IX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Создание модели захвата робототехнического комплекса с новой технологией очувствления
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
В настоящее время исследования в области робототехники являются весьма актуальными. Одними из популярных конструкций роботов, являются робототехнические комплексы различного назначения.
В работе рассматривается пример разработки части робототехнического комплекса – захвата, отвечающего за захват и удержание объектов. Данное исследование позволит регистрировать выскальзывание какого-либо предмета из захватывающего устройства манипулятора, что было невозможно осуществить с довольно большой вероятностью ранее. Комплексы такого типа будут способны обеспечивать довольно большую гарантию того, что поднимаемый манипулятором предмет будет защищён от выпадания из захватывающего устройства.
В сложившейся ситуации была создана модель захвата манипулятора с контролером Arduino Nano v.3.
Объектом исследования является выскальзывание предмета из захватывающего устройства манипулятора. Предметом исследования является модель захвата робототехнического комплекса с датчиком, позволяющим регистрировать явление выскальзывания.
Целью работы является создание модели захвата робототехнического комплекса с новым датчиком, доводящим манипулятор до возможности регистрировать выскальзывание предмета, и демонстрация работы такой модели.
В связи с целью поставлены следующие задачи:
Анализ источников информации о манипуляторах.
Создание модели захвата робототехнического комплекса с новой технологией очувствления.
Демонстрация работы этой модели.
Методы исследования:
Аналитический
Наблюдение
Экспериментальный
Глава I. Манипуляторы
1. Что такое манипулятор?
Манипулятор -- совокупность пространственного рычажного механизма и системы приводов, осуществляющая под управлением программируемого автоматического устройства или человека-оператора действия (манипуляции), аналогичные действиям руки человека.
Манипуляторы условно делятся по применению на роботах различных поколений. Всего существует три поколения роботов:
Первое поколение. К первому поколению роботов относят чаще всего промышленных роботов. Как правило, они не обладают какими-либо датчиками, которые обеспечивали бы регистрацию положения и предмета в пространстве или его характеристик. Такие роботы не способны сами думать или размышлять, и могут только выполнять ранее записанный алгоритм.
Второе поколение. Для роботов второго поколения предполагалось использование манипуляторов с примитивными и простыми датчиками. Самые первые устройства требовали упорядоченной среды, в которой они работали. Это становилось критичным для развития массового производства. Новый этап прогресса характеризовался разработкой множества датчиков. С их помощью робот получил качество, названное «очувствлением». Он стал получать информацию о внешней среде и, сообразуясь с ней, выбирать оптимальный вариант действий. Виды основных производственных операций (сварка, покраска, сборка, различного рода механическая обработка) также подлежат адаптации. То есть при выполнении каждой из них инициируется многовариантность для улучшения качества любого вида вышеперечисленных работ.
Третье поколение. Автоматы-роботы третьего поколения способны самостоятельно генерировать программу своих действий в зависимости от поставленной задачи и обстоятельств внешней среды. У них нет «шпаргалок», т. е. расписанных технологичных действий при определенных вариантах внешней среды. Они обладают умением самостоятельно оптимально выстраивать алгоритм своей работы, а также оперативно реализовывать его практически. Стоимость электроники такого робота в десятки раз выше его механической части. Новейший робот, осуществляя захват детали благодаря сенсорам, «знает», насколько удачно он это сделал. Кроме того, регулируется сама сила захвата (обратная связь по усилию) в зависимости от хрупкости материала детали. Именно поэтому устройство роботов нового поколения называют интеллектуальным. На производстве промышленные роботы объединяются в сеть, обеспечивая должный уровень взаимодействия системы «человек - машина». Такие роботы должны применяться в лабораторных исследованиях и обладать точными сложными и дорогостоящими датчиками.
В машиностроении в основном применяются роботы 1-го поколения и частично 2-го. Роботы 2-го и 3-го поколения применяются для научных исследований и работе в условиях недоступных и вредных для человека.
2. История и применение
Всё сильнее в нашу жизнь внедряется машинный труд. Но, увы - пока что такой вид силы не может быть настолько точным, как бы хотелось: двигатель внутреннего сгорания не соберёт сложный механизм, а стиральная машинка не спаяет печатную плату. Примерно для таких задач был создан американским инженером Д. Деволом манипулятор, примерно в 60-х. Это был очевидный технический прорыв: «умные» машины запоминали координаты точек своего маршрута и выполняли работу согласно программе. Первый промышленный робот «Юнимейт» был оснащен двухпальцевым устройством для захвата на пневмоприводе и «рукой» на гидроприводе. Его характеристики позволяли перемещать 12-килограммовую деталь с точностью до 1,25 мм. Другой робот-манипулятор «Версатран», созданный одноименной компанией, загружал и разгружал 1200 кирпичей в час в печь для обжига. Он успешно заменял труд людей во вредной для их здоровья среде с высокой температурой. Идея его создания оказалась весьма удачной, а конструкция - настолько надежной, что отдельные машины этой марки продолжают работать и в наше время, несмотря на то, что их ресурс превысил сотни тысяч часов. Устройство самых первых промышленных роботов в стоимостном выражении предполагало 75% механики и 25% электроники. Перенастройка таких приборов требовала времени и обуславливала простои оборудования. Изначально манипуляторы применялись только в производстве, но скоро их стали применять и в медицине, и космосе, и в местах повышенной радиоактивности. Нашли применение "умные" машины под водой, в металлургии, авиационных спасательных операциях на море, летательных тренажёрах, позиционировании спутниковых антенн, в телескопах.
3. Классификация манипуляторов.
Манипуляторы можно разделить на несколько основных групп.
по характеру выполняемых технологических операций
основные
вспомогательные
универсальные;
по виду производства
литейные, сварочные, кузнечнопрессовые
для механической обработки
сборочные, окрасочные, транспортно-складские;
по системе координат руки - манипулятора
прямоугольная
цилиндрическая
сферическая;
по числу подвижностей манипулятора;
по грузоподъемности
сверхлегкие (до 10 Н)
легкие (до 100 Н)
средние (до 2000 Н)
тяжелые (до 10000 Н)
сверхтяжелые (свыше 10000 Н);
по типу силового привода
электромеханический
пневматический
гидравлический
комбинированный;
по подвижности основания
мобильные
стационарные;
по виду программы
с жесткой программой
перепрограммируемые
с элементами искусственного интеллекта;
4. Устройство промышленного робота
Устройство манипулятора представлено на рисунке 1 (Приложение 1).
Манипулятор предназначен для перемещения закреплённого в его захвате предмета (но это не обязательно может быть захват, а, например, встроенный паяльник) по заданной траектории и с заданной ориентацией. Полноценная свобода движения манипулятора обеспечивается при наличии шести подвижностей/свобод. Манипулятор с шестью подвижностями является сложной автоматической системой, которая сложна как в изготовлении, так и в эксплуатации. Поэтому в реальных конструкциях промышленных роботов часто используются механизмы с числом подвижностей менее шести. Наиболее простые манипуляторы имеют три, реже две, подвижности. Такие манипуляторы значительно дешевле в изготовлении и эксплуатации, но предъявляют специфические требования к организации рабочей среды.
Пример структурной и функциональной схемы промышленного робота с трёхподвижным манипулятором представлен на рис.2 и рис.3 (Приложение 1). Основной механизм «руки» манипулятора состоит из неподвижного звена 0 и трех подвижных звеньев 1, 2 и 3. В этой системе звено 1 может вращаться относительно звена 0 (перемещение ф10), звено 2 перемещается по вертикали относительно звена 1 (перемещение S21) и звено 3 перемещается в горизонтальной плоскости относительно звена 2 (перемещение S32). На конце звена 3 укреплено захватное устройство или захват, предназначенный для захвата и удержания объекта манипулирования при работе манипулятора. Для выполнения каждого из трех относительных движений манипулятор должен быть оснащен приводами, которые состоят из двигателей с редуктором и системы датчиков обратной связи или из системы шаговых двигателей. Так как движение объекта осуществляется по заданному закону движения, то в системе должны быть устройства сохраняющие и задающие программу движения, которые называются программоносителями. При управлении от ЭВМ такими устройствами могут быть дискеты, диски CD, магнитные ленты и др. Преобразование заданной программы движения в сигналы управления двигателями осуществляется системой управления, которая включает в себя ЭВМ, с соответствующим программным обеспечением, усилители и цифро-аналоговые преобразователи. Система управления, в соответствии с заданной программой, формирует и выдает на исполнительные устройства приводов (двигателей) управляющие воздействия ui. При необходимости она корректирует эти воздействия по сигналам ∆xi, которые поступают в нее с датчиков обратной связи. (Приложение 1, рис. 3)
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 захвата М (региональные движения захвата); под "кистью" - те звенья и пары, которые обеспечивают ориентацию захвата (локальные движения захвата).
5. Проблемы устройства манипулятора.
Несмотря на удивительно совершенное устройство манипулятора, пока оно не может похвастаться ловкости человеческой руки. Постепенно манипулятор усовершенствовался, некоторые проблемы решались. Например, совсем недавно люди придумали ставить на захват датчики давления, чтобы робот ощущал взятый предмет. Это позволило сильно упростить некоторые задачи. Но манипулятор всё ещё многого не может, например, ощутить выскальзывание предмета из захвата.
Проблему эту уже пытались решить, поместив в устройство робота чувствительный микрофон, который должен был улавливать все вибрации в округе. По задумке, программа должна была отсеивать дребезжание робота, а так же другие звуки окружающей среды от вибрации выпадающего из «клешни» предмета. Но для такой технологии желательна полная тишина на рабочем месте (что, кстати, большая редкость на производстве), а также неимоверно сложная программа и очень чувствительные дорогие датчики. (Приложение 1, рис.4)
Глава II. Создание и применение модели захвата манипулятора
1. Подготовка к созданию модели захвата манипулятора
Пример захвата с новой технологией очувствления представлен на рисунке 3 (Приложение 2).
На протяжении долгого времени я был заинтересован вопросом выскальзывания из руки робота какого-либо груза. Было интересно решить эту не лёгкую задачу, и возникали многие варианты решений. Проанализировав некоторый объем литературы так и не удалось найти нужный ответ. Решение было найдено при поверхностном исследовании человеческой руки. Мышцы и кости руки покрывает кожа, которая закреплена за счёт связок и сухожилий. Вполне возможно, что растяжение этих связок способствует чувству выскальзывания предмета из человеческой кисти. Но эта теория представляет собой только одно из множества рассмотрений строения и функций человеческой руки и служит только для понимания строения будущей модели.
Исходя из этих рассуждений, достаточно сделать закреплённую на захвате манипулятора деталь, которая могла бы быть подвижной, с которой можно бы было снимать данные о её подвижности и которая сама по себе была соприкасаемой при захвате с предметом манипуляции. Для такой работы подошел валик. (Приложение 2, рис. 1)
Выпадая или выскальзывая, предмет будет вращать валик, а он, в свою очередь, передаст вращение фотоворотам. Фотоворота играли важную роль в механических компьютерных мышках. Устройство представляет из себя следующую систему: источник света, который светит в сторону фотоэлемента (или по-другому приёмника), между источником и фотоэлементом находится диск с прорезями. Когда происходит вращение стержня, закрепленного в диске и проходящего через него насквозь, свет светит на то на фотоэлемент через прорезь, то на сам диск. (Приложение 2, рис. 2)
Приёмник реагирует на изменение интенсивности света меняя своё сопротивления. Таким образом, можно определить по изменению количества попадающего света на приёмник, происходит ли вращение валика. Имея два приёмника и расположив их надлежащим образом, можно даже определить в какую сторону происходит вращение.
Если валик будет вращать стержень диска, то возможно зарегистрировать изменения количества света, попадающего на фотоэлемент, а значит, возможно определить, вращается ли валик в данный момент.
Чтобы манипулятор мог понять, когда он захватил предмет, было решено добавить в конструкцию датчики касания. (Приложение 2, рис.4 )
В качестве рабочей модели было решено сделать только захват с двумя плоскостями для захвата.
Для описанной модели достаточно использование платы Arduino Nano v.3 в качестве контроллера, потому что эта плата достаточно распространена, малогабаритна, имеет хорошее качество. (Приложение 2, рис.5)
2. Сборка модели и демонстрация работы
Для сборки модели понадобились следующие детали:
драйвер для управления двигателем (L298N);
двигатель (коллекторный электродвигатель с элементами сервомотора, в том числе редуктором);
панель информации (была собрана из макетной платы и других радиодеталей);
фотоворота (были собраны на основе микросхемы TCST-2103);
датчик касания (кнопка, с тремя контактами: +5V, два выхода);
др. радиодетали;
3D-принтер (3D-модель захвата представлена в Приложении 2, рис.5).
Готовая модель представлена в Приложении 2, рис.6.
Для демонстрации модели следует через USB-провод подключить саму плату Arduino Nano к сети или компьютеру, а драйвер L298N к сети. Поведение модели:
После загрузки ПО модель начинает сдвигаться, дабы захватить предмет.
Когда предмет будет зажат захватом, на панели информации загорится зелёный диод, что нужно понимать, как успешную попытку захвата предмета;
Если предмет начнёт выскальзывать, то на панели информации загорится-замигает красный диод;
Когда общее время выскальзывания достигнет тысячи миллисекунд, панель информации начнёт сигнализировать об аварийной ситуации, пару раз замигав обоими диодами, после чего створки раздвинутся. Алгоритм повторится сначала.
Заключение
Реализованная идея создания модели используется практически везде, где применяются манипуляторы. Манипулятор сможет определить, какую примерно силу нужно использовать, чтобы поднять предмет, попытавшись сделать это сначала у земли, задействуя минимум усилий, а в последующих попытках больше усилий. Можно будет всерьёз подумать о применении промышленных роботов не только на производствах, но и в маркетинговой сфера, протезировании, т.к. установка протезов рук/ног с данной технологией может облегчить психологическую травму пациента от потери конечности, во всех средах, где фигурируют опасные для человека среды и в других сферах. Во время исследовательских работ будут спасены сотни образцов, которые принесут пользу науке.
Поставленная цель достигнута. Так же удалось решить проблему невозможности регистрации выскальзывания предмета из захватывающего устройства с высокой точностью. В планы на будущее входит усовершенствование созданной модели, доработка данного способа регистрации выскальзывания предмета и нахождение новых методов для достижения поставленной цели посредством внедрения ультразвукового и фоточувствительного датчика, которые будут объединены в единый комплекс с уже имеющимися фотоворотами. Улучшения новой технологии очувствления необходимо для достижения возможности одновременной работы манипулятора в средах с различными грузами с разными характеристиками поверхности.
Литература.
1. Булгаков, А.Г. Промышленные роботы. Кинематика, динамика, контроль и
управление. - М. : СОЛОН-ПРЕСС, 2008. - 486 с. - (Библиотека инженера).
2. Зенкевич, С. Л. Основы управления манипуляционными роботами : учеб. для вузов по специальности "Роботы и робототехн. системы". - Изд. 2-е, испр. и доп. - М. : МГТУ имени Н.Э. Баумана, 2004. - 478, [1] с. : ил. - (Робототехника).
3. Лукинов, А.П.Проектирование мехатронных и робототехнических устройств : учебное пособие. - Санкт-Петербург : Лань, 2012. - 605 с. - (Учебники для вузов. Специальная литература).
Приложение 1
Рисунок 1. Промышленный робот. 1– датчик обратной связи; 2 — захватное устройство; 3 — кисть; 4 —рука манипулятора; 5 — колонна; 6 — несущая конструкция (основание); 7 – привод руки; 8 – блок управляющего устройства с пультом.
Рисунок 2. Графическое и схематическое изображение промышленного робота.
Рисунок 3. Схема управления программы манипулятором
Рисунок 4. Технология регистрации выскальзывания
Приложение 2
Рисунок 1.Местоположение валиков на захватывающем устройстве манипулятора.
Рисунок 2. Трёхмерное изображение фотоворот механической мышки.
Рисунок 3. Пример захвата с новой технологией очувствления
Рисунок 4. Изображение фотоворот, валиков и других датчиков на захватывающем устройстве.
Рисунок 5.Упрощённая модель в 3D-редакторе TinCarCad.
Рисунок 6. Готовая модель.