Робототехника

 

 

Второй вариант робота, подчиняется  более сложному алгоритму, и имеет  более сложную конструкцию.  ЦИФРОВОЙ МОДУЛЬ ДЛЯ LINE-РОБОТА. 

Цифровой модуль удерживает робота при движении по линии трассы. Цифровой модуль монтируется на платформе с моторами. Особенность монтажа модуля состоит в креплении непосредственно под днищем робота. После монтажа модуля ваш робот будет передвигаться по линии нарисованной трассы.  
 
Большое количество регулировок цифрового модуля позволяет выполнить точную подстройку электрической схемы и повысить устойчивость робота при движении по трассе.  
 
На плате цифрового модуля предусмотрены следующие регулировки: скорости передвижения, чувствительности к отражённому излучению, дифференциальная чувствительность фототранзисторов. В качестве источника питания можно устанавливать как гальванические батарейки так и аккумуляторные батарейки. 

 
ХАРАКТЕРИСТИКИ И ФУНКЦИОНАЛЬНОСТЬ. 
 

На фото.1 показана платформа-робот с установленным цифровым модулем. В состав цифрового модуля входят следующие функциональные узлы: элемента памяти на триггере, шим-регулятор скорости моторов, регулировка яркости свечения ик-светодиодов, дифференциальныйрегулятор чувствительности фототранзисторов, схема активного торможения двигателями.  
 
Элемент памяти на триггере запоминает направление схода и вырабатывает сигнал коррекции для двигателя в направлении противоположном сходу с линии. Нужно иметь ввиду, что элемент памяти работает, только пока трасса находится между фототранзисторами! Затем он выключается.

 

       

 

 

 

 

 

 

 

КОМПОНЕНТЫ КОНСТРУКЦИИ РОБОТА

 

• Шим-регулятор позволяет регулировать скорость передвижения робота в широком диапазоне от минимальной до максимальной. Эта регулировка даёт возможность выбрать оптимальную скорость необходимую для устойчивого передвижения по трассе.
• Подстройкой регулировки яркости свечения ик-светодиодов можно установить чувствительность одновременно обоих фототранзисторов к  отраженному излучению.
• Дифференциальный регулятор даёт возможность уравнять чувствительность для обоих фототранзисторов, с тем, чтобы робот реагировал правильно без "перекосов” в чувствительности одного из фототранзисторов.
• Схема активного торможения мгновенно останавливает один из моторов при условии, что соответствующий фототранзистор находится на чёрной линии. Активное торможение предотвращает холостой ход двигателя и возможный съезд робота с линии по инерции.

Примечание.1. Винтовые клеммники для подключения источника питания и моторов устанавливать необязательно. Но в этом случае их придётся запаивать непосредственно на печатную плату.

Примечание.2. Микровыключатель питания можно установить любого типа подходящего по размерам и работающий контактами на замыкание.

Примечание.3. Фототранзисторы можно заменить на фотодиоды включенные в обратном направлении. В случае замены катод фотодиода нужно подключить к плюсу питания (позиция коллектора(к) фототранзистора), анод фотодиода нужно подключить к позиции эмиттера (э) фототранзистора по рисунку на монтажной плате.

 
ПРИНЦИП РАБОТЫ. 
 

Электрическая схема представлена на рис.1. Исходное положение робота с установленным модулем, когда чёрная полоса трассы находится между фототранзисторами и не закрывает их. После включения питания, триггер на элементах DD1.1,DD1.2 устанавливается в случайное положение. Большого значения это не имеет. Транзисторы VT3,VT4 закрыты на входах триггера 1 и 6 высокий логический уровень. Когда инфракрасное излучение от светодиодов беспрепятственно отражается от светлой поверхности, то попадает в окно фототранзисторов VT1,VT2. Фототранзисторы VT1,VT2 подстроечный резистор R2 и резистор R5 образуют резистивный делитель напряжения. Изменение сопротивления делителя  в верхнем плече (по схеме) приводит к изменению уровня потенциала на базах транзисторов VT3,VT4. 

 

Если движок подстроечного резистора R2 установлен в среднем по схеме положении, то при равных (идеальных) технических характеристиках сопротивление переходов эмиттер-коллектор уменьшится на одинаковую величину. Потенциалы на левых по схеме ножках токоограничительных резисторов R3,R4 возрастёт и транзисторы VT3,VT4 откроются. Входы триггера (DD1.1,DD1.2) окажутся подключенными к минусу источника питания. В этом случае триггер будет работать как два отдельных инвертора и на его выходах 3 и 4 появятся высокие логические уровни сигнала. Транзисторы VT5,VT6 откроются и двигатели M1,M2 будут работать. Робот поедет вперёд, и будет ехать до тех пор, пока один из фототранзисторов не окажется над чёрной линией трассы. Это может произойти как вследствие геометрического поворота трассы, так и вследствие неодинаковой частоты вращения двигателей. 

 

 

Допустим левый фототранзистор (на схеме VT1) оказался над чёрной полосой трассы. Это означает, что физически робот завернул вправо от трассы. Тогда потенциал на базе транзистора VT4 падает до нуля, и транзистор закроется. На входе 6 триггера DD1.1,DD1.2 появится высокий логический уровень. А на входе 1 триггера будет низкий логический уровень, так как транзистор VT3 находится в открытом состоянии. Триггер переключится и на его выходе 4 появится низкий логический уровень. Транзистор VT6 закроется и левый двигатель M2 будет отключен. 

 

Но это ещё не всё. Для того, чтобы вал двигателя M2 не вращался по инерции в схему введён транзистор VT9. Он играет роль активного тормоза, подводя положительный потенциал к левому по схеме контакту двигателя M2. Транзистор VT9 открывается при падении логического уровня до нуля на выходе 4 триггера DD1.1,DD1.2. В этот момент транзистор VT6 уже будет закрыт. Подведение однополярного потенциала на выводы двигателя вызывает его мгновенную остановку. А физически эта схема не даёт роботу съехать за пределы чёрной трассы, каждый раз останавливая один из его моторов. И так поскольку двигатель M1 продолжает работать, а двигатель M2 остановлен , робот начинает поворачивать влево возвращаясь в положение при котором трасса находится между фототранзисторами. 

 

Аналогично работает и вторая однотипная часть схемы, но уже при съезде влево и с торможением для  правого двигателя M1. Активным тормозом для двигателя M1 уже будет транзистор VT8. На элементах микросхемы DD1.3,DD1.4 выполнен шим-регулятор. Работа шим-регулятора на логических элементах подробно описана в доступной литературе. Выход регулятора 11 подключен непосредственно к полевому транзистору VT7. Нагрузочная способность полевых транзисторов серии КП505А-В до 1,5А, а в импульсе до 5,6А. Что позволяет подключать любые двигатели от детских игрушек. Диоды VD3,VD4 гасят индуктивную составляющую обмотки двигателей.

 

Перемещение ручки подстроечного  резистора R8 влево по схеме уменьшает ширину импульса на выходе шим-генератора. А перемещение вправо увеличивает ширину выходного импульса. Под действием последовательности коротких импульсов транзистор VT7 находится в открытом состоянии незначительное время. А под действием последовательности широких импульсов транзистор VT1 значительное время будет находиться в открытом состоянии. Так как транзистор VT7 коммутирует транзисторы VT5,VT6, то скорость вращения любого из двигателей будет изменяться при изменении ширины импульса на затворе транзистора VT7. Таким образом, можно установить скорость вращения обоих двигателей регулировкой подстроечного резистора R8.

 

 

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

40. Air Muscles from Image Company - www.imagesco.com/articles/airmuscle/AirMuscleDescription06.html
41. Air Muscles from Shadow Robot - www.shadowrobot.com/airmuscles/overview.shtml
42. T.O.B.B - www.mtoussaint.de/tobb/index.html. Mtoussaint.de.
43. nBot, a two wheel balancing robot - geology.heroy.smu.edu/~dpa-www/robo/nbot/. Geology.heroy.smu.edu.
44. 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.
45. 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.
46. 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. .
47. Spherical Robot Can Climb Over Obstacles - www.botjunkie.com/2009/10/15/spherical-robot-can-climb-over-obstacles/. BotJunkie.
48. Rotundus - rotundus.se/. Rotundus.se.
49. OrbSwarm Gets A Brain - www.botjunkie.com/2008/08/05/orbswarm-gets-a-brain/. BotJunkie (2007-07-11).
50. Rolling Orbital Bluetooth Operated Thing - www.botjunkie.com/2009/07/13/rolling-orbital-bluetooth-operated-thing/. BotJunkie.
51. Swarm - orbswarm.com/. Orbswarm.com.
52. The Ball Bot : Johnnytronic@Sun - blogs.sun.com/johnnytronic/entry/the_ball_bot. Blogs.sun.com.
53. 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).
54. JPL Robotics: System: Commercial Rovers - www-robotics.jpl.nasa.gov/systems/system.cfm?System=4#urbie
55. Multipod robots easy to construct - www.hexapodrobot.com/index.html
56. AMRU-5 hexapod robot - mecatron.rma.ac.be/pub/2005/ISMCR05_verlinden.pdf
57. Achieving Stable Walking - world.honda.com/ASIMO/history/technology2.html. Honda Worldwide.
58. Funny Walk - www.pootergeek.com/2004/12/funny-walk/. Pooter Geek (2004-12-28).
59. ASIMO's Pimp Shuffle - popsci.typepad.com/ces2007/2007/01/asimos_pimp_shu.html. Popular Science (2007-01-09).
60. Vtec Forum: A drunk robot? thread - motegi.vtec.net/forums/one-message?message_id=131434&news_item_id=129834
61. 3D One-Leg Hopper (1983–1984) - www.ai.mit.edu/projects/leglab/robots/3D_hopper/3D_hopper.html. MIT Leg Laboratory.
62. 3D Biped (1989–1995) - www.ai.mit.edu/projects/leglab/robots/3D_biped/3D_biped.html. MIT Leg Laboratory.
63. Quadruped (1984–1987) - www.ai.mit.edu/projects/leglab/robots/quadruped/quadruped.html. MIT Leg Laboratory.
64. Testing the Limits - www.boeing.com/news/frontiers/archive/2008/feb/i_ca01.pdf. Boeing.
65. Air Penguin — роботы пингвины на выставке в Ганновере - techvesti.ru/node/977
66. Информация о Air Penguin на сайте компании Festo - www.festo.com/net/SupportPortal/Downloads/42070/airpenguin_en.pdf
67. Air-Ray Ballonet, англ. - thefutureofthings.com/pod/1030/air-ray-ballonet.html
68. Описание AirJelly на сайте компании Festo, англ. - www.festo.com/cms/de_de/5890.htm
69. Miller, Gavin Introduction - www.snakerobots.com/. snakerobots.com.
70. ACM-R5 - www-robot.mes.titech.ac.jp/robot/snake/acm-r5/acm-r5_e.html
71. Swimming snake robot (commentary in Japanese) - video.google.com/videoplay?docid=139523333240485714
72. Capuchin - www.youtube.com/watch?v=JzHasc4Vhm8&feature=channel at YouTube
73. Wallbot - www.youtube.com/watch?v=Tq8Yw19bn7Q&feature=related at YouTube
74. Stanford University: Stickybot - www.youtube.com/watch?v=k2kZk6riGWU
75. 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.
76. Richard Mason What is the market for robot fish? - rjmason.com/ramblings/robotFishMarket.html.
77. 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.
78. 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.