка шестиногих и четвероногих в природе
Если изучить вопросы, связанные с преодолением препятствий, то оказывается, уступы высотой в радиус колеса непреодолимы для многих колесных машин. Кроме того, такие машины малоэффективны и при движении по слабым грунтам (песок, снег, болотистые почвы, глина и т.п.). Гусеничные машины превосходят колесные по тягово-сцепным свойствам и имеют значительные преимущества при движении по слабым грунтам. Но колея от этих машин делает такие дороги непроходимыми осенью и весной. На склонах гор и холмов колея вызывает оползание грунта, являясь очагом образования оврагов. В тоже время животные, люди, шагающие машины могут передвигаться по поверхности, непроходимой для колесного и гусеничного транспорта. Таким образом, шагающие машины перспективны и могут занять свою нишу в различных сферах деятельности человека и, следовательно, тема, выбранная для данной исследовательской работы достаточно актуальна. И в нашем случае шагоходы могут оказаться незаменимыми для использования в условиях нашей республики.
Анализируя существующие виды движителей, можно заметить, что нет ничего более совершенного, чем природные системы, но слепое копирование природных объектов без глубокого изучения их поведения, как правило, не позволяет создавать работоспособные конструкции.
Под походкой шагающей машины инженеры подразумевают просто порядок перестановки ног, точнее, последовательность их движений. При этом, конечно, картину движения приходится упрощать. Согласно такой точки зрения походка людей одинакова: правой ─ левой, правой ─ левой. Но для животных всё сложнее.
В этом ключе интересно рассмотреть композиционную концепцию построения шагающих роботов, т.к. эта концепция сходна с физиологическими моделями управления движением в живых организмах. Сходство это основано на исследованиях российских ученых, проводимых в Институте проблем передачи информации. Поэтому, можно полагать, что композиционная концепция является биологическим подходом в робототехнике. Желаемые параметры походки робота задаются более высоким уровнем системы управления и остаются постоянными в процессе ритмичной ходьбы.
Используя кинокамеру, можно проследить бег и жука (рис. 1) или лошади. Основным типом походки насекомого является походка 3—3 (трешками). Он идет так, что всегда опирается на три ноги, образующие опорный треугольник, внутри которого располагается центр тяжести его тела. Летающий жук при «ходьбе» не отрывается от земли, зато лошадь, переходя на галоп, временами просто «летит». Вот откуда неустойчивость такой конструкции. То есть, для общей ориентации шагоходов в пространстве необходимо применять комплекс управляющих алгоритмов, представляющих многоуровневую иерархическую систему. Поэтому лучше выбрать вариант шестиногой машины.
3. Авторская модель шагающей машины
3.1. Устройство машины (программируемая модель)
Принципиальная схема машины представлена на рис. 4. Конструктивно машина состоит: 6 электроприводов подъёма-опускания ног и 2 боковых электропривода правого и левого борта отвечающих за горизонтальные движения ног. Электроприводы укреплены на раме из оргстекла. Специальные рычаги помогают осуществлять горизонтальные движения ног в требуемом направлении [3]. Управление перестановкой ног осуществляется программой, которая с помощью программатора была записана в микропроцессор. Источником тока является аккумулятор, позволяющий работать машине в режиме дистанционного ИК управления, выполняя команды: вперёд, назад, стоп, вправо и влево. Используемый пульт управления изготовлен на базе пульта для телевизора фирмы «Samsung». Выполняемые машиной действия дублируются световыми сигналами светодиодов: белый – «машина включена», синие – наличие тока в отдельных участках, красные и зеленые – ток в противоположных направлениях.
3.2 Описание работы микропроцессорной платы
Основные характеристики:
-
Напряжение питания 6.5 – 20 В.
-
Тактовая частота микропроцессора 4 МГц.
-
Встроенный: разъём для внутрисхемного программирования.
-
ИК приемник команд дистанционного управления
-
Встроенный светодиод (управляемый программно)
-
Встроенный динамик (управляемый программно)
-
26 двунаправленных линий связи с внешними устройствами.
Напряжение питания в диапазоне от 6,5 до 20 В подается на контакты 40 – контактного разъема X2 (GND –контакты 8-10 и 29-31, плюс питания- контакты 21-28).
На входе питания стоит двухзвенный LC фильтр помех. Входящие в его состав конденсаторы большой ёмкости С5 и С8 осуществляют также сглаживание бросков и провалов напряжения питания. Конденсаторы малой ёмкости С6 и С7 фильтруют высокочастотные помехи. После фильтра питания установлена микросхема DA1 линейного стабилизатора напряжения (+5 Вольт). Выход микросхемы подсоединен к конденсаторам С4 и С3, которые сглаживают броски напряжения при изменении нагрузки и предотвращают самовозбуждение микросхемы на высоких частотах. Стабилизированное напряжение подается для питания микропроцессора DD1, фотоприемника В1и на усилитель звукового сигнала VT1, C2, R2.
Сигналы команд дистанционного управления (протокол RC-5), принимаются и усиливаются модулем ИК приемника В1. Усиленный сигнал передается на вывод 1 (РВ0) микропроцессора, где программно декодируются. Далее микропроцессор производит какие-либо действия, предусмотренные загруженной в него программой. Микропроцессор также может, если это предусмотрено программой, генерировать звуковые сигналы различной частоты и длительности на выводе 2 (РВ1). Сгенерированные сигналы усиливаются элементами VT1, C2, R2 и воспроизводятся излучателем НА1. Соответственно процессор имеет возможность программно управлять светодиодом LED 1, белого цвета свечения (вывод 3 РВ2). (РВ2 –порт «В», ножка 2, нумерация от 0 до 7.)
Наличие ИК приемника, светодиода и звукового излучателя непосредственно на процессорной плате позволяет производить общее тестирование работоспособности платы при поиске возможных неисправностей в процессе эксплуатации [4]. Для этого необходимо только внешнее питание или питание с разъёма программирования при подключенном кабеле связи с компьютером. Вся периферия от процессорной платы может быть отсоединена. Любая из двунаправленных линий обмена может работать на вход или выход, в зависимости от программы
Микроконтроллер подключается к персональному компьютеру для загрузки программы через разъем Х1. Схема электрическая принципиальная микропроцессорной платы - рис.5.
3.3. Назначение полярного ключа
Полярный ключ, предназначен для управления командами, с уровнями логического 0 и логической 1 малой мощности, исполнительными механизмами, требующими реверса полярности питания (ноги, светодиоды).
Сигналы управления поступают с микропроцессорного командного блока. Блок находится в одном из трех состояний: выключено и изменение направления тока.
Схема принципиальная электрическая соединения электроприводов и датчиков положения ног правого и левого борта – рис. 6.
3.4. Описание работы машины
На фотографиях (рис. 7, 8) машина представлена в процессе сборки и в разных ракурсах. Боковые электроприводы заставляют противофазно совершать колебательные движения электроприводы ног. Такие колебания возможны, так как каждая ножка закреплена на внутренней обойме двухрядного безлюфтового шарикоподшипника. Его внешняя обойма неподвижно закреплена на раме машины. Боковой привод соединяется также с помощью двухрядного безлюфтового шарикоподшипника с верхними частями двигателей ног. Противофазное движение ножек борта обеспечивается с помощью алюминиевых плоских рычагов с прорезями.
На рис. 9 показано устройство ножек внутри, которые изготовлены на основе приводов центральных замков дверей автомобиля. Здесь в качестве механизма перемещения используется зубчатая рейка и шестерня
Порядок перестановки ног задаётся программой записанной в энергонезависимой памяти микроконтроллера с объёмом памяти 8 КБ. При нажатии кнопки инфракрасного пульта дистанционного управления машина идёт вперёд, 3 – назад, 4 – влево, 5 – вправо, 1 – стоп [5]. При включении машины начинаются вспышки светодиода с частотой 1 Гц, а из динамика подаётся звуковой сигнал.
Готовая машина, пульт и зарядное устройство – рис. 10.
3.5. Загрузка рабочей программы
Микроконтроллер подключается к персональному компьютеру для загрузки программы через разъем Х1 внутрисистемного программирования. Программа была записана с помощью программатора Pony Prog.
3.6. Программное обеспечение работы шагающей машины
Программное обеспечение написано на языке Бэйсик с помощью компилятора BASCOM AVR.Переключают подпрограммы пультом.
Программа в «Приложении». В неё входят подпрограммы «Вперёд», «Влево», «Назад», «Направо» и «Остановка».
4. Использование датчика ионизирующих излучений
В РСО – Алании существуют Садонские рудники, где можно добывать свинец. Но свинец является конечным продуктом в цепочке превращений радиоактивного семейства урана. Таким образом, исследования уровня радиации, включая содержание газа радона достаточно актуальная задача. Тем более, то повышение количества радона, выделяющегося из недр земли, может быть одним из предвестников землетрясения.
4. 1. Радиоактивность
Наименьшей проникающей способностью обладают α-частицы (ядра атомов гелия, состоящие из двух протонов и двух нейтронов). Их задерживает слой бумаги толщиной около 0,1 мм. β- частицы задерживает алюминиевая пластина толщиной в несколько мм. Эти частицы – электроны, их скорости близки к скорости света. Они сильнее отклоняются в магнитном и электрическом полях, так как их масса намного меньше, чем у α- частиц (а заряд меньше только вдвое). Наибольшей проникающей способностью обладают γ- лучи – волны с длиной волны от 10-8 см до 10-11 см. Они проходят через слой свинца толщиной 1 см. Скорость распространения γ- лучей – 300 000км/с [6]. Разделение лучей в магнитном поле – рис.11.
4. 2. Счётчик Гейгера
Прибор состоит из стеклянной трубки заполненной аргоном – рис. 12. На её внутреннюю поверхность нанесён слой металла – катод. Вдоль оси трубки проходит металлическая нить – анод. Принцип действия прибора - ударная ионизация. Чтобы прекратить ток и приготовиться к регистрации новой частицы в цепи находится резистор. Когда ток резко возрастает, на резисторе увеличивается падение напряжения. Рис. 13 – датчик и эксперименты.
5. Заключение
Результатом проекта стало создание управляемой по ИК - каналу программируемой шагающей машины. Практическая значимость работы обусловлена тем, что в результате получена действующая модель, являющаяся прототипом транспортных средств, которые могут пригодиться нашей горной республике для развития отдельных отраслей экономики. Шагающая машина может успешно двигаться по пересечённой местности. Кроме того она способна проникнуть на те объекты, куда человек попасть не может или где человеку находиться опасно. А с помощью такой машины можно будет получить информацию с этих объектов.
6.Литература
1. Ревич Ю.В. Занимательная микроэлектроника. – СПб: БХВ-Петербург, 2007. – 592 с.
2. Резников З.М. Прикладная физика. −М.: Просвещение, 1989.
3. Бобров С. В. Шагающие роботы. – М.: Московская Государственная Академия приборостроения и информатики, 2005.
4. Яворский Б. М., Детлаф А. А. Справочник по физике для инженеров. −М.: Наука, 1979.
5. Ишлинский А. Ю. Политехнический словарь. −М.: Советская энциклопедия, 1989.
6. Мякишев Г. Я., Буховцев Б. Б., Чаругин В.М. Физика-11. – М.: Просвещение, 2015.
7. ПРИЛОЖЕНИЯ « Наглядный материал»
Рис. 1 Изучение моделей движения в природе
Рис. 2. Шагающие машины Рис. 3. Экскаватор
Рис. 4.Блок-схема шагающей машины М1, М2 – моторедукторы горизонтального движения; М3,М7 –моторедукторы крайних ног левого борта (М4, М8 – правого борта); М5, М6 –моторедукторы средних ног; ПК1- драйвер управления моторедукторами М3и М7; ПК2 - М5; ПК3 - М1и М2; ПК4 - М6; ПК5- М4 и М8.
Рис. 5. Схема процессорной платы
Рис. 6. Схема электрическая принципиальная соединений электроприводов и датчиков положения ног левого и правого борта. Электроприводы:М1, М4 – перестановки ног, М2,М7 – крайних ног левого борта, М3, М8 – правого, М5, М6 – средних ног, SА1 –SА8 –датчики положения ног, R1- R6 -100 кОм
Рис. 7 . Изготовление машины
Рис. 8. Фотографии машины с разных ракурсов
Рис. 9. Ноги машины - приводы центральных замков дверей автомобиля
Рис. 10. Машина, пульт дистанционного управления и зарядное устройство
ПРОГРАММА
$crystal = 4000000 'тактовая частота кварцевого резонатора $regfile = "m8535.dat" 'марка микропроцессора $lib "mcsbyte.lbx" 'подключение библиотек функций Config Rc5 = Pinb.0 'ВХОД ДИСТАНЦИОННОГО УПРАВЛЕНИЯ Config Pinb.1 = Output ' динамик Config Pinb.2 = Output ' светодиод Config Pinc.2 = Output 'driver 1 (крайние левые ноги)нога вниз Config Pinc.3 = Output 'driver 1 (крайние левые ноги)нога наверх Config Pinc.4 = Output 'driver 2 (средние левые ноги)нога вниз Config Pinc.5 = Output 'driver 2 (средние левые ноги)нога вверх Config Pinc.6 = Output 'driver 3 (моторы горизонтального перемещения) Config Pinc.7 = Output 'driver 3 (моторы горизонтального перемещения) Config Pina.7 = Output driver 4 (средняя правая нога) нога вверх зеленый Config Pina.6 = Output 'driver 4 (средняя правая нога)нога вниз красный Config Pina.5 = Output 'driver 5 (крайние правые ) нога вверх зеленый Config Pina.4 = Output 'driver 5 (крайние правые ноги)нога вниз красный Config Pinc.1 = Input 'датчик положения крайние левые ноги Config Pinc.0 = Input 'датчик положения средня левая нога Config Pind.7 = Input 'датчик положения двигатели перемещения Config Pina.0 = Input 'датчик положения средняя правая нога Config Pina.1 = Input 'датчик положения крайние правые ноги Dim Address AsByte 'определить размер переменной Dim Command AsByte 'определить размер переменной Dim A AsByte 'переменная, определяющая принятую команду A = 1 'по умолчанию остановка EnableInterrupts 'разрешить прерывания 1: Do
2: Getrc5(address , Command) 'Прием команд дистанционного управления If Address = 0 Then Command = Command And &B01111111 If Command = 1 Then 'ОСТАНОВКА A = 1 Waitms 1 EndIfIf Command = 2 Then 'ВПЕРЕД A = 2 Waitms 1 EndIfIf Command = 3 Then 'НАЗАД A = 3 Waitms 1 EndIf
If Command = 4 Then 'НАЛЕВО A = 4 Waitms 1 EndIf
If Command = 5 Then 'НАПРАВО A = 5 Waitms 1 EndIfIf A = 1 ThenGoto Sbros 'ОСТАНОВКА If A = 2 ThenGoto Front 'ВПЕРЕД If A = 3 ThenGoto Rear 'НАЗАД If A = 4 ThenGoto Levo 'НАЛЕВО If A = 5 ThenGoto Pravo 'НАПРАВО Goto 2 'Возврат к началу в случае нажатия не предусмотренной программой клавиши EndIf ( И т.д.)
Рис. 11 . Альфа-, бета-, игамма-лучиРис. 12. СчётчикГейгера
вмагнитномполе
Рис. 13 а. Датчик ионизирующих излучений на машине; б. эксперименты с датчиком