Робототехника

3.3. Другие методы перемещения

Беспилотный летательный аппарат RQ-4 Global Hawk.

Два змееподобных робота. Левый оснащен 64-мя приводами, правый десятью.

• Летающие роботы. Большинство современных самолётов являются летающими роботами управляемыми пилотами. Автопилот способен контролировать полёт на всех стадиях — включая взлёт и посадку^[25]. Так же, к летающим роботам относятся беспилотные летательные аппараты (БПЛА). Подобные аппараты имеют меньший вес, за счет отсутствия пилота, и могут выполнять опасные миссии. Некоторые БПЛА способны вести огонь по команде оператора. Так же разрабатываются БПЛА, способные вести огонь автоматически. К БПЛА так же относятся крылатые ракеты. Кроме метода движения, используемого самолётами, летающими роботами используются и другие методы движения, например, подобные тем, что используют пингвины, скаты, медузы — такой способ перемещения используют роботы Air Penguin^[26][27], Air Ray^[28] и Air Jelly^[29] компании Festo (англ.).
• Змееподобные роботы. Существует ряд разработок роботов, перемещающихся подобно змеям. Предполагается, что подобный способ перемещения может придать им возможность перемещаться в узких пространствах; в том числе предполагается использовать подобных роботов для поиска людей под обломками рухнувших зданий^[30]. Так же, разработаны змееподобные роботы, способные перемещаться в воде; примером подобной конструкции может служить японский робот ACM-R5^[31][32].
• Роботы, перемещающиеся по вертикальным поверхностям. При проектировании подобных роботов используются различные подходы. Первый подход — проектирование роботов, перемещающихся подобно человеку, взбирающемуся на стену, покрытую выступами. Примером подобной конструкции может служить разработанный в Стэнфордском университете робот Capuchin^[33]. Другой подход — проектирование роботов, перемещающихся подобно гекконам. Примерами подобных роботов являются Wallbot^[34] и Stickybot^[35].
• Плавающие роботы. Существует много разработок роботов перемещающихся в воде подражая движениям рыб. По некоторым подсчетам эффективность подобного движения может на 80 % превосходить эффективность движения с использованием гребного винта^[36]. Кроме того, подобные конструкции производят меньше шума, а так же отличаются повышенной манёвренностью. Это является причиной высокого интереса исследователей к роботам, движущимся подобно рыбам^[37]. Примерами подобных роботов являются разработанный в Эссекском университете робот Robotic Fish^[38] и робот Tuna разработанный Institute of Field Robotics  (англ.) для исследования и моделирования способа движения, характерного для тунца. Так же, существуют разработки плавающих роботов других конструкций^[39]. Примерами являются роботы компании Festo: Aqua Ray имитирующий движения ската и Aqua Jelly, имитирующий движение медузы.

 

4. Системы управления

По типу управления роботехнические  системы подразделяются на:

4. Биотехнические:
• командные (кнопочное и рычажное управление отдельными звеньями робота);
• копирующие (повтор движения человека, возможна реализация обратной связи, передающей прилагаемое усилие, экзоскелеты);
• полуавтоматические (управление одним командным органом, например, рукояткой всей кинематической схемой робота);
5. Автоматические:
• программные (функционируют по заранее заданной программе, в основном предназначены для решения однообразных задач в неизменных условиях окружения);
• адаптивные (решают типовые задачи, но адаптируются под условия функционирования);
• интеллектуальные (наиболее развитые автоматические системы);
6. Интерактивные:
• автоматизированные (возможно чередование автоматических и биотехнических режимов);
• супервизорные (автоматические системы, в которых человек выполняет только целеуказательные функции);
• диалоговые (робот участвует в диалоге с человеком по выбору стратегии поведения, при этом как правило робот оснащается экспертной системой, способной прогнозировать результаты манипуляций и дающей советы по выбору цели).

В развитии методов управления роботами огромное значение имеет развитие технической  кибернетики и теории автоматического  управления.

5. Образование

Робототехнические комплексы также  популярны в области образования  как современные высокотехнологичные  исследовательские инструменты  в области теории автоматического  управления и мехатроники. Их использование  в различных учебных заведениях среднего и высшего профессионального образования позволяет реализовывать концепцию «обучение на проектах», положенную в основу такой крупной совместной образовательной программы США и Европейского союза, как ILERT. Применение возможностей робототехнических комплексов в инженерном образовании дает возможность одновременной отработки профессиональных навыков сразу по нескольким смежным дисциплинам: механика, теория управления, схемотехника, программирование, теория информации. Востребованность комплексных знаний способствует развитию связей между исследовательскими коллективами. Кроме того студенты уже в процессе профильной подготовки сталкиваются с необходимостью решать реальные практические задачи.

Существующие робототехнические  комплексы для учебных лабораторий:

• Mechatronics Control Kit
• Festo Didactic
• LEGO Mindstorms
• fischertechnik.
• Arduino

 

6. Практическое  применение робототехники

 

Как привлечь внимание ребят к проектированию, как сделать так , что бы дети занимались с удовольствием.  Поэтому для  применения тех знаний, которые они получают, организуют спортивные состязания роботов. Постепенно усложняя задания, ребята совершенствуют свои навыки и учатся новому. Ведь практика – это неотъемлемая часть. На пальцах мало чему можно научить, когда дети не видят результата.

Рассмотрим на простейших примерах применения знаний робототехники. Предлагается разработать алгоритм движения и  построить робота на логике, без  программирования, для соревнований – гонки по линии.

Есть многие, кто говорит что  роботы на простых логических микросхемах это не роботы. Хотя если мы составим алгоритм движения и применим для его реализации протые логические микросхемы – это и будет программа, только жестко выполненная в виде микросхемных сборок. Ведь как говорят - первый ручной компьютер был абак, то есть простые счеты. 

Первый робот который хочу предложить для рассмотрения, называется  Дихотомический робот. Дихотомический робот специально разработан для прохождения трассы. Для определения положения трассы на роботе установлен всего один фототранзистор. Трасса регистрируется путём её пересечения, поэтому робот передвигается по траектории напоминающей зигзаги. Дихотомическим робот называется потому, что работает по простейшему алгоритму обработки сигнала: "1" и "0". С дихотомическим роботом можно проводить соревнования на скорость прохождения выбранной трассы. Алгоритм передвижения позволяет роботу проходить не только трассы, но и простые напечатанные лабиринты. Робот разработан и опробован совместно с сайтом  http://www.servodroid.ru ,  на котором можно найти нашу страничку.

 

 

ХАРАКТЕРИСТИКИ И ФУНКЦИОНАЛЬНОСТЬ. 
 
  

Для определения  позиции линии робот снабжён  одним фотоэлементом. Реакция робота на линию определяется путём её пересечения. Фотодатчик робота может зарегистрировать два положения на линии и вне  её. Робот называется дихотомическим, потому что имеет бинарную реакцию на положение линии относительно фотодатчика. Иначе говоря, он или видит линию или не видит.

В качестве фотоэлемента определяющего  положения линии установлен фототранзистор. Фототранзистор получает информацию о  положении линии по отражённому инфракрасному излучению. Поэтому в конструкции робота предусмотрена регулировка интенсивности излучения подсветки трассы. Эта регулировка позволяет подстроить чувствительность фотоэлемента робота к лини трассы.

 
Установить оптимальную скорость передвижения по линии можно с помощью подстроечного резистора. Скорость передвижения регулируется в широком диапазоне от минимальной (несколько оборотов) до максимальной. Для оптимальной настройки скорости на печатной плате установлен подстроечный резистор. Плавное изменение скорости обеспечивается схемой шим-регулятора, когда на мотор поступают импульсы тока с установленной подстроечным резистором длительностью.

 
Расположенные в передней части  робота индикаторные светодиоды позволяют  визуально контролировать реакцию робота на линию и проводить его настройку.

В качестве источника питания используется алкалиновая батарейка отечественного или импортного производства напряжением 9 вольт. Источник питания размещается  нестандартно и крепиться вверху на моторах. Ток потребления при напряжении источника питания 9 вольт (элемент 6F22) в среднем положении подстроечного резистора R3 составляет около 50мА. При максимальной скорости (крайнее положение R3) ток потребления составляет до 100мА.

 
Основные элементы и их функциональное назначение показано на фото.3. Расшифровка позиций даётся ниже.

 

 

• Подстрочный резистор (12) регулирует яркость свечения инфракрасного светодиода и, следовательно, интенсивность подсветки трассы. Рекомендуется установка минимальной яркости свечения светодиода.
• Подстрочный резистор (13) для установки скорости передвижения робота. Для прохождения лабиринта рекомендуется установка минимальной скорости. Для прохождения трассы рекомендуется установка средней или повышенной скорости. Скорость передвижения робота выбирают исходя из устойчивого прохождения трассы.

 

 

 

 

 

 

 

 

КОМПОНЕНТЫ КОНСТРУКЦИИ РОБОТА 

 

1.Протекторы резиновые для  увеличения сцепления с ведущими  колёсами. 
2.Колесо (ролик диаметром 12мм). 
3.Моторы типа FF-030PK. 
4.Разъёмы подключения моторов. 
5.Крепёжные п-образные скобы из канцелярских скрепок. 
6.Боковые ограничители из канцелярских кнопок. 
7.Клипса-разъём подключения источника питания. 
8.Перемычка. 
9.Выводы инфракрасного светодиода. 
10.Светодиоды красного цвета свечения. 
11.Выводы фототранзистора ФТ2К. 
12.Регулировка яркости подсветки трассы. 
13.Регулировка скорости передвижения по трассе. 
14.Выключатель питания с горизонтальной установкой. 
 
Примечание.1. Два светодиода красного цвета свечения расположенные впереди,  используются для настройки реакции робота на линию.  
Примечание.2. На валы обоих моторов необходимо надеть протекторы для нормального сцепления с ведущими колёсами.  
 
Примечание.3. Толщина стеклотекстолита не должна быть более 1,5мм в противном случае возникнут проблемы передачи усилия с протектора на ведущее колесо.                                                                        Примечание.4. Монтаж ик-светодиода и фототранзистора выполняйте со стороны токоведущих дорожек. 

 

 

ПРИНЦИП РАБОТЫ. 
 
 

 Электрическая схема представлена  на рис.1. Схема выполнена на интегральной микросхеме 74HC14, в состав которой входят шесть элементов-триггеров Шмитта. Микросхема питается от стабилизатора DA1, напряжением 3,3В. Это же напряжение поступает на ик-светодиоды HL1,HL2 служащие для подсветки трассы и объектов.  Фототранзистор VT1 и ик-светодиод HL1 расположены под днищем робота, с их помощью робот определяет положение трассы.  
 
После включения питания выключателем SA1 на микросхему поступит питание 3,3 вольта, а через светодиод HL1 потечёт ток. Светодиод HL1 будет излучать невидимое инфракрасное излучение. Пока светодиод HL1 находится над светлой поверхностью, ик-излучение отразится и попадёт на рабочую поверхность фототранзистора. Ток фототранзистора VT1 увеличиться, что приведёт к смене на выводе 1 элемента DD1.1 низкого логического уровня на высокий. На выводе 2 этого же элемента установится низкий логический уровень, и диод VD3 окажется запертым. Одновременно высокий логический уровень с вывода 4 элемента DD1.2 пройдёт через диод VD2 и переключит триггер DD1.3,DD1.5 в единичное состояние на выходе 10. Через резистор R8 потечёт ток, и светодиод HL4 зажжётся. Одновременно высокий уровень поступит на затвор полевого транзистора VT4 и откроет его. Мотор М2 управляемый полевым транзистором включиться и робот повернёт к чёрной линии с продвижением вперёд.  
 
В момент, когда ик-светодиод HL1 окажется над чёрной линией отражённое от неё ик-излучение перестанет отражаться (будет отражаться не значительный процент). Ток через фототранзистор VT1 уменьшится сопротивление его перехода возрастёт, на выводе 1 элемента DD1.1 высокий потенциал сменится низким. На выходе 2 элемента DD1.1 появится высокий логический уровень, который пройдёт через диод VD3 и переключит триггер DD1.3,DD1.5  в противоположное состояние. Диод VD2 будет заперт низким логическим уровнем с выхода элемента DD1.2. Теперь на выходе 10 триггера окажется низкий логический уровень. Светодиод HL4 погаснет, а транзистор VT4 закроется. На выходе 6 напротив появиться высокий логический уровень. Поэтому зажжётся светодиод HL3 и откроется транзистор VT3. Мотор M1 начинает работать, а робот будет двигаться в сторону от чёрной линии. Светодиод HL1 вновь окажется над светлой поверхностью и весь процесс повториться. 

 

Таким образом, положение линии  определяется путём её пересечения. Во время движения робот постоянно пересекает границу чёрный-белый для определения положения трассы. Установить оптимальную скорость передвижения по линии можно с помощью шим-регулятора. Он выполнен на элементах DD1.4,DD1.6, диодах VD1,VD4 и  резисторе R3. Подстроенным резистором R3 регулируют ширину импульсов на выходе 12 регулятора. ШИМ-сигнал поступает на затвор полевого транзистора VT5. Этот транзистор подключает отрицательный потенциал к истокам транзисторов VT3,VT4. Если ширина импульса на затворе транзистора VT5 увеличится, пропорционально возрастёт время, в течение которого открыты транзисторы VT3,VT4 и наоборот. Робот при этом будет передвигаться быстрее или медленнее в зависимости от положения подстроечного резистора R3.