Робототехника

 

 

НАСТРОЙКА РОБОТА.

 
 
         После монтажа радиокомпонентов необходимо провести несложную настройку модели робота. Перед настройкой убедитесь в том, установленные в футляре батарейки дают общее напряжение не ниже 4 вольт. А лучше установите "свежие” батарейки так как настройка может потребовать некоторого времени.  
 
 

• Установите робота на чистый лист, выверните регулятор скорости передвижения робота на максимум. Включите питание. Если робот не двигается с места, значит, вы установили регулятор скорости в минимальное положение или допустили другие ошибки при сборке. Устраните все замеченные недостатки и повторите процедуру. Если робот едет при этом разворачивается на месте или едет назад, определите, какой из двигателей вращается в противоположную сторону, и перепаяйте подключенные к нему провода, поменяв их местами.

 

  

• Когда ваш робот будет ехать прямо (на белом листе) проверьте шим-регулировку скорости. Возьмите маленькую отвёртку и вращайте движок подстроечного резистора R8. Если скорость изменяется от минимальной до максимальной, значит регулировка работает. Если нет, то постарайтесь внимательно осмотреть выводы микросхемы, качество пайки или возможные короткие замыкания припоем. Выставьте скорость передвижения небольшой и выверните регулятор яркости свечения светодиодов R1 ближе к минимальному. При этом регулировку "дифференц” подстроечного резистора R2 нужно установить в среднее положение.

 

  

• Установите робота на линию, так, чтобы линия оказалась между фототранзисторами. Если ваша трасса слишком широкая и закрывает оба фототранзистора, осторожно отогните фототранзисторы немного во внешнюю сторону. Проследите, чтобы выводы фототранзисторов не оказались замкнутыми после сгиба. Заметьте, что фототранзисторы должны быть расположены на некотором расстоянии от поверхности листа иначе (если они окажутся прижатыми к поверхности) они не будут реагировать на отражённое излучение. Проведите первый пробный запуск на трассе. Если ваш робот сходит с трассы, определите, в какую сторону это чаще происходит. Затем подрегулируйте подстроечным резистором R2 дифференциальную чувствительность между левым и правым фототранзистором.

 

  

• Дифференциальную подстройку можно выполнить иначе. Установите робота правым фототранзистором на чёрную полосу при этом мотор с правой стороны должен выключиться. Если этого не происходит, то вращайте регулировку "дифференц" до тех пор пока мотор не будет чётко выключаться. Тоже проделайте с левым фототранзистором и мотором расположенным с левой стороны. Необходимо добиться такого условия при котором над черной полосой для правого фототранзистора выключался мотор справа, а для левого - мотор слева.

 

  

• Если робот не реагирует на чёрную линию трассы, возможно интенсивность ик-излучения слишком велика. Подстройте уровень излучения ближе к минимальному резистором R1. Как визуально определить мощность излучения? Очень просто, если ваш сотовый телефон оборудован фотокамерой. Включите фотокамеру сотового телефона и приблизьте к светодиодам HL1, HL2. Если питание подано на светодиоды, то они будут светиться! Таким образом, вы сможете увидеть невидимое излучение и отрегулировать его интенсивность с помощью подстроечного резистора R1. Немаловажным фактором схода с линии является скорость передвижения. На большой скорости эта вероятность возрастает прямо пропорционально, поэтому для увеличения устойчивости на линии уменьшайте скорость насколько это возможно! Кроме того, движение с меньшей скоростью позволяет экономить источник питания, следовательно, робот будет работать значительно дольше.

 

 

 Ещё одним фактором устойчивости робота на линии является ширина самой трассы. Чем она шире, тем проще передвигаться роботу и "легче” среагировать на сход с неё. Во время испытаний выяснилось, что лучшие результаты получаются при использовании микросхемы CD4011 и резистора R5 сопротивлением в диапазоне от 10кОм до 47кОм. Если ваш робот уверенно бежит по трассе, мои поздравления вы закончили сборку и правильно выполнили настройку !

 

 

 

Примечания

1. Air Muscles from Image Company - www.imagesco.com/articles/airmuscle/AirMuscleDescription06.html
2. Air Muscles from Shadow Robot - www.shadowrobot.com/airmuscles/overview.shtml
3. T.O.B.B - www.mtoussaint.de/tobb/index.html. Mtoussaint.de.
4. nBot, a two wheel balancing robot - geology.heroy.smu.edu/~dpa-www/robo/nbot/. Geology.heroy.smu.edu.
5. ROBONAUT Activity Report - web.archive.org/web/20070820104659/http://robonaut.jsc.nasa.gov/status/Feb_Robonaut_Status_04.htm. NASA (2004-02). Архивировано из первоисточника - robonaut.jsc.nasa.gov/status/Feb_Robonaut_Status_04.htm 20 августа 2007.
6. IEEE Spectrum: A Robot That Balances on a Ball - spectrum.ieee.org/automaton/robotics/robotics-software/042910-a-robot-that-balances-on-a-ball. Spectrum.ieee.org.
7. Carnegie Mellon (2006-08-09). Carnegie Mellon Researchers Develop New Type of Mobile Robot That Balances and Moves on a Ball Instead of Legs or Wheels - www.cmu.edu/PR/releases06/060809_ballbot.html. Пресс-релиз. .
8. Spherical Robot Can Climb Over Obstacles - www.botjunkie.com/2009/10/15/spherical-robot-can-climb-over-obstacles/. BotJunkie.
9. Rotundus - rotundus.se/. Rotundus.se.
10. OrbSwarm Gets A Brain - www.botjunkie.com/2008/08/05/orbswarm-gets-a-brain/. BotJunkie (2007-07-11).
11. Rolling Orbital Bluetooth Operated Thing - www.botjunkie.com/2009/07/13/rolling-orbital-bluetooth-operated-thing/. BotJunkie.
12. Swarm - orbswarm.com/. Orbswarm.com.
13. The Ball Bot : Johnnytronic@Sun - blogs.sun.com/johnnytronic/entry/the_ball_bot. Blogs.sun.com.
14. Senior Design Projects | College of Engineering & Applied Science| University of Colorado at Boulder - engineering.colorado.edu/prospective/Senior_Design.htm. Engineering.colorado.edu (2008-04-30).
15. JPL Robotics: System: Commercial Rovers - www-robotics.jpl.nasa.gov/systems/system.cfm?System=4#urbie
16. Multipod robots easy to construct - www.hexapodrobot.com/index.html
17. AMRU-5 hexapod robot - mecatron.rma.ac.be/pub/2005/ISMCR05_verlinden.pdf
18. Achieving Stable Walking - world.honda.com/ASIMO/history/technology2.html. Honda Worldwide.
19. Funny Walk - www.pootergeek.com/2004/12/funny-walk/. Pooter Geek (2004-12-28).
20. ASIMO's Pimp Shuffle - popsci.typepad.com/ces2007/2007/01/asimos_pimp_shu.html. Popular Science (2007-01-09).
21. Vtec Forum: A drunk robot? thread - motegi.vtec.net/forums/one-message?message_id=131434&news_item_id=129834
22. 3D One-Leg Hopper (1983–1984) - www.ai.mit.edu/projects/leglab/robots/3D_hopper/3D_hopper.html. MIT Leg Laboratory.
23. 3D Biped (1989–1995) - www.ai.mit.edu/projects/leglab/robots/3D_biped/3D_biped.html. MIT Leg Laboratory.
24. Quadruped (1984–1987) - www.ai.mit.edu/projects/leglab/robots/quadruped/quadruped.html. MIT Leg Laboratory.
25. Testing the Limits - www.boeing.com/news/frontiers/archive/2008/feb/i_ca01.pdf. Boeing.
26. Air Penguin — роботы пингвины на выставке в Ганновере - techvesti.ru/node/977
27. Информация о Air Penguin на сайте компании Festo - www.festo.com/net/SupportPortal/Downloads/42070/airpenguin_en.pdf
28. Air-Ray Ballonet, англ. - thefutureofthings.com/pod/1030/air-ray-ballonet.html
29. Описание AirJelly на сайте компании Festo, англ. - www.festo.com/cms/de_de/5890.htm
30. Miller, Gavin Introduction - www.snakerobots.com/. snakerobots.com.
31. ACM-R5 - www-robot.mes.titech.ac.jp/robot/snake/acm-r5/acm-r5_e.html
32. Swimming snake robot (commentary in Japanese) - video.google.com/videoplay?docid=139523333240485714
33. Capuchin - www.youtube.com/watch?v=JzHasc4Vhm8&feature=channel at YouTube
34. Wallbot - www.youtube.com/watch?v=Tq8Yw19bn7Q&feature=related at YouTube
35. Stanford University: Stickybot - www.youtube.com/watch?v=k2kZk6riGWU
36. Sfakiotakis, et al. (1999-04). «Review of Fish Swimming Modes for Aquatic Locomotion - www.ece.eps.hw.ac.uk/Research/oceans/people/Michael_Sfakiotakis/IEEEJOE_99.pdf» (PDF). Проверено 2007-10-24.
37. Richard Mason What is the market for robot fish? - rjmason.com/ramblings/robotFishMarket.html.
38. Robotic fish powered by Gumstix PC and PIC - cswww.essex.ac.uk/staff/hhu/HCR-Group.html#Entertainment. Human Centred Robotics Group at Essex University.
39. Witoon Juwarahawong Fish Robot - web.archive.org/web/20071104081550/http://fibo.kmutt.ac.th/project/eng/current_research/fish.html. Institute of Field Robotics. Архивировано из первоисточника - fibo.kmutt.ac.th/project/eng/current_research/fish.html 4 ноября 2007.

Робототехника

 

Введение

Робототе́хника (от робот и техника; англ. robotics) — прикладная наука, занимающаяся разработкой автоматизированных технических систем

Робототехника опирается на такие  дисциплины как электроника, механика, программирование. Выделяют строительную, промышленную, бытовую, авиационную и экстремальную (военную, космическую, подводную) робототехнику.

1. Этимология

Слово «робототехника» было впервые  использовано в печати Айзеком Азимовым в научно-фантастическом рассказе «Лжец», опубликованном в 1941 г.

«Робототехника» базируется на слове  «робот», придуманном в 1920 г. научным фантастом и Нобелевским лауреатом Карлом Чапеком для своей пьесы Р. У. Р.. Однако, интерес к идеям, схожим с робототехникой, наблюдался еще до введения этого термина:

• В «Илиаде» Гефест сделал говорящих служанок из золота.
• Архиту Тарентскому приписывают создание механического голубя в 400 г. до н. э.

 

2. Компоненты роботов

2.1. Приводы

Нога робота, работающая на воздушных мышцах.

Приводы — это «мышцы» роботов. В настоящее время самыми популярными двигателями в приводах являются электрические, но применяются и другие, использующие химические вещества или сжатый воздух.

• Двигатели постоянного тока: В настоящий момент большинство роботов используют электродвигатели, которые могут быть нескольких видов.
• Шаговые электродвигатели: Как можно предположить из названия, шаговые электродвигатели не вращаются свободно, подобно двигателям постоянного тока. Они поворачиваются пошагово на определенный угол под управлением контроллера. Это позволяет обойтись без датчика положения, так как контроллеру точно известно, на сколько был сделан поворот. В связи с этим они 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 совершенно отличается: 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.
• Воздушные мышцы: Воздушные мышцы — простое, но мощное устройство для обеспечения силы тяги. При накачивании сжатым воздухом, мышцы способны сокращаться до 40 % от своей длины. Причиной такого поведения является плетение, видимое с внешней стороны, которое заставляет мышцы быть или длинными и тонкими, или короткими и толстыми. Так как способ их работы схож с биологическими мышцами, их можно использовать для производства роботов с мышцами и скелетом, аналогичными мышцам и скелету животных.^[1][2]
• Электроактивные полимеры: Электроактивные полимеры — это вид пластмасс, который изменяет форму в ответ на электрическую стимуляцию. Они могут быть сконструированы таким образом, что могут гнуться, растягиваться или сокращаться. Однако, в настоящее время нет ЭАП, пригодных для производства коммерческих роботов, так как все неэффективны или непрочны.
• Эластичные нанотрубки: Это многообещающая экспериментальная технология, находящаяся на ранней стадии разработки. Отсутствие дефектов в нанотрубках позволяет этому волокну эластично деформироваться на несколько процентов. Человеческий бицепс может быть заменен проводом из такого материала диаметром 8 мм. Такие компактные «мышцы» могут помочь роботам в будущем обгонять и перепрыгивать человека.

3. Способы перемещения

3.1. Колёсные и гусеничные роботы

Сегвей в Музее роботов в  Нагоя.

Наиболее распространёнными являются четырёхколёсные и гусеничные роботы. Так же, создаются роботы, имеющие  использующие другое число колёс — два или одно. Такого рода решения позволяют упростить конструкцию робота, а так же придать роботу возможность работать в пространствах, где четырёхколёсная конструкция оказывается неработоспособна.

Двухколёсные роботы, как правило, используют гироскоп, для определения  угла наклона корпуса робота и  выработки управляющего напряжения для приводов робота с целью удержать равновесие и совершать необходимые  перемещения. Задача удержания равновесия двухколёсного робота связана с динамикой обращенного маятника^[3]. На данный момент, разработано множество подобных «балансирующих» устройств^[4]. К таким устройствам можно отнести Сегвей, который может быть использован, как компонент робота; так например сегвей использован как транспортная платформа в разработанном НАСА роботе Робонавт^[5].

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. Примерами могут служить робот Ballbot (англ.) разработанный в университете Карнеги — Меллона и робот «BallIP», разработанный в университете Тохоку Гакуин (англ. Tohoku Gakuin University)^[6]. Роботы такого типа имею некоторые преимущества, связанные с их вытянутой формой, которые могут позволить им лучше интегрироваться в человеческое окружение, чем это возможно для роботом некоторых других типов^[7].

Существует некоторое количество прототипов сферических роботов. Некоторые  из них для организации перемещения  используют вращение внутренней массы^{[8][9][10][11]}. Роботов подобного типа называют англ. spherical orb robots, англ. orb bot^[12] и англ.  ball bot^[13][14].

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 так же роботы, предназначенные для перемещения по грубым поверхностям разрабатываются как гусеничные. Вместе с тем, затруднено использование подобных роботов в помещениях, на гладких покрытиях и коврах. Примерами подобных роботов могут служить разработанный НАСА робот англ. Urban Robot («Urbie»)^[15], разработанные компанией iRobot роботы Warrior и PackBot.

3.2. Шагающие роботы

Робот-андроид ASIMO, производство Honda.

Перемещение робота с использованием «ног» представляет собой сложную  задачу динамики. Уже создано некоторое  количество роботов перемещающихся на двух ногах, но эти роботы пока не могут достичь такого устойчивого  движения, какое присуще человеку. Так же, создано множество механизмов, перемещающихся на более чем двух конечностях. Внимание к подобным конструкциям обусловлено тем, что они легче в проектировании^[16][17]. Предлагаются так же гибридные варианты (как, например, роботы из фильма «Я, робот», способные перемещаться на двух конечностях во время ходьбы и на четырёх конечностях во время бега). Роботы, использующие две ноги, как правило хорошо перемещаются по полу, а некоторые конструкции могу перемещаться по лестнице. Перемещение по пересечённой местности является сложной задачей для роботов такого типа. Существует ряд технологий позволяющих перемещаться шагающим роботам:

• ZMP-технология: ZMP (англ.) (англ. Zero Moment Point, «точка нулевого момента») — алгоритм, использующийся в роботах, подобных ASIMO компании Хонда. Бортовой компьютер управляет роботом таким образом, чтобы сумма всех внешних сил, действующих на робота была направлена в сторону поверхности, по которой перемещается робот. Благодаря этому не создаётся крутящего момента, который мог бы стать причиной падения робота^[18]. Подобный способ движения не характерен для человека, в чем можно убедиться сравнив манеру перемещения робота ASIMO и человека^[19][20][21].
• Прыгающие роботы: в 1980-х годах профессором Марком Рейбертом (англ. Marc Raibert из англ. «Leg Laboratory» Массачусетского технологического института был разработан робот, способный сохранять равновесие посредством прыжков, используя только одну ногу. Движения робота напоминают движения человека на тренажёре пого-стик^[22]. В последствии алгоритм был расширен на механизмы, использующие две и четыре ноги. Подобные роботы продемонстрировали способности к бегу и способность выполнять сальто^[23]. Роботы, перемещающие на четырёх конечностях, продемонстрировали бег, перемещение рысью, аллюром, скачками^[24].
• Адаптивные алгоритмы поддержания равновесия. В основном базируются на расчете отклонений мгновенного положения центра масс робота от статически устойчивого положения или некоей наперед заданной траектории его движения. В частности, подобную технологию использует шагающий робот-носильщик Big Dog. При движении этот робот поддерживает постоянным отклонение текущего положения центра масс от точки статической устойчивости, что влечет необходимость своеобразной постановки ног («коленки внутрь» или «тянитолкай»), а также создает проблемы с остановкой машины на одном месте и отработкой переходных режимов ходьбы. Адаптивный алгоритм поддержания устойчивости также может базироваться на сохранении постоянного направления вектора скорости центра масс системы, однако подобные методики оказываются эффективными только на достаточно высоких скоростях. Наибольший интерес для современной робототехники представляет разработка комбинированных методик поддержания устойчивости, сочетающих расчет кинематических характеристик системы с высокоэффективными методами вероятностного и эвристического анализа.