Palety programistyczne i bloki programistyczne.

Częścią napędów są silniki robota. W kroku pierwszym uczyliśmy się ogólnie o robotyce. W drugim kroku zdecydowaliśmy, jakiego robota wykonamy. Musimy zainstalować siłowniki, które wprawią robota w ruch.

Wybór silnika do robota zależy bezpośrednio od zadań, które robot musi wykonać. Silnik (silnik) może być częścią napędu lub oddzielnie być napędem.

Siłownik można zdefiniować jako urządzenie, które przekształca energię (zwykle energię elektryczną w robotyce) w ruch fizyczny.

Zdecydowana większość siłowników wytwarza ruch obrotowy lub liniowy. Na przykład silnik jest rodzajem napędu. Wybór odpowiednich napędów dla robota wymaga zrozumienia, jakie napędy są dostępne. Może trochę fantazji, trochę matematyki i fizyki.
Napędy obrotowe to rodzaj napędów, które przekształcają energię elektryczną w ruch obrotowy.

Silnik AC

Silnik prądu przemiennego (AC) jest rzadko używany w robotach mobilnych. Przede wszystkim dlatego, że większość z nich jest zasilana prądem stałym (DC) z akumulatora. Silniki prądu przemiennego są stosowane głównie w środowiskach przemysłowych, w których wymagany jest bardzo wysoki moment obrotowy. Przede wszystkim tam, gdzie silniki są podłączone do sieci.

Silniki prądu stałego

Silniki prądu stałego MotorSilniki prądu stałego są dostępne w różnych kształtach i rozmiarach. Chociaż większość z nich jest cylindryczna. Mają wał wyjściowy, który obraca się z dużą prędkością, zwykle od 5000 do 10 000 obr./min. Chociaż silniki prądu stałego obracają się bardzo szybko, większość z nich nie ma zbyt dużej mocy. Takie silniki robotów mają niski moment obrotowy.

Można dodać reduktory, aby zmniejszyć prędkość i zwiększyć moment obrotowy. Aby zainstalować silnik na robocie, należy przymocować obudowę silnika do ramy robota. Z tego powodu silniki robotów często mają otwory montażowe, które zwykle znajdują się z przodu silnika. Dlatego mogą być instalowane prostopadle do powierzchni.

Silniki prądu stałego mogą pracować zgodnie z ruchem wskazówek zegara (CW) i przeciwnie do ruchu wskazówek zegara. Ruch kątowy wału można mierzyć za pomocą enkoderów lub potencjometrów.

Jest to silnik prądu stałego połączony ze skrzynią biegów. Działa w celu zmniejszenia prędkości obrotowej silnika i zwiększenia momentu obrotowego. Na przykład silnik prądu stałego obraca się z prędkością 10 000 obr./min i osiąga moment obrotowy 0,001 Nm. Jeśli dodamy redukcję 100:1 (sto do jednego), zmniejszymy prędkość 100-krotnie. W rezultacie 10000 / 100 = 100 obr / min i zwiększ moment obrotowy 100 razy (0,001 x 100 = 0,1 N * m).

Główne typy przekładni redukcyjnych to:

1. bieg
2. pasek
3. planetarny
4. robak

Przekładnia ślimakowa pozwala uzyskać bardzo wysokie przełożenie już za jednym skokiem. Zapobiega również poruszaniu się wału wyjściowego, gdy silnik nie pracuje.

Siłownik

Rodzaj używanego silnika zależy od rodzaju ruchu, który chcesz.

R/C lub hobby serwomotor

Często serwa tego typu mogą obracać się nawet o 180 stopni. Obracają się pod pewnym kątem obrotu. I często używany w droższych modelach środków zdalnego sterowania do sterowania lotem lub sterowania.

Teraz są wykorzystywane w różnych zastosowaniach. Ceny tych serwomechanizmów znacznie spadły, a różnorodność (różne rozmiary, technologie i moce) wzrosła. Wspólnym czynnikiem dla większości serwomechanizmów jest to, że większość używa tylko około 180 stopni obrotu.
Serwosilnik R/C zawiera silnik prądu stałego, przekładnię, elektronikę i obrotowy potencjometr do pomiaru kąta.

Elektronika i potencjometr działają synchronicznie, sterując silnikiem i zatrzymując wał wyjściowy pod zadanym kątem. Silniki te mają zwykle trzy przewody: uziemienie, V i impuls sterujący. Impuls sterujący jest zwykle pobierany ze sterownika serwomotoru. Hobby serwomotor to nowy typ serwosilnika. Obejmuje ciągły obrót i sprzężenie zwrotne położenia. Wszystkie serwa mogą obracać się w prawo lub w lewo.

Serwomotory przemysłowe

Serwosilnik napędzany przemysłowo napędza się inaczej niż silnik hobbystyczny i jest bardziej powszechny w bardzo dużych maszynach. Przemysłowy serwomotor jest zwykle trójfazowy i składa się z silnika prądu przemiennego, przekładni i enkodera. Zainstalowany enkoder zapewnia sprzężenie zwrotne położenia kątowego i prędkości.

Silniki te są rzadko stosowane w robotach mobilnych ze względu na ich wagę, rozmiar, koszt i złożoność. Serwomotory przemysłowe można zobaczyć na potężnych manipulatorach przemysłowych. Mogą być stosowane w bardzo dużych pojazdach robotycznych.

Silniki krokowe

Silnik krokowy obraca się w określonych „krokach” (właściwie w określonych stopniach). Liczba kroków i rozmiar kroku zależą od kilku czynników. Większość silników krokowych nie zawiera przekładni. Ponieważ są to silniki prądu stałego, a moment obrotowy jest niski.

Odpowiednio dostrojony silnik krokowy może obracać się w prawo i w lewo oraz można go ustawić w wymaganej pozycji kątowej. Istnieją jednobiegunowe i bipolarne typy silników krokowych. Jedną godną uwagi wadą silników krokowych jest to, że jeśli silnik nie pracuje, trudno jest być pewnym kąta początkowego silnika.

Jeśli dodasz przekładnię, silnik krokowy ma taki sam efekt, jak dodanie przekładni do silnika prądu stałego: zwiększa moment obrotowy i zmniejsza prędkość kątową. Ponieważ prędkość jest zmniejszana o przełożenie skrzyni biegów, wielkość kroku jest również zmniejszana o ten sam współczynnik.

Napędy liniowe

Siłownik liniowy wytwarza ruch liniowy (ruch wzdłuż jednej linii prostej) i ma trzy główne wyróżniające cechy mechaniczne.

1. Minimalna i maksymalna odległość, na jaką pręt może przesunąć wał (w mm lub calach)
2. Ich siła (w kg lub funtach)
3. Ich prędkość (w m/s lub calach/s)

Siłownik liniowy prądu stałego

Siłownik liniowy prądu stałego często składa się z silnika prądu stałego połączonego z przekładnią ślimakową. Kiedy silnik się obraca, mocowanie śmigła będzie albo bliżej, albo dalej od silnika. Zasadniczo przekładnia ślimakowa przekształca ruch obrotowy w ruch liniowy.

Niektóre siłowniki liniowe DC zawierają potencjometr liniowy, który zapewnia liniowe sprzężenie zwrotne. Aby zapobiec całkowitemu uszkodzeniu siłownika, wielu producentów umieszcza wyłączniki krańcowe na obu końcach. Zazwyczaj, aby odciąć zasilanie napędu po ich naciśnięciu. Siłowniki liniowe DC są dostępne w wielu różnych rozmiarach i typach.

Solenoid składa się z cewki nawiniętej wokół poruszającego się rdzenia. Gdy cewka jest zasilana, rdzeń jest odpychany przez pole magnetyczne i porusza się w jednym kierunku. Aby zapewnić ruch w dwóch kierunkach, potrzebnych będzie kilka cewek lub kilka mechanizmów mechanicznych.

Solenoidy są zwykle bardzo małe, ale ich prędkość jest bardzo duża. Siła zależy głównie od rozmiaru cewki i tego, ile prądu przez nią przepływa. Ten typ siłownika jest stosowany w zaworach lub systemach zatrzaskowych. W takich systemach z reguły nie ma sprzężenia zwrotnego położenia (rdzeń jest albo całkowicie schowany, albo całkowicie wysunięty).

Napędy pneumatyczne i hydrauliczne

Siłowniki pneumatyczne i hydrauliczne wykorzystujące powietrze lub ciecz (np. wodę lub olej) służą do ruchu liniowego. Tego typu napędy mogą mieć bardzo długie skoki, dużą moc i dużą prędkość.

Do obsługi wymagają użycia sprężarki płynu. To czyni je trudniejszymi w obsłudze niż konwencjonalne siłowniki elektryczne. Mają wielką moc, szybkość i są zwykle duże. I używany głównie w urządzeniach przemysłowych.

Wybór napędu

Należy zauważyć, że stale pojawiają się nowe i innowacyjne technologie i nic nie jest trwałe. Należy również pamiętać, że pojedynczy dysk może wykonywać bardzo różne zadania w różnych warunkach. Na przykład z różnymi mechanikami. Siłownik, który wytwarza ruch liniowy, może być również użyty do obrócenia przedmiotu do tyłu (podobnie jak w przypadku środków do czyszczenia szyb samochodowych).

Roboty z kołami lub gąsienicami

Silniki napędowe robota muszą przenosić ciężar całego robota i najprawdopodobniej będą wymagać przekładni redukcyjnej. Większość robotów używa hamowania z kołami po jednej stronie. Podczas gdy samochody osobowe lub ciężarowe zwykle używają układu kierowniczego.

Jeśli wybierzesz miniładowarkę, motoreduktory prądu stałego są idealnym wyborem dla robotów z kołami lub gąsienicami. W końcu zapewniają one ciągły obrót i mogą mieć opcjonalne sprzężenie zwrotne położenia za pomocą enkoderów optycznych. Są bardzo łatwe w programowaniu i obsłudze.

Jeśli chcesz używać układu kierowniczego, potrzebujesz jednego silnika napędowego i jednego silnika do kierowania przednimi kołami. Obrót jest ograniczony do określonego kąta i można zastosować serwo R/C.

Silnik służy do podnoszenia lub obracania ciężkich przedmiotów. Podnoszenie ciężaru wymaga znacznie więcej energii niż przesuwanie ciężaru po płaskiej powierzchni. Aby uzyskać moment obrotowy, należy poświęcić prędkość.

Dlatego najlepiej jest zastosować przekładnię o wysokim przełożeniu i mocny silnik prądu stałego lub siłownik liniowy prądu stałego. Rozważ zastosowanie systemu (przekładni ślimakowych lub zacisków). Zapobiega to upadkowi ładunku w przypadku utraty kontroli.

Serwa silnikowe

Używany, gdy zakres jest ograniczony do 180 stopni, a moment obrotowy nie jest znaczący. Silnik serwo R/C jest idealny do takich zadań. Serwomotory są dostępne w różnych momentach obrotowych i rozmiarach oraz zapewniają sprzężenie zwrotne położenia kątowego.

Lepiej jest użyć potencjometru i kilku specjalistycznych enkoderów optycznych. Serwonapędy R/C są coraz częściej wykorzystywane do budowy małych chodzących robotów.

Silniki krokowe

Stosowany, gdy kąt obrotu musi być bardzo precyzyjny. Silniki krokowe robota w połączeniu ze sterownikiem silnika krokowego mogą wytwarzać bardzo precyzyjny ruch kątowy. Czasami preferowane są serwosilniki, ponieważ zapewniają one ciągły obrót. Jednak niektóre profesjonalne cyfrowe serwomotory wykorzystują enkodery optyczne. Dzięki temu charakteryzują się bardzo dużą dokładnością.

Napędy liniowe

Siłowniki liniowe najlepiej sprawdzają się przy przesuwaniu obiektów i ustawianiu ich w linii prostej. Występują w różnych rozmiarach i konfiguracjach. W przypadku bardzo szybkiego ruchu można rozważyć pneumatykę lub solenoidy. W przypadku bardzo dużych mocy można rozważyć napędy liniowe DC, a także hydraulikę.

Praktyczny przykład

• W Lekcji 1 określiliśmy cel naszego projektu, aby zrozumieć, jaki typ robota mobilnego można zbudować przy niewielkim budżecie.
• W lekcji 2 zdecydowaliśmy, że potrzebujemy małej platformy na kółkach. Najpierw określmy rodzaj napędu, który będzie potrzebny do zbudowania robota.

Aby to zrobić, musisz odpowiedzieć pięć pytań:

1. Czy ten napęd służy do poruszania robota kołowego?
   Tak. Potrzebujesz motoreduktora ze sterowaniem poprzez hamowanie z jednej strony. Oznacza to, że każde koło będzie musiało być wyposażone we własny silnik.
2. Czy silniki robotów są używane do podnoszenia lub obracania ciężkich przedmiotów?
   Nie, platforma komputerowa nie musi być ciężka.
3. Czy zakres ruchu jest ograniczony do 180 stopni?
   Nie, koła mogą się dalej obracać.
4. Kąt musi być dokładny?
   Nie, nasz robot nie wymaga sprzężenia zwrotnego dotyczącego położenia.
5. Czy to jest linia prosta?
   Nie, ponieważ chcemy, aby robot obracał się i poruszał we wszystkich kierunkach.

Wszystkie te wymagania są spełnione duży silnik z zestawu podstawowego LEGO MINDSTORMS Education EV3.

Dane techniczne dużego silnika EV3

Siłownik to mechanizm do uruchamiania urządzeń sterujących procesem za pomocą sygnałów elektrycznych, pneumatycznych lub hydraulicznych. To ważna część robotyki. Napędy stosowane w robotach wpływają na ich wykonalność i wydajność. Dlatego w tym artykule rozważymy 7 najczęstszych napędów, które można wyposażyć w roboty do różnych celów.

Bezszczotkowy silnik prądu stałego

Zacznijmy od silników elektrycznych. Bezszczotkowy lub bezszczotkowy to jeden rodzaj napędu, który zyskuje na popularności w robotyce. Jak sama nazwa wskazuje, taki silnik nie używa szczotek do przełączania, ale jest przełączany elektronicznie. Zasada działania tego napędu opiera się na oddziaływaniu pól magnetycznych pomiędzy elektromagnesem a magnesem trwałym. Kiedy cewka jest zasilana, przeciwne bieguny wirnika i stojana są przyciągane do siebie. Siłowniki te są stosowane w prawie wszystkich robotach.

Zalety BDP są następujące:

• Czas odpowiedzi w odniesieniu do charakterystyki momentu obrotowego;
• Wyższe obroty;
• Wysoka dynamika;
• Długa żywotność;
• Cicha praca.

Wady:

• Skomplikowany i drogi kontroler prędkości;
• Nie działa bez elektroniki.

Napęd synchroniczny

Ten silnik zawiera wirnik, który obraca się synchronicznie z oscylującym polem lub prądem. Napędy synchroniczne mają wiele zalet w porównaniu z innymi silnikami. Przede wszystkim dotyczy to wskaźników energetycznych. Napędy te stosowane są w robotach przemysłowych produkowanych o średniej nośności i liczbie stopni swobody od 3 do 6. Dokładność pozycjonowania napędu elektrycznego osiąga wartości do ± 0,05 mm. Stosowane są zarówno w trybach pracy pozycyjnej, jak i konturowej.

Zalety:

• Wysoka rentowność;
• Łatwość montażu i dobre właściwości regulacyjne;
• Celowość zastosowania napędu synchronicznego do mechanizmów, które nie wymagają kontroli prędkości, jest oczywista.

Wady:

• Zastosowanie silnika synchronicznego jest trudne, jeśli mechanizmy mają duże masy wahadłowe, gdzie konieczne jest posiadanie regulowanego lub podwójnego napędu;
• Nie ma momentu rozruchowego. Dlatego, aby go uruchomić, konieczne jest przyspieszenie wirnika za pomocą zewnętrznego momentu obrotowego do prędkości zbliżonej do synchronicznej.

silnik asynchroniczny

Ten napęd elektryczny do przekształcania energii elektrycznej prądu przemiennego w energię mechaniczną jest również korzystny z wielu powodów. Sam termin „asynchroniczny” oznacza niejednoczesny. Oznacza to, że dla tych silników prędkość obrotowa pola magnetycznego stojana jest zawsze większa niż prędkość obrotowa wirnika. Silniki asynchroniczne są zasilane prądem przemiennym.
Ten typ silnika jest używany głównie do napędzania kół samochodu, dlatego może znaleźć miejsce w robotyce kołowej. Dostępność wydajnych półprzewodników sprawiła, że ​​praktyczne stało się stosowanie prostszych silników indukcyjnych prądu przemiennego.

Zalety:

• Prostota i niezawodność dzięki brakowi kolektora;
• Niska cena;
• Znacznie niska waga;
• Mniejsze wymiary.

Wady:

• Może się przegrzewać, zwłaszcza pod obciążeniem;
• Niemożność utrzymania stabilnej prędkości obrotowej;
• Stosunkowo mały spust.

silnik krokowy

Silnik krokowy to napęd, który w ostatnim czasie znalazł szerokie zastosowanie w robotyce. Główną różnicą między nim a wszystkimi innymi typami silników jest sposób, w jaki się obraca. Jak wiecie, poprzednio wymienione silniki obracają się w sposób ciągły. Ale napędy krokowe obracają się „krokami”. Każdy krok jest częścią pełnego obrotu. Ta część zależy od konstrukcji mechanicznej silnika i sposobu sterowania.

Zastosowanie silników krokowych jest jednym z najprostszych, najtańszych i najłatwiejszych rozwiązań dla precyzyjnych systemów pozycjonowania. Dlatego silniki te są bardzo często stosowane w maszynach i robotach CNC.

Zalety:

• Główną zaletą jest dokładność pracy. Gdy potencjały zostaną przyłożone do uzwojeń, silnik obróci się ściśle pod pewnym kątem;
• Niska cena;
• Nadaje się do automatyzacji poszczególnych mechanizmów i układów, gdzie nie jest wymagana duża dynamika.

Wady:

• Występuje problem „poślizgu” wirnika przy zwiększonym obciążeniu wału;
• Ograniczenie kroku (maksymalnie 1000 obr./min).

Serwo

Jest to rodzaj silników elektromechanicznych, które nie obracają się w sposób ciągły, jak silniki krokowe, ale poruszają się na sygnał do określonej pozycji i utrzymują ją do następnego sygnału. Są szeroko stosowane w różnych sektorach robotyki - od domowych mechanizmów po złożone androidy.

Serwonapędy wykorzystują mechanizm sprzężenia zwrotnego do obsługi błędów i korygowania ich w pozycjonowaniu. Taki system nazywa się śledzeniem. Jeśli jakaś siła wywiera nacisk na siłownik, zmieniając jego położenie, silnik zastosuje siłę w przeciwnym kierunku, aby skorygować powstały błąd. W ten sposób uzyskuje się wysoką dokładność pozycjonowania.

Zalety:

• Wyższa prędkość obrotowa;
• Wysoka moc;
• Pozycja mechanizmu jest zawsze widoczna i dostępna do korekty.

Wady:

• Zaawansowany system połączeń i sterowania;
• Wymaga wykwalifikowanej obsługi;
• Wysoka cena.

Napęd pneumatyczny

Silnik napędzający mechanizmy energią sprężonego powietrza. Głównym elementem jest tutaj sprężarka. Powietrze sprężone przez sprężarkę dostaje się do przewodów pneumatycznych, a następnie do silnika pneumatycznego. Ze względu na brak lepkiego medium, takie silniki mogą pracować z wyższą częstotliwością - prędkość obrotowa silnika pneumatycznego może sięgać dziesiątek tysięcy obrotów na minutę.
Ten typ napędu jest coraz częściej stosowany w robotyce, ponieważ charakteryzuje się niską płynnością pracy i dokładnością reakcji. Najbardziej racjonalne jest stosowanie go do mechanizmów o dwóch stanach - cofania i wypychania lub zamykania i otwierania.

Zalety:

• Prostota i oszczędność;
• Płyn roboczy nie jest ograniczony do określonej objętości i może być uzupełniany w przypadku wycieku;
• Zamiast kompresora można zastosować butlę ze sprężonym gazem, co upraszcza budowę układu pneumatycznego;
• Mniej wrażliwy na zmiany temperatury otoczenia.

Wady:

• Niższa wydajność;
• Wysoki koszt energii pneumatycznej w porównaniu z elektryczną;
• Ogrzewanie i chłodzenie gazu roboczego w sprężarkach, co może prowadzić do możliwości zamarznięcia układów lub odwrotnie, skraplania się pary wodnej z gazu roboczego.

Napęd hydrauliczny

Jeśli robot musi obsługiwać ładunki powyżej 100 kg, rozważ zastosowanie napędu hydraulicznego. Ten typ silnika wykorzystuje płyn do napędzania siłownika. Zasada działania napędu hydraulicznego polega na pompie, która wytwarza ciśnienie czynnika roboczego w przewodzie ciśnieniowym podłączonym do silnika hydraulicznego. Silnik przekształca ciśnienie płynu w ciśnienie mechaniczne. Jednocześnie regulatory sterują prędkością i kierunkiem ruchu silnika hydraulicznego.
Napędy te stosowane są głównie w robotyce przemysłowej. Ale zdarzają się przypadki ich użycia w innych prototypach, na przykład w słynnym dziele DARPA - robocie BigDog.

Zalety:

• Mały rozmiar i waga;
• Wysoka wydajność - rozwija siłę 25 razy większą niż siłownik pneumatyczny o podobnej wielkości;
• Płynna regulacja siły;
• Temperatura pracy - od -50 do +100C.

Wady:

• Przy wysokim ciśnieniu możliwy jest wyciek cieczy;
• Wysoki koszt sprzętu i konserwacji;
• Ciągłe zużycie energii;
• Trudno jest śledzić dokładność pracy.

Były to najbardziej podstawowe typy siłowników najczęściej stosowanych we współczesnej robotyce.

Budowa robotów i tworzenie różnych systemów automatyki cieszą się dużym zainteresowaniem nie tylko profesjonalistów, ale także początkujących radioamatorów.
Szybki rozwój technologii znajduje odzwierciedlenie we współczesnym rynku podzespołów radioelektronicznych. Ogromny wybór najróżniejszych mikrokontrolerów, czujników, przekaźników, kart rozszerzeń pozwala niczym projektant stworzyć kompleksowe rozwiązanie techniczne w domu.
Jeśli wcześniej konieczne było kontaktowanie się z wyspecjalizowanymi firmami w celu stworzenia i wdrożenia systemu Smart Home, teraz większość elementów można złożyć samodzielnie. Robotyka amatorska nie pozostaje w tyle za wzornictwem przemysłowym. Zmontowany robot domowy będzie poruszał się po zadanej trajektorii, ładował się z panelu słonecznego, mierzył temperaturę/wilgotność otoczenia i robił zdjęcia okolicy. To nie jest pełna lista tego, co można dodać, ale ten model jest już podobny pod względem funkcjonalności i logiki, na przykład do statku kosmicznego Curiosity, który bada planetę Mars.
Obecnie na nowo zaczęło odradzać się środowisko radiotechniczne, gdzie pod okiem doświadczonych nauczycieli młodsze pokolenie opanowuje robotykę. To nie tylko rozrywka, ale także ogrom pracy umysłowej, która wymaga znajomości matematyki, fizyki, informatyki.
Wiele prac można znaleźć w Internecie. Niektóre zasługują na szczególną uwagę:

Rozważ główne punkty, których będziemy potrzebować podczas projektowania i montażu robota.

Planowanie budżetu

Prace projektowe i montażowe robota rozpoczynają się od planowania budżetu. W zależności od zastosowanej funkcjonalności i zaplecza technicznego ostateczny koszt robota może być wysoki.
W przypadku większości projektów można używać nie tylko oryginalnych części zamiennych, ale także ich odpowiedników (kopii). To znacznie obniży koszty projektu. Wiele osób woli zamawiać części w chińskich sklepach internetowych. Koszt zamówienia z darmową wysyłką wygląda atrakcyjniej niż zakup tych samych części, ale z dużą marżą w Rosji.

Wybór platformy robota

Najbardziej popularne i niedrogie platformy to na kołach I gąsienica. Istnieje wiele gotowych komponentów dla tych platform, więc idealnie nadają się jako projekt startowy.
Platforma kołowa może mieć dowolną liczbę kół. Najczęściej spotykane są modele trzy i czterokołowe (2WD, 4WD). Ze względu na małą powierzchnię styku z podłożem platforma kołowa może się ślizgać.

Aby zmniejszyć utratę przyczepności, można zastosować gumowe opony.
Mają zwiększoną przepuszczalność śledzone platformy. Eliminują poślizgnięcia, mogą pokonywać różne sztuczne i naturalne przeszkody. Wadą platformy jest skomplikowana instalacja mechaniczna.
Roboty z kończynami może stabilnie poruszać się po bardzo nierównych powierzchniach. Ale główną wadą tej platformy jest złożoność kodowania i wysoki koszt końcowy.
Współczesny rynek oferuje wiele gotowych rozwiązań dla robotów powietrznych. Szczególnie popularne są quadrocoptery I helikoptery.
Roboty powietrzne idealnie nadają się do obserwacji i badania powierzchni z wysokości, eksploracji trudno dostępnych miejsc. Niektóre firmy aktywnie rozwijają i wykorzystują platformy powietrzne do dostarczania towarów. Istotną wadą platformy powietrznej jest częściowa, aw większości przypadków całkowita utrata całej konstrukcji podczas wypadku.

Aby zwiększyć funkcjonalność istniejących typów platform, stosuje się różne typy. manipulatory. Manipulatory mogą być wyposażone w jeden lub dziesięć unikalnych stopni swobody.
platformy wodne nie zostały powszechnie przyjęte. Stosowany głównie w dziedzinach naukowych i przemysłowych.

Dobór silnika do robota

Do wprawienia w ruch większości omówionych wyżej platform niezbędny jest silnik (silnik elektryczny). Jest to urządzenie, które zamienia energię elektryczną na energię mechaniczną. Wybór silników zależy od sposobu poruszania się robota.
Nadaje się do platform kołowych lub gąsienicowych Motoreduktor prądu stałego. Skrzynia biegów w tym przypadku umożliwia regulację momentu obrotowego. Wał po obu stronach silnika umożliwia zamontowanie enkodera, który pomaga określić kąt obrotu oraz odległość przebytą przez koło. Moc silnika jest obliczana na podstawie masy samego robota.

silnik krokowy porusza się równymi krokami. Silniki krokowe są napędzane impulsowo. Każdy impuls jest konwertowany na stopień, o który następuje obrót. Ten typ silnika montowany jest w robotach, gdzie wymagany jest niezwykle precyzyjny kąt ruchu.
Siłownik składa się z silnika prądu stałego, przekładni, elektroniki oraz obrotowego potencjometru mierzącego kąt. Kąt obrotu wynosi około 180 stopni. Serwomotory są powszechnie stosowane w ramionach robotów, robotach z kończynami.
W praktyce wiele modeli robotów zawiera różne typy silników. W przypadku sterowania scentralizowanego stosowane są sterowniki silników (osłona silnika).

Wybór sterownika silnika (sterownika).

Aby przekonwertować sygnały sterujące małej mocy na prądy wystarczające do sterowania silnikami, użyj sterowniki silników (Motor Shield)
Sterownik silnika może wykrywać tylko prędkość i kierunek silnika, ale nie może nimi sterować bezpośrednio ze względu na ograniczoną moc wyjściową. Dlatego zastosowanie sterownika silnika bez mikrokontrolera nie jest możliwe. Logika nowoczesnych sterowników silników pozwala na sterowanie różnymi typami silników zarówno osobno, jak i jednocześnie. Wybierając sterownik, należy zwrócić uwagę na napięcie znamionowe i prąd.
Specyfikacje zwykle wskazują zakres napięcia wejściowego i natężenie prądu, dla którego jest przeznaczony. Mimo wbudowanych układów zabezpieczających przed przeciążeniem nie należy podłączać silnika 5V do sterownika 3V.
Wyboru sterownika (sterownika silnika) należy dokonać po ustaleniu i zatwierdzeniu typu silników, które mają być zainstalowane w robocie.

Wybór systemu sterowania

Istnieje kilka sposobów sterowania robotem:

Sterowanie przewodowe
Najprostszym sposobem sterowania robotem jest przewodowy. Panel sterowania połączony jest z robotem za pomocą kabla. Nie wymaga skomplikowanych komponentów elektronicznych. Istotną wadą jest ograniczony ruch. Zakres regulacji zależy całkowicie od długości kabla. zbyt długi kabel będzie się ciągle plątał i plątał.

Sterowanie bezprzewodowe

sygnał podczerwieni

Pilot służy do sterowania robotem. W niektórych przypadkach możesz skonfigurować zwykłego pilota do telewizora. Na robocie zainstalowany jest czujnik podczerwieni, który jest podłączony do mikrokontrolera i przesyła do niego sygnały sterujące. Podobnie jak w przypadku pilota do telewizora, robotem można sterować z ograniczonej odległości w zasięgu wzroku czujnika podczerwieni.

Bluetooth

Podczas korzystania z technologii Bluetooth sterowanie robotem staje się możliwe za pomocą urządzeń obsługujących technologię Bluetooth (tablet, telefon komórkowy, komputer). Nie ma potrzeby znajdowania się bezpośrednio w zasięgu wzroku nadajnika, chociaż Bluetooth ma ograniczony zasięg (około 10-15 m).

Robotem można sterować z dowolnego miejsca z dostępem do internetu. Konieczne jest jedynie podłączenie modułu wi-fi robota do routera z dostępem do internetu.

GPRS/GPS

GPS służy do lokalizacji robota. Korzystając z nawigacji, możesz obliczyć kurs i odległość punktu trasy.
Tablice GSM dają możliwość wykonywania i odbierania połączeń z innych telefonów, wysyłania SMS-ów na dany numer poprzez naciśnięcie określonego przycisku. Tym samym wysyłając SMS-a z naszego telefonu komórkowego, będziemy mogli wysyłać polecenia do robota przez sieć GSM. Jednocześnie sam robot może być zlokalizowany w dowolnym miejscu, w którym jest zasięg sieci GSM.

Dobór mikrokontrolera

Jak wszyscy już wiemy, mikrokontroler to mikroukład przeznaczony do sterowania urządzeniami elektronicznymi. Jest to komputer jednoukładowy zdolny do wykonywania stosunkowo prostych zadań. Do interakcji ze światem zewnętrznym mikrokontroler jest wyposażony w styki, na których można włączyć (1) lub wyłączyć (0) sygnał elektryczny. Kołki mogą służyć do odczytywania sygnałów elektrycznych z różnych urządzeń i czujników.
Nowoczesne mikrokontrolery mają zintegrowany regulator napięcia. Dzięki temu mikrokontroler może działać w szerokim zakresie napięć, które nie wymagają od nas dostarczania dokładnego napięcia roboczego.
Istnieje bardzo wiele mikrokontrolerów, których można użyć, ale platforma sprzętowa Arduino stała się obecnie powszechna.
Dzięki wieloplatformowości, niskim kosztom, otwartej architekturze i prostocie języka programowania, Arduino stało się bardzo popularne wśród początkujących i profesjonalistów.
Popularnymi projektami, w których wykorzystywana jest platforma Arduino, jest budowa prostych systemów automatyki i robotyki. Za pomocą tej platformy możesz zorganizować inteligentny dom, zbudować domową stację pogodową, opanować robotykę.

telemetria

Do badania i mierzenia świata wokół robota wykorzystywane są różnego rodzaju czujniki. Z ich pomocą możemy dowiedzieć się, gdzie znajduje się nasz robot, określić odległość do obiektów, zmierzyć temperaturę/wilgotność/ciśnienie, zrobić zdjęcie terenu itp.
Odpowiednio dobrana płytka rozszerzająca znacznie uprości proces dodawania nowych typów czujników i uchroni nas przed koniecznością zmiany logiki bazowej na etapie projektowania.
Rozważ główne typy czujników, które są niedrogie i łatwe do zaprogramowania:

Czujniki kosmiczne

dalmierz ultradźwiękowy

Źródło ultradźwięków emituje sygnał pulsacyjny, a odbiornik odbiera odbicia sygnału od różnych przeszkód. Odległość do obiektu wyznaczana jest na podstawie analizy czasu przejścia sygnału w obie strony. W przeciwieństwie do dalmierzy na podczerwień, na czujnik ultradźwiękowy nie mają wpływu źródła światła ani kolor przeszkód. Najpopularniejszym dalmierzem ultradźwiękowym dla radioamatorów jest HC-SR04. Jest w stanie mierzyć odległości w zakresie od 2 do 450 cm.

Czujnik odległości IR

Zasada działania polega na analizie odbitego promieniowania podczerwonego diody LED czujnika od otaczających obiektów.
Przeznaczony do montażu w urządzeniach mechanicznych w celu określenia odległości od ruchomych części konstrukcji. Optoelektroniczny czujnik odległości Sharp GP2Y0A21YK0F jest wygodny w użyciu w projektach robotyki. Zasięg detekcji wynosi od 100 do 550 cm, co zapobiegnie kolizji robota z przeszkodą.

Czujniki położenia

Żyroskop pozwoli określić położenie i ruch urządzenia w przestrzeni: kąty przechyłu, przegłębienia (pochylenia) na podstawie wektora grawitacji oraz prędkości obrotowej. Podczas ruchu wyznacza przyspieszenie liniowe i prędkość kątową wokół własnych osi X, Y i Z oraz daje pełny obraz położenia.


Najpopularniejszy moduł oparty na układzie MPU6050. Moduł składa się z akcelerometru, żyroskopu i czujnika temperatury.

Czujniki klimatu

Cyfrowy czujnik temperatury i wilgotności pozwala na pomiar temperatury i wilgotności otoczenia.

Najczęściej spotykane czujniki to: . W porównaniu z czujnikiem DHT11, czujnik DHT22 charakteryzuje się dużą dokładnością pomiaru i może mierzyć temperatury poniżej 0.

Ciśnieniomierz umożliwia pomiar ciśnienia atmosferycznego. Do najbardziej przystępnych cenowo czujników ciśnienia należy czujnik BMP180. Czujnik posiada interfejs I2C dzięki czemu można go podłączyć do dowolnej platformy z rodziny Arduino.

Czujniki gazu

Analizatory gazów wykrywanie wycieków propanu, butanu, metanu i wodoru. Można je również wykorzystać do kontroli zadymienia w pomieszczeniach. W wyniku pomiarów czujnik generuje sygnał analogowy proporcjonalny do zawartości gazu. Jakość pomiarów zależy od temperatury i wilgotności otoczenia. Ten zestaw cech ma szerokozakresowy czujnik gazu MQ-2.

Czujniki światła

Czujnik światła pozwoli naszemu robotowi odróżnić dzień od nocy, pogodę słoneczną od pochmurnej, cień od światła. Przy odpowiedniej konfiguracji i dopracowaniu schematu połączeń, pozwoli to na zorientowanie paneli fotowoltaicznych urządzenia względem słońca.

Silnik (napęd, silnik) jest integralną częścią robota, która napędza nie tylko robota, ale także różne mechanizmy czy manipulatory, w które robot jest wyposażony. Jednym słowem silnik robota przetwarza energię elektryczną na energię ruchu.

W robotyce są głównie trzy typ silnika: Silniki prądu stałego, silniki krokowe, serwonapędy i typu RC (ze sterowaniem radiowym).

Jaki rozmiar, jaką moc silnika należy zastosować?

Jaki typ silnika jest bardziej odpowiedni dla konkretnego robota? Wszystko zależy od wybranej konstrukcji robota. W przypadku robota poruszającego się na kołach można wybrać kilka rodzajów konstrukcji:

• dwa koła napędowe są podłączone do jednego silnika, a pozostałe dwa koła się obracają. Jednym słowem robot wygląda jak samochód;
• dwa koła napędowe są połączone z jednym silnikiem i jedno koło jako kierownica;
• dwa koła są podłączone do dwóch różnych silników i jeszcze dwa koła jako wyważające ( najczęstsza opcja), okazuje się, że czołg na kołach.

Jeśli sklasyfikowamy moc silnika, otrzymamy:

• motoreduktory prądu stałego. Najmocniejszy silnik, może być stosowany w prawie każdym typie robota;
• serwomotory. Stosowany w robotach o masie poniżej 2,5 kg. oraz w typach robotów z nogami;
• silniki krokowe. Być może najsłabszy, stosowany w małych i lekkich robotach.

Przyjrzyjmy się pozytywnym i negatywnym stronom każdego z silników.

Silniki prądu stałego

Zalety:
- Łatwo dostępne na rynku
– Szeroka gama silników
- Najpotężniejszy
- Łatwy do podłączenia
- Niewymagane w przypadku dużych robotów

Wady:
- Za szybko, potrzebna skrzynia biegów
- duże zużycie
- Trudny montaż kół
- Drogi

Najlepszy dla:
- duże roboty

Serwomotory:

Zalety:
- Wbudowana skrzynia biegów
- Różnorodność
- nie tak drogo
- Odpowiednia moc dla małych robotów
- Łatwe do zainstalowania
— Średnie zużycie energii

Wady:
- Nie nadaje się do dużych robotów
- Dość niska prędkość

Najlepszy dla:
- małe roboty
- Roboty z nogami

Dwa lata temu, kiedy zaczynałem przygodę z multikopterami, musiałem zrobić mały plik . Ponieważ quadrocopter został pomyślany jako całkowicie autonomiczny, wszystko, czego wymagano od tego pilota, to sterowanie dronem podczas testowania i strojenia.

W zasadzie pilot poradził sobie całkiem dobrze ze wszystkimi powierzonymi mu zadaniami. . Ale były też poważne niedociągnięcia.

1. Baterie nie zmieściły się do obudowy, więc musiałem je przykleić do obudowy taśmą izolacyjną :)
2. Ustawienie parametrów odbywało się za pomocą czterech potencjometrów, które okazały się bardzo wrażliwe na temperaturę. W pokoju ustawiasz jakieś wartości, wychodzisz na ulicę - a one już są inne, odpływają.
3. Arduino Nano, którego użyłem w pilocie, ma łącznie 8 wejść analogowych. Cztery zajęły potencjometry strojenia. Jeden potencjometr służył jako gaz. Dwa wejścia zostały podłączone do joysticka. Tylko jedno wyjście pozostało wolne, a parametrów do skonfigurowania jest znacznie więcej.
4. Jedyny joystick wcale nie był pilotem. Sterowanie gazem potencjometrem też było dość przygnębiające.
5. A pilot nie wydawał żadnych dźwięków, co czasem jest niezwykle przydatne.

Aby wyeliminować te wszystkie niedociągnięcia, postanowiłem radykalnie przerobić pilota. Zarówno sprzęt, jak i oprogramowanie. Oto, co chciałem zrobić:

• Zrób dużą walizkę, abyś mógł włożyć do niej wszystko, co chcesz teraz (w tym baterie), a to, co chcesz później.
• Jakoś rozwiązać problem z ustawieniami, a nie poprzez zwiększenie ilości potencjometrów. Dodatkowo dodaj możliwość zapisywania parametrów w konsoli.
• Zrób dwa joysticki, jak na normalnych konsolach pilotów. Cóż, ustaw same joysticki ortodoksyjne.

Nowy budynek

Pomysł jest niezwykle prosty i skuteczny. Wycinamy dwie płyty z pleksi lub innego cienkiego materiału i łączymy je ze stojakami. Cała zawartość walizki jest przymocowana do górnej lub dolnej płyty.

Sterowanie i menu

Aby kontrolować kilka parametrów, musisz albo umieścić kilka potencjometrów na pilocie i dodać ADC, albo dokonać wszystkich ustawień za pomocą menu. Jak mówiłem, strojenie potencjometrami nie zawsze jest dobrym pomysłem, ale też nie należy z niego rezygnować. Postanowiono więc zostawić w pilocie cztery potencjometry i dodać pełnoprawne menu.

Przyciski są zwykle używane do poruszania się po menu i zmiany parametrów. Lewo prawo góra dół. Ale chciałem użyć enkodera zamiast przycisków. Wziąłem ten pomysł od kontrolera drukarki 3D.

Oczywiście w związku z dodaniem menu kod pilota powiększył się kilkukrotnie. Na początek dodałem tylko trzy pozycje menu: „Telemetria”, „Parametry” i „Przechowuj parametry”. Pierwsze okno wyświetla do ośmiu różnych wskaźników. Jak dotąd używam tylko trzech: zasilania bateryjnego, kompasu i wysokości.

W drugim oknie dostępnych jest sześć parametrów: współczynniki regulatora PID dla osi X/Y,Z oraz kąty korekcji akcelerometru.

Trzecia pozycja pozwala na zapisanie parametrów w pamięci EEPROM.

Joysticki

Długo nie zastanawiałem się nad wyborem joysticków pilota. Tak się złożyło, że pierwszy joystick Turnigy 9XR dostałem od kolegi z branży quadkopterów - Aleksandra Wasiljewa, właściciela osławionej strony alex-exe.ru. Drugi zamówiłem bezpośrednio w Hobbyking.

Pierwszy joystick był obciążony sprężyną w obu współrzędnych - do kontrolowania odchylenia i pochylenia. Drugi wziąłem to samo, a następnie przekształciłem go w joystick do kontrolowania ciągu i obrotu.

Odżywianie

W starym pilocie zastosowałem prosty regulator napięcia LM7805 zasilany wiązką 8 baterii AA. Strasznie nieefektywna opcja, w której 7 woltów poszło na podgrzanie regulatora. 8 baterii – bo pod ręką była tylko taka komora, oraz LM7805 – bo wtedy ta opcja wydawała mi się najprostsza, a co najważniejsze najszybsza.

Teraz postanowiłem być mądrzejszy i postawić na LM2596S w miarę wydajny regulator. A zamiast 8 baterii AA zamontowałem komorę na dwie baterie LiIon 18650.

Wynik

Składając to wszystko razem, otrzymaliśmy takie urządzenie. Widok wnętrza.

Tutaj z zamkniętą pokrywą.

Za mało nasadek na jednym potencjometrze i nasadkach na joystickach.

Na koniec film o tym, jak konfiguruje się ustawienia za pomocą menu.

Wynik

Fizycznie pilot jest zmontowany. Teraz jestem zajęty tym, że finalizuję kod pilota i kwadrokoptera, aby przywrócić ich dawną silną przyjaźń.

W trakcie konfigurowania pilota zidentyfikowano niedociągnięcia. Po pierwsze dolne rogi pilota opierają się o dłonie: (Pewnie trochę przeprojektuję blaszki, wygładzę rogi. Po drugie nawet wyświetlacz 16x4 to za mało na piękne wyjście telemetryczne - muszę zredukować parametr nazwy na dwie litery.W następnej wersji urządzenia zainstaluję wyświetlacz punktowy lub od razu matrycę TFT.