Realizarea unui robot mobil cu roti, teleoperat [304358]

[anonimizat]: Absolvent: [anonimizat].lucrari.dr.ing Mihai Crenganiș Chihăiță Christian Adrian

Sibiu

2018

SCOPUL LUCRARII

Lucrarea are ca scop dezvoltarea unui robot mobil telecoperat. Acest robot funcționază pe baza placii de dezvoltare arduino uno controlat prin gesturile maini de arduino nano.

Introducere

Motivarea alegerii temei

Am ales sa construiesc o platformă mobila teleoperată deoarece pentru proiectarea și construcția ei sunt necesare toate cunoștințele dobândite pe parcursul acestor 4 ani de studiu în cadrul facultății de inginerie.

Scurta descriere a sistemelor mecatronice

În anul 1875 concernul japonez Yaskawa Electric Corporation a introdus pentru prima dată termenul de „mecatronică” ca fii o prescurtare a [anonimizat] – informatică.

[anonimizat]-a modificat sensul și și-a extins aria de cuprindere. Mecatronica a [anonimizat]. Scopul aceste ștințe a devenit îmbunatațirea funcționalității utilajelor si sistemelor tehnice si dezvoltarea lor prin împreunarea disciplinelor componente

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 nevoile ingineriei și educației.

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

Ca o concluzie, [anonimizat] o sferă interdisciplinară a [anonimizat]. Totuși, [anonimizat], cum ar fi: electrotehnica, energetica, [anonimizat], tehnica reglării și altele.

Figura 1.1 [anonimizat]. [anonimizat], iar persoana care lucrează în acest domeniu a ajuns să fie cunoscută ca robotician sau inginer în robotică. Denumirea de robot a fost introdusa pentru prima oara de către Karel Čapek în anul 1921 în lucrarea sa "Roboții universali ai lui Rossum", în 1921 [anonimizat], [anonimizat], [anonimizat] "Fuga în cerc" (1941). [anonimizat].

Roboții sunt realizați mai ales prin combinația disciplinelor: mecanică, electrotehnică și informatică. Între timp s-a creat din legătura acestora mecatronica. Pentru realizarea de sisteme autonome (care să găsească singure soluții) este necesară legătura a cât mai multor discipline de robotică. Aici se pune accent pe legătura conceptelor de inteligență artificială sau neuroinformatică (parte a informaticii) precum și idealul lor biologic biocibernetică (parte a biologiei). Din legătura între biologie și tehnică s-a dezvoltat bionica.

[anonimizat]it mobilitatea acestora în mediu și o dirijare cât mai precisă. Un robot nu trebuie neapărat să poată să acționeze autonom, fapt pentru care se distinge între roboții autonomi și cei teleghidați.

Tipuri de roboți:

Robot mobil

Robot autonom

Robot unamoid

Robot industrial

Robot de servicii

Robot jucărie

Robot explorator

Robot pașitor

Robot militar

Figura 1.2 Roboți mobili

Robotica mobilă

Robotica mobilă este o subcategorie a roboticii, care se axează pe realizarea, implementarea și îmbunătățirea roboților mobili. Spre deosebire de roboții normali, roboții mobili se pot deplasa prin diverse mijloace

Primii roboți mobili au fost Elmer (1948) și Elsie (1949), construiți de Wiliam Grey Walter, roboții fiind capabili să caute sursa de lumină și să evite obstacole.

Figura 1.3 Robotul Elsie

În 1951 Grey Walter prezintă la un festival din Marea Britanie un robot țestoasă, triciclu. Tot în 1951 Edmund Berkeley inventează un robot mic, “veverița”, capabil să adune nuci sau mingi de golf. Era primul robot cu un braț aflat sub control automat, primul robot automat care putea efectua o sarcină, alta decât a se îndrepta spre lumină.

Odată cu războiul rece, progresul tehnologic atingea limite nemaiîntâlnite până atunci. Transpuse în lumea roboticii mobile, noile descoperiri aveau să dea lumii roboți ce foloseau ultrasunete pentru detecția obiectelor (1980), roboți cu mișcări mult mai precise (Zero-2, 1984) sau chiar roboți cu 6 picioare, capabili să susțină un om și având suspensii reglabile (Adaptive Suspension Vehicle, 1986).

În 1988 apare Shadow Walker, un robot humanoid, bazat pe mersul cu ajutorul unor motoare pneumatice.

În 1996 apare P2 de la Honda, primul robot cu autocontrol, humanoid. Putea merge pe cele două picioare, având 1,80 m și 210 kg, folosea tehnologie wireless, putea chiar să urce și să coboare scările, putând opera independent.

Stadiul actual privind sistemelor robotice comandate de la distanță

Oamenii au căutat întotdeauna metode prin care a-și face munca mai ușoară, mai sigură sau mai eficientă. Din această cauză au apărut roboții sau sistemele robotice din ce in ce mai avansate. De exemplu, pentru a afla mai multe despre planeta Marte, oamenii au trimis pe planeta roșie un robot denumit Spirit.

Vehiculul spațial Spirit

Vehiculul spațial Spirit, denumit oficial Mars Exploration Rover este primul dintre cele două vehicule spațiale de tip „rover” ale misiunii Mars Exploration Rover a organizației NASA. „Rover” e un cuvânt englez cu traducerea „vagabond” și care aici se referă la un automobil pentru teren accidentat. A amartizat cu succes la ora 04:35 UTC în ziua de 4 ianuarie 2004. A fost urmat de „fratele său geamăn”, Opportunity, care după trei săptămâni a amartizat pe cealaltă parte a planetei.

Spirit a absolvit cu succes misiunea sa planificată de 90 de zile marțiene. Însă curățarea naturală a panourilor sale solare de către vânt a avut ca rezultat o producție sporită de energie electrică, astfel că a continuat să funcționeze de peste douăzeci de ori mai mult decât prevăzuseră cei de la NASA. Spirit s-a deplasat 10 km pe suprafața lui Marte, față de 1 km cât se planificase inițial, reușind să studieze extensiv rocile marțiene și geografia zonei. Rezultatele științifice inițiale ale primei faze a misiunii au fost publicate într-un număr special al revistei Science.

La 1 mai 2009 (5 ani, 3 luni, 27 de zile terestre după amartizare și de 21,6 ori mai mult decât durata planificată) Spirit s-a împotmolit într-un sol moale. Evenimentul se mai întâmplase și timp de opt luni NASA a analizat situația cu grijă, rulând simulări teoretice și practice pe Pământ, după care a programat în cele din urmă „Spirit” să efectueze manevre de eliberare. Eforturile au continuat până la 26 ianuarie 2010 (6 ani și 22 de zile după amartizare; de 24,6 ori mai mult decât durata planificată), când oficialii NASA au anunțat că Spirit este blocat fără ieșire în solul moale, dar că va continua să efectueze cercetări științifice din această poziție.

În iulie 2010 echipa Spirit continua să aștepte mesaje ale vehiculului, care însă nu mai transmisese de la 22 martie 2010.

Figura 2.1 Robotul Spirit

Deplasare cu ajutorul senilelor

Figura 2.2 Ansamblu de rulare cu șenilă

Șenila este un tren de rulare cu o bandă continuă formată din mai multe plăci sau rizuri. Aceasta este in mod obișnuit realizată din plăci de oțel modulare în catul vehiculelor militare si al echipamentelor grele sau din cauciuc sintetic armat cu fire din oțel în cazul vehiculelor agricole sau de construcții mai ușoare.

Suprafața mare a șenile distribuie greutatea vehiculului mai bine decât anvelopele din oțel sau cauciuc pe un vehicul echivalent, permițând unui vehicul să traverseze terenul moale, cu o mai mică probabilitate de a rămâne blocat datorită scufundării. Rizurile proeminente ale plăcilor metalice sunt rezistente la uzură și rezistente la deteriorări, în special în comparație cu roțile din cauciuc. Proeminențele șenilelor de oțel ​​oferă o bună tracțiune pe suprafețe moi, dar pot deteriora suprafețele pavate, astfel că unele piese metalice pot avea plăcuțe de cauciuc instalate pentru a fi utilizate pe suprafețele pavate.

Șenilele moderne sunt construite din legături modulare care împreună formează un lanț închis. Legăturile sunt îmbinate printr-o balama, care permite șenilei să fie flexibile și să se înfășoare în jurul unui set de roți pentru a face o buclă fără sfârșit. Legăturile lanțului sunt adesea largi și pot fi fabricate din oțel cu aliaj de mangan pentru rezistență ridicată, duritate și rezistență la abraziune.

Figura 2.3 Vehicul cu șenile

Vehiculele cu șenile au o mobilitate mult mai bună pe teren accidentat față de cele cu roți deoarece șenila se “mulează” peste eventulalele mici denivelări și poate trece cu ușurință peste gropi mici.

Datorită faptului ca în componența unei șenile există două sau mai multe roți conducătoare și mai multe angrenaje care pun în mișcare șenila propriu zisă costul fabricației unui astfel de tren de rulare crește considerabil.

Cu toate că în unele cazuri aderența sporită dată de suprafața mare de contact cu mediul este un avantaj, în cazul acestui proiect acest lucru înseamnă un consum mai mare de energie și este un dezavantaj.

Din punct de vedere al vitezei, un tren de rulare cu șenile, datorită frecării cu mediu în care se deplasează, este mult mai lent decât unul pe roți.

Deplasarea cu ajutorul roților

Figura 2.4 Roboți cu roți

Roata poate transmite o forță prin efectuarea de lucru mecanic, caz în care ia naștere mărimea fizică numită moment cinetic, ambele fiind forme (teoretice) de transmitere a energiei mecanice. Un ansamblu mecanic format dintr-o roată și un ax solidar acesteia se pot roti cu pierderi mai mici datorate frecării, favorizând și ușurând totodată mișcarea liniară prin trecerea acesteia într-una circulară.

Din punct de vedere al mentenanței un tren de rulare pe roți este mult mai eficient decât un tren de rulare pe șenile, dar este în acelaș timp limitat la un teren de parcurgere cât plat.

Datorită frecării relativ mici cu suprafața de contact pierderile de energie datorate frecării sunt reduse, dar in acelaș timp aderența robotului scade semnificativ în comparație cu cea a șenilelor.

Viteza de rulare a unui robot cu roți este mult mai ridicată față de al unui robot cu șenile din cauza frecării reduse.

Datorită faptului că roata are un model constructiv simplu iar mecanica implicată în transmiterea mișcării este rudimentară, costul de fabricație scade remarcabil.

Model matematic pentru deplasarea cu ajutorul roților

Datorită faptului că roțile de pe fiecare parte se mișcă tot timplu în acelaș sens si cu aceași turație, putem considera ca fiind o platforma mobilăi cu două roți.

1. Determinarea mărimilor necesare efectuării calculului (dimensiuni ale robotului; unghiul de orientare al robotului).

2. Se atașează robotului un sistem de axe și se măsoară unghiul de rotație al sistemului curent în raport cu sistemul inițial de referință.

Centrul instantaneu de rotație este la intersecția axelor roților pentru cele 2 poziții.

Punctul de contact al fiecărei roți trebuie să se rotească cu aceași viteză unghiulară Ω în jurul centrului instantaneu de rotație.

Figura 2.5 Determinarea C.I.R

3. Determinarea vitezei unghiulare, Ω, a robotului:

v1=ω1r=Ω(R+L/2)

v2=ω2R=Ω(R-L/2)

Rezultă:

Ω=(v1-v2)/L

R=L(v1+v2)/(v1-v2)

Pentru traiectoria rectilinie:

v1=v2 Ω=0 și R=

Figura 2.6 Traiectoria rectilinie.

Pentru traiectorie circulară cu raza R- relațiile sunt cele prezentate anterior.

Pentru pivotarea în jurul roții

v1=v2Ω=0

R=

Figura 2.7 Pivotarea în jurul roții 2

Pentru pivotare( rotație în jurul axei verticale centrale)

v2=-v1=>Ω=2v1/L=-2v2/L

R=0

v1=ω1r=Ω(R+L/2)

v2=ω2r=Ω(R-L/2)

Rezultă:

Ω=(v1-v2)/L

R=L(v1+v2)/(v1-v2)

Figura 2.8 Pivotarea în jurul axei verticale

Acționări ale sistemelor robotice comandate de la distanță

Roboții pot si acționați hidraulic sau electric.

Motor hidraulic

Figura 2.9 Motor hidraulic rotativ

Un motor hidraulic este un actuator mecanic care convertește presiunea hidraulică și debituș în cuplu și deplasare unghiulară (rotație). Motorul hidraulic este omologul rotativ al cilindrului hidraulic ca dispozitiv de acționare liniar. În general, categoria de dispozitive numite motoare hidraulice a inclus uneori cele care funcționează pe hidrocentrale – și anume motoarele de apă și motoarele de apă – dar în terminologia de astăzi, denumirea se referă, în general, mai specific la motoarele care utilizează lichidul hidraulic ca parte a circuitelor hidraulice închise mașini hidraulice moderne.

Figura 2.10 Platforma hidraulică mobilă

Printre avantajele unui motor hidraulic putem enumera următoarele:

-are o fiabilitate ridicată datorită construcției robuste

-cuplul dezvoltat este mare

-puteri importante pentru încarcări destul de mici

-viteza este variabilă grație utilizării unui limitator de debit

-cuplul este limitat de presiunea lichidului din instalație

Dezavantajele acestul motor sunt:

-costul ridicat

-intalațiile hidraulice au de obicei un gabarit mare

-pentru punerea n mișcare a lichidului este nevoie de o centrală hidraulică

Motor electric

Un motor electric (sau electromotor) este un dispozitiv electromecanic ce transformă energia electrică în energie mecanică. Transformarea în sens invers, a energiei mecanice în energie electrică, este realizată de un generator electric. Nu există diferențe de principiu semnificative între cele două tipuri de mașini electrice, același dispozitiv putând îndeplini ambele roluri în situații diferite.

Majoritatea motoarelor electrice funcționează pe baza forțelor electromagnetice ce acționează asupra unui conductor parcurs de curent electric aflat în câmp magnetic. Există însă și motoare electrostatice construite pe baza forței Coulomb și motoare piezoelectrice.

Figura 2.11 Motor electric

Indiferent de tipul motorului, acesta este construit din două părți componente: stator și rotor. Statorul este partea fixă a motorului, în general exterioară, ce include carcasa, bornele de alimentare, armătura feromagnetică statorică și înfășurarea statorică. Rotorul este partea mobilă a motorului, plasată de obicei în interior. Este format dintr-un ax și o armătură rotorică ce susține înfășurarea rotorică. Între stator și rotor există o porțiune de aer numită întrefier ce permite mișcarea rotorului față de stator. Grosimea întrefierului este un indicator important al performanțelor motorului.

Clasificarea motoarelor electrice

După tipul modelul constructiv:

– motoare electrice cu perii

– motoare electrice fara perii

Motoare electrice cu perii

Motor electric de curent continuu

Figura 2.12 Componente motor electric

Motorul de curent continuu are pe stator polii magnetici și bobinele polare concentrate care creează câmpul magnetic de excitație. Pe axul motorului este situat un colector ce schimbă sensul curentului prin înfășurarea rotorica astfel încât câmpul magnetic de excitație să exercite în permanență o forță față de rotor.

În funcție de modul de conectare a înfășurării de excitație motoarele de curent continuu pot fi clasificate în:

-motor cu excitație independentă –> unde înfășurarea statorică și înfășurarea rotorică sunt conectate la două surse separate de tensiune

-motor cu excitație paralelă –> unde înfășurarea statorica și înfășurarea rotorica sunt legate în paralel la aceași sursă de tensiune

-motor cu excitație serie –> unde înfășurarea statorica și înfășurarea rotorica sunt legate în serie

-motor cu excitație mixtă –> unde înfășurarea statorica este divizată în două înfășurări, una conectată în paralel și una conectată în serie.

Pentru acționări electrice de puteri mici și medii, sau pentru acționări ce nu necesită câmp magnetic de excitație variabil, în locul înfășurărilor statorice se folosesc magneți permanenți.

Turația motorului este proporțională cu tensiunea aplicată înfășurării rotorice și invers proporțională cu câmpul magnetic de excitație. Turația se reglează prin varierea tensiunii aplicată motorului până la valoarea nominală a tensiunii, iar turații mai mari se obțin prin slăbirea câmpului de excitație. Ambele metode vizează o tensiune variabilă ce poate fi obținută folosind un generator de curent continuu (grup Ward-Leonard), prin înserierea unor rezistoare în circuit sau cu ajutorul electronicii de putere (redresoare comandate, choppere).

Rotorul motorului CC cu perii include o bobină alimentată la o sursă de tensiune continuă prin perii de carbon. Circuitul statorului conține un magnet permanent (PMDC motor) sau o bobină. Dacă statorul include o bobină, aceasta poate fi conectată mai târziu cu bobina rotorului în serie sau paralel sau pot fi excitate separat. Motoarele CC cu perii pot fi comandate în mod tensiune deoarece viteza motorului este proporțională cu sursa de tensiune atunci când sarcina este menținută constantă. Astfel, pentru a comanda momentul motorului, în sistemele de mare performanță se utilizează reglajul curentului în buclă. Pentru operare bi-direcțională, curentul rotorului trebuie să fie inversat pentru a respecta câmpul magnetic al statorului.

Când curentul trece prin rotorul unui motor de curent continuu, este generat un câmp magnetic care genereaza o forta electromagnetica, si ca rezultat rotorul se roteste. Rotatia rotorului induce o tensiune în bobinajul rotorului. Acesta tensiune indusa are sens opus tensiunii aplicate rotorului. În timp ce motorul se roteste mai rapid, tensiunea rezultata este aproape egala cu cea indusa.

Acest tip de motor electric este cel mai des intâlnit deoarece prețul este foarte mic în comparație cu celelalte motoare și nu necesita circuite adiționale pentru alimentarea acestuia

Motorul de curent alternativ

Motorul de inductie trifazat (sau motorul asincron trifazat) este cel mai folosit motor electric în acționările electrice de puteri medii și mari. Statorul motorului de inducție este format din armătură feromagnetica statorica pe care este plasată înfășurarea trifazată statorica necesară producerii câmpului magnetic învârtitor. Rotorul este format din armătură feromagnetica rotorica în care este plasată înfășurarea rotorică.

Motorul de inducție monofazat aici curentul electric monofazat nu poate produce câmp magnetic învârtitor ci produce câmp magnetic pulsatoriu (fix în spațiu și variabil în timp). Câmpul magnetic pulsatoriu nu poate porni rotorul, însă dacă acesta se rotește într-un sens, atunci asupra lui va acționa un cuplu în sensul sau de rotație.

Motorul sincron trifazat este o mașină electrică la care turația rotorului este egală cu turația câmpului magnetic învârtitor indiferent de încărcarea motorului

Motorul sincron monofazat acesta este realizat uzual ca motor sincron reactiv cu sau fără magneți permanenți pe rotor. Asemănător motoarelor de inducție monofazate, motoarele sincrone monofazate necesită un câmp magnetic învârtitor ce poate fi obținut fie folosind o fază auxiliară și condensator fie folosind spiră în scurtcircuit pe polii statorici.

Servomotoare

Figura 2.13 Servomotor

Un servomotor este un actuator rotativ sau un dispozitiv de acționare liniar care permite un control precis al poziției, vitezei și accelerației unghiulare sau lineare. Constă dintr-un motor adecvat cuplat la un senzor pentru feedback-ul poziției.

Un servomotor este un servomecanism cu buclă închisă care utilizează feedback-ul poziției pentru a controla mișcarea și poziția finală. Intrarea la controlul său este un semnal (fie analogic sau digital) reprezentând poziția comandată pentru arborele de ieșire.

Motorul este asociat cu un anumit tip de codificator pentru a oferi feedback de poziție și de viteză. În cel mai simplu caz, se măsoară numai poziția. Poziția reală a arborelui este masurată și comparată cu poziția comandată. Dacă poziția de ieșire diferă de cea necesară, se generează un semnal de eroare care face ca motorul să se rotească în ambele direcții, după cum este necesar pentru a aduce arborele de ieșire în poziția corespunzătoare. Pe măsură ce se apropie pozițiile, semnalul de eroare se reduce la zero și motorul se oprește.

Servomotoarele cele mai simple folosesc senzori de poziție de tip rezistență variabilă/ potențiometru, motorul se rotește întotdeauna la viteză maximă (sau este oprit).

Servomotoarele se utilizează în sistemele de reglare automată ca elemente de excitație. Ele sunt destinate sa transforme semnalul electric primit de la un ansamblu traductor-amplificator, sub forma unei tensiuni de comandă, într-o rotație a arborelui sub un anumit unghi.

Servomotoarele mai sofisticate utilizează encodere optice rotative pentru a măsura viteza arborelui de ieșire și un dispozitiv de turație variabilă pentru a controla viteza motorului. Ambele aceste îmbunătățiri, de obicei în combinație cu un algoritm de control PID, permit servomotorului să fie adus la poziția comandată mai repede și mai precis, cu o mai mică abatere.

Servomotoarele de curent continuu prezintă următoarele caracteristici:

– reglarea vitezei în limite foarte largi și cu ajutorul unei scheme de reglaj relativ simple

– caracteristici de reglare și mecanice liniare în cazul comenzii prin indus

– cuplul de pornire ridicat, capacitatea de supraîncărcare ridicată

– gabarit și greutate specifică mică

– constantă electromecanică de timp redusă

– absența autopornirii

Motor electric fara perii

Motor electric pas cu pas

Figura 2.14 Motor pas cu pas

Axul motorului pas cu pas execută o mișcare de rotație în pași incrementali discreți când este aplicată în secvența corectă o comandă electrică în pulsuri. Rotația motorului este strâns legată de caracteristicile acestor impulsuri electrice. Astfel direcția de rotație a motorului este direct legată de secvența în care sunt aplicate pulsurile electrice, de asemenea și viteza de rotație este direct dependentă de frecvența impulsurilor electrice iar deplasarea unghiulară este direct dependentă de numărul de pulsuri electrice aplicate.

Există trei tipuri de motoare pas cu pas din punct de vedere al configurație electrice.

Acestea sunt:

Cu reluctanță variabilă

Cu magnet permanent

Hibride.

Motor pas cu pas cu reluctanță variabilă

Motorul este alcătuit dintr-un rotor și un stator, fiecare cu număr diferit de dinți. Poate fi diferențiat ușor de un motor cu magnet permanent deoarece „se învârte ușor”, fără nici o reținere, în momentul rotirii rotorului cu mâna.

Statorul motorului este alcătuit dintr-un miez magnetic construit din lamele din oțel. Rotorul este construit din fier moale nemagnetizat cu dinți și sanțuri

Motor pas cu pas cu magnet permanent

Principiul de funcționare al motorului pas cu pas cu magnet permanent este foarte simplu și constă în reacția dintre rotorul din magnet permanent și un câmp magnetic creat de stator.

Acest tip de motoare pas cu pas se poate împărți la rândul său, în mai multe categorii

în funcție de modul de conectare al bobinelor:

Motoare pas cu pas cu magnet permanent unipolare;

Motoare pas cu pas cu magnet permanent bipolare;

Motoare pas cu pas cu magnet permanent multifază (sunt mai rar întâlnite).

De menționat că și motoarele pas cu pas cu reluctanță variabilă sunt de tipul unipolar și bipolar, iar construcția lor este exact ca cea a motoarelor pas cu pas cu magnet permanent.

Motoare pas cu pas hibride

Motoarele pas cu pas probabil sunt cele mai des utilizate și răspândite tipuri de motoare. La început au fost create ca motoare sincrone cu magnet permanent de viteză mică. Ele sunt o combinație dintre un motor cu reluctanță variabilă și un motor cu magnet permanent, de unde și denumirea de motoare hibride.

Motorul hibrid este alcătuit dintr-un rotor format din doi poli separați de un magnet permanent axial, cu dintele opus deplasat față de dintele corespunzător cu o distanță egală cu jumătate din înălțimea unui dinte pentru a permite o rezoluție mai mare la pășire (figura 1.7 motorul hibrid în secțiune și un detaliu al modului de amplasare al dinților).

Fiecare revoluție a axului motorului este alcătuită dintr-o serie de pași discreți. Un pas este definit ca fiind rotația unghiulară a axului motorului la aplicarea unui impuls de comandă. Fiecare impuls face ca axul să se rotească cu un anumit număr de grade caracteristic fiecărui tip de motor. Un „pas unghiular” reprezintă rotația axului motorului la fiecare pas, și se măsoară în grade. De aici vine si precizia motorului.

În funcție de modul de alimentare a fazelor există mai multe tipuri de conducere a motoarelor pas cu pas. Cele mai comune moduri sunt:

pas întreg;

jumătate de pas;

micropășire.

Pentru a putea controla un motor pas cu pas este nevoie de un driver pentru motoare. Acesta alimentează înfășurarile motorului pe rând astfel încât axul motorului să se rotească cursiv.

Avantaje:

Motorul are moment maxim în poziția oprit dacă bobinele sunt alimentate;

Poziționare precisă, cu o eroare de 3-5% la un pas, care nu se cumulează de la un pas la altul;

Răspunsuri excelente la pornit/oprit/schimbarea direcției de rotație;

Fiabilitate excelentă deoarece nu există perii de contact la motor, deci durata de funcționare depinde de rulment;

Posibilitatea de a obține viteze foarte mici cu sarcina legată direct pe axul motorului;

gamă foarte largă de viteze de rotație;

Dezavantaje:

Rezonanța poate apărea în cazul unui control deficitar;

Controlul greoi la viteze foarte mari

Motor electric brushless

Figura 2.15 Motor brushless

Motorul de curent continuu fără perii (fără colector), în engleză Brushless DC electric motor, prescurtat BLDC motor, este un motor electric de curent continuu la care comutația căilor de curent necesară învărtirii rotorului se realizează electronic. Poate fi numit și motor de c.c. fără colector, fiindcă colectorul și periile colectoare formează împreună (la motorul cu perii) un dispozitiv complet de comutare electromecanică.

Motorul fără colector și perii este un motor electric sincron alimentat în curent continuu, care funcționează cu ajutorul unui sistem electronic de comutație. Comutarea câmpurilor electromagnetice necesare rotirii rotorului este comandată și controlată prin intermediul unui circuit electronic cu microprocesor.

Pentru perceperea poziției reale a rotorului aflat în mișcare și a numărului de rotații pe unitatea de timp (turație) se folosesc diferite metode:

Senzori Hall

Senzori optici dispuși pe stator

Comutare nesenzorizată

Atantaje:

Principalul avantaj este o comutare "fără scântei de perii", care reprezintă la motorul cu perii un factor de distorsiune a sistemului de alimentare de curent continuu prin reinjectarea de impulsuri parazite în sens invers. Impulsurile de tensiune parazite deranjează alți consumatori conectați la aceeași rețea.

Durata de viață este sensibil mai mare în raport cu motorul cu colector, unde uzura periilor grafitoase o limitează și generează periodic probleme de service (întreținere).

Lipsa dispozitivului electromecanic, colector și perii, înlătură limitarea vitezei maxime dictată de încălzira periilor colectoare existentă la motorul de c.c. clasic.

Putere mare cu un gabarit redus

Datorită faptului că pentru funcționarea motorului este necesară cunoașterea în permanență a poziției rotorului și necesită un procesor pentru comutarea câmpurilor electromagnetice, costul motorului crește substanțial.

Concluzie:

În urma analizei făcute, aleg ca tip de locomoție al robotului deplasarea cu ajutor roților, puse în mișcare de motoare de curent continuu cu perii.

Modele matematice

Modelul matematic pentru dimensionarea motoarelor

Figura 3.1 Forțe care acționează asupra robotului

Pentru o bună funcționare a robotului vom considera planul de deplasare cu o înclinație de 10° Masa totală a vehiculului este de 0,3 kg.

Calculele pentru dimensionarea motoarelor le voi face pentru o viteză maximă de 20 km/h.

Greutatea copului acționează asupra vehiculului pe o direcție perpendiculară pe suprafața de deplasare, se notează cu G și este egală cu produsul dintre masa corpului și accelerația gravitațională. Datorită planului înclinat această forță se descompune pe cele două axe X și Y și vor rezulta două forțe , unde este componenta greutății pe axa X înmulțita cu sinusul unghiului de înclinație al planului de deplasare si componenta pe axa Y care este egală cu produsul dintre G și cosinusul unghiului de înclinație al planului în care se alfă.

=

= 0.173 = 0,519 N

0.984 = 2,952 N

La contactul dintre roțile robotului si suprafața de deplasare apare o forță numită fortă de frecare care se opune sensului de deplasare al vehiculului și se noteză cu . Această forță este egală cu produsul dintre coeficientul de frecare al celor două materiale care intră în contact si normala pe suprafața robotului.

Coeficientul de frecare dintre roata de cauciuc a robotului si asfalt este de 0,02 N.

Pentru ca robotul să se poată deplasa forța de tracțiune a robotului notată trebuie sa fie mai mare ca suma forțelor care se opune sensului de deplasare.

Forța care se opune sensului de deplasare reprezintă a doua lege a lui Newton si este egală cu produsul dintre masa corpului si accelerația lui.

Accelerația robotului este dată de raportul dintre diferența vitezei finale față de vitza inițială si într-un interval de timp.

Pentru ca vehiculul să se deplaseze avem nevoie de o forță de:

0,8325 N+0,059 N+0,519 N=1,4105 N

Ca să aflăm mmomentul de torsiune înmulțim forța de tracțiune necesară cu raza roții.

Viteza unghiulară maximă a roții este raportul dintre viteza maximă si raza roții.

Pentru a afla turația unei roți, transformăm din rad/s in rot/min

Modelul cinematic al robotului cu acționare diferențială

Pentru a specifica situarea instantanee a robotului în mediul în care se deplasează, stabilim o relație de legătură între sistemul de referință f și sistemul de axe curent,atașat corpului robotului.

Planului i se atașează sistemul de referință fix X000Y0.

Corpului robotului i se atașează sistemul de axe XRORYR, în punctul P

Corespunzător poziției inițiale a robotului, se consideră notația XR0OR0YR0

Figura 3.2 Model cinematic robot cu 2 roți

Coordonatele punctului P, determinate în raport cu originea O0 a sistemului de referință, scrise sub formă matriceală sunt:

x0, y0, θ0 sunt parametrii ce exprimă poziția și orientarea corpului robotului în raport cu sistemul de referință;

xR0, yR0, θR0 sunt parametrii ce exprimă poziția și orientarea corpului robotului în raport cu sistemul de axe atașat acestuia, sistemul corespunzător poziției inițiale

x, y, θ sunt parametrii ce exprimă poziția și orientarea poziției inițiale a corpului robotului (poziției inițiale a sistemului de axe atașat corpului) în raport cu sistemul de axe de referință.

Robotul care face obiectul lucrării este un robot cu acționare diferențială. Acest tip de acționare este una dintre cele mai simple soluții de roboți mobili cu roți. Robotul are 2 roți convenționale fixe, atașate pe șasiu. Utilizarea de viteze unghiulare diferite pentru cele 2 roți conduce la schimbarea direcției

Figura 3.3 Deplasarea robotului.

Cunoscând vitezele/pozițiile roților se cere viteza/poziția robotului.

Se cunosc: v1=ω1r ; v2=ω2r

Figura 3.4 Reprezentarea vitezelor unghiulare a 2 roți.

unde r=raza roților și ω1, ω2= vitezele lor unghiulare

Pentru efectuarea analizei, se va proceda în felul următor:

Se specifică mărimile necesare efectuării calculului(dimensiuni ale robotului, unghiul de orientare al robotului,θ)

Se determină punctul în jurul caruia se rotește robotul ( centrul instantaneu de rotație), respectiv raza traiectoriei descrise de robot.

Se detrmină viteza unghiulară a robotului.

Se integrează relația obținută, pentru a obține poziția robotului.

Modelul virtual tridimensional al robotului

Pentru a crea modelul CAD ( Computer-aided Design ) al robotului voi folosi softul Catia (Computer Aided Three Dimensional Interactive Application) .

Figura 4.1 Atașarea motoarelor pe platforma robotului

Figurea 4.2 Montarea motoarelor pe suporturi

Figure 4.3 Montarea celor 4 roți

Figura 4.4 Atașarea platformei Arduino Uno

Figura 4.5 Ansamblu robot

Figura 4-6 Dimensiuni de gabarit

Figura 4.1 Vedere din spate

Figura 4.2 Vedere din laterală

Figura 4-7 Partea de comandă a robotului

Principiu de funcționare

Robotul mobil telecomandat este construit cu 4 roți motrice acționate independent.

Comanda pentru acționare motoarelor este dată de un giroscop digital care trimite date despre orientarea lui față de pămant. Aceste date sunt transmise sub formă de semnale electrice mai departe către arduino care le interpretează si transmite comanda pentru motoare la transmițător de unde radio.

Odată transmis semnalul receptorul de unde radio preia datele, și le dă mai departe către un alt arduino care prelucrează datele și trimite un semnal analog 0-5 V înspre driverul de moatoare care alimenteză motoarele cu tensiunea si intensitatea necesară pentru deplasare.

Figura 5.1 Modul de deplasare a robotului

Dacă toate cele 4 motoare se rotesc cu aceașii viteză si cu sensurile arătate în figura de mai sus, robotul se va învârti pe loc către dreapta, daca inversăm sensul de rotație al motoarelor, robotul se va roti spre stânga.

Pentru a deplasa robotul în față sau în spate, motoarele trebuie sa se rotească în același sens, ca în figurile de mai jos

Figurea 5.2 Deplasare față si spate a robotului

Pentru a lua viraj în partea stângă sau în partea dreapta acționăm motoarele cu viteze diferite. Spre exemplu, pentru a lua curbă în partea dreaptă mărim viteza motoarelor din partea stângă sau scădem turația motorelor de pe partea dreaptă.

Sistemul de comandă al robotului si componentele folosite

Pentru contructia robotul și a mecanismului de control al acestuia voi folosi placa de dezvoltare Arduino.

Figura 6.1 Circuitul de comandă

Arduino UNO R3

Figura 6.1 Planul general al plăcii microcontrolerului

Arduino este o companie open-source care produce atât plăcuțe de dezvoltare bazate pe microcontrolere, cât și partea de software destinată funcționării și programării acestora. Pe lângă acestea include și o comunitate uriașă care se ocupă cu creația și distribuirea de proiecte care au ca scop crearea de dispozitive care pot sesiza și controla diverse activități sau procese în lumea reală.

Proiectul este bazat pe designul plăcilor cu microcontroler produse de câțiva furnizori, folosind diverse tipuri de microcontrolere. Aceste plăci pun la dispoziția utilizatorului pini I/O, digitali și analogici, care pot fi interfațați cu o gamă largă de plăcuțe numite scuturi (shield-uri) și/sau cu alte circuite. Plăcile au interfețe de comunicații seriale, inclusiv USB pe unele modele, pentru a încărca programe din calculatorele personale. Pentru programarea microcontrolerelor, Arduino vine cu un mediu de dezvoltare integrat (IDE) bazat pe proiectul Processing, care include suport pentru limbaje de programare ca C și C++.

Arduino UNO este o platformă de procesare open-source, bazată pe software și hardware flexibil și simplu de folosit. Constă într-o platformă de mici dimensiuni (6.8 cm / 5.3 cm – în cea mai des întâlnită variantă) construită în jurul unui procesor de semnal și este capabilă de a prelua date din mediul înconjurător printr-o serie de senzori și de a efectua acțiuni asupra mediului prin intermediul luminilor, motoarelor, servomotoare, și alte tipuri de dispozitive mecanice. Procesorul este capabil să ruleze cod scris într-un limbaj de programare care este foarte similar cu limbajul C++.

Alimentare:

ARDUINO UNO poate fi alimentat prin intermediul conexiunii USB sau cu o sursa de alimentare externa. Sursa de alimentare este selectata automat.

Alimentarea externa (non-USB) poate veni fie de la un adaptor AC-la-DC sau baterie. Adaptorul poate fi conectat printr-un conector de 2.1mm cu centru-pozitiv. Conectare de la o baterie poate fi realizata legand la GND si V in capetele de la conectorii de alimentare.

Placa de dezvoltare poate opera pe o sursa externa de 6-20 volti. Daca este alimentata la mai putin de 7V, exista posibilitatea, ca pinul de 5V sa furnizeze mai putin de cinci volti si placa sa devina instabila. Daca se alementeaza cu mai mult de 12V, regulatorul de tensiune se poate supra-incalzi acest lucru ducand la deteriorarea placii. Intervalul de tensiune recomandat de catre producator este de 7-12 volti.

Pinii de tensiune si alimentarea sunt dupa cum urmeaza:

– V in. Tensiune de intrare pe placa de dezvoltare atunci cand este utilizata o sursa de alimentare externa (spre deosebire de 5 volti de la conexiunea USB sau alte surse de energie stabilizata). Puteti introduce tensiuni de alimentare prin intermediul acestui pin, sau, in cazul in care tensiunea de alimentare se face prin intermediul conectorului de alimentare externa, o puteti accesa prin acest pin.

– 5V. Regulator de tensiune utilizat pentru alimentarea microcontrolerului si a altor componente de pe placa de dezvoltare. Aceasta poate fi alimenta fie de la VIN printr-un regulator de pe placa de dezvoltare, fie furnizat de catre USB sau de o alta sursa de tensiune de 5V.

– 3,3 V. O alimentare de 3.3 volti generat de catre regulatorul de tensiune de pe placa. Curentul maxim ca il furnizeaza este de 50 mA.

– GND. Pini de masă.

Specificații :

Microcontroler: ATmega328

Tensiune de lucru: 5V

Tensiune de intrare (recomandat): 7-12V

Tensiune de intrare (limită):  6-20V

Pini digitali: 14 (6 PWM output)

Pini analogici: 6

Curent per pin I/O: 40 mA

Curent 3.3V: 50 mA

Memorie Flash: 32 KB (ATmega328)  0.5 KB pentru bootloader

SRAM: 2 KB (ATmega328)

EEPROM: 1 KB (ATmega328)

Clock Speed: 16 MHz

Dimensiuni PCB: 68,6 x 53,4 mm

Greutate: 25g

Arduino Nano

Figura 6.3 Principalele componenta ale placii de dezvoltare Arduino Nano

Arduino Nano este o paltformă de dimensiuni reduse, compatibilă cu breadboard-uri și construită un jurul microcontrollerului Atmega328P. Are mai mult sau mai puțin aceleași funcționalități ca o paltformă Arduino UNO..

Alimentare:

Arduino nano poate fi alimentat prin intermediul portului mini-USB de pe placă cu 5V sau direrct prin pinii de alimentare Vin cu o tensiune de intrare de 7 – 12V si pinul GND.

Ca si iesire aceasta placa de dezvoltare poate furniza 5V la maximum 400 mA sau 3,3V la o intensitate de maxim 150mA.

Specificatii:

Microcontroller: Atmega 328P

Architectura: Atmel AVR 8-bit

Tensiune: 5v

Memorie Flash: 32KB

SRAM: 2 KB

Viteza: 16MHz

Intrari Analogice: 8

Iesiri PWM: 6

EEPROM: 1 KB

Curent continuu pe fiecare pin I /O: 40 mA

Pini digitali I /O: 22 (din care 6 pot furniza semnal PWM)

Crent consumat: 19 mA

Dimensiuni PCB: 18×45 mm

Greutate: 7g

Figura 6.4 Schema electrica a placii de dezvoltare Arduino Nano

Giroscop MPU-6050

Figura 6.5 Senzor cu accelerometru si giroscop

Senzorul InvenSense MPU-6050 conține un accelerometru MEMS (Microelectromechanical systems ) și un giroscoide MEMS într-un singur chip. Este foarte precis, deoarece conține hardware de conversie analog-digital de 16 biți pentru fiecare canal. Prin urmare, captează canalele x, y și z în același timp. Senzorul utilizează magistrala I2C pentru a interconecta cu Arduino.

Interfața I²C sau IIC (Inter-Integrated Circuit) este un tip de transmisie de date serială master-slave, utilizată intensiv între circuite integrate digitale (microcontrolere, memorii, convertoare) și a fost inițial dezvoltată de către firma olandeză Philips.

Specificatii:

Tensiune de alimentare: 3.3V – 5V (regulator LDO inclus);

Tensiune magistrală I2C: 3.3V (MAX);

Curent: 5mA;

Range programabil giroscop: ±250, ±500, ±1000, ±2000 o/s;

Range programabil accelerometru: ±2g, ±4g, ±8g, ±16g;

Interval măsurare temperatură: -40oC – +85oC;

Frecvență maximă I2C: 400kHz.

Circuitul integrat folosit pentru comanda motoarelor

Figura 6.6 Circuit L293D

Circuitul integrat L293N este o punte H folosită pentru a controla viteza de rotație precum si sensul de rotație pentru 2 motoare. Acest circuit este controlat de către softul aflat pe microcontroller.

Specificații:

Tesiune de alimentare: 4,5 – 36V

Tensiune maxima de ieșire: 36 V

Curent maxim de ieșire/canal: 600mA

Figura 6.7 Diagrama de funcționare L293D

Figura 6.8 Pini integrat L293D

Adafruit Motor Shield

Figura 6.9 Arduino shield pentru controlul motoarelor

Acest shield poate comanda 2 servomotoare la maximum 5V cu o precizie ridicată datorită timerului dedicat. Dispune de 4 punți H bazate pe cele două circuite L293D care pot furniza 0,6 A pentru fiecare motor la o tensiune de 4,5 – 25V curent continuu. În locul celor 4 motoare clasice, pe acest shield se pot conecta si controla 2 motoare pas cu pas.

Pentru a conecta o sursa de tensiune externa acest shield dispune de doua borne de alimentare.

Fiind un shield acesta se conectează foarte ușor la arduino prin metoda plug and play si conectand bornele M+ si GND la sursa de tensiune pentru alimentarea motoarelor, a shieldului si a plăcii de dezvoltare arduino.

Motor de curent continuu cu peri cu ax dublu și reductor

Figura 6.10 Motor curent continuu

Specificații:

Raport reductor: 48:1

Turație la 3V: 125 r/min

Distanță parcursa cu roți de 66mm: 26 m/min

Turați e la 5V: 208 r/min

Distanță parcursa cu roți de 66mm: 44m/min

Cuplu maxim: 0,78 N/mm

Figura 6.11 Dimensiuni motor

Transmițător si receptor cu frecvența de 433Mhz

Figura 6.12 Emițător / Receptor unde radio

Specificații:

Receptor :

Tensiunea de operare: 5V curent continuu

Curent in stare de repaus: 4mA

Frecvența de operare: 433,92MHz

Sensibilitate: -105DB

Dimensiuni: 30x14x7 mm

Transmițător:

Rază de acoperire: 20-200 m (în funție de tensiunea de intrare)

Tensiunea de operare: 3,5 – 12V curent continuu

Mod de operare: AM (variația amplitudinii)

Rata de transfer: 4KB/s

Puterea transmisă: 10mW

Frecvența de operare: 433Mhz

Dimensiuni: 19x19x7 mm

Figura 6.13 Schema electrică receptor RF

Figura 6.14 Schema electrica transmițător RF

Ansamblu robot în stadiu experimental

Figura 7.1 Prototip robot

Figura 7.2 Vedere laterală

Figura 7.3 Ansablu prototip pentru comanda robotului

Concluzii

Internet:

http://www.humanoid.waseda.ac.jp/booklet/kato_2.html

https://en.wikipedia.org/wiki/Humanoid_robot

Concepte militare: senila versus roata!

https://ro.wikipedia.org/wiki/Motor_electric_de_curent_continuu

http://ro.math.wikia.com/wiki/Motor_de_curent_continuu

https://ro.wikipedia.org/wiki/Motor_electric

https://ro.wikipedia.org/wiki/Motor_electric_de_curent_alternativ

https://ro.wikipedia.org/wiki/Motor_hidraulic

https://ro.wikipedia.org/wiki/Roat%C4%83

https://ro.wikipedia.org/wiki/Vehiculul_spa%C8%9Bial_Spirit

https://www.robofun.ro/arduino_uno_v3

https://www.invensense.com/wp-content/uploads/2015/02/MPU-6000-Datasheet1.pdf

RF 433 MHz transmitter-receiver module and arduino

Bibliografie:

Exploring Arduino: Tools and Techniques for Engineering Wizardry, Jeremy Blum, Iul 2013