Мобильный интернет-манипулятор «Малыш»
Введение
В этом году я решила продолжить свое исследование по изучению интернет - манипуляторов.
На начальном этапе своей работы я создала простые роботы манипуляторы. Они оказались очень интересны и полезны в изучении применения домашних роботов.
У меня возник большой интерес к дальнейшему изучению практического использования роботов в нашей жизни. Родилась новая идея - изобрести мобильный интернет - манипулятор собственной конструкции, который, который будет управляться по телефону и выполнять функции домашнего робота.
Возможно, созданное мною устройство, займет достойное место среди других домашних роботов. Мне очень хочется, чтобы он прошел техническое испытание и приносил настоящую пользу людям.
Цель работы: создание домашнего робота, управляемого по интернету с ноутбука или мобильного телефона.
Задачи:
1. Ознакомиться с работой интернет - манипулятора.
2. Ознакомиться с существующими моделями интернет - манипуляторов.
3. Спроектировать и создать прототип домашнего робота, управляемого по интернету.
4. Выполняя технические испытания домашнего робота, определить его преимущества и недостатки.
Объект исследования: робототехника.
Предмет исследования: интернет - манипулятор.
Результат исследования: домашний робот.
Методы исследования.
Методы эмпирического уровня: наблюдение.
Методы экспериментально-теоретического уровня: моделирование, эксперимент, идеализация, анализ и синтез.
Основная часть
интернет манипулятор робот
Теоретические сведения
Роботы являются наиболее сложными, универсальными и перспективными машинами нашего времени. Начавшиеся в конце 50-х годов ХХ века исследования в области их разработки и использования привели к созданию большого числа разнообразных конструкций, пользующихся широким спросом в различных сферах человеческой деятельности. Робототехнические системы широко используются в машиностроении для автоматизации механической обработки деталей, кузнечно-прессованного, литейного и сварочного производств, загрузочно-разгрузочных и транспортных операций, а также для выполнения сложных технологических операций: сборки, зачистки, нанесения покрытий. Но сфера применения робототехники значительно шире заводских цехов и проникает в не машиностроительные отрасли промышленности, в том числе в отрасли с экстремальными условиями работы, когда человек подвергается вредным для здоровья воздействиям, существует опасность взрыва или появления сильной радиации, загазованности и т.п. Сюда относятся работы на рудниках, в горячих заводских цехах, под водой, с радиоактивными веществами и взрывоопасными предметами. Роботами являются и космические аппараты. Академик В. М. Глушков еще в 70-х годах ХХ века предрекал: «На базе новейших кибернетических устройств и систем быстрыми темпами развивается автоматизация различных видов деятельности человека. Автоматизация эта захватывает все новые и новые области, возможности ее безграничны».
Робототехника -- прикладная наука, занимающаяся разработкой автоматизированных технических систем и являющаяся важнейшей технической основой интенсификации производства.
Робототехника опирается на такие дисциплины, как электроника, механика, телемеханика, информатика, а также радиотехника и электротехника. Выделяют строительную, промышленную, бытовую, авиационную и экстремальную (военную, космическую, подводную) робототехнику.
Важнейшие классы роботов широкого назначения -манипуляционные и мобильные роботы. Манипуляционный робот - автоматическая машина (стационарная или передвижная), состоящая из исполнительного устройства в виде манипулятора, имеющего несколько степеней подвижности, и устройства программного управления, которая служит для выполнения в производственном процессе двигательных и управляющих функций. Такие роботы производятся в напольном, подвесном и портальном исполнениях. Получили наибольшее распространение в машиностроительных и приборостроительных отраслях. Мобильный робот -- автоматическая машина, в которой имеется движущееся шасси с автоматически управляемыми приводами. Такие роботы могут быть колёсными, шагающими и гусеничными, существуют также ползающие, плавающие и летающие мобильные робототехнические системы.
Компоненты роботов:
Приводы - это «мышцы» роботов. В настоящее время самыми популярными двигателями в приводах являются электрические, но применяются и другие, использующие химические вещества или сжатый воздух.
Шаговые двигатели - как можно предположить из названия, шаговые электродвигатели не вращаются свободно, подобно двигателям постоянного тока. Они поворачиваются пошагово на определённый угол под управлением контроллера. Это позволяет обойтись без датчика положения, так как угол, на который был сделан поворот, заведомо известен контроллеру; поэтому такие двигатели часто используются в приводах многих роботов и станках с ЧПУ.
Пьезодвигатели - современной альтернативой двигателям постоянного тока являются пьезодвигатели, также известные как ультразвуковые двигатели. Принцип их работы весьма оригинален: крошечные пьезоэлектрические ножки, вибрирующие с частотой более 1000 раз в секунду, заставляют мотор двигаться по окружности или прямой. Преимуществами подобных двигателей являются высокое нанометрическое разрешение, скорость и мощность, несоизмеримая с их размерами. Пьезодвигатели уже доступны на коммерческой основе и также применяются на некоторых роботах.
Эластичные нанотрубки - это -- многообещающая экспериментальная технология, находящаяся на ранней стадии разработки. Отсутствие дефектов в нанотрубках позволяет волокну эластично деформироваться на несколько процентов. Человеческий бицепс может быть заменён проводом из такого материала диаметром 8 мм. Подобные компактные «мышцы» могут помочь роботам в будущем обгонять и перепрыгивать человека.
Колёсные и гусеничные роботы.
Наиболее распространёнными роботами данного класса являются четырёхколёсные и гусеничные роботы. Создаются также роботы, имеющие другое число колёс -- два или одно. Такого рода решения позволяют упростить конструкцию робота, а также придать роботу возможность работать в пространствах, где четырёхколёсная конструкция оказывается неработоспособна. Двухколёсные роботы, как правило, для определения угла наклона корпуса робота и выработки подаваемого на приводы роботов соответствующего управляющего напряжения (с целью обеспечить удержание равновесия и выполнение необходимых перемещений) используют те или иные гироскопические устройства. Задача удержания равновесия двухколёсного робота связана с динамикой обратного маятника На данный момент, разработано множество подобных «балансирующих» устройств. Одноколёсные роботы во многом представляют собой развитие идей, связанных с двухколёсными роботами. Для перемещения в 2D пространстве в качестве единственного колеса может использоваться шар, приводимый во вращение несколькими приводами. Несколько разработок подобных роботов уже существуют. Существует некоторое количество прототипов сферических роботов. Некоторые из них для организации перемещения используют вращение внутренней массы. Для перемещения по неровным поверхностям, траве и каменистой местности разрабатываются шестиколёсные роботы, которые имеют большее сцепление, по сравнению с четырёхколёсными. Ещё большее сцепление обеспечивают гусеницы. Многие современные боевые роботы, а также роботы, предназначенные для перемещения по грубым поверхностям разрабатываются как гусеничные. Вместе с тем, затруднено использование подобных роботов в помещениях, на гладких покрытиях и коврах.
Системы управления.
По типу управления робототехнические системы подразделяются на:
1. 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);
2. 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);
3. 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).
Среди основных задач управления роботами выделяют такие[56]:
· планирование положений;
· планирование движений;
· планирование сил и моментов;
· анализ динамической точности;
· идентификация кинематических и динамических характеристик робота.
В развитии методов управления роботами огромное значение имеют достижения технической кибернетики и теории автоматического управления.
Практическая часть работы
Ингернет-роботы перспективное направление современной робототехники. Могут управляться в онлайн режиме по интернету с любой точки земного шара, а также работать автономно. «МАЛЫШ» - новый робот телеприсутствия из многолетнего поколения наших интернет-манипуляторов. Он может выполнять различные функции. Быть, например, домашним роботом. Даже находясь в другом городе можно по интернету связаться со своим роботом, посмотреть, с помощью веб-камеры, обстановку в квартире. Расположенные на роботе руки-манипуляторы позволят покормить домашних животных, убрать разбросанные вещи, при небольшой доработке робот может подать сигнал опасности своему хозяину на мобильный телефон.
«МАЛЫШ» от наших прошлых интернет-манипуляторов сильно отличается. Во-первых, он самый маленький; во-вторых сделан на 3D принтере; в-третьих в качестве основания использована гусеничная платформа. Стояла задача сделать легко тиражируемого, простого в изготовлении домашнего робота манипулятора. Была сделана 3D модель манипулятора в программе CATIA. И наконец, создана новая программа для управления роботом с мобильного телефона и получения на нём потокового видео.
Наш робот собран на базе новой модели РОУТЕРА, тогда как в прошлом использовался миникомпьютер MID A10. Питается он от литий- полимерного аккумулятора от автомоделей напряжением 11,4 В. Применены понижающие DC-DC преобразователи, поэтому могут использоваться литий полимерные аккумуляторы на любое напряжение больше 7В. Сервомоторы представляют собой двигатели постоянного тока с редуктором, снабженные системой обратной связи, которая позволяет позиционировать
положение ротора сервомотора с высокой точностью. Вал большинства сервомоторов для любительского конструирования может быть позиционирован в интервале поворота не менее 90° (±45°).
Нами использовались сервомоторы с усилием в 10 кг. Всего применено восемь сервомоторов .
Управление роботом осуществляется с ноутбука или мобильного телефона по беспроводной сети Wi - Fi. Сигнал передаётся на роутер, который находится в роботе.
Сигнал с роутера через USB-порт поступает на плату микроконтроллера и драйверов сервомоторов. К роутеру подключается веб-камера
Для управления роботом применяется Универсальная программа управления роботами на языке С. Существует уже несколько версий данной программы. Уникальность разработки заключается в том, что она позволяет с ноутбука управлять одновременно неограниченным количеством роботов и получать от них потоковое видео с помощью Web - камер на них установленных, программа создана и постоянно совершенствуется. Её описание приводится в приложении. Программа отслеживает работу всех модулей. При сбое в модуле пишет в лог файл. Перезапускает модуль. Так же контролирует нагрузку процессора, при сбое в системе выключает все двигатели. Пересылка данных осуществляется по собственному протоколу на основе tcp/ip. Так же каждые N миллисекунд посылается команда "пинг", таким образом идёт постоянная проверка связи. И при обрыве связи или сильных помехах в Wi- Fi, пинг задерживается и роботы реагируют на обрыв, прекращая выполнять уже заданные действия.
Также в этом году разработана программа для управления роботом с помощью мобильного телефона и получение на нём потокового видео с веб камеры, находящейся на манипуляторе; для управления движением манипулятора может использоваться внутренний гироскоп мобильного телефона. Описание программы также приводится в приложении. Размеры робота: 25см-ширина, 30см-длина, 30см-высота. Вес - 1кг. Оценочная стоимость 50 тыс. руб.
Выбор «мозга» для робота - один из важнейших этапов в его построении. Робот на базе Wi-fi роутера хорошее решение с точки зрения программиста: большое количество документации; можно использовать стандартные порты ввода/вывода; прекрасные средства программирования, множество готовых библиотек; возможно подключение почти любых современных устройств и использование передовых технологий.