национальный исследовательскийтомский политехнический университет
 Скачать 2.13 Mb.
|
|
ВВЕДЕНИЕ В настоящее время наблюдается очередная волна интереса к робототехнике, различным манипуляторам. Манипуляторы это роботизированные устройства, имеющие самую различную форму и конструкцию, позволяющие решать широкий спектр задач. В современном мире манипуляторы широко используются в таких областях как: военная, аэрокосмическая, медицина, машиностроение и т.д. Они постепенно замещаются человеческий труд при работе в опасных средах (зонах), в отделочных работах, в крупномасштабных перерабатывающих и обрабатывающих производствах, при разминировании зарядов, в сварочных работах и т.д. Манипуляторы, благодаря своим характеристикам и отсутствию субъективных факторов (человека), выполняет эти работы с высоким уровнем безопасности, обеспечивает высокую стабильность и повторяемость результатов, высокое качество работы. Цель данной работы заключается в создании манипулятора "механическая рука" на базе микроконтроллера Arduino. Процесс создания включает: - разработку и изготовление механической конструкции, - разработку электрической схемы и алгоритмов управления. В качестве ожидаемого результата можно выделить следующий: - разработка и изготовление физической модели манипулятора, способной решать поставленные задачи. Результаты настоящей работы могут быть использованы при автоматизации складских помещениях различных предприятий. 14 1. ОБЪЕКТ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ Объектом исследования настоящей выпускной работы является манипулятор «механическая рука», который по своей динамике напоминает работу руки человека. 1.1. Объект исследования Существует большое количество схем манипуляторов, реализующих перемещение своих звеньев в пространстве, но наиболее распространенными являются следующие типы манипуляторов. Манипулятор декартового типа Манипулятор работает в прямоугольной (декартовой) системе координат (рисунок 1.1), прост в управлении и отличается высокой точностью действий. Захват поступательно перемещается вдоль трех основных осей: х, у и z (т.е. слева направо, вперед-назад и вверх-вниз). Рисунок 1.1 – Декартовый манипулятор Манипулятор цилиндрического типа Манипулятор работает в цилиндрической системе координат. Его захват может выдвигаться и втягиваться, а также перемещаться вверх и вниз вдоль стойки, весь узел манипулятора может поворачиваться вокруг оси основания. 15 Рисунок 1.2 - Манипулятор цилиндрического типа Сферический манипулятор Манипулятор работает в сферической (полярной) системе координат. Его захват может выдвигаться и втягиваться. Вертикальные перемещения манипулятора достигаются путем поворота его в вертикальной плоскости в «плечевом» суставе. Весь узел манипулятора может также поворачиваться вокруг оси основания. Первые модели промышленных роботов были сконструированы именно по этому принципу. Рисунок 1.3 - Манипулятор сферического типа Манипулятор ангулярннго типа Шарнирный манипулятор работает в ангулярной системе координат и не имеет поступательных кинематических пар (см. рисунок 1.4). Манипулятор имеет только вращательные кинематические пары и очень напоминает человеческую руку, поскольку имеет «плечевое» и «локтевое» сочленения, а также «запястье». Его зона обслуживания значительно больше, чем у роботов 16 других типов и он способен решать более сложные задачи, но вместе с тем он исключительно сложен в управлении. Рисунок 1.4 – Ангулярный манипулятор 1.2. Методы исследования В области естественных наук наиболее распространенными являются три вида моделирования – физическое, математическое и имитационное. В наше работе мы использовали физическое моделирование. Физическое моделирование — метод экспериментального изучения различных физических явлений, основанный на их физическом подобии. Он даёт наибольшее приближение к реальным условиям функционирования проектируемой системы. Но его недостаточная гибкость и меньшая информативность по сравнению с математическим моделированием. В настоящей работе исследуется манипулятор ангулярного типа методом физического моделирования 2. ОПИСАНИЕ КОНСТРУКЦИИ И ЭЛЕМЕНТОВ МАНИПУЛЯТОРА «МЕХАНИЧЕСКАЯ РУКА» 2.1. Внешний вид Внешний вид манипулятора «механическая рука» представлен на рисунке 2.1. Манипулятор представляет собой платформу, на которой размещены сочленённые звенья конструкции, обеспечивающие ей подобие руки человека. Манипулятор обладает тремя степенями свободы, те есть положение его конечной точки в пространстве может быть описано или 17 задано в любой момент времени с помощью трёх независимых координат x, y, z. Такая конструкция манипулятора позволяют ему ориентироваться в трёхмерном пространстве. Также манипулятор снабжён захватом, позволяющим фиксировать и переносить предметы. Рисунок 2.1 – Манипулятор «механическая рука». Внешний вид В состав манипулятора входят: - платформа конструктивные элементы корпуса; - четыре серводвигателя, установленные в местах сочленения элементов и обеспечивающие подвижность манипулятора; - 2 LED; - плечи манипулятора, выполненные из акрила толщиной 2 мм; - ультразвуковой датчик расстояния типа hc-sr04; - микроконтроллер Arduino Uno; - персональный компьютер, связанный с контроллером Arduino Uno через USB-кабель. 2.2. Количество степеней свободы Количество степеней свободы определяет функциональные возможности манипулятора. По своим возможностям три степени свободы дают манипулятору практически возможности руки человека, а захват можно сравнивать с кистью. Перемещение манипулятора в пространстве вдоль 18 любой из координат (см. рисунок 2.2), которая определяет степень свободы, обеспечивается серводвигателями, которые установлены в местах сочленения манипулятора. Рисунок 2.2 – Степени свободы манипулятора Серводвигатель – это электрический двигатель, в котором реализовано управление через отрицательную обратную связь. В таком двигателе помимо собственно двигателя, имеется датчик положения или скорости, который используется в системе управления и обеспечивает высокую точность либо позиционирования, если управление выполняется по положению, либо скорости вращения, если в обратной связи задействован датчик скорости. На рисунке 2.3 приведена платформа манипулятора. Платформа – это та часть манипулятора, которая неподвижна и обеспечивает его устойчивость при перемещении остальных компонентов манипулятора. На платформе размещено основание манипулятора, которое с помощью серводвигателя имеет возможность поворота относительно платформы на угол 180 градусов Рисунок 2.3 – Платформа манипулятора 19 На рисунке 2.4 приведены основные рычаги манипулятора, которые обеспечивают его линейное перемещение (вдоль оси Х, см. рисунок 2.2) и перемещение по высоте (вдоль оси Z, см. рисунок 2.2). Для обеспечения возможности перемещения вдоль этих координат используются два серводвигателя. Рисунок 2.4 - Основные рычаги манипулятора Четвёртый серводвигатель используется для перемещения захвата. Захват обеспечивает надёжную фиксацию предмера при его переносе. Конструкция захвата представлена на рисунке 2.5. Рисунок 2.5 – Конструкция захвата 2.3. Описание всех элементов манипулятора Манипулятор «механическая рука» представляет собой совокупность механических, электрических, оптических и вычислительны устройств, 20 которые взаимодействуя друг с другом по определённым алгоритмам, обеспечивают решение поставленных задач. В конструкции манипулятора нет главных и второстепенных элементов. Каждый элемент выполняет возложенную на него функцию, без которой невозможно решение общей задачи. Рассмотрим следующие элементы манипулятора: - серводвигатель; - ультразвуковой датчик измерения расстояния HC-SR04; - контроллер Arduino Uno. 2.3.1. С ерводвига тель С ерводвига тель (другие названия: сервопривод, сервомотор) является важным элементом при конструировании различных роботов и механизмов. Это исполнительный электродвигатель, который имеет обратную связь, позволяющую точно управлять движениями механизмов. Другими словами, получая на входе значение управляющего сигнала, система автоматического регулирования, использующая электродвигатель как исполнительный механизм, а сигнал положения как сигнал отрицательной обратной связи стремится поддерживать это значение на выходе своего исполнительного элемента [1]. Конструкция серводвигателя представлена на рисунке 2.6. Рисунок 2.6 – Конструкция серводвигателя 1 - разъем для коммутации с внешними устройствами; 2 - встроенная плата 21 регулятора; 3 – датчик положения (потенциометр); 4 – микромотор; 5 – редуктор с выходным валом Сервоприводы широко используются для моделирования механических движений роботов. Сервопривод состоит из датчика (скорости, положения и т.п.), блока управления приводом из механической системы и электронной схемы. Редукторы (шестерни) устройства выполняют из металла, карбона или пластика. Пластиковые шестерни сервомотора не выдерживают сильные нагрузки и удары. Сервомотор имеет встроенный потенциометр, который соединен с выходным валом. Поворотом вала, сервопривод меняет значение напряжения на потенциометре (см. рисунок 2.7). Плата анализирует напряжение входного сигнала и сравнивает его с напряжением на потенциометре, исходя из полученной разницы, мотор будет вращаться до тех пор, пока не выровняет напряжение на выходе и на потенциометре. Рисунок 2.7 – Пример работы потенциометра обратной связи 22 Схема подключения сервопривода к Arduino следующая: - черный провод (pin 1) подключается к отрицательному полюсу источника GND; - красный провод (pin 2) подключается к положительному полюсу источника 5V; - желтый провод (pin 3) - аналоговый вывод с ШИМ (широтно- импульсная модуляция). Для управления сервоприводом используется стандартная библиотека Servo.h Пример использования библиотеки 1. Инициализация сервопривода: servo.attach(pin); servo.attach(pin, min, max); где pin – номер порта к которому подключен сервопривод; min (опционально) – ширина импульса в микросекундах устанавливающая положение вала сервовпривода в 0 градусов (по умолчанию 544); max (опционально) — ширина импульса в микросекундах устанавливающая положение вала сервопривода в 180 градусов (по умолчанию 2400). 2. Поворот вала сервопривода в градусах servo write ( angle ); где angle – значение угла для поворота: от 0 до 180 3. Считывание «текущего» угла поворота сервопривода servo read (); Данная команда возвращает значение типа int — угол от 0 до 180 градусов. 4. Отключение управления сервоприводом (pin) от библиотеки Servo. servo detach (); 23 После получения такой команды сервопривод отключается от библиотеки Servo 2.3.2. Ультразвуковой датчик измерения расстояния HC-SR04 Ультразвуковой датчик измерения расстояния HC-SR04 широко используется в задачах физического моделирования, конструирования роботов и других аналогичных задачах. Внешний вид датчика представлен на рисунке 2.8. Рисунок 2.8 – Внешний вид датчика измерения расстояния HC-SR04 Основные характеристики и особенности датчика Технические характеристики: - напряжение питания: 5V DC; - ток покоя: <2 mA; - диапазон измерения расстояния: 2–400 см.; - разрешение (точность): 0.3 см. Габаритные размеры датчика измерения расстояния HC-SR04 представлены на рисунке 2.9, диаграмма направленности на рисунке 2.10 24 Рисунок 2.9 – Габаритные размеры датчика Рисунок 2.10 – Диаграмма направленности датчика расстояния Принцип работы датчика Принцип работы датчика представлен на рисунке 2.11. Запуск звуковой волны начинается с подачи положительного импульса длительностью не менее 10 микросекунд на ножку TRIG дальномера (см. рисунок 2.8). По заднему фронту импульса (импульс заканчивается), дальномер излучает в пространство перед собой пачку звуковых импульсов частотой 40 кГц. В это же время на ножке ECHO (см. рисунок 2.8) дальномера появляется логическая единица. Как только датчик улавливает отражённый сигнал, на выводе ECHO появляется логический ноль. По длительности логической единицы на ножке ECHO («Задержка эхо» на рисунке) определяется расстояние до препятствия. 25 Рисунок 2.11 – принцип работы датчика измерения расстояния HC-SR04 Программа датчика На первом шаге задаются адреса выводов TRIG и ECHO – это pin 2 и pin 13. Вывод TRIG как выход, а ECHO – как вход. Инициализируется последовательный порт на скорости 9600 бод. В каждом повторении цикла loop() считывается дистанция и выводится в порт. 26 Генерируется 10-микросекундный импульс запуска, который является стартом для начала излучения дальномером звукового пакета в пространство. Далее измеряется время от начала передачи звуковой волны до прихода эха. Затем по известному выражению находим удвоенное расстояние от источника сигнала до объекта , 𝑆 = 𝑉𝑡 где V - скорость звука в воздухе 340 м/сек.; t - время прохождения звукового сигнала от излучателя до объекта и обратно до приёмника, измеренное в микросекундах. Переменная, в которой хранится измеренное время, называется duratuion. Чтобы получить время duratuion в секундах, нужно разделить его на 1 000 000. Так как звук проходит двойное расстояние – до объекта и обратно – нужно ещё разделить результат пополам. Вот и получается, что расстояние до объекта 𝑆 = 𝑉 × 𝑡 = 34000 2 × 𝑑𝑢𝑟𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛 1000000 = 0,017 × 𝑑𝑢𝑟𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛[см] 2.3.3 Контроллер Arduino Uno; Arduino — широко распространённая торговая марка аппаратно- программных средств для построения простых систем автоматики и робототехники, ориентированная на непрофессиональных пользователей. В настоящей работе используется модель контроллера Arduino UNO R3, выполненная на базе микроконтроллера ATmega328. Внешний вид контроллера приведён на рисунке 2.12 27 Рисунок 2.12 – Внешний вид контроллера Arduino UNO R3 на базе микроконтроллера ATmega328. Выбор конкретной модели контроллера выполнен на основании анализа решаемых задач, доступности, стоимости, простоты освоения и других критериев, по которым Arduino UNO значительно превосходит другие варианты. Программная часть Arduino UNO состоит из бесплатной программной оболочки (IDE) для написания программ, их компиляции и программирования аппаратуры. Аппаратная часть представляет собой набор смонтированных печатных плат, продающихся как официальным производителем, так и сторонними производителями. Полностью открытая архитектура системы позволяет свободно копировать или дополнять линейку продукции Arduino[2]. Технические характеристики контроллера Arduino UNO R3 - 14 цифровых портов входа-выхода (6 из них поддерживают режим ШИМ модуляции); - 6 аналоговых входов; - частота тактирования 16 МГц; - USB порт; - разъем питания; - разъем внутрисхемного программирования; 28 - кнопка сброса. На рисунке 2.13 приведён внешний вид монтажной платы с расположенными на ней элементами манипулятора и электрическими связями. Данный вид актуален для этапа отладки взаимодействия всех элементов системы. Рисунок 2.13 – Внешний монтажной платы 3. АЛГОРИТМА ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАССТОЯНИЯ ДО ОБЪЕКТА 3.1. Метод определения расстояния до объекта Для разработки алгоритма определения расстояния до объекта, рассмотрим графическую интерпритацию метода, представленную на рисунке 3.1. Цель алгорима: определить расстояние от базовой точки манипулятора А до объекта (точка В). Способ решения: - рассчитать угол α 1 , отвечающий за расстояние до объекта; - рассчитать угол α 2 , отвечающий за высоту объекта над нулевым уровнем. 29 Рисунок 3.1 - Графическая интерпритация метода определения рассточния до объекта За нулевой уровень принимается уровень платформы манипулятора. Для наглядности плечи манипулятора имеют разный цвет, что, в дальнейшем, позволит акцентировать способ управления устройством. Желтое и синее плечи манипулятора параллельны и равны, аналогично и фиолетовое и красное плечи параллельны и равны. Причем фиолетовое плечо, равное сумме плеч а и b является цельным. Изменение угла α1 выполняется сервоприводом myservo2, изменение α2 – сервоприводом myservo3. Рассмотрим общий случай, когда объект находится над нулевой плоскостью (см. рисунок 3.2). 30 Рисунок 3.2 – Положение объекта над плоскостью Для того чтобы переместить захват манипулятора в точку В (см. рисунок 3.2) необходимо по измерениям X и Y рассчитать значения углов α1 и α2 и сформировать управляющие воздействия на сервоприводы, которые переместят захват в рассчитанную точку. Из рисунка 3.2 следует, что 𝛼1 = 𝛼6 + 𝛼5 = arccos 𝑋 2 + 𝑌 2 2𝑎 + arcsin 𝑋 𝑋 2 + 𝑌 2 𝛼2 = 180° ‒ 𝛼4 ‒ 𝛼1 = 180° ‒ 𝛼3 ‒ 𝛼1 = = 180° ‒ 2arcsin 𝑋 2 + 𝑌 2 2𝑎 ‒ ( arccos 𝑋 2 + 𝑌 2 2𝑎 + arcsin 𝑋 𝑋 2 + 𝑌 2 ) В случае, если объект расположен в нулевой плоскости (Х=0), то выражения для определения углов упрощаются: 𝛼1 = 𝛼6 = arccos 𝑌 2𝑎 𝛼2 = 180° ‒ 𝛼3 ‒ 𝛼6 == 180° ‒ 2arcsin 𝑌 2𝑎 ‒ arccos 𝑌 2𝑎 Рассмотрим случай, когда объект находится ниже нулевой плоскости (см. рисунок 3.3) 31 Рисунок 3.3 – Положение объекта ниже плоскости Из рисунка 3.2 следует, что 𝛼1 = 𝛼6 ‒ 𝛼5 = arccos 𝑋 2 + 𝑌 2 2𝑎 ‒ arcsin 𝑋 𝑋 2 + 𝑌 2 𝛼2 = 180° ‒ 𝛼4 ‒ 𝛼1 = 180° ‒ 𝛼3 ‒ 𝛼1 = = 180° ‒ 2arcsin 𝑋 2 + 𝑌 2 2𝑎 ‒ ( arccos 𝑋 2 + 𝑌 2 2𝑎 ‒ arcsin 𝑋 𝑋 2 + 𝑌 2 ) И, соответственно, если объект расположен в нулевой плоскости (Х=0), то последние выражения для углов α1 и α2 примут вид, полученный ранее. 32 3.2 Блок-схема алгоритма Блок-схема алгоритма приведена на рисунке 3.4. Рисунок 3.4 – Блок схема алгоритма |