Proiectarea Robotilor Antropomorfi Master Slave

Robotii si robotica

Prefata

Capitolul 1

introducere. importanta si motivatia

ROBOTII de ce ce si cum

Capitolul 2

Elemente utilizate in Proiectarea robotilor antropomorfi master slave

generalitati

CAE

–CNC

MECANICA

–reductoare

ELECTRONICA

– microcontroler

–module radio

–motoare pas cu pas

PROGRAMARE

Capitolul 3

obiectivele acestei teme de licenta

Capitolul 4

Proiectarea si executia robotului antropomorf master slave

ROBOT

CAE

MECANICA

–reductoare

ELECTRONICA

–Sursa de alimentare

– microcontroler

–Magistrala de date i2C

–module radio trimitere primire

PROGRAMARE

–C++

TELECOMANDA

Programare

Modul de functionare total

Capitolul 5

concluzii generale

Modificari viitoare, contributii

CAPITOLUL 1

introducere. importanta si motivatia

ROBOTII de ce ce si cum

Un robot antropomorf este un robot cu caracteristici similare cu cele ale corpului uman. Acestia au un desighn asemanator datorita scopului functional, de a fi capabili sa interactioneze cu mediul uman. In general acesti roboti au un element de prehenisune ce ii permite sa prinda si sa utilizeze anumite obiecte . Pentru dezvoltarea robotilor antropomorfi cercetatorii trebuie sa inteleaga pe deplin structura si biomecanica corpului uman. Dar pe de alta parte incercarea de a copia corpul uman conduce la o intelegere mult mai buna a functionarii acestuia. Scopil principal a cercetarilor efectuate in ramura robotilor antropomorfi a fost pentru a dezvolta proteze mai inteligente, asemanatoare cu corpul uman, pentru persoanele cu dezabilitati. In acest domeniu putem enumera proteze ale antebratului cu sistem de comanda neuromuscular sau proteza a piciorului asemanatoare biologic. In paralel cu aceste cercetari, robotii antropomorfi sunt dezvoltati pentru a fi capabili de a executa sarcini predestinate oamenilor sau pentru a fi capabili sa ne ajute la ingrijirea bolnavilor, batranilor sau a lucra in medii insalubre, in care nu avem acces sau sunt periculoase. Locurile de munca in care se executa cu un grad mic de complexitate cum ar fi receptioneist ori in cadrul unei linii de ansamblare , folosind senzori pentru a fi capabili de a determina pozitia, orientarea dar su viteza cu care robotii antropomorfi se misca. In cazul corpului uman urechea interioara este folosita pentru a mentine echilibrul si oriectarea dar in cazul robotilor antropomorfi aceleromentrele sunt utilizate pentru a derermina acceleratioa de unde se poate calcula viteza, senzorii de inclinare ce masoara inclinarea, senzori ce masoara forta acestia fiind utilizati in cadrul mainilor sau a picioarelor pentru a fi capabili sa masoare forta de contact cu mediul inconjurator.

Actuatoarele fiind elementele ce pun in miscare robotul, cum ar fi motoare pas cu pas sau servomotoare. Robotii antropomorfi avand un desighn ce sa imite cu succes miscarile corpului uman pentru aceasta avand nevoie de actuatori ce trebuie a se comporta ca muschii sau incheieturile, printr-o structura diferita. Pentru a fi capabili de sa execute o miscare asemanatoare cu cea a omului acestia folosesc actuatori de rotatie, acestia fiind hidraulici, pneumatici dar si electrici etc.

Diferentele importante intre robotii antropomorfi si celelalte clase de roboti, cum ar fi cei industriali, consta in acela ca miscarea acestuia sa se asemene cu cea a omului, folosind sisteme de locomotie biped . Idea de a planifica miscarile acestui tip de robot in timpul mersului ar trebui sa rezulte un consum minim de energie. Datorita acestui motiv studiile de dinamica si ci control a unei structuri devinde din ce in ce mai importante.

COPIAT DIN BUNNN.DOC

CAPITOLUL 2

Elemente generale utilizate in proiectarea si executia robotilor antropomorfi .

Proiectarea CAD

CAD fiind acronimul pentru Computer Aided Design, acesta reprezinta un element de legatura intre partea hardware a unui coputer si partea software ce permite inginerilor sau a arhitectilor sa proiecteze orice le este util incepand de la elemente de mobilier sau elemente mult mai complexe avioane, roboti industriali etc. Sistemele cad ofera posibilitatea inginerilor de a vizualiza subansamblul, ansamblul creat din orice unghi. Acest tip de proiectare se foloseste si pentru a usura munca depusa de proiectant prevenirea eventualelor probleme, modificarea elementelor din ansamblu si optimizarea acestora fara a fi necesar de a se prelucra piesa. Programele CAD pot fi utilizate pentru creerea documentatiilor tehnice necesare la prelucrare folosid ramura 2D, elementul putand fi vizualizat in doua dimensiuni si ramura 3D ce premite proiectantului de a crea, modifica si simula ansamblarea orcarui element creat vizualizandul din orice unghi pentru a putea depista mult mai usor eventualele probleme ce ar putea sa aparea pe toata durata de viata a produsului final

Programarea CAM

CAM acesta fiind acornimul de la Computer Aided Manufacturing (Fabricația Asistată de Calculator) In aceasta etapa se pun bazele programarii msinilor unelte CNC sau a robotilor precum si simularea intregii capacitati de productie. De la inceput trebuie a se determina tipul de material ce v-a fi folosit pentru a se determina regimurile de aschiere, tipul sculelor aschietoare dar nu in ultimul rand si utilajul pe care aceste elemente v-or fi prelucrate

Denumirea de CNC fiind acronim al, Numerical Control Command si reprezinta un sistem ce este compus dintr-un controller acesta fiind o unitate de control si masina unealta propriuzisa. La randul sau controllerul este alcatuita din o unitate ce se ocupa de procesarea datelor si o unitate ce se ocupa de controlul utilajului prin intermediul motoarelor si a buclei de pozitionare. Mai amanuntit cele doua unitati mai au in componeta lor :

Unitatea ce se ocupa de procesarea datelor

Un dispozitiv ce permite introducere a datelor ex. discheta, memorie USB, interfata seriala

Un circuit ce se ocupa cu citirea datelor ce au fost introduse dar si logica, pentru a verifica corectitudinea datelor introduse

Circuite de determinare a pozitiei pe axe

Unitatea de control

Un circuit de interpolator ce ofera comenzi referitoare la miscarea utilajului

Bucle inchise de pozitionare

Bucle inchise de control a vitezei

Un circuit ce permite decelerarea

Functiile secundare ale utilajului, pornirea lichidului de racire, etc.

Reductoarele

Transmisiile mecanice dintre motor si masina de lucru au ca scop:

Marirea sau micsorarea vitezei, respectiv a momentului transmis

Modificarea traiectoriei sau caracterul miscarii

Modificarea sensului sau planului de miscare

Regleaza si midifica continuu viteza

Sumeaza miscarea si momentele de transmis pe la mai multe motoare sau distibuie miscarea la mai multe masini sau organe de lucru

Protejeaza organele masinii motoare contra suprasarcinilor.

Transmisiile mecanice pot fi prin frecare si prin angrenare. Transmisiile prin angrenare se numesc reductoare cand reduc turatia si amplificatoare cand maresc turatia, iar in cele din urma cand acestea permit variatie de viteza in trepte se numesc cutii de viteze.

Reductoarele pot fi construite ca subansamble izolate sau facand parte din ansamblul unei masini. Acestea pot di cu una, doua sau mai multe trepte de reductie. Dupa pozitia arborelui motor si condus reductoarele se pot construi cu roti dintate cilindrice, cu roti conice, cu roti pseudoconice, sau in combinatie de roti cilindrice cu roti conice sau angrenaje melcate.

Reductoarele pot fi cu una, doua, trei sau mai multe trepte. In functie de rotile dintate ce angreneaza in interiorul reductorului acesta poate fi cilidric, conic, eliciodal, pseudoeliciodal sau melcat, iar dupa pozitia axelor rotilor dintate putem avea reductoare cu axe fixe care se mai numesc si reductoare diferentiale, si reductoare cu axe mobile sau le mai numim si reductoare planetare.

Avantajele reductoarelor cu roti dintate sunt :

Raport de transmitere constant

Posibilitatea de realizare a transmisiilor cu incarcari de cativa newtoni la incarcari foarte mari

Dimensiuni reduse si randament ridicat

Intretinere ieftina si simpla.

Dezavantajele acestora sunt :

Costuri ridicate

Zgomot relativ mare, vibratii si socuri

Executie si montaj de precizie.

Reductoarele pot fi speciale sau de uz general. Reductoarele de uz general au un raport de transmitere unic adica un singur lant cinematic si o carcasa independenta si inchisa. In categoria acestora nu intra cele cu angrenaje conice si melcate ce au unghiul dintre axe diferit de 90º si axele in alta pozitie decat orizontala sau verticala.

Reductoare planetare

Se numesc reductoare planetare transmisiile cu roti dintate cu una sau mai multe roti care au axa geometrica mobila, acestea avand un singur grad de mobilitate. ( figura)

Reductoarele planetare au mai multe avantaje decat celelalte reductoare, si anume :

Pot fi constructii inchise sau deschise

Sunt mai compacte decat reductoarele obisnuite

Pentru transmitarea aceleiasi puteri, reductoarele planetare au o greutate de 2 – 6 ori mai mica decat cele obisnuite

Dimensiunile si greutatea mica se datoreaza repartizarii sarcininii pe mai multi sateliti

Ca dezavantaj putem spune ca reductoarele planetare necesita o prelucrare si un montaj mai précis decat cele obisnuite, dar prin folosirea unor constructii cu roti central libere si cu trei sateliti precizia necesara se reduce.

Sursa de tensiune

Sursele de alimentare cu tensiune continua au ca rol redresarea curentului alternativ, scopul acestora fiind de a putea furniza o tensiune continua ce sa prezinte variatii cat mai reduse. Acest lucru se datoreaza necesitatii circuitelor integrate de a fi alimentate la o tensiune cat mai constanta si cu pulsatie minima. Din acest motiv redresoarele ce nu au punte de filtraj in general sunt rar utilizate .

Microcontrolerele

Un microcontroller este un mic computer, de obicei folosite la sesizarea anumitor schimbari din mediul inconjurator cu ajutorul senzorilor si controlul al altor dispozitive de iesire in functie de schimbarile sesizate de senzori. Marea parte din dispozitivelele electrice, electrocasnice ce le folosim in ziua de azi au in componenta acestora cate un microcontroller sau mai multe. Acestea sunt foarte usor de urtilizat si conectat la senzori sau la dispozitivele de iesire, dar pot comunica si intre ele sau chiar cu computerul fara a fi nevoie de elemente suplimentare. In momentul in care se doreste crearea unui proiect ce foloseste senzori si orice dispozitiv de iesire utilizarea microcontrolerelor este cea mai buna metoda comparativ cu un computer

un microcontroler este un cip integrat ce de obicei face parte dintr-un sistem embeded. Acesta include un CPU, RAM, ROM porturi I/O, si TIMERS la fel ca si un computer standard dar deoarece ele au fost concepute de a executa doar o anumita TASK pentru a controla un sistem, acestea fiind mult mai mici si mai simplificate in acest fel de a putea include toate aceste functii intr-un singur cip. Nu ca microprocesoarele ce un scop general cipuri ce sunt folosite pentru a crea un computer cu mai multe functii, dar cu ajutorul altor cipuri pentru a putea executa TASK multiple, microcontrolerele sunt concepute pentru a fi independente si pentru a fnctiona ca un mic coputer dedicat.

Marele avantaj a microcontrollerelor comparativ cu microprocesoarele fiind costul redus. Acestea de obicei sunt concepute folosind tehnologia Complementary metal oxide semiconductor sau (CMOS) aceasta fiind o tehnica de fabricare cu un consum redus de energie si sunt mai imune la POWER SPIKES decat celelalte tehnici. Dar mai sunt si alte arhitecturi folosite dar cea mai predominanta arhitectura fiind Complex Instruction Set Computer sau (CISC) ce permite cipului de a include mai multe instructiuni ce pot fi executate intro singura instructiune, aletele folosesc arhitectura Reduced Instruction Set Computer sau RISC ce contine mai puitine instructiuni dar oferaASK multiple, microcontrolerele sunt concepute pentru a fi independente si pentru a fnctiona ca un mic coputer dedicat.

Marele avantaj a microcontrollerelor comparativ cu microprocesoarele fiind costul redus. Acestea de obicei sunt concepute folosind tehnologia Complementary metal oxide semiconductor sau (CMOS) aceasta fiind o tehnica de fabricare cu un consum redus de energie si sunt mai imune la POWER SPIKES decat celelalte tehnici. Dar mai sunt si alte arhitecturi folosite dar cea mai predominanta arhitectura fiind Complex Instruction Set Computer sau (CISC) ce permite cipului de a include mai multe instructiuni ce pot fi executate intro singura instructiune, aletele folosesc arhitectura Reduced Instruction Set Computer sau RISC ce contine mai puitine instructiuni dar ofera o mai mare simplitate si un consum mult mai redus de enegie

Microcontrolerele timpurii erau de obicei construite din porti logice si erau de dimensiuni mari, pe urma microprocesoarele au inceput sa fie folosite si microcontrolerele au scazut si acestea in dimensiuni dar in momentul actual toate elementele componente ale unui microcontroler incap intrun singur cip. Pentru ca ele pot controla doar o singura functie unele dispozitive pot contine mai multe microcontrolere

Aceste microcontrolere au devenit frecvent urtilizate in mai multe domenii, cum ar fi aparatura electrocasnica, calculatoare dau au si utilizari in industrie, acestea au devenit elementul central a robotilor industriali. Dearece acestea sunt de obicei folosite de a controla doar un singur proces si de a executa doar o simpla instructiune nu necesita o putere de procesare mare

Piata de desfacere auto a fost o ramura proprice de dezvoltare a microcontrolerelor ce au fost proiectate special pentru a rezista conditiilor dure dar in acelasi timp de a fi foarte fiabile si durabile

modulul radio RFM12B

acesta este produs de catre firma Hope's iar interg modulul fiind inclus intr-un singur cip , acesta are un consum redus, fiind capabil a comunica pe mai multe canale pentru a primi si trimite date. Acesta a fost proiectat pentru a putea fi utilizat in mai multe latimi de banda configurabile 433, 868 si 915MHz. Acest modul radio mai are in componenta sa un sintetizator PLL, LNA si un convertizor I/Q filtre de banda, amplificatoare si demodulatoare I/Q Pentru functionarea acestuia este ncesar doar un semnal de ceas exterior si un sistem de filtrare.

Modulul RF12b reduce in mare parte folosirea microcontrolerului cu ajutorul sistemelor de procesare a datelor ce sunt incluse: filtrare de date, analiza semnalului de ceas, recunoasterea anumitor elemente, registru TX inclus. Sistemul automat de control a frecventei (AFC) permite folosirea unui oscilator cu o acuratete mai scazuta iar pentru a scade si mai mult costurile poate genera un semnal de ceas pentru microcontroller evitand folosirea a doua cristale de quartz separate.

In cazul in care este necesar un consum redus de energie acest modul are inclus si un mod de sleep oprind orice transmisie de date pana este primita comanda de wake-up

Acest modul avand si urmatoarele capacitati

trnasmisii de date rapide pana la 115.2 kbps in modul digital si 256kbps in modul analogic

aplificator intern, detectia calitatii datelor, filtre interne, semnale de ceas si reset catre microcontroller, doi registri de 8 biti pentru TX si un registru de 16 biti pentru RX, tensiunea de alimentare intre 2.2 si 3.8V, consum redus iar in standby fiind de 0.3 uA, suporta pachete de date de dimensiuni reduse pana la 3byti

Acest modul poate fi folosit cu succes in controlul anumitor elemente de la distanta , sisteme de securitate , sisteme periferice ale computerelor fara fir. etc

Motoarele pas cu pas generalitati

Un motor pas cu pas este un motor electric sincron fara perii ce transforma impulsurile digitale ce provin de la driver in miscare de rotatie. Fiecare revolutie completa a axului principal este impartit in mai multi pasi de dimensiuni bine determinate cel mai des intalnit la acest tip de motoare find de 200 de pasi pentru o revolutie completa, pentru fiecare pas este necesar de a fi trimis cate un impuls separat. Motoarele pas cu pas pot efectua doar cate un singur pas, fiecare pas avand acelasi unghi. Luand cazul in care avem 200 de pasi acestia fiind egali cu 360º acest lucru putem observa clar ca fiecare pas are o miscare unghiulara precisa de 1.8º . Datorita acestui sistem de pozitionare precis motoarele pas cu pas pot fi controlate fara a fi necesara receptionarea de informatii legate de pozitia acestuia folosind bucla de pozitionare. Impulsurile digitale marindu-si frecventa face ca miscarea unghiulara a fiecarui pas sa se transforma intr-o miscare continua de rotatie avand vitaza de rotatie direct proportionala cu frecventa impulsurilor digitale . Acest tip de motoare sunt utilizate in domeniul comercial dar si in domeniul industrial datorita pretului scazut, fiabilitate ridicata dar si cuplului mare dezvoltat la turatii mici.

Avantajele acestor motoare pas cu pas

Unghiul de rotatie a arborelui este proportional cu numarul de impulsuri

Acest tip de motor avand cuplul maxim in momentul de stationare avand infasurarile alimentate

Pozitionare precisa si repetabilitatea miscarilor acestea avand o precizie de pozitionare de 3-5% din pas iar erroarea pasilor nu se aduna de la un pas la altul

Un timp de raspuns foarte bun la pornire oprire si rotatie inversa

Fiabilitate ridicata se datoreaza faptului ca nu are contacte cu perii. De aici se poate deduce ca durata de viata a unui motor pas cu pas depinde doar de durata de viata a rulmentilor

Motorul pas cu pas raspunde la impulsurile digitale oferind o pozitionare cu bucla deschisa ne mai fiind necesare alte elemente pentru functionarea sa

Este posibil de a obtine turatii foarte reduse

Tipurile de motoare pas cu pas

In cea mai mare parte motoarele pas cu pas se pot imparti in trei mari categorii

Reluctanta variabila

cu magnet permanent

hibride

Datorita faptului ca pentru acest proiect am folosit motoare pas cu pas hibride ma voi concentra asupra acestora

Motoarele pas cu pas hibride combina avantajele motoarelor cu magnet permanent si a celor cu reluctanta variabila

Acestea au un stator cu multe crestaturi si un rotor ce contine magnetul permanent VEZI FIG 1

Motoarele hibride standard au pe circumferinta rotorului 200 de crestaturi oferind o rotatie de 1.8º pentru fiecare pas. Deoarece acestea ofera un cuplu static si dinamic mare si functioneaza la o frecventa foarte mare motoarele pas cu pas sunt folosite in o gama foarte larga de produse cum putem enumera hard drivul, computere, imprimante dar si unele echipamente industriale, de laborator dar si in cazul anumitor tipuri de roboti, sisteme automate

Pasii

modurile de control a pasilor unui motor pas cu pas constand in trei variante HALF, FULL si Mircrostep. Tipul modului de executie a pasilor depinde in totalitate de driverul ce controleaza impulsurile motorului.

Full Step

motoarele pas cu pas hibride standard au 200 de pasi pe o revolutie completa a axului, de aici se poate deduce usor ca fiecare pas executat de catre motor produce o miscare de rotatie de 1.8º . in mod normal acest mod de executie a pasilor consta in alimentarea consecutiva a fiecarei bobine alternant conform tabelului urmator.

Half Step

acest mod de control a pasilor ne permite ca acelasi motor cu un numar de 200 de pasi sa poata fi controlat mult mai precis executand un numar de 400 de pasi pentru o rotatie completa a axului. in acest mod ……………………………

dar un mare dezavantaj fiind acela ca acest mod de control a pasilor produce cu aproximativ 30% mai putin cuplu dar miscarea de rotatie fiind mult mai lina

microsteppind

Acest mod de control a pasilor fiind relativ nou pentru comanda motoarelor pas cu pas. Acest tip de executie a pasilor fiind diferit de primele doua, in acest caz se controleaza si intensitatea curentului electric de pe fiecare faza . In acest caz un singur pas avand 1.8º se poate imparte in 256 de micropasi rezultand un total de 51200 micropasi pentru a avea o rotatie completa a axului motor asta insemnand o rotatie de 0.007º pentru fiecare micropas. Acest mod de control a pasilor executati se foloseste in deosebi in zonele unde se cere precizie ridicata si o miscare lenta dar cursiva, ca si in cazul anterior modul de control microstepping produce cu aproximativ 30% mai putin cuplu.

Modul de conectare a acestora Serie sau Paralel

Sunt doar doua moduri de conectare a motoarelor pas cu pas in serie sau in paralel

Legarea bobinelor acestuia in serie ofera o inductanta ridicata deci totodata si un cuplu mai mare la viteze reduse.

legarea bobinelor in paralel v-a diminua inductanta ceea ce va determina un cuplu mai mare la turatii mai ridicate.

POZAAAA

CAPITOLUL 4

Proiectarea si executarea robotului antropomorf de tip master slave

Pentru acest proiect ca software de proiectare 3D CAD am folosit SOLIDWorks acesta oferind cele mai multe avantaje fata de alte programe :

Interfata foarte intuitiva,

Foarte usor de folosit

Ofera posibilitatea ansamblarii elementelor

Posibilitatea proiectarii rotilor dintate cu ajutorul unui meniu specializat,

Ofera posibilitatea simularii angrenajelor

Ofera posibilitatea supunerii pieselor la anumite forte

Ofera posibilitatea introducerii miscarilor de rotatie si de translatie

Conversie 3D – 2D pentru crarea desenelor tehnice

Posibilitatea de a exporta piesele proiectate in format „parasolid „ pentru ca fabricarea CAM sa poata fi executata in alt program

Pentru inceput a fost proiectat reductorul planetar pentru a putea fi prelucrat in prealabil si de a se putea face teste pentru imbunatatirea acestuia

Pentru a se satisface legile de angrenare a profilului evolventic rotile dintate ce angreneaza trebuie sa aiba acelasi modul si acelasi pas pe intreg diametrul de rostogolire.

In continuare putem calcula elementele fundamentale, comune ale rotilor ce angreneaza, aceste marimi caracteristice stabilite prin standarde sunt:

Modulul "m" este un element ce sta la baza calculului oricarui angrenaj, acesta inmultit cu anumiti coeficienti ofera valori caracteristice danturii.

In cazul de fata modulul a fost ales din STAS 822-61 cu valoarea de 1.125 mm. Aceasta valoare a fost selectata datorita modului in care rotile dintate v-or fi prelucrate. Frezele utilizate pentru degrosarea si pentru finitia danturii avand diametrul de Ø 1.5 si respectiv Ø 1 mm. Modulul ales oferind posibilitatea ca freza de finitie sa aschieze in intregime profilul evolventic a danturii

dar se poate si calcula folosind relatia

Tabel 1.1 Gama modulilor-valori in mm( extras din STAS 822-61)

Pasul danturii"p" acesta ca si modulul fiind foarte important, doua roti dintate nu pot angrena daca nu au acelasi pas. Acesta fiind un multiplu al lui π si este definit ca distanta formata de doua flancuri consecutive orientate in aceasi directie, aceasta se poate masura pe arcul diametrului de rostogolire.

p = π*m =

p = π*1.125 = 3.534 mm

Grosimea dintelui "Sd" reprezinta grosimea ce poate fi masurata pe diametrul de divizare a acestuia

Sd =

Sd = 3.534/2 = 1.767 mm

Latimea golului "Sg" este distanta dintre doi dinti ce permte ca dintii celeilalte roti dintate sa angreneze

Sg =

Sg = 3.534/2 = 1.767 mm

Inaltimea capului "a" este zona din dinte ce este cuprinsa intre diametrul de varf "De" si diametrul de rostogolire "De"

a = m

a = 1.125 mm

Inaltimea piciorului "b" este zona din dinte ce este cuprinsa intre diametrul de rostogolire "De" si diametrul de fund "Di"

b = 1.25*m

b = 1.25*1.125 = 1.406 mm

Inaltimea dintelui "h" acesta reprezinta distanta de poate fi masurata fiind cuprinsa de diametrul cercului de varf "De" si diametrul de fund "Di"

h = a+b = 2.25*m

h = 1.125+1.406 = 2.531 mm

Inainte de a continua cu alte calcule este necesar de a verifica daca rotile dintate ale reductoarelor vor angrena corespunzator. Pentru aceasta trebuie sa indeplinim aceasta lege de angrenare :

nr de dinti a rotii cu dantura interioara = (nr de dinti a planetei * 2) + numarul de dinti a solarului

Za = (Zp*2)+Zs

75 = (27*2)+21

Nr de dinti a rotii cu dantura interioara "Za"

Za = -75

Numarul de dinti a planetei "Zp"

Zp = 27

Numarul de dinti a solarului "Zs"

Zs = 21

Avand numarul de dinti a fiecarei roti dintate putem incepe a calcula elementele individuale a fiecareia din ele.

Diametrul de rostogolire "Dr" acesta este folosit ca element de baza pentru masurarea parametrilor danturii. La rotile dintate ce au dantura normala diametrul de divizare se suprapune cu cel de rostogolire, ce rezulta atunci cand numarul dintilor creste catre infinit iar inaltimea acestora scade catre zero. Dd = Dr

Dd = m*z = z*p =

Diametrul cercului de varf "De" este diametrul exterior ce formeaza varful dintilor, acesta reprezinta suprafata de varf a tuturor dintilor .

De = Dd+2*a = m(z+2)

in cazul rotii dintate cu dantura interioara

De = Dd-2*a = m(z-2)

Diametrul cercului de fund "Di" acesta este diametrul ce formeaza fundurile golurilor dintre dinti si determina suprafata de fund.

Di = Dd – 2*b = m(z-2.5)

in cazul rotii dintate cu dantura interioara

De = Dd+2*b = m(z+2.5)

Diametrul cercului de baza "Dr" acesta este diametrul peste care se rostogoleste generatoarea ce creaza profilul evolventic

Dr = Dd * cosα

( α este unghiul la care rotile dintate angreneaza, acesta fiind de 20º )

Distanta dintre axe "A" Conform STAS 6055-68 Sau in cazul reductoarelor planetare, axa de rotatie a rotii dintate centrale coincide cu axa de rotatie a rotii dintate cu dantura interioara, din acest motiv este necesara calcularea distantei formata de axa de rotatie a solarului si cea a planetelor.

Avand in vedere ca diametrelede rostogolire a celor doua roti dintate sunt tangente se poate folosi urmatoarea formula:

A= =

A = 27 mm

Raportul de angrenare "I" Conform STAS 6012-68. Doua roti dintate ce angreneaza realizeaza un raport de reductie sau de aplificare a turatiei de la pinion la roata conjugata dupa urmatoarea formula:

In cazul reductoarelor planetare avem mai multe rapoarte de angrenare. Acestea se pot calcula folosind relatiile:

Roata dintata centrala (solarul) cu planetele

Planetele si roata dintata cu dantura interioara

Direct, roata dintata centrala si roata dintata cu dantura interioara.

Avand acest raport putem sa determinam cate rotatii a solarului "Rot s"sunt necesare pentru ca roata dintata cu dantura interioara "Rot a" sa efectuieze o rotatie completa acest lucru se poate calcula pentru fiecare treapta de reductie.

In acest caz daca solarul executa o rotatie completa "Rot s" = 1 folosid formula urmatoare putem determina cate rotatii va efectua roata dintata cu dantura interioara.

< = reductie a turatiei in acest caz cuplul motor creste cu acelasi raport de reductie

In cazul urmator daca roata dintata cu dantura interioara efectuiaza o rotatie completa

> amplificare a turatiei in acez caz cuplul motor scade cu raportul de angrenare

Fixare_MPP

Imagine reprezentativa a elementului: Fixare_mpp

Acest element a fost proiectat pentru a servi ca element de fixare a motoarelor pas cu pas cu capacele reductoarelor. Cele trei gauri notate cu 1 servesc ca element de fixare a planetelor avand diametrul de Ø 2.5 iar distanta dintre centrele acestora si centrul discului fiind de 27mm. Cele patru gauri notate cu cifra 2 au diametrul de Ø 2.5 pentru ca ulterior a fi tarodate cu metric 3, acestea avand ca scop fixarea motoarelor pas cu pas de acest element cu ajutorul a patru suruburi metric 3 iar distanta dintre centrele acestora fiind de 31mm conform dimensiunilor motorelor. Schema 2

Schema dimensionala a motoarelor pas cu pas din clasa Nema 17

Cele trei zone notate cu cifra 3 fiind prelucrate prin frzare, acestea avand ca rol de usurare a intregului ansamblu .

Antebrat

Imagine reprezentativa a elementului: Antebrat

Acest element fiind unul din cele mai importante elemente din intreg ansamblul datorita proncentului mare ce o reprezinta lungimea acestuia . In interiorul acetui lement in zona notata cu 1 avand o imortanta foarte mare facand parte constructiva a reductorului planetar, mai exact fiind o parte a carcasei reductorului planetar D, diametrul interior fiind de pentru ca ansambul dintre aceasta si roata dintata cu dantura interioara sa fie cu joc, permitandui acesteia de a se roti in interior . Zona notata cu cifra 2 fiind o zona in care a fost executata o operatie de frezare pentru a usura intreg ansamblul. Aceste zone frezate formand nervuri dispuse hexagonal folosite la rigidizare. Din Industie auto sa demonstat ca aceasta forma hexagonala asigura distribuirea fortelor pe o suprafata mult mai mare asigurand cel mai bun raport greutate – forta transmisa , la intersectia fetelor hexagonale am folosit o raza de racordare cu valoarea de 5mm pentru a evita muchiile ascutite ce sunt si concentratori de forte, aceste zone fiind predispuse ca zone de risc, raza de racrodare a mai fost aleasa mai mare de 5 si de a reduce timpul de prelucrare aceasta zona fiind prelucrata cu ajutorul unei freze avand diametrul de Ø 6mm . Zona marcata cu 3 este frezata pentru a putea încorpora doua roti dintate acestea formand angrenajul incheieturii dar limitand miscarea de rotatie a incheieturii la un unghi de 180 º.

Capac_Incheietura

Imagine reprezentativa a elementului: Capac_incheietura

Acest element are rolul de a inchide angrenajul format dintre roata dintata avand Zs=21 si roata dintata Zr=39 oferind si posibilitatea fixarii motorului pas cu pas Nema 17 conform schemei dimensionale a acestora prezentata anterior .

Roata_dintata_39

Imagine reprezentativa a elementului: Roata_dintata_39

Aceasta roata dintata a fost proiectata pentru a avea o miscare de rotatie totala de 180 º, angrenand cu o roata dintata avand z = 21 si cu urmatoarele caracteristici :

Angrenaj si elemente specifice

Numarul de dinti „Zr“

Zr = 39

Modulul „m“

m = 1.125mm

Diametrul de rostogolire „Dr“

Dd = 43.875 mm

Diametrul cercului de varf „De“

De = 46.125 mm

Diametrul cercului de fund „Di“

Di = 41.062 mm

Diametrul cercului de baza „Dr“

Dr = 41.229 mm

Distanta dintre axe „A“

A = 33.75 mm

Jocul de fund „J“

J = 0.28

Raportul de angrenare „I“

Ir= 1.857

Brat

Acesta ca si in cazul antebratului a fost proiectat pentru a fi asemanator bratului uman acesta avad caracteristici functionale ca cele a antebratului fiind constructiv proiectat de a face legatura intre reductorul D si E. In zona 1 fiind ansamblat reductorul E aceasta fiind carcasa exterioara pentru a patra treapta de reductie. Zona notata cu 2 avand zone hexagonale prelucrate prin frezare pentru a reduce greutatea intregului ansamblu. Zona notata cu 3 avand dantura interioara, angrenand cu a treia treapta de reductie a reductorului D aceasta o formeaza pe a patra si ultima treapta a acestui reductor inchizand-ul fiind elementul terminal.

Legatura

Imagine reprezentativa a elementului: Legatura

Acest element a fost proiectat pentru a face legatura dintre reductoarele E si F acestea avand axele centrale perpendiculare una fata de cea de a doua. Zona notata cu 1 fiind dantrurata pentru a putea angrena cu a patra treapta a reductorului E aceasta formand ultima treapta de reeductie a acestuia. Zona notata cu 2 fiind indoita la 90 º raza de indoire fiind de 7mm pentru a evita microfisurile. Zona notata cu 3 fiind parte constructiva a reductorului F aceasta zona formand carcasa in interiorul careia v-or fi montate rotile dintate din a patra treapta de reductie.

Legatura_2

Ca si in cazul anterior aceasta a fost proiectata pentru a face legatura intre doua reductoare planetare pentru a simula miscarea umarului uman doar ca in acest caz acest element face legatura intre reductorul F si G . Zona 1 si zona 3 au dantura interioara avand Z=75 fiind a cinci-a treapta de reductie a reductoarelor F si G. Zona notata cu 2 fiind indoita la 90 º si in acest caz raza de indoire fiind de 7mm.

Legatura_3

Acest element fiind si ultimul, acesta realizeaza legatura dintre intreg ansamblul si modul in care acesta v-a fi fixat de trepied. Zona 1 aceasta fiind inclusa in reductorul G in a patra treapta de reductie, Zona 2 fiind indoita la 135º avand raza de racordare de 7mm. Zona notata cu 3 cuprinde o latura avand dimensiunea de 51x37mm pentru a sustine intreg ansamblul, cele 3 gauri avand diametrul de Ø5mm pentru ca intreg ansamblul a putea fi fixat cu ajutorul suruburilor.

Alte elemente de legatura

Distantier_mpp acesta are rolul de fixa motorul pas cu pas de roata dintata centrala denumita si solar.

Distantier_mic acesta are rolul de a fixa roata dintata cu dantura interioara de catre roata dintata centrala a urmatoarei trepte de reductie

Distantier, acesta fiind elementul ce desparte treptele de reductie, avand si rolul de brat portsatelit fixand axele planetelor. Zona prelucrata prin frezare permite introducerea bucselor.

Saiba si Saiba_D19 acestea avand rolul de legaruire a rotilor dintate planetare,acestea fiind executate din bronz grafitat reducand in acest fel frecarea.

Sistemul de prehensiune

Aceste sistem de prehensiune are ca rol manevrarea obiectelor realizand interactiunea intre un robot si o piesa sau un obiect. In cazul de fata avem un mecanism cu roti dintate, acestea angrenand misca concomitent cu ajutorul parghiilor cele doua bacuri numite si degete. Dimensiunea maxima ce poate fi manipulata fiind de 54mm

In acelasi mediu de proiectare CAD ne este permisa si ansamblarea elementelor virtuale pentru o mai buna intelegere a miscarilor din intreg ansamblul, se poate defini si tipul materialului folosit pentru a se putea analiza masa totala a ansamblului.

In cazul de fata avem posibilitatea de a face o analiza a intregului ansamblu cu ajutorul programului SolidWorks, acesta ne indica ca in componenta acestui robot antropomorf avem 284 de elemente din care 38 sunt unice iar numarul de legaturi intre elementele componente este de 691 .

PROGRAMAREA CAM

Tipul de material folosit in acest ansamblu este folosit in cea mai mare parte Al 2024 in starea T351. Acest aliaj avand caracteristici bune de prelucrare a suprafetei finale avand o rugozitate scazuta. Calitatile sale mecanice sunt foarte bune avand rezistenta mare in raport cu greutatatea dar si o buna rezistenta la oboseala si soc termic. Aceste caracteristici ii ofera o gama larga de utilizari in domeniul aviatic, roti dintate ,roti melcate, valve hidraulice, pistoane, munitie dar si echipamente ortopedice. Acest aliaj are in componenta sa urmatoarele elemente chimice

Utilajul CNC, Wissner Witec 15 a fost ales acest utilaj datorita complexitatii ridicate ce pot fi executate pe acesta si a complexitatii pieselor componente ale acestui robot antropomorf. Acest utilaj avand 3 axe, iar prinderea semifabricatelor fiind cu ajuttorul pompei vacuum ne mai fiind necesar utilizarea bridelor sau a altor elemente de fixare pe masa acesteia.

Sculele aschietoare, datorita dimensiunilor reduse ale pieselor ce urmeaza a fi executate si frezele folosite pentru prelucrare au diametre destul de mici Ø1 , Ø1.5, Ø2.5, Ø6 mm si un tesitor de Ø10×45 º

Pentru executia pieselor am folosit programul Unigraphics NX 8 acesta oferind un set complet de solutii pentru prelucrare si generarea programului folosit de utilajele CNC

Executia elementului Antebrat.

Pentru executia acestui element am folosit doua scule aschietoare Ø2.5, Ø6 acestea fiind folosite in mai multe subrograme . Zona marcata cu verde fiind desemnaca a fi semifabricatul.

Piesa executata

Executia elementului Roata_dintata_39

Pentru executia acestui element am folosit o gama mai larga de scule aschietoare Ø1 , Ø1.5, Ø2.5 si tesitorul Ø10×45 º. Si in acest caz zona marcata cu verde fiind semifabricatul.

Executia rotii dintate cu dantura interioara

Pentru executia acestui element am folosit sculele aschietoare Ø1 , Ø1.5, Ø2.5 si tesitorul Ø10×45 º. Si in acest caz zona marcata cu verde fiind semifabricatul.

Exeplu program roata dintata cu dantura interioara interpretat de utilajul CNC

N1 G17 E12 // G17 selectare plan XY, E12 Selectare punctului de 0

N2 G40 G90

N3 T09 D09 H09 M06 // T09 M06 schimbare scula, D09 H09 corectie pe lungime si diametru

N4 G00 X12.875 Y72.899 //Avans rapid in coordonatele X si Y

N6 Z8.5 //coborare de pozitionare

N7 M11 // activare aspirator

N8 S14000 M03 // pornire turatie in sesul acelor de ceasornic

N9 G04 F3. M08 // temporizare 3 secunde si activare racire

N10 G01 X11.407 Y69.197 Z7.869 F350. //activare avans de lucru

…

N15 G03 X54.5 Y9. R45.5 F500. //interpolare in sensul acelor de ceasornic

N20 G01 Z8.5 F350. //retragere cu avans de lucru

N21 G00 Z15.5 // retragere cu avans rapid

N22 M09 M12 // oprire aspirator si racire

N23 G00 Z150. // deplasare cu avans rapid catre coordonatele

N24 X2. Y500.

N25 M00 // oprire temporara, pauza

…

N8701 M30 // sfarsit program

Circuitul regulator de tensiun

Circuitul are la baza un circuit integrat LM7805, acesta fiind foarte util in acest proiect datorita utilizarii acestuia intr-o gama foarte larga de aplicatii, constand in coborarea tensiuni sau eliminarea zgomotului. Acesta poate furniza un curent de pana la 1.5A datorita limitatorului intern, acesta mai are si capacitatea de a se inchide la depasirea temperaturii critice pentru a nu putea fi suprasolicitat

Acesta are ca rol de a reduce tensiunea furnizata de catre transformatorul in comutatie la o valoare mai mica pentru a putea alimenta microcontrolerele sau lcd-ul acestea avand tensiunea nominala de 5V. Alimentarea se face de la o sursa externa, cu tensiunea de 12V, dioda D1 avand ca rol de proteja circuitul in cazul in care acesta este alimentat invers. Condensatoarele C5, C6, C9, C10 au rol de filtrare in timp ce Rezistenta R1 si LED1 au ca rol de a evindentia functionarea circuitului.

Fig. Fig.

ATMEGA 644 PA-PU

-acesta fiind un microcontroler cu un consum redus de energie pe 8 biti, avand la baza o arhitectura RISC ce contine 131 de instructiuni foarte puternice, 32×8 de registri generali FULLY static operation , up to 20MIPS throughput at 20MHz si un multiplicator de cicluri incorporat.

-Segmente de memorie nonvolatile de capacitate mare, 64KBytes memorie programabila flash , 2KBytes memorie EEPROM, 4 KBytes SRAM aceaste memorii avand capacitatea de a fi sterse si rescrise de 10000 de ori pentru memoria flash si de 100000 de ori pentru memoria EEPROM

si o durata de viata de peste 100 de ani. Capacitatea de a citi in timp ce scrie date, programarea acestuia facanduse cu ajutorul portului ISP in sistem programming dar si capacitatea de limita rescrierea sau citirea programului daca se doreste

-interfata JTAG pentru a putea fi programata memoria flash EEPROM

-actesta mai are in componenta sa doua timere pe 8 biti separate 6 iesiri PWM pulse with modulation 8 intrari ce au ADC analog to digital converter ce au o rezolutie de 10 biti

–

–

-vezi datasheet

–

consumul de energie fiind foarte mic la 1MHz de 1.8V la 25 gr C

Acest microcontroller avand un consum foarte redus de energie datorita tehnologiei CMOS pe 8 biti folosite si avand la baaza arhitectura RISC fiind capabil de a executa mai multe instructiuni pe un singur semnal de ceas

Nucleul acestuia combina un set de instructiuni foarte mare dar si 32 de registri generali, acestia fiind conectati direct la unitatea logica si aritmetica (ALU Arithmetic Logic Unit) permitand ca doi registri independenti sa fie accesati intr-o singura instructiune executata intrun singur semnal de ceas. Aceasta arhitectura permitandui sa fie mai eficienta fiind de 10 ori mai rapida decat microcontrolerele conventionale ce au la baza arhitectura CISC

Acesta are la baza 64KBytes memorie flash ce are capacitatea de a fi citita in acelasi timp ce se efectueaza o scriere, 2KBytes memorie EEPROM. Acesta mai are trei RTC Real Time Counter dar si module de comparare cu iesiri PWM, intrari ce au ADC Analog to digital Converter cu o rezolutie de 10 biti, un port SPI. Modul IDLE opreste unitatea de procesare CPU in timp ce permite ca memoria SRAM, Ceasurile, portul SPI si sistemul de intreruperi sa functioneze in continuare. Modul Power-Down salveaza continutul registrilor dar opreste functionarea oscilatorului , oprind functionarea tuturor celor alte elemente pana la folosirea pinilor de interupt sau a butonului de reset . In modul Power Save ceasul asincron continua sa functioneze oferind posibilitatea de a se pastra o metoda de a masura timpul in timp ce restul elementelor sunt oprite

Acest microcontroler avand si posibilitatea de a fi reprogramata memoria flash cu ajutorul interfatei seriale ISP (In System Programmer)

ATMEGA644PA 64k flash 2k eeprom 4k RAM

descrierea pinilor

portul A serveste ca intrari analogice catre sistemul de conversie analog – digital dar acesta mai poate fi folosit si ca porturi digitale intrare iesire 8 biti cu rezistente de ridicare de tensiune ce pot fi activate pentru fiecare pin in parte .

Portul B pinii acestui port pot fi selectati ca intrari sau ca iesiri avand rezistente de ridicare a tensiunii

Folosirea Magistralei de date 12c

partea fizica a acestui magistrale foloseste doar doua fire SCL si SDA, SCL fiind linia de Clock iar SDA fiind linia de date. Acestea doua fiind conectate la toate microcontrolerele de pe aceasta magistrala dar mai este necesar si un al treilea fir bla bla \

i2c.info/i2c-bus-specification

I2C Specificatii

orice sistem mecatronic are in componenta sa unul sau mai multe microcontrolere sau sisteme periferice cum ar fi memori, LCD, senzori. Complexitatea si costurile de a conecta toate aceste periferice trebuie tinute cat mai mica. Acest sistem trebuie conceput in asa fel incat echipamentele mai lente sa comunice dar sa nu incetineasca tot sistemul. Pentru a satisface aceste cerinte este necesqara folosirea unei magistrale de date seriala.

Magistrala de date I2C foloseste doar doua fire "Serial Data (SDA)" si "Serial Clock (SCL)" Toate dispozitivele Master sau Slave conectate la aceasta magistrala folosesc doar cele doua fire iar fiecare dispozitiv poate fi emitator receptor sau amandoua si emitator si receptor. Unele dispozitive pot fi Master acestea generand semnalul de ceas pe magistrala SCL si pornind cumunicarea pe magiostrala de date SDA celelalte elemente fiind Slave's si raspund la comenzile primite. Pentru a comunica doar cu un anumit dispozitiv este necesar ca fiecare dispozitiv sa aiba o adresa unica pe magistrala.Elementele master conectate la I2C sunt de obice microcontrolerele nu au nevoie de o adresa deoarece nici un element slave nu trimite comenzi catre master. Numarul de dispozitive ce pot fi conectate la o magistrala pot fi teoretic nelimitate singura cerinta finnd ; capacitanta sa nu depaseasca 400pF.

I2C terminologie

Emitatorul este acel dispozitiv ce transmite date pe magistrala

Receptorul fiind acel dispozitiv ce primeste date pe magistrala

Masterul este acel dispozitiv ce genereaza semnalul de ceas (Clok) incepe comunicarea, trimite comenzi pe magistrala si opreste comunicarea

Slave-ul este acel dispozitiv ce asculta magistrala de date si este adresat de catre master

Multi-Master Magistrala seriala I2C poate avea mai multe dispozitive (microcontrolere) de tip master iar fiecare dintre ele poate transmite comezi

Sincronizarea fiind un proces de sincronizare a ceasului dintre doua sau mai multe dispozitive

Semnalele magistralei

Amandoua semnale( SCL si SDA) sunt bidirectionale. Acestea fiind conectate cu ajutorul a unor rezistente la +5v acest lucru insemnand ca in momentul in care pe magistrala nu sunt transmise date sau comenzi amandoua linii SCL si SDA sunt au 1 logic. Activand aceste linii inseamna de a scade tensiunea la 0 logic

Transferul de date serial

Pentru fiecare semnal de ceas de pe SCL sete transmis un bit de date. Semnalul de pe firul SDA se poate modifica doar cand semnalul de ceas este in 0 logic iar in momentul in care semnalul de ceas este in 1 logic transmisia se opreste

Conditia de Start Stop

Fiecare comanda initiata pe aceasta magistrala de catre un dispozitiv de tip master incepe cu o conditie de start si se termina cu o conditie de stop. Pentru amandoua conditii linia cu semnalul de ceas SCL trebuie sa fie in 1 logic. Orice tranzitie de la 1 logic la 0 logic a liniei de date SDA fiind considerata ca fiind Start iar o tranzitie de la 0 logic la 1 logic fiind considerata ca fiind Stop.

Dupa conditia de start magiostrala fiind considerata ca ocupata si poate fi folosita de un alt microcontroler de tip master doar dupa ce este detectata o conditie de stop. Dupa conditia de start microcontrolerul de tip master poate genera in mod repetat conditii de start. Aceasta fiind echivalent cu o comanda de start normal si este urmata de adresa dispozitivului de tip Slave caruia i se adreseaza

Microcontrolere ce au parte hardware dedicata petru transferul de tate cu ajutorlul magistralei I2C pot detecta cu usurinta schimbarile de pe magistrala si se pot comporta ca un dispozitiv de tip slave.

Dar daca comunicarea prin intermediul magistralei este implementata cu ajutorul unui program software semnalele de pe aceasta magistrala trebuie verificate de cel putin doua ori pe cate un ciclu a semnalului de ceas in vederea detectarii modificarilor necesare

Transferul de date cu ajutorul magistralei I2C\

Datele de pe aceasta magistrala sunt tranferata in pachete de 8 biti. Nu este o limita a numarului de biti trimisi dar fiecare bit trebuie sa fie urmat de inca un bit de confirmare, acesta semnaland masterul daca sa continuie transmisia cu urmatorul bit sau nu. Pentru toti bitii de date incluzad si cei de confirmare microcontrolerul master genereaza cate un semnal de ceas. Daca dispozitivul de tip slave nu mai confirma transferul rezulta faptul ca nu mai sunt date de transmis sau dizpozitivul slave nu este inca gata sa transmita in acest caz microcontrolerul poate sa initializeze comanda de stop sau sa repete conditia de start

Sincronizarea

Fiecare microcontroler de tip master trebuie sa genereze individual cate un semnal de ceas iar datele pot fi transmise doar cand acest semnal de ceas este in 0 logic. Pentru un transfer de date corect fiind necesara sincronizarea semnalelor de ceas. Deindata ce un dispozitiv de tip master genereaza 0 logic trebuie sa ramana in aceasta stare pana cand celelalte microcontrolere master ridica semnalul in 1 logic similar fiind ca semnalul fiind stabil in 1 logic pana in momentul cand unul din dispozitivele master trece in 0 logic. In acest fel urmarind semnalul de pe linia de SCL dispozitivele de tip master isi pot sincroniza semnalul de ceas

Arbitrarea

pentru un transfer de date normal pe magistrala I2C doar un singur microcontroler poate fi activ, dar daca dintr-un anumit motiv doua dispozitive de tip master initiaza o comanda in acelasi timp the procedura de arbitrare determina ce dispozitiv master continua comanda. Arbitrarea se desfasoara pe linia de date SDA in timp ce semnalul de ceas de pe linia SCL este 1 logic in acest timp fiecare dispozitiv de tip master verifica daca semnalul de pe linia SDA a magistralei corespunde cu semnalul propriu generat pe linia SDA. In cazul in care semnalul generat pe aceasta linie este 0 logic dar ar fi trebuit sa fie 1 logic in acest caz acesta a pierdut prioritatea de a transmite comenzi.

Dispozitivele de tip master ce au pierdut prioriotatea pot genera semnale pe linia SCL ramanand in asteptare pana la eliberarea acesteia. Aceasta procedura folosita in cazul multi-master este folosita pentru a detecta o eventuala suprapunere monitorizand in permanenta magistrala I2C.

COPIAT DIN DESPRE CIRCUIT

Ca elemente de bază a circuitelor driver pentru comanda motoarelor pas cu pas au fost folosite patru mosfeturi de clasa N cu denumirea de RFP50N06 pentru comanda motoarelor ce au un consum mai mare iar pentru motoarele de dimensiuni și cu un consum mai redus am folosit două ULN2003 având 3 intrări și 3 ieșiri conectate în paralel pentru a putea face față unui consum de până la 1.5A

Fig.

RFP50N06

Fig.

Mosftetul de clasa N este produs printr-un proces special numit și MegaFET. Acest proces se apropie de dimensiunile de producție LSI a circuitelor integrate oferind performanțe remarcabile și a fost proiectat pentru a fi folosit în aplicații de comandă cu frecvență ridicată, drivere pentru comanda motoarelor și drivere pentru relee.

Cel mai mare avantaj al sau este tensiunea de comandă, aceasta fiind de 5V, și oferă posibilitatea de a fi conectat direct de la ieșirea microcontrolerului sau a circuitului de comandă.

Un alt avantaj al său este că poate controla tensiuni ridicate de 50A și 60V până la o temperatură de 175ºC.

Drain to Source Voltage… VDSS 60 V

Drain to Gate Voltage (RGS = 20kΩ)… VDGR 60 V

Gate to Source Voltage… VGS ±20 V

Continuous Drain Current… ID 50A

ULN2003

Fig.

În figură avem un circuit integrat ce are în componența sa șapte tranzistori darlington NPN cu catodul legat la comun. Datorită diodei interne de protecție acest circuit integrat poate fi folosit și la comanda sarcinilor inductive cum ar fi motoarele pas cu pas. Curentul ce poate fi controlat de către colector pentru un singur tranzistor este de 500mA.

Circuit integrat are conectată intern la bază o rezistență în serie de 2.7k pentru fiecare tranzistor având posibilitatea de a putea fi comandat direct cu TTL sau dispozitive CMOS ce folosesc 5V.

Acesta poate controla tensiuni de până la 50V și 500m.

Colletor-Emitter Voltage… VCE 50 V

Input Voltage… VI 30 A

Peak Collector Current… Io 500 mA

LTV817

Fig.

Acest optocuplor l-am folosit pentru a efectua transmisia semnalelor între două circuite ce au diferență de potențial și de impedanță.

INTRARE Forword Current… If 50mA

Reverse Voltage… Vr 6V

IEȘIRE Collector – Emittor Voltage… Vceo 35V

Collector Current… Ic 50mA

Response Time (Rise, Fall)… Tr, Tf 18µs

Pentru a funcționa corespunzător după cum se poate observa și în schema electronică este necesar de a fi alimentată de la două surse de tensiune diferite doar că masa trebuie să fie comună. Intrarea de 5V fiind folosită pentru alimentarea optocuplorului iar intrarea de 24V este pentru alimentarea motorului pas cu pas.

În momentul în care microcontrollerul trimite un impuls (1 logic) pe una din cele patru intrări ale driverului, în acest caz, intrarea 4, impuls ce trece prin R4 și prin LED4 până la optocuplor, unde se închide circuitul cu masa prin diodă LED din interiorul optocuplorului. Pe cealaltă parte a optocuplorului este poziționat un fototranzistor, acesta deschizându-se în momentul în care baza sesizează aprinderea diodei LED de la celalalt capăt, în acest fel făcându-se separarea galvanică. În acest moment pe emitorul optocuplorului avem 1 logic, ce alimentează dioda LED 8 prin rezistența Re, închizându-se circuitul dar încă o ramură a comenzii provenite de la emitor oferă 1 logic și mosfetului Q4. Acest mosfet fiind de tip N primind 1 logic la 5V pe Gate deschide legătura între drain și source oferind posibilitatea ca faza motorului ce este deja alimentată să se închidă prin acesta. Diodele D4, D5, D6, D7 din această schemă sunt 1N4004 și au ca rol de suprimare a fazelor motorului pas cu pas pentru o mai bună performanță.

Fig. Fig.

drive.pdf??????????????

Calcule motor pas cu pas

Pentru o anumită dimensiune a motoarelor pas cu pas, spațiul disponibil înfășurărilor de pe stator este limitat. În procesul de optimizare a sistemelor de control ale motoarelor pas cu pas constă în utilizarea eficienta a spațiului disponibil înfășurărilor și de potrivire a parametrilor driverului cu cei ai înfășurărilor pentru o performanță cât mai ridicată.

Inductanța și rezistența înfășurărilor

Bobinele unui motor pas cu pas sunt alcătuite din mai multe înfășurări de cupru, acestea fiind bobinate pe un element de plastic ce permite execuția separată a bobinelor, statorului și a celorlalte elemente mecanice. La ultimul stagiu de producție bobinele sunt montate pe polii statorului.

Rezistența și inductanța sunt două proprietăți fizice a oricărei bobine, acești doi factori totodată și limitează performanța unui motor. Rezistența unei înfășurări este factorul ce influențează cel mai mult pierderile de putere și produc încălzirea motorului, dimensiunea și caracteristicile termice ai unei înfășurări limitând disiparea energiei. Pierderile se pot calcula cu formula:

Este foarte important ca orice motor să fie folosit la punctul maxim de disipare a energiei pentru a fi cel mai eficient. Dacă acesta funcționează sub această limită înseamnă că poate fi înlocuit cu unul de dimensiuni mai mici, acesta fiind și mai ieftin.

Cum sunt influențați parametrii bobinei unui motor de numărul de spire și de diametrul acestora.

Aria de secțiune a unei bobine este notată cu"A", rezistența unei bobine este influențată de numărul de spire ce poate fi calculat cu relația:

 R =  · l / a

R = · 2 ·· r · n / ( A / n ) = 2 · ·· r · n2 / A n2

(unde rezistența este proporțională cu pătratul numărului de spire)

Inductanța putând fi calculată simplificat cu formula:

Inductanța este proporțională cu pătratul numărului de spire

Pentru a putea calcula CURRENT RATING folosim condiția disipării puterii constante:

PR = R · IM2

IM = PR / R PR / n2 1 / n

(intensitatea fiind proporțională cu inversul numărului de spire)

Cuplul este proporțional cu fluxul magnetic "F" acesta la rândul lui fiind proporțional cu numărul de spire din înfășurare.

T n · IM n · ( 1 / n ) = constant.

Cuplul este constant la un nivel de disipare a energiei constant indiferent de numărul de spire.

RATED VOLTAGE

VM = R · IM n2 · ( 1 / n) n

RATED VOLTAGE este proporțional cu numărul de spire

Și nu în ultimul rând

Constanta de timp electrică

e = L / R n2 / n2 = constant

Constanta de timp electrică nu este afectată de numărul de înfășurări ale bobinei.

Inductanța mai face ca bobinele motorului să se opună schimbărilor de tensiune de aceea limitează funcționarea la turații mari

Forma undei a unui circuit rezistiv inductiv

În momentul în care bobina este alimentată tensiunea începe să crească conform relației

I(t) = ( V ⁄ R ) · ( 1 – e– t · R ⁄ L )

Pentru început tensiunea crește cu ritmul.

I⁄t (0) = V ⁄ L

Ritmul de creștere începe să scadă în timp ce acesta se apropie de saturație.

IMAX = V ⁄ R

Valoarea constantei de timp a unui circuit fiind definită ca e = L ⁄ R, aceasta fiind timpul până când intensitatea curentului ajunge la un procent de 60% din valoarea limită.

În momentul în care un circuit inductiv și rezistiv este deconectat și pus în scurtcircuit tensiunea începe să scadă I (t) = (V ⁄ R) · e– (t-t1) · R ⁄ L la o valoare inițială de I (t) = – V ⁄ L.

În momentul în care un semnal dreptunghiular este aplicat unei bobine în cazul motoarelor pas cu pas fiind funcționarea în FULLSTEP acest semnal va fi rotunjit FIGURA 3. Deasupra unei anumite frecvențe (B) tensiunea nu ajunge la valoarea ei maximă. În timp ce cuplul este aproximativ proporțional cu curentul acesta va fi redus când frecvența impulsurilor de comandă cresc. Pentru a OVERCOME inductanța și a avea performanțe ridicate la frecvențe mari există două posibilități:

Creșterea ratei de creștere a curentului

Scăderea constantei de timp

În timp ce o creștere a rezistenței produce o creștere a pierderilor de putere este de preferat o creștere a raportului dintre voltaj și inductanță

Pentru a acționa bobina curentul ce o străbate trebuie să folosim:

un voltaj cât mai mare posibil

menținerea inductanței cât mai scăzute

Pentru aceasta un raport mic dintre inductanță și rezistență a motorului are un CURRENT RATING mai mare. Atâta timp cât intensitatea curentului este limitată de către driver putem observa că performanța motorului pas cu pas depinde în cea mai mare parte de driverul pe care îl folosim.

Factorul de limitare a motorului fiind puterea disipată și nu de curentul propriuzis. Pentru a folosi un motor cât mai eficient este necesar ca puterea disipată să fie la un nivel cât mai ridicat.

Circuitele driverelor

Circuitele drivere a motoarelor pas cu pas au de îndeplinit două sarcini importante

să schimbe direcția curentului și a fluxului magnetic din înfășurare

să restricționeze intensitatea curentului electric ce străbate bobina și să permită un timp cât mai scurt de cădere a tensiunii.

Controlul direcției fluxului

Pentru ca un motor pas cu pas să poată executa pașii este necesar ca să fie executată o schimbare a direcției fluxului magnetic, independent pe fiecare fază a acestuia. Schimbarea acestei direcții este executată prin schimbarea direcției de sens a curentului și poate fi executată prin două metode diferite folosind un driver unipolar sau bipolar FIGURA 4

Driverul bipolar

Driverul Bipolar se referă la modul în care direcția curentului de pe înfășurare este inversată schimbând polaritatea tensiunii de pe terminalele înfășurării. Pentru a putea schimba această polaritate sunt necesare patru întrerupătoare ce formează o punte H. Această metodă necesită o singură înfășurare pe fiecare fază, iar un motor cu două faze va avea două înfășurări deci patru terminale

Driverul unipolar

Principiul de acționare în acest caz necesită două înfășurări pe fiecare fază. Direcția fluxului magnetic fiind schimbată mutând tensiunea de alimentare de la o înfășurare la cealaltă. Această metodă necesită doar două întrerupătoare pe fiecare fază, dar pe de altă parte acesta folosește doar jumătate din înfășurarea de pe fiecare fază. Pierderile de pe înfășurări fiind de două ori mai mari decât motoarele bipolare.

Acestea motoare unipolare au șase terminale în cazul în care acesta are două faze. Dar aceste motoare unipolare pot fi conectate și ca cele bipolare.

FIG5

Controlul curentului

Pentru a controla cuplul este necesar de a limita pierderile de putere de pe rezistență bobinelor acest lucru făcându-se limitând curentul sau controlându-l. Pentru a reuși limitarea curentului se pot folosi două metode limitarea rezistenței sau o sursă de tensiune în comutație acestea putând fi folosite pentru motoarele unipolare cât și cele bipolare.

Limitarea rezistenței curentului

În această metodă curentul este limitat de către voltajul oferit și de către rezistența înfășurărilor și dacă este cazul și de o rezistență externă:

IM = Vsupply ⁄ (R + Rext)

Dacă voltajul nominal este același cu cel oferit Rext acesta nu mai este folosit în calcul.

Pentru un motor pas cu pas performanțele ridicate sunt determinate și de tensiunea de alimentare mai ridicată. Pentru a putea mări tensiunea de alimentare este necesar să se mai includă încă o rezistență suplimentară Rext în serie cu bobina.

Constanta de timp

e = L ⁄ (R + Rext)

Scade, în acest fel timpul de ridicare a tensiunii scade și acesta. FIGURA 6

Problema în această variantă fiind pierderile de putere suplimentare de pe rezistența exterioară. De obicei câțiva wați trebuiesc disipați.

Modul de functionare a robotului antropomorf master – slave

Telecomanda fiind elementul master ce interpreteaza pozitia bratului si o transmite catre receptor.

In momentul in care "Modulul de limitare a tensiunii" este alimentat de la doua baterii de 9V conectate in paralel, acesta limiteaza tensiunea la 5V, cu care alimenteaza microcontrolerul, modulul LCD si Modulul Radio. Modulul radio avand la randul sau un limitator de tensiune reglabil pentru a cobora tensiunea la 3V ce ii sunt necesari pentru o functionare corespunzatoare.

In prima faza microcontrolerul intra in meniul principal, acesta nu ne permite decat introducerea unei parole pentru a limita utilizarea robotului antropomorf de catre persoane neinstruite.

Conform schemei meniului avem urmatoarele optiuni:

PAROLA

Doriti referinta. > Alege Motor > – Motor 1

Salveaza miscari. – Motor 2

Program normal. – Motor 3

Copiere miscari. – Motor 4

Iesire. – Motor 5

Mod automat > – Citire SD – Motor 6

– Miscare 1

– Miscare 2

– Miscare 3

Dupa introducerea parolei corecte microcontrolerul intra in urmatorul meniu ce ne permite:

Referentierea

Salvare miscari

Program normal

Copiere miscari

Iesire

Mod outomat

Referentierea

Acest meniu este utilizat doar in cazul in care robotul antropomorf si-a pierdut punctul de referinta datorita unei intreruperi de tensiune, motoarele pas cu pas pierzand pasi datorita suprasolicitarii, sau a altor factori ce coduc la pozitionarea necorespunzatoare a acestuia.

Folosind acest meniu ni se permite sa selectam motorul caruia dorim sa ii facem referentierea.

Dupa selectarea motorului putem apasa butoanele sus sau jos pentru al roti in sensul acelor de ceasornic sau contrar acelor. In acest moment telecomanda trimite o miscare incrementata cu numarul de secunde in care a fost tinut apasat butonul sus sau jos catre robot, miscand intreg ansamblul in pozitia de zero. In momentul in care iesim din acest meniu pozitia in care se afla robotul va fi salvata ca punct de zero. Putem efectua pe rand pentru fiecare motor operatia de referentiere.

Salvare miscari

Acest meniu ne permite salvarea fiecarei pozitii in care se afla bratul utilizatorului pe un card SD aceasta putand fi accesata din meniul mod automat, dar in acelasi timp in care se face salvarea datelor pe cardul SD se si trimit aceste informatii catre robot pentru a fi analizate si pentru a se putea observa exact pozitia acestuia. Pe toata durata efectuarii operatiei de salvare a miscarilor, pe ecranul LCD ne sunt afisate informatiile primite de la senzori, acestea fiind date de pozitie a bratului.

Program normal

In momentul utilizarii acestui meniu se efectueaza citirea si trimiterea datelor provenite de la senzori, fara atentionare acustica ci doar vizuala prin LEd-ul verde, acesta clipind de fiecare data cand se efectueaza o transmisie de date catre robot.

Copiere miscari

Ca si meniul anterior acesta efectueaza citirea si trimiterea datelor fara a mai executa si alte comenzi suplimetare.

Iesire

Acest meniu trebuie accesat de fiecare data cand se doreste oprirea robotului, pentru a fi trimis in pozitia de zero. In caz contrar la urmatoarea repornire a robotului acesta nu se va mai pozitiona corespunzator fata de pozitia bratului utilizatorului.

Modul automat

In cadrul acestui meniu putem adauga o serie de pozitii pentru ca robotul sa se pozitioneze in mod automat sau a accesa un program ce a fost salvat pe cardul SD, acesta fiind reluat pana in momentul comenzii de stop. Acest meniu este insotit de avertizare acustica cat si vizuala.

Modul de functionare a modulului Slave

In momentul in care cele doua surse de tensiune in comutatie sunt pornite acestea alimenteaza cele doua module de limitare a tensiunii si circuitele driver ale motoarelor pas cu pas. Cele doua limitatoare coboara tensiunea de la 12V la 5V asigurand voltajul necesar pentru functionarea celor patru microcontrolere si a modulului radio receptor cat si a circuitului logic a driverelor.

Inca din primul moment in care microcontrolerul 1 (master) este alimentat acesta comunica cu modulul radio asteptand sa primeasca informatii de la telecomanda master.

In momentul in care modulul radio receptioneaza date acestea sunt verificate, in cazul in care acestea nu sunt conforme ele sunt ignorate. In cazul in care acestea sunt corecte ele sunt trimise catre microcontrolerul 2, 3 si 4 (slave) prin intermediul magistralei de date I2C.

Pentru un transfer mai rapid de date, intregul pachet de informatii receptionat prim modulul radio este trimis catre cele trei microcontrolere slave, acestea utilizand doar informatiile ce le sunt necesare. Programele de comanda utilizate de cele trei microcontrolere sunt asemanatoare.

Putem evidentia cateva diferente:

-datele utilizate,

-modul in care sunt analizate informatiile legate de pozitionare,

-modul in care se fac calculele,

-modul de control ale motoarelor pas cu pas.

Dupa ce datele au fost receptionate de catre microcontrolerele slave acestea limiteaza valorile citite, pentru a nu permite robotului antropomorf sa execute miscari mai ample decat cele ale bratului uman. Valoarea limitata este raportata la numarul pasilor ce sunt necesari motorului de a executa o rotatie completa. Procesul anterior repetandu-se de treizeci de ori, de fiecare data aceasta valoare se salveaza, facandu-se o medie cat mai exacta a valorilor rezultate in vederea eliminarii zgomotului receptionat pe fire. In acest moment aceasta valoare este inmultita cu factorul de demultiplicare a reductorului, trimitandu-se comenzi intr-o secventa Full Step catre drivere pentru ca acestea in cele din urma sa puna in functiune motoarele pas cu pas.

Capitolul 5

Imbunatatirea robotului Contributii

La finalul acestui proiect am cosntatat ca viteza unghiulara este destul de mica datorita motoarelor pas cu pas, Pe viitor doresc a schimba aceste motoare pas cu pas cu servomotoare cu bucla inchisa

pentru a putea atinge o precizie un cuplu si turatie mult mai mare.

Datorita turatiei si cuplului ridicat ale noilor servomotoare, reductoarelor E, F si G li se va scoate o treapta de reducte ce va permite o viteza unghiulara mult mai mare.

Instalarea unui modul de citire si scriere SD ce imi va permite salvarea si rularea anumitor miscari