Исследование двухколесного мобильного робота, страница 6

Исследование двухколесного мобильного робота, страница 6 Квадрокоптеры
Содержание
  1. Начинаю использовать шаговики
  2. Что такое mecanum wheel?
  3. Основная идея: собрать робота, который сможет держать равновесие на двух колесах. под сборкой подразумевается конструирование и программа балансировки.
  4. А) основная динамическая модель робота тележки.
  5. 1-колесный робот
  6. 2 Масса
  7. 3Момент инерции системы
  8. 4 Датчик расстояния до пола.
  9. 2-колесный робот
  10. 1 Функциональная схема
  11. 2 Модель двухколесного робота-тележки.
  12. 3-колесный робот
  13. Автомобиль/трицикл/реечно-зубчатый привод
  14. Движение и состояние робота для плоскости
  15. Дизайн колесного робота mecanum
  16. Зубчатая передача
  17. Интегральное движение на плоскости
  18. Комбинированные мобильные роботы
  19. Конфигурации колесных роботов
  20. Летающие роботы
  21. Математические выкладки
  22. Мобильные роботы на гусеницах
  23. Мобильные роботы на колесах
  24. Наземные
  25. Оценка движения c помощью датчиков
  26. Оценка кругового 2d движения
  27. Плавающие роботы
  28. Планирование маршрута
  29. Платформа для робота
  30. Применение колесного робота mecanum
  31. Робот с дифференциальным приводом
  32. Сборка двухколёсной платформы [амперка / вики]
  33. Собственно чего стесняться, приведу ролик про сборку данного робота:
  34. Комплектующие для балансирующего робота
  35. Степени свободы движения
  36. Типы роботов
  37. Шагающие роботы

Начинаю использовать шаговики

Идея конструирования колесных роботов на шаговых моторах не новая, но для меня все было в первый раз.

Я посоветовался с теми, кто уже пробовал делать подобных роботов, но брать чужие механики за основу не стал. Меня заводила именно идея конструирования и моделирования ПО для робота самотсоятельно.

https://www.youtube.com/watch?v=qajBHFw0qxY

Надеясь сэкономить на шаговых моторах я приобрел пару довольно хороших но маломощных моторов, их я использовал в статье ранее. Смоделил и распечатал пару колес, и смоделировал и вырезал из фанеры корпус:

Первоначальные схемы робота я привожу:

В дальнейшем моторы были заменены на более мощные NEMA 17 (17hs4401) с номинальным током 1.7А и резистивным сопротивлением обмоток 1.8Ом . У старых двигателей номинальный ток был неизвестен, а вот сопротивление обмоток было около 26 Ом, что непозволяло мотору развивать достаточную мощность.

Что такое mecanum wheel?

Колесо Mecanum – это всенаправленное колесо, которое позволяет роботизированному транспортному средству двигаться в обе стороны и выполнять общее движение вперед и назад. Бенгт Эрланд Илон разработал идею колеса Mecanum, когда работал инженером в компании в Швеции. Он запатентовал эту идею в Соединенных Штатах 13 ноября 1972 года. Другое широко распространенное название – шведское колесо или колесо Илона, по имени основателя.

Основная идея: собрать робота, который сможет держать равновесие на двух колесах. под сборкой подразумевается конструирование и программа балансировки.

Проблемой балансировки я занялся сравнительно давно, а если точно около двух лет назад. Стумулом к этому послужило написание книги “Мобильные роботы на базе arduino”. Мне хотелось разобраться с балансировкой и я включил подобную главу в план книги, не имея никакого представления о том, как я буду конструировать.

А) основная
динамическая модель робота тележки.

Рисунок 16. Основная динамическая модель

1-колесный робот

Нелегко удерживать одноколесного робота в вертикальном положении без внешней поддержки из-за того, что он имеет единственную точку контакта с землей. Примеры одноколесного робота есть в экспериментальных прототипах роботов. Сферическое колесо оказывается более выгодным по сравнению с традиционным дисковым колесом, потому что оно позволяет роботу двигаться по сферическому контуру в любом направлении.

2 Масса

Для того чтобы рассчитать
момент инерции прежде всего следует поговорить о распределении масс в системе.

У основания оси находится два
двигателя, два редуктора, массы которых нам известны, также 2 аккумулятора,
нижняя площадка и колеса. Подсчитаем примерно суммарную массу в основании
робота:

-Двигатель, 2шт 0,25кг

-Редуктор, 2шт 0,25кг

-Аккумулятор, 2шт 1кг

-Колесо, 2шт 0,25кг

-Площадка, 1шт 0,5кг

Масса
при основании нашего робота равна 4кг.

В сумму масс на другом конце оси входят:

-Верхняя площадка

-«Глаза», 2шт

-Блок управления, 2шт

Примем
сумму этих масс равной 0,5кг.

Массу
самой оси, длина которой составляет 830мм примем также равной 0,5кг.  Соотношение
масс робота показано схематически на рисунке 12:

Рисунок 12. Соотношение масс балансирующего робота.

3Момент инерции системы

Для начала рассчитаем момент
инерции, приложенный к оси:

Исследование двухколесного мобильного робота, страница 6

Затем найдем момент инерции
верхней точки:

Исследование двухколесного мобильного робота, страница 6

И затем найдем момент инерции
нижней площадки:

Исследование двухколесного мобильного робота, страница 6

Далее найдем суммарный момент
инерции:

Исследование двухколесного мобильного робота, страница 6

4 Датчик расстояния до пола.

Итак, теперь нам необходимо
получить коэффициент передачи оптического датчика расстояния до пола.
Отклонение робота изображено схематически на рисунке 13:

Рисунок 13. Отклонение робота

Из рисунка 13 нетрудно
видеть, что робот отклоняется на некоторый  угол Исследование двухколесного мобильного робота, страница 6

А- расстояние от оси до
датчика равно 150мм.

В- расстояние от пола до
чувствительного элемента датчика 100мм.

Исследование двухколесного мобильного робота, страница 6Исследование двухколесного мобильного робота, страница 6

2-колесный робот

Эти типы роботов имеют либо параллельный конфигурация колес, называемая велосипедами, или тандемная конфигурация, в которой одно колесо находится впереди другого. Каждое колесо должно иметь датчик наклона и энкодер для расчета угла наклона и отслеживания местоположения базы соответственно.

Двухколесных роботов сложнее сбалансировать, чем других типов, поскольку, чтобы оставаться в вертикальном положении, они должны продолжать движение, а центр тяжести тела робота находится ниже оси.

Благодаря своей эффективности, двухколесные роботы в настоящее время распространены повсеместно. Вам нужно ездить с несколькими моторами и двумя колесами, но они также имеют свои недостатки. Они используют 2 колеса и должны сохранять свое вертикальное положение.

КОМНАТЫ представляют собой двухколесные пылесосы, которые передвигаются с помощью роботов и могут убирать поверхность помещения. В них используется датчик касания на передней панели и инфракрасный датчик, установленный наверху.

1 Функциональная схема

Рисунок 14. Функциональная
схема

На рисунке 14 используются следующие обозначения:

-МК (микроконтроллер)

-У (усилитель)

-ДВ (двигатель)

-Р (редуктор)

-Д1 («Глаза» робота)

-Д2 (Датчик расстояния до
пола)

-Д3 (Датчики полосы.
Предназначены для ориентирования робота на площадке с прочерченным маршрутом. Могут
устанавливаться вместо «глаз», либо совместно, но совместное использование
делает нашего робота универсальным. )

2 Модель двухколесного робота-тележки.

«Робот-тележка имеет два
активных колесных модуля, которые расположены симметрично на оси Z2
и фиксированы параллельно оси Z1.[Рисунок 15]

Рисунок 15. Робот-тележка.

Далее рассмотрим структурные
схемы моделей робота-тележки :

3-колесный робот

Есть два типа трехколесных роботов:

  • Дифференциально управляемый. (2 ведущих колеса с одним дополнительным свободно вращающимся колесом, которое используется для удержания корпуса для балансировки.)
  • 2-х приводные колеса с одним источником и 3rd колесо с гидроусилителем рулевого назначения.

Направление робота может изменяться в колесах с различным управлением, изменяя пропорциональную скорость вращения двух колес, которые управляются по-разному. Робот пойдет прямо, если оба колеса повернуты в одном направлении и с одинаковой скоростью. В противном случае центр вращения может упасть там, где на линии, соединяющей два колеса, в зависимости от скорости и направления вращения.

Центр тяжести такого робота должен находиться внутри треугольника, образованного колесами. Робот может опрокинуться, если на свободно вращающееся колесо положить огромную массу.

Автомобиль/трицикл/реечно-зубчатый привод

Такой тип роботов имеет два мотора — один для движения, другой для рулежки.

При условии, что отсутствует боковая пробуксовка колес, пересечем оси передних и задних колес, чтобы сформировать прямоугольный треугольник, и в результате получим:

Радиус траектории, которую описывают задние колеса:

За время Delta tvDelta tvDelta tDelta theta

Движение и состояние робота для плоскости

Если предположить, что робот ограничивается перемещением на плоскости, его местоположение может быть определено вектором состояния Xxxythetathetax^Wx^Rx^Rx = y = theta = 0

Дизайн колесного робота mecanum

Колесо Mecanum центрировано на неутомимом колесе, которое косо соединено по всей окружности своего обода с помощью набора прорезиненных внешних роликов. Обычно каждый из этих прорезиненных внешних роликов имеет ось вращения относительно плоскости колеса около 45 ° и ось вращения около 45 °.

В каждом колесном роботе Mecanum его колесо имеет свою трансмиссию и независимо от рулевого типа. Трансмиссия отвечает за создание движущей силы, которая поддерживает угол 90 ° с осью ролика во время вращения, которую можно разделить на продольную и поперечную компоненты вектора.

Дизайн Mecanum Wheel; Image Source: Mrmw, CC0, через Wikimedia Commons

Типичная конфигурация колесного робота Mecanum имеет четырехколесную конструкцию, что очевидно на одном из примеров всенаправленных мобильных роботов, называемых URANUS. Он имеет чередующиеся левый и правый боковые ролики с осями, параллельными диагонали рамы транспортного средства в верхней части колеса. Один из колесных роботов Mecanum: URANUS показан ниже.

Смотрите про коптеры:  Как собрать радиоуправляемый самолет - Микромодели

Колесные роботы Mecanum для передвижения с минимальными требованиями к скорости. Например:

Комбинация различных типов независимого движения колес в колесном роботе Mecanum с определенной степенью вращения облегчает движение транспортного средства во всех возможных направлениях.

Зубчатая передача

Двигатели постоянного тока, как правило, обладают высокой скоростью вращения и низким крутящим момент, поэтому зубчатая передача практически всегда необходима для управления роботом.

Если Передача 1 имеет крутящий момент t_1

на Передачу 2. Крутящий момент Передачи 2 поэтому

Изменение угловой скорости между Передачей 1 и Передачей 2 вычислим, рассмотрев скорость в точке где они соприкасаются:

Интегральное движение на плоскости

Получая перемещения робота в некоторые моменты времени, мы можем найти весь путь, пройденный роботом, просуммировав эти значения, или перейдя к пределу (при стремлении количества измерений rightarrow infty(x, y, theta)(x, y, theta)pi < theta le pi

Рассмотрим робота, который может только двигаться вперед или поворачиваться на месте:

При прямолинейном движении робота на расстояние Dalphaalpha

Комбинированные мобильные роботы

Ваша идея для создания робота может не относиться ни к одной из вышеперечисленных категорий. Возможно она может состоять из нескольких различных функциональных секций. Еще раз отметим, что данное руководство предназначено для мобильных роботов. Оно не годится для стационарных роботов или стационарных конструкций (кроме манипуляторов и захватов).

робот с манипулятором

Целесообразно учитывать при построении гибридной конструкции  использование модульного дизайна. Особенно актуально чтобы каждая  функциональная часть могла быть снята и проверена отдельно. Разные проекты могут включать роботов на воздушной подушке, змееподобные конструкции и многое другое.

  • Преимущества — проектируется и конструируется для удовлетворения конкретных потребностей и является многозадачным. Дополнительно может состоять из модулей, следовательно способно привести к повышенной функциональности и универсальности.
  • Недостатки — возможна повышенная сложность и стоимость. Отдельные детали должны быть специально спроектированы и изготовлены.

Конфигурации колесных роботов

Существует множество различных конфигураций мобильных роботов.

Есть те, которые применяются реже, например, двухколесная платформа сигвей (segway) с динамическим балансом обладает хорошей высотой при малой площади и достаточно большим ускорением.

Или марсоход Opportunity, который имеет колеса на штангах для преодоления больших препятсвий.

Но чаще применяются другие типы конфигураций.

Это простые, надежные, прочные механизмы, пригодные для роботов, которые в основном передвигаются по плоскости.

Все эти роботы неголономны (используется два двигателя, но три степени свободы движения). Например, автомобилеподобный робот не может мгновенно двигаться в сторону.

Летающие роботы

Автономный беспилотный летательный аппарат является очень привлекательным и полностью соответствует возможностям многих конструкторов. Однако преимущества создания автономных беспилотных летательных аппаратов, особенно если вы новичок, еще не перевешивают риски.

автономный робот квадрокоптер

При рассмотрении летательного аппарата, большинство тех, кто занимается робототехникой, все-таки используют существующие коммерческие решения. Это модели с дистанционным управлением самолета.

Беспилотные летательные аппараты, созданные профессионально, в основном используются для военных нужд.Они были изначально полуавтономные. Хотя в последние годы все чаще используются полностью автономные беспилотные летательные аппараты.

  • Преимущества — радиоуправляемые самолеты существуют уже на протяжении  многих десятилетий. Есть большие сообщества любителей. Они отлично подходят для наблюдения.
  • Недостатки — все инвестиции могут быть потеряны в одной аварии.

Математические выкладки

Длина шага моего робота при настройке делителя шага на 4:

Исследование двухколесного мобильного робота, страница 6, где r – радиус колеса

Расстояние, которое должен преодолеть робот, чтобы компенсировать свой наклон:

где Исследование двухколесного мобильного робота, страница 6 – собственно расстояние,
Исследование двухколесного мобильного робота, страница 6 – собственно расстояние,
Исследование двухколесного мобильного робота, страница 6
– расстояние от пола до центра масс робота, Исследование двухколесного мобильного робота, страница 6– угол наклона робота,
или приближенно:где Исследование двухколесного мобильного робота, страница 6– угол наклона робота,
или приближенно:где Исследование двухколесного мобильного робота, страница 6
– угол наклона робота в радианах (при углах до Исследование двухколесного мобильного робота, страница 6).

Перевести расстояние в шаги робота можно, используя следующий расчет:

Исследование двухколесного мобильного робота, страница 6– требуемое количество шагов робота.Данное количество шагов мы будем втискивать в рамки некоторого времени, а это уже не что иное, как скорость! И дополнительно приложим к нему коэффициент Исследование двухколесного мобильного робота, страница 6– требуемое количество шагов робота.Данное количество шагов мы будем втискивать в рамки некоторого времени, а это уже не что иное, как скорость! И дополнительно приложим к нему коэффициент Исследование двухколесного мобильного робота, страница 6 – получили пропорциональное звено.

Но если робот уже двигается, то его наклон произошел в рамках его собственной относительной системы координат и к рассчитанной скорости нужно прибавить ту скорость, с которой он уже двигается:

В старых роботах я это не учитывал!!!

Теперь займемся дифференциальным звеном. Робот может не только двигаться (ехать) по некоторой поверхности, но и иметь определенную (измеренную гироскопом) угловую скорость, иначе скорость падения, она также подлежит учету с некоторым коэффициентом, который, скорее всего, придется подбирать экспериментально:

где Исследование двухколесного мобильного робота, страница 6 – скорость изменения угла падения робота, Исследование двухколесного мобильного робота, страница 6 – скорость изменения угла падения робота, Исследование двухколесного мобильного робота, страница 6 – коэффициент влияния скорости падения робота на результат (скорость шагового привода).

Теперь зададим себе вопрос, а что если ось равновесия робота немного отклонена? И расчетное значение нуля по показаниям гироскопа с акселерометром (комплементарного фильтра) не будут совпадать с реальным значением сбалансированного положения робота.

У меня это несовпадение было около 3-х градусов.

Конечно, эту величину можно найти, добившись состояния робота, когда он стоит на месте и не катиться в одну из сторон, но можно попробовать впихнуть в робота возможность самостоятельного нахождения этого смещения.

Этим займется Интегральное звено.

Исследование двухколесного мобильного робота, страница 6, где Исследование двухколесного мобильного робота, страница 6, где Исследование двухколесного мобильного робота, страница 6 – значение интеграла, Исследование двухколесного мобильного робота, страница 6 – коэффициент влияния интегрального звена (как правило, он меньше 1.0).

И итоговая формула выглядит так:

А если на чистоту, то у меня получилось так:

Исследование двухколесного мобильного робота, страница 6,где Исследование двухколесного мобильного робота, страница 6,где Исследование двухколесного мобильного робота, страница 6 – немного больше 1.0

Теперь перейду к программе, я попытался максимально сэкономить на расчетах,

Запрос состояния MPU-5060 занимает не менее 1.4 миллисекунды, мои расчеты около 0.6 миллисекунд в старой программе.

Но теперь придется управлять шаговыми моторами, а значит работать с прерываниями.

Я программировал на ArduinoNANO (ATmega328), у данного контроллера только один 16 разрядный таймер, а управлять нужно отдельно шагами двух моторов!

Вот что получилось, я использовал библиотеку Timer1, хотя и не очень обоснованно:

Запрос к гироскопу акселерометру проходит каждые 5 милисекунд (200 раз в секунду), если реже, то накапливается погрешность, теряется точность

А вот корректировка скорости робота осуществляется всего 10 раз в секунду.

Много ресурсов забирает прерывание, которое срабатывает каждые 12 микросекунд и запускает перерасчет шагов обоих моторов. Если использовать контроллер, который имеет 2а 16ти-разрядных таймера, этой проблемы можно избежать (например, ArduinoMega). Более того, становиться возможным использование микрошага 8 и 16, что повышает точность отработки робота.

Также много ресурсов потребляла эмуляция последовательного порта библиотекой SoftwareSerial, от нее пришлось отказаться, а управление роботом осуществляется по D0-D1 аппаратному порту, который не расходует ресурсы основного логического ядра контроллера – реализован аппаратно.

Чтобы BT-адаптер не мешал при прошивке робота, он запитывается отдельно.

Перед включением, робота следует положить и не трогать, он подсчитает смещение нуля гироскопа, а когда замигает 13 светодиод (D13) (через 3 сек.) поднять его в положение балансировки.

Собственно пока все, программу прилагаю, схема робота в предыдущем ролике.

Забыл рассказать, за счет чего робот двигается:

Исследование двухколесного мобильного робота, страница 6,где Исследование двухколесного мобильного робота, страница 6,где Исследование двухколесного мобильного робота, страница 6 – заданная скорость робота.

А повороты осуществляются смещением скоростей колес в разную сторону на константу.

Мобильные роботы на гусеницах

Платформа для робота на гусеницах используются в моделях по типу танка. Гусеницы не обеспечивают дополнительную “силу” (крутящий момент). Прежде всего они уменьшают скольжение и более равномерно распределяют вес робота.

Смотрите про коптеры:  Простые поделки из цветной бумаги для младших школьников

Следовательно это делает их полезными на рыхлых поверхностях, таких как песок и гравий. Кроме того, трек-системы с определенной степенью гибкости могут лучше соответствовать неровной поверхности. Наконец, большинство людей сходятся в том, что гусеницы танков также добавляют роботу “агрессивный” вид.

робот танк
робот танк
  • Преимущества — постоянный контакт с землей предотвращает скольжение, которое может быть у колес. Равномерно распределенный вес помогает использовать робота на различных поверхностях. Наконец, робот может быть использован для увеличения дорожного просвета робота без использования больших колес.
  • Недостатки — при повороте возникает боковое усилие, которое действует на поверхность. Это может привести к износу гусениц. Так звездочка, используемая для гусениц, может существенно ограничить количество двигателей, которые могут быть использованы. Почти всегда приводит к повышенной механической сложности соединений и натяжению гусениц.

Мобильные роботы на колесах

Самый популярный метод, обеспечивающий подвижность робота и использующийся для передвижения роботов разных размеров и роботизированных платформ. Колеса могут быть любого размера, от нескольких сантиметров до 30 см и более. Настольные роботы, как правило, имеют маленькие колеса, обычно около 5 см в диаметре. Роботы могут иметь любое количество колес, хотя 3 и 4 являются наиболее распространенными.

робот на колесах
робот машинка на колесах

Обычно трехколесный робот использует два колеса и шаровую опору на другом конце. Более сложные двухколесные платформы для робота могут использовать гироскопическую стабилизацию.

Это более редко встречается, так как колесный робот не может для поворотов использовать ничего, кроме управления заносом (как у танка). Реечное рулевое управление, например, как у автомобиля требует слишком много деталей, сложность и затраты перевешивают преимущества.

Четырех и шести колесные роботы имеют преимущество при использовании нескольких приводных двигателей. Каждый из которых подключен к одному колесу, что уменьшает скольжение. Также колеса могут дать роботу значительное преимущество в мобильности.

  • Преимущества — низкая стоимость по сравнению с другими методами, простой дизайн и конструирование. Дополнительно богатство выбора — шесть колес или более могут конкурировать с системой на гусеницах. Отличный выбор для начинающих
  • Недостатки — может потерять тягу (скольжение), малая площадь контакта. Прежде всего под каждым колесом находится небольшая прямоугольная площадка или линия для контакта с землёй.

Наземные

Наземные роботы, особенно на колесах – это самые популярные мобильные роботы среди начинающих, так как они обычно требуют меньше инвестиций. Самый сложный тип роботов человекоподобное существо (похожее на человека), так как требует много степеней свободы и синхронизация движения многих моторов, и использует множество датчиков.

Оценка движения c помощью датчиков

Очень часто, робот оценивает свое движение путем мониторинга собственных датчиков. Это может быть, например напряжение электродвигателя и колесные датчики. Эта информация называется одометрией.

Например, на основе очень простой оценки:

Пройденное расстояние пропорционально напряжению и времени. Здесь Kкалибровки.

Энкодеры дают большую точность измерения числа оборотов колес. Информация с энкодера может быть преобразована в линейное расстояние умножением на постоянный радиус колеса. Но все же, как правило, для большей точности, все равно проводится калибровка.

Оценка кругового 2d движения

Для случаев и дифференциального и трехколесного роботов мы можем получить выражения для RDelta thetaDelta theta

Плавающие роботы

Растет число любителей, институтов и компаний которые разрабатывают беспилотные подводные аппараты. Много препятствий еще предстоит преодолеть, чтобы сделать подводных роботов привлекательным для более широкого роботизированного сообщества. Хотя в последние годы несколько компаний предлагают роботов по очистке бассейнов.

подводный робот
плавающий робот

Подводные аппараты могут использовать балласт (сжатый воздух и затопление отсеков), двигатели, хвост и плавники или даже крылья, для погружения. Надводные модели – это, как правило, различные радиоуправляемые лодки и катера.

  • Преимущества — большая часть нашей планеты — это вода, так что можно проводить много исследований и совершать новые открытия. Их дизайн почти всегда  уникален и испытания можно проводить в бассейне.
  • Недостатки — робота можно потерять многими способами (затопление, утечка, запутался…). Следовательно нужна хорошая защита большинства электронных частей от проникновения воды. Наконец глубины свыше 10 метров и более могут потребовать значительных вложений в исследования. Очень  мало робототехнических сообществ может оказать помощь. Почти всегда ограниченные возможности беспроводной связи.

Планирование маршрута

Если предположить, что роботу известно местоположение, и как оно относится к мировой системе координат, то планирование маршрута на основе его местоположения позволит ему двигаться по точному пути вдоль последовательности заранее определенных точек. Различные криволинейные траектории могут быть спланированы, с оптимизацией таких критериев, как время движения по маршруту или потребление энергии. Здесь я рассмотрю конкретный, достаточно простой случай, предполагая, что:

На первом шаге планирования маршрута, предположим, что текущее положение робота (x, y, theta)(W_x, W_y)(W_x, W_y)alphaalphaalpha-pi < alpha le frac{pi}{2}

Платформа для робота

Платформа для робота имеет не самое последнее значение. Теперь после первого шага, у вас есть базовое понимание того, что такое роботы и для чего современные роботы предназначены. Настало время определиться с типом робота, который вы собираетесь конструировать. Индивидуальный дизайн робота часто начинается с “видения” того как робот будет выглядеть и что он будет делать.

платформа робот андроид
робот андроид

Применение колесного робота mecanum

Всенаправленное движение и исключительная маневренность в перегруженных средах, обеспечиваемые колесным роботом Mecanum, нашли свое применение в следующих областях:

  • Колесный робот Mecanum используется в различных военных и поисково-спасательных миссиях.
  • Колесный робот Mecanum также полезен при исследовании планет, например, MarsCruiserOne, который представляет собой концептуальный обитаемый марсоход для будущих космических миссий.
  • Колесный робот Mecanum также используется в шахтах, что требует хорошей мобильности в ограниченном пространстве.
  • Вилочные роботы-погрузчики Mecanum используются для перевозки грузов, что обеспечивает эффективную мобильность и управление складскими помещениями.
  • Колесный робот Mecanum используется в инновационном проекте для инвалидных колясок, например, OMNI, поскольку колесный робот Mecanum обеспечивает высокую мобильность в сложной среде и более высокую степень независимости.

Заинтересованы в датчиках роботов? Кликните сюда .

Робот с дифференциальным приводом

Такая конфигурация используется в роботах-пылесосах.

Робот с дифференциальным приводом имеет два мотора, по одному на каждое колесо (на рисунке — это большие колеса). Изменение направления движения достигается за счет разных скоростей (отсюда и название — дифференциальный).

Обозначим скорости колес (линейные скорости с которыми они «покрывают» поверхность) V_LV_RV_RWRRDelta tDelta thetaDelta theta

Сборка двухколёсной платформы [амперка / вики]

В статье дана инструкция по сборке и оживлению двухколёсной платформы Turtle
. Мы произведём монтаж моторов, управляющей электроники и научим её кататься по заданному алгоритму.

Итак, платформа поставляется в виде набора деталей:

Исследование двухколесного мобильного робота, страница 6

Из этого набора можно собрать классическую платформу двухколёсного мобильного робота.

Платформа имеет средние размеры, что позволяет использовать её, например, на столе. При этом на ней много места для удобного размещения как управляющих плат вроде Arduino Uno или Mega 2560, так и разнообразных датчиков; есть штатное место для сервопривода, который может служить основанием для радара или манипулятора. Все это удобно крепится на платформе в штатные отверстия и позволяет попробовать многие базовые функции мобильного робота, не прибегая к дрели и напильнику.

Первое, что нужно сделать — это припаять провода к моторчикам. При пайке надо быть осторожным: пластик вокруг контактов очень нежный и легко плавится. Затем надо прикрутить моторчики к основанию платформы и установить все колёса на место.
Третье колёсико, представляющее металлический шарик в обойме, крепится двумя винтиками, они легко отличимы: таких в наборе всего два.

Вот, что примерно должно получиться:

Исследование двухколесного мобильного робота, страница 6

Обычно такая платформа приобретается для экспериментов, а значит будет собираться и разбираться снова и снова. Дабы не проверять на прочность контакты моторчиков, провода можно закрепить нейлоновой стяжкой.

Исследование двухколесного мобильного робота, страница 6

Полярность подключения моторов задаётся программно, но чтобы не путаться, провод с чёрной полосой лучше подключить к минусу, красный — к плюсу.

Как видно на фото выше, провод лучше не разрезать на два отдельных перед тем, как припаивать. Так будет проще отрезать его на нужную длину. А оставшийся кусочек пригодится для подключения электроники, установленной на верхней палубе.

Смотрите про коптеры:  Компактные роботы Brokk для демонтажных работ

В комплект платформы включён разъём внешнего питания с возможностью отключения минусового контакта, это позволяет использовать его в зависимости от схемы включения либо для внешнего питания робота, либо для зарядки аккумуляторов платформы. На фотографии ниже — вариант распайки для внешнего питания.
В этом случае при включении разъёма внешнего питания в гнездо, кассета с батареями отключается.

Исследование двухколесного мобильного робота, страница 6

Мы будем использовать Arduino Uno и Motor Shield для управления роботом.

Исследование двухколесного мобильного робота, страница 6

Чтобы подключить управляющую плату к батарейному отсеку, потребуется штекер питания с внутренним отверстием 2,1 мм.

Исследование двухколесного мобильного робота, страница 6

Будьте внимательны, проверьте полярность подключения питания! Центр штекера, в соответствии с документацией, должен быть подключен к плюсу; соответственно, внешняя часть штекера — к минусу (земле).

Чтобы соответствовать программному коду из примера ниже, моторчики соединены с Motor Shield так: правый — к клеммам M1 с прямой полярностью (плюс к плюсу), а левый — к M2 с обратной (плюс к минусу).

Для установки плат на платформу в комплекте идут латунные стоечки.

Для крепления Arduino Uno на платформе предусмотрено три отверстия. Четвёртое можно просверлить или просто прикрутить стоечку не к платформе, а к самой плате, перевернув её.

Вот, что в результате должно получиться:

Исследование двухколесного мобильного робота, страница 6

После сборки, как и положено, останутся «лишние детали», они пригодятся,
когда в последствии вы захотите закрепить на платформе сенсоры или другую перифирию.

Исследование двухколесного мобильного робота, страница 6

Теперь осталось написать скетч и загрузить его в микроконтроллер Ардуино.

Для создания скетча вам понадобится: среда программирования Arduino IDE, обычный USB-кабель и компьютер.

Вот пример кода, который управляет моторами платформы:

Chassis2WD.pde
// Моторы подключаются к клеммам M1 ,M1-,M2 ,M2-  // Motor shield использует четыре контакта 6,5,7,4 для управления моторами 
 
#define SPEED_LEFT      6#define SPEED_RIGHT     5 #define DIR_LEFT        7#define DIR_RIGHT       4
 
void go(int speed, bool reverseLeft, bool reverseRight,int duration){// Для регулировки скорости `speed` может принимать значения от 0 до 255,// чем болше, тем быстрее. 
    analogWrite(SPEED_LEFT, speed);
    analogWrite(SPEED_RIGHT, speed);
    digitalWrite(DIR_LEFT, reverseLeft ? LOW : HIGH); 
    digitalWrite(DIR_RIGHT, reverseRight ? LOW : HIGH); 
    delay(duration);}
 
void setup(){// Настраивает выводы платы 4,5,6,7 на вывод сигналов for(int i =4; i <=7; i  )     
        pinMode(i, OUTPUT);} 
 
void loop(){// Задержка 5 секунд после включения питания 
    delay(5000); 
 
    // Cекуда с небольшим вперёд 
    go(150,false,false,1100);
 
    // Разворот на 180 градусов  
    go(125,true,false,1350);
 
    // Две секуды с небольшим вперёд 
    go(150,false,false,2200);
 
    // Разворот на 180 градусов в другую сторону 
    go(125,false,true,1300);
 
    // Cекуда с небольшим вперёд 
    go(150,false,false,1200);
 
    // Поворот на 90 градусов 
    go(125,true,false,680);
 
    // Медленно назад полторы секунды 
    go(100,true,true,1500);
 
    // Остановка до ресета или выключения питания 
    go(,false,false,);
 
    // Всё, приехалиwhile(true);}

Результат исполнения этого скетча представлен на видео:

Итак, из груды деталей мы собрали основу для мобильного робота, который действует по заданному алгоритму. Да, у него нет связи с внешним миром, он не понимает где он находится. Но ведь это только начало! Вдохнуть разумную жизнь помогут различные сенсоры, устройства дистанционного управления и ваша фантазия!

Материал подготовил Дмитрий Кунин

Собственно чего стесняться, приведу ролик про сборку данного робота:

Комплектующие для балансирующего робота

№ пунктаНазваниеКоличество
1Корпус (я смоделировал его и выфрезеровал из 3мм фанеры), но можно сделать из пластиковых линеек1
2бокс аккумуляторный (стандартный подпружиненый, по 2шт аккумулятора в бокс)2
3аккумумляторы 18650 литиевый 3.7В (соединены последовательно), желательно высокого качества4
4драйвер шаговых моторов DRV8825, потребуется установить радиатор, я установил его с обратной стороны на плату (на рассеивающую метализацию)2
5выключатель (должен держать импульсные токи до 4 ампер)1
6гироcкоп-акселерометр MPU-6050 (берегитесь подделки)1
7стабилизатор напряжения 5В  (7805),  (питание BT-приемопередатчика), данный стабилизатор позволил оставлять HC-05 без напряжения, при подключении робота к компьютеру по USB.1
8конденсаторы  электролиты 16в 200мкф (требуются на вход и выход стабилизатора 7805 5в)2
9конденсаторы электролиты 25в 2000мкф (на входы питания шаговых драйверов – по инструкции подключения)2
10конденсаторы керамика 104 100нф (везде где только можно) на питание гироскопа, arduino, HC-05 (убираем высокачастотные помехи)2
11провода силовые и сигнальные (толстые и тонкие)по потребности
12Bluetooth-приемопередатчик HC-05/HC-06 (через него рулим роботом)1
13шаговые моторы NEMA 17 (17hs4401)2
14 Колеса капролоновые 77мм диаметр (самофрезерованные)2
15Arduino NANO (не лучший вариант – лучше Mega или ESP8266), но что было под рукой1
16Диод на цепь питания Arduino NANO. Подцепил их последовательно для снижения питания от 4 последовательно соединенных 18650 (напряжение может достигать 18в), а каждый диод гасит немного на себе. Кроме того при программирование напряжение не наводится на силовые цепи робота4

Степени свободы движения

Число степеней свободы определяет минимальное количество независимых переменных (обобщённых координат), необходимых для полного описания движения механической системы.

Твердое тело, которое перемещается и вращается двигаясь по одномерному пути имеет одну степень свободы — поступательную. В качестве примера можно привезти поезд, движущийся по рельсам.

Твердое тело, которое перемещается и вращается на плоскости имеет 3 степени свободы: 2 поступательных и 1 вращательную. Пример: наземный робот.

Твердое тело, которое перемещается и вращается в 3D-объеме имеет 6 степеней свободы: 3 поступательных и 3 вращательных. Пример: летающий робот.

Особый случай — это так называемый голономный робот, который способен перемещаться мгновенно в любом направлении в пространстве его степеней свободы (робот является голономным если число управляемых степеней свободы равно полному числу степеней свободы).

На видео показан пример четырехколесного робота со всенаправленными колесами.

Типы роботов

Типы возможных роботов не ограничены, однако наиболее популярными являются:

  • Наземные — колесные, гусеничные и шагающие роботы
  • Летающие — самолеты, вертолеты и дирижабль
  • Плавающие — лодки, подводные лодки, и плавающие роботы
  • Роботы смешанного типа
  • Стационарные манипуляторы

Этот урок предназначен для того, чтобы помочь вам решить, какой тип робота нужен для выполнения вашей задачи. Ранее вы думали о том, какие задачи или функции должен выполнять ваш робот (после 1 урока).  Теперь вы можете выбрать тип робота, который будет наилучшим образом подходить для ваших потребностей. Ниже вы найдете описание всех основных видов роботов.

Шагающие роботы

Постоянно увеличивается количество роботов, которые используют ноги для передвижения. Ноги часто предпочитают для роботов, которые должны ориентироваться на очень неровной местности. Большинство любительских роботов разрабатываются с шестью ногами. Платформ для робота с ногами позволяет роботу быть статически уравновешенным за счет сохранения равновесия все время на трех ногах.

шагающий робот

Вторые роботы требуют “динамическую стабильность”. Это означает, что если робот перестает двигаться на полушаге, то он может упасть. Исследователи проводили эксперименты с моноподом – одноногая прыгающая конструкция. Хотя на двух, четырех и шести  ногах являются самыми популярными.

  • Преимущества — ближе к органическим или естественным движениям. Потенциально могут преодолеть большие препятствия и идти по сильно пересеченной местности
  • Недостатки — повышенная механическая, электронная и программная сложность — не самый простой способ в робототехнике. Прежде всего нужен малый  размер батареи, несмотря на увеличение потребности в электроэнергии. Высокая  стоимость конструирования.
Оцените статью
Радиокоптер.ру
Добавить комментарий

Adblock
detector