Gheorghe Asachi din [609707]

Universitatea Tehnică
"Gheorghe Asachi" din
Iași
Facultatea de Mecanica

Proiect de Licenta

Universitatea “Gheorghe Asachi” Iasi. Facultatea de Mecanica
Hriscu George – Cristian
2

Prof. Indrumator, Student: [anonimizat],

Cuprins:

Capitolul 1 – Introducere
1.1 Generalități
1.2 Proiecte anterioare
1.3 Aplicații posibile
1.4 Scopul lucrării
1.5 Conținutul proiectului
Capitolul 2 – Configurații posibil e de roboți cu roți
2.1 Tipuri de roți
2.2 Tipuri de acționare
2.3 Justificarea alegerii acționării diferențiale

Universitatea “Gheorghe Asachi” Iasi. Facultatea de Mecanica
Hriscu George – Cristian
3
Capitolul 3 – Conceperea și realizarea platformei
3.1 Modelul CAD 3D
3.2 Modelul cinematic
3.3 Modelul dinamic
3.4 Realizare platformă
Capitolul 4 – Electronică și comandă
4.1 Schema bloc de principiu
4.2 Schema electronică
4.3 Microcontroler
4.4 Motoare utilizate
4.5 Senzori
4.6 Algoritm de control
Capitolul 5 – Concluzii
Bibliografie
Capitolul 1 – Introducere

1.1 GENERALIT ĂȚI

Cuvântul “robot” a fost folosit pentru prima dată în sensul acceptat astăzi în anul 1920 de
către scriitorul ceh K. Capek , care l -a preluat din limba cehă unde înseamnă “muncă grea”.
Oamenii de știință din anii 1970 au presupus că în anii 2 000 vor fi create forme de viață
artificiale aproape perfecte din punct de vedere al inteligenței și capabilității. Până în anii 2000 nu
s-a putut realiza acest tip de inteligență artficială perfectă deoarece au existat impedimente în
procesarea compactă a calculelor . După anii 2000 s -a creat microprocesorul ce este de mii de ori
mai avansat decât ceea ce a existat până atunci . Nici roboții din zilele noastre nu se ridică la

Universitatea “Gheorghe Asachi” Iasi. Facultatea de Mecanica
Hriscu George – Cristian
4
necesitățile firmelor. Roboții sunt dispozitive electronice destinate să îndeplin ească o funcție
dorită. În cea mai mare parte omenirea a încercat să reducă munca fizică, de aceea s -a axat pe
dezvoltarea roboților industriali : industria aero -spatilă , industria de automotive , industria
chimică, industria prelucrărilor mecanice , indu stria nucleară etc .
Epopea roboților industriali durează de numai 30 de ani. Primul robot industrial a fost
folosit în anul 1963 la uzinele Trenton ( S.U.A.) ale companiei General Motors. De atunci și până
astăzi numărul și performanțele roboților industr iali au crescut în continuu , pe măsura dezvoltării
posibilităților lor , găsindu -și noi utilizări , astăzi putând fi folosiți în toate sferele de activitate ,
ziua când el va putea efectua orice gen de operații întrezărindu -se deja.
Există o multitudine d e definiții date roboților industriali. Mai nou definițiile roboților
industriali au fost standardizate de către principalele țări producătoare . Astfel norma franceză
definește robotul industrial astfel :
“ Un robot industrial este un mecanism de manipula re automată , aservit în poziție ,
reprogramabil , polivalent , capabil să poziționeze și să orienteze materialele, piesele , uneltele sau
dispozitivele specializate , în timpul unor mișcări variabile și programate , destinate executării
unor sarcini varia te.”
După norma germană :
“Roboții industriali sunt automate mobile universale ,cu mai multe axe ,ale căror mișcări sunt liber
programate pe traiectorii sau unghiuri ,într -o anumită succesiune a mișcărilor și în anumite cazuri
comandate prin senzor i. Ele pot fi echipate cu dispozitive de prehensiune, scule sau alte mijloace
de fabricație și pot îndeplini activități de manipulare sau tehnologice.”
După norma rusă:
“Robotul industrial este mașină automată care reprezintă ansamblul manipulatorului și a l
dispozitivului de comandă reprogramabil , pentru realizarea în procesul de producție a funcțiilor
motrice și de comandă , înlocuind funcțiile analoage ale omului în deplasarea pieselor și / sau a
uneltelor tehnologice.”
După norma japonez ă:

Universitatea “Gheorghe Asachi” Iasi. Facultatea de Mecanica
Hriscu George – Cristian
5
“Robotul in dustrial reprezint ă un sistem mecanic dotat cu funcții motoare flexibile analoage celor
ale organismelor vii sau combină asemenea funcții motoare cu funcții inteligente , sisteme care
acționează corespunzător voinței omului.” În contextul acestei definiții , prin funcție inteligență se
înțelege capacitatea sistemului de a executa cel puțin una din următoarele acțiuni : judecata ,
recunoașterea , adaptarea sau învățarea.
Dezvoltarea explozivă a roboților industriali a condus la apariția unui număr enorm de roboți
industriali având cele mai diferite forme și structuri. A apărut astfel necesitatea clasificării roboților
industriali după anumite criterii. Ei se clasifică astfel :
I. După informația de intrare și modul de învățare al robotului ind ustrial:
I.1. Manipulator manual, care este acționat direct de către om;
I.2. Robot secvențial, care are anumiți pași ce “ascultă” de o procedura predeterminată. La rândul
lor aceștia pot fi :
– robot secvențial fix, la care informația predeterminată nu po ate fi ușor modificată;
– robot secvențial variabil, la care informația predetrminata poate fi ușor schimbată;
SCURT ISTORIC
1938 – prima încercare de realizare a unui robot în concepție antropomorfă, din partea
inginerului american Wenslei (Westinghouse E lectric Manufacturing Co.)
1940 – se menționează utilizarea primelor manipulatoare sincrone pentru manevrarea
substanțelor radioactive
1959 – Joseph Engelberger construiește la firma Unimotion Inc. primul robot:
UNIMATE
1968 – firma Kawasaki Havy Ind. Preia spre fabricație pe scară largă roboții de tip
UNIMATE.
1982 – se pune în exploatare primul robot industrial românesc , REMT – 1, la

Universitatea “Gheorghe Asachi” Iasi. Facultatea de Mecanica
Hriscu George – Cristian
6
Electromotor Timișoara.
Robotul industrial reprezintă în momentul de față punctul de intersecție al rezultatelor de
vârf într -o serie de domenii: mecanică, automatică, calculatoare și sisteme de acționare. Această
congruentă a unor ramuri științifice și tehnologice atât de diferite se explică prin complexitatea
deosebită a robotului, atât sub raportul arhitecturii mecanic e, cât și în ceea ce privește sistemul de
conducere.
Propriu -zis, robotul este rezultatul firesc al evoluției de la mașinile unelte automatizate,
mașinile cu comandă program, liniile automate de fabricație etc. în momentul în care rigiditatea și
inflexibil itatea acestora nu a mai corespund cerințelor actuale de productivitate și calitate, iar omul
a încercat să execute acțiuni directe, nemijlocite asupra proceselor căptând un rol de supraveghere
și control.
Deci robotul, ca rezultat al acestor dezvoltări t ehnico – științifice, poate fi definit că un
sistem tehnologic capabil să înlocuiască sau să asiste omul în exercitarea unor acțiuni diverse
asupra mașinilor sau liniilor de producție.
În acest context, apare evidentă complexitatea problemelor privind atât construcția și acționarea
roboților cât și, în special, conducerea lor.

1.2 PROIECTE ANTERIOARE ÎN DOMENIUL TEMEI

Am început cu construirea unui robot care putea fi controlat manual, printr -o tastatură. Pe
platform ă au fost montate relee cu pini conec tați în paralel prin intermediul izolatorilor -optici.
Versiunea următoare a fost un adevărat computer controlat de o linie dreapta. Acesta a avut senzori
conectați la pinii de stare ale portului paralel. Se folosește un program care rulează pe calculator,
ce compară valorile primite de la registrul de stare al fiecărui port paralel, în fiecare secundă
trimițând mai departe semnale corespunzătoare prin pinii de date.
Dezavantajele folosirii unui calculator personal :

Universitatea “Gheorghe Asachi” Iasi. Facultatea de Mecanica
Hriscu George – Cristian
7
– este dificil de controlat viteza motoar elor: atunci când lungimea cablului crește, puterea
semnalului scade și crește laten ța;
-robotul nu este portabil, dacă utilizați un PC de birou.
Următorul pas a fost:
-construirea unui circuit de control incorportat pe platforma.A fost implementat un circuit logic
pentru transmiterea a mai multor semnale pe același circuit.
Legarea s -a realizat practic de la intrarea a patru senzori la patru ieșiri pentru driverul
motorului conform unui tabel de adevăr. Implementarea acestei metode deși funcționarea era bună,
nu a arătat nici o formă de inteligență. Erorile apărute sunt: robotul vine înapoi pe linie după ce a
pierdut -o sau nu face ceva special atunci când linia s -a încheiat.
S-a constatat folosirea microcontrolerului Arduino este cea mai bună opțiune,
dezavantajele mai sus menționate au fost eliminate.

1.3 APLICA ȚII POSIBILE

– livrarea medicamentelor în cadrul unui spital: instalându -se o linie pe podea, robotul livrează
medicamente de la magazie spre saloane;
– tehnologia a fost su gerată pentru autobuze și transport în masă și se urmărește introducerea
mașinilor autonome;
– nouă generație de vehicule automate ghidate, utilizate în industria autormotive pentru transportul
blocurilor de motor de la o stație de asamblare la alta;
– o asemenea linie poate fi folosită ca sistem de ghidare pentru un robot la transportul unor mărfuri
în cadrul depozitelor;
– în scopuri militare că spion sau în operații periculoase pentru om (detectare -distrugere bombe,
inspecție, etc.);

Universitatea “Gheorghe Asachi” Iasi. Facultatea de Mecanica
Hriscu George – Cristian
8
– divertisment și m ici aplicații casnice;
– ghiduri de turism în muzee și alte aplicații similare;
– ghidare nevăzători;

1.4 SCOPUL LUCRĂRII

Ideea de a crea un robot follow line a plecat de la dorinta noastra de a pune in practica
cunostintele teoretice precum : programarea microcontrolerului Arduino, folosirea motoarelor
electrice, realizarea circuitelor electrice, implementarea senzorilor cu ultrasunete si senzori cu
infrarosu. Unind toate aceste componente am realizat un sistem mecatronic.
În cadru acestui proi ect s-a urmărit procesul de fabricare a unui robot de tip follow line.
Detectarea liniei se realizează cu senzori optici montați în capătul frontal al robotului. Pentru
realizarea acestui proces este nevoie ca senzorii să dispună de o rezoluție înaltă pent ru o absorbție
mărită. Linia neagră va avea o valoare mai mică de reflexie (negru absoarbe lumina) decât
suprafața albă din jurul acesteia. Această valoare scăzută de reflexie este parametrul utilizat pentru
a detecta poziția liniei de către robot. Pentru parcurgerea unui astfel de traseu, robotul trebuie
echipat cu motoare și mecanisme de direcție. Aceste două mecanisme realizează schimb de
informații. În mod constant se corectează greșelile de direcție printr -un feedback primit de la
senzorii cu infraroșu , formând astfel un sistem de buclă închis ă.

1.5 Con ținutul proiectului

În primul capitol, Introducere, se face referire la evoluția robotului încă de la începutul
acestuia până în momentul de față. Am punctat principalele evenimente în industria roboți lor din
secolul XX. În cea mai mare parte, omenirea a încercat să reducă munca fizică, de aceea s -a axat

Universitatea “Gheorghe Asachi” Iasi. Facultatea de Mecanica
Hriscu George – Cristian
9
pe dezvoltarea roboților industriali: industria aero -spatial ă, industria de automotive, industria
chimică, industria prelucrărilor mecanice, industria nucleară etc. În cadrul proiectelor anterioare
din domeniul temei am constatat o serie de probleme apărute la momentele respective în
controlarea roboților. În urma evoluției rapide a tehnologiei s -au găsit modalități de rezolvare a
dificultăților întâlni te. Robotul follow line poate realiza o serie de aplicații ce sunt în avantajul
oamenilor, ușurandu -le munca și oferidu -le siguranță. Principalul scop al realizării acestui proiect
a fost dorința noastră de a pune în practică cunoștințele teoretice dobândi te în cei 4 ani de studii.
În urmă realizării proiectului am clarificat unele noțiunile referitoare la circuite electrice, sisteme
senzoriale, motoare electrice, programarea microcontrolerului.
În prima parte a celui de -al doilea capitol am făcut un studiu cu privire la tipurile de roți și
tipurile de acționari existente folosite în practică. Analizând diverse tipuri de roți, am ales: roți de
tip standard (folosite ca roți motoare și directoare) și roată castor (pe post de roată de susținere).
Există o gamă largă de tipuri de acționari în indurstrie. Alegerea noastră este dependentă de funcția
robotului, putere, viteză și precizie. Alegerea noastră a fost folosirea a două motoare de curent
continuu cu reductor.
În cel de -al trei -lea capitol am realizat mode le 3D pentru ansablul robotului, platformă,
motoare, roți, Arduino și senzori. Pentru realizarea direcției robotului am calculat modelul
cinmatic, am determinat vitezele unghiulare, calculul traiectoriei circulare cu rază R și pivotarea
roților în jurul ax ei vertical centrale. Pentru a obține modelul dinamic al robotului, forțele trebuie
să fie aplicate, analizate și momentele trebuie luate pe anumite puncte pe robot, în acest caz punctul
analizat este centrul de gravitație.
Capitolul patru cuprinde schema bloc de principiu, schema electronică, microcontrolerul,
motoarele, senzorii și algoritmul folosit. Schema bloc explică modul de comunicare a elementelor
componente ale robotului. Microcontrolerul folosit este Arduino AT -Mega 2560. Acesta e ste
cunoscut ca fiind o platformă fizică sau integrată, ceea ce înseamnă că este un sistem interactiv și
astfel prin utilizarea hardware și software poate interacționa cu mediul. Analizând tipurile existente
de motoare, am ales folosirea a două motoare de curent continuu ce fac posibilă deplasarea și
direcția robotului. Pe platformă am montat 2 tipuri de senzori: senzori cu ultrasunete de tip HC –
SR04 și o bandă de senzori cu infraroșu de tip QTR -8A. Senzorul de ultrasunete HC -SR04
funcționează pe principiu l sonarului pentru a aprecia distanța până la un obiect, iar senzorii cu

Universitatea “Gheorghe Asachi” Iasi. Facultatea de Mecanica
Hriscu George – Cristian
10
infraroșu sunt folosiți pentru a detecta și urmări linia neagră de pe traseu. Programarea
controlerului de pe platforma fizică se face folosind limbajul de programare Arduino. Progra mul
poate fi obținut atât ca executabil specific platformei de lucru pe care o avem dar și sub formă de
cod sursă pe care îl putem compila conform condițiilor specifice pe care le avem. În capitoul cinci
sunt prezentate concluzii referitoare tema aleasă.

Capitolul 2 – Configura ții posibile de roboți cu roți

2.1 TIPURI DE ROȚI

INTRODUCERE
Un robot mobil are nevoie de mecanisme de locomoție pentru a se deplasa în mediul său.
Există mai multe mecanisme pentru a realiza acest obiectiv, de exemplu, mecanisme cu unul, două,
patru și șase picioare și multe configurații pentru locomoția cu roți. În multe aplicații ale roboților
mobili, mecanismul de locomoție preferat este cel cu roți.
Manevrabilitatea unui robot mobil cu roți depinde de tipul roților ș i acționarea utilizată.
Roboții mobili cu roți pot fi clasificați, în funcție de caracteristicile lor de mobilitate, în olonomici
și neolonomici . Cei cu trei grade de libertate în plan sunt caracterizați de o manevrabilitate maximă
și se numesc olonomici. Cei care au mai puțin de trei grade de libertate în plan se numesc
neolonomici. Sunt constructiv mai simpli și prin urmare mai ieftini, mobilitatea în plan fiind
asigurată cu mai puține motoare. Tracțiunea, manevrabilitatea, stabilitatea și controlul sunt
principalele probleme în proiectarea roboților mobili. Acestea depind de tipurile de roți,
configurațiile acestora și modalitatea de acționare. Roboții mobili au în structură două categorii de
roți: convenționale (standard) și speciale (omnidirecționale).
Clasificare:
A. Roți convenționale (standard)

Universitatea “Gheorghe Asachi” Iasi. Facultatea de Mecanica
Hriscu George – Cristian
11
B. Roți omnidirecționale
a) Roți universale
b) Roți Mecanum
c) Roți ’’sferice’’
d) Roți ortogonale
A. Roți convenționale (standard)

Roțile convenționale sunt utilizate din cauza simplității lor și deoarece sunt disponibile în
toate mărimile și formele. Roțile convenționale au capacități mari de încărcare și toleranță ridicată
la neregularitățile suprafeței de contact. Cele mai răspândite posibilități de realizare a roboților
sunt cele cu roți directoare. Roboții mobili bazați p e acest principiu au cel puțin două roți, fiecare
fiind și motoare și directoare. Acești roboți mobili se pot mișca în orice direcție, în orice
configurație. Un mare dezavantaj al roților convenționale este frecarea ridicată ce apare în timpul
direcționări i, deoarece în această situație roata, este rotită în jurul axei verticale. Acest dezavantaj
reduce precizia de poziționare și crește consumul de energie și uzura pneurilor. Această problemă,
apare datorită faptului că roata generează forțe de frecare mult mai mari, atunci când este rotită în
jurul axei verticale decât atunci când se rotește în jurul axei centrale. Problema poate fi redusă
utilizând sistemul cu roți duble similar celui utilizat la trenul de aterizare frontal al avioanelor.
Roțile din sistem ul cu roți duble se rostogolesc simultan în timpul direcționării.

Universitatea “Gheorghe Asachi” Iasi. Facultatea de Mecanica
Hriscu George – Cristian
12

Fig. 1 Roată standar
B. Roți omnidirecționale
Roțile omnidirecționale permit robotului să efectueze deplasarea în toate direcțiile, fără a
fi necesară rotația acestuia în jurul axei verticale. O roată omnidirecțională este realizată dintr -un
hub, înconjurat de elemente de rulare (role): sferice, cilindrice, conice sau circulare. Roțile
omnidirecționale pot fi clasificate în funcție de orientarea segmentelor de rulare de pe butucul lor .
Aceste roți speciale sunt concepute astfel încât să realizeze tracțiunea într -o direcție și să permită
mișcarea pasivă în altă direcție. În acest fel, se obține a o manevrabilitate mare în mediile
aglomerate. În literatura de specialitate, pot fi identif icate următoarele tipuri de roți speciale
(omnidirecționale): roți universale, roți Mecanum, roți sferice, roți ortogonale.

Universitatea “Gheorghe Asachi” Iasi. Facultatea de Mecanica
Hriscu George – Cristian
13
Fig.2 Roți omnidirecționale
a) Roți universale
În cazul roților universale, segmentele de rulare (rolele) sunt montate perpendicular față de
axa de rotație a roții. Astfel, față de rotația ei normală, roata se poate translata pe o direcție paralelă
cu axa de rotație.

b) Roți Mecanum
Roata Mecanum a fost inventată în 1973 de către inginerul suedez Ilon de la Mecanum
Company. Din acest moti v ea se numește roată Mecanum sau suedeză. Roata Mecanum este un
exemplu de roată cu un design special ce are montate un număr de role dispuse pe suprafața
exterioară unei roți normale. Axele de rotație ale rolelor sunt înclinate la 45° față de axa de rota ție
a roții pe care urmează a fi montate. Utilizând patru astfel de roți se poate obține mișcarea
omnidirecțională pentru un robot, fără a avea un sistem de direcție convențional. Roțile Mecanum
au următoarele avantaje: design compact, capacitate de încărc are mare, viteza redusă și forță de
împingere atunci când se deplasează în diagonală iar din dezavantaje se pot menționa: contact
discontinuu, sensibilitate mare la neregularitățile suprafeței de locomoție, design complex. Acest
tip de roată este utilizat în mod obișnuit în aplicațiile robotice ce necesită o manevrabilitate ridicată.
O roată omnidirecțională Mecanum are trei grade de mobilitate. Acestea sunt: rotația roții (un grad
de mobilitate), rotația rolei (al doilea grad de mobilitate), și rotația cu alunecare în jurul axei
verticale care trece prin punctul de contact dintre rolă și suprafața de locomoție (al treilea grad de
mobilitate). În cele mai multe cazuri, roțile omnidirecționale sunt conectate relativ la corpul
robotului și nu se orientează pen tru direcționare. Direcția poate fi obținută prin combinația
vitezelor roților, la acest tip de roboți.
Viteza roții poate fi împărțită în două componente, una în direcția activă și alta în direcția
pasivă. Componenta activă a vitezei este direcționată de -a lungul axei rolei în contact cu suprafața
de locomoție, iar componenta pasivă este perpendiculară pe axa rolei.
Design -ul unei roți Mecanum cu role periferice dispuse în exterior se prezintă în figura
următoare. Acest design, deși are o bună capacitate d e încărcare, are dezavantajul că, la deplasarea

Universitatea “Gheorghe Asachi” Iasi. Facultatea de Mecanica
Hriscu George – Cristian
14
pe o suprafață înclinată sau pe o suprafață de lucru inegală, janta roții poate fi în contact cu
suprafața în locul rolelor, împiedicând astfel funcționarea corectă a acesteia.

Fig. 3 Roți Mecanum
Un design alternativ simplu, propus de asemenea, de Ilon, care ameliorează aceasta
problemă, are rolele împărțite în două și montate central așa cum se prezintă în figura următoare:

Fig. 4 Roți Mecanum
c) Roți ’’sferice’’
Un alt model special de roți utilizate la realizarea roboților omnidirecționali sunt roțile
’’sferice’’. Mișcarea de rotație de la axul motorului este transmisă cu ajutorul roților dințate către
un set de role, iar apoi este transmisă bilei de către role prin frecare (principiu asemăn ător mișcării
bilei mouse -ului). Datorită rolelor, fixate de către inelul de rulare și șasiu, bila se poate rostogoli
pasiv în orice direcție. La fel ca roțile castor, universale sau Mecanum, roțile sferice nu impun

Universitatea “Gheorghe Asachi” Iasi. Facultatea de Mecanica
Hriscu George – Cristian
15
constrângeri directe asupra locomoției r obotului. Axa lor de rotație are o direcție arbitrară. Datorită
construcției complexe, roțile sferice sunt mai puțin utilizate în practică.

Fig. 5 Roată sferică
d) Roți ortogonale
Acest concept de roată utilizează perechi de roți sferice trunchiate într -o configurație
ortogonală, dispuse pe axul motor. Roțile se pot roti liber pe axul motorului și produc o forță de
rostogolire în direcția acționării, și în același timp se pot rostogoli liber în direcția ortogonală.
Acest concept de roată o rtogonală s -a prezentat în două tipuri de asamblare: asamblare
longitudinală și asamblare laterală. Utilizând trei astfel de roți se poate obține mișcarea
omnidirecțională. Cu acest aranjament, contactul cu suprafața de locomoție poate fi asigurat în
orice moment pentru a produce o forță de tracțiune mai bună în comparație cu roata Mecanum.
Deși roțile speciale au o mobilitate omnidirecțională bună, au de cele mai multe ori structuri
mecanice complexe și pot avea capacități de încărcare limitate. De asemene a, modelele cu role
pasive pot genera vibrații nedorite apărute în urma contactului dintre acestea și suprafața de
locomoție.

2.2 TIPURI DE AC ȚIONĂRI

Universitatea “Gheorghe Asachi” Iasi. Facultatea de Mecanica
Hriscu George – Cristian
16
Sistemul de acționare se alege în funcție de clasa de operații ce trebuie executate, în funcție
de modul de lucru, de viteză de deplasare în sarcina și de spațiul de mișcare precum și de precizia
de poziționare. Astfel există:
• sisteme de acționare electrică(aproximativ 30% din numărul acestora);
• sisteme de acționare pneumatice(aproximativ 21% din cazuri);
• sisteme de acționare hidraulice pentru sarcini mari și deplasări limitate în spațiu
• sisteme de acționare mixte(9% din variantele constructive)

Motoarele de acționare ale roboților trebuie să îndeplinească următoarele condiții:
• să dezvolte cupluri ridicate;
• să aibă gabarit și masă reduse;
• să fie caracterizat printr -un moment de inerție scăzut pentru a permite poziționarea precisă
• să fie compatibil cu sistemul de comandă și cu sistemul senzorial;
• să fie insensibil la perturbatii.

Un motor electric este un dispozitiv electromecanic ce transformă energia electrică în
energie mecanică. Majoritatea motoarelor electrice funcționează pe baza forțelor electromagnetice
ce acționează asupra unui conductor parcurs de curent electric aflat în câmp magnetic.
Motoarele electrice cele mai des utilizate în acționarea roboților sunt clasificate astfel:
A. Motoare de curent continuu:
a) cu rotor disc;
b) cu rotor tip pahar;
c) cu comutare electronică (fără perii).

Universitatea “Gheorghe Asachi” Iasi. Facultatea de Mecanica
Hriscu George – Cristian
17

B. Motoare pas cu pas:
a) cu magneți permanenți;
b) cu reluctanța variabilă;
c) hibride.

C. Motoare asincrone:
a) cu indus direct și intrefer axial;
b) cu indus tip pahar și intrefer radial.
D. Motoare de inducție:
a) clasice;
b) cu rotor tip pahar;
c) liniare;
d) pas cu pas.

E. Motoare sincrone autopilotate

A.Motoare de cure nt continuu
Curentul continuu este un curent electric care circulă întotdeauna în aceeași direcție dinspre
o baterie sau orice altă sursă. Dacă se conectează o baterie la bobina unui motor electric simplu,
aceasta se comportă ca un magnet, având la un cap ăt polul nord și la celălalt polul sud . Întrucât
polii opuși se atrag, polul nord al bobinei este atras de polul sud al magnetului permanent, iar polul

Universitatea “Gheorghe Asachi” Iasi. Facultatea de Mecanica
Hriscu George – Cristian
18
sud al bobinei este atras de polul nord al magnetului permanent . Aceste forțe de atracție produc
rotirea bobinei.
Motoarele de acest tip utilizate în acționarea roboților trebuie să aibă capacitate mare de
suprasarcină, inerție și constante de timp reduse.
Controlul, reglajul, comanda și programarea acționarilor se face utilizând traductori de
poziție montați la nivelul tahogeneratoarelor motoarelor sau la nivelul elementelor cuplelor
mecanice acționate.

B.Motoare pas cu pas
O definiție simplă a motorului pas cu pas este: „un dispozitiv electromecanic care
convertește impulsurile electrice în m ișcări mecanice discrete”. Axul motorului pas cu pas execută
o mișcare de rotație în pași incrementali discreți când este aplicată în secvență corectă o comandă
electrică în pulsuri. Rotația motorului este strâns legată de caracteristicile acestor impulsur i
electrice. Astfel direcția de rotație a motorului este direct legată de secvența în care sunt aplicate
pulsurile electrice, de asemenea și viteza de rotație este direct dependentă de frecvența impulsurilor
electrice iar deplasarea unghiulară este direct dependentă de numărul de pulsuri electrice aplicate.
Avantaje:
• prezintă compatibilitate cu comandă numerică;
• nu dau erori cumulative de poziție;
• au timp redus de răspuns;
• reglajul simplu în limite largi al vitezelor.
Dezavantaje:
• cuplu redus;
• stabilitate scăzută în perioadele de accelerări și frânări energice;
• limitări de viteză în funcție de cuplul rezistent.

Universitatea “Gheorghe Asachi” Iasi. Facultatea de Mecanica
Hriscu George – Cristian
19

C.Motoare asincrone
Motorul asincron este orice motor cu curent alternativ, care la frecvența dată a rețelei,
funcționează cu turație variabilă cu sarcina. Se utilizează aproape în exclusivitate ca motor în
acționările cu turație practic constan tă și mai rar la turații variabile, din cauza instalațiilor de
alimentare costisitoare. Motoarele asincrone trifazate formează cea mai mare categorie de
consu matori de energie electrică din sistemul energetic fiind utilizate în toate domeniile de
activitate. Motoarele monofazate sunt utilizate în special în instalații de uz gospodăresc.
Motorul are în funcție de destinație, de tipul de protecție la pătrunderea apei și a corpurilor
străine în motor, de forma constructivă, de sistemul de răcire, de putere și tensiune o serie de
elemente constructive:
• portperii;
• carcasa;
• scut;
• rulmenți;
• cutia cu placă de borne stator;
• bornă de putere la pământ.

D. Motoare de inducție
Motorul de inducție trifazat este cel mai folosit motor electric în acționările electrice de
puteri medii și mari. Statorul motorului de inducție este format din armătura feromagnetică
statorică pe care este plasată înfășurarea trifazată statori că necesară producerii câmpului magnetic
învârtitor. Rotorul este format din armature feromagnetică rotorică în care este plasată înfășurarea
rotorică. După tipul înfășurării rotorice, rotoarele pot fi de tipul:
• rotor în colivie de veverița

Universitatea “Gheorghe Asachi” Iasi. Facultatea de Mecanica
Hriscu George – Cristian
20
• rotor bobinat
În cazul în care sistemul trifazat de tensiuni nu este accesibil, cum este în aplicațiile casnice,
se poate folosi un motor de inducție monofazat. Curentul electric monofazat nu poate produce
câmp magnetic învârtitor ci produce câmp magnetic pulsatoriu (f ix în spațiu și variabil în timp).
Câmpul magnetic pulsatoriu nu poate porni rotorul, însă dacă acesta se rotește într -un sens, atunci
asupra lui va acționa un cuplu în sensul sau de rotație. Problema principală o constituie deci,
obținerea unui câmp magne tic învârtitor la pornirea motorului.

2.3 Justificarea alegerii acționării diferentiale

Sistemul de acționare este pintre cele mai importante părți componente ale unui robot și
obiectivul său este modul de deplasare a robotului de la un punct la alt punct . Există mai multe
tipuri de motoare și roți. Alegerea noastră este dependentă de funcția robotului, putere, viteză și
precizie.
La începutul proiectului, am dorit să folosim două motoare pas cu pas pentru a obține
cea mai bună viteză, dar era prea greu de a scrie un program bun pentru cele două motoare,
deoarece fiecare motor are cel puțin patru intrări, și în plus trebuie să folosim două drivere motoare,
L298, pentru a obține tensiunea necesară.
De fapt, este mai bine utilizarea unor motoare cu reductoare încorporate în loc de motoare
de curent continuu comune, deoarece transmisia din interiorul reductorului se realizează cu roți
dințate și viteza nu variază în funcție de denivelările solului.
În cele din urmă, am folosit două motoare de cur ent continuu cu reductor.
La robotul nostru am instalat în partea din față 2 roți motoare și în partea din spate o roată
de tip castor.

Universitatea “Gheorghe Asachi” Iasi. Facultatea de Mecanica
Hriscu George – Cristian
21
.
Fig. 6 Amplasarea roților

Capitolul 3 – Conceperea și realizarea platformei

3.1 Modelul CAD 3D

Obiectivul aceste i teme de cercetare îl reprezintă dezvoltarea unei arhitecturi pentru
controlul unui robot mobil autonom. Robotul mobil va fi definit ca un ansamblu mecanic de tip
platformă mobilă cu sistem de locomoție de tip roți și senzori. Intreg ansamblul este capab il să se
miște cu un anumit grad de autonomie într -un mediu nestructurat, sub controlul unui sistem de
calcul ierarhic, de tip multiprocesor.
Modelele CAD au fost realizate în programul Inventor2015.

Universitatea “Gheorghe Asachi” Iasi. Facultatea de Mecanica
Hriscu George – Cristian
22

Fig. 7 Ansamblu robot

Fig. 8 Platformă

Universitatea “Gheorghe Asachi” Iasi. Facultatea de Mecanica
Hriscu George – Cristian
23

Fig. 9 Motor cu reductor

Fig. 10 Roată directoare

Universitatea “Gheorghe Asachi” Iasi. Facultatea de Mecanica
Hriscu George – Cristian
24

Fig. 11 Roată de tip castor

Fig. 12 Arduino AtMega

Universitatea “Gheorghe Asachi” Iasi. Facultatea de Mecanica
Hriscu George – Cristian
25

Fig. 13 Bandă senzori

Fig. 14 Senzor cu ultrasunete
3.2 Modelul cinematic

Cinematica reprezint ă studiul fundamental asupra modurilor de conducere pent ru sisteme
mecanice. În cazul robo ților mobili necesitatea în țelegerii modului mecanic de conducere a
sistemului este generată de multiplele aplica ții precum și din etapele de analiză care conduc la
dezvoltarea modulelor software.
Plasarea unui robot mobil într -un anumit spațiu de lucru reprezintă definirea posibilităț ilor
de poziționare și orientare ce pot fi atinse în acel spațiu. Controlabilitatea unui robot mobil
definește traiectoriile posibile din spaț iul său de lucru.
Una din diferenț ele fundam entale dintre modelarea cinematic ă pentru un robot
manipulator ș i modelarea cinematic ă a unui robot mobil o reprezintă estimarea poziț iei. În cazul

Universitatea “Gheorghe Asachi” Iasi. Facultatea de Mecanica
Hriscu George – Cristian
26
unui robot mobil avem de a face cu un sistem autonom ce își poate modifica poziț ia în raport cu
spațiul de lucru. Cum nu există o metod ă directă de m ăsură a poziț iei instantanee a robotului mobil,
pentru a rezolva problema estim ării pozi ției trebuie integrat ă mișcarea robotului pe o perioadă de
timp. La aceasta se mai adaug ă erorile în estimarea pozi ției dat orate alunec ării pe suprafa ța de
deplasare.

Fig. 15 Schema unui robot mobil cu două roți controlate independent
Mecanismul de transmisie a puterii are 2 motoare independente, fiecare motor
transmite puterea unei ro ți. Astfel intrările cinematice care conduc robotul mobil ș i
influenț ează vitezele și direcțiile de miș care sunt vitezele celor 2 ro ți. Totu și majoritatea
roboților mobili conțin un regulator care controlează viteza liniar ă și unghiulară a robotului.
Obiectivul unui regulator cinematic este de a urmări o traiectorie descrisă prin
ecuație analitic ă sau profil de viteză variabil în timp. Acest task este în general îndeplinit
prin divizarea traiectoriei în se gmente de miș care cu form ă geometric ă bine definită (de
exemplu: linii sau cercuri). Problema de control se transformă astfel în a g ăsi o traiectorie
continua bazată pe linii și arce se cerc, care să conducă robotul din poziț ia ini țială în cea
finală ca în figura 16.

Universitatea “Gheorghe Asachi” Iasi. Facultatea de Mecanica
Hriscu George – Cristian
27

Fig. 16 Urmărirea traiectoriei
Se poate presupune, fără a pierde din generalitate, că punctul final al traiectoriei se
află în originea unui sistem de coordonate inerțial (figura 3).

Fig. 17 Punct final al traiectorie

Universitatea “Gheorghe Asachi” Iasi. Facultatea de Mecanica
Hriscu George – Cristian
28
În cele ce urmează vectorul de poziție [x, y,θ]T este reprezentat în reperul inerțial.
Cinematica unui robot mobil în sistemul de coordonate inerțial {XI ,YI ,θ} este dată de
ecuația:

unde x și y sunt vitezele liniare pe direcțiile XI și YI .
Fie α unghiul dintre axa xR a sistemului de referință atașat robotului și vectorul x
ce conectează centrul axei ce unește roțile. Dacă, α∈atunci putem considera
transformările în coordonate polare cu originea în sistemul de referință atașat punctului
final al traiectoriei:

Noua reprezentare în coordonate polare conduce la descrierea cinematică:

Universitatea “Gheorghe Asachi” Iasi. Facultatea de Mecanica
Hriscu George – Cristian
29

Pentru modelul în coordonate polare sunt de făcut următoarele observații:
• daca, α∈ atunci sensul spre punctul țintă este înainte, pentru:
α∈(−π,−π/ 2 ]∪(π,π/ 2] sensul este înapoi;
• în punctul (0,0) transformarea nu este posibilă.
Controlul bazat pe reacție negativă are drept obiectiv minimizarea erorii de
poziționare descrisă de poziția punctului de stop R[x, y,θ]T a robotului. Regulatorul
va furniza informații despre structura unei matrice K , dacă aceasta există, pentru a
genera :

cu scopul de a duce eroare spre 0:
Fie legea de control:

Universitatea “Gheorghe Asachi” Iasi. Facultatea de Mecanica
Hriscu George – Cristian
30

Rezultă că sistemul în buclă închisă va fi descris de ecuația:

Sistemul nu prezintă singularitate în ρ = 0 și are un unic punct de echilibru în
(ρ,α,β) = (0,0,0) .

Fig. 18 Determinarea vitezei unghiulare, , a robotului
• v1 = w1r = W (R + L/2)
• v2 = w2r = W (R – L/2)
Rezulta:

Universitatea “Gheorghe Asachi” Iasi. Facultatea de Mecanica
Hriscu George – Cristian
31
• W = (v1 – v2) / L
• R = L (v 1 + v 2) / 2 (v 1 – v2)

– Pentru traiectorie rectilinie
• v1 = v 2  W = 0
• R = 

Fig. 19 Traiectorie rectilinie Calculul traiectorie circulara cu raza R
– Pentru pivotare in jurul rotii 2
• v2 = 0  W = v 1 / L
• R = L/2

Fig. 20 Rota ție în jurul roții 2
– Pentru pivotare (rotatie in jurul axei verticale centrale)
• v2 = -v1  W = 2 v1 / L = – 2 v 2 / L
• R = 0

Universitatea “Gheorghe Asachi” Iasi. Facultatea de Mecanica
Hriscu George – Cristian
32

Fig. 21 Rotatie in jurul axei verticale centrale
3.3 Modelul dinamic

Pentru a obtine modelul dinamic al robotului, fortele trebuie sa fie aplicate, analizate si
momentele trebuie luate pe anumite puncte pe robot, in acest caz punctul analizat este centrul de
gravitatie.
Din moment ce robotul prezint ă trei grade de libertate, care permite mișcarea în plan
longitudinal, direcții laterale si deplasarea unghiulară, ecuația de forță și de moment, poate fi
exprimată ca:

Forțele care acționează asupra robotului sunt acele forțe exercitate pe roțile latera le de către
motoare. Aceste forțe sunt proportional cu cuplul aplicat minus cuplul necesar pentru a accelera
roților.
Torsiunea este împărțit ă în două moduri; un cuplu linear pentru a accelera robotul și un
cuplu unghiular pentru schimbarea direcției de me rs
=+
unde este torsiunea aplicată, este torsiunea liniar ă iar este torsiunea unghiulară.

Universitatea “Gheorghe Asachi” Iasi. Facultatea de Mecanica
Hriscu George – Cristian
33
Torsiunea liniară este transformată într -o forță longitudinală prin raportul pneu/sol de
relația:
=
și torsiunea unghiulară este:

Cum se observă in relația de mai sus calculul pentru vitajul la stanga și la dreapta se face
cu urmatoarele ecuații:

Ecuațiile dinamice ce descriu mișcarea de accelerație a robotului sunt :

3.4 Realizare platformă

Universitatea “Gheorghe Asachi” Iasi. Facultatea de Mecanica
Hriscu George – Cristian
34
Am folosit urmatoarele componente:

Fig. 22 Platform ă plexiglass

Fig. 23 Roată castor

Universitatea “Gheorghe Asachi” Iasi. Facultatea de Mecanica
Hriscu George – Cristian
35

Fig. 24 Roată directoare

Fig. 25 Motor de curent continuu

Universitatea “Gheorghe Asachi” Iasi. Facultatea de Mecanica
Hriscu George – Cristian
36

Fig. 26 Bandă de senzori fotorezistenți și senzori cu ultrasunete

Fig. 28 Comutator On /Off

Universitatea “Gheorghe Asachi” Iasi. Facultatea de Mecanica
Hriscu George – Cristian
37

Fig. 29 Componente auxiliare

Universitatea “Gheorghe Asachi” Iasi. Facultatea de Mecanica
Hriscu George – Cristian
38
Fig. 30 Model de asamblare
Poze din timpul montajului:

Fig. 31 Platforma reală
Cap. 4 ELECTRONIC Ă ȘI COMANDĂ

4.1 Schema bloc de principiu

Universitatea “Gheorghe Asachi” Iasi. Facultatea de Mecanica
Hriscu George – Cristian
39

Fig. 32 Schema bloc
Senzorii au fost a șezați pe o plăcuță QRT -8A.
Se observă împărțirea blocului în 3 module :
• Input data
Cei 8 senzori IR vor transmite semnale analogice în funcție de ce culoare văd
• Prelucrare date
AtMega2560 va prelua pe portul A semnalul de la senzori și având pragul logic pe la 1,5V –
2V, va codifica automat semnalul la 0 sau 1. După aceea determină pe baza algo ritmului,
modul de comandă al motoarelor.
• Output date
Microcontrolerul va trimite driverului(L293D) direcția și viteza (prin pwm) de de rotire a
motoarelor, aceasta trimițând semnale analogice celor două motoare.

Alimentarea placutei ATmega2560 si a drive rului se face de la 2 baterii de 6V, a șezate pe
cadrul robotului.

4.2 Schema electronică

Universitatea “Gheorghe Asachi” Iasi. Facultatea de Mecanica
Hriscu George – Cristian
40

Fig. 33 Schema electronică
4.3 Microcontroler

Universitatea “Gheorghe Asachi” Iasi. Facultatea de Mecanica
Hriscu George – Cristian
41

În formă să cea mai simplă, o placă de dezvoltare ARDUINO poate fi considerată că un
mic computer căreia îi poți cont rola intrările și ieșirile de la chip.
ARDUINO este cunoscută ca fiind o platforma fizică sau integrat ă, ceea ce înseamnă că
este un sistem interactiv și astfel prin utilizarea hardware și software poate interacționa cu mediul.
Placă de bază ARDUINO este alcătuită dintr -un microprocesor, un cristal sau un oscillator
(defapt este un ceas brut care trimite impulsuri către microcontroler pentru a -i permite o viteză de
operare corectă) și un regulator liniar de 5 volți.
În funcție de tipul de ARDUINO , ac esta poate avea și un conector USB pentru a permite
conectarea la PC prin portul USB. De asemenea, placa dispune de un anumit număr de pini pentru
intrare (Input Pins) și pentru ieșire (Output Pins) prin intermediul cărora să poată fi conectatate
alte circ uite (senzori, LED -uri, motorașe, etc.)
Plăcile de dezvoltare ARDUINO pot fi folosite pentru a dezvolta obiecte de sine stătătoare
interactive sau pot fi conectate la un calculator pentru a prelua sau pentru a trimite date și apoi să
acționeze pe baza ace lor date (exemplu: poți trimite datele obținute de un senzor pe internet).
Pentru programare se va utiliza ARDUINO IDE (Integrated Development Environment),
care este un soft oferit gratuit de ARDUINO pentru a permite programarea microcontrolerului în
limba pe care ARDUINO o “înțelege”.
Limbajul de programare ARDUINO se bazează pe “Wiring”, o platforma de calcul fizic
similară, care se bazează pe mediul de programare de procesare multimedia. Pe scurt, limbajul pe
care ARDUINO îl folosește este C.
ARDUINO ID E permite scrierea programului pe calculator, care este format dintr -un set
de instrucțiuni pas cu pas pe care le încarci apoi în ARDUINO. După încărcarea programului
propriu -zis pe placă de dezvoltare, ARDUINO va efectua instrucțiunile date și va interacț iona cu
mediul. ARDUINO numește aceste programe “Sketches” (schițe).

Universitatea “Gheorghe Asachi” Iasi. Facultatea de Mecanica
Hriscu George – Cristian
42
Există mai multe variante de plăci de dezvoltare ARDUINO, cum ar fi: Mega, Diecimila,
Duemilanove, Mini, Nano și chiar Bluetooth ARDUINO, cele mai noi produse fiind ARDUINO
UNO și ARDUINO MEGA 2560.
In realizarea proiectului am utilizat un microcontroler Arduino AT -Mega 2650.
Mega 2560 este un microcontroler bord bazat pe ATmega2560 . Acesta are 54 de pini
digitale de intrare / ieșire (dintre care 15 pot fi utilizate ca ieșiri PWM), 16 intrări analogice, 4
UARTs (porturi seriale hardware), un oscilator cu cristal de 16 MHz, o conexiune USB, un jack
de pute re, un antet ICSP, și un buton de resetare. Acesta conține tot ce este necesar pentru a sprijini
microcontrolerul; pur și simplu îl conectatăm la un calculator prin intermediul unui cablu USB sau
de alimentare cu un adaptor sau baterie AC -DC pentru a încep e. Mega 2560 bord este compatibil
cu cele mai multe scuturi concepute pentru Uno si fostele placi de Duemilanove sau Diecimila.
Arduino AT -Mega 2560 este un microcontroler care protejez ă porturile USB ale
calculatorului de variațiile de curent. Cu toate că majoritatea computerelor dețin propria lor
protecție internă, siguranța oferă un strat suplimentar de protecție. În cazul în care se aplică pe
portul USB mai mult de 500 mA, siguranța se va arde in mod automat și conexiunea v -a fi
întreruptă.
Mega 2560 p oate fi alimentat prin intermediul conexiunii USB sau cu o sursă de alimentare
externă. Sursa de alimentare este selectată automat . Surse externe (non -USB) de putere pot veni
fie de la un adaptor sau baterie. Adaptorul poate alimenta prin conectarea unui ștecher 2.1mm
centru -pozitiv în fișa de alimentare a placii. Placa poate funcționa pe o sursă externă de 6 până la
20 de volți. În cazul în care este furnizat cu mai puțin de 7V, cu toate acestea, PIN -ul de 5V poate
furniza mai puțin de cinci volți, iar pl aca poate deveni instabilă. În cazul în care utilizați mai mult
decât 12V, regulatorul de tensiune se poate supraîncălzi și deteriora placa. Intervalul recomandat
este de 7 până la 12 volți.

Pinii de alimentare sunt următorii:
• Vin – intrarea pentru tensiune din sursă externă (input Voltage)
• GND – negativul pentru tensiune din sursă externă (ground Voltage)

Universitatea “Gheorghe Asachi” Iasi. Facultatea de Mecanica
Hriscu George – Cristian
43
• GND – negativ. Se folosește pentru piesele și componentele montate la arduino ca și
masă/împământare/negativ.
• 5V – ieșire pentru piesele și compon entele montate la arduino. Scoate fix 5V dacă placa
este alimentată cu tensiune corectă (între 7 și 12 v)
• 3.3V – ieșire pentru piesele și senzorii care se alimentează la această tensiune. Tensiunea
de ieșire este 3.3 volți și maxim 50 mA.
• RESET – se poate seta acest pin pe LOW pentru a reseta controlerul de la Arduino. Este de
obicei folosit de shield -urile care au un buton de reset și care anulează de obicei butonul
de reset de pe placa Arduino.
• IOREF – este folosit de unele shield -uri ca referință pentru a se comuta automat la tensiunea
furnizată de placa arduino (5 volți sau 3.3 volți) (Input/Output Refference Voltage)
• pin neconectat, este rezervat pentru utilizări ulterioare (la reviziile următoare ale plăcii
probabil)

Fig. 34 Placa Arduino
Specifica ții tehnice :

Universitatea “Gheorghe Asachi” Iasi. Facultatea de Mecanica
Hriscu George – Cristian
44

AT-Mega 2560 are capacitate de stocare de 256KB.
Comunicarea cu calculatorul, altă placă arduino sau alte microcontrolere se poate realiza
fie prin portul USB (și este văzut ca un port standard serial COMx), fie prin pinii 0 și 1 (RX și TX)
care facilitează comunicarea serială UART TTL (5V). Folosind librăria SoftwareSerial se poate
face comunicații seriale folosind oricare din pinii digitali. Pentru comunicarea I2C (TWI) este
inclusă o librărie Wire. Pentru comunicarea SPI se poat e folosi librăria SPI.
Plăcuțele originale Arduino erau produse de compania italiană Smart Projects. O parte
dintre plăcuțele cu brandul Arduino au fost proiectate de companiile americane SparkFun
Electronics și Adafruit Industries . 16 versiuni de hardware Arduino au fost produse în scop
comercial până l a această dată.
Driver motor:

Universitatea “Gheorghe Asachi” Iasi. Facultatea de Mecanica
Hriscu George – Cristian
45
Un controler este o structură electronică destinată controlului unui proces sau,
mai general, unei interacțiuni caracteristice cu mediul exterior, fără să fie necesară
intervenția operatorului uman. Termenul “controller" este de origine anglo -saxonă, ce
cuprinde un domeniu foarte larg.Primele controlere au fost realizate în tehnologii pur
analogice, folosind componente electronice discrete și/sau componente electromecanice,
de exemplu releele. Cele care fac a pel la tehnica numerică modernă au fost realizate
inițial pe baza logicii cablate și a unei electronici analogice uneori complexe, motiv
pentru care erau caracterizate de dimensiuni mari, consum energetic pe măsură și, nu de
puține ori, o fiabilitate care lăsa de dorit.
Apariția și utilizarea microprocesoarelor de uz general a dus la o reducere consistentăa
costurilor, dimensiunilor, consumului și o îmbunătățire a fiabilității. Astfel că un microcontroler ar
putea fi descris ca fiind și o soluție a probleme i controlului cu ajutorul a unui singur circuit. Notația
prescurtată a unui microcontroler este MCU, cu următoarea semnificație : MicroComputer Unit.
Un microcontroler tipic mai are, la nivelul unității centrale, facilități de
prelucrare a informației la nivel de bit, de acces direct și ușor la intrări/ieșiri și un
mecanism de prelucrare a întreruperilor rapid și eficient. Utilizarea unui microcontroler
constituie o soluție prin care se poate reduce dramatic numărul componentelor electroni ce
precum și costul proiectării și al dezvoltării unui produs.Toate aplicațiile în care se
utilizează microcontrolere fac parte din categoria așa ziselor sisteme încapsulate -integrate
(“embedded systems”), la care existența unui sistem de calcul încorpora t este,aproape
transparentă pentru utilizator.
Fără drivere, hardware -ul care este conectat la computer nu vor funcționa corect. Astfel ,
nu putem conecta un motor direct la microcontroller deoarece acesta nu poate asigura curentul
necesar pentru funcționa rea motorului. Prin urmare, controlul motoarelor este realizat folosind o

Universitatea “Gheorghe Asachi” Iasi. Facultatea de Mecanica
Hriscu George – Cristian
46
punte H. Puntea H primește input de la microcontroller și generează output -ul corespunzător pentru
motoare. Aceasta permite controlarea vitezei și a sensului de rotație a motoarelor.
L293D este un circuir integrat cu punte dublă ce acționează ca un amplificator de curent
deorece acesta primește un semnal slab și î -l transformă într -un semnal de curent mai mare. Acest
semnal de curent mai mare este utilizat pentru a conduce motoarele.
În modul comun de funcționare, două motoare de curent continuu pot fi acționate simultan,
atât în direcția înainte și înapoi. Operațiile motorii ale celor două motoare pot fi controlate prin
logica de intrare la pinii 2,7 și 10,15. Logica de intrare 00 s au 11 va opri motorul. Logica 01 și 10
se va roti în sensul acelor de ceasornic respectiv antiorar.

Fig. 35 Driver motor (punte H)
4.3 Motoare utilizate
Motorul de curent continuu prezintă o deosebită importan ță in acționările de reglaj de
viteză având o tot mai largă dezvoltare atat ca fabricație cât și ca utilizare. Aceste motoare sunt din

Universitatea “Gheorghe Asachi” Iasi. Facultatea de Mecanica
Hriscu George – Cristian
47
ce în ce mai utilizate în tracțiunea electrică, acționarea mașinilor unelte în metalurgie, instalații de
transport și ridicat.
Elemente constructive:

Fig. 36 Motorul de curent continuu
Statorul, partea imobilă a mașinii, ce joacă rol de inductor și care are că elemente
constructive principale:
A. – carcasa (jugul statoric);
B. – polii de excitație împreună cu înfășurarea concentrată de c.c.(bobine);
C. – poli de comutatie (auxiliari) cu înfășurarea concentrată corespunzătoare;
D. – talpă de prindere;
E. – rotorul, care joacă rol de indus, urmând să dăm o scurtă descriere a elementelor sale
constructive, ulterior;
F. – perie.

Universitatea “Gheorghe Asachi” Iasi. Facultatea de Mecanica
Hriscu George – Cristian
48
Carcasa (jugul statoric) reprezintă part ea imobilă pe care se fixează polii de excitație și cei
de comuta ție. La mașinile de putere mai mare decât câteva sute de wați, carcasa și jugul
statoric(care servește drept drum de închidere a fluxului magnetic inductor), reprezintă aceeași
piesă construc tivă. Pentru a oferi fluxului magnetic o reluctanța cât mai mică, carcasa se
construiește din fontă sau oțel turnat, uneori din tablă groasă de oțel sudată.
La mașinile mici și la mașinile alimentate prin instalații de redresare cu gama largă ,
ștanțate în formă adecvată, încât se realizează dintr -o dată și polii de excitație. Polii de excitație
(principali) se construiesc din tole de oțel electrotehnic de (0,5 -1)mm grosime, strânse pachet cu
ajutorul unor buloane nituite. Ei poartă bobinele de excitație străbătute de curentul de excitație. În
partea spre rotor, miezul polar se termină cu așa -numită talpă a polului sau piesă polară, în scopul
de a înlesni trecerea fluxului magnetic prin zona îngustă de aer dintre pol și rotor numită întrefier.
Din punct de vedere mecanic, talpa polului servește pentru asigurarea poziției bobinei montată pe
miezul polului.
Bobinele de excitație se realizează dintr -un conductor rotund sau profilat de cupru.
Conductorul este izolat pentru a nu produce scurtcircuit între spirel e bobinei. Bobinele polilor de
excitație se leagă între ele în serie sau paralel și se alimentează de la bornele de excitație din cutia
de borne. Legăturile bobinelor se realizează astfel încât fluxul magnetic al unui pol să fie dirijat
dinspre piesa polar ă spre rotor (pol Nord), iar cel al unui pol vecin dinspre rotor spre piesă polară
(pol Sud). Polii de comutatie (auxiliari) constau dintr -un miez și din bobină înfășurată pe miez.
Polii auxiliari se așează exact în axa de simetrie (axa neutră) dintre poli i principali.
Rotorul împreuna cu colectorul este reprezentat in figura de mai jos:

Fig. 37 Rotor

Universitatea “Gheorghe Asachi” Iasi. Facultatea de Mecanica
Hriscu George – Cristian
49
Miezul rotoric 2 – se construiește din tole de oțel electrotehnic de formă circulară cu dinți
și crestături, izolate între ele și este plasat pe arborele 1. Crestăturile longitudinale 3 se constituie
în sediul înfășurării rotorice.
Înfășurarea rotorică este formată din “secții” a căror capete 4 se leagă la colector 5, care
este un subansamblu caracteristic mașinii de c.c.
Colectorul are formă cili ndrică, fiind construit din plăcute de cupru, denumite
lamele,izolate una față de cealaltă printr -un strat de micanită și, de asemenea, izolate față de suport.
Capetele secțiilor înfășurării rotorice se lipesc direct de aripioarele lamelelor cu un aliaj de cositor
sau se utilizează că piese intermediare niște “stegulețe” (cazul mașinilor de putere mare).
Colectorul se învârtește solidar cu rotorul.Pentru a realiza o legătură între înfășurarea rotorică care
se învârtește și bornele mașinii care sunt imobile, pe colector freacă o serie de “perii” realizate din
material conductor, în general pe baza de grafit, care asigura frecări și uzuri mai reduse. Prin
intermediul unor piese speciale, “portperiile”, periile realizează un contact electric sub presiune
consta nța cu lamelele colectorului.
Periile sunt legate galvanic între ele, și anume periile de număr impar (socotite la periferia
colectorului) se leagă la o bornă a mașinii, iar periile de număr par se leagă la cealaltă bornă. Periile
sunt plasate la distanță egală la periferia colectorului, iar numărul de rânduri de perii este egal cu
numărul de poli de excitație din mașină.
Dimensiunile motorului folosit:

Fig. 38 Dimensionare

Universitatea “Gheorghe Asachi” Iasi. Facultatea de Mecanica
Hriscu George – Cristian
50
Caracteristicile motorului folosit:
• Tensiune nominal ă: 3V, 6V si 7,2V;
• Curentul el ectric: ≤170mA; ≤230mA; ≤250mA;
• Turația: 115±10% rot/min; 255±10% rot/min; 320±10% rot/min;
• Cuplul: 0.7±10% kgf/cm; 1.2±10% kgf/cm; 1.5±10% kgf/cm

Reductoarele sunt echipamente mecanice speciale, construite cu scopul de a reduce tura ț
iile motoarelor electrice. Un motor electric poate avea un număr de rotații pe minut (rpm) începând
de la 750, putând ajunge până la 1000 rpm, 1500 rpm sau 3000 rpm. Astfel, reductoarele sunt
utilizate în momentul în care numărul turațiilor este prea mare pentr u o anume aplicație. Acestea
pot reduce turatiile de 1.5ori, 1.7ori, 2 ori etc., până la rapoarte de reducție de mii de ori. Un
beneficiu secundar al scăderii turațiilor la motoarele electrice îl reprezintă și creșterea cuplului.
Reductoarele sunt unelte s peciale folosite în carme, mecanisme de direcție auto, dispozitive de
ridicare și laminoare.

Universitatea “Gheorghe Asachi” Iasi. Facultatea de Mecanica
Hriscu George – Cristian
51
Fig. 39 Reductor
4.5 Senzori

Senzorul este un dispozitiv care măsoară o cantitate fizică(masa, presiune, temperatura,
umiditate, etc) și o transforma într-un semnal care poate fi citit de către un observator printr -un
instrument sau poate fi prelucrat. Senzorul este un dispozitiv tehnic care reacționează calitativ sau
cantitativ prin proprii mărimi măsurabile, la anumite proprietăți fizice sau chimice a le mediului
din preajma lui.
Exista mai multe clasificări, una dintre ele se referă la senzori de tip:
A. Activ: consumator de energie, de exemplu radar (măsurarea distanțelor prin emitere de
radiatii electromagnetice)
B. Pasiv: de exemplu fotorezistența cu car e se poate măsura intensitatea luminii incidente.

Senzori folosi ți pentru realizarea robotului:
I. Bară senzoti infraroșu: QTR -8A
II. Senzori cu ultrasunete: HC -SR04

I. Bară senzoti infraroșu: QTR -8A
Acest model are 8 perechi de leduri (emitator -receptor) cu distanta dintre ei de aproximativ
de 9mm. Perechide le leduri sunt asezate in serie reducand astfel consumul de curent. Fiecare
senzor furnizează o ieșire separată de tensiune analogică.
Senzorii dau o tensiune între 0V și tensiunea de alimentare, conform cu culoarea suprafeței
de sub ei, albă sau neagră. Funcționarea senzorilor se bazează pe proprietatea luminii IR, aceea
că albul reflectă și negrul absoarbe radiatia IR.

Universitatea “Gheorghe Asachi” Iasi. Facultatea de Mecanica
Hriscu George – Cristian
52
Pentru a fi folosit, este necesar un microcontroler sau plăcuță de dezvoltare Arduino cu 8
pini liberi. De asemenea, putem converti semnalul analogic în unul digital cu ajutorul
comparatoarelor și ulterior, să folosim de pini digitali .

Fig. 40 Schem ă senzoti infraroșu: QTR -8A
Dimensiuni: 2.95” x 0.5” x 0.125”
Tensiunea de operare: 3.3 -5.0 V
Curentul – : 100 mA
Formatul output -ului: 8 tensiuni analogice
Tesiunea de iesire : 0 V pana la tensiunea de alimentare
Distanta optima: 0.125” (3 mm)
Distanta maxima recomandata: 0.25” (6 mm)
Greutate: 0.11 oz (3.09 g)
II. Senz ori cu ultrasunete: HC -SR04
Senzorul de ultrasunete HC -SR04 funcționează pe principiul sonarului pentru a aprecia
distanța până la un obiect, oferind o mare precizie a distanței măsurate: de la 2 cm până la 400

Universitatea “Gheorghe Asachi” Iasi. Facultatea de Mecanica
Hriscu George – Cristian
53
cm, cu precizie de până la 3 mm. Modulul include atât transmițătorul (T) care trimite semnalul
cât și receptorul (R) care îl recepționează.
Ultrasunetele au o frecvență ridicată (în principiu 40kHz). La început este trimis un semnal
de 10μs, apoi o serie de 8 impulsuri de 40 kHz. Receptor ul așteaptă ecoul: dacă răspunsul este
între 150μs -25ms se detectează un obstacol; dacă timpul este peste 38ms nu se detectează nimic.
Distanța este calculată folosind formula L= C * T/2, unde L este lungimea, C este viteza
sunetului în aer (344 m/s la tem peratura ambiantă de 20 grade C), iar T este diferența de timp de
la trasmitere până la recepționare; timpul este înjumătățit deoarece distanța este parcursă în
ambele sensuri. Trebuie ținut cont că viteza sunetului este afectată de densitatea aerului (ia r
densitatea este afectată în principal de temperatură și altitudine).
Modulul are 4 pini:
• Vcc tensiunea de alimentare: +5.0V;
• Trig care transmite semnalul;
• Echo cel care asteaptă ecoul
• Gnd reprezintă masa.
Specifica ții:
• Tensiune: 5V
• Limite de distanță: 20 -4000mm (2cm -4m)
• Precizie: până la 3mm

Universitatea “Gheorghe Asachi” Iasi. Facultatea de Mecanica
Hriscu George – Cristian
54
Fig. 41 Schemă senzori cu ultrasunete: HC -SR04

4.6 Algoritmul de control

Mediul integrat de dezvoltare Arduino este destinat scrierii programelor ce pot fi incărcate
pe platformele fizice Arduino. Interfața este scrisă in Java și mediul de programare folosește
limbaje de programare de tip open source precum Processing, avr -gcc. Interfața este
multiplatformă, putând rula în Windows©, Mac OS X© și Linux. Programul poate fi obținut atât
ca exe cutabil specific platformei de lucru pe care o avem dar și sub formă de cod sursă pe care il
putem compila conform condițiilor specifice pe care le avem.
Arduino este atât un produs software cât și un concept, extinzând conceptul open source și
asupra real izărilor tehnice concrete. Partea de software a platformei este integrată într -o interfață
grafică de tip IDE bazată pe limbajul de programare Processing . Programarea controlerului de pe
platforma fizică se face folosind limbajul de programare Arduino . Proiectele fizice realizate pe
platformele Arduino pot funcționa de sine stătător dar pot interacționa cu aplicații care
funcționează pe un calculator pr ecum Flash, Processing, MaxMSP.
Orice program Arduino are două secțiuni. Secțiunea "setup", care este rulată doar o singură
dată, atunci când placa este alimentată (sau este apăsat butonul "Reset"), și secțiunea "loop", care
este rulată în ciclu, atât timp cât este alimentată placa. Sa luăm un exemplu:
void setup() {
//codul scris aici rulează o singură dată
}
void loop() {
//codul scris aici rulează tot timpul
}

Universitatea “Gheorghe Asachi” Iasi. Facultatea de Mecanica
Hriscu George – Cristian
55
Astfel, în rutina "setup" vom pune de obicei cod de inițializare, iar în rutina "loop" vom
scrie partea principală a programului nostru.
Există cinci stări pentru controlarea motoarelor ce sunt activate în funcție de pozitia liniei
negre față de bara de senzori:
A. FORWARD (robotul va înainta drept):
a. activată dacă linia este centrată pe bara de senzori
b. motorul din stânga se rotește în față
c. motorul din dreapta se rotește în față

B. LEFT (robotul virează stanga):
a. activată dacă linia este în partea dreapt ă a barei de senzori
b. motorul din stânga se oprește
c. motorul din dreapta se rotește în față

C. RIGHT (robotul virează dreapta):
a. activată dacă linia este în partea stângă a barei de senzori
b. motorul din stânga se rotește în față
c. motorul din dreapta se oprește

D. HARD_LEFT (robotul virează stanga brusc):
a. activată dacă linia este în dreapta barei de senzori (linia s -a pierdut)
b. motorul din stânga se rotește în spate
c. motorul din dreapta rotește în față

E. HARD_RIGHT (robotul virează dreapta brusc):
a. activată dacă linia este în stânga barei de senzori (linia s -a pierdut)
b. motorul din stânga se roteș te în față
c. motorul din dreapta rotește în spate

Universitatea “Gheorghe Asachi” Iasi. Facultatea de Mecanica
Hriscu George – Cristian
56

*/
#include <Servo.h>

Servo left;
Servo right;

int mid = 0;
int mn = 0;
int mx = 0;

void setup()
{

left.attach(9, 800, 2200); //motor stanga
right.attach(10, 800, 2200); //motor dreapta

Serial.begin(115200);

digitalWrite(13, LOW);

right.write(90);//stop semnal
left.write(90);//stop semnal

for(int i=0; i<5000; i++)
{
digitalWrite(13, HIGH);

int val = 0;
for(int j=0; j<=5; j++)// Calibrarea senzorilor, cautarea valorilor maxime de reflexie
{ //valori minime de reflexie

Universitatea “Gheorghe Asachi” Iasi. Facultatea de Mecanica
Hriscu George – Cristian
57
val = analogRead(j);
if(val >= mx)
mx = val;
if(val <= mn)
mn = val;
}
delay(1);
}

mid = ((mx + mn)/2);
digitalWrite(13, LOW);

right.write(90);
left.write(90);
}

void loop()
{

int s0 = 0;
int s1 = 0;
int s2 = 0;
int s3 = 0;
int s4 = 0;
int s5 = 0;

s0 = analogRead(0);//semnal pentru pinul 1 de pe placa
s1 = analogRead(1);// semnal pentru pinul 2 de pe placa
s2 = analogRead(2);// semnal pentru pinul 3 de pe placa
s3 = analogRead(3);// semnal pentru pinul 4 de pe placa
s4 = analogRead(4);// semnal pentru pinul 5 de pe placa
s5 = analogRead(5);// semnal pentru pinul 6 de pe placa

Universitatea “Gheorghe Asachi” Iasi. Facultatea de Mecanica
Hriscu George – Cristian
58
s6 = analogRead(6);// semnal pentru pinul 7 de pe placa
s7 = analogRead(7);// semnal pentru pinul 8 de pe placa

Serial.print("Mid: ");
Serial.print(mid);
Serial.print(" ");
Serial.print(s0);
Serial.print(" ");
Serial.print(s1);
Serial.print(" ");
Serial.print(s2);
Serial.print(" ");
Serial.print(s3);
Serial.print(" ");
Serial.print(s4);
Serial.print(" ");
Serial.print(s5);
Serial.print(" ");
Serial.print(s6);
Serial.print(" ");
Serial.print(s7);
Serial.print(" ");

Serial.println();

right.write(180);//miscare inainte
left.write(0);// miscare inainte

delay(1);

Universitatea “Gheorghe Asachi” Iasi. Facultatea de Mecanica
Hriscu George – Cristian
59
if((((s0+s1+s2)/3)>((( s3+s4+s5)/3)+240)))//miscare la dreapta
{
right.write(130);//180
left.write(90);//90
Serial.print(" RIGHT");
delay(abs((((s5+s4+s3)/3) -((s0+s1+s2)/3))/2));
}

if((((s0+s1+s2)/3)<(((s3+s4+s5)/3) -240)))//miscare la stanga
{
right.write(40);//90
left.write(0);//0
Serial.print(" LEFT");
delay(abs((((s5+s4+s3)/3) -((s0+s1+s2)/3))/2));
}
if((s0 > mid)&&(s5 > mid))//Stop daca toti senzorii primesc semnal slab sau deloc
{ //in functie de valoarea reflexiei
right.write(90);
left.write(90);
Serial.print(" STOP");
for(int k=0; k<50; k++)
{
digitalWrite(13, HIGH);
delay(100);
digitalWrite(13, LOW);
delay(100);
}
delay(5000);
}
}

Universitatea “Gheorghe Asachi” Iasi. Facultatea de Mecanica
Hriscu George – Cristian
60
Capitolul 5 – Concluzii

Scopul acestei lucrări a fost de a proiecta, realiza și controla un robot mobil autonom cu
roți de dimensiuni mici. Prin această lucrare am încercat să punem în evidență îmbinarea
armonioasă și fuziunea tehnologică dintre cele trei componente de bază ale mecatronicii:
– mecanică;
– electronică;
– informatică.
Aplicația acestui robot este una de tip educațional, ce poate fi continuat și îmbunătățit atât
din punct de vedere constructiv mecanic, hardware (controlul de la distanță cu ajutorul
teleco menzii radio) precum și software (realizarea unui algoritm prin care robotul să fie capabil sa
memoreze traseul parcurs, realizându -și, astfel, o hartă a mediului în care se află).
Domeniul mecatronicii este unu vast, astfel că pot exista o mulțime de for me constructive
de roboți, ce pot avea diferite comportamente în mediul ambiant. Robotul urmăritor de linie este
o platformă adaptabilă, care permite dezvoltarea de diverse aplicații. Având o structură modernă,
putem înlocui cu ușurință unele componente s chimbând performanțele robotului.
Principalul avantaj al acestui robot este prețul redus și simplitatea de al construi, dar sunt
si dezavantaje, cum ar fi viteza redusă și instabilitatea pe liniile de diferite grosimi.

Universitatea “Gheorghe Asachi” Iasi. Facultatea de Mecanica
Hriscu George – Cristian
61
Bibliografie

• Receanu, D., Analiza structurală și dinamica roboților industriali , Editura "Gheorghe
Asachi", Iași, 2001.
• Ciobanu, L., Manipulatoare și roboți industriali , Editura "Gheorghe Asachi", Iași, 1994.
• Revista Mobile Robotics, studiul: Research, ap lications and Challanges , The University
Of Manchester, 2002.
• Stan, Gh., Roboți industriali , Editura Didactică și Pedagogică București 2004
• Handra, L.V., Mătieș, V., Brișan C., Tiucă, T., Roboți – structură cinematică și
caracteristici , Editura Dacia, Cluj – Napoca, 1996.
• Ioan Doroftei, Robotică , Vol 1, Editura Tehnică, Științifică și Didactică, Cerni, Iași, 2005.
• Park, Sungyong and Minor, Mark A. "Modeling and Dynamic Control of Compliant
Framed Wheeled Modular Mobile Robots ", Intemdonal Conhnnu on Robotics L
Automation.,New Orloans. LA, 2004.
• Adarsh K. , Prashanth S. , Radha malini M.G. – Line Follower Robot Mechatronics Project
• Muhamad Nor Hafiz B Moktarudin – Application Of LDR Sensor On Line Follower Robot
, Faculty Of Electrical Engineering University Teknikal Malaysia Melaka 2008

Site-uri web:

http://www.physics.pub.ro/Cat_Fizica_1/CV/Stan_Cristina/Fizica_I/cap1.pdf
https://ro.wikipedia.org/wiki/Motor_electric
http://www.prorobsis.ugal.ro/RTS/RTS_2014_PN_II_PT_PCCA_2013_4_0686.pdf
http://www.emie.ugal.ro/doc/me/Capitolul%208.pdf
http:/ /www.atlantykron.org/Documents/ROBOTI.pdf
http://cs.curs.pub.ro/wiki/pm/prj2013/dtudose/1
http://docum ents.tips/documents/roboti -mobili -modelare -cinematic -a.html
http://www.cs.ubbcluj.ro/~lauras/test/docs/school/MIRPR/lectures/2013/05_robots.pdf
http://articolepro.weebly.com/blog/ -totul-despre -reductoare -definitie -cum-functioneaza –
aplicatii
http://www.techbitar.com/fast -line-following -robot.html
http://cs.curs.pub.ro/wiki/pm/prj2013/dtudose/1