Кафедра ТМ и М КУРСОВОЙ ПРОЕКТ по дисциплине

Кафедра ТМ и М КУРСОВОЙ ПРОЕКТ по дисциплине: «Проектирование бытовых мехатроных систем» Проектирование шагающего робота Выполнил ст. гр. МТ-91 Гаина К В. Курск 2013

Введение С развитием научно-технического прогресса, внедрением новых технологий в различных областях производства, в том числе вредного и опасного, возникает необходимость в мобильных устройствах специального назначения, способных работать, например, в зоне высокой радиоактивности (при обслуживании ядерных реакторов), при тушении лесных пожаров или в зонах стихийных бедствий, мониторинга окружающей среды.

Анализ техники ходьбы по количестве точек опоры шагающих роботов Рассмотрим применение шагающего робота с двумя конечностями. Две основные проблемы. 1) необходимо добиться, чтобы во время движения аппарат мог какое-то время устойчиво находиться в положении, когда его опорой является только одна конечность. При этом опора должна иметь достаточную прочность, чтобы выдержать всю массу агрегата, а приводы - достаточную мощность, чтобы обеспечивать поступательное движение. 2) Сложные алгоритмы движения, имитирующие движения человеческого тела даже при обыкновенной ходьбе. Взаимосвязь между движениями отдельных частей двуногого робота, обеспечивающая ему устойчивое движение не только по прямой линии, но и в пространстве

Рассмотрим применение шагающего робота с четырьмя конечностями. Обратив свое внимание на четвероногих животных, можно заметить, что при движении они сохраняют равновесие почти исключительно за счет динамической устойчивости. Условием устойчивого равновесия является требование, чтобы при движении центр тяжести такого робота в любой момент находился в пределах воображаемого треугольника, углами которого являются опорные в настоящий момент конечности. Исходя из этого, был разработан алгоритм движения которого был определен таким образом, чтобы при его движении в любой момент времени в воздухе находилась только одна нога, а корпус имел опору одновременно на три точки и сохранял при этом статическую устойчивость.

Рассмотрим применение шагающего робота с шестью конечностями. Моделью с шестью ногами мы сможем продемонстрировать знаменитую походку «треножником» , т е. с опорой на три ноги, которую используют большинство существ. Рис. 1 Исходное положение Рис. 3 Перенос Цента тяжести Рис. 3. Первый шаг Рис. 4 Перенос Цента тяжести и второй шаг

Анализ существующих конструкций Создатели робота из Васедовского университета (Waseda University) в Токио и японская робототехническая компания Tmsuk. WL-16, использует 12 приводов; при этом он способен нести взрослого человека весом до 60 килограммов. На сегодняшний день, одним из самых известных творений компании Boston Dynamics, является робот Big. Dog. Этот четвероногий робот предназначен для передвижения по пересеченной местности Разработанный в агентстве DARPA в сотрудничестве с Boston Dynamycs, Он может развивать скорость до 2 метров в секунду, ориентироваться на любой местности, преодолевать практически любые ямы, бугры и болота, способен передвигаться на расстояние до 3, 7 км без подзарядки.

Обзор существующих шагающих роботов. Шагающий робот, переносящий людей. Создатели робота из Васедовского университета (Waseda University) в Токио и японская робототехническая компания Tmsuk Бегающий робот агентство по перспективным оборонным научно-исследовательским разработкам США в сотрудничестве с Boston Dynamycs. Шагающий робот размером с собаку, является детищем Франка Кирхнера, специалиста по робототехнике из Бременского университета в Германии.

Схема предлагаемой конструкции На основе проведённого анализа существующих конструкций была выбрана четырёхногая компоновка робота. Робот состоит из корпуса 5, на котором закреплена плата управления 4 и приводы 3, на выходном волу привода расположена втулка 1, на которой закреплена лапа 2. Питания робота осуществляется с помощью аккумулятора 6, длины L 1 и L 2 выбраны разные для того что бы лапы робота могли бы двигаться асинхронно не мешая другу.

Выбор профиля ноги робота. . На основе проведённого анализа существующих конструкций была выбрана форма ног выполненные в виде С-образных колёс, и закреплены со смещением оси вращения - это позволяет увеличить проходимость робота по сравнения с круглым профилем ног, и уменьшить момент сопротивления по сравнению с вытянутым профилем ног.

Схема движения робота Начальное положение Поворот лап на 180 Поворот лап на 90 Поворот лап на 270

Создатели робота из Васедовского университета (Waseda University) в Токио и японская робототехническая компания Tmsuk. WL-16, использует 12 приводов; при этом он способен нести взрослого человека весом до 60 килограммов. На сегодняшний день, одним из самых известных творений компании Boston Dynamics, является робот Big. Dog. Этот четвероногий робот предназначен для передвижения по пересеченной местности Разработанный в агентстве DARPA в сотрудничестве с Boston Dynamycs, Он может развивать скорость до 2 метров в секунду, ориентироваться на любой местности, преодолевать практически любые ямы, бугры и болота, способен передвигаться на расстояние до 3, 7 км без подзарядки.

Выбор мотор-редуктора Для выбора электродвигателя нужно найти необходимую мощность на выходном валу Расчётная схема

На основе полученных данных выберем двигатель, мощность которого больше или равна рассчитанной. Фирмы POLOLU микромотор с пластиковым редуктором 120: 1. Редуктор оснащен муфтой скольжения, предохраняющей шестерни мотора от поломки при большой нагрузке. Название 120: 1 Plastic Gearmotor 90 -Degree. Технические характеристики: 1. Передаточное число: 120: 1 2. Длина вала: 5 мм 3. Диаметр вала: 6 мм 4. Номинальное напряжение: 6 В 5. Рабочее напряжение: 3 -12 В 6. Макс. ток: 1. 2 А 7. Размеры: 64. 4 × 22. 3 × 21 мм 8. Вес: 33 г 9. Ток ХХ при 6 В: 0. 45 А 10. Обороты ХХ, 6 В 100 об/мин 11. Момент: 0. 33 Н∙м 12. Мощность 4 Вт

Тепловой расчет электродвигателя ) S 8 – режим работы при периодическом изменении частоты вращения и нагрузки. Соответствующие данному режиму работы диаграммы для двух различных периодов частоты вращения (10. 46 и 6. 28 ) Найдём эквивалентный момент: 0. 07 Н∙м График зависимости момента от времени. 0. 33 Н∙м. График зависимости угловой скорости от времени. В нашем случае это равенство выполняется, следовательно, двигатель подобран правильно.

Система автоматического управления Функциональная схема устройства Pitanie – аккумулятор; М 1, М 2, М 3, М 4 – приводы постоянного тока; D 1, D 2, D 3, D 4 – инкрементальные энкодеры; Freeduino – плата управления; Motor drive – силовой модуль; Radio – радио модуль; Функциональной схемы в виде блок-схемы - - – обозначение механического соединения.

Структурная схема САУ Определение передаточных функций Wос (p) = 1. Wредуктора (p) = 1/120.

Моделирование системы автоматического управления средствами MATLAB Модель системы автоматического управления в среде Simulink Значения коэффициентов ПИД регулятора, полученных оптимизацией в блоке NCD Out. Port: Kp =64. 48 Ki = 0, 025 Kd = 1, 12 Получены следующие характеристики: Время переходного процесса – 0. 207 с. Количество колебаний – 0. Коэффициент перерегулирования – 0. Статическая ошибка – 0. 004. Реакция системы на единичное ступенчатое воздействие

Определение передаточных функций разомкнутой и замкнутой системы Wраз = Wдвигателя (p) ∙ Wредуктора (p) ∙ WПИД-регулятора (p) Передаточная функция разомкнутой системы Передаточная функция замкнутой системы Характеристическое уравнение замкнутой системы имеет вид:

Z-преобразование передаточной функции выполняется в пакете Vis. Sim.

Сравнение передаточных функций замкнутой системы по S - и Z-преобразованиям две передаточные функции замкнутой системы имеют незначительное расхождение.

Выбор электронных компонентов Рассматривая функциональную схему устройства (рис. 28), можно сделать вывод о количестве необходимых компонентов для реализации цифровой САУ. Представим список необходимых компонентов: 1) Плата Freeduino; 2) Силовой модуль; 3) Инкрементальные энкодеры; (4 шт). 4) Радио модуль.

Freeduino Through-Hole Технические характеристики Микроконтроллер: ATmega 168 Цифровые порты ввода/вывода: 14 портов (из них 6 с ШИМ-сигналом) Аналоговые порты ввода: 6 портов ППЗУ 16 K из них 2 К используются загрузчиком ОЗУ (SRAM): 1 Кбайт ПЗУ (EEPROM): 512 байт Тактовая частота: 16 МГц Интерфейс с ПК: USB Питание от USB, либо от внешнего источника, выбор с помощью перемычки

Силовой модуль Будем использовать Motor drive – силовой модуль управления двигателями. Технические характеристики ∙ напряжение питания на приводы: +4. 5. . . + 12 В; ∙ напряжение сигналов управления: 5 В; ∙ рабочее напряжение: 4. 5 -12 В; ∙ количество силовых каналов: 4; ∙ выходной ток: до 4 А; ∙ возможность реверса каждого двигателя; ∙ возможность независимого управления каждым каналом;

Датчик угла поворота В качестве датчика угла поворота будем использовать инкрементальные энкодеры фирмы Autonics Серии E 20 S модель со сплошным валом. Основные характеристики: 1. Модели диаметром 20 мм со сплошным или полым валом; 2. Диаметр 20 мм; 3. Вес приблиз. 35 г; 4. Разрешение (имп/об) : 100, 200, 320, 360 5. Макс. допустимая частота вращения: 1000 об/мин 6. Напряжение питания : 5 В ± 5% ,

Модуль беспроводной передачи данных В качестве данного модуля выберем RCAT 433 MHZ: Технические данные: Рабочее напряжение (макс. ): 4. 5÷ 6. 5 В Ток потребления (макс): 40 м. А Скорость передачи по радиоканалу: 9600 бит/с Радиус передачи данных 300 м.

Принципиальная схема системы. Список компонентов: М 1, М 2, М 3, М 4 – приводы постоянного тока; Pitanie – аккумулятор; Rad – радио модуль; Int – инкрементальные энкодеры.

Заключение. В данном курсовом проекте был проведён анализ шагающего вида движения, анализ техники ходьбы по количеству точек опоры шагающих роботов. Был проведён обзор существующих конструкций. На основе сделанного обзора и анализа была предложена конструкция шагающего робота с четырьмя ногами. Выбрана форма ног выполненные в виде С-образных колёс, и закреплены со смещением оси вращения - это позволяет увеличить проходимость робота по сравнения с круглым профилем ног, и уменьшить момент сопротивления по сравнению с вытянутым профилем ног. Габариты робота были выбраны так, что бы он был минимальных размеров, но достаточно вместимый для нужного оборудования и имел минимальный радиус разворота. Построена трёхмерная модель робота и его основных модулей. Выполнен сборочный чертёж. Произведён расчёт основных узлов робота. Спроектирована система автоматического управления. Произведено моделирование и исследование характеристик непрерывной и дискретной передаточных функций, для практической реализации данной системы цифрового управления были выбраны необходимые компоненты, разработана принципиальная схема. Предложен пример программы ШИМ-управления четырьмя двигателями постоянного тока.

Спасибо за внимание!!!