Minirobot cu Pendul Si Deplasare Inertiala

Diverse2

Minirobot cu Pendul Si Deplasare Inertiala

Byadmin ianuarie 1, 2024

REZUMAT

Lucrarea de disertație prezintă modalitatea de deplasare a unui minirobot cu pendul. Deplasarea se efectuează cu ajutorul forței de inerție. În capitolele acestei lucrări sunt prezentate realizările similare în domeniul deplasărilor inerțiale, modelul teoretic al unui minirobot cu pendul și deplasare inerțială, proiectarea acestuia și construcția mecanică, ansamblul electric precum și programul de comandă realizat cu ajutorul mediului de programare grafică LabVIEW. Sunt prezentate apoi o serie de experimente ale căror rezultate probează considerentele teoretice. Lucrarea se încheie cu o serie de concluzii precum și cu enunțarea unor direcții de dezvoltare viitoare.

ABSTRACT

Master’s thesis presents the movement capabilities of an inertial driven minirobot with pendulum. In the next chapters several issues are presented. The technological advance in the field is treated in the first chapter followed by the theoretical model of the robot. Then, the paper continues with the robot 3D and 2D design. After that, the paper presents the mechanical construction, the electric circuits included and also the execution program made in LabVIEW. A series of experiments are further presented, in order to sustain the theoretical reasons. The paper then reaches the final chapter where the conclusions are treated and future directions of the problem are presented.

Contents

Capitolul 1. INTRODUCERE. OBIECTIVELE LUCRĂRII

Lucrarea de față are ca scop studiul deplasării unui minirobot cu pendul, ca urmare a efectului forței de inerție.

Ideea a plecat de la lucrarea autorilor Panagiotis Vartholomeos și Evangelos Papadopoulos, „Analysis and Experiments on the Force Capabilities of Centripetal-Force-Actuated Microrobotic Platforms“.

Această lucrare, publicată în IEEE TRANSACTIONS ON ROBOTICS, VOL. 24, NO. 3, IUNIE 2008, studiază capacitățile unui microrobot condus de motoare vibratoare de a genera și de a comunica forțele micromanipulatoare de tipul dorit precum și magnitudinea acestora. În primul rând, se realizează o analiză cu privire la natura forțelor de acționare ale mecanismului de mișcare a platformei. Rezultatele demonstrează că natura oscilantă a acestor forțe nu permite utilizarea lor directă pentru micromanipulări. Prin urmare, a fost efectuată o analiză mai amplă pentru a identifica condițiile în care forțele de acționare pot fi exploatate în vederea micromanipulării.

În acest scop, este dezvoltat un model dinamic cu o singură operațiune de împingere care cuprinde dinamica platformei. Prin simulare se demonstrează că forțele exercitate asupra obiectului manipulat depind de proprietățile fizice și parametrii sistemului. În consecință, un set de ecuații neliniare care implică acest sistem sunt formulate pentru a descrie condițiile necesare dezvoltării forțelor de micromanipulare la valoarea corespunzătoare.

Soluțiile acestui set de ecuații produc o gamă largă de parametri care sunt utilizați ca linii directoare în proiectarea și construcția manipulatorului capabil să aplice forțe controlabile asupra obiectelor manipulate.

Folosind valorile parametrilor sugerate de această analiză, s-a dezvoltat un tip de manipulator ac, adecvat pentru aplicații tip force feedback. Acest modul este proiectat, construit și montat pe un prototip experimental al platformei microrobotice.

Folosind acest manipulator, experimentele demonstrează capacitățile platformei microrobot de a exercita aceste forțe.

Lucrarea de față pleacă de la ideea experimentării propuse în lucrarea menționată mai sus și propune realizarea unui minirobot cu pendul care să folosească drept mijloc de deplasare forța de inerție.

În vederea realizării acestui robot s-au întreprins o serie de studii și calcule, descrise mai jos. De asemenea, lucrarea tratează atât modelele teoretice necesare construcției acestui robot cât și modelele practice folosite, algoritmii de programare utilizați, componentele electronice utilizate, rolul și caracteristicile lor tehnice precum și soluțiile constructive în vederea realizării mecanice a robotului.

Capitolul 2. STADIUL ACTUAL AL REALIZĂRILOR ÎN DOMENIU

Dintre direcțiile urmate până acum în acest domeniu se desprind două ramuri principale.

2.1. Roboți pentru studiul echilibrului.

Prima ramură, tratează domeniul roboților cu pendul inversat pentru studiul echilibrului. Acești roboți folosesc un pendul inversat care este în practică un pendul cu masa deasupra centrului său de rotație. Acest pendul este deseori situat pe o structură mobilă. Cele mai multe aplicații reduc pendulul la un grad de libertate prin stabilirea unui pol ca fiind axă de rotație.

În timp ce pendulul clasic este stabil în stare de repaus, pendulul inversat are un alt fel de comportament. Acesta devine instabil în stare de repaus și trebuie să fie balansat activ pentru a rămâne drept. Acest lucru poate fi realizat fie prin aplicarea unei forțe în centrul de rotație, fie prin mișcarea acestuia.

Un al doilea tip de pendul inversat folosit este inclinometrul folosit la structuri înalte și care constă într-un fir ancorat de fundație și atașat unei structuri plutitoare, cufundată în ulei, situată pe acoperișul clădirii, care măsoară mișcarea poziției plutei față de poziția inițială pentru a se stabili înclinația clădirii. Și acest sistem dispune de metode automate de stabilire a poziției. [1]

De asemenea, tot aici se întâlnesc mecanisme de mișcare cu micropoziționare, folosind forța centripetă. [2]

Cele mai des întâlnite mecanisme de mișcare cu micropoziționare sunt bazate pe principiul stick-slip care este implementat cu ajutorul actuatorilor piezoelectrici. Acest principiu stă la baza microroboților folosiți la micropozitionări.

Aceste platforme au trei grade de libertate și posibilitatea de poziționare foarte precisă, mai mică de 200nm, și o viteză de până la câțiva mm pe secundă. Ambele module de locomoție și manipulare sunt încorporate în acest tip de platforme și folosesc principiul de stick-slip.

Un alt tip de mecanism de mișcare bazat, de asemenea, pe acționarea piezoelectrică este unitatea de impact (o altă variantă de stick-slip) inclusă în platforma microrobot Avalon [3,4].

Din nou, atât locomoția, cât și manipularea au fost bazate pe acționare piezoelectrică.

Această platformă permite precizie de poziționare de aproximativ 3μm și dezvoltă viteze de până la 1mm/s.

Un alt mecanism de mișcare, de asemenea, bazat pe actuatori piezoelectrici este inclusă în microrobotul NanoWalker. Primele prototipuri ale acestui robot au fost capabile să execute un număr minim de pași de ordinul 30nm și a demonstrat posibilitatea unei deplasări cu o viteză de 200mm/s.

La această platformă este interesant principiul de mers pe jos prezentat în [5,6].

Posibil, robotul MiCRoN este exemplul cel mai avansat al unei platforme microrobotice în ceea ce privește includerea actuatorilor piezoelectrici și care are un micromanipulator integrat [7,8].

Deși actuatorii piezoelectrici tind să fie materialele inteligente cele mai preferate pentru micropoziționare și prevăd acuratețea necesară poziționării precum și un răspuns bun de acționare, aceștia suferă din cauza prețului foarte mare pentru unitățile de putere care nu permit cu ușurință operațiile independente.

Încorporarea platformelor electronice în microrobot conduc, de asemenea, la probleme de încălzire excesivă.

S-a propus un microrobot simplu și compact care are un mecanism de acționare bazat pe vibrația micromotoarelor [9,10]

Toate componentele mecanismului, inclusiv unitățile sale de conducere sunt de tip low-cost și de aceea, foarte accesibile.

Zonele țintă ale acestei aplicații sunt:

– Zona industrială, cu aplicații precum ar fi asamblararea 3D a dispozitivelor de dimensiuni reduse și încorporarea sticlei sau ceramicii în componente MEMS;

– Zona biomedicală cu aplicații în manipularea celulelor.

În acest scop platforma trebuie să execute cu precizie submicrometrică o serie de sarcini cum ar fi: împingerea, poziționarea, tăierea sau lipirea componentelor micro și miniaturale a căror greutate variază de la câteva miligrame la câteva grame. Cele mai multe dintre aceste microaplicații în acest moment nu sunt standardizate și implică un grad mare de incertitudine.

Prin urmare, un sistem de manipulare compus din câțiva microroboți mobili echipați cu sculele necesare este mult mai eficient și are rate crescute de succes comparativ cu o stație de microfabricație care conține un număr de micromanipulatoare montate pe baze statice (precum în cele din industria auto).

Platformele microrobot menționate mai sus, pe lângă capacitățile lor de mișcare, trebuie să prezinte și capacități adecvate unor serii de sarcini de manipulare care urmează să fie realizate.

Rezultatele teoretice sunt verificate mai întâi prin simulări.

Având ca bază liniile directoare de proiectare analitică derivată este proiectat și construit un manipulator de tip ac. Manipulatorul este montat pe platforma microrobot și sunt efectuate experimente care verifică rezultatele teoretice.

2.2. Motoare inerțiale

A doua direcție este reprezentată de folosirea forței de inerție pentru construcția unor motoare inovatoare precum și a unui sistem de multiplicare a energiei [11].

Aceste sisteme se folosesc de forța centrifugă și de atracția gravitațională pentru a continua mișcarea indusă inițial în sistem.

Problema-cheie în sistemele autonome de acest tip este reprezentată de mecanismul de acționare pe care îl folosesc. Acesta este responsabil pentru precizie și capacitățile de mișcare. În plus, acesta determină și consumul de energie și, în consecință, autonomia acestor sisteme.

Mecanismele de mișcare convenționale cum ar fi motoarele și roțile nu se pretează la sarcini de micropoziționare din cauza apariției crescânde a fenomenelor de frecare precum efectul Stribeck și din cauza toleranțelor mari pentru mecanismele de acționare pentru deplasare și manipulare care nu includ părți mobile mecanice în lanțul lor cinematic.

Aceste mecanisme de acționare sunt adesea bazate fie pe principiile inerțiale, fie pe folosirea unor actuatoare din materiale active și inteligente cum ar fi actuatorii piezoelectrici, aliajele cu memoria formei etc.

Din această cauză, s-a ales în lucrarea de față realizarea unui robot care să permită nu atât poziționări precise ori o autonomie mare de funcționare, cât un mijloc de deplasare inerțială. Avantajele acestei mișcări se pot vedea mai clar în medii în care forțele de frecare sunt relativ reduse, precum mediile lichide sau gazoase. În astfel de medii, propulsarea cu ajutorul forței de inerție ar reprezenta un avantaj.

În acest sens au fost deja dezvoltate o serie de experimente care să permită construcția unor motoare inerțiale excentrice însă până acum rezultatele au fost nesatisfăcătoare.

Un astfel de exemplu este Motorul Inerțial Thornson. Acesta folosește forța centrifugă pentru a produce un impuls liniar.

Un rezultat notabil, dar insuficient, al unui astfel de motor este deplasarea unui canoe cu doi pasageri într-o piscinăa, folosindu-se un motor descris mai sus, complet izolat într-o incintă situată în canoe și care nu a atins apa. Acest ansamblu, cu o masă de aproximativ 200Kg, a reusit să parcurgă aproximativ 23 de metri cu o viteză maximă de 1.61km/h.

Capitolul 3. DEFINIREA PROBLEMEI – PREZENTAREA REALIZĂRII SOLUȚIEI PROPRII

Robotul realizat în lucrarea de față este destinată deplasării pe suprafețe solide, cu ajutorul forței de inerție.

3.1. Stadiul inițial. Primul prototip.

Anterior realizării propriu-zise a unui prototip s-a utilizat mediul de proiectare SolidWorks pentru studiul unui model 3D care să poată fi analizat în vederea obținerii unui model real.

S-a realizat apoi un prototip pentru testarea efectului forței de inerție asupra unei structuri pe roți proiectată anterior.

Astfel, s-a folosit un cadru metalic, pentru baza robotului pe care au fost montate patru roți. Pe această bază s-au fixat patru brațe metalice care au permis conectae excentrice însă până acum rezultatele au fost nesatisfăcătoare.

Un astfel de exemplu este Motorul Inerțial Thornson. Acesta folosește forța centrifugă pentru a produce un impuls liniar.

Un rezultat notabil, dar insuficient, al unui astfel de motor este deplasarea unui canoe cu doi pasageri într-o piscinăa, folosindu-se un motor descris mai sus, complet izolat într-o incintă situată în canoe și care nu a atins apa. Acest ansamblu, cu o masă de aproximativ 200Kg, a reusit să parcurgă aproximativ 23 de metri cu o viteză maximă de 1.61km/h.

Capitolul 3. DEFINIREA PROBLEMEI – PREZENTAREA REALIZĂRII SOLUȚIEI PROPRII

Robotul realizat în lucrarea de față este destinată deplasării pe suprafețe solide, cu ajutorul forței de inerție.

3.1. Stadiul inițial. Primul prototip.

Anterior realizării propriu-zise a unui prototip s-a utilizat mediul de proiectare SolidWorks pentru studiul unui model 3D care să poată fi analizat în vederea obținerii unui model real.

S-a realizat apoi un prototip pentru testarea efectului forței de inerție asupra unei structuri pe roți proiectată anterior.

Astfel, s-a folosit un cadru metalic, pentru baza robotului pe care au fost montate patru roți. Pe această bază s-au fixat patru brațe metalice care au permis conectarea la o anumită înălțime a unui microcontroller Parallax.

La acest microcontroller a fost conectat un servomotor capabil să descrie rotații complete în jurul axei sale. Motorul a fost folosit pentru mișcarea unui braț atașat, având la capăt o greutate prestabilită.

Comanda motorului a fost realizată folosindu-se mediul de programare Basic Stamp 2.

Programul scris pentru prototip are următoarea formă:

'{$STAMP BS2}

'{$PBASIC 2.5}

a VAR Word

DO

FOR a=1 TO 100

PULSOUT 13, 600

PULSOUT 13, 726

Practic, într-o buclă de tip loop, se va comanda pinul 13, pin la care a fost conectat servomotorul. Atâta timp cât a ia valori de la 1 la 150, motorul se deplasează cu o viteză stabilită în programul de execuție, iar de la 1 la 100 se deplasează cu o viteză mai mică decât aceasta. Acest lucru a fost realizat pentru a putea permite o ridicare lentă a greutății și o antrenare mai mare pe porțiunea de coborâre pentru a induce o forță de inerție mai mare.

Robotul a funcționat în acea stare numai în condițiile în care suprafața pe care a fost așezat este perfect plană.

În urma realizării acestui prototip s-au observat următoarele:

Robotul are nevoie de o echilibrare mai bună;

Softul de comandă nu permite controlul precis al motorului;

Motorul ales nu dezvoltă puterea necesară ridicării unei mase mai mari de 30 de grame la viteza stabilită;

Principiul funcționează dacă sunt respectate aspectele observate mai sus.

3.2. Modificări aduse proiectului. Al doilea prototip. Programare.

În vederea implementării modificărilor stabilite anterior s-a ales un alt microcontroller care să permită o programare mult mai facilă precum și un control mai precis asupra componentelor. Astfel, s-a optat pentru un microcontroller Arduino UNO.

Arduino UNO este un microcontroller bazat pe ATmega328. Acesta are 14 pini digitali de intrare / ieșire (din care 6 pot fi utilizați ca ieșiri PWM), 6 intrări analogice, un oscilator cu cristal de 16 MHz, o conexiune USB, un jack pentru conectarea unei surse externe de curent, o interfață ICSP, și un buton de resetare. Microcontrollerul conține tot ce este necesar pentru a permite funcționarea extrem de ușoară prin conectarea la un computer cu un cablu de alimentare USB.

Lista de caracteristici Arduino UNO:

Tensiune de operare: 5V

Tensiune de intrare (recomandată): 7-12V

Tensiune de intrare (limite): 6-20V

14 pini de intrare/ieșire (din 6 care oferă ieșire PWM)

Pini analogici de intrare: 6

Memorie flash: 32 KB (ATmega328) din care doar 0,5 KB utilizați de bootloader

2 KB SRAM (ATmega328)

EEPROM 1 KB (ATmega328)

Frecvența de 16 MHz [12]

Pentru a asigura un control mai bun asupra plăcii, precum și pentru a asigura modificarea parametrilor în timp real, s-a optat pentru programarea cu ajutorul limbajului grafic LabVIEW.

A fost necesară în acest sens, găsirea unei modalități de conectare a plăcii cu LabVIEW precum și integrarea unui sistem de librării pentru controlul acestei plăci.

Astfel s-a ales pentru programarea microcontrollerului, interfața LIFA (LabVIEW Interface for Arduino).

Conectarea la placa Arduino prin această interfață se realizează urmând un proces de șase pași:

Instalarea programului LabVIEW pe computerul de pe care se dorește comanda plăcii;

Instalarea driverelor NI-VISA;

Instalarea JKI VI Package Manager (VIPM) pentru facilitarea utilizării pachetelor de date între PC și Arduino;

Instalarea Interfaței LIFA propriu-zise;

Conectarea plăcii Arduino la PC;

Încărcarea firmware a LIFA pe cipul plăcii Arduino. [13]

Avantajele utilizării mediului de programare LabVIEW pentru controlul Arduino sunt următoarele:

Vizualizarea datelor primite de la senzori se poate face în timp real pe panoul pricipal LabVIEW;

Interfața utilizatorului se poate realiza grafic foarte ușor, permițându-se o abordare intuitivă pentru dezvoltarea softului;

Pe lângă procesul complicat de memorare al unei funcții, LabVIEW permite utilizarea acesteia prin sistemul de tip drag and drop. Acest proces facilitează realizarea mult mai rapidă a relațiilor dintre funcții;

Sistemul help este foarte ușor de accesat din interiorul ecranului de lucru;

Animarea execuției diagramei block este foarte utilă pentru observarea procesului în timp real. Aceasta reprezintă o măsură de siguranță în vederea realizării unui program eficient;

Există posibilitatea interogării programului despre fiecare secțiune a sa fără a mai fi nevoie de programare suplimentară, prin simpla folosire a funcției probe;

Existența a peste 850 de librării pentru procesarea de semnal, operații matematice și librării de analiză;

Existența interfețelor pentru servicii web, baze de date și fisiere executabile;

Posibilitatea modificării parametrilor în timp real în funcție de preferințe și de aflare imediată a modificărilor prin intermediul funcțiilor de grafic implementate;

Abordarea intuitivă a programării. [14]

În vederea experimentării acestui tip de conectare s-a realizat un circuit simplu, folosidu-se un PC, placa Arduino, un breadboard și un led RGB.

Programul realizat în LabVIEW permite schimbarea culorilor led-ului precum și combinarea acestora, în urma acționării unui buton virtual generat de interfața LabVIEW.

Schema de principiu se află mai jos:

Zonele din program au fost astfel repartizate încât fiecare să exercite o anumită acțiune.

Astfel:

Se inițializează conexiunea cu Arduino

Se configurează pinii PWM pentru conectarea LED-ului RGB

Se convertesc valorile slider-ului în culori

Se trimit culorile către LED-ul RGB

Se închide conexiunea cu Arduino

Se tratează erorile apăarute în sistem

De asemenea, după testarea propriu-zisă a sistemului, s-a trecut la realizarea unui program pentru controlul unui motor pas cu pas folosind tot mediul de programare grafică LabVIEW și interfața Arduino.

Acest sistem permite controlul dinamic al motorului, fără a mai fi nevoie de caracteristici prememorate ale robotului pentru executarea mișcării.

Această caracteristică determină versabilitatea și fiabilitatea unui astfel de robot.

Programul necesar comenzii unui motor pas cu pas este descris mai jos.

Acest sistem deosebit de util se poate utiliza cu succes în vederea realizării comenzii robotului și în cazul experimentării descrise în continuare.

În cazul de față însă este necesară o autonomie proprie a robotului, care poate fi asigurată mult mai bine de implementarea unui program direct în cipul microcontroller-ului.

În caz contrar, nevoile de deplasare ale robotului ar deveni cu mult mai mari întrucât la masa robotului s-ar adăuga masa computerului de comandă.

Există totuși și o altă variantă pentru comanda de la distanță a acestui robot folosind sistemul de programare grafică LabVIEW. Pentru Arduino sunt disponibile o serie de shield-uri wireless care pot constitui un mediu propice pentru trimiterea comenzilor de la distanță.

Totuși, costurile ridicate ale acestor shield-uri precum și nevoia de realizare a unei autonomii proprii a robotului au determinat abandonarea temporară a acestei direcții și alegerea concomitentă a variantei programării direct în microcontroller.

3.3. Construcția mecanică.

În vederea realizării structurii mecanice, s-au proiectat inițial piesele necesare, urmând ca ulterior, în funcție de necesitățile proiectului, acestea să fie modificate pentru a putea întruni cerințele necesare. Astfel, s-a folosit mediul de proiectare CATIA pentru realizarea unui model viabil, plecând de la modelul anterior și ținându-se cont de rezultatele experimentelor anterioare.

S-a realizat o placă de bază, pornind de la dimensiunile roților. Astfel, pentru un diametru exterior al roților standard de Ø90 s-a proiectat o placă cu dimensiunile 200 x 100 x 2mm

[anexa 1].

Placa de bază are și rolul de a permite așezarea microcontrollerului, a breadboard-ului, a echerelor necesare susținerii arborelui care mișcă roata precum și a suporților pentru susținerea părții superioare. De asemenea, a fost realizată o gaură de trecere în această placă pentru firele care conecteaza servomotorul la placa Arduino.

Prin urmare, pe aceasta placă au fost fixate patru echere care să permită trecerea axelor roțtilor prin niste găuri centrale.

După fixarea acestor echere a fost construită placa de susținere a motorului pas cu pas care, de asemenea, are o gaură de trecere pentru firele motorului pas cu pas.

Această placă susține, de asemenea, și alte două echere, construite în așa fel încât să poată susține un arbore pe care va fi fixată o roată dințată iar la cele două capete ale arborelui, două pendule având fiecare aceeași masă.

Pendulele sunt reprezentate de două bare paralelipipedice înșurubate pe arbore. La capătul acestor bare vor veni înșurubate greutățile. S-a ales această variantă pentru a putea schimba dimensiunile brațelor și masele aferente ori de câte ori este nevoie într-o manieră simplă în vederea experimentării.

Este important de menționat faptul că s-a dorit o repartizare cât mai uniformă a maselor pe robot pentru a obține un centru de greutate cât mai apropiat de centrul robotului și pentru a se realiza un echilibru cât mai bun. Acest lucru este necesar în vederea limitării erorilor apărute în urma descompunerii forțelor care apar în sistem în cazul în care partea stângă și partea dreaptă a robotului nu sunt simetrice.

Astfel, în imaginea următoare, se poate observa centrul de greutate calculat cu ajutorul softului de proiectare CATIA V5R19.

S-a ales acest mediu de proiectare odată pentru precizia ridicată și, în al doilea rând, pentru ușurința cu care se pot realiza desene de execuție.

Din punct de vedere al caracteristicilor funcționale ale robotului se remarcă posibilitatea exercitării unei mișcări circulare de către motorul pas cu pas, la un anumit unghi și cu o anumită viteză stabilită anterior în cadrul programului de execuție.

De asemenea, se va efectua o mișcare de revenire a pendulului cu o viteză redusă. Acest lucru determină atât un cuplu mai mare cât și reducerea mișcării de revenire cauzată de inerție.

Tot din această cauză s-a elaborat un sistem de frânare constituit din două servo motoare dispuse pe laturile robotului. Acestea antrenează în mișcare câte un braț metalic care în momentul contactului cu roțile aferente, realizează un efect de frânare.

Mișcarea servomotoarelor este controlată de către doi senzori dispuși pe laturile robotului. La trecerea pendulului prin dreptul acestor senzori, se generează un semnal care induce servmotoarelor mișcarea necesară. Astfel, la trecerea pendulului prin dreptul senzorului 1, roțile se frânează pentru a limita mișcarea în acel sens. De asemenea, la trecerea pendulului prin dreptul celui de-al doilea senzor frânele sunt deblocate pentru a permite mișcarea liberă datorată forței de inerție.

Cele două motoare nu au existat în primele faze ale proiectului, preferându-se inițial o blocare a roților determinată de un sistem compus dintr-un motor servo, o roată dințată și două cremaliere.

Totuși, modul de realizare al roților, prin folosirea unor spițe în loc de suprafața plană pentru a umple interiorul roților, a făcut acest sistem inutilizabil.

Din această cauză, s-a proiectat un sistem format din două motoare servo, prinse pe placa de bază, în imediata vecinătate a roților.

Pentru partea mecanică propriu-zisă, s-au achiziționat patru roți cu diametrul Ø90mm. Din cauza faptului că aceste roți sunt destinate prinderii directe pe motor, a fost necesară achiziționarea unor adaptoare universale pentru roți. Acestea s-au fixat pe cele patru roți cu șuruburi.

Pentru interconectarea roților, s-a folosit un arbore de aluminiu cu diametrul de 6mm. Acest arbore a fost tăiat la dimensiunile dorite [de introdus dimensiunea] și apoi a fost pilit la ambele capete pentru a se putea potrivi cu diametrul conectorilor universali fixați pe roți.

S-a trecut apoi la montarea celor patru echere pe placa de bază. Fixarea acestora s-a făcut cu șuruburi. Dimensiunea echerelor a făcut ca fixarea cu șuruburi să nu fie suficientă pentru rigidizare astfel încât s-a optat pentru o rigidizare suplimentară a sistemului folosind mai multe lamele metalice.

Plecând de la placa de bază, s-au conectat niște elemente metalice de legătură care să înlocuiască cele 4 suporturi inițiale. Astfel, s-a realizat o prindere a plăcii superioare de placa de bază, folosindu-se aceste elemente de legătură.

Pe placa superioară, s-au fixat două elemente metalice care să permită înălțarea celor două echere care susțin axul pendulelor. Această înălțare a fost realizată în vederea obținerii distanței necesare pentru brațele pendulelor. Momentul calculat ține cont de brațul forței și de forță. Motorul a fost și el înălțat deoarece acesta trebuie să transmită mișcarea la brațul pendulelor, printr-un sistem de roți dințate.

Fixarea motorului pe suport s-a făcut prin două șuruburi situate la baza acestuia precum și prin utilizarea unor coliere de plastic în vederea rigidizării pe structură. S-au folosit aceste coliere deoarece spațiul rămas după introducerea motorului în sistem este insuficient pentru a permite inserarea unor șuruburi.

Pentru fixarea pendulelor pe motor s-a folosit în primul rând un arbore filetat M4 cu lungimea totală de [dimensiunea]. Lungimea acestui arbore s-a stabilit luând în calcul lățimea robotului cu tot cu roți și o distanță în plus pentru evitarea coliziunii cu roțile precum și pentru a permite conectarea unor senzori la o distanță mai mare de corpul robotului. Pe arborele filetat, s-a montat la o distanță de [distanță măsurată] față de capete o roată dințată cu diametrul de [diametrul măsurat] și un număr total de [numărul] de dinți.

Această roată dințată din plastic a fost fixată pe arborele filetat folosindu-se un procedeu de sudură plastică precum și fixarea din laterale cu ajutorul unor piulițe înfiletate pe arbore.

În vreme ce majoritatea pieselor din sistem au fost achiziționate ca piese standard, pentru realizarea brațelor pendulelor a fost nevoie de o fabricare individuală.

Astfel, folosind o bară paralelipipedică din aluminiu cu dimensiunile [aici dimensiunile] s-au debitat două bare cu lungimea de [lungimea aici]. La unul din capetele acestor bare s-a realizat o gaură de dimensiune Ø3. Deși diametrul arborelui filetat este M4, a fost nevoie de o gaură mai mică pentru realizarea filetului interior M4 în brațele de aluminiu.

Pentru realizarea acestui filet s-a folosit un tarod cu dimensiunea M4. Operația s-a realizat manual pentru o precizie mai bună asupra operațiunii.

Operația a fost realizată pentru ambele brațe din aluminiu.

La celelalte capete ale barelor de aluminiu au fost operate două găuri de trecere dispuse în cruce pentru conectarea maselor în vederea realizării pendulului.

Pentru rigidizarea brațelor de aluminiu pe arborele filetat, s-a folosit, de asemenea, un sistem de două piulițe, pe lateral precum și repetarea procedeului anterior de sudură plastică.

Greutățile fixate sunt reprezentate de șaibe de caroserie cu masa individuală de 75 de grame.

Pe lateralele robotului au fost fixate alte două brațe metalice necesare conectării senzorilor. Aceștia au fost lipiți pe aceste brațe și orientați către pendule.

3.4. Construcția ansamblului electric.

Pentru partea electronică s-a folosit în primul rând un motor pas cu pas.

Inițial a fost achiziționat un motor pas cu pas, cu mișcare de translație. Acest motor urma a fi modificat, blocându-se arborele filetat în interiorul piuliței centrale a motorului pentru a putea transmite o mișcare de rotație în ambele sensuri în locul celei de translație în vederea înlocuirii sistemului de transmisie cu roți dințate și limitând erorile care puteau surveni. Datorită modului de construcție a acestui motor, modificarea fără producerea unor alterări ale capacităților motorului nu a fost posibilă astfel încât a fost aleasă varianta secundară, a unui motor pas cu pas rotativ și a unui sistem de transmisie cu roți dințate.

Motorul a fost ales astfel încât să satisfacă cerintele sistemului. Prin urmare, s-a optat pentru motorul următor. Pe larg, aceste specificații pot fi găsite în [anexa].

Specificațiile generale ale acestui motor sunt:

Unghiul descris de un pas: 1.8°

Are două faze

Curentul necesar: 0.33A

Cuplu general: 2.3kg*cm

Arborele motorului: 5mm

Inerție totală: 3.5 kg*mm

Pentru comanda acestui tip de motor a fost necesară achiziționarea unui driver. S-a ales în consecință un EasyDriver v4.3.

Acesta are în componență un driver A3967, este compatibil cu motoarele pas cu pas cu 4,6 sau 8 fire de orice voltaj, are posibilitatea de control al curentului de la 150mA/fază până la 750mA/fază.

Pentru conectarea acestui driver a fost necesară lipirea unor conectori care să permită integrarea driver-ului în circuit.

Conectorii folosiți sunt de tip tată-tată, cu o lungime de [lungimea pinilor]. Acest easydriver necesită însă conectarea unei surse de curent externe, de 12V și maxim 0.5mA. Acest lucru nu este de dorit deoarece implică permanenta conectare a unui fir în timpul mersului, care să facă legătura între sursa de curent și easydriver.

Totuși acest neajuns poate fi combătut de integrarea în sistem a unui acumulator care să genereze curentul necesar funcționării acestuia. În momentul realizării robotului, această variantă nu este disponibilă, fiind acceptată ca evoluție viitoare a robotului.

Cele două servomotoare alese sunt asemănătoare ca funcții însă nu identice.

Primul servomotor are următoarele caracteristici:

Tensiunea de operare între 4.8V și 6.0V

Viteza de operare este de 60°/0.1sec

Cuplul este de 1.4Kg/cm

Plaja de operare de 170°

Cel de-al doilea servomotor are următoarele caracteristici:

Tensiunea de operare între 4.7V și 6.0V

Viteza de operare este de 60°/0.1sec

Cuplul este de 1.3Kg/cm

Plaja de operare de 170°

Pentru comanda servomotoarelor a fost nevoie de doi senzori. S-au ales două fotodiode IR care să detecteze prezenta brațului prin fața lor. Senzorii utilizează o diodă emițător de IR combinată cu un fototranzistor pentru a detecta semnalul reflectat. Rezultatele cele mai bune se obțin la distanțe de 0.5-1cm.

Toate aceste componente electronice au fost conectate la un microcontroller Arduino prin intermediul pinilor de pe placă și al unui breadboard.

S-a ales această variantă în locul realizării unui circuit pentru a permite modificarea facilă a circuitului în funcție de cerințe.

Schema electrică a ansamblului este prezentată în figura de mai jos, pentru un motor pas cu pas, un servomotor, cei doi senzori, easy driver, arduino și breadboard.

Celelalte componente au fost adăugate pe alți pini. Schema de mai jos ajută la înțelegerea mult mai ușoară a circuitului.

Inițial s-a realizat o conexiune PC-Arduino. Apoi s-au efectuat o serie de teste pentru a determina dacă legăturile au fost corect executate.

Apoi, s-a folosit un program simplu prin care cu ajutorul unui senzor se aprinde un LED. Acest lucru a fost necesar pentru stabilirea plajei de toleranță a senzorului și pentru obținerea unei valori maxime de citire care să poată fi folosită în programul ulterior.

Folosindu-se cei doi senzori existenți și servomotorul, s-a elaborat un program care să permită celor doi senzori să acționeze pe rând servomotorul. Practic, în momentul trecerii unui obiect prin fața primului senzor, servomotorul este determinat să se miște într-o direcție prestabilită, blocând concomitent acțiunea primului senzor și activarea celui de-al doilea. În momentul trecerii unui obiect prin fața celui de-al doilea senzor, se obține același efect.

3.5. Programarea microcontrollerului.

Programul a fost realizat în limbajul special de programare pentru Arduino. Codul este următorul:

#include <Servo.h> // se include librăria

Servo servoMotor; // se formează un obiect pentru servo

int servoPin = 2; // se stabilește pinul de control pentru servo

void setup() {

Serial.begin(9600); // inițializează comunicarea serial

servoMotor.attach(servoPin); // atașează servomotorul

}

void loop()

{

int val1= 90;

int val2= 50;

int analogValue2 = analogRead(A5); // citește analog input senzor 2

int analogValue = analogRead(A0); // citește analog input senzor 1

Serial.println(analogValue2); // print

Serial.println(analogValue); // print

if (analogValue2 < 150 ) {

servoMotor.write(val1); }

else

if (analogValue < 150 ) {

servoMotor.write(val2); }

}

Acest program permite conectarea unui servomotor la pinul 2 al plăcii arduino. Inițializează o librărie specială pentru servomotoare. Apoi se atașează un obiect motor, pinului de comandă.

În interiorul unei bucle loop se declară două valori care vor reprezenta gradele cu care se mișcă servomotorul.

Se inițializează două valori analogice care permit citirea de pe pinii analogici A0 și A5 a valorilor primite de la senzori.

Se afișează pe ecranul serial aceste valori pentru o vizualizare clară a acestora utilă în procesul de debugging.

Apoi, se compară valorile obținute cu cele stabilite anterior pentru senzori, în urma experimentelor.

Pentru o valoare mai mică decât valoarea maximă la care ajunge citirea primului senzor în momentul în care detectează un obiect, se va scrie prima valoare pe pinul servomotorului.

Pentru cea de-a doua poziție a servomotorului, care practic trebuie să realizeze o mișcare de avans și una de revenire pentru a frâna roțile, se va citi valoarea de la senzorul numărul 2 și apoi se va compara cu valoarea maximă. Dacă și această condiție este îndeplinită se va scrie a doua valoare pe pinul servomotorului și acesta va realiza o mișcare de revenire în poziția inițială deblocând roata.

Imediat după elaborarea acestui program s-a trecut la scrierea unui program pentru comanda motorului pas cu pas. Acesta are rolul de a face motorul să descrie o cursă de x grade într-o direcție, cu o anumită viteză iar apoi, cu o altă viteză, să refacă traseul inițial în sens invers, ciclul repetându-se într-o buclă de tip loop.

Programul pentru comanda motorului:

#define DIR_PIN 2

#define STEP_PIN 3

void setup() {

pinMode(DIR_PIN, OUTPUT);

pinMode(STEP_PIN, OUTPUT);

}

void loop(){

rotateDeg(180, 1);

delay(1000);

rotateDeg(-180, .1);

delay(1000);

}

void rotateDeg(float deg, float speed){

int dir = (deg > 0)? HIGH:LOW;

digitalWrite(DIR_PIN,dir);

int steps = abs(deg)*(1/0.225);

float usDelay = (1/speed) * 70;

for(int i=0; i < steps; i++){

digitalWrite(STEP_PIN, HIGH);

delayMicroseconds(usDelay);

digitalWrite(STEP_PIN, LOW);

delayMicroseconds(usDelay);

}

Se definesc pinii motorului pentru direcție și număr de pași. Se realizează într-o buclă loop, mișcarea de rotație cu ajutorul funcției rotateDeg, stabilindu-se a priori numărul gradelor

și viteza cu care motorul să se miște. Se declară apoi funcția de rotație folosită mai sus, stabilindu-se comportamentul pinilor în urma îndeplinirii condițiilor inițiale.

Următorul pas a fost integrarea celor două programe într-un program final care să permită funcționarea concomitentă a servomotorului acționat de senzori și a motorului pas cu pas.

#include <Servo.h>

#define DIR_PIN 3

#define STEP_PIN 4

Servo servoMotor;

int servoPin = 2;

void setup() {

Serial.begin(9600);

servoMotor.attach(servoPin);

pinMode(DIR_PIN, OUTPUT);

pinMode(STEP_PIN, OUTPUT);

} void loop()

{

int val1= 90;

int val2= 50;

int analogValue2 = analogRead(A5);

int analogValue = analogRead(A0);

Serial.println(analogValue2);

Serial.println(analogValue);

if (analogValue2 < 150 ) {

servoMotor.write(val1); }

else

if (analogValue < 150 ) {

servoMotor.write(val2); }

rotateDeg(180, 1);

delay(1000);

rotateDeg(-180, .1);

delay(1000);

}

void rotate(int steps, float speed){

int dir = (steps > 0)? HIGH:LOW;

steps = abs(steps);

digitalWrite(DIR_PIN,dir);

float usDelay = (1/speed) * 70;

for(int i=0; i < steps; i++){

digitalWrite(STEP_PIN, HIGH);

delayMicroseconds(usDelay);

digitalWrite(STEP_PIN, LOW);

delayMicroseconds(usDelay);

}

void rotateDeg(float deg, float speed){

int dir = (deg > 0)? HIGH:LOW;

digitalWrite(DIR_PIN,dir);

int steps = abs(deg)*(1/0.225);

float usDelay = (1/speed) * 70;

for(int i=0; i < steps; i++){

digitalWrite(STEP_PIN, HIGH);

delayMicroseconds(usDelay);

digitalWrite(STEP_PIN, LOW);

delayMicroseconds(usDelay);

}

Capitolul 4. MODELAREA MATEMATICĂ A PRINCIPALELOR SUBANSAMBLURI ȘI REZULTATELE SIMULĂRILOR.

4.1. Formule de calcul.

În vederea proiectării sistemului de frânare s-au folosit formule de calcul specifice.

Astfel:

Decelerația pentru cazul în care robotul frânează doar roțile punții din spate:

a, hg = coordonatrele centrului de greutate

α = unghi de înclinație

Distribuția statică a încărcării pe osie:

Mr = sarcina statică pe osia din spate

M = masa totală a vehiculului

Înălțimea relativă a centrului de greutate:

h = distanța de la centrul de greutate la sol

wb sau L = distanța dintre roți pe lungime

Forța de frânare:

M = masa totală a vehiculului

a = decelerația

g = 9.81 m/s2

Forța maximă de frânare

μr = coeficient de frecare

g = 9.81 m/s2

Mw = moment

Determinarea spațiului de frânare:

v1,v2 = viteza la intrare și la ieșire

Determinarea timpului de frânare:

Modelul robotului poate fi redus la un model mai simplu care să permită studierea mișcării la nivelul roților.

Astfel, avem ca model roata trasă (în practică, mișcată prin acțiunea forței de inerție).

Pentru a evidenția frecarea de rostogolire se va analiza o roată de rază r și greutate G. În urma forțelor apar deformații în vecinătatea punctului O. Contactul are loc pe o suprafață pe care apar reacțiunile normale distribuite simetric față de normala dusă în O.

Prin aplicarea asupra roții a unei forțe orizontale de tracțiune F, pe suprafața de contact apar forțe tangențiale ce se opun tendinței de alunecare, iar distribuția reacțiunilor este deplasată spre partea în care roata are tendința de rostogolire.

Rezultanta N a reacțiunilor normale este situată la o distanță e de punctul teoretic de contact O.

Valoarea maximă a excentricității e cu care se deplasează suportul reacțiunii N astfel ca discul să nu se rostogolească este coeficientul de frecare de rostogolire s=emax.

Ecuatiile de echilibru sunt:

F-T=0

N-G=0

Mr-rF=0

La care se adaugă condițiile:

T≤μN, Mr≤rF

F≤μG

F≤ sG/R

În acest caz, dacă:

μ>s/r rezulta

0<F< => echilibru

F= => tendința de rostogolire fără alunecare

<F<μG => rostogolire fără alunecare

F=μG => rostogolire cu tendință de alunecare

F>μG => rostogolire cu alunecare

raza roții este suficient de mică pentru ca μ<s/r rezultă

0<F<μG => echilibru

F=G => tendință de alunecare fără rostogolire

μG<F< => alunecare fără rostogolire

F= => alunecare cu tendință de rostogolire

F> => alunecare cu rostogolire [15]

Calculul puterii mecanice

P=F*v

Unde P = puterea mecanică dezvoltată în momentul t, F = forța iar v = viteza

Calculul lucrului mecanic total al forței variabile F se calculează folosind relația:

Pentru a se putea transmite mișcarea de la motor la axul pendulelor, s-a folosit un angrenaj cu roți dințate.

Pentru aceasta este necesar calculul raportului de transmitere al celor două roți aflate în angrenare.

Se va folosi formula:

Mecanismul este considerat a fi de tip reductor dacă raportul i12>1 și multiplicator pentru i12<1.

În cazul robotului s-a folosit inițial un raport de tip multiplicator, încercându-se o sporire a vitezei de accelerație. Totuși, în practică s-a demonstrat că acest aspect a determinat totodată și micșorarea cuplului.

Din această cauză, cele două roți dințate au fost inversate astfel încât să se obțină un mecanism reductor. Cuplul în acest caz a crescut, iar greutatea totală ridicată a fost mult mai mare.

Schema forțelor, momentelor și reacțiunilor în cazul unei suprafețe înclinate a robotului este prezentată în figura 22.

Z1, Z2 – reacțiuni normale

X1, X2 – reacțiuni tangențiale

Ra – rezistența aerului

Faz – forța portantă

Ga – greutatea ansamblului

Rd – rezistența la pornire

Mi1, Mi2 – momente de inerție ale roților

Ca – centrul longitudinal de presiune

CDG – centrul de greutate

L – ampatament

Hg, a, b – coordonate centru de greutate

ha – înălțime centru longitudinal de presiune

α – unghiul de înclinare longitudinală a căii de rulare

4.2. Program de calcul realizat în LabVIEW.

Pentru aceste calcule s-a realizat un program în LabVIEW care să permită calculul direct, folosindu-se o serie de coeficienți necunoscuți care intervin în ecuațiile scrise mai sus. Acest program este deosebit de util în calculul acestor componente pentru orice valori care apar în sistem.

Programul scris este conceput în așa fel încât să permită o interconectare a tuturor formulelor care sunt dependente, astfel încât la simpla modificare a unui parametru, toți ceilalți să se modifice în timp real, obținându-se rezultatele dorite.

Capitolul 5. EXPERIMENTĂRI

Pentru studierea comportamentului și a caracteristicilor robotului s-a efectuat o serie de experimente.

În vederea stabilirii forței de rezistență determinată de forța de frecare s-a alcătuit un sistem de testare format din robot și un dinamometru electronic.

Robotul a fost așezat pe diferite suprafețe solide, cu coeficienți de frecare diferiți.

Folosind dinamometrul electronic, s-a aplicat o forță de tragere, la unul dintre capetele acestuia.

În urma experimentelor au rezultat mai multe cazuri.

5.1. Experiment 1

5.1.1. Cazul 1 – roțile libere

Suprafața de contact – lemn

Cu o masă de 300 grame a fost necesară o forță de 0.29N

Cu o masă de 150 grame a fost necesară o forță de 0.19N

Fără masă, doar brațele robotului, a fost necesară o forță de 0.09N

Suprafața de contact – metal

Cu o masă de 300 grame a fost necesară o forță de 0.58N

Cu o masă de 150 grame a fost necesară o forță de 0.49N

Fără masă, doar brațele robotului, a fost necesară o forță de 0.39N

Suprafața de contact – material textil subțire

Cu o masă de 300 grame a fost necesară o forță de 0.39N

Cu o masă de 150 grame a fost necesară o forță de 0.29N

Fără masă, doar brațele robotului, a fost necesară o forță de 0.19N

Suprafața de contact – material textil gros

Cu o masă de 300 grame a fost necesară o forță de 0.78N

Cu o masă de 150 grame a fost necesară o forță de 0.68N

Fără masă, doar brațele robotului, a fost necesară o forță de 0.49N

[grafic unul peste altul]

5.1.2. Cazul 2 – Roțile frânate

Suprafața de contact – lemn

Cu o masă de 300 grame a fost necesară o forță de 0.88N

Cu o masă de 150 grame a fost necesară o forță de 0.49N

Fără masă, doar brațele robotului, a fost necesară o forță de 0.29N

Suprfață de contact – metal

Cu o masă de 300 grame a fost necesară o forță de 0.68N

Cu o masă de 150 grame a fost necesară o forță de 0.58N

Fără masă, doar brațele robotului, a fost necesară o forță de 0.49N

Suprafața de contact – material textil subțire

Cu o masă de 300 grame a fost necesară o forță de 0.88N

Cu o masă de 150 grame a fost necesară o forță de 0.68N

Fără masă, doar brațele robotului, a fost necesară o forță de 0.58N

Suprafața de contact – material textil gros

Cu o masă de 300 grame a fost necesară o forță de 1.27N

Cu o masă de 150 grame a fost necesară o forță de 1.07N

Fără masă, doar brațele robotului, a fost necesară o forță de 0.98N

[grafice unul peste altul]

5.2. Experiment 2. Programare LabVIEW

De asemenea, s-a determinat experimental distanța străbătută de robot în cazurile de mai sus pentru o durată de x secunde.

De asemenea, în acest caz s-a folosit mediul de programare LabVIEW pentru realizarea unui program care să permită modificarea parametrilor robotului în funcție de anumiți parametri.

În vederea realizării softului de comandă folosind LabVIEW și interfața LIFA -> LabVIEW Interface for Arduino, s-au realizat următorii 7 pași.

1. S-a realizat inițializarea conexiunii cu placa Arduino.

2. Apoi, s-a realizat o structură care să permită configurarea motorului pas cu pas pentru controllerul care îi este atribuit.

3. S-au configurat un buton ok si un obiect de control de tip dial care în urma acționării să permită transmiterea de date către Arduino și mai departe către motorul pas cu pas.

4. Se verifică printr-o subrutină dacă motorul pas cu pas încă funcționează.

5. Se închide apoi referința motorului pas cu pas.

6. Se închide conexiunea cu Arduino.

7. Se verifică erorile.

În consecință s-a testat robotul folosindu-se în toate cazurile un număr de 700 de pași pe rotație-avans și 900 de pași/rotație revenire, pentru vitezele de deplasare ale servomotorului de 11000, 12000 și 13000 pași/secundă. S-a măsurat distanța străbătută de robot în 60 de secunde.

Astfel, rezultatele obținute au fost:

5.2.1. Cazul A – viteza 10000

5.2.1.1. Cazul 1 – roțile libere

Suprafața de contact – lemn

Cu o masă de 150 grame s-a realizat o deplasare de 26mm

Cu o masă de 300 grame s-a realizat o deplasare de 77mm

Fără masă, doar brațele robotului, s-a realizat o deplasare de 0mm

Suprafața de contact – metal

Cu o masă de 150 grame s-a realizat o deplasare de 31mm

Cu o masă de 300 grame s-a realizat o deplasare de 65mm

Fără masă, doar brațele robotului, s-a realizat o deplasare de 0mm

Suprafața de contact – material textil subțire

Cu o masă de 150 grame s-a realizat o deplasare de 10mm

Cu o masă de 300 grame s-a realizat o deplasare de 115mm

Fără masă, doar brațele robotului, s-a realizat o deplasare de 0mm

Suprafața de contact – material textil gros

Cu o masă de 150 grame s-a realizat o deplasare de 41mm

Cu o masă de 300 grame s-a realizat o deplasare de 116mm

Fără masă, doar brațele robotului, s-a realizat o deplasare de 0mm

[grafic unul peste altul]

5.2.1.2. Cazul 2 – Roțile frânate

Suprafața de contact – lemn

Cu o masă de 150 grame s-a realizat o deplasare de 8mm

Cu o masă de 300 grame s-a realizat o deplasare de 76mm

Fără masă, doar brațele robotului, s-a realizat o deplasare de 0mm

Suprafața de contact – metal

Cu o masă de 150 grame s-a realizat o deplasare de 15mm

Cu o masă de 300 grame s-a realizat o deplasare de 32mm

Fără masă, doar brațele robotului, s-a realizat o deplasare de 0mm

Suprafața de contact – material textil subțire

Cu o masă de 150 grame s-a realizat o deplasare de 25mm

Cu o masă de 300 grame s-a realizat o deplasare de 5mm

Fără masă, doar brațele robotului, s-a realizat o deplasare de 0mm

Suprafața de contact – material textil gros

Cu o masă de 150 grame s-a realizat o deplasare de 5mm

Cu o masă de 300 grame s-a realizat o deplasare de 48mm

Fără masă, doar brațele robotului, s-a realizat o deplasare de 0mm

[grafic cu rezultate unul peste celalalt]

5.2.2. Cazul B – viteza 12000

5.2.2.1. Cazul 1 – roțile libere

Suprafața de contact – lemn

Cu o masă de 150 grame s-a realizat o deplasare de 92mm

Cu o masă de 300 grame s-a realizat o deplasare 51mm

Fără masă, doar brațele robotului, s-a realizat o deplasare de 0mm

Suprafața de contact – metal

Cu o masă de 150 grame s-a realizat o deplasare de 38mm

Cu o masă de 300 grame s-a realizat o deplasare de 62mm

Fără masă, doar brațele robotului, s-a realizat o deplasare de 0mm

Suprafața de contact – material textil subțire

Cu o masă de 150 grame s-a realizat o deplasare de 15mm

Cu o masă de 300 grame s-a realizat o deplasare de 100mm

Fără masă, doar brațele robotului, s-a realizat o deplasare de 0mm

Suprafața de contact – material textil gros

Cu o masă de 150 grame s-a realizat o deplasare de 40mm

Cu o masă de 300 grame s-a realizat o deplasare de 115mm

Fără masă, doar brațele robotului, s-a realizat o deplasare de 0mm

[grafic unul peste altul]

5.2.2.2. Cazul 2 – Roțile frânate

Suprafața de contact – lemn

Cu o masă de 150 grame s-a realizat o deplasare de 23mm

Cu o masă de 300 grame s-a realizat o deplasare de 65mm

Fără masă, doar brațele robotului, s-a realizat o deplasare de 0mm

Suprafața de contact – metal

Cu o masă de 150 grame s-a realizat o deplasare de 25mm

Cu o masă de 300 grame s-a realizat o deplasare de 40mm

Fără masă, doar brațele robotului, s-a realizat o deplasare de 0mm

Suprafața de contact – material textil subțire

Cu o masă de 150 grame s-a realizat o deplasare de 20mm

Cu o masă de 300 grame s-a realizat o deplasare de 8mm

Fără masă, doar brațele robotului, s-a realizat o deplasare de 0mm

Suprafața de contact – material textil gros

Cu o masă de 150 grame s-a realizat o deplasare de 7mm

Cu o masă de 300 grame s-a realizat o deplasare de 45mm

Fără masă, doar brațele robotului, s-a realizat o deplasare de 0mm

[grafic cu rezultate unul peste celalalt]

5.2.3. Cazul C – viteza 13000

5.2.3.1. Cazul 1 – roțile libere

Suprafața de contact – lemn

Cu o masă de 150 grame s-a realizat o deplasare de 88mm

Cu o masă de 300 grame s-a realizat o deplasare de 50mm

Fără masă, doar brațele robotului, s-a realizat o deplasare de 0mm

Suprafața de contact – metal

Cu o masă de 150 grame s-a realizat o deplasare de 42mm

Cu o masă de 300 grame s-a realizat o deplasare de 60mm

Fără masă, doar brațele robotului, s-a realizat o deplasare de 0mm

Suprafața de contact – material textil subțire

Cu o masă de 150 grame s-a realizat o deplasare de 18mm

Cu o masă de 300 grame s-a realizat o deplasare de 98mm

Fără masă, doar brațele robotului, s-a realizat o deplasare de 0mm

Suprafața de contact – material textil gros

Cu o masă de 150 grame s-a realizat o deplasare de 45mm

Cu o masă de 300 grame s-a realizat o deplasare de 110mm

Fără masă, doar brațele robotului, s-a realizat o deplasare de 0mm

[grafic unul peste altul]

5.2.3.1. Cazul 2 – roțile frânate

Suprafața de contact – lemn

Cu o masă de 150 grame s-a realizat o deplasare de 20mm

Cu o masă de 300 grame s-a realizat o deplasare de 68mm

Fără masă, doar brațele robotului, s-a realizat o deplasare de 0mm

Suprafața de contact – metal

Cu o masă de 150 grame s-a realizat o deplasare de 28mm

Cu o masă de 300 grame s-a realizat o deplasare de 42mm

Fără masă, doar brațele robotului, s-a realizat o deplasare de 0mm

Suprafața de contact – material textil subțire

Cu o masă de 150 grame s-a realizat o deplasare de 24mm

Cu o masă de 300 grame s-a realizat o deplasare de 10mm

Fără masă, doar brațele robotului, s-a realizat o deplasare de 0mm

Suprafața de contact – material textil gros

Cu o masă de 150 grame s-a realizat o deplasare de 10mm

Cu o masă de 300 grame s-a realizat o deplasare de 50mm

Fără masă, doar brațele robotului, s-a realizat o deplasare de 0mm

[grafic cu rezultate unul peste celalalt]

În urma acestor experimentări s-a observat că mediul cel mai bun de deplasare a fost reprezentat de cazul ….

Cea mai lungă distanță străbătută a fost de

Cea mai mică forță necesară deplasării a fost obținută în cazul

Rezultatele cele mai bune au fost obținute cu o masă a pendulului de

Viteza optimă dezvoltată de servomotor a fost

Timpul necesar deplasării s-a ………. cu ……. în urma creșterii vitezei.

5.3. Experiment 3.

În vederea stabilirii cu exactitate a eficienței în cazul sistemului de frânare se propune experimentul următor:

Pe un plan înclinat, robotul este lăsat să alunece liber. Planul înclinat folosit are o înclinație de 30 de grade față de sol. La capătul aflat la înălțimea cea mai mare față de sol, se conectează un dinamometru electric. Se vor măsura pe rând valorile pentru următoarele situații:

5.3.1. Varianta A – mase atașate – 150g

5.3.1.1. Cazul 1 – roțile libere:

Materialul pentru sol – lemn

Forța de rezistență necesară menținerii robotului pe loc pe plan înclinat este de: 6.37N

Materialul pentru sol – metal:

Forța de rezistență necesară menținerii robotului pe loc pe plan înclinat este de: 6.36N

Materialul pentru sol – textil subțire

Forța de rezistență necesară menținerii robotului pe loc pe plan înclinat este de: 5.68N

Materialul pentru sol – textil gros

Forța de rezistență necesară menținerii robotului pe loc pe plan înclinat este de: 4.41N

5.3.1.2.Cazul 2 – roțile blocate:

Materialul pentru sol – lemn

Forța de rezistență necesară menținerii robotului pe loc pe plan înclinat este de: 1.76N

Materialul pentru sol – metal:

Forța de rezistență necesară menținerii robotului pe loc pe plan înclinat este de: 1.47N

Materialul pentru sol – textil subțire

Forța de rezistență necesară menținerii robotului pe loc pe plan înclinat este de: 1.56N

Materialul pentru sol – textil gros

Forța de rezistență necesară menținerii robotului pe loc pe plan înclinat este de: 1.27N

5.3.2.Varianta B – mase atașate – 300g

5.3.2.1.Cazul 1 – roțile libere:

Materialul pentru sol – lemn

Forța de rezistență necesară menținerii robotului pe loc pe plan înclinat este de: 6.86N

Materialul pentru sol – metal:

Forța de rezistență necesară menținerii robotului pe loc pe plan înclinat este de: 7.35N

Materialul pentru sol – textil subțire

Forța de rezistență necesară menținerii robotului pe loc pe plan înclinat este de: 6.65N

Materialul pentru sol – textil gros

Forța de rezistență necesară menținerii robotului pe loc pe plan înclinat este de: 6.37N

5.3.2.2. Cazul 2 – roțile blocate:

Materialul pentru sol – lemn

Forța de rezistență necesară menținerii robotului pe loc pe plan înclinat este de: 2.15N

Materialul pentru sol – metal:

Forța de rezistență necesară menținerii robotului pe loc pe plan înclinat este de: 1.76N

Materialul pentru sol – textil subțire

Forța de rezistență necesară menținerii robotului pe loc pe plan înclinat este de: 1.47N

Materialul pentru sol – textil gros

Forța de rezistență necesară menținerii robotului pe loc pe plan înclinat este de: 1.27N

În urma efectuării acestor experimente s-au constatat următoarele.

Cea mai mare forță de rezistență a fost obținută în cazul:

Cea mai mică forță de rezistență a fost obținută în cazul:

Rezultatele cele mai bune sunt reprezentate de forța de rezistență cea mai mică întrucât în vederea deplasării robotului pe plan înclinat, pendulul va trebui să exercite cea mai mică forță pentru a învinge forțele care determină robotul să aibă o traiectorie descendentă.

Capitolul 6. CONCLUZII

În urma construcției robotului și a testărilor experimentale, s-a demonstrat că forța de inerție poate fi folosită pentru deplasarea unui vehicul.

S-a demonstrat că este necesar ca motorul să fie frânat în vederea limitării mișcării de revenire.

Se demonstrează în practică dependența de mediul de lucru a robotului.

Direcțiile viitoare vor include configurarea robotului astfel încât să poată fi folosit și pe plan înclinat.

Se vor testa capacitățile unui astfel de robot în mediu lichid, roțile fiind înlocuite cu o suprafață plutitoare.

Se vor testa capacitățile unui astfel de robot în aer, roțile fiind înlocuite cu motoare de propulsie care să mențină robotul la o anumită înălțime.

Se va configura programul de execuție astfel încât să se poată adapta fiecărui mediu de funcționare și fiecărei configurații a robotului.

Se va dota robotul cu senzori de proximitate pentru detectarea obstacolelor.

Se va studia un sistem de schimbare a direcției robotului pentru poziționarea în spațiu în timpul lucrului.

Capitolul 7. BIBLIOGRAFIE

[1] http://en.wikipedia.org/wiki/Inverted_pendulum

[2] http://nereus.mech.ntua.gr/pdf_ps/tro07.pdf

[3] B. Roland, Z. Wolfgang, and C. Alain, “Inertial drives for micro and nanorobots: Analytical study”, in Proc. SPIE Photon. East 1995: Microrobot. Micromech. Syst. Symp.,vol. 2593, Bellingham, L. E. Parker, Eds. Philadelphia, PA: SPIE.

[4] C. Alain, Z. Wolfgang, B. Roland, and S. Roland, “A robot system for automated handling in micro-world”, in Proc. Int. Conf. Intell. Robots Syst. (IROS 1995),Pittsburgh, PA, 2008, pp. 3185–3191.

[5] U. Simu, “Piezoactuators for miniature robots”, Doctoral dissertation, Dept. Mater. Sci., Uppsala Univ., Uppsala, Sweden, 2002.

[6] U. Simu and S. Johansson, “Fabrication of monolithic piezoelectric drive units forminiature robot”, J.Micromech.Microeng.,vol. 12, pp. 582–589, 2002.

[7] J. Brufau, M. Puig-Vidal, J. Lopez-Sanchez, J. Samitier, W. Driesen, J. Brequet, N. Snis, S. Urban, S. Johansson, T. Velten, J. Seyfried, R. Estana, and H. Woern, “MICRON: Small autonomous robot for cell manipulation applications”, in Proc. IEEE ICRA 2004, Barcelona, Spain, pp. 844–849.

[8] P. Vartholomeos, S. Loizou, M. Thiel, K. Kyriakopoulos, and E. Papadopoulos, “Control of the multi agent micro-robotic platform MuiCRoN”, in Proc. 2006 IEEE Int. Conf. Control Appl., TUM, Munich, pp. 1414–1419.

[9] P. Vartholomeos and E. Papadopoulos, “Analysis, design and control of a planar micro-robot driven by two centripetal-force actuators”, in Proc. IEEE ICRA 2006,Orlando, FL, pp. 649–654.

[10] P. Vartholomeos and E. Papadopoulos, “Dynamics, design and simulation of a novel micro-robotic platform employing vibration micro-actuators”, ASME J. Dyn. Syst., Meas. Control,vol. 128, no. 1, pp. 122–133.

[11] http://chalkalis.blogspot.ro/

[12] http://arduino.cc/en/Main/ArduinoBoardUno

[13] https://decibel.ni.com/content/docs/DOC-15971

[14] http://www.ni.com/white-paper/12879/en

[15] Ștefan Staicu, „Mecanica Teoretică“, pp. 302-303.

ANEXE

s

BIBLIOGRAFIE