Турицын Андрей Олегович, ученик 9 класса, Муниципальное общеобразовательное учреждение "Лицей №23", город Подольск, Московская область.
Руководитель: Веремий Ирина Александровна, учитель физики и информатики, Муниципальное общеобразовательное учреждение "Лицей №23", город Подольск, Московская область.
ТЕХНИЧЕСКИЕ ВОЗМОЖНОСТИ РОБОТА-МАНИПУЛЯТОРА, СОБРАННОГО НА БАЗЕ РОБОТОТЕХНИЧЕСКОГО КОНСТРУКТОРА VEX EDUCATIONAL ROBOTICS
Технические возможности робота-манипулятора, собранного на базе робототехнического конструктора VEX EDUCATIONAL ROBOTICS
Введение
Современный мир невозможно представить без роботов. Трудно назвать такую сферу человеческой деятельности, где не были бы задействованы различные автоматизированные устройства, призванные выполнить за человека сложную, опасную и просто рутинную работу. Эти автоматические устройства, созданные для различных целей – образовательных, производственных, развлекательных и др.,- уверенно входят в нашу жизнь. Теперь робот – это не фантастика, не мечта, а реальность. Робот-пылесос помогает с уборкой, летающий робот-беспилотник охраняет границы страны, робот-хирург помогает выполнить точную операцию.
Цель нашего проекта заключается в практическом создании робота-манипулятора, его испытании и исследовании технических возможностей.
Актуальность вопросов, связанных с использованием роботов вызвана тем, что для лучшего понимания перспектив развития робототехники и применения роботов в будущем, современным людям уже сегодня нужно активно осваивать такое понятие как робот, знать, как и из чего роботы собираются, каких типов бывают и для чего используются, как и с помощью чего управляются.
Задачи:
1. изучить научно-популярную литературу по использованию роботов-манипуляторов для определения современного уровня развития и практического применения роботов данного типа;
2. изучить инструкции фирмы-разработчика и выполнить сборку робота-манипулятора, на базе робототехнического конструктора VEX EDUCATIONAL ROBOTICS;
3. настроить управляющую программу на микроконтроллер робота;
4. провести испытания и исследовать технические возможности робота-манипулятора.
Гипотеза: Можно создать робототехническое устройство на базе VEX EDUCATIONAL ROBOTICS, выполняющее действия, которые может выполнять человек.
Методы исследования:
- изучение литературных источников и электронных ресурсов;
- практическая деятельность: конструирование и испытание робототехнического устройства.
Объект исследования: робот-манипулятор, собранный на базе робототехнического конструктора VEX EDUCATIONAL ROBOTICS.
Предмет исследования: сборка, испытание и исследование технических возможностей робота-манипулятора.
Глава 1. Роботы-манипуляторы: устройство, назначение и практическое использование
Роботы – автоматические системы, предназначенные для воспроизведения интеллектуальных и двигательных функций человека и/или других живых существ. От традиционных автоматов отличаются большей универсальностью и способностью к адаптации на выполнение различных задач, в том числе в изменяющейся обстановке.
Робототехника - прикладная наука, занимающаяся разработкой автоматизированных технических систем и являющаяся важнейшей технической основой интенсификации производства.
В настоящее время робототехника превратилась в развитую область промышленности: тысячи промышленных роботов работают на различных предприятиях мира, подводные манипуляторы стали непременной принадлежностью подводных исследовательских и спасательных аппаратов, изучение космоса опирается на широкое использование роботов с различным уровнем интеллекта.
С развитием робототехники определились три разновидности роботов:
- с жёсткой программой действий;
- манипуляторы, управляемые человеком-оператором;
- с искусственным интеллектом, действующие целенаправленно без вмешательства человека. [1]
Большинство современных роботов - это роботы-манипуляторы. Они представляют собой аппараты, которые способны эффективно сотрудничать с другим дополнительным оборудованием увеличивая его КПД в несколько раз.
Устройство робота-манипулятора
Современные манипуляторные машины имеют в своей конструкции несколько подвижных осей, благодаря чему звенья манипулятора подвижны друг относительно друга и могут совершать вращательные и поступательные движения. Последним звеном манипулятора может быть захват-клешня или какой-нибудь рабочий инструмент, например, дрель, гаечный ключ, краскораспылитель или сварочная горелка. Перемещение звеньев манипулятора обеспечивают так называемые приводы - аналоги мускулов в руке человека. Обычно в качестве таковых используются электродвигатели. Кроме электрического часто применяются гидравлический или пневматический приводы.[3]
Управление роботом-манипулятором, то есть механической рукой, выполняется оператором. Осуществляется это с помощью автономного пульта со специальным программным обеспечением. Оператор имеет возможность наблюдать за процессом работы робота как собственными глазами, так и на специальном мониторе, через транслирующую камеру, если робот снабжен передающей видеокамерой.
Работа робота-манипулятора напоминает движение человеческой руки, однако, такая техника имеет множество преимуществ по сравнению с человеком.
В первую очередь, при работе в автоматическом режиме робот способен обеспечить безупречную точность и высокую скорость выполнения большого числа однообразных манипуляций. Так, промышленный робот может передвигать детали массой до нескольких десятков килограмм в радиусе действия его "механических рук" (до 2 м), выполняя от 200 до 1000 перемещений в час.
Во-вторых, благодаря широким возможностям, данные роботы стали незаменимы при работе в тяжёлых условиях, например в атомной промышленности, где они применяются с 50-х годов. Для подводных работ используются роботы-манипуляторы самых разнообразных конструкций и назначений: от глубоководных управляемых аппаратов с "механическими руками" (в частности, для захвата образцов породы со дна моря) и ползающих по морскому дну платформ с исследовательской аппаратурой до подводных бульдозеров и буровых установок. Подобные манипуляторы применяются и в космонавтике, например роботы-планетоходы, исследующие Луну и Марс. [2]
В наши дни роботы-манипуляторы в основном востребованы в промышленности, где без механических рук не обходится производство автомобилей и другой техники.
Таким образом, основное предназначение робота-манипулятора сводится к замене человека при выполнении широкого круга производственных операций.
Глава 2. Принципы построения роботов на базе конструктора Vex EDUCATIONAL ROBOTICS
Система проектирования VEX Robotics разработана компанией американской компанией Innovation First Inc. (Приложение 1. Робототехнический конструктор Vex EDUCATIONAL ROBOTICS)
Инновационный подход VEX, предусматривающий применение стандартных заготовок и металлических конструкций в сочетании с мощным программируемым микропроцессором, позволяет реализовать множество проектных решений.
Основу любого робота составляют четыре базовых компонента: тело/рама, система управления, манипуляторы и ходовая часть.
Рассмотрим, как реализованы данные компоненты в системе проектирования VEX. Разработчики VEX разделили основную систему на несколько подсистем.
1. Подсистема конструкции: все металлические, крепежные и конструктивные/механические пластиковые части.
Части подсистемы конструкции формируют базу робота, являются его «скелетом», к которому присоединяются все остальные части. Подсистема включает все основные конструктивные, металлические элементы и крепежные детали. Эти элементы, соединяясь вместе, образуют раму робота. Подсистемы конструкции и движения очень тесно взаимосвязаны, они формируют шасси робота. Одним из ключевых свойств большинства конструктивных элементов VEX является их гибкость, а также возможность обрезки до нужной длины. Пользователи могут легко модифицировать эти части в соответствии с потребностями проекта.
2. Подсистема движения: электромоторы, датчики, передачи, звездочки и цепи, танковые гусеницы и сопряженные элементы.
Данная подсистема включает все компоненты, обеспечивающие перемещение робота. Эти компоненты имеют исключительное значение в рамках конструкции робота. В системе проектирования VEX, компоненты движения легко интегрируются между собой. Это позволяет легко создавать сложные системы с помощью базовых конструкционных блоков. Базовой концепцией подсистемы движения является использование квадратных осей. Большая часть элементов движения VEX имеют втулку с квадратной вставкой, за счет чего обеспечивается их надежная установка на квадратной оси VEX. С помощью системы «квадратное отверстие/квадратная ось» осуществляется передача крутящего момента без необходимости применения громоздких воротников или зажимов для удерживания круглого вала. Ключевым элементом системы движения является исполнительный механизм (привод - элемент, побуждающий механическую систему к движению). В системе проектирования VEX, существует несколько вариантов приводов. Наиболее распространенными типами являются электромотор непрерывного вращения VEX и серво VEX. Электромоторы способны непрерывно вращаться, а диапазон вращения серво ограничен 150 градусами.
3. Подсистема мощности: батареи, зарядные устройства и сопряженные элементы.
Мощность - необходимое условие работы все электронных частей робота, в том числе контроллеров и электромоторов. Если подсистема конструкции - это скелет робота, а подсистема движения - его мускулы, то подсистема мощности является циклической системой обеспечения робота энергией. Для электропитания робота предусмотрен комплект батарей на 7,2 В. Джойстик VEXnet работает на шести батареях типа ААА.
4. Подсистема датчиков: бамперный и ограничительный переключатель, ультразвуковые, линейные датчики, датчики положения вала, потенциометры.
Подсистема датчиков позволяет роботу идентифицировать различные объекты и явления внешней среды. Датчики - это «глаза» и «уши» робота, обеспечивающие его автономную работу, не требующую вмешательства со стороны человека. Робот улавливает изменения внешней среды и изменяет собственное поведение на основании полученных данных. Датчик отправляет роботу отклик на простые события внешней среды, интерпретация которых производится программой робота, после чего программа определяет вариант реакции. В системе проектирования VEX существует множество датчиков. Это и ультразвуковые дальномеры, гироскопические датчики, световые и оптические датчики и многие другие.
5. Подсистему логики: микроконтроллер, ШИМ-кабели, наборы для программирования.
Главным элементом подсистемы логики является микроконтроллер VEX. Микроконтроллер - это центральный компонент элемент всей системы VEX, так как с его помощью производится координирование работы подсистем и управление всеми компонентами. Подсистема логики - это мозг робота. Микроконтроллер VEX Cortex выпускается с исходным программным обеспечением, благодаря чему пользователи могут использовать его сразу после приобретения. Возможно выполнение быстрой настройки исходного кода с помощью перемычек контактов. Для расширения возможностей управления может использоваться пользовательский программный код.
6. Подсистему управления: джойстик, передатчик, ресивер, кристаллы, распределитель сигналов, тетеринговые кабели.
Подсистема управления позволяет вручную управлять действиями робота. Отправка команд осуществляется с помощью ручек управления и кнопок джойстика VEXnet по беспроводному соединению. Таким образом, управление роботом может осуществляться как ручным, так и автономным методами. Джойстик VEXnet позволяет оператору управлять действиями робота в режиме реального времени через инновационное беспроводное соединение VEXnet. Джойстик снабжен двумя аналоговыми ручками, работающими в двух направлениях, четырьмя пусковыми кнопками и двумя навигационными панелями с четырьмя кнопками. [4]
Глава 3. Исследование технических возможностей робота-манипулятора, собранного на базе робототехнического конструктора VEX EDUCATIONAL ROBOTICS
В результате работы над проектом, руководствуясь пошаговыми инструкциями к конструктору, нами была произведена механическая сборка робота–манипулятора, снабженного клешней. В качестве модели мы выбрали робота базовой модели CLAWBOT. (Приложение 2. Робот-манипулятор VEX модельи CLAWBOT – результат сборки)
Следующим этапом работы было испытание и исследование технических возможностей собранного робота.
Результаты испытания технической готовности
Робот, управляемый оператором с пульта дистанционного управления (джойстика) выполнял следующие команды:
- движение с регулируемой скоростью вперед;
- движение с регулируемой скоростью назад;
- поворот в движении направо;
- поворот в движении налево;
- повороты направо, налево и полный разворот на месте;
- регулируемый подъем/опускание «механической руки»;
- смыкание/размыкание клешни манипулятора.
Все поставленные задачи робот выполнил требуемыми способами, действовал без задержек, легко управлялся с пульта оператором.
На следующем этапе, используя ресурсы школьного кабинета физики, мы приступили к изучению технических характеристик робота. (Приложение 3. Испытание и исследование технических возможностей робота).
Нами были получены следующие результаты:
1. зона действия пульта дистанционного управления - ≈ 20 м.
2. сила сдавливания клешни манипулятора – ≈ 25 Н;
3. сила тяги, развиваемая электромотором – ≈14 Н;
4. максимальный вес, удерживаемый поднятой клешней - ≈1кг;
5. максимальный угол подъема при движении вверх по наклонной поверхности - ≈200;
6. максимальная скорость при движении вперед - ≈1,32 м/с;
7. максимальная скорость при движении назад (задний ход)- ≈ 1,39 м/с.
Робот также был испытан на предмет своего прямого назначения – выполнение различных технических задач, поставленных оператором. (Приложение 4. Выполнение роботом различных технических задач) А именно:
1. робот успешно прошел полосу препятствий из игровых кубиков, установленных на расстоянии 1 м друг от друга;
2. робот успешно произвел захват цели в виде пластиковой бутылки, переместил ее на несколько метров и опустил в урну;
3. робот, с зажатым в клешне маркером, «рисовал» вертикальные полосы на доске, прикрепленной к стене;
4. робот, собрал вертикальную пирамидку из трех разбросанных игровых кубиков.
Также данный робот в январе 2017г. принял участие в IV региональном Фестивале точных наук «Особые точки» в г. Серпухове Московской области. где его возможности были продемонстрированы в «Мастер-классе» и «Турнире роботов». Авторы робота стали призерами данного фестиваля. (Приложение 5. Участие в соревновании роботов на Фестивале «Особые точки» г. Серпухов).
Заключение
Исходя из приведенных данных, можно уверенно сказать о большой важности робототехники для всех сфер жизнедеятельности человека. Достижения в этой области не перестают поражать воображения обычных обывателей. Современные роботы используются во всех отраслях – на производстве, в освоении космоса, здравоохранении, общественной безопасности, развлекательных целях, обороне и многом другом. Роботы расширяют наше понимание во многих областях науки, увеличивают наши возможности, позволяют узнавать новое там, где возможности человека ограничены.
Особое место в семействе современных роботов занимают, так называемые роботы-манипуляторы, активно используемые на производстве. Робот-манипулятор – это технически сложный элемент, состоящий из нескольких звеньев, соединенных сервоприводами и оснащенный различными датчиками. Манипулятор предназначен для перемещения объектов в рабочей зоне, доступной «механической руке».
Роботов-манипуляторов отличают высокая производительность труда, они не требуют времени на отдых, никогда не ошибаются, им не страшны тяжелые и опасные условия труда. Они позволяют существенно снижать риск производственного травматизма.
Изучив литературные источники по робототехнике, мы узнали, что основу любого робота составляют четыре базовых компонента: тело/рама, система управления, манипуляторы и ходовая часть. Разработчики робототехнического оборудования используют различные технические решения для реализации роботов того или иного назначения.
В ходе данного исследования мы подтвердили свою гипотезу о том, что робот-манипулятор может заменить человека при выполнении некоторых действий: захватывать, удерживать, поднимать, опускать и перемещать предметы.
Робототехника сегодня является новой перспективной областью техники. Её успешное освоение становится важным фактором развития современного общества. С момента своего появления роботы прошли путь от примитивных механизмов до сложных, эффективных устройств, во многом превосходящих по своим возможностям человека. Роботы уверенно вошли в нашу жизнь и стали её реальностью. Новый виток технического прогресса требует образованности всех членов современного общества в областях новых высоких технологий, к которым относятся и технологии создания робототехнических устройств и управления ими.
Список литературы и электронных источников
1. Портал «Био-ника» [Электронный ресурс] : база данных. - Режим доступа: http://bio-nica.narod.ru/page6.html
2. Центральный металлический портал РФ [Электронный ресурс] : Роботы манипуляторы - универсальное устройство 21 века - Режим доступа: http://metallicheckiy-portal.ru/articles/oborydovanie/roboti/roboty-manipulyatory---universalnoe-ustroystvo-21-veka
3. Образовательный портал IQ coaching [Электронный ресурс] : Промышленный робот - Режим доступа: http://www.iq-coaching.ru/razvitie-mashinostroeniya/mashiny-i-mehanizmy/59.html
4. ООО "Экзамен-Технолаб" - авторизованный дистрибьютор продукции Vex на территории Российской Федерации, Республики Беларусь и Казахстана [Электронный ресурс] : Система проектирования VEX Robotics- Режим доступа: http://vex.examen-technolab.ru/lessons/unit_2_introduction_to_robotics/45/
5. Портал «Занимательная робототехника» [Электронный ресурс] : - Режим доступа: http://edurobots.ru/
6. Портал «Техническая планета» [Электронный ресурс] Робототехника : - Режим доступа: http://tehplaneta.ru/category/robototekhnika
7.База знаний "ALLBEST" [Электронный ресурс] Механические руки : - Режим доступа: http://knowledge.allbest.ru/programming/3c0a65635b3ac78a4d43b89421216d37_0.html
ПРИЛОЖЕНИЕ
