Методичка. Учебнометодическое пособие для учителя 2 Все права принадлежат гк digis (ооо цс импэкс)
 Скачать 4.96 Mb.
|
|
27 Достоинства и недостатки шаговых электродвигателей К достоинствам данного типа электрических машин можно отнести: высокие скорости пуска, остановки, реверса; вал поворачивается в соответствии с командой управляющего устройства на заданный угол; четкая фиксация положения после остановки; высокая точность позиционирования, без жестких требований к наличию обратной связи; высокая надежность за счет отсутствия коллектора; поддержание максимального крутящего момента на низких скоростях. Недостатки: возможно нарушение позиционирования при механической нагрузке на вал выше допустимой для конкретной модели двигателя; вероятность резонанса; достаточно сложная схема управления; Практическая часть Найдите на конструкции шаговые двигатели, посмотрите как они закреплены и каким образом взаимодействуют с деталями робота. Определите за какое из движений манипулятора отвечает каждый из двигателей. Вопросы к занятию: Перечислите виды шаговых двигателей. Почему данный тип двигателей называют шаговыми? Какие ещё типы электродвигателей вы знаете? Какие из них могут подойти для конструкции данного робота, кроме шаговых? 28 Занятие 5 Электроника манипулятора, управляющий контроллер, гироскоп. Цели занятия 1. Знакомство с контроллером MegaPi 2. Подключение двигателей и датчиков к контроллеру. 3. Гироскоп. Устройство и принцип работы. Необходимые материалы для занятия: 1. Робот-манипулятор серии «Учебный робот SD1-4» 2. Рабочая тетрадь Деятельность в классе: 1. Теоретическое изучение управляющих контроллеров робота. 2. Изучение подключения двигателей к контроллеру 3. Изучение гироскопа и принципа его работы. План занятия: 1. Схема подключения устройств к контроллерам. 2. Подключение двигателей и датчиков 3. Устройство Гироскопа с акселерометром 4. Принцип работы гироскопа Проведение занятия: 1. Для проведения занятий используется индивидуальная я форма работы. 2. Теоретическая часть является основой данного занятия. Она знакомит детей с управляющими платами робота и гироскопом. 3. Прежде, чем перейти к непосредственному изучению оборудования, поговорите с детьми о электронике роботов вообще и о ее разновидностях. Теоретическая часть. Контроллеры робота и датчик гироскопа с акселерометром Контроллеры Для того, что бы понять, как управляется робот, необходимо понимать, что внутри него к чему подключено и какой компонент за что отвечает. Мозгом робота является управляющий контроллер. Именно он реализует выполнение действий по написанной нами программе, обрабатывает сигналя с датчиков и активирует движения робота в нужном направлении. Контроллеры выбираются исходя из тех задач, которые необходимо выполнить с помощью робота. 29 На рисунке ниже схематично показаны основные компоненты нашего робота и связи между ними. Контроллер STM32 Контроллер Mega Pi П не вм о на со с С е р во пр и во д Д ви га те л ь Э нк о д е р Л а зе р Э кс тр уд е р Ш Д 1 Ш Д 2 Ш Д 3 Драйверы шаговых двигателей Ги р о ск о п 2 Ги р о ск о п 1 Схема подключения устройств Наш робот содержит два контроллера. Один, более быстрый, на базе чипа STM32, отвечает непосредственно за взаимодействие с внешними датчиками и исполнительными устройствами. Второй контроллер, MegaPi, отвечает за выдачу команд на исполнение зашитых в STM32 последовательностей (например, «прыжок», захват и т.п.). То есть, программа, которая заложена в STM32, отвечает за правильное позиционирование робота и выполнение стандартных действий, а команды на исполнение того или иного стандартного действия приходят с платы MegaPi. MegaPi, это контроллер, созданный инженерами компании Makeblock на базе платы Arduino Mega. В отличие от оригинального Arduino, плата снабжена мощной силовой частью и позволяет одновременно подключать до 18 двигателей различного типа и управлять ими. 30 Внешний вид платы MegaPi В нашем случае, силовая часть подключена не к MegaPi, а к плате STM32, способной с более высокой скоростью обрабатывать сигналы. В то же время, благодаря связке с контроллером MegaPi, обеспечивается простота управления роботом и его совместимость со средой программирования Mblock (Scratch) и облачными сервисами от компании Makeblock. За управление шаговыми двигателями ,приводящими робота в движение, отвечают специальные устройства, которые называются драйверами. Внешне драйверы шаговых двигателей это небольшие платы, оснащенные радиатором охлаждения т.к. при работе этих устройств возникает достаточно сильный нагрев управляющей микросхемы на плате. Внешний вид драйверов шагового двигателя 31 Для определения положения по двум осям X и Y, в нашем устройстве совместно используются модули гироскопа и энкодеры. Для определения положения по четвертой оси используется энкодер. Такое сочетание датчиков позволяет получить необходимую точность при позиционировании рабочего инструмента. Рассмотрим работу гироскопа более подробно. Гироскоп и акселерометр. Этот датчик используется для измерения ускорения (акселерометр) и угловой скорости (гироскоп). Вместе эти значения дают представление о положении объекта в пространстве. Наш робот содержит два таких датчика для более точного определения своего положения. В нашем случае, эти датчики используется для определения в пространстве местоположения рабочего инструмента робота по двум осям. Датчики закреплены на 2 и 3 плечах манипулятора. С их помощью робот точно «знает» в какой именно точке находится инструмент сейчас, определяет нулевое положение и необходимое направление движения. Что же из себя представляет датчик гироскопа с акселерометром? Ранее эти устройства были в большей степени механическими и имели значительные размеры и вес. Гироскоп содержал маховик, вращающийся с большой скоростью, и при его отклонении от первоначального положения возникало давление на крепление оси, которое и преобразовывалось математически в значения изменения положения. Сейчас эти громоздкие и сложные в эксплуатации конструкции остались в прошлом. Их заменили миниатюрные изделия, размером с микросхему. Современные датчики, основаны на микроэлектромеханических системах, так называемых МЭМС. Популярность данных устройств обусловлена рядом причин, таких как, простота их использования, относительно низкая цена и малые габариты. Подобные датчики, как правило, оснащаются интегрированной электроникой обработки сигнала и не имеют движущихся частей. Этим обусловлена их высокая надежность и способность обеспечивать стабильные показания в достаточно жестких условиях окружающей среды (перепады температур, удары, влажность, вибрация, электромагнитные и высокочастотные помехи). Совокупность данных преимуществ побуждает производителей систем для различных сфер применения (от авиа и автомобилестроения до бытовой техники) использовать в своих разработках те или иные МЭМС-сенсоры. Именно к такому типу относится и датчик Гироскопа с акселерометром, применяемый на в нашем случае. Рассмотрим работу МЭМС-сенсора более подробно: Как правило, подобные гироскопы выпускаются в герметичных керамических LCC корпусах которые можно устанавливать на системные платы. Датчик состоит из пяти основных компонентов: кремниевый кольцевой МЭМС-сенсор основание из кремния интегральная микросхема гироскопа (ASIC), корпус крышка 32 Устройство микросхемы гироскопа Кремниевый кольцевой МЭМС-сенсор, микросхема и кремниевое основание размещены в герметичной части корпуса с вакуумом, частично заполненным азотом. Принцип действия системы гироскопа Описываемые гироскопы обычно являются твердотельными устройствами и не имеют движущихся частей за исключением сенсорного кольца, которое имеет возможность отклоняться. Оно показывает величину и направление угловой скорости за счет использования эффекта «силы Кориолиса». Во время вращения гироскопа силы Кориолиса действуют на кремниевое кольцо, являясь причиной радиального движения по периметру кольца. На рисунке показана структура кремниевого кольца сенсора, показывающая приводы первичного движения «PD» (одна пара), первичные снимающие преобразователи «PPO» (одна пара) и вторичные снимающие преобразователи «SPO» (две пары). 33 Силы, действующие на гироскоп. Если гироскоп подвергается воздействию угловой скорости, то на кольцо действуют силы Кориолиса: по касательной к периметру кольца относительно главных осей. Эти силы деформируют кольцо, что вызывает радиальное движение вторичных снимающих преобразователей. Данное движение, определяемое на вторичных снимающих преобразователях, пропорционально прилагаемой угловой скорости. Практическая часть Где расположена управляющая плата робота?. Найдите, где расположены датчики гироскопа с акселерометром. Вопросы к занятию: Что является электронным мозгом робота?. Какие функции должен обеспечивать контроллер, что бы его можно было использовать в данном типе роботов? Зачем в конструкции робота нужен гироскоп? 34 Занятие 6 Перемещение рабочего инструмента Запрограммированные схемы перемещения Цели занятия 1. Изучение предустановленных запрограммированных схем перемещения. 2. Практическое изучение перемещения рабочего инструмента. Необходимые материалы для занятия: 1. Робот-манипулятор серии «Учебный робот SD1-4» 2. Рабочая тетрадь Деятельность в классе: 1. Теоретическое изучение стандартных перемещений рабочего инструмента манипулятора 2. Практическая работа. План занятия: 1. Стандартные виды перемещения рабочего инструмента робота. 2. Практическая часть Проведение занятия: 1. Для проведения занятий используется групповая форма работы. Дети разбиваются на группы в зависимости от количества оборудования, имеющегося в наличии. 2. Теоретическая часть является основой данного занятия. Она знакомит детей с видами основных перемещений, которые заложены в основе программирования манипулятора. 3. На практике запрограммируйте и реализуйте различные виды перемещения робота. Реализуйте то же самое при помощи пульта дистанционного управления. Теоретическая часть. Виды перемещения манипулятора, заложенные в основной программе. В зависимости от выполняемой задачи, перемещение инструмента робота может выполняться различными способами, но все виды можно чётко классифицировать по траектории движения, которая применяется. Именно на этом и построена работа робота в различных ситуациях. 35 Рассмотрим используемые виды перемещений более подробно. 1. «Прыжок» Это перемещение их точки А в точку Б при котором инструмент сначала опускается в точке А, затем поднимается на заданную высоту, передвигается в точку Б и опускается. Графически, это можно изобразить следующим образом: А Б Z X, Y То есть, при таком перемещении, траектория движения инструмента имеет П- образный вид. 2. Криволинейное перемещение из точки А в точку Б Это перемещение из точки А в точку Б при котором инструмент движется по дуге. Данный вид движения характеризуется наибольшей энергоэффиктивностью. Графически, это можно изобразить следующим образом: А Б Z Y X 36 3. Линейное перемещение из точки А в точку Б При данном типе перемещений, инструмент проходит при движении из точки А в точку Б кратчайшее расстояние и двигается по прямой. А Б Z X, Y Программируя робота, можно получить и другие виды перемещений, но эти используются наиболее часто и в нашем случае являются стандартными, алгоритмы которых уже встроены в контролер робота, что значительно упрощает процесс программирования.. Практическая часть Подготовьте рабочую зону робота, установив кубики на предназначенные для них места. Установите инструмент «Пневмозахват с присоской» Попробуйте программно или с помощью пульта переместить кубик из точки А в точку Б - если точки находятся в одной горизонтальной плоскости - если точки находятся на разной высоте Наблюдайте за перемещением робота, запишите свои наблюдения в тетрадь. Экспериментальным путём определите примерную максимальную высоту, на которую может поднять предмет наш робот. Определите на каком расстоянии от вертикальной оси вращения манипулятора находится точка с максимальной высотой. Какова эта высота? Запишите значения. Вопросы к занятию: Назовите виды основных перемещений, которые использует наш робот. Назовите действия, для которых они могут использоваться. 37 Занятие 7 Кинематика манипулятора Прямая и обратная задачи перемещения Цели занятия 1. Понятия прямой и обратной задачи кинематики. 2. Решение прямой и обратной задач кинематики. Необходимые материалы для занятия: 1. Робот-манипулятор серии «Учебный робот SD1-4» 2. Рабочая тетрадь Деятельность в классе: 1. Теоретическое изучение прямой и обратной задач кинематики манипулятора 2. Практическая работа. План занятия: 3. Теория движения манипулятора. Прямая и обратная задачи и их решение. 4. Практическая часть Проведение занятия: 1. Для проведения занятий используется групповая форма работы. Дети разбиваются на группы в зависимости от количества оборудования, имеющегося в наличии. 2. Теоретическая часть является основой данного занятия. Она знакомит детей с прямой и обратной задачами кинематики, описывающими алгоритм определения положения рабочего инструмента робота, лежащий в основе его программирования. 3. На примере имеющегося робота-манипулятора, проведите измерение основных параметров (углы, длины плеч и т. п.). Проверьте с помощью расчета правильность алгоритма. Теоретическая часть. Кинематика. Четырёхосевой (учебный) робот. В робототехнике, для манипуляторов есть две основные задачи кинематики: прямая и обратная. Рассмотрим эти задачи на стандартном примере манипулятора. Прямая задача — это вычисление координат (X, Y, Z) положения рабочего органа манипулятора по его кинематической схеме и заданной ориентации его звеньев. 38 Обратная задача — это вычисление углов положения звеньев по заданным координатам положения (X, Y, Z) рабочего органа и опять же известной схеме его кинематики. То есть, решение прямой задачи определяет где будет находиться рабочий орган манипулятора, при заданных углах его суставов, а обратная задача, наоборот, говорит, как нужно «вывернуться» манипулятору, чтобы его рабочий орган оказался в заданном положении. Очевидно, что более распространённой и важной является именно обратная задача кинематики, но нужно иметь в виду, что эта задача редко может быть решена однозначно. Дело в том, что хотя для определенных углов положения звеньев, всегда существует единственное положение рабочего органа с координатами (X, Y, Z), но не факт, что для положения (X, Y, Z) отыщется такая же единственная комбинация углов. Есть три способа задания положения робота: - Декартовыми координатами инструмента , мм - Собственными углами сочленений , радианы - Положениями приводов , шаги Размерные характеристики: - – координаты точки пересечения осей приводов, мм - – длины плеч, мм - – вынос рабочей точки инструмента относительно последнего шарнира, мм - – разрешения энкодеров (количество шагов на оборот привода) - – передаточные числа редукторов (обратные, редуктору 1:5 соответствует ) Соответствие между собственными углами и положениями приводов: Здесь и далее – сдвиги нулей приводов. Определяем изменение угла в радианах, переводим в обороты плеч, затем в обороты приводов, затем в шаги приводов. Шаги приводов переводим в обороты приводов, затем в обороты плеч, затем в радианы и в конце учитываем сдвиги нулей. 39 Прямая кинематика: Изначально ориентированное по плечо поворачивается на угол вокруг положительного направления оси , изначально ориентированное по плечо поворачивается на угол вокруг отрицательного направления оси , добавляется вынос рабочей точки инструмента, сумма поворачивается на угол вокруг отрицательного направления оси , добавляются координаты точки пересечения осей привода. Начало отсчёта и оси системы координат расположены как на рис. N. Прямая задача кинематики всегда имеет единственное решение. Обратная кинематика: Обратная задача кинематики имеет 4 решения, не считая сдвигов на целое число оборотов. В силу угловых ограничений учебного робота реализовано лишь одно: без запрокидывания робота за себя и выворота угла между первым и вторым плечом. Арктангенс во всех трёх формулах понимается в широком смысле, принимающий значения в диапазоне в зависимости от знаков двух аргументов. Подробнее: 1. В первую очередь плечи робота проецируются на горизонтальную плоскость. Это позволяет определить угол как арктангенс, используя полярные координаты с центром в точке пересечения осей приводов, важно лишь учесть поправку на боковой вынос инструмента. 2. - координаты последнего шарнира робота в проекции на вертикальную плоскость, повернутую вместе с роботом на угол 3. В этой плоскости задача нахождения углов вырождается в плоскую обратную задачу кинематики двухосевого робота. есть угол между вертикалью и линией, соединяющей точку пересечения осей приводов с рабочей точкой инструмента, а арксинус есть угол между этой линией и плечом ( используется теорема косинусов, ищется заведомо острый положительный угол). 4. Угол определяется в той же плоскости как угол между осью и вторым плечом. |