PLATFORMA ROVER CU MANIPULATOR DE TIM BRAT ROBOTIC Conducătorii științifici: Conf.dr.ing. Balan Rodica-Mihaela S.l dr.ing. Ciprian Stamate Studentii:… [309965]

SPECIALIZAREA MECATRONICĂ

PLATFORMA ROVER CU MANIPULATOR DE TIM BRAT ROBOTIC

Conducătorii științifici:

Conf.dr.ing. [anonimizat]

S.l dr.ing. Ciprian Stamate

Student: [anonimizat]:

[anonimizat]

2019

SCOPUL LUCRARII

În lucrarea de fată are ca scop realizarea unui robot mobil cu șenile care poate fii comandat de la distanta cu ajutorul a [anonimizat] o ghiara de tip prehensor cu actionare directa cu ajutorul unei placute arduino mega si o camera pentru transmiterea imaginilor direct pe laptop cu ajutorul unui raspberry pi 3.

1. INTRODUCERE

Cuvântul robot provine din limba cehă (robota) și înseamnă muncitor sau rob.

[anonimizat] a introdus acest cuvânt în anul 1921 într-una din scenetele acestuia. Tema acestei scenete era despre dezumanizarea persoanei într-o civilizație bazată  mai mult pe tehnologie. Se pare că sceneta a avut un enorm succes la cea vreme.Revoluția informatică a marcat saltul de la societatea industrializată la societatea avansat informatizată (societatea informațională), generând un val de înnoiri în tehnologie și educație

Termenul de “robotics” (în traducere liberă robotică) se referă la știința care se ocupă de studiul și utilizarea roboților. Acest termen a [anonimizat], într-o scurtă povestioară numită “Runaround” în anul 1942. Această poveste scurtă a fost apoi inclusă într-o colecție numită “I, Robot”, care a fost publicată în 1950.

[anonimizat] a fost înțeleasă ca o completare a [anonimizat].

[anonimizat]-a schimbat sensul și s-a extins aria de definiție: mecatronica a [anonimizat], electronicii si informaticii. Scopul acestei științe este îmbunătățirea funcționalității utilajelor și a [anonimizat].

Totuși, mecatronica nu este același lucru cu automatica sau cu automatizarea producției. [anonimizat]. Mecatronica poate fi definită ca o concepție inovatoare a tehnicii de automatizare pentru inginerie si pentru educatie.

Mecatronica s-a născut din tehnologie și a devenit filosofie care s-a răspândit în întreaga lume. [anonimizat]: știința mașinilor inteligente.

Ca o concluzie, se poate spune că mecatronica este o sferă a [anonimizat]. [anonimizat]: electrotehnica, energetica, tehnica microprocesării informației si a imaginilor, tehnica reglării și a sistemelor si multe altele.

Roboții sunt realizați prin combinația disciplinelor: mecanică, electrotehnică și informatică. Între timp s-a creat din legătura acestora mecatronica. Pentru realizarea de sisteme autonome care sunt capabile să găsească singure soluții este necesară legătura a cat mai multor discipline de robotică.

Fig.1.1

Cele mai importante componente ale unui robot sunt senzorii care permit controlarea si mobilitatea acestora intr-un mediu necunoscut si cat mai precisa. Un robot nu trebuie sa fie neapărat autonom pentru a se putea destinge diferentele dintre robotii telighidati si cei autonomi.

Pentu a putea define un robot cu senile trebuie in primul rand sa facem ne intoarcem putin in urma pentu a putea vedea una din definitiile de baza ale unu robot: ”un dispozitiv mecanic care poate fi programat pentru a indeplini anumite sarcini ce ii sunt date prin control automat.”

Un robot cu șenile este echipat cu un mecanism de actioanare și cu capacitatea de a fi programat pentru pentru o anumită comandă pe care o alegem noi.

Potentialul unui robot poate sa ajute la dezvoltarea, cercetarea sau explorarea in diferite domenii stiintifice si nu numai. Poate eliberea forta de munca pe care o depune un om prin robotii mecanizatii.

Robotul de fata este format din doua tipuri:

-robot mobil

-robot tip manipulator

Robotii cu senile sunt cea mai raspandita categorie de roboti, locul lor este foare bine cunoscut in toate domeniile explorate de om si nu numai.

2. Structura mecanică a sistemului

Structura sasiului este formata din mai multe piese care sunt prezentate mai jos in subasambluri.

Fig. 2.1

Fig. 2.2

Fig. 2.3

Fig. 2.4

Fig. 2.5

Fig. 2.6

Fig. 2.7

3. Elemente de calcul cinematic ale roboților mobile:

Modelarea sistemului mecanic al unui robot industrial este o etapă de maximă importanță pe parcursul procesului care pornește de la concepția robotului și se finalizează cu implementarea sa industrială. Scopul acestei etape este acela de a furniza o serie de modele reprezentată prin ecuații matematice, care să caracterizeze fie din punct de vedere al pozițiilor (modelul geometric), fie al vitezelor (modelul cinematic), fie al forțelor care îl solicită (modelul dinamic), robotul studiat.

Punerea la punct al sistemului de comandă, alegerea elementelor de structură mecanică, a transmisiilor și a motoarelor de acționare, studiul performațelor robotului sunt de neconceput fără utilizarea lor. Primele două modele (geometric și cinematic) sunt cel mai des utilizate pentru calculul transformărilor de coordonate permițând programarea robotului în spațiul operațional de lucru și obținerea coordonatelor articulare corespunzătoare, comenzii motoarelor de acționare.

Deoarece sistemul de comandă al robotului prelucrează datele sub formă numerică, este necesar să se facă o asociere între pozițiile în spațiu și deplasările corpurilor solide din care este alcătuit robotul și anume valori numerice. Dacă se consideră un corp solid, nedeformabil, liber în spațiu, acestuia i se poate asocia un sistem de referință ortogonal Rj cu originea în punctul Oj, de versori xj, yj, zj.. Pentru aceasta se definesc două categorii de parametrii, care, în robotică sunt numiți și coordonate operaționale și anume:

– trei parametrii care definesc poziția originii Oj în raport cu originea sistemului de referință de bază, denumiți parametri sau coordonate de poziții;

– trei parametri care definesc orientarea axelor sistemului de referință Rj în raport cu axele sistemului de bază, denumiți și coordonate de orientare. Parametrii de poziție nu sunt altceva decât coordonatele originii Oj exprimate în sistemul de referință de bază și în funcție de structura mecanică. Aceștia pot fii coordonate carteziene (X, Y, Z) cilindrice (R, a, J) sau sferice ( a, p, R ), fig. 2.1. a, b, c.

ROATA REALA, CU ALUNECARE

In cazul rotii reale, alunecarea laterala a rotii face ca aceasta sa nu se deplaseze pe directia y, de rostogolire, ci pe directia axei z. De asemenea, frecarea insuficienta dintre roata si sol face ca aceasta șa alunece pe directia de rostogolire. Dar la viteze reduse, roata ideala cu mișcare de rostogolire pură reprezinta un model rezonabil.

Fig. 3.1

Ipoteze

– Robotul este alcătuit din elemente rigide si mobile;

– Nu apar alunecari pe directia perpendiculară celei de rostogolire;

– Robotul contine patru subasambluri de roti conducatoare;

– Toate axele de orientare sunt perpendiculare pe suprafata terenului pe care se deplasează robotul;

– Robotul se deplaseaza pe o suprafata plana orizontală sau inclinata.

Pentru viteze reduse, rostogolirea pura este un model rezonabil, model ce va fi utilizat in modelarea cinematica a robotilor mobili cu roti.

Fig. 3.2

4. Bluetooth

Bluetooth este un set de specificații (un standard) pentru o rețea personală (engleză: personal area network, PAN) fără fir (wireless), bazată pe unde radio. Tehnologia Bluetooth a fost creata în 1994.

„Bluetooth” este o traducere în engleză a cuvântului scandinav Blåtand/Blåtann, cum era supranumit regele viking Harald I al Danemarcei din sec. al X-lea. Harald I a unit Norvegia și Danemarca; el era renumit ca fiind foarte comunicativ și se pricepea să îi facă pe oameni să comunice între ei. În română bluetooth s-ar traduce „dinte albastru”.

Specificația Bluetooth a fost formulată pentru prima dată de Sven Mattisson și Jaap Haartsen, muncitori în orașul Lund, Suedia, la divizia de telefonie mobilă a companiei Ericsson. La 20 mai 1998 a fost fondată gruparea Bluetooth Special Interest Group (SIG), care azi are rolul de a vinde firmelor tehnologia Bluetooth și de a urmări evoluția acestei tehnologii.

Printr-o rețea Bluetooth se poate face schimb de informații între diverse aparate precum telefoane mobile, laptop-uri, calculatoare personale, imprimante, camere foto și video digitale sau console video printr-o unde radio criptate (sigure) și de rază mică, desigur numai dacă aparatele respective sunt înzestrate și cu Bluetooth.

Aparatele care dispun de Bluetooth comunică între ele atunci când se află în aceeași rază de acțiune. Ele folosesc un sistem de comunicații radio, așa că nu este nevoie să fie poziționate față în față pentru a transmite; dacă transmisia este suficient de puternică, ele pot fi chiar și în camere diferite.

Fig. 4.1 Lego Bluetooth

Fig.4.2 Modulul Bluetooth

5. L298N Dual Motor Controller Module

L298 este un circuit monolitic integrat într-un pachet de 15 plumb Multiwatt și PowerSO20. Acesta este un driver de înaltă tensiune, cu curent dublu complet, conceput pentru a accepta niveluri logice standard TTL și pentru a acționa sarcini inductive, cum ar fi releele, solenoizii, DC și motoarele pas cu pas. Sunt furnizate două intrări de activare pentru a activa sau a dezactiva dispozitivul independent de semnalele de intrare. Emițătorii tranzistorilor inferiori ai fiecărui pod sunt conectați împreună, iar terminalul extern corespunzător poate fi utilizat pentru conectarea unui rezistor de detectare extern. O sursă de alimentare suplimentară este furnizată astfel încât logica să funcționeze la o tensiune mai mică.

Fig. 5.1

Specificații:

Driver: L298N

Driver power supply: +5V~+46V

Driver Io: 2A

Logic power output Vss: +5~+7V (internal supply +5V)

Logic current: 0~36mA

Controlling level: Low -0.3V~1.5V, high: 2.3V~Vss

Enable signal level: Low -0.3V~1.5V, high: 2.3V~Vss

Max power: 25W (Temperature 75 Celsius)

Working temperature: -25C~+130C

Dimension: 60mm*54mm

Driver weight: ~48g

Alte extensii: sonda de curent, controlul indicatorului de direcție, comutator de rezistenta, sursa de alimentare a părții logice.

6. Adafruit PCA9685 16-Channel Servo Driver

Să controlezi servomotoarele cu librăria Servo de la Arduino este foarte ușor ,dar fiecare ocupă cate un pin prețios- fără sa menționam ca si puterea de procesare a plăcii Arduino. Modulatorul Adafruit 16-Canale 12-bit PWM/Servo Driver poate controla pana la 16 servomotoare cu ajutorul conexiunii I2C ocupând doar 2 pini. Controlerul PWM de pe modul poate controla 16 servomotoare simultan fără a utiliza puterea de procesare a plăcuței Arduino.

Fig.6.1

Există două seturi de pini de intrare de control pe fiecare parte. Ambele laturi ale pinilor sunt identice.

Pinii de alimentare:

GND – Acesta este pinul nul de putere si semnal, trebuie sa fie conectat;

VCC – Acesta este pinul logic de alimentare, conectați-l la nivelul logic pe care doriți să-l utilizați pentru ieșirea PCA9685, ar trebui să fie maxim 3 – 5V.

V+ – Acesta este un pin de alimentare opțional ce va distribui putere către servomotoare. Dacă nu este folosit pentru servomotoare poate rămâne deconectat.

Pinii de control:

SCL – I2C clock pin, trebuie sa fie conectat la I2C clock line al  microcontrolerului. Poate folosi intre 3V si 5V logici si are un pullup slab către VCC.

SDA – I2C data pin, trebuie sa fie conectat la I2C data line al microcontrolerului . Poate folosi intre 3V si 5V logici si are un pullup slab către VCC.

OE – Activare de ieșire. Poate fi utilizat pentru a dezactiva rapid toate ieșirile. Când acest pin are un semnal  scăzut, toți pinii sunt activați. Când pinul are un semnal ridicat, ieșirile sunt dezactivate. Este un pin opțional.

Porturi de ieșire:

Există 16 porturi de ieșire. Fiecare port are 3 pini: V +, GND și ieșirea PWM. Fiecare PWM funcționează complet independent, dar toate trebuie să aibă aceeași frecvență PWM.Max curent pe pin este de 25mA.

Există rezistențe de 220 ohmi în serie cu toate pinii PWM și ieșirea logica este aceeași cu cea a VCC.

Conectări:

Conectarea la Arduino:

Modulul PWM/Servo Driver utilizează o conexiune I2C deci are nevoie doar de 4 fire ca sa realizeze conectarea la Arduino:

Conexiune "clasica" pentru Arduino:

+5v -> VCC (this is power for the BREAKOUT only, NOT the servo power!)

GND -> GND

Analog 4 -> SDA

Analog 5 -> SCL

7. Diagrama Hardware

Fig.7.1

CSA: Testul curent pentru motorul A , acest pin poate fi legat cu un rezistor pentru testare curentă sau se leagă un jumper pentru al dezactiva.

CSB: Testul curent pentru motorul B, acest pin poate fi legat cu un rezistor pentru testare curentă sau se leagă un jumper pentru al dezactiva.

VMS: VMS este alimentarea cu 5V-35V pentru motoare. VMS este plusul, GND este nulul.

5V: Intrare de alimentare pentru circuitul logic de pe placă.

5V-EN: 5V sursă jumper. La punerea jumper-ului, The 78M05 furnizează energia de 5V pentru circuitul logic de pe placa de la portul VMS (7V <VMS <18V). Puterea circuitului logic al plăcii este alimentată de portul 5V atunci când acest jumper este oprit.

U1 / 2/3/4: Trageți rezistența în sus pentru IN1 / 2/3/4. Dacă puneți jumper-ul, activați rezistența de tracțiune pentru microcontroler, dezactivând-o.

EA / EB: EA / EB este pinul de acționare pentru cele două motoare A / B, turația motorului poate fi de asemenea controlată de PWM-ul acestui pin.

IN1 / 2/3/4: IN1 / 2/3/4 este pinul pentru comanda motorului. Motorul B este același ca motorul A

8. Conectarea servomotoarelor:

Majoritatea servomotoarelor vin cu o mufa mama standard cu 3 pini care vor fi conectați direct pe driverul pentru servomotoare. Pinii trebuie așezați in ordinea corecta pentru a nu deteriora servomotorul.

Atașarea mai multor servomotoare:

Driverul poate controla pana la 16 servomotoare

Fig.8.1

Fig.8.2

9. Ultrasonic Range measurement module HC-SR04

Fig. 9.1

1.1 Principiile de măsurare a distanței cu ajutorul ultrasunetelor

Transmițătorul emite 8 semnale de undă ultrasonică direcțională de 40 kHz când este declanșat și pornește un cronometru. Pulsurile cu ultrasunete se deplasează spre exterior până când se întâlnesc cu un obiect. Obiectul determină ca undele să fie reflectate înapoi către unitate. Receptorul ultrasonic va detecta undele reflectate și va opri temporizatorul de oprire. Viteza de spargere ultrasonică este de 340 m / sec. în aer. Pe baza numărului de contorizări de cronometru, distanța poate fi calculată între obiect și

transmițător Formula TRD de măsurare este exprimată ca: D = C X T care este cunoscută ca formula de măsurare timp / rată / distanță unde D este distanța măsurată și R este viteza de propagare (viteză) în aer (viteza sunetului) și T reprezintă timpul. În această aplicație, T este împărțită de 2, deoarece T este dublul valorii de timp dintre emițător și obiect înapoi la receptor.

1.2 Caracteristicile senzorului

Caracteristici:

Performanta stabila;

Acuratețe in măsurarea distantei;

Placă SMD cu densitate ridicată;

Distanta minima (2cm).

1.3 Utilizări:

Bariere inteligente;

Măsurarea distanței unui obiect;

Detectarea nivelului;

Sisteme de securitate;

Detectarea/evitarea vehiculelor.

1.4 Product Views

Fig.9.2

Interfațare la microcontroler BASIC Stamp sau alt dispozitiv de control programabil are loc într-o clipă: un singur I/O (intrare/ieșire) pin este utilizat pentru a declanșa senzorul și “ascultând” pentru pulsul ecou de retur. Pentru a începe măsurătoarea, pinul Trig al senzorului trebuie să primească un puls de 3-5 V pentru cel puțin 10 µs , aceasta va iniția senzorul. După aceasta senzorul va transmite 8 cicluri de unde ultrasonice de frecvență 40 kHz , apoi va seta pinul de semnal pe 5V (HIGH) și va aștepta undele reflectate. Când unda revine pinul de semnal este oprit, lățimea pulsului de HIGH fiind proporțională cu distanța parcursă.

1.5 Module Pin Asignments

1.6 Specificații electrice

Avertisment

Alimentați senzorul doar după ce a fost conectat iar mai întâi trebuie conectat nulul.

1.7 Funcționarea modulului

Setați Trig și Echo Low pentru a inițializa modulul. Poziționați un impuls de nivel înalt de minimum 10 la "Trigger" (modulul va trimite automat opt izbucniri acustice de 40 kHz). În același timp, porniți cronometrul pentru microcontroler pentru a începe sincronizarea.

Așteptați să capturați ieșirea din marginea în creștere a portului ECHO pentru a opri temporizatorul. Citiți acum ora contorului, care este timpul de propagare cu ultrasunete în aer.

Conform formulei: Distanța = (viteza sonorului ECHO cu viteză superioară X (viteza de zgomot în aer 340m / sec) / 2, puteți calcula distanța față de obstacol.

Pentru rezultate optime și domeniu maxim, Obiectul ar trebui să fie mai mare de 0,5M2 cu cât obiectul țintă este mai apropiat, cu atât este mai mic acesta.

1.8 Modularea timpului

Fig.9.3

Fig.9.4

Fig.9.5

10. RASPBERRY PI 3 MODEL B

Fig.10.1

Folosim placa de dezvoltare Raspberry Pi 3B+, deoarece are capacitatea de a procesa imaginile video cu o viteză sporita și de altfel prezența pinilor de ieșire digitali și PWM, si prezența interfețelor de comunicare I2C. Raspberry Pi este o placă de dezvoltare de tip SBC (Single Board Computer) –  un sistem de calcul nemodular implementat pe un singur cablaj electronic. Chiar dacă are dimensiuni reduse (85mm x 56mm), Raspberry Pi este un calculator complet permițând funcționalități obișnuite precum rularea unui sistem de operare (Linux sau Windows) și rularea de aplicații utilizator (jocuri, editoare de text, medii de programare, redarea de muzică și filme, aplicații de teleconferință, aplicații Internet). Diferențele între o placă Raspberry Pi și un calculator personal (PC) sau laptop constau atât în dimensiunea redusă a plăcii cât și în puterea mai mică de calcul a acesteia – nu are aceleași performanțe de calcul precum un PC desktop care are un cost și o dimensiune de câteva ori mai mari. Putem compara placa Raspberry Pi cu o tabletă sau cu un sistem de tip NetBook dar fără a dispune de ecran și tastatură. În plus, placa Raspberry Pi oferă posibilitatea de a conecta diverse componente electronice specifice sistemelor embedded: senzori, butoane, ecrane LCD sau pe 7 segmente, drivere de motoare, relee etc. Posibilitatea de a personaliza sistemele de programe (sistemul de operare, aplicațiile) și posibilitatea de interconectare cu alte componente electronice fac din placa Raspberry Pi un sistem de calcul ce poate sta la baza unor proiecte personale extrem de interesante și de puternice – un calculator ce poate fi integrat în sisteme electronice și mecanice proiectate și realizate de utilizator.

În ciuda dimensiunii reduse placa Raspberry Pi 3 dispune de periferice integrate , numeroase acoperind complet funcționalitatea unui sistem de calcul (audio, video, porturi USB, conectivitate de rețea):

Procesor SoC pe 64 de biți din familia ARMv8-A, Broadcom BCM2837, ce lucrează la o frecvență de 1.2GHz și dispune de 4 nuclee de tip ARM Cortex-A53;

1GB de memorie RAM (folosită și ca memorie video, partajată cu procesorul grafic);

Procesor grafic Broadcom VideoCore IV 3D integrat pe aceeași pastilă de siliciu ca și procesorul principal;

Ieșire digitală video / audio HDMI;

Ieșire analogică video (composite video) / audio mixtă prin intermediul unei mufe jack 3.5mm;

Mufă de rețea RJ45 Ethernet 10/100 Mbit/s;

Conectivitate WiFi 802.11n;

Conectivitate Bluetooth 4.1 / BLE;

4 porturi USB 2.0;

40 de pini de intrare / ieșire (GPIO);

Slot card de memorie microSD (utilizat pentru instalarea sistemului de operare);

Conectori dedicați pentru cameră video (CSI) și afișaj (DSI);

The Raspberry Pi 3’s four built-in USB ports provide enough connectivity for a mouse, keyboard, or anything else that you feel the RPi needs, but if you want to add even more you can still use a USB hub. Keep in mind, it is recommended that you use a powered hub so as not to overtax the on-board voltage regulator. Powering the Raspberry Pi 3 is easy, just plug any USB power supply into the micro-USB port. There’s no power button so the Pi will begin to boot as soon as power is applied, to turn it off simply remove power. The four built-in USB ports can even output up to 1.2A enabling you to connect more power hungry USB devices (This does require a 2Amp micro USB Power Supply).

SoC

Fig.10.2

Built specifically for the new Pi 3, the Broadcom BCM2837 system-on-chip (SoC) includes four high-performance ARM Cortex-A53 processing cores running at 1.2GHz with 32kB Level 1 and 512kB Level 2 cache memory, a VideoCore IV graphics processor, and is linked to a 1GB LPDDR2 memory module on the rear of the board.

GPIO

The Raspberry Pi 3 features the same 40-pin general-purpose input-output (GPIO) header as all the Pis going back to the Model B+ and Model A+. Any existing GPIO hardware will work without modification; the only change is a switch to which UART is exposed on the GPIO’s pins, but that’s handled internally by the operating system.

Fig.10.3

USB chip

The Raspberry Pi 3 shares the same SMSC LAN9514 chip as its predecessor, the Raspberry Pi 2, adding 10/100 Ethernet connectivity and four USB channels to the board. As before, the SMSC chip connects to the SoC via a single USB channel, acting as a USB-to-Ethernet adaptor and USB hub.

Pinii de la Raspberry pi 3:

11. Modul camera Raspberry Pi:

Folosim o cameră pentru Raspberry Pi cu Unghi de Vizibilitate Larg și Focalizare reglabilă. 
 
Fig.11.1

Caracteristici tehnice:

500 milioane pixeli;

Chip OV5647;

Senzor CCD de 1/4 inch;

focalizare reglabilă;

Diafragmă: f2.35;

Distanță focală ajustabilă;

Unghi de vizualizare de 160 grade;

Rezoluție de până la 1080p;

Tensiune de funcționare: 3.3V;

Consum mic de curent.

Dimensiuni: 25 x 24 mm.  Reprezintă un modul cu cameră pentru Raspberry Pi. Aceasta este compatibilă cu toate versiunile de Raspberry Pi, conectându-se prin interfața CSI a plăcuței de dezvoltare. Particularitățile acestei camere sunt date de unchiul mare de vizualizare, de până la 160 de grade.

Cu ajutorul acestei camere și cu o plăcuță de dezvoltare puternică Raspberry Pi puteți să creați proiecte inovative. De exemplu, această camere, împreună cu puterea de procesare a Raspberry Pi, poate procesa imagini panoramice de o calitate foarte bună.

12. Modelul experimental al robotului

Pentru realizarea robotului senilat cu manipulator de tip brat robotic s-a plecat de la ideea că acest robot trebuie să se deplaseze pe un traseu și daca intimpine obstacoloe cu ajutorul bratului sa mute acele obiecte pe care le intalneste pe trasu, trebuie să dispună de un modul bluetooh pentrul controlul lui.

Robotul cu șenile poate fii comandat de la distanță și modificat corespunzător pentru a avea acces ușurat in zone dificile, poate fii folosit pentru spațiile inguste.

Fig.12.1