Proiectarea constructiv-funcțională a sistemului de locomoție a unui robot mobil autonom acționat cu motoare de curent continuu. [301489]

Licență

Proiectarea constructiv-funcțională a sistemului de locomoție a unui robot mobil autonom acționat cu motoare de curent continuu. [301489]

Byadmin ianuarie 1, 2024

UNIVERSITATEA ,,LUCIAN BLAGA” DIN SIBIU

FACULTATEA DE INGINERIE

Specializarea: MECATRONICĂ

LUCRARE DE DIPLOMĂ

Coordonator științific:

Prof. Univ. Dr. ing. Sever-Gabriel RACZ

Absolvent: [anonimizat], 2017

UNIVERSITATEA ,,LUCIAN BLAGA” SIBIU

FACULTATEA DE INGINERIE

Specializarea: [anonimizat] a sistemului de locomoție a unui robot mobil autonom acționat cu motoare de curent continuu.

[anonimizat] a sistem de prehensiune acționat cu servomotoare de curent continuu.

Coordonator științific:

Prof. Univ. Dr. Ing. Sever-Gabriel RACZ

Absolvent: [anonimizat], 2017

Rezumat

Principalul scop al acestei lucrări este acela de a [anonimizat] a unui sistem de locomatie pentru un robot mobil și de realizare a unui sistem de prehensiune.

În primul capitol al acestei lucrării este prezentată o [anonimizat] a acestora. Tot în acest capitol este prezentat și temă și concursul european de robotică Eurobot.

Al dolilea capitol se deschide cu o scurtă descriere a roboților mobili și o clasificare a roboților. În cea de-a doua parte a [anonimizat], [anonimizat] a unui sistem de locomoție diferențial și a unui sistem de prehensiune.

În capitolul patru este prezentată partea de proiectare tridimensională a sistemului de locomoție și a sistemului de prehensiune ținând cont de modelarea matematică de la capitolul anterior. Poiectarea am realizat-o în programul de proiectare Căția V5R20.

Capitolul cinci reprezintă partea experimentală și se deschide cu prezentarea componentelor din construcția robotului și a prehensorului, iar în cea de-a doua parte a capitolului este prezentat întregul ansamblul robot

Ultimul capitol este reprezentat de concluziile apărute în urma testării robotului și rezultatelor obținute.

[anonimizat] a copia lumea vie. Testul de maturitate pentru un student: [anonimizat] 2017

Noțiunile dobândite în cadrul Facultății de Inginerie, m-[anonimizat] a [anonimizat] 2014-2015.

Din cauza faptului că tema concursului Eurobot se schimba de la an la an este nevoie de a proiecta noi mecanisme în fiecare an în speranța îndeplinirii cât mai bine a sarcinilor impuse de către organizatori.

Sistemul de locomoție al robotului este unul foarte important datorită faptului că precizia de poziționare a robotului pentru a ajunge în punctele dorite este foarte importantă. Astfel controlul poziției robotului pe masa de joc se realizează cu ajutorul controlului PID. Determinarea poziției robotului pe masa de joc se face cu ajutorul unui sistem senzoristic ce consta din două encoder incrementale rotative.

Capitolul 1

Introducere

1.1 Mecatronica

Cuvântul "mecatronică" a [anonimizat]ration. Cuvântul "mecatronică" a fost înregistrat ca marcă comercială de către compania din Japonia cu numărul de înregistrare "46-32714" în 1971. Cu toate acestea, după aceea, compania a eliberat dreptul de a folosi cuvântul în public, iar cuvântul "mecatronică" să răspândit în restul lumii. În prezent, cuvântul este tradus în fiecare limbă și cuvântul este considerat un termen esențial pentru industrie.

Un inginer mecatronic unește principiile mecanicii, electronicii și calculului pentru a genera un sistem mai simplu, mai economic și mai fiabil. Termenul de "mecatronică" a fost inventat de Tetsuro Mori, inginerul principal al companiei japoneze Yaskawa în 1969.

Mecatronica este o multidisciplina care include o combinație între ingineria mecanică, electrică, calculatoarelor și controlului. Pe măsură ce tehnologia avansează, aceasta se împarte în mai multe subdomenii inginerești. Scopul mecatronicii este de a unifica aceste subdomenii. Inițial, mecatronica se definea ca o combinație între mecanică și electronic, “meca” + “tronica”. Cu toate acestea, deoarece sistemele tehnice au devenit tot mai complexe, definiția a fost extinsă pentru a include mai multe domenii tehnice.

Fig. 1.1 Conceptul de mecatronica

Standardul francez NF E 01-010 oferă următoarea definiție: "abordarea care urmărește integrarea sinergică a mecanicii, a electronicii, a teoriei de control și a informaticii în designul și fabricarea produsului pentru a-și îmbunătăți și / sau optimiza funcționalitatea". Mulți oameni tratează "mecatronica" ca un cuvânt cheie modern, sinonim cu "ingineria electromecanică"

Un robot industrial este un prim exemplu al unui sistem mecatronic. Include aspecte ale electronicii, mecanicii și calculatoarelor pentru a-și desfășura activitatea de zi cu zi. Ingineria cibernetică se ocupă de problema ingineriei de control a sistemelor mecatronice. Acesta este folosit pentru a controla sau regla un astfel de sistem. Prin colaborare, modulele mecatronice îndeplinesc obiectivele de producție și înmulțesc proprietățile de producție flexibile și agile în schema de producție.

Echipamentele moderne de producție sunt alcătuite din module mecatronice care sunt integrate conform unei arhitecturi de control. Cele mai cunoscute arhitecturi implică ierarhie, poliarhie, heterarhie și hibrid. Metodele de realizare a unui efect tehnic sunt descrise de algoritmi de control, care ar putea sau nu să utilizeze metode formale în proiectarea lor.

Sistemele hibride importante pentru mecatronică includ sistemele de producție, sisteme de sinergie, platforme de explorare planetară, subsisteme auto, cum ar fi sisteme de frânare anti-blocare și asistență prin rotație și echipamente de zi cu zi, cum ar fi camerele cu autofocus, video, hard disk-uri și playere CD.

Primul program de educație mecatronică, din lume, a fost introdus în Japonia, în anul 1978, la Universitatea Tehnologică din Toyohashi. Învățământul mecatronic fiind introdus mai apoi și în licee și colegii.

În 1986 Comitetul Consultativ pentru Cercetare și Dezvoltare Industrială al Comunității Europene recunoaște ca mecatronica este una din nevoile majore pentru cercetarea europeană și programele educaționale și definește mecatronica ca “o îmbinare sinergetică intre ingineria Mecanică de precizie, controlul electronic și gândirea sistemica în proiectarea produselor și proceselor; este o tehnologie interdisciplinară care unește disciplinele de baza amintite și include deopotrivă domenii care, altfel, normal, nu ar putea fi associate”.

În România în 1991 se introduce specialitatea de mecatronica la Universitățile din Suceava, Iași și Brașov, iar mai apoi în Universitățile din Cluj, București și Timișoara. În 1999 s-a infintat Consiliului Național pentru Educație Tehnologică și Inovare (CNTI) în cadrul căruia s-a dorit elaborarea unui Program Național de Educație Mecatronică.

Printer cele mai importante concept în mecatronica sunt:

Robotică

Cibernetică

Inteligenta artificială

Flexibilitatea

1.2 Robotică

Istoria roboților își are originea pe lumea antică. Conceptul modern a început să fie dezvoltat odată cu lansarea Revoluției Industriale, care a permis utilizarea mecanicii complexe și introducerea ulterioară a energiei electrice. Acest lucru a făcut posibilă alimentarea cu mașini cu motoare compacte mici. La începutul secolului al XX-lea, să dezvoltat noțiunea de mașină umanoidă. Astăzi, acum este posibil să se ia în considerare roboți de dimensiuni umane cu capacitatea de a gânduri și mișcări apropiate umane.

Primele utilizări ale roboților moderni au fost în fabrici că roboți industriali – mașini fixe simple capabile să execute sarcini fără a fi nevoie de asistență umană. Roboții industriali controlați digital și roboții care utilizează inteligența artificială au fost construiți încă din anii 1960.

Cuvântul robotica a fost derivat din robot, care a fost introdus publicului de către scriitorul ceh Karel Čapek în piesă să R.U.R. (Roboți universali Rossum), care a fost publicat în 1920. Cuvântul robot provine din limba slavă “robota” care înseamnă muncă.

Piesa începe într-o fabrică care face artiști artiști numiți roboți, creaturi care pot fi confundate cu oamenii – foarte asemănătoare cu ideile moderne ale androizilor. Karel Čapek însuși nu a mărturisit cuvântul. El a scris o scurtă scrisoare referindu-se la o etimologie din Dicționarul Englez din Oxford, în care și-a numit fratele Josef Čapek drept origine.

Potrivit dicționarului englezesc, cuvântul robotică a fost folosit pentru prima dată de Isaac Asimov, în povestea lui științifico-fantastic "Liar!", Publicată în mai 1941 în “Astounding Science Fiction”. Asimov nu era conștient de faptul că el se înscrie în termen. Deoarece știința și tehnologia dispozitivelor electrice este electronică, el a presupus că robotică se referă deja la știința și tehnologia roboților. În unele dintre celelalte lucrări ale lui Asimov, el afirmă că prima utilizare a cuvântului robotică a fost în povestea lui Runaround (Astounding Science Fiction, martie 1942). Cu toate acestea, publicația inițială a "Liar!" precede cea a "Runaround" cu zece luni, astfel încât în prima lucrare apare pentru prima dată cuvântul robotică.

Fig 1.2 Liar

În 1942, scriitorul de ficțiune Isaac Asimov a dat naștere la cele trei legi ale roboticii.

Legea I – un robot nu are voie să pricinuiască vreun rău unei ființe umane, sau, prin neintervenție, să permită ca unei ființe omenești să i se facă un rău.

Legea ÎI – un robot trebuie să se supună ordinelor date de către o ființă umană, atât timp cât ele nu intră în contradicție cu Legea I.

Legea III – un robot trebuie să-și protejeze propria existență, atât timp cât acest lucru nu intră în contradicție cu Legea I sau Legea ÎI.

Robotica este ramura interdisciplinară a ingineriei și a științei care include ingineria mecanică, ingineria electrică, informatică și altele. Robotică se ocupă cu proiectarea, construcția, operarea și utilizarea roboților, precum și sisteme informatice și controlul lor, feedback-ul senzorial și prelucrarea informației.

Aceste tehnologii sunt folosite pentru a dezvolta mașini care pot înlocui oamenii. Roboții pot fi utilizați în orice situație și pentru orice scop, dar astăzi multe sunt folosite în medii periculoase (inclusiv detectarea și dezactivarea bombelor), procese de fabricație sau în cazul în care oamenii nu pot supraviețui.

Fig. 1.3 Evoluția robotior mobili

Roboții pot lua orice formă, dar unii sunt făcuți să semene cu oamenii în aparență. Acest lucru este spus pentru a ajuta la acceptarea unui robot în anumite comportamente replicative, de obicei efectuate de oameni. Astfel de roboți încearcă să reproducă mersul pe jos, ridicarea, vorbirea, cunoașterea și, în esență, orice poate face un om. Multe dintre roboții de astăzi sunt inspirați de natură, contribuind la domeniul robotizării bio-inspirate.

Conceptul de creare a mașinilor care funcționează în mod autonom se datorează perioadelor clasice, însă cercetarea în ceea ce privește funcționalitatea și utilizarea potențială a roboților nu a crescut substanțial până în secolul al XX-lea.

De-a lungul istoriei, să presupus frecvent că roboții vor putea într-o bună zi să imite comportamentul uman și să gestioneze sarcinile într-o manieră asemănătoare omului. Astăzi, robotica este un domeniu în creștere rapidă, progresele tehnologice continuând. Cercetarea, proiectarea și construirea de noi roboți servesc scopurilor practice, indiferent dacă sunt pe plan intern, comercial sau militar.

Multe roboți sunt construite pentru a face muncă în locuri periculoase pentru oameni, cum ar fi dezmembrarea bombei, găsirea supraviețuitorilor în ruine instabile și explorarea minelor și epavelor. Robotica este de asemenea folosită în STEM (Știință, Tehnologie, Inginerie și Matematică) ca ajutor didactic.

Fig.1.4 Roboți industriali

Cibernetică

În 1948, Norbert Wiener a formulat principiile ciberneticii, baza de robotică practică. Preocuparea lui din timpul celui de al doilea război mondial de a dirija tirul artileriei, l-a determinat pe Wiener de a dezvolta sistemul de comunicare și transmisie spre cibenetică.

Astfel a avut loc nașterea ciberneticii în anul 1943, iar în anul 1947 ajunge Wiener la o convenție cu alți oamenii de știință de a folosi termenul de „cibernetică”. Fiind un termen care cuprinde reglementare și legarea sistemelor din domeniul mecanicii statice, tehnicii cu sisteme din lumea organismelor vii.

Cartea lui Wiener „Cybernetics or Control and Communication în the Animal and the Machine“ apare în anul 1948 aproape simultan în Paris și New York. El era optimist cu noile posibilități tehnice de dirijare și realizare a protezelor ca articulații pentru membre și a înlocuitorilor organelor de simț. Complet autonom a apărut în a doua jumătate a secolului XX. Primul robot operabil și programabil, Unimate, a fost instalat în 1961 pentru a ridica bucăți de fier de metal dintr-o mașină de turnat sub presiune și a le stivui.

Roboții comerciali și industriali sunt astăzi răspândiți și folosiți pentru a-și îndeplini funcțiile mai ieftin, mai precis și mai fiabil decât oamenii. Ele sunt, de asemenea, angajate în unele locuri de muncă care sunt prea murdare, periculoase, sau plictisitoare pentru a fi potrivite pentru oameni.

Roboții sunt folosiți pe scară largă în fabricarea, asamblarea, ambalarea, explorarea pământului și a spațiului, chirurgie, armament, cercetare în laborator, siguranță și producția în masă a bunurilor de consum și industriale.

Chiar dacă cibernetica a luat naștere în anul 1943, iar termenul a fost folosi în anul 1947 temele de bază ale ciberneticii au fost stabilite în anul 1938 de către un savant roman, Ștefan Odobleja, în lucrarea Psihologia consonantista, publicată la Paris. Această lucrare a apărut cu 10 ani înaintea publicației lui Norbert Wiener care este considerat inițiatorul ciberneticii. Conceptele lui Odobleja au fost ignorate din cauza celui de-al doilea război mondial. Diferența dintre roman și Wiener a fost aceea că romanul s-a îndreptat mai mult spre partea teoretică, în timp ce Wiener bazându-se pe aceleași principii ale lui Odobeja a reușit să le apice în practică

Fig 1.5 Cibernetică

Cibernetica a luat naștere în mintea savantului roman și se ocupa cu studiul feedback-ul adică efectul care apare în interiorul unei mașini, organizații său organism vii, aceasta analizează comanda și controlul sistemelor

Fig. 1.6 Placa electronica

La ora actuală cibernetică este o știință interdisciplinară care combina mai multe domenii cum ar fi controlul sistemelor, ingineria mecanică, teoria rețelelor electrice, neurologie, biologie, psihologie

Inteligenta artificial

Termenul de inteligenta artificial a apărut în anul 1959. În viziune lui Raymond Kurzweil, pionier al inteligenței artificial, aceasta reprezintă “ arta de a crea mașini care să îndeplinească funcții care ar necesita inteligenta dacă ar fi îndeplinite de oameni”.

Dezvoltatrea continua a tehnologiei și totodată a inteligenței artificial a condus la dezbateri aprinse în ceea ce privește amenitarea pe care aceasta o reprezintă la adresă omenirii, atât din punct de vedere economic cât și a integrității fizice.

Fig. 1.7 Robot umanoid Fig. 1.8 Rețele neuronale

Învățarea mașina

Inginerul american Arthur Samuel a lucrat, aproximativ două deccenii în perioada 1949 și până la sfârșitul anilor ‘60, intens la dezvoltarea inteligenței artificial, de la recuoasterea unor modele până la învățarea din experiență. La cercetările pe care le-a făcut acesta s-a folosit de un joc de șah lucrând alături de IBM, influențând totodată și programarea calculatoarelor IBM.

Metodele de învățare mașina actuale devin din ce în ce mai complicate, acestea fiind prezente într-o serie de aplicații complexe. Metodele de învățare mașina permit ca aceasta să nu fie programată pentru fiecare acțiune a sa fiind capabilă să ia decizii singură

Învățarea profundă

Acest concept are nevoie de o arhitectură complexă imitând rețelele neuronale ale creierului uman pentru a rezolva probleme chiar dacă nu are toate informatile necesare și poate cauza confucii. Învățarea profuna oferă posibilități vaste dar și cerințele sunt pe măsura fiind nevoi de multe date și de o putere de procesare extraordinară.

Fig. 1.9 Conceptul de învățare

Flexibilitatea

Flexibilitatea reprezintă capacitatea de adaptatre la noi cerințe. O linie de fabricație flexibilă reprezintă adaptabilitarea acesteia la mai multe tipuri de piese fără a fi nevoie de schimbări majore ale mașinii, indiferent dacă sunt schimbări ale formei geometrice ale piesei sau altele

Sisteme flexibile de fabticatie industrial. Acestea sunt reprezentate de roboți controlați e calculator, mașini cu comanda numerică, sisteme indepedente incorporate cu senzori. Utilizarea roboților în industre a devenit din ce în ce mai frecventă datorită preciziei ridicate și timpului de realizare a unei piese mai mic. Se recomada ca lânile de fabricație să fie cât mai flexibile atunci când produsele au o varietate mare fiind specific producției de serie mică sau de unicate, iar dacă loturile de produse se schimbă foarte rar nu este nevoi de o fexibilitate ridicată specifice producției de serie mare și masa.

Fig. 1.10 Linie flexibila de fabricație

Domeniile de utilizare a sistemelor mecatronice

Domeniul industrial

Sisteme automate pentru comanda vehiculelor;

Mașini unelte cu comandă numerică;

Roboți industriali;

Roboți mobili și pășitori, de diferite tipuri și configurații;

Vehicule cu ghidare automată;

Avioane militare autonome;

Rachete autoghidate;

Sisteme pentru condiționarea aerului;

Imprimante laser și plottere;

Sisteme pentru citirea/scrierea informației etc.

Fig. 1.11 Mașina unealta CNC Fig. 1.12 Robot industrial KUKA

Domeniul agricol

Roboți agricoli;

Mașini agricole autonome;

Sisteme pentru irigații comandate prin calculator;

Fig. 1.13 Mașina de colectat legume Fig. 1.14 Robot mobil culegător de fructe

Domeniul medical

Roboți medicali;

Aparate pentru investigații medicale complexe

Fig. 1.15 Roboți medicali

Domeniul biomecanica

Organe artificiale;

Membre robotizate;

Dispozitive chirurgicale;

Fig. 1.16 Braț mechanic uman Fig. 1.17 Inima artificială

Fig. 1.18 Mana mecanică

Pentru Uz General

Camere foto și video;

Aparatură video;

Antene TV cu poziționare automată;

Automate comerciale și bancare;

Gamă largă de aparatură electro-casnică “inteligentă“:

Mașini de spălat și mașini de cusut;

Roboți de curățenie;

Roboți pentru servicii etc.

Fig. 1.19 Camera video Fig. 1.20 Aspirator inteligent

În Construcții

Roboți pentru construcții;

Sisteme de securitate automate;

Parcare automată;

Automatizarea locuințelor și a clădirilor etc.

Fig. 1.21 Parcare automată Fig. 1.22 Roboți pentru construcții

Produse Micro-Mecatronice

Micro-Mechanic-Electro-Systems (MEMS);

Micro-actuatori;

Micro-senzori;

Micro-roboti;

Microsisteme.

Fig. 1.23 Nano-roboti Fig. 1.24 Mini-roboti

Concluzii

Mecatronica în cei aproape 50 de ani de la introducerea acestui termen a devenit o ramură foarte importantă a tehnologiilor moderne. Aceasta reprezentând executarea de mecanisme de mare precizie. Ramură de bază a mecatronicii este robotica care în ultimii ani a căpătat o importantă foarte mare în industrie și în medicină. Necesitatea accesării zonelor periculoase a dus la dezvoltarea unor roboți pentru rezolvarea problemelor din acele zone.

În medicina au apărut roboți teleghidați de la sute sau chiar mi de kilometrii utilizați la realizarea de operații, pe lângă acestea au apărut și nano roboții care sunt introduși în corpul omenesc pentru a rezolva problemele apărute. Dezvoltarea continua a dus la apariția de menbre bionice, orteze, proteze și chiar a organelor umane îndeplinind aceleași funcții ca cele din corpul omenesc.

1.3 Prezentarea temei concursului Eurobot

Concursul european de robotică, EUROBOT este un concurs internațional de robotică care este destinat în special tinerilor din Europa, dar este deschis tinerilor din întreaga lume, care vor să intre în lumea tehnicii și în special a roboticii.

Fig. 1.25 Sigla Eurobot

Regulile competiției încearcă să dezvolte fantezia și creativitatea, punând membrii echipelor în contact cu noile tehnologii, iar meciurile au o atmosferă atractivă. Echipele pot fi alcătuite din tineri, studenți, cadre didactice din universități și licee sau membri ai unor cluburi independente de robotică. Echipa poate avea un coordonator care poate ajuta sau sfătui membri echipei, dar acesta nu ar trebui să participe la realizarea efectivă a proiectului.

O echipă poate fi formată din membri din diferite țări. Prima ediție a concursului a avut loc în 1998, în Franța. România este reprezentată la această competiție începând din 2006. Concursul național RobotX reprezintă etapa națională, a României, de calificare pentru concursul de robotică Eurobot.

Durata unui meci din acest concurs este de 90 secunde. O echipă poate avea maximum doi roboți și minim unul pentru a participa. Masa de joc, este de obicei executată în oglindă, cele două echipe participante la un meci pleacă aleator de pe una din părți. În timpul unui meci este strict interzisă atingerea roboților, indiferent de mortiv, doa arbitrii putând face asta, care îi pot opri de la butoanele de urgență obligatorii, plasate într-un loc accesibil. Există două subdiviziuni ale acestui concurs: EUROBOT Open și EUROBOT Junior, cea din urmă fiind dedicată elevilor cu vârste de până la 18 ani, care trebuie să controleze roboții prin telecomandă. În cazul nostru, regulile impun roboților să fie complet autonomi, fără vreun sistem de comandă extern.

1.4.1 Tema concursului Eurobot 2017

În fiecare an tema concursului se schimba, așa dar tema de anul acesta este “Moon Village”

Prezentarea elementelor mesei de joc

Zonă de joc

Zona de joc este o suprafață plană dreptunghiulară de 3000×2000 mm rigidă, care poate fi făcută în două părți de 1500×2000 mm sau mai mult.

Fig. 1.26 Masa de joc

Zonele de start

Ajunși pe lună ies din nava lor, fiecare echipă are o zonă de plecare împărțită în două zonă separate de un balansoar. Poziția în care va fi balansoarul este cea ca în figură. Zonele de start sunt în culoarea echipei.

Fig.1.27 Zonele de start

Colectarea minereurilor de titan și modulelor lunare

Minereuri de titan sunt reprezentate de bile albe, iar rocile lunare sunt reprezentate de bilele negre și sunt amestecate cu minereurile de titan având un diametru mai mic.

Fig. 1.28 Minereu de titan Fig. 1.29 Rocă lunară

Crater: sunt zone delimititate de segmental dreptunghiulare, care au forme hexagonale și de sfert de cerc. Ele conțin minereuri de titan și roci de lună, sunt 3 astfel de zone pe masa de joc pentru fiecare echipă:

Craterul din apropierea zonei de start, care conține 5 minereuri de titan

Craterul din zona central care conține 5 minereuri de titan și un o rocă lunară

Craterul din colțul mesei care are formă de sfert de cerc, care conține 20 de minereuri de titan și 8 roci lunare

Fig. 1.30 Cratere

Rachete: pe masa de joc se afla și patru rachete reprezentate de tuburi pe jumătate deschise, iar în interiorul acestora se afla poziționate câte patru module lunare, poziționarea acesor rachete pe masa de joc este următoarea:

Două rachete sunt situate lângă zona de start

Două rachete sunt situate pe lateralul mesei de joc lângă craterul sub formă de sfert de cerc.

Fig. 1.31 Rachete cu module lunare Fig. 1.32 Rachete fără module lunare

Modulele lunare: sunt reprezentate de tuburi și se disting în mai multe categorii:

Opt module lunare monocrome, vopsite în mod uniform cu aceiași culoarea a echipe.

Zece module multicolore lunare, cu benzi galbene și albastre separate prin culoare albă.

Pozițiile și orientarea modulelor lunare la începutul jocului sunt bine definite și detaliate în anexă.

Modulele lunare situate în mai multe locuri:

În rachete:

Fiecare rachetă conține patru module lunare

Fiecare rachetă din apropierea zonei de start conține module lunare monochrome

Fiecare rachetă laterală conține module lunare multicolore

Un modul lunar monochrom al echipei este plasat în a doua zonă de start în cazul în care echipa nu are nici un robot plasat în acea zonă sau dacă echipa dorește să-l păstreze în acea zonă, în cazul în care echipa se decide să nu păstreze modulul lunar monochrom acesta va fi eliminate definitive din joc.

Pe suprafața lunii există două module lunare albastre, două lunare galbene și șase module multicolore.

Fig. 1.33 Modul lunar monochrom Fig. 1.34 Modul lunar multicolor

Zona de colectare: această zonă este compus din:

Un coș situate în spatele primei zone de start

Sau oricare din cele două zone de start

Fig. 1.35 Zona colectare

Construirea bazei lunare.

Roboții vor construii o baza lunară cu ajutorul modulelor lunare pentru a oferi adăpostul primilor locuitor umani. Aceste module lunare sunt mai utile în baza Lunii decât în zona de start a roboților.

Module lunare se pot poziționa în trei zone

În zona de start a roboților

În lateralul mesei lângă rocheta și craterul cel mare

În zona din centrul mesei

Aceste zone de positionare a modulelor lunare sunt reprezentate de sferuri de cerc și de marginea mesei de joc, ca în figură următoare.

Fig. 1.36 Zona constructive baza lunară

Roboții trebuie să plaseaze modulele lunare în zonele predestinate lor. Odată ce un modul lunar este poziționat în una din aceste zone, robotul trebuie să verifice dacă culoarea echipei se afla pe partea vizibilă a modului lunar.

Pentru a fi valabil, un modul lunar trebuie:

Să aibe culoarea echipei pe partea vizibilă.

Să aibe axa de revoluție orizontală.

Să fie poziționat în zonele predestinate lor

Un modul lunar este valabil dacă cel puțin jumătate din lungimea lui este situat în interiorul zonei de poziționare.

Echipele nu au voie să îndepărteze un modul lunar deja prezent în acea zonă, dar poate roti sau înlocui modulul lunar pentru a schimba culoarea inițială a acestuia.

Navă spațială

După ce roboții au construit cu succes baza lunară, ultima lor misiune este să lanseze o navă spațială spre Marte!

Navele spațiale: element construit de participant și este preîncărcat pe robotul principal și / sau secundar.

Robotul va lansa o navă spațială verticală după 5 secunde după timpul regulamentar de joc de 90 de secunde (secundele 90-95).

Această navetă are următoarele caracteristici:

Greutatea navei spațiale nu trebuie să depășească 50g.

În timpul meciului, nava spațială nu trebuie să depășească înălțimea de reglementare de 350 mm aplicată robotului.

Navele spațiale trebuie să se separare complet de robotul. Navele spațiale trebuie să atingă o altitudine de cel puțin 450 mm deasupra solului lunar și să nu depășească o altitudine de 2 m deasupra solului lunar.

Numai o lansare a unei nave spațiale va fi luată în considerare pentru fiecare echipă.

Pentru a stimula creativitatea și a mări gradul de spectaculozitate, nava spațială poate fi echipată (în limitele constrângerilor prezentate mai sus) cu o parașuta, aripi sau orice alt upgrade care aduce aminte de o navă spațială sau o capsulă.

Memento: trebuie precizat că fiecare element de joc, sau acțiune a robotului nu vor expune publicul la nici unpericol.

Dimensiunile roboților

Perimetrul robotului principal nu trebuie să depășească 1200 mm la începutul meciului. Aceasta se numește "configurația de pornire". În timpul meciului, robotul se poate desfășura la un perimetru maxim de 1500 mm, numit configurația desfășurată.

Perimetrul robotului secundar este independent de perimetrul robotului principal. La început nu trebuie să depășească 700 mm, dar poate să se extindă până la 900 mm în timpul unui meci.

În orice caz, înălțimea robotului principal și a robotului secundar nu trebuie să depășească 350 mm. Butonul de urgență este permis să depășească această limită, dar trebuie să rămână sub înălțimea de 375 mm. Această înălțime exclude suportul de beacon, senzorii și circuitele electronice care pot fi plasate sub suportul de deacon.

Nici o componentă a robotului sau element de joc manipulate în orice moment de către robot nu ar trebui să depășească înălțimea de 350 mm, pentru a nu deranja raza de acțiune a beaconului.

La începutul unui meci, proiecția verticală pe zona de joc a ambilor roboți în configurația de pornire trebuie să se încadrează în interiorul zonei de start și nu trebuie să depășească limitele acesteia.

Punctajul:

După încheierea meciului, arbitrii vor calcula punctajul meciul pentru fiecare echipă după următoarele aspecte:

Strângeți resurse

2 puncte pentru fiecare modul lunar colorat sau multicolor din zona de pornire în poziție verticală

2 puncte pentru fiecare minereu de titan valabil în zona de pornire

3 puncte pentru fiecare minereu de titan în coșul din spatele zonei de start

rocile lunare nu reprezintă nici un punct

Construcția bazei lunare

10 puncte pentru fiecare modul lunar valid

Nava spațială

20 de puncte dacă cel puțin o lansare a navei spațiale pe Marte are succes.

Sancțiuni

O pedeapsă duce la o pierdere de 20 de puncte.

Un scor negativ va fi considerat ca 0 puncte.

Un element de joc reținut de robot nu valorează nici un punct. Un element de joc este considerat a fi reținut de un robot dacă, prin mișcarea robotului de-a lungul direcției principale de mișcare, elementul de joc este mutat de robot.

Sancțiunile sunt destinate să compenseze daunele sau dezavantajele ca urmare a unui incident în timpul meciului. O situație de pedeapsă este considerată o nerespectare a regulilor și ar trebui să rămână cazul excepțional. O pedeapsă poate duce la pierderea meciului pentru echipă. De asemenea, arbitrii vor acorda atenție istoricului sancțiunilor acordate pe parcursul etapelor de calificare (regionale, naționale și europene).

Puncte bonus:

15 puncte bonus sunt oferite fiecărei echipe dacă roboții părăsesc zona de start

Capirolul 2

2.1 Generalități privind roboții mobili

Robotul este un sistem mecatronic cu o complexitate foarte mare care poate efectua diverse activități în diferite situații. În componența sa printre cele mai importante elemente se regăsesc motoare, servomotoare, senzori și sistemul de comandă și control. Cu ajutorul acestor elemente se vor realiza siteme pentru îndeplinirea sarcinilor impuse robotului.

Cu ajutorul motoarelor și servomoroarelor se vor realiza sisteme de locomoție, mecanisme pentru îndeplinirea sarcinilor, iar cu ajutorul sistemului sensorial robotul va putea percepe mediul înconjurător în vederea evitării coliziunior și a detectării diverselor obiecte. Sistemul de comandă și control se utilizează pentru a comanda întregul sistem robot acesta primește informații din mediu înconjurător prin intermediul senzorilor și va da comandă către sistemele electrice și mecanice.

Dificultatea sorcinilor predestinate roboților sunt în concordanță cu gradul de complexitatea a acestora, astfel ideal ar fi realizarea unor roboți cât mai simplii, costul de realizare al acestora să fie cât mai mic, dar performante cât mai mari.

În funcție de coplexitatea lor roboții trebuie să fie în stare să ia singuri decizii, astfel cu ajutorul sistemului senzorial acesta preia informații din mediul înconjurător modelându-și singur spațiul de lucru cu ajutorul sistemului de comandă și control fără a mai fi necesară intervenția operatorului uman.

Diferența între un robot mobil teleghidat și un robot mobil autonom este aceia ca pentru roboții teleghidați este nevoie de un operator unman care să supravegheze activitatea acestuia, să introducă toate informațiile referitoare la mediul înconjurător definindu-i spațiul de lucru în timp ce pentru roboții autonomi se introduc sumar câteva informații despre mediul înconjurător și spațiul sau de lucru, dar aceștia având un sistem de comandă și control și un sistem senzorial mai complex, acesta fiind capabil să ia singur decizii în cazul în care apar obstacole în spațiul sau de lucru.

Viteza de operare a roboților este foarte importantă. Se recomandă să se folosească accelerații și decelerații line pentru a evita apariția unor forțe de inerție mari, astfel reducându-se și uzura sistemelor mecanice datorită șocurilor apărute în cuplele cinematice.

Viteza de operare a roboților se recomanda a fi una medie, nici foarte mică pentru a nu pierde foarte mult timp pentru realizarea sarcinilor impuse, dar nici foarte mare. Ideal ar fi o intercalare a acestor viteze utilizându-se viteze mari în cazul în care avem de parcurs distanțe mari robotul având timp să realizeze o accelerație și o decelerație lină, iar în cazul în care se realizează deplasări reduse este indicat să se efectueze cu viteze relativ mai mici pentru a evita

apariția șocurilor în momentul în care robotul pornește deplasarea și momentul în care acesta va ajunge în punctul dorit, distanța între puncte fiind mică robotul nu va avea timp să realizeze o accelerație și o decelerație corespunzătoare

2.2 Clasificarea roboților

Roboții se pot clasifica după mai multe criteria cum ar fi:

După gradul de mobilitate avem:

Roboți mobile

Roboți ficși

Fig. 2.1 Robot mobil Fig. 2.2 Robot fix

După dimensiunile lor avem:

Nanoroboti

Microroboți

Macroroboti

Fig. 2.3 Nanoroboti Fig. 2.4 Microroboți

După spațiul de utilizare avem:

Roboți tereștrii

Roboți spațiali

Roboți acvatici

Fig. 2.5 Roboți tereștrii Fig. 2.6 Roboți spațiali

Fig. 2.7 Roboți acvatici

După comanda lor avem:

Roboți comandați în permanență

Roboți semiautonomi

Roboți autonomi

După modul de deplasare avem:

Roboți pășitori – imită deplasarea umană

Roboți săritori – imită deplasarea cangurilor a broaștelor

Roboți târâtori – imită deplasarea șerpilor

Roboți pe roți și șenile – caruciare, tancuri

Fig. 2.8 Roboți pășitori Fig. 2.9 Roboți săritori

Fig. 2.10 Roboți târâtori Fig. 2.11 Roboți pe roți și șenile

După forma constructiva avem:

Roboți serie

Roboți paraleli

Fig. 2.12 Roboți serie Fig. 2.13 Roboți paraleli

2.3 Sisteme de locomoție

Sistemul de locomoție reprezintă sistemul care realizează deplasarea în mediul înconjurător cu ajutorul unor elemente motoare. Sistemul de locomoție este foarte important pentru roboții mobile deoarece cu ajutorul acestuia se realizează poziționarea robotului în punctele dorite.

În cele ce urmează voi prezenta câteva dintre cele mai utilizate sisteme de locomoție la ora actuală, astfel avem:

Sistemele de locomoție diferențiale

Sistemele de locomoție Ackerman

Sistemele de locomoție tip triciclu

Sistemele de locomoție sincrone

Sistemele de locomoție cu șenile

2.3.1 Sistemul de locomoție diferențial

Acesta este cel mai simplu sistem de locomoție pentru roboții mobile, acest tip de sistem de locomoție este alcătuit din două roți moare acționate de către un motor fiecare, este obigatoriu ca cele două roți motoare să fie identice. Se recomanda ca rotile motoare să se afle pe aceiași axa și egal depărtate de centrul de rotație al robotului pentru a avea un control cât mai ușor asupara robotului

Fig. 2.14 Deplasare fata-spate

În figură este prezentat modul de deplasare fata – spate a unui robot cu locomotive diferențiala, rotile motoare fiind poziționate pe aceiași axa și la o distanță egal depărtate de centrul de rotație al robotului

Fig. 2.15 Viraj stânga-dreapta

În figură anterioară este prezentat modul în care robotul cu tracțiune diferențială poate vira. Există două modalități în care acesta poate vira astfl pentru a vira la dreapta, roata stânga se va roti în față, iar roata dreaptă vă fi înfrânata sau o a doua modalitate este că roata stânga sa se rotească în față, iar roata dreaptă să se rotească în spate, în cea de-a doua variantă viranul se va realiza mai rapid ca în primul caz.

La fel se va executa virajul la stânga, astfel ori se alege metodă în care roatea dreapta se va roti în față și roata stanga va fi înfrânata ori se alege metodă în care roata dreapata se varoti în față și roata stânga se va roti în spate, ca și pentu virajul la dreapta și virajul la stânga va fi executat mai rapid în cel de-al doilea caz.

Fig. 2.16 Rotație stânga-dreapta

Modul în care robotul poate execută o rotație este prezentat în figură de mai sus. Rotația se realizează pe același principiu la cel folosit la virare astfel pentru a roti robotul în stânga acesta va roti roata dreaptă în față și roata stânga în spate, rotația executându-se în jurul axei vertical față de care rotile sunt egal depărtate, o a doua modalitate de a rotie robotul spre stânga este aceia în care roata din dreapta se rotește în fata iar roata din stânga va fi înfrânata diferența fiind aceia că centrul de rotație al robotului va fi în punctul de contact al rotii din stânga cu solul.

La fel se execută și rotația spre dreapta, dar cu diferențele de rigoare astfel pentru a roti robotul în dreapta acesta va roti roata stânga în față și roata dreaptă în spate, rotația executându-se în jurul axei vertical față de care rotile sunt egal depărtate, cea de-a doua modalitate de a roti robotul spre dreapta este aceia în care roata din stânga se rotește în fata iar roata din dreaptă vă fi înfrânata diferența fiind aceia că centrul de rotație al robotului va fi în punctul de contact al rotii din dreapta cu solul.

Ca și în cazul în care robotul virează, în momentu în care acesta se va roti acționând ambele roti motoare una în față și una în spate, rotația se va realiza mai rapid deoarece aceasta se realizează în jurul axei vertical față de care rotile motoare sunt egal depărtate, cercul imaginar pe care se realizează rotația robotului va avea diametrul mai mic ca în cazul în care rotația se va realiza în jurul unuia din punctele de contact dintre roțile motoare și solul

2.3.2 Sistemele de locomoție Ackerman

Acest sistem de locomoție este cel mai răspândit sistem de locomoție din viața de zi cu zi, utilizat la toate vehiculele mici cu patru și două roți.

Fig. 2.17 Sistem de locomoție Ackerman

Orietarea deplasării pe baza acestui model este influențată de poziția roților din față și depinde de valoarea unchiului δ.

Sistemul de locomoție bazat pe modelul Ackerman, robotul se rotește în jurul unui punct aflat pe dreapta perpendiculară care trece prin mijlocul roților din spate, la o distanță Rl, dată de relația:

[2.1]

Pentru că robotul să fie în mișcare de rotație, cea de-a doua roată motoare trebuie rotită cu un unghi δo, unde:

[2.2]

2.3.3 Sistemele de locomoție tip triciclu

Acest tip de locomotive este alcătuit din trei roți, din acestea două sunt poziționate în patea din spate în timp ce una este poziționată în partea din fata aceasta fiind și roata motoare, aceasta stabilește viteză cât și orientarea vehicului

Un sistem tip tricicletă este alcătuit din 3 roți, dintre care două în spate, pasive, și o roată în față, motoare, cu ajutorul căreia se poate stabili viteza de deplasare precum și direcția vehicolului. Robotul tip tricicletă este controlat prin unghiul α, respectiv prin viteza de deplasare v, vezi figură de mai jos.

Fig. 2.18 Sistemele de locomoție tip triciclu

2.3.4Sistemele de locomoție sincrone

Acest tip de locomotive are o fexibilitate foate mare, specific acestui sistem este faptul că toate rotile se mișca în sincron. Pentru acest tip de locomoție se folosesct doua siteme motoare unul pentru turația și cuplul sistemului iar unul pentru orientarea acestuia. Sistemul are în component să trei roți motoare

Fig. 2.19 Sistemele de locomoție sincrone

Sistemele de locomoție sincrone au o precizie ridicată și sunt ușor de utilizat, dar realizarea lor constructiva este mai complexă.

2.3.5Sistemele de locomoție cu șenile

Aceste sisteme de locomoție se utilizează în zonele în care suprafața de lucru pe care o să se deplaseze dispozitivul este accidentată, greu accesibilă sau chiar imposibilă cu alt tip de locomoție. Spre deosebire de celelalte sisteme de locomoție acest tip prezintă avantajul de a avea o zonă de contact mare cu solul și a avea în permanență aderenta și tracțiune.

Fig. 2.20 Sistem de locomoție cu șenile

1 – roata motoare

2 – șenile

3 – roți de ghidare

4 – roata întinzătoare

Sistemul este alcătuit din două structuri identice poziționate simetric pe sasiu, datorită necesității de virare și stabilitate. Datorită acestui fapt deplasarea robotului se determina ca și în cazul sistemului de locomoție diferențial

În urma acestui studiu de sisteme de locomoție am ales că la proiectul meu să utilizez un sistem de locomotive diferențial.

2.4 Motoare

Motorul electric este un dispozitiv electromecanic care transforma energia electrică în energie mecanică. Transformarea din energie mecanică în energie electrică se realizează cu ajutorul unui generato electric. Nu exista diferențe considerabile între cele două tipuri de dispositive putând realiza amble roluri în diferite situații.

Aproape toate motoarele electrice funcționează pe același principiu și anume pe forțele electromagnetice ce acționează asupra unui conductor parcurs de curent electric aflat în câmp magnetic. Alte principii de funcționare ale motoarelor fiind pe baza forței lui Coulomb și piezoelectric.

2.4.1 Motoare folosite pentru acționare roboților mobili

2.4.1.1 Motoare electrice de curent continuu fără perii

Motoarele electrice de curent continuu fără perii, în limba engleză Brushless DC electric motor, se deosebesc de celelalte tipuri de motoare electrice prin faptul că învârtirea rotorului se realizează în comutația cailor de curent electrică. Este un motor fără colector deoarece nu are perii colectoare spre deosebire de cele care au perii colectoare la care comutarea este electromecanică

Acest tip de motor fără perii colectoae este un motor de curent continuu sincron, a cărui funcționalitate se bazează pe un sistem electric de comutație, comutarea câmpurilor electromagnetice pentru învârtirea rotorului este comandata și controlată cu ajutorul unui circuit electronic microprocessor

Fig. 2.21 Stator-Rotor Motor brushless

Avantajele motoarelor electrice fără perii față de cele cu perii

Cel mai important avantaj este acela de comutare fără scânteie intre perii care prezintă un dezavantaj a motoarelor cu perii introducând semnale parazite care deranjaza alți consumatori conectați la aceeași rețea de alimentare

Durata de utilizare a acestora este considerabil mai mare în raport cu motoarele electrice având colector deoarece apare uzura periilor colectoare generând periodic problem de service

Datorită faptului că la aceste motoare lipsesc periile, colectorul și dispozitivele electromecanice, se poate atinge viteza maximă spre deosebire de motoarele cu perii la care viteza este limitată de încălzirea perilor colectoare

Au o precizie ridicată

Determinarea poziției reale a rotorului aflat în mișcare de rotație se determina cu ajutorul unui sensor Hall, sensori optici dispuși pe stator și o comutare nesenzorizata Unul dintre marile dezavantaje este acela că motoarele de curent continuu fără perii au un preț ridicat.

2.4.1.2Motoare electrice de curent continuu

O caracteristică importanta a motoarelor de curent continuu este aceia ca la pornire acesta generează un cuplu mare permițând pornirea motorului în sarcina, dezvolta un raport de cuplu-viteza corespunzător pentru sarcini de lucru ridicate. O altă caracteristică importantă a motorului de curent continuu este că puterea și cuplurile sunt concentrate într-o dimensiune compactă în comparație cu alte tipuri de motoare electrice.

Rotorul motorului are în component să o bobină alimentată la o sursă de tensiune continuă prin perii de carbon. Statorul este alcătuit dintr-un magnet permanent sau o bobină, în cazul în care statorul conține o bobină aceasta poate fi conectată cu bobina rotorului în serie sau în paralel sau poate fi excitat separate.

Comanda motoarelor de curent continuu cu perii poate fi dată de tensiunea de alimentare a acestora la o sarcină constantă. Pentru a comanda momentul motorului se utilizează reglajul curentului în buclă.

Clasificare motoarelor de curent continuu cu perii

Cu excitație paralel

Fig. 2.22 Excitație paralel

Cu excitație derivație

Fig. 2.23 Excitație derivație

Cu excitație serie

Fig. 2.24 Excitație serie

Cu excitație mixtă

Fig. 2.25 Excitație mixtă

Avantajele acestor tipuri de motoare sunt cele privint costul, având un preț relative mai mic, comanda lor fiind simplă

Dezavantajul este acela că nu lucrează cu aceasi precizie că motoarele brushless

2.4.1.3 Motoare electrice pas cu pas

Acest tip de motoare sunt dispositive electromecanice care convertesc impulsurile electrice în mișcări discrete. Acestea executa mișcări în pași incrementali iar rotația motorului este strâns legată de caracteristica impulsurilor electrice, astfel se determina direcția de rotație a motorului în funcție de cum sunt aplicate impulsuriel electrice. Și viteza de rotație este dependent de frecvență impulsurilor electrice iar deplasarea unghiulară depinde de numărul de impulsuri electrice aplicate

Avantajele motoarelor pas cu pas sunt:

Precizie ridicată având o eroare de 3-5%

Rotația unghiulară a motorului este direct proporțională cu impulsurile electrice

Se comporta bine la pornire, oprirea și schimbarea de directive a rotației

Se poate utiliza pentru obținerea unei viteze foarte mici cu saricina directă pe axul motor

Dezavantajele motoarelor pas cu pas sunt:

Sunt greu de controlat la viteze foarte mari

Poate apărea efectul de rezonanță în cazul unui control deficitar (rezonanta reprezintă tendința unui sistem de a oscila cu o amplitudine mai mare la unele frecvente decât la altele)

Acest tip de motoare reprezintă o alternatica economică pentru aplicațiile unde nu este nevoie de viteze sau performante dinamice foarte mari

Fig. 2.26 Motor pas cu pas

Tipuri de motoare pas cu pas

Motoare pas cu pas cu reluctanta variabilă

Motoare peș cu pas cu magneți permanenți

Motoare pas cu pas hibrid

Motoare pas cu pas cu reluctanta variabilă:

Rotorul este realizat din fier moale

Infasurariele sunt pe stator

Axul motor se rotește cu un unghi cuprins între 5o și 15o

Nu menține axul motor fix în lipsa tensiunii

Fig. 2.27 Motoare pas cu pas cu reluctanta variabilă

Motoare pas cu pas cu magneți permanenți

Rotorul este realizat din magneți permanenți

Înfășurările sunt pe stator

Axul motor se rotește cu un unghi de 45o sau 90o având un cuplu ridicat dar viteza redusă

Fig. 2.28 Motoare pas cu pas cu magneți permanenți

Motoare pas cu pas hibirde

Reprezintă o combinație constructivă între cele două tipuri prezentate mai sus

Au un regim de funcționare cu viteze mari și cuplu dinamic mare

Cuplul acestui tip de motor asigura menținerea fixă a axului motor și în lipsa tensiunii

Fig. 2.29 Motoare pas cu pas hibrid

2.4.2Calsificarea motoarelor pas cu pas în funcție modul de realizare a bobinelor

Motoare pas cu pas unipolare

Motoare pas cu pas bipolare

2.4.2.1Motoare pas cu pas unipolare

Are două bobine pe pol având un început legat împreună

Circuitul de comandă este simplu la acest tip constructive deoarece pentru obținere mișcării de rotație sensul curentului prin bobine nu trebuie schimbat

Dacă nu se conectează cele două începuturi comune ale bobinelor motoul pas cu pas având aceasta constructive poate fi privit ca un motor bipolar

Fig. 2.30 Motor pas cu pas unipolar

2.4.2.2 Motoare pas cu pas bipolare

Are o înfășurare pe pol

Poate necesita un circuit de comandă mai complex pentru obținere mișcării de rotație din cauza faptului că sensul de curentului prin bobina trebuie schimbat

Avantajul față de cel unipolar este acela că la același gabarit cel bipolar dezvolta un cuplu mai mare

Fig. 2.31 Motor pas cu pas bipolar

În funcție de cele prezentate mai sus am considerat că cel mai eficient motor pentru proiectul meu este motorul de curent continuu DC deoarece are o precizie ridicată, suficient de mare pentru aplicația mea și la un preț accesibil. Relația dintre calitate-pret fiind una foarte bună.

2.5 Odometria

Odometria reprezintă este cea mai utilizată metoda de determinare a poziției unui robot mobil. Odometria este modalitatea prin care se obțin ușor informații în timp real despre poziția robotului, aceste informații sunt primite prin măsurarea poziției robotului, frecvență la care se măsoară poziția absolută este dată de precizia sistemului de odometrie. Această metodă poate reduce substanțial costurile pentru determinarea poziției absolute a roboților mobili decât dacă se folosesc alte metode de determinare a poziției.

Metoda determina probleme atunci când apare derapajul, modificându-se astfel atât distanța parcursă cât și orientare robotului față de valorile dorite. Luând în calcul faptul că este imposibil de realizat un robot perfect simetric, apar probleme care pot duce la deplasări și orientări eronate pe diferite distanțe.

Cu toate acestea marea majoritate a cercetătorilor susțin că această metodă de determinare a poziției unui robot este foarte bună, iar dacă se poate, să se îmbunătățească precizia acestei metode

Fig. 2.32 Principiul de odometrie

În figură de mai sus este prezentată deplasarea unui robot mobil pe baza principiului de odometrie, astfel se dorește ca robotul să se deplaseza din prima poziție în cea de-a doua poziție modificându-se și orientarea acestuia.

Există două metode prin care se poate realiza atât deplasarea cât și orientarea robotului, prima este aceea în care robotul parcurge distanța dorită cu o anumită orientare și doar în momentul în care ajunge în punctul dorit va realiza și orientarea specificată, iar cea de-a doua metodă este aceea în care se realizează mai întâi orientarea robotului iar mai apoi deplasarea acestuia. Aplicând oricare dintre metode se vor calcula erorile apărute în poziția finală a robotului și se va încerca remedierea acestora.

2.6 Senzori

Ce este senzorul? Trebuie spus că nu există o definiție unitară și necontestată a „senzorului”, motiv care lasă mult spațiu pentru interpretări, ambiguități și confuzii. Mulți autori preferă să folosească sintagma „senzori și traductoare”, în cadrul căreia, fie pun pe picior de egalitate senzorul și traductorul, utilizând, alternativ sau preferențial, unul dintre termeni, fie consideră că unul reprezintă o categorie ierarhică superioară, incluzându-l pe celălalt. De multe ori se mai utilizează și noțiunea de „captor”, care amplifică semnele de întrebare, întrucât în limba franceză, termenul „capteur” este utilizat pentru a desemna elementele tehnice, care în această carte au fost numite „senzor”.

Denumirea senzorului provine din cuvântul latin „sensus”, care însemnă simț și înainte de a fi adoptat pentru sisteme tehnice, a fost și este utilizat pentru a desemna capacitățile organelor de simț ale oamenilor și ale organismelor vii, de a culege și prelucra informații din mediul înconjurător și a le transmite creierului. În acest proces mărimile fizice, neelectrice, sunt convertite în semnale electrice, pe care creierul le poate prelua și interpreta și pe baza cărora coordonează acțiunile mușchilor. Modelul din biologie îl întâlnim, în mare măsură, la sistemele mecatronice, astfel că nu este inutilă o scurtă trecere în revistă a sistemelor senzoriale ale omului, cu unele comentarii privind contribuția acestora în supervizarea proceselor de producție de către om[senzor]

Senzorii sunt dispositive electronice folosiți la interpretarea și perceperea mediului înconjurător. Senzori sunt elemente foarte importante în sistemele cu bucla de reactive, acestea fac parte de obicei dintr-un ansamblu numit traductor. Funcția specifică a traductoarelor este aceea de a transforma de obicei o mărime neelectrica într-o mărime electica. Semnalele primite de la senzori pot fi analogice sau digitale în funcție de modul în care au fost construite.

Există o gamă foarte diversificata de senori dar dintere acestea voi exemplifica următoarele tipuri după cum urmează:

După principiul de funcționare acem:

Senzori parametrici

Senzori generatori

După mărimea de ieșire avem:

Senzori analogici

Senzori digitali

După tipul de converși

Conversie directă

Conversie indirectă

După fenomen

Fizic

Chimic

Biologic

După mărimea de intrare

Senzori ce măsoară parametrii geometrici

Senzori ce măsoară parametrii mecanici

Senzori ce măsoară parametrii unui material

Caracteristicile principale ale senzorilor sunt:

Precizie

Sensibilitate

Stabilitate

Rezoluție

Liniaritate

Timp de viață

Dimensiuni

Greutate

Cast

Dintre acestea voi detalia următoarele categori de senzori

Senzori pentru măsurarea distanței

Senzori de prezența

Senzori pentru măsurarea poziție

2.6.1 Senzori pentru măsurarea distanței

Un senzor de proximitate este un senzor capabil să detecteze prezența obiectelor din apropiere fără contact fizic. Un senzor de proximitate emite adesea un câmp electromagnetic sau un fascicul de radiații electromagnetice (de exemplu, în infraroșu) și caută schimbări în câmp sau semnal de revenire. Obiectul care este detectat este adesea denumit țintă de senzor de proximitate. Scopurile diferite ale senzorilor de proximitate necesită senzori diferiți. De exemplu, un senzor capacitiv sau fotoelectric ar putea fi adecvat pentru o țintă din plastic, în schimb un senzor de proximitate inductiv necesită întotdeauna o țintă metalică.

Fig. 2.33 Senzori de distantă

Distanța maximă pe care acest tip de senzori o poate detecta este definită. Unii senzori au ajustări ale gamei nominale sau mijloace pentru a raporta o distanță de detecție gradat. Senzori de proximitate poate avea o fiabilitate ridicată și o durată de viață lungă de funcționalitate, din cauza lipsei pieselor mecanice și a lipsei de contact fizic între senzor și obiectul detectat. Senzorii de proximitate sunt utilizate în mod obișnuit pe smartphone – urî pentru a evita apăsarea accidentală a ecranului tactil atunci când este ținut la ureche în timpul unui apel. De asemenea, sunt utilizate în monitorizarea vibrațiilor mașinii pentru a măsura variația distanței între un ax și un lagăr de sprijin al acestuia.

Funcționalitatea senzorului ultrasonic

Acest tip de senzor funcționează pe principiul liliecilor, transmit o undă a sunetului și în momentul în care aceasta întâlnește un obstacol se întoarce înapoi la senzor. Frecvența undelor emise de senzor este de 40 kHz, iar aceasta se întrerupe în momentul în care se întâlnește un obstacol

Fig. 2.34 Principiul de funcționare al senzorului ultra

În figură anterioară se observa modul de funcionare al senzorului astfel senzorul va trimite unde iar în momentul în care acestea vor întâlni un obstacol acete unde se vor întoarce către receptor

2.6.2 Senzori de prezența

Senzorii de mișcare sunt o componentă tehnică care poate determina calitatea sau mai degrabă cantitatea măsurată a proprietăților fizice și chimice cum ar fi: temperatura, radiațiile termice, umiditatea, presiune, sunetul și luminozitatea. Aceste măsuri sunt convertite în semnale electrice. Primii senzori funcționali au fost utilizați în industria armamentului.

În prezent senzorii de mișcare sunt utilizați frecvent și pot fi montați de la ușile de la supermarket până la magazinul din benzinării. Senzorii de mișcare fac viața mai ușoară persoanelor care nu pot deschide o ușa de asemenea senzorii de mișcare asigură securitatea casei prin detectarea mișcării și aprinderea luminii de exemplu.

Fig. 2.35 Senzor de mișcare

2.6.3Senzori pentru măsurarea poziție

Senzori de poziție sunt dispozitive care măsoară poziția, utilizarea lor este vastă, în sistemele mecatronice se moneteaza câte un senzor de acest tip în fiecare cuplă cinematica pentru a măsura poziția celor două elemente ale cuplelor cinematice. Acestea sunt prezenți pe toți roboții industriali și sunt foarte importanți pentru rezolvare probemelor de cinematica directă și inversă.

Același tip de senzor se poate fi poziționat pe efectorul final al unui robot, manipulator pentru a măsura deplasarea bacurilor la prindere unui obiect.

Fig. 2.36 Senzori de poziție

Tot în această categorie intră și senzori de măsurare a distanței parcurse de un robot mobil acest tip de senzor poarta denumire și de encoder.

Encoderele incrementale generează impulsuri într-o frecvență proporțională cu viteza de rotație. Encoderele pot fi utilizate pentru controlul vitezei, controlul poziției sau ca indicator de rotație sau generator de impulsuri pentru servomotoare montate în mașini-unelte, roboți sau echipamente de măsurare. Encoderele sunt compuse din placă rotativă, fantă fixă, fotodiode, fototranzistoare etc., așa cum se arată în figură 1. Fanta fixă este proiectată să aibă o diferență de fază de 90 de grade față de fanta de pe placă rotorului. Semnalele de ieșire sunt două semnale cu 90 de grade diferență;

Semnalele de fază A, semnalele de fază B și direcția de rotație pot fi detectate împreună cu acestea. Există encodere care transmit semnalul de fază Z suplimentară ca semnal de origine. Când se controlează pozițiile cu un encoder incremental se utiliseaza semnalul Z care arată originea.

Fig. 2.37 Structura simplă a unui encoder incremental

Encoderele absolute dau valoarea absolută a unghiurilor de rotație. Encoderele sunt utilizate pentru controlul poziției servomotoarelor montate pe mașini-unelte sau roboți. După cum se arată în figură 2, fantele de rotație sunt căptușite din centru pe cercuri concentrice.

Fantele indică șiruri de coduri binare de 2 impulsuri / rev de la centru. Encoderele absolute memorizează datele privind impulsurile pe o rotație.

Fig. 2.38 Structura unui encoder absolut

Component unui encoder:

Carcasă

Sursa de lumină

Plan rotativ

Ansamblu fotodetector

Placă electronică

Fig. Componenta unui encoder

Fig. 2.39 Componenta unui encoder

2.7 Controlul robotului mobil

Controlul PID este cel mai utilizat algoritm de control în industrie. Popularitatea controlerelor PID se datorează performanțelor sale, având o gamă mare de operare și un grad al complexității funcționare redus.

Acest algoritm este format din trei coeficienți de bază, proporțional, integrator și derivative, care sunt reglate pentru a obține un răspuns optim.

Principiul de funcționare a controlerului PID este acela de a citi un senzor, de a aplica corecțiile necesare prin intermediul celor trei coeficienți prin intermediul cărora se calculează ieșirea din sistem.

Sisteme de reglare cu buclă închisă

Într-un sistem de reglare automată variabilă de process consta în parametrul de sistem ce trebuie monitorizată și controlată. De exemplu dacă dorim să parcurgem o distanță liniara cu ajutorul unui motor de curent continuu din punctul x în punctul y, vom avea pentru început o tensiune de intrare maximă, iar în timpul deplasării pe moment ce motorul se apropie de valoarea dorită tensiunea aplicată la bornele motorului va scădea treptant până la 0V.

Infigura următoare este prezentat un sistem de reglare automată cu bucla inchsa (de reacție)

Fig. 2.40 Sistem de reglare automată cu buclă închisă

Elementele componente ale acestui sistem sunt:

U – mărimea de intrare;

ε – mărimea de eroare;

xc – mărimea de comandă;

xm – mărimea de măsurat;

p – perturbatile;

Y – mărimea de ieșire;

Yr – mărimea de reacție;

E.C. – elementul de comparative sau comparatorul;

R.A. – regulatorul automat;

E.E. – elementul de execuție;

I.T. – instalația tehnologică;

Tr – traductor.

Funcționarea sistemului de reglare automată cu buclă închisă

Acest sistem primește o mărime de intrare aceasta este transmisă mai departe către regulatorul automat care cu ajutorul mărimii de comandă o transmite elementului de execuție, iar acesta la rândul său cu ajutorul mărimii de măsurat o transmite instalației tehnologice asupra căreia mai acționează și semnale părăsite. După ce această mărime va fi procesată de instalația tehnologică aceasta o va trimite mai departe pe calea inversă către traductor care este poziționat în paralel cu tot acest process. Principal caracteristică a traductorului este de a transforma o mărime în altă mărime, de obicei o mărime nelectrica într-o mărime electrică.

După ce semnalul va ieși din traductor acesta va fi transmis către comparator, prin intermediul mărimii de reactive, unde acesta va fi comparat cu mărimea de intrare, rezultatul acestui calcul reprezentând mărimea de eroare având uramtoarea formula de calcul.

ε = U – Yr [2.3]

Acest calcul se va repeta până când rezultatul mărimii de eroare va fi zero. Există posibilitatea că mărimea de eroare să aibe și valorii negative, de exemplu în cazul unei deplasări liniare a unui motor, din cauza fotei de inerție valoarea dorită va fi deplasita și astfel motorul va fi polarizat invers pentru a ajunge la valoarea dorită.

Sistemele de reglare automată se bazează șip e controlerele PID

Teoria PID

Coeficientul proporțional acesta depinde numai de diferența dintre punctul de referință și valoarea atinsă în timpul procesului, rezultatul reprezentând mărimea de eroare. O valoare ridicată a coeficientului de proporționalitate duce la creșterea vitezei de răspuns a sistemului, însă trebuie ținut cont de faptul că o creștere prea mare a acestui coeficient duce la apariția oscilatilor în sistem, iar sistemul devine instabil și poate devein incontrolabil.

Fig. 2.41 Schema bloc a unui controler PID

Coeficientul integrator acesta are rolul de a însuma semnalul de eroare în timp. Răspunsul dat de acest coeficient crește în timp mai puțin în momentul în care eroarea este zero. În momentul în care eroarea va fi zero starea sistemului va fi de echilibru. Acest lucru se produce în momentul în care sistemul va ajunge la valoarea de referință.

Coeficietul derivative determina că valoarea mărimii de ieșire să se micșoreze în cazul în care variabila procesului este în creștere. Creșterea timpului de derivare va determina sistemul de control să reacționeze mai puternic la schimbarea valorii erorii, astfel va determina creșterea vitezei de răspuns a întregului sistem. Dacă semnalul de feedback este zgomotos sau dacă viteza de control a buclei de reaztie este prea mică coeficientul derivativ va duce sistemul la instabilitate.

Controlul PID calculează în mod continuu o eroare, erarea rezultată reprezintă diferența între o valoare de referință și valarea de proces, se aplică corecții pe baza reglării PID (proporțional, integral și derivate). Controlul PID încearcă să minimizeze pe cât posibil eroarea prin ajustarea unei variabile de control u(t).

unde,

u(t) – variabilă de control

e(t) – variabilă de eroare

Kp – constantă de proporționalitate

Ki – constantă de integrare

Kd – constantă de derivare

Cele trei elemente ale controlerului PID

P – elementul proporțional, acesta realizează o amplificare a semnalului de intrare

I – elementul integrator, acesta realizează o integrare a semnalului de intrare

D – elementul derivative, acesta realizează o derivare a semnalului de intrare

În figură de mai jos este prezentat controlul PID și ce efect are fiecare constantă asupra semnalului. Dacă elementul proporțional ia o anumită valoare, iar celelalte două elemente vor fi nule semnalul va avea o formă de undă ca cea prezentată cu albastru. Dacă atât elementul proporțional cât sic el integrator li se vor aplică anumite valori corespunzătoare, iar elementul derivativ va fi nul, semnalul va avea o formă ca cel verde. Dacă toate cele trei elemente vor primii valori corespunzătoare sismului formă de undă a semnalului va fi ca cea roșie.

Elementul propotional are rolul de a ajuta semnalul să ajungă la valoarea dorită, caracteristicile accestui element sunt acelea ca amplitudinea semnalului nu este mult peste valoarea dorită a semnalului, stabilizare semnalului realizându-se într-un timp relativ mare, iar după stabilizarea acestuia semnalul nu va ajunge la valoarea dorită.

Elementul integrator are rolul de a ajuta semnalul să ajungă la valoarea dorită, caracteristic acestui element este aceea că amplitudinea semnalului este destul de semnificativă, stabilizarea semnalului realizându-se într-un interval de timp mare, dar după stabilizarea acestuia se va ajunge la valoarea dorită.

Elementul derivative are rolul de a ajuta semnalul să ajungă la valoarea dorită într-un interval de timp foarte scurt fără a depăși valoarea dorită, dar timpul până când semnalul va ajunge la valoarea dorită este mare.

Fig. 2.42 Diagrama controlerului PID

Aplicând toate cele trei elemente ale controlerului PID unui semnal acesta va ajunge la valoarea dorită într-un interval de timp scurt, aplitudinea semnalului este mare dar stabilizarea acestui semnal pentru a ajunge la valoarea dorită este mică.

Capitolul 3

3.1 Modelarea matematică

Ținând cont de cele prezentate în capitolul 2 am considerat că sistemul de locomoție pe care îl voi folosi pentru robotul mobil este cel diferențial și motoare de curent continuu, astfel în acest capitol este prezentată partea de calcul a motoarelor necesare robotului pentru a ajunge al vitezele și acceleratile dorite, cât și cuplul necesar generat de motor pentru că acesta să învingă forțele rezistente care se opun mișcării robotului mobil.

În cea de-a doua parte a capitolului, ținând cont de regulile concursului, am proiectat un mecanism necesar colectării modulelor lunare. Acest mecanism este compus dintr-un gripper și mecanism de ridicare a modulelor lunare. Pentru realizarea lui doresc să folosesc servomotoare iar în funcție de forțele care se opun voi alege caracteristicile acestor

3.1.2 Dimensionarea motoarelor

Pentru determinarea forțelor care acționează asupara robotului în timpul deplasării este necesar să se realizeza un calcul de predimensionare a părții de locomotive și după aceste calcule se vor alege motoarele corespunzătoare. Odată cu creșterea masei robotului este necesar să se crească și puterea motoarelor datorită faptului că și forțele rezistente vor crește.

Pentru că robotul să se pună în mișcare acesta trebuie să învingă forțele de frecare dintre roțile motoare, ball caster-re și suprafața pe care acesta se deplasează, forțele de inerție, dar și forțele de frecare din interiorul motorului. Dacă robotul se deplasează pe un plan înclinat se va lua în calcul și forța de greutate. Pentru a obține o viteză constantă a robotului este necesar că motorul să dezvolte un cuplu care să depășească momentul rezistiv de la axul acestuia, în cazul în care acest cuplul este prea mic ca să învingă momentul rezistiv robotul nu se va deplasa, iar dacă se va menține alimentarea asupra motoarelor acest lucru poate duce la arderea lor.

3.3.2.1 Aplicare forțelor care acționează asupra robotului în plan orizontal

Fig. 3.1 Aplicare forțelor asupra robotului în plan orizontal

N – normal la suprafață;

G – forța de greutate;

Ff – forța de frecare;

Ft – forța de tracțiune;

F – forța de inerție.

Pentru a determina momentul necesar pentru a deplasa robotul este nevoie să se calculeze forțele care se opun deplasării acestuia.

Forța de frecare

Ff = N · µ [3.1]

unde,

N – reprezintă forța normală la suprafață

µ – reprezintă coeficientul de frecare și are valoarea aproximativ egală cu 0,9

N = G = m · g [3. 2]

unde,

m – reprezintă masa totală a robotului care este aproximativ 7 Kg

g – reprezintă accelerația gravitațională care are valoarea 9,81 m/s2

Ținând cont de cele de mai sus, forța de frecare are următoarea formă

Ff = m · g · µ = 7 · 9,81 · 0,9 = 61,8 [N] [3.3]

Forța de inerție

F = m · a = 7 · 1,5 = 10,5 [N] [3.4]

unde,

a – reprezintă accelerația maximă pe care poate să o atingă robotul, în cazul nostru ia valoarea 1,5 [m/s2]

După determinarea forțelor rezistente se calculează forța de tracțiune necesară deplasării robotului

Ft > F + Ff > 10,5 + 61,8 = 72,3 [N] [3.5]

Forța de tracțiune are expresia

Ft = = 72,3 [N] [3.6]

unde,

Mm – reprezintă momentul motor

r – roază roții care are este de 62,5 mm

Momentul necesar pentru deplasarea robotului exercitat de axul motorului la o roată este

Mm = = = 2259,4 [N · mm] = 2,26 [N · m] [3.7]

Viteză unghiulară a motorului se determina cu următoarea expresie și are viteza limită egală cu 0.5 [m/s]

ω = = = 8 [râd/s] [3.8]

Turația motorului electric este dată de următoarea expresie

n = = = 76,43 [rot/min] [3.9]

Puterea necesară motorului electric

P = Mn · ω = 2,26 · 8 = 18,08 [W] [3.10]

3.3.2.2Aplicare forțelor care acționează asupra robotului în pantă

Suprafața pe care robotul se va deplasa pe masa de joi are și o zonă cu o înclinare de 3,27o. În continuare voi calcula forțele rezistente asupra robotului deplasndu-se pe un plan înclinat de 4o.

Fig. 3.2 Aplicare forțelor asupra robotului în rampă

N – normal la suprafață

G – forța de greutate

Gx – componenta forței de greutate pe axă x

Gy – componenta forței de greutate pe axa y

Ff – forța de frecare

Ft – forța de tracțiune

F – forța de inerție

Pentru a determina momentul necesar pentru a deplasa robotul este nevoie să se calculeze forțele care se opun deplasării acestuia.

Forța de frecare

Ff = N · µ [3.11]

unde,

N – reprezintă forța normală la suprafață

µ – reprezintă coeficientul de frecare și are valoarea aproximativ egală cu 0,9

N = Gy = m · g · coș 4o [3.12]

unde,

m – reprezintă masa totală a robotului care este aproximativ 7 Kg

g – reprezintă accelerația gravitațională care are valoarea 9,81 m/s2

Forța de greutate

G = m · g [3.13]

Gx = G · sin 4 = m · g · sin 4o [3.14]

Gy = G · coș 4 = m · g · coș 4o [3.15]

Ținând cont de cele de mai sus, forța de frecare are următoarea formă

Ff = m · g · (µ · coș 4o + sin 4o) [3.16]

Ff = 7 · 9,81 · (0,9 · 0,99 + 0,07) = 66 [N] [3.17]

Forța de inerție

F = m · a = 7 · 1,5 = 10,5 [N] [3.18]

unde,

a – reprezintă accelerația maximă pe care poate să o atingă robotul, în cazul nostru ia valoarea 1,5 [m/s2]

După determinarea forțelor rezistente se calculează forța de tracțiune necesară deplasării robotului

Ft > F + Ff > 66 + 10,5 = 76,5 [N] [3.19]

Forța de tracțiune are expresia

Ft = = 76,5 [N] [3.20]

unde,

Mm – reprezintă momentul motor

r – roază roții care are este de 62,5 mm

Momentul necesar pentru deplasarea robotului exercitat de axul motorului la o roată este

Mm = = = 2390,6 [N · mm] = 2,4 [N · m] [3.22]

Viteză unghiulară a motorului se determina cu următoarea expresie și are viteza limită egală cu 1 [m/s]

ω = = = 8 [râd/s] [3.23]

Turația motorului electric este dată de următoarea expresie

n = = = 76,43 [rot/min] [3.24]

Puterea necesară motorului electric

P = Mn · ω = 2,4 · 8 = 19,2 [W] [3.25]

3.3.2.3Aplicare forțelor care acționează asupra robotului în pantă

Suprafața pe care se află robotul se păstrează și are o înclinare de 4o

Fig. 3.3 Aplicare forțelor asupra robotului în pantă

N – normal la suprafață

G – forța de greutate

Gx – componenta forței de greutate pe axă x

Gy – componenta forței de greutate pe axa y

Ff – forța de frecare

Ft – forța de tracțiune

F – forța de inerție

Pentru a determina momentul necesar pentru a deplasa robotul este nevoie să se calculeze forțele care se opun deplasării acestuia.

Forța de frecare

Ff = N · µ [3.26]

unde,

N – reprezintă forța normală la suprafață

µ – reprezintă coeficientul de frecare și are valoarea aproximativ egală cu 0,9

N = Gy = m · g · coș 4o [3.27]

unde,

m – reprezintă masa totală a robotului care este aproximativ 7 Kg

g – reprezintă accelerația gravitațională care are valoarea 9,81 m/s2

Forța de greutate

G = m · g [3.28]

Gx = G · sin 4o = m · g · sin 4o [3.29]

Gy = G · coș 4o = m · g · coș 4o [3.30]

Ținând cont de cele de mai sus, forța de frecare are următoarea formă

Ff = m · g · (µ · coș 4o + sin 4o) [3.31]

Ff = 7 · 9,81 · (0,9 · 0,99 – 0,07) = 56,4 [N] [3.32]

Forța de inerție

F = m · a = 7 · 1,5 = 10,5 [N] [3.33]

unde,

a – reprezintă accelerația maximă pe care poate să o atingă robotul, în cazul nostru ia valoarea 1,5 [m/s2]

După determinarea forțelor rezistente se calculează forța de tracțiune necesară deplasării robotului

Ft > F + Ff > 56,4 + 10,5 = 66,9 [N] [3.34]

Forța de tracțiune are expresia

Ft = = 66,9 [N] [3.35]

unde,

Mm – reprezintă momentul motor

r – roază roții care are este de 62,5 mm

Momentul necesar pentru deplasarea robotului exercitat de axul motorului la o roată este

Mm = = = 2090,6 [N · mm] = 2,09 [N · m] [3.36]

Viteză unghiulară a motorului se determina cu următoarea expresie și are viteza limită egală cu 1 [m/s]

ω = = = 8 [râd/s] [3.37]

Turația motorului electric este dată de următoarea expresie

n = = = 76,43 [rot/min] [3.38]

Puterea necesară motorului electric

P = Mn · ω = 2,09 · 8 = 16,72 [W] [3.39]

3.2 Proiectarea sistemelor pentru îndeplinirea sarcinilor

Pentru a îndeplini sarcinile impuse de concurs am realizat un mecanism de colectarea a minereurilor și un mecanism de colectare a modulelor lunare.

Am proiectat și realizat un mecanism de tip gripper pentru colectarea modulelor lunare, în continuare este prezentată partea de calcul a sistemului de prehensiune (gripper).

3.2.1 Calcul gripper

3.2.1.1 Determinarea forței de greutate care acționează asupra gripper-ului.

G = m · g = 0,05 · 9,81 = 0,49 N [3.40]

G – forța de greutate

m – masa unui modul lunar = 0,05 Kg

g – accelerația gravitațională = 9,81 m/s2

Fig. 3.4 Schema cinematică a gripper-ului

Forța de frecare trebuie să fie egală cu forța de greutate pentru a putea ține greutatea modulelor lunare, astfel vom avea :

Ff = G = 0,49 N [3.41]

Ff = µ · N => N= = = = 0,44 N [3.42]

Forța generată de motor:

F1 = = = 0,22 N [3.44]

Forța transmisă pe un braț este:

F2 = F1 · = 0,22 · = 0,164 N [3.45]

L1 = 35 mm; L2 = 47 mm

Determinarea unghiului dintre tije și brațul gripper-ului

L42 = L32 + L52 – 2 · L3 · L5 · [3.46]

L3 = 22 mm; L4 = 14,5 mm; L5 = 29 mm

= = = 0,874 [3.47]

α = = 29,07° [3.48]

Determinarea forței după diretia normalei la brațul motorului

= [3.49]

F3 = F2 · = 0,164 · 0,874 = 0,143 N [3.50]

Determinarea cuplului necesa pentru acționarea modulului lunar

Mnecesar = F3 · = 0,143 · 14,5 = 2,07 N·mm [3.51]

În urma calculelor efectuate am ales un servomotr TowerProm MG995 deoarece cuplul exercitat de acesta este suficient pentru strângerea modulelor lunare

Mmin servo = 930 N · mm Mnecesar = 2 · 2,07 N · mm = 4,14 N · mm [3.52]

3.2.1.2 Calculul sistemului de ridicare a modulelor lunare

Determinarea forței de greutate care acționează asupra mecanismului de ridicare a modulelor lunare

G = mtot · g = 0,05 · 9,81 = 0,49 N [3.53]

G – forța de greutate

g – accelerația gravitațională = 9,81 m/s2

mg = msv + ms + m = 0,055+0.05+0,05 = 0,155 Kg [3.54]

mg – masa gripper-ului

msv – masa servomotor = 0,055 Kg

ms – masa suporți 0,05 Kg

m – masa unui modul lunar = 0,05 Kg

mtot = mg + msr = 0,155 + 0,025 = 0,180 Kg [3.55]

msr – masa suport ridicare

Determinarea cuplului necesar

Mnecesar = G · d = 0,49 · 75 = 36,75 N · mm [3.56]

În urma calculelor efectuate am ales un servomotr TowerProm MG995, acesta are necesar îndeplinirii sarcinii de ridicare a mecanismului de prehensiune ( ridicarea modulelor lunare).

Mmin servo = 930 N · mm Mnecesar = 36,75 N · mm [3.57]

Fig. 3.5 Aplicarea momentului și forței de greutate mecanismului de ridicare

Capitolul 4

Proiectarea sistemului de locomoție și a mecanismului de colectare a modulelor lunare

În acest capitol după alegerea tipului de locomoție, a motoarelor și a servomotoarelor am realizat modelarea tridimensională a robotului mobil.

4.1 Sistemul de locomoție

În urma calculelor efectuate la capitolul 3 și a documentației realizate la capitolul 2, am ales că sistemul de locomoție să cuprindă două motoare: Dynamixel RX 24F pe axul cărora sunt montate două roți cu raza r = 62,5 mm, două encodere Yumo E6B2-CWZ3E. Axul fiecărui encoder este antrenat de două roți libere cu raza r = 24. Partea de proiectare include și componente conexe precum: suporți de motoare, suporții pentru encoder, ghidaje liniare.

Fig. 4.1 Sistemul de locomoție și placa de bază

1 – placa de bază;

2 – roti motoare;

3 – supor motoare.

Fig. 4.2 Elementele sistemului de locomoție

În figură următoare sunt prezentate elementele componente ale sistemului de locomoție.

Fig. 4.3 Elementele componente ale sistemului de locomoție pentru un motor

1 – ghidaj;

2 – rigla ghidajului;

3 – rulmenți;

4 – flanșe de legătură între roata și lagăr;

5 – flanșe de fixare a roții cu flanșa 4;

6 – motor;

7 – suport motor;

8 – roata encoder;

9 – flanșa encoder;

10 – encoder;

11 – suport de fixare a sistemului de culisare a encoderului și a lagărului;

12 – roata;

13 – flanșe motor.

Fig. 4.4 Suport motoare

Suportul pentru moțare este în formă de U acestea având o degajare pe partea laterală a acestuia în care vor fi introduse motoarele pentru a evita jocul între suport și motor. Motoarele sunt fixate pe suport cu ajutorul a 8 șuruburi M3 x 18 fiecare. Suportul este realizat în oglindă, degajările și găurile fiind identice. Flanșa motorului se fixează pe axul acestuia și face legătura între motor și roata robotului.

Fig. 4.5 Flanșe roata – flanșe motor

Transmiterea mișcării de rotație de la motor la roata se realizează prin intermediul a doua flanșe. Flanșa din dreapta se fixează de axul motorului, iar flanșa din stânga se fixează pe roata motoare. Prin intermediul a 8 șuruburi M2 x 6 se realizează fixarea dintre cele două flanșe.

Pentru că flanșa să se poată fixa mai bine de roată se folosește încă o plânse. Cele două flanșe se afla de o parte și de alta a roții, iar fixarea dintre cele două se face prin intermediul a 3 șuruburi M6 x 24.

Fig. 4.6 Fixare roata de cele două flanșe

Pentur a reduce forța radială asupra axului motorului am realizat un sistem de lagaruire. Acest sistem este alcătuit din doi rulmenți și un suport în care acestea sunt fixați. Pe diametrul interior al rulmenților se fixează axul flanșei, care este fixată de roată motoare.

Fig. 4.7 Sistemul de lagaruire și flansea ce se fixează de roată

Suportul pe care sunt fixați cei doi rulmenți se utilizează și pentru a fixa sistemul de culisare a encoderului. Acest sistem este alcătuit dintr-un ghidaj și o riglă de ghidare care se fixează de suport.

Fig. 4.8 Sistemul de ghidare

Fixarea riglei de ghidare și suport se face prin intermediul canalului din suport și prin intermediul unui șurub M2.5 x 12.

Fig. 4.9 Flanșe encoder și ghidaj

Fixarea dinter flanșe și ghidaj se realizează prin intermediul a 4 șuruburi M2 x 10.

Flansea encoderului se fixează de acesta prin intermediul a 3 șuruburi M1.5 x 10.

Fig. 4.10 Flanșe encoder și encoder

Pe axul encoderului se fixează o roată liberă, iar cu ajutorul acesteia encoderul citește poziția și orientarea robotului.

Fig. 4.11 Roata encoder și encoderul

Sistemul de locomoție este simetric, distansta dintre roțile motoare fiind aceiași la fel și distanța dintre roțile encoderelor.

Fixarea sistemului de locomoție de placă de bază se realizează prin intermediul a 2 șuruburi M6 x 16 și 4 șuruburi M5 x 16, iar suportul pe care sunt fixați cei doi rulmenți și rigla ghidajului este fixat de placă de bază prin intermediul a 4 șuruburi M5 x 16 și două știfturi 3 x 14.

Fig. 4.12 Fixarea sistemului de locomotive

Echilibrul sistemului de locomoție se realizează cu ajutorul unui ball caster 14 care este poziționat în partea din față a robotului.

Fig. 4.13 Sistemul de locomoție vedere frontală

Fig. 4.14 Sistemul de locomoție vedere longitudinală

Am ales că robotul să aibe o gardă la sol de 20mm pentru a se putea deplasa cu ușurință peste balansoarul poziționat pe masa de joc între prima zonă de start și zona de acțiune de pe masă.

4.2 Mecanismul de colectare a modulelor lunare

Acest mecanism are în componența lui 7 servomotoare, dintre acestea un servomotor este utilizat la gripper, două la faza de ridicare a gripper-ului, un servomotor este utilizat la menținerea modulului lunar în poziția de sus a mecanismului, un servomotor este utilizat ca opritor pentru a putea elibera modulele lunare unul câte unul, un servomotor este utilizat pentru a lăsa modulele lunare în zona dorită, iar unul pentru a le putea împinge în zona de depozitare. Pe lângă servomotoare în componența mecanismului se mai regăsesc și elemente de legătură.

Fig. 4.15 vederea frontal a mecanismului

Fig. 4.16 Prezentare mecanism

Subsistemele mecanismului sunt:

1 – Sistem de reținere module lunare

2 – Sistem de ridicare și gripper

3 – Sistem de oprire a modulelor lunare

4 – Sistem de eliminare

5 – Sistem de împingere

Fig. 4.17 Gripper-ul și sistemul de ridicare

În figură de mai sus este prezentat griperr-ul cu ajutorul căruia se colectează modulele lunare, după ce gripper-ul preia modulul îl va depozita în interiorul robotului cu ajutorul sistemului de ridicare.

Fig. 4.18 Menținere modulului lunar în poziția de sus

Suprafața pe care se poziționează modulul este înclinată pentru a cobor singur din zona în care este lăsat, până la eliberarea din robot. Astfel pentru orientarea modulelor s-a folosit un servomotor, acesta are în componența sa o tije din profil pătrat și la capătul opus prinderii tijei, pe axul servomotorului are o paletă pentru a împinge modulul pe toată circumferința să.

Fig. 4.19 Prindere modul lunar

În momentul în care gripper-ul preia un alt modul lunar servomotorul care are rolul de a menține modulul din robot îl va elibera și astfel acesta va rula pe suprafața înclinată pentru a permite poziționarea unui nou modul. Primul modul vă rula până la sistemul de eliminare care eliberează modulele, iar după ce primul modul ajunge la acesta va fi acționat servomotorul care are rol de opritor modulele lunare pentru a le elibera unul câte unul.

Fig. 4.20 Sistem de oprire a modulelor lunare

Fig. 4.21 Încărcare robot cu module lunare

Mecanismul este proiectat pentru a putea depozita 4 module lunare, cum este prezentat în figură de mai sus. După ce robotul a depozitat cele 4 module acesta se va deplasa în zona de eliminare a acestora.

Fig. 4.22 Zona de eliminare a modulelor lunare

După ce robotul va ajunge în punctul predefinit va elibera modulele lunare unul câte unul, astfel cu ajutorul sistemului de eliminare va elibera primul modul lunar prin ridicarea plăcuței de reținere, după ce primul modul vă fi eliberat, sistemul de eliberare va reveni pe poziția inițială. După închidere sistemul de oprire a modulelor se va ridica și astfel se va poziționa următorul modul în poziția de eliminare, după poziționarea unui modul în acea zonă sistemul de oprire se va închide din nou, acest ciclu se va repeta până la eliberarea tuturor modulelor.

Fig. 4.23 Eliberarea primul modul lunar

Fig. 4.24 Eliberarea modulelor lunare 2 și 3

După ce robotul va elibera al treilea modul lunar acesta va acționa sistemul de împingere, cu ajutorul acestuia robotul va împinge modulele lunare pentru a le poziționa în zona dorită așa cum este prezentat în imaginile de mai jos.

Fig. 4.25 Sistemul de împingere a modulelor lunare

După ce modulele lunare au fost împinse se va elibera și ultimul modul, iar sistemul de împingere va reveni pe poziția inițială.

Fig. 4.26 Eliberarea ultimului modul lunar

Capitolul 5

5.1 Elementele componente ale robotului mobil

Robotul are mai multe nivele, placă de bază a acestuia are o formă dreptunghiulară și este realizată din aluminiu. Am decis alegerea acestei forme a robotului pentru că rotile motoare să fie cât mai depărtate de centrul robotul pentru a fi mai stabil iar rotile encoderelor să fie mai îndepărtate pentru a calacula mai precis depasarea acestuia pe masa de joc. Stuructura exterioară de rigidizare este realizată din două proile de aluminiu poziționate pe diagonal de asemenea structură exterioară a robotului are ca scop protejarea elementelor interioare spre exemplu partea electronică și ajuta și la orintarea elementelor de joc după ce acestea au fost colectate de robot. Masa robotului este de 10 kg, iar viteza maximă a acestuia este de 2 m/s.

Tracțiunea este alcătuită din două roți motoare, acționate de două servomotoare Dynamixal RX-24F tansformate în servomotare continue alimentate la o tensiune de 12 V. Aceste servomotoare sunt fixate într-un suport de aluminiu, motoarele se situează pe o axă imaginară comună egal depărtate de acentrul robotului. Pentru a executa o mișcare de translație a robotului cele două motoare trebuie să fie acționate în același timp, iar pentru a executa o mișcare de rotație motoarele trebuie acționate în sensuri opuse. Pentru monitorizare distanței parcurse de către robot s-au folosit doua encoder incrementale de rotație, astfel pe axul fiecărui encoder aflându-se care o roată liberă. Gardă al sol a robotului destul de mare dat fiind faptul că acesta trebuie să se deplaseze pe o pantă, respectiv rampa.

Partea electronică a robotului este alimentată la o tensiune de 15V prin intermediul unei baterii de tip Li-Po de 15V cu o capacitate de 5300mAh. Cu ajutorul acestei baterii se alimentează direct driverele pentru comanda celor două motoare, VNH 5019, iar pentru partea de comandă se folosește un stabilizator de tensiune pentru a cobora tensiunea de la cei 15V la tensiunea de 5V.

Pentru detecția adversarului pe masa de joc și a elementelor aflate pe aceasta s-a efectuat cu ajutorul unor senzori ultrasonici tip Ping ))).

Pentru parte software s-a folosit paca de dezvoltare Arduino Mega 2560 și o plăcută Arduino Nano, programarea pe baza acestor platform de dezvoltare se realizează folosind limbajul C.

5.2 Componentele utilizate pentru realizarea robotului mobil

5.2.1 Dezvoltare software.

Placa de dezvoltare Arduino Mega 2560. Adruino este o companie open-source producătoare de placate electronice de dezvoltare bazându-se pe microcontrolere.

Arduino realizează și partea de dezvoltare software, adică realizează librari și programe simple pentru a ușura munca utilizatorului

Arduino Mega este o plăcută electronică care se bazează pe un microprocesor din familia AVR, respectiv un microcontroler ATmega2560. Placă are în componența sa un număr de 54 de intrări sau ieșiri digitale din care 15 pot fi utilizate ca și ieșiri PWM, 16 intrări analogice, 4 porturi UART (porturi seriale hardware), un cristal de quartz (oscilator) de 16 MHz, o conexiune USB și un buton de Reset.

Placa poate opera pe o sursă de alimentare externă de 6 până la 20 [V], se recomanda a se folosi o tensiune cuprinsă între 7 și 12 [V].

S-a ales această placă de dezvoltare datorită limbajului de programare relativ ușor, având numeroase exemple, a multitudinii de intrări/ieșiri digitale și a celor care pot fi folosite ca ieșiri PWM.

Fiecare dintre cele 54 de intrări digitale pot fi utilizate ca ieșire sau intrare, folosind funcțiile: pinMode(), digitalWrite(), și digitalRead().

Pinii 2 până la 13 și 44 până la 46 furnizează ieșiri PWM, folosind funcția analogWrite().

Caracteristicile principale ale acestei plăci sunt următoarele:

microcontroller: ATmega2560;

tensiune de alimentare: 5[V];

interval al tensiunii de alimentare recomandat: 7 – 12 [V];

intrări/ieșiri digitale: 54;

intrări analogice: 16;

curentul maxim pe intrările/ieșirile digitale: 40 [mĂ];

memoria flash: 256 [KB];

frecvența de ceas: 16 [MHz];

Fig. 5.1 Placă de dezvoltare Arduino Mega 2560

Placa de dezvoltare Arduino Nano. Este o plăcuță de dezvoltare care funcționează pe același principiu ca și Arduino Mega, diferența între cele două este cea de dimensiuni și totodată de numărul de intrări și de ieșiri

Caracteristicile de bază ale acesteia sunt:

Microcontroller: Atmega 328P

Architectura: Atmel AVR 8-bit

Tensiune: 5v

Memorie Flash: 32KB

ȘRAM: 2 KB

Viteza: 16MHz

Intrări Analogice: 8

Ieșiri PWM: 6

EEPROM: 1 KB

Fig. 5.2 Arduino Nano

5.2.2 Driver de motore Dual VNH 5019 Shild

Acest tip de driver se utilizează pentru comanda celor două servomotare Dynamixel RX-24F, am ales acest tip de driver pentru că îndeplinește condițiile impuse de aplicarea dorită, putând genera suficientă putere motoarelor pentru a funcționa la parametrii optimi.

Principalele caracteristici ale acestor tipuri de driver sunt:

Sunt două canale pentru motor;

Tensiunea minimă de funcționare este de 5,5 V;

Tensiunea maximă de funcționare este de 24 V;

Curentul de ieșire continuu pe canal este de 12 A;

Curentul de ieșire de vârf pe canal este de 30 A;

Frecvența maximă PWM este de 20 KHz;

Acceptă frecvență PWM ultrasonică pentru o funcționare mai silențioasă;

Protecție la tensiune inversă.

Fig. 5.3 Driver motor VNH 5019

Driverul are rolul de a comanda motoarele, principiul de funcționare al driverului este cel de punte H. Principiul este folosit frecvent în robotică și în diverse aplicații pentru comanda motoarelor de curent continuu de a se roti în ambele sensuri. Aceste punți H se pot găsi sub formă de circuite integrate, tranzistori bipolari, tranzistori MOȘ sau tranzistori IGBT.

Funcționare punții H. Puntea are un componența sa patru tranzistoare care joacă rolul de contacte normal deschise astfel avem patru cazuri de funcționare a punții

În cazul în care toate contactele S1, S2, S3 și S4 sunt neactionate adică sunt normal deschise motorul se va afla în repaus deoarece nu se produce alimentarea să

Un alt caz este acela în care motorul funcționează în regim de frânare adică contactele S1 și S3 sunt acționate și contactele S2 și S4 sunt neactionate sau cazul în care contactele S2 și S4 sunt acționate și contactele S1 și S3 sunt neactionate

Cazul în care motorul se rotește în dreapta este acela când contactele S1 și S4 sunt acționate, iar contactele S2 și S3 sunt neactionate

Cazul în care motorul se rotește în stânga este acela când contactele S2 și S3 sunt acționate, iar contactele S1 și S4 sunt neactionate

Este important de știut că în cazul în care toate contactele sau trei dintre ele sunt acționate se va produce scurtcircuitul și astfel se va arde motorul.

Fig. 5.4 Puntea H – Schimbarea sensului de rotație al motorului

Puntea H se folosește în principiu pentru inversarea sensului de rotație al motorului, dar se folosește și pentru a realiza frânarea motorului.

Reglarea vitezei de deplasare a roboților mobile se bazează pe comanda PWM (Pulse Wigth Modulation). Principiul de funcționare al acestei metode consta în generarea unei tensiuni continue, dar reglabile, astfel formă de undă a pulsului este una dreptunghiulară fiind posibilă modificarea lățimii benzii de undă

Fig. 5.5 PWM aplicat motorului de curent continuu

În figură de mai sus se poate observa principiul de funcționare al PWM-ului aplicat unui motor de curent continuu, astfel în primul caz când motorul primește 3V de la sursa de alimentare lățimea benzii de undă ia valoarea 1 logic pe un interval de doar 25 % din lățimea benzii, fiind reprezentată de o perioadă. Motorul rotindu-se cu o viteză relativ mică.

Fig. 5.6 Reprezentarea perioadei unui semnal

În figură de mai sus este representata perioada unui semnal, aceasta fiind notată cu T și are formul:

T [5.2.2.1]

În momentul în care valoarea 1 logic este menținută mai mult timp în decursul unei perioade atunci tensiunea care va fi aplicată motorului va crește direct proporțional cu procentul din lățimea benzii în care valoarea este 1.

Ținând cont de figură de mai sus observăm că în momentul în care asupra motorului se aplică o tensiune de 12V lățimea benzii va lua valoarea 1 logic pe toată perioada semnalului.

5.2.3 Stabilizator de tensiune step-down 5V 6A D24V60F5

Principalele caracteristici ale acestuia sunt:

Tensiunea minimă de alimentare este de 5 V

Tensiunea maximă de alimentare este de 38 V

Curentul de ieșire maxim este de 6 A

Tensiunea de ieșire este de 5 V

Am folosit acest stabilizator de tensiune step-down pentu a cobora tensiunea de la 15V la 5V pentru a avea o tensiune corespunzătoare de alimentare pentru placă de dezvoltare Arduino Mega 2560, Arduino Nano, Servomotoarele folosite pentu realizarea mecanismelor și a senzorilor ultrasonici tip Ping ))).

Fig. 5.7 Stabilizator de tensiune step-down 5V 6A D24V60F5

5.2.4 Senzori ultrasonici Parallax Ping

Principalele caracteristici ale senzorului Parallax Ping

Rata de măsurare este de la 2 cm până la 3 m;

Tensiunea de alimentare este de 5 V;

Curentul absorbit este de 30 mĂ;

Frecvența este de 40 KHz la 200 μs.

Fig. 5.8 Senzori ultrasonici Parallax Ping

Am utilizat acești senzori pentru a detecta adversarul pe masa de joc și pentru a detecta elementele de joc pentru a le colecta. Acestea reprezintă o soluție foarte bună pentru măsurarea distanței între obiectele staționare și în mișcare . Pe lângă aplicațiile din robotică acest tip de senzor se utilizează și în sisteme de securitate. Comunicarea cu plăcută de dezvoltare software se realizează folosind un singur pin de intrare-iesire.

Fig. 5.9 Modul de funcionare al senzorului Parallax Ping )))

În figură anterioară se observa modul de funcionare al senzorului astfel senzorul va trimite unde iar în momentul în care acestea vor întâlni un obstacol acete unde se vor întoarce către receptor.

La temperatura camerei, în cazul în care ținta este la același nivel cu senzorul, raza de acțiune a acestuia va fi după cum se observa în figură

Fig. 5.10 Raza de acțiune a senzorului Parallax Ping )))

5.2.5 Acumulatorul LiPo 5300 mAh 4S

Acumulatorul utilizat pentru alimentarea întregului robot mobil are o tensiune nominală de 15V și dezvoltă un curent de 5.3Ah. Acesta este alcătuit din patru celule ce au la bază tehnologia LiPo. Greutatea acumulatorului este de 430g. Acesta are avantajul principal de a oferi utilizatorului menținerea unui voltaj constant până la 80 % din capacitatea să.

Prezintă avantaj și din punct de vedere al gabaritului fiind poziționat ușor în robot, din motive de sigurata regulamentul concursului impune utilizarea unui sac special de protecție.

În funcție de acumulator se va realiza și partea electrică a robotului.

Fig. 5.11 Acumulator LiPo 15 V / 5,3 Ah

5.2.6 Servomotoare

Servomotoarele sunt dispozitive alcătuite dintr-un motor de curent continuu care cu ajutorul unor angrenaje antrenează axul de ieșire, pe care este montat un potențiometru care joacă rolul de senzor de poziție. Astfel axul de rotație al servomotorului nu realizează o rotație continua ci doar un unghi de 180 de grade

Fig. 5.12 Componenta unui servomotor

Servomotoarele se utilizează pentru a realiza o anumită rotație unghiulară având potențiometrul care juca rolul de senzor de poziție mișcarea acestuia fiind monitorizată în orce moment de timp.

Aceste servomotoare se utilizează pentru precizia unghiulară ridicată pe care acestea o au. Spre deosebire de motoarele de curent continuu care încep să se rotească în momentul în că sunt alimentate, servomotoarele încep să lucreze doar în momentul în care primesc comandă chiar dacă sunt alimentate. Poziția acestuia este controlată cu ajutorul unei bucle de reactive (feedback)

Fig. 5.13 Modul de lucru al servomotorului în impuls PWM

Servomotoarele lucrează în comanda PWM adică în funcție de factorul de umplere al semnalului axul motor fă avea o anumită poziție așa cum este prezentat mai jos. Cele mai usual valori ale factorului de umplere a semnalului sunt 1 ms pentru 180 de grade și 2 ms pentru 0 grade.

Pentru mecanimele realizate am utilizat servomotoare TowerPro MG995

Am ales aceste servomotoare în funcție de caracteristicile sale:

greutate de 55 g

cuplu care variază de la 93 N · cm (4.8 V) până la 108 N · cm (6 V)

viteza de rotație de 60° în 0.2 sec

tensiunea de lucru: 4.8 V – 7.2 V

Reductorul servomotorului are roțile dințate executate din metal (avantaj).

Servomotorul este de dimensiuni reduse și are un cuplu de până la 108 N · cm.

5.2.7 Encoderul incremental rotativ Yumo E6B2-CWZ3E

Pentru a putea montoriza poziția robotului în orice moment pe masa de joc se va folosi metodă de odometrie, considerată de cercetători una dintre cele mai precise metode de determinare a poziției unui robot mobil.

Această metodă în cazul nostrul folosește doua encodere incrementale de rotație cu ajutorul cărora se determina deplasarea robotului prin tansformarea mișcării de rotație a axului encoderului în deplasare liniara. Pe fiecare ax al encoderului se afla câte o roată de aluminiu, având pe suprafața de contact cu solul un strat subțire de cauciuc. Ansamblul format din encoder și roata de aluminiu este independent de roatile motoare și cele două motoare pentru a avea o precizie cât mai bună de măsurare a poziție robotului. Funcționarea acestei metode consta în monitorizarea distanței reale parcurse de robotul mobil cu ajutorul ansamblului format din encoder și roata de aluminiu, în cazul în care robotul va întâmpina probleme în deplasarea sa, spre exemplu mersul în gol al roților.

Ansamblul encoderului se montează pe un suport realizat din aluminiu, acesta fiind fixat pe un ghidaj liniar cu bile

După cum este prezentat mai sus în figură rotile encoderelor se afla pe aceiași axa imaginară cu rotile motoare pentru a fi mai ușor de calculate deplasare, respective rotația robotului.

Principiul de funcționare a acestor tipuiri de encoder se bazează pe o fotodiodă care recepționează fasciculele luminoase emise de sursa de lumina infraroșie printr-un disc incremental. Acest disc este alcătuit din zone transparente și opace uniform distribuite pe suprafața acestuia. Fotodioda crează un impuls pe care îl trimite mai departe către partea de calcul, impulsurile sunt de 5V și 0V, când fascicolul de lumină întâlnește zona opacă encoderul va trimite 0V către partea de comandă, iar în cazul în ca acesta va întâlni zona transparenta encoderul va trimite 5V părții de comandă

Semnalul analizat este contorizat de care un circuit de evaluare, aceasta contorizare este înregistrată și disponibilă la ieșirea encoderului. Encoderele în cuadratura folosesc două canale de ieșire, A și B, care au o dispunre de 90 de grade unul față de celălalt, care oferă patru stări posibile de ieșire din encoder

Fig. 5.14 Principiul de funcționare al unui encoder

În figură de mai sus se poate observa funcționare encoderului prin ordinea în care se schimbă din 0 în 1 logic a semnalul în fiecare canal, indicând sensul de deplasare al encoderului, determinându-se astfel dacă rotile encoderului se deplasează în față sau în spate

Principalele caracteristici ale encoderelor Yumo E6B2-CWZ3E sunt:

Rezoluție: 1024 [Pulsuri / Rotație] (în cuadratură: 4096 [Pulsuri/Rotație])

Tensiune de intrare: 5 – 12 [V]

Viteza maximă de rotație: 6000 [rot/min]

Încărcare radială admisibilă: 5 [N]

Încărcare axială admisibilă: 3 [N]

Lungime cablu: 500 [mm]

Diametru ax: 6 [mm]

5.2.8 Motor electric de curent conținu Dynamixal RX-24F

Una dintre cele mai importante părți ale uni robot mobil este aceia a tracțiunii, astfel alegerea motoarelor este foarte importantă. Principalele caracteristici care trebuie luate în calcul la alegerea motoarelor sunt: dimensiunile robotului, greutatea acestuia, viteza și accelerația necesară acestuia pentu a se deplasa, tipul de suprafața pe care se va deplasa. Trebie luat în calcul și tensiunea de alimentare la care se pot conecta acestea.

Astfel în funcție de documentația și calculele efectuate în capitolele anterioare am ales că sistemul de locomtie să cuprindă motoare de curent continuu. Am ales motoarele Dynamixel RX-24F

Fig. 5.15 Servomotor Dynamixel RX 24 F

Aceste motoare sunt la baza servomotoare, dar prin eliminarea potentionetrului care îi limita cursa am obținut un motor de curent continuu.

Principalele caracteristici ale acestuia sunt:

Cuplu dezvoltat de motor este de 2,6 N m

Viteza de rotație 126 RPM

Tensiunea de alimentare 12 V

Curentul maxim 2400 mĂ

Greutate 67 g

Dimensiuni 50.6 x 35.6 x 35.5 mm

5.3 Realizarea practică

Mecanismul de colectare a modulelor lunare

După cum am prezentat în prima parte a acestui capitol și în cele anterioare mecanismul de colectare a modulelor lunare este realizat din șapte servomotoare și elemente conexe. După realizarea proiectaii și modelarii CAD am realizat partea experimentală astfel mecanismul poziționat pe robot este ca în următoarea figura.

Fig. 5.16 Mecanismul de colectare module lunare

Subsistemele mecanismului sunt:

1 – Sistem de reținere module lunare

2 – Sistem de ridicare și gripper

3 – Sistem de eliminare

4 – Sistem de oprire a modulelor lunare

5 – Sistem de împingere

Funcționarea mecanismului este identică cu cea prezentată la capitolul anterior. Astfel mecanismul trebuie să imagazineze modulele lunare în interiorul robotului, iar după să se deplaseze în zona de eliminare a acestora.

Fig. 5.17 Încărcarea robotului cu modulele lunare

În figură 5.17 este prezentat modul în care robotul colectează modulele lunare. După ce robotul a imagazinat modulele lunare acesta se va deplasa în zona de eliminare a acestora.

În cele ce urmează este prezentat modul de eliminare a modulele lunare după ce robotul va ajunge în zona de eliminare.

Fig. 5.18 Eliminarea modulelor lunare

După ce robotul va ajunge în punctul dorit va elimina modulele lunare unul câte unul cu ajutorul subsistemului de eliminare și a opritorului, iar cu ajutorul subsistemului împingător robotul va poziționa modulele în zona dorită.

Capitolul 6

În acesta lucrare am prezentat studiul constructive- funcțional a unui sistem de locomoție pentru un robot mobil și a unui sistem de prehensiune.

În prima parte a lucrării am realizat un studiu de specialitate, în care am prezentat diverse tipuri constructive de roboți mobile, dar și siteme de locomoție aferente roboților și contolul și interacțiunea cu mediul incanjurator al acestora.

În urma studiului pe care l-am realizat am decis că sistemul de locomoție al robotului mobil realizat pentru echipa PowerBot să fie un sistem diferențial acționat de două motoare de curent continuu alimentate la o tensiune de 12 V dezvoltând o putere maximă de aproximativ de 30 W. Avantajul prezentat de acest sistem de locomoție este acela că oferă posibilitatea schimbării direcției cu ușurință în spații restrânse. Ca și dezavantaj principal al acestui sistem de locomoție este acela că introduce erori de poziționare din cauza faptului că rotile motoare nu se pot realiza perfect identice și nici asamblarea acestora pe placaca de bază nu poate fi realizată perfect simetrică.

Pentru eliminarea erorilor apărute la execuția roților și la realizarea asamblării motoarelor am folosit ca metodă de navigare principiul de odometrie. Acesta metoda oferind cu ușurință informații privind poziția în timp real a robotului în zona de actiue a acestuia.

Pentru partea de comandă și control a robotului am decis să utilizez două plăcuțe de dezvoltare, una fiind Arduino Mega 2560 pe care am utilizarea conrolul întregului sistem și o plăcuță Arduino Nano pe care am utilizat-o pentru controlul sistemului senzorial.

După ce am realizat sistemul de locomoție s-au asamblat și celelalte sisteme proiectate pentru îndeplinirea sarcinilor impuse de concursul european de robotică Eurobot. Astfel am realizat și construcția sistemului de prehensiune pentru a realiza o parte din sarcinile impuse de concurs. În urma studiului realizat am hotărât folosirea unor servomotoare de curent continuu pentru realizarea prehensorului. Acestea generează un cuplu de 95 Ncm, controlul lor realizându-se tot cu ajutorul plăcuței de dezvoltare Arduino Mega 2560

În urma participării la faza națională a concursului Eurobot am obținut locul al doilea, având astfel posibilitatea de a participa la faza internațional a concursului care a avut loc în La Roche sur Yon, Franța. În urma participării la faza internațional am obținut locul 9 din 28 de echipe participante. În concluze se dorește ca pe viitor să se îmbunătățească sistemul de locomoție pentru a dezvolta viteze și control mai bun.

Copyright Notice

© Licențiada.org respectă drepturile de proprietate intelectuală și așteaptă ca toți utilizatorii să facă același lucru. Dacă consideri că un conținut de pe site încalcă drepturile tale de autor, te rugăm să trimiți o notificare DMCA.

Acest articol: Proiectarea constructiv-funcțională a sistemului de locomoție a unui robot mobil autonom acționat cu motoare de curent continuu. [301489] (ID: 301489)

Dacă considerați că acest conținut vă încalcă drepturile de autor, vă rugăm să depuneți o cerere pe pagina noastră Copyright Takedown.

Proiectarea constructiv-funcțională a sistemului de locomoție a unui robot mobil autonom acționat cu motoare de curent continuu. [301489]

Copyright Notice

ACADEMIA DE MUZICA, TEATRU SI ARTE PLASTICE [308518]

2. STADIUL REALI ZĂRILOR REPREZENTATIVE ALE SISTEMULUI COMPLEX DE FORAJ TOP DRIVE SYSTEM 2.1. Real izări pe plan mo ndial Pentru exemplificar e este… [629127]

Elem. Manag. Sprij. Log. Carte [612184]

CAPITOLUL 2. PREZENTAREA SOCIETĂȚII S.C. CONPET S.A. 2.1. DATE DE IDENTIFICARE ALE SOCIETĂȚII S.C. CONPET S.A . este operatorul Sistemului Național… [624768]

1. Bevezetés ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………………….. 2 1.1. A… [630524]

Probleme site pet altele [605148]

Copyright Notice

Similar Posts