СОЗДАНИЕ ДЕЙСТВУЮЩЕЙ МОДЕЛИ РОБОТА-МАНИПУЛЯТОРА НА ОСНОВЕ АППАРАТНО-ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ПЛАТФОРМЫ ARDUINO И ОТРАБОТКА АЛГОРИТМОВ УПРАВЛЕНИЯ. Автор работы: Островский Андрей Русланович МБОУ СОШ № 27 г. Балашиха 11 «А» класс Научный руководитель: Сибагатулина Галина Надировна
Цели работы • Создание модели робота • Написание программного обеспечения, отвечающего за выполнение поставленных задач • Обеспечение связи между PC и манипулятором • Предложение возможных вариантов применения полученной конструкции
Существующие модели роботов Декартовы роботы (Cartesian coordinate robot) • три линейные оси перемещения, ориентированные перпендикулярно другу; • простейшая конструкция; • требует наименее сложных алгоритмов управления.
Существующие модели роботов Шарнирные роботы (Articulated robot) • "цепочка" вращающихся соединений; • позволяет обходить препятствия и занимать любое положение и направление внутри зоны обслуживания.
Существующие модели роботов Платформа Гью-Стюарта (HEXAPOD) • октаэдральная компоновка стоек • шесть независимых ног на шарнирных соединениях. • изменение длины ног позволяет менять ориентацию платформы, обеспечивая шесть степеней ее подвижности.
Существующие модели роботов Дельта-роботы (Delta-robot) • типичная параллельная конструкция • обычно имеет три «руки» , соединенные с базой с помощью шарнирных соединений • оперирование легкими объектами, но с большой скоростью
Функциональная схема робота - манипулятора
Основные механические компоненты • основание и верхняя панель устройства; • стержневые направляющие (стальной хромированный пруток d=8 mm) - часть несущей конструкции; • элементы конструкции (опоры, тяги, каретки приводов, центральная платформа, элементы шарнирного крепления) из прочного пластика, изготовленные способом 3 D-печати; • зубчатые ремни T 5; • приводные зубчатые шкивы ременной передачи; • линейные (осевые) и радиальные шарикоподшипники.
Основные электрические компоненты • контроллер Arduino Mega на базе ATmega 2560; • плата расширения RAMPS; • драйверы шаговых моторов POLOLU A 4988 – 3 шт. ; • биполярные шаговые двигатели 1, 8 o Stepper motor LDO 3 шт. ; • блок питания; • механические концевые выключатели – 3 шт. ; • имитатор исполнительного механизма (светодиод)
Принцип действия Перемещение кареток осуществляется при помощи ременных передач, приводимых в движение шаговыми двигателями. Управление шаговыми двигателями выполняется посредством программного обеспечения, загруженного в память микрокомпьютера. Траектория перемещения исполнительного механизма определяется либо библиотекой микропрограмм, либо получением внешних данных c PC через USBинтерфейс. Кинематическая схема робота
Математическое описание кинематики Исходные параметры: x. A, y. A, z. A, α, JK, CF, BC, AB Задача: (x. F, y. F, z. F) - ? Расчет: x. F = JK * sin (α) y. F = JK * cos (α) z. F = z. A + AB +
Почему Arduino? Arduino является платформой создания электронных устройств с возможностью получения и обработки сигналов, а также управления различными исполнительными устройствами. Преимущества Arduino: • простота освоения принципов создания проектов; • сравнительно невысокая стоимость компонентов; • широкий перечень доступных плат расширения, датчиков и исполнительных устройств; • простая и понятная среда программирования; • кросс-платформенность (ОС Windows, Mac, Linux). Arduino Mega 2560
Программное обеспечение информационно-управляющей системы робота-манипулятора состоит из следующих компонентов: • бортовое программное обеспечение, загруженное в контроллер Arduino Mega; • терминальная часть на PC, в качестве которой применяется стандартная утилита монитора последовательного порта среды разработки Arduino IDE (Serial Port Monitor) Окно утилиты монитора порта Основное меню пользовательского интерфейса
Бортовое программное обеспечение робота - манипулятора • расчет высоты рабочих органов линейных приводов, соответствующих заданному положению объекта управления; • расчет необходимого количества шагов для каждого двигателя с учетом направления и величины приращение высоты рабочего органа линейного привода; • подачу управляющих сигналов на контакты драйверов шаговых двигателей; • включение/выключение исполнительного механизма; • связь и обмен данными с терминалом на PC; • пользовательский интерфейс в виде консольного приложения; • библиотеку стандартных заданий с различными сценариями «обработки» заготовки.
Программное управление двигателями Стандартные функции Arduino для управления внешними устройствами: pin. Mode(pin, mode) Установка режима работы вывода контроллера pin – номер вывода, mode – INPUT (вход) или OUTPUT (выход) digital. Write(pin, value) Подача сигнала на цифровой ВЫХОД value – HIGH (напряжение 5 В) или LOW (напряжение 0 В) digital. Read (pin) Чтение цифрового ВХОДА (возвращает HIGH или LOW) Класс Drive, определенный для расчета параметров и управления двигателем конкретного привода устройства Основные параметры step. Pin (шаг), dir. Pin (направление), enable. Pin (доступен) – контакты, подключенные к входам драйвера мотора end. Stop. Pin – контакт подключения концевого выключателя axis. Angle. Radian – угол расположения привода в сист. коорд. Управление мотором функция Drive: : Make. Steps(float Steps), включающая: // Установка направления поворота digital. Write(dir. Pin, move. Up. Flag); // Задание на исполнение одного шага в основном цикле digital. Write(step. Pin, HIGH); delay. Microseconds(STEPPER_STEP_DELAY); digital. Write(step. Pin, LOW); delay. Microseconds(STEPPER_STEP_DELAY);
Заключения и выводы Были получены навыки по интеграции механических, электронных и программных компонентов в едином устройстве, приобретен опыт создания прикладного программного обеспечения с использованием объектно-ориентированного языка программирования C++. На основании опыта реализации проекта можно рекомендовать применение концепции «обучение на проектах» как современный актуальный подход наработки у учащихся профессиональных навыков по смежным дисциплинам: механика, теория управления, схемотехника, программирование, теория информации.
Спасибо за внимание!
Скачать презентацию СОЗДАНИЕ ДЕЙСТВУЮЩЕЙ МОДЕЛИ РОБОТА-МАНИПУЛЯТОРА НА ОСНОВЕ АППАРАТНО-ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ПЛАТФОРМЫ
ОСТРОВСКИЙ АР Презентация.ppt