Данный проект представляет собой многоуровневую модульную задачу. Первый этап проекта – сборка модуля роботизованной руки-манипулятора, поставляемой в виде набора деталей. Вторым этапом задачи будет сборка интерфейса IBM PC также из набора деталей. Наконец, третий этап задачи представляет собой создание модуля голосового управления.

Манипулятором робота можно управлять вручную с помощью ручного пульта управления, входящего в комплект набора. Рукой робота можно также управлять либо через собранный из набора интерфейс IBM PC, либо используя модуль голосового управления. Набор интерфейса IBM PC позволяет управлять и программировать действия робота через рабочий компьютер IBM PC. Устройство голосового управления позволит вам управлять рукой робота с помощью голосовых команд.

Все эти модули вместе образуют функциональное устройство, которое позволит вам проводить эксперименты и программировать автоматизированные последовательности действий или даже «оживлять» управляемую полностью «по проводам» руку-манипулятор.

Интерфейс PC позволит вам с помощью персонального компьютера запрограммировать руку-манипулятор на цепь автоматизированных действий или «оживить» ее. Существует также опция, в которой вы можете управлять рукой в интерактивном режиме, используя либо ручной контроллер, либо программу под Windows 95/98. «Оживление» руки представляет собой «развлекательную» часть цепочки запрограммированных автоматизированных действий. Например, если вы наденете на руку-манипцулятор детскую перчаточную куклу и запрограммируете устройство на показ небольшого шоу, то вы запрограммируете «оживление» электронной куклы. Программирование автоматизированных действий находит широкое применение в промышленности и индустрии развлечений.

Наиболее широко применяемым в промышленности роботом является робот рука-манипулятор. Рука робота представляет собой исключительно гибкий инструмент хотя бы потому, что конечный сегмент манипулятор руки может быть соответствующим инструментом, требуемым для конкретной задачи или производства. Например, шарнирный сварочный манипулятор может быть использован для точечной сварки, с помощью сопла-распылителя можно окрашивать различные детали и узлы, а захват может использоваться для зажима и установки предметов – это лишь некоторые примеры.

Итак, как мы видим, рука-манипулятор робота выполняет много полезных функций и может служить идеальным инструментом для изучения различных процессов. Однако создание роботизованной руки-манипулятора с «нуля» представляет собой сложную задачу. Гораздо проще собрать руку из деталей готового набора. Компания OWI продает достаточно хорошие наборы руки-манипулятора, которые можно приобрести у многих дистрибьюторов электронных устройств (см. список деталей в конце этой главы). С помощью интерфейса можно подключить собранную руку-манипулятор к порту принтера рабочего компьютера. В качестве рабочего компьютера можно использовать машину серии IBM PC или совместимую, которая поддерживает DOS или Windows 95/98.

После подключения к порту принтера компьютера рукой-манипулятором можно управлять в интерактивном режиме либо программным образом с компьютера. Управление рукой в интерактивном режиме очень просто. Для этого достаточно щелкнуть по одной из функциональных клавиш, чтобы передать роботу команду выполнения того или иного движения. Второе нажатие на клавишу прекращает выполнение команды.

Программирование цепочки автоматизированных действий также не составляет особого труда. Сперва щелкните по клавише Program, чтобы перейти в программную моду. В этой моде рука функционирует точно так же, как это было описано выше, но при этом в дополнение каждая функция и время ее действия фиксируются в script-файле. Script-файл может содержать до 99 различных функций, включая паузы. Сам script-файл может быть повторно воспроизведен 99 раз. Запись различных script-файлов позволяет производить эксперименты с управляемой компьютером последовательностью автоматизированных действий и «оживлению» руки. Работа с программой под Windows 95/98 более детально описана ниже. Программа под Windows включена в набор интерфейса роботизованной руки-манипулятора или может быть бесплатно загружена из Интернета http://www.imagesco.com .

В дополнение к программе Windows рукой можно управлять, используя BASIC или QBASIC. Программа уровня DOS содержится на дискетах, включенных в комплект набора интерфейса. Однако DOS программа позволяет осуществлять управление только в интерактивном режиме с использованием клавиатуры (см. распечатку BASIC программы на одной из дискет). Программа уровня DOS не позволяет создавать script-файлы. Однако если есть опыт программирования на BASIC, то последовательность движений руки-манипулятора может быть запрограммирована аналогично работе script-файла, используемого в программе под Windows. Последовательность движений может повторяться, как это сделано во многих «одушевленных» роботах.

Роботизованная рука-манипулятор

Рука-манипулятор (см. рис. 15.1) имеет три степени свободы движения. Локтевое сочленение может перемещаться вертикально вверх-вниз по дуге примерно 135°. Плечевой «сустав» перемещает захват вперед и назад по дуге примерно 120°. Рука может поворачиваться на основании по часовой стрелке или против часовой стрелки на угол примерно 350°. Захват руки робота может брать и удерживать объекты до 5 см в диаметре и поворачиваться вокруг в кистевом сочленении примерно на 340°.

Рис. 15.1. Кинематическая схема движений и поворотов руки-робота

Для приведения руки в движение компания OWI Robotic Arm Trainer использовала пять миниатюрных двигателей постоянного тока. Двигатели обеспечивают управление рукой при помощи проводов. Такое «проводное» управление означает, что каждая функция движения робота (т. е. работа соответствующего двигателя) управляется отдельными проводами (подачей напряжения). Каждый из пяти двигателей постоянного тока управляет своим движением руки-манипулятора. Управление по проводам позволяет сделать блок контроллера руки, непосредственно реагирующий на электрические сигналы. Это упрощает схему интерфейса руки робота, который подключается к порту принтера.

Рука изготовлена из легкого пластика. Большинство деталей, несущих основную нагрузку, также выполнены из пластика. Двигатели постоянного тока, использованные в конструкции руки, представляют собой миниатюрные высокооборотные двигатели с низким крутящим моментом. Для увеличения крутящего момента каждый мотор соединен с редуктором. Двигатели вместе с редукторами установлены внутри конструкции руки-манипулятора. Хотя редуктор увеличивает крутящий момент, рука робота не может поднять или нести достаточно тяжелые предметы. Рекомендуемый максимально допустимый вес при поднятии составляет 130 г.

Набор для изготовления руки робота и его компоненты представлены на рисунках 15.2 и 15.3.

Рис. 15.2. Набор для изготовления руки-робота

Рис. 15.3. Редуктор перед сборкой

Принцип управления двигателями

Для того чтобы понять принцип работы управления по проводам, посмотрим, как цифровой сигнал управляет работой отдельного двигателя постоянного тока. Для управления двигателем требуются два комплементарных транзистора. Один транзистор имеет проводимость PNP типа, другой – соответственно проводимость NPN типа. Каждый транзистор работает как электронный ключ, управляя движением тока, протекающего через двигатель постоянного тока. Направления движения тока, управляемые каждым из транзисторов, противоположны. Направление тока определяет направление вращения двигателя соответственно по часовой стрелке или против часовой стрелки. На рис. 15.4 приведена тестовая схема, которую вы можете собрать перед изготовлением интерфейса. Обратите внимание, что когда оба транзистора заперты, то двигатель выключен. В каждый момент времени должен быть включен только один транзистор. Если в какой-то момент оба транзистора случайно окажутся открытыми, то это приведет к короткому замыканию. Каждый двигатель управляется двумя транзисторами интерфейса, работающими аналогичным образом.

Рис. 15.4. Схема устройства проверки

Конструкция интерфейса для PC

Схема PC интерфейса приведена на рис. 15.5. В набор деталей PC интерфейса входит печатная плата, расположение деталей на которой показано на рис. 15.6.

Рис. 15.5. Принципиальная схема интерфейса РС

Рис. 15.6. Схема расположения деталей РС интерфейса

Прежде всего нужно определить сторону монтажа печатной платы. На стороне монтажа прочерчены белые линии, обозначающие резисторы, транзисторы, диоды, ИС и разъем DB25. Все детали вставляются в плату с монтажной стороны.

Общее указание: после пайки детали к проводникам печатной платы необходимо удалить излишне длинные выводы со стороны печати. Очень удобно следовать определенной последовательности при монтаже деталей. Сперва смонтируйте резисторы 100 кОм (цветная маркировка колец: коричневое, черное, желтое, золотое или серебряное), которые обозначены R1-R10. Затем смонтируйте 5 диодов D1-D5, убедившись, что черная полоска на диодах находится напротив разъема DB25, как это показано белыми линиями, нанесенными на монтажную сторону печатной платы. Затем смонтируйте резисторы 15 кОм (цветная маркировка, коричневый, зеленый, оранжевый, золотой или серебряный), обозначенные R11 и R13. В позиции R12 припаяйте к плате красный светодиод. Анод светодиода соответствует отверстию под R12, обозначенному знаком +. Затем смонтируйте 14– и 20-контактные панельки под ИС U1 и U2. Смонтируйте и впаяйте разъем DB25 уголкового типа. Не пытайтесь вставлять ножки разъема в плату с излишним усилием, здесь требуется исключительно точность. При необходимости осторожно покачайте разъем, стараясь не погнуть ножки выводов. Закрепите движковый переключатель и регулятор напряжения типа 7805. Отрежьте четыре куска провода необходимой длины и припаяйте к верхней части переключателя. Придерживайтесь расположения проводов, как показано на рисунке. Вставьте и впаяйте транзисторы TIP 120 и TIP 125. Наконец, впаяйте восьмиконтактный цокольный разъем и соединительный 75 миллиметровый кабель. Цоколь монтируется так, что наиболее длинные выводы смотрят вверх. Вставьте две ИС – 74LS373 и 74LS164 – в соответствующие панельки. Убедитесь, что положение ключа ИС на ее крышке совпадает с ключом, помеченным белыми линиями на печатной плате. Вы могли заметить, что на плате остались места под дополнительные детали. Это место предназначено для сетевого адаптера. На рис. 15.7 показана фотография готового интерфейса со стороны монтажа.

Рис. 15.7. РС интерфейс в сборе. Вид сверху

Принцип работы интерфейса

Рука-манипулятор имеет пять двигателей постоянного тока. Соответственно нам потребуются 10 шин входа/выхода для управления каждым двигателем, включая направление вращения. Параллельный (принтерный) порт IBM PC и совместимых машин содержит только восемь шин ввода/вывода. Для увеличения числа шин управления в интерфейсе руки робота используется ИС 74LS164, которая является преобразователем последовательного кода в параллельный (SIPO). При использовании всего двух шин параллельного порта D0 и D1, по которым посылается последовательный код в ИС, мы можем получить восемь дополнительных шин ввода/вывода. Как уже говорилось, можно создать восемь шин ввода/вывода, но в данном интерфейсе используются пять из них.

Когда последовательный код поступает на вход ИС 74LS164, на выходе ИС появляется соответствующий параллельный код. Если бы выходы ИС 74LS164 были непосредственно подключены к входам управляющих транзисторов, то отдельные функции руки-манипулятора включались и выключались бы в такт посылке последовательного кода. Очевидно, что такая ситуация является недопустимой. Чтобы избежать этого, в схему интерфейса введена вторая ИС 74LS373 – управляемый восьмиканальный электронный ключ.

ИС 74LS373 восьмиканальный ключ имеет восемь входных и восемь выходных шин. Двоичная информация, присутствующая на входных шинах передается на соответствующие выходы ИС только в том случае, если на ИС подан разрешающий сигнал. После выключения разрешающего сигнала текущее состояние выходных шин сохраняется (запоминается). В этом состоянии сигналы на входе ИС не оказывают никакого действия на состояние выходных шин.

После передачи последовательного пакета информации в ИС 74LS164 с вывода D2 параллельного порта подается разрешающий сигнал на ИС 74LS373. Это позволяет передать информацию уже в параллельном коде с входа ИС 74LS174 на ее выходные шины. Состоянием выходных шин управляются соответственно транзисторы TIP 120, которые, в свою очередь, управляют функциями руки-манипулятора. Процесс повторяется при подаче каждой новой команды на руку-манипулятор. Шины параллельного порта D3-D7 управляют непосредственно транзисторами TIP 125.

Подключение интерфейса к руке-манипулятору

Питание роботизованной руки-манипулятора осуществляется от источника питания 6 В, состоящего из четырех D-элементов, расположенных в основании конструкции. Интерфейс PC питается также от этого источника 6 В. Источник питания является биполярным и выдает напряжения ±3 В. Питание на интерфейс подается через восьмиконтактный разъем Molex, присоединенный к основанию манипулятора.

Присоедините интерфейс к руке-манипулятору при помощи восьмижильного кабеля Molex длиной 75 мм. Кабель Molex присоединяется к разъему, расположенному в основании манипулятора (см. рис. 15.8). Проверьте правильность и надежность вставки разъема. Для соединения платы интерфейса с компьютером используется кабель типа DB25 длиной 180 см, имеющийся в наборе. Один конец кабеля присоединяется к порту принтера. Другой конец соединяется с разъемом DB25 на плате интерфейса.

Рис. 15.8. Соединение РС интерфейса с рукой-роботом

В большинстве случаев к порту принтера штатно подключен принтер. Чтобы не заниматься присоединением и отключением разъемов каждый раз, когда вы хотите использовать манипулятор, полезно приобрести двухпозиционный блок переключателя шин принтеров A/B (DB25). Присоедините разъем интерфейса манипулятора к входу А, а принтер – к входу В. Теперь вы можете использовать переключатель для соединения компьютера либо с принтером, либо с интерфейсом.

Установка программы под Windows 95

Вставьте дискету 3,5" с меткой «Disc 1» в дисковод для флоппи-дисков и запустите программу установки (setup.exe). Программа установки создаст директорию с именем «Images» на жестком диске и скопирует необходимые файлы в эту директорию. В Start меню появится иконка Images. Для запуска программы щелкните по иконке Images в стартовом меню.

Работа с программой под Windows 95

Соедините интерфейс с портом принтера компьютера при помощи кабеля DB 25 длиной 180 см. Соедините интерфейс с основанием руки-манипулятора. До определенного времени держите интерфейс в выключенном состоянии. Если в это время включить интерфейс, то сохранившаяся в порту принтера информация может вызвать движения руки-манипулятора.

Щелкнув два раза по иконке Images в стартовом меню, запустите программу. Окно программы показано на рис. 15.9. При работе программы красный светодиод на плате интерфейса должен мигать. Примечание: чтобы светодиод начал мигать, включение питания интерфейса не требуется. Скорость мигания светодиода определяется скоростью работы процессора вашего компьютера. Мерцание светодиода может оказаться очень тусклым; для того чтобы это заметить, вам, возможно, придется уменьшить освещенность в комнате и сложить ладони «колечком» для наблюдения за светодиодом. Если светодиод не мигает, то, возможно, программа обращается по ошибочному адресу порта (порт LPT). Для переключения интерфейса на другой адрес порта (LPT порт), зайдите в окно меню установки адреса порта принтера (Printer Port Options box), расположенного в правом верхнем углу экрана. Выберите другую опцию. Правильная установка адреса порта вызовет мигание светодиода.

Рис. 15.9. Скриншот программы РС интерфейса под Windows

Когда светодиод будет мигать, щелкните по иконке Puuse и только после этого включите интерфейс. Щелчок соответствующей функциональной клавиши вызовет ответное движение руки-манипулятора. Повторный Щелчок приведет к остановке движения. Использование функциональных клавиш для управления рукой называется интерактивной модой управления.

Создание script-файла

Для программирования движений и автоматизированных последовательностей действий руки-манипулятора используются script-файлы. Script-файл содержит список временных команд, управляющих движениями руки-манипулятора. Создать script-файл очень просто. Для создания файла кликните по функциональной клавише program. Эта операция позволит войти в моду «программирования» script-файла. Нажимая на функциональные клавиши, мы будем управлять движениями руки, как мы уже делали, но при этом информация команд будет записываться в желтую script-таблицу, расположенную в нижнем левом углу экрана. Номер шага, начиная с единицы, будет указан в левой колонке, а для каждой новой команды он будет увеличиваться на единицу. Тип движения (функции) указан в средней колонке. После повторного щелчка функциональной клавиши выполнение движения прекращается, а в третьей колонке появляется значение времени выполнения движения от его начала до окончания. Время выполнения движения указывается с точностью до четверти секунды. Продолжая таким же образом, пользователь может запрограммировать в script-файл до 99 движений, включая паузы во времени. Затем script-файл можно сохранить, а в дальнейшем загрузить из любой директории. Выполнение команд script-файла можно циклически повторить до 99 раз, для чего необходимо ввести количество повторов в окно Repeat и нажать Start. Для окончания записи в script-файл нажмите клавишу Interactive. Эта команда переведет компьютер обратно в интерактивный режим.

«Оживление» предметов

Script-файлы могут быть использованы для компьютерной автоматизации действий или для «оживления» предметов. В случае «оживления» предметов управляемый роботизованный механический «скелет» обычно покрыт внешней оболочкой и сам не виден. Помните куклу-перчатку, описанную в начале главы? Внешняя оболочка может иметь вид человека (частично или полностью), пришельца, животного, растения, камня и чего-либо еще.

Ограничения области применения

Если вы хотите достичь профессионального уровня выполнения автоматизированных действий или «оживления» предметов, то, так сказать, для поддержания марки, точность позиционирования при выполнении движений в каждый момент времени должна приближаться к 100 %.

Однако вы можете заметить, что по мере повторения последовательности действий, записанных в script-файле, положение руки-манипулятора (паттерн-движения) будет отличаться от первоначального. Это происходит по нескольким причинам. По мере разряда батарей источника питания руки-манипулятора уменьшение мощности, подводимой к двигателям постоянного тока, приводит к снижению крутящего момента и скорости вращения двигателей. Таким образом, длина перемещения манипулятора и высота поднятого груза за один и тот же промежуток времени будет различаться для севших и «свежих» батарей. Но причина не только в этом. Даже при стабилизированном источнике питания частота вращения вала двигателя будет меняться, поскольку отсутствует регулятор частоты вращения двигателя. Для каждого фиксированного отрезка времени количество оборотов каждый раз будет немного отличаться. Это приведет к тому, что каждый раз будет различаться и положение руки-манипулятора. В довершение ко всему, в шестернях редуктора имеется определенный люфт, который также не принимается во внимание. Под влиянием всех этих факторов, которые мы здесь подробно рассмотрели, при выполнении цикла повторяющихся команд script-файла положение руки-манипулятора будет каждый раз немного различаться.

Поиск исходного положения

Можно усовершенствовать работу устройства, добавив в него схему обратной связи, которая отслеживает положение руки-манипулятора. Эта информация может быть введена в компьютер, что позволит определить абсолютное положение манипулятора. С такой системой позиционной обратной связи возможна установка положения руки-манипулятора в одну и ту же точку в начале выполнения каждой последовательности команд, записанных в script-файле.

Для этого существует много возможностей. В одном из основных методов позиционный контроль в каждой точке не предусмотрен. Вместо этого используется набор концевых выключателей, которые соответствуют исходной «стартовой» позиции. Концевые выключатели определяют точно только одну позицию – когда манипулятор доходит до положения «старт». Чтобы это сделать, необходимо установить последовательность концевых выключателей (кнопок) таким образом, чтобы они замыкались, когда манипулятор достигает крайнего положения в том или ином направлении. Например, один конечный выключатель можно установить на основании манипулятора. Выключатель должен срабатывать только тогда, когда рука-манипулятор достигнет крайнего положения при вращении по часовой стрелке. Другие конечные выключатели нужно установить на плечевом и локтевом сочленении. Они должны срабатывать при полном разгибании соответствующего сочленения. Еще один выключатель устанавливается на кисти и срабатывает, когда кисть поворачивается до упора по часовой стрелке. Последний концевой выключатель устанавливается на захвате и замыкается при его полном открывании. Чтобы поставить манипулятор в исходное положение, каждое возможное движение манипулятора осуществляется в сторону, необходимую для замыкания соответствующего концевого выключателя до тех пор, пока этот выключатель не замкнется. После того как достигнуто начальное положение для каждого движения, компьютер будет точно «знать» истинное положение руки-манипулятора.

После достижения исходного положения мы можем заново запустить программу, записанную в script-файле, исходя из предположения, что ошибка позиционирования во время выполнения каждого цикла будет накапливаться достаточно медленно, что не будет приводить к слишком большим отклонениям положения манипулятора от желаемого. После выполнения script-файла рука выставляется в исходное положение, и цикл работы script-файла повторяется.

В некоторых последовательностях знание только исходного положения оказывается недостаточным, например при поднятии яйца без риска раздавить его скорлупу. В подобных случаях необходима более сложная и точная система позиционной обратной связи. Сигналы с датчиков могут быть обработаны с помощью АЦП. Полученные сигналы могут быть использованы для определения значений таких параметров, как положение, давление, скорость и вращающий момент. В качестве иллюстрации можно привести следующий простой пример. Представьте, что вы прикрепили небольшой линейный переменный резистор к узлу захвата. Переменный резистор установлен таким образом, что перемещение его движка вперед и назад связано с открытием и закрытием захвата. Таким образом, в зависимости от степени открывания захвата меняется сопротивление переменного резистора. После проведения калибровки, с помощью измерения текущего сопротивления переменного резистора можно точно установить угол раскрытия зажимов захвата.

Создание подобной системы обратной связи вводит еще один уровень сложности в устройство и, соответственно, приводит к его удорожанию. Поэтому более простым вариантом является введение системы ручного управления для корректировки положения и движений руки-манипулятора в процессе выполнения script-программы.

Система ручного управления интерфейсом

После того как вы убедитесь, что интерфейс работает правильным образом, вы можете с помощью 8-контактного плоского разъема подключить к нему блок ручного управления. Проверьте положение подключения 8-контактного разъема Molex к головке разъема на плате интерфейса, как показано на рис. 15.10. Аккуратно вставьте разъем до его надежного соединения. После этого рукой-манипулятором можно управлять с ручного пульта в любой момент времени. Не имеет значения, соединен ли интерфейс с компьютером или нет.

Рис. 15.10. Подключение ручного управления

Программа DOS управления с клавиатуры

Имеется DOS программа, позволяющая управлять работой руки-манипулятора с клавиатуры компьютера в интерактивном режиме. Список клавиш, соответствующих выполнению той или иной функции, приведен в таблице.

B голосовом управлении рукой-манипулятором используется набор распознавания речи (УРР), который был описан в гл. 7. В этой главе мы изготовим интерфейс, связывающий УРР с рукой-манипулятором. Этот интерфейс также предлагается в виде набора компанией Images SI, Inc.

Схема интерфейса для УРР показана на рис. 15.11. В интерфейсе использован микроконтроллер 16F84. Программа для микроконтроллера выглядит следующим образом:

‘Программа интерфейса УРР

Symbol PortA = 5

Symbol TRISA = 133

Symbol PortB = 6

Symbol TRISB = 134

If bit4 = 0 then trigger ‘Если запись в триггер разрешена, читать схе

Goto start ‘Повторение

pause 500 ‘Ожидание 0,5 с

Peek PortB, B0 ‘Чтение кода BCD

If bit5 = 1 then send ‘Выходной код

goto start ‘Повторение

peek PortA, b0 ‘Чтение порта А

if bit4 = 1 then eleven ‘Число есть 11?

poke PortB, b0 ‘Выходной код

goto start ‘Повторение

if bit0 = 0 then ten

goto start ‘Повторение

goto start ‘Повторение

Рис. 15.11. Схема контроллера УРР для руки-робота

Обновление программы под 16F84 можно бесплатно загрузить из http://www.imagesco.com

Программирование интерфейса УРР

Программирование интерфейса УРР аналогично процедуре программирования УРР из набора, описанного в гл. 7. Для правильной работы руки-манипулятора вы должны запрограммировать командные слова соответственно номерам, соответствующим определенному движению манипулятора. В табл. 15.1 приведены примеры командных слов, управляющих работой руки-манипулятора. Вы можете выбрать командные слова по вашему вкусу.

Таблица 15.1

Список деталей для интерфейса PC

(5) Транзистор NPN TIP120

(5) Транзистор PNP TIP 125

(1) ИС 74164 преобразователь кода

(1) ИС 74LS373 восемь ключей

(1) Светодиод красный

(5) Диод 1N914

(1) Гнездо разъема Molex на 8 контактов

(1) Кабель Molex 8-жильный длиной 75 мм

(1) Двухпозиционный переключатель

(1) Разъем уголковый типа DB25

(1) Кабель DB 25 1,8 м с двумя разъемами М – типа.

(1) Печатная плата

(3) Резистор 15 кОм, 0,25 Вт

Все перечисленные детали входят в комплект набора.

Список деталей для интерфейса распознавания речи

(5) Транзистор NPN TIP 120

(5) Транзистор PNP TIP 125

(1) ИС 4011 логический элемент ИЛИ-НЕ

(1) ИС 4049 – 6 буферов

(1) ИС 741 операционный усилитель

(1) Резистор 5,6 кОм, 0,25 Вт

(1) Резистор 15 кОм, 0,25 Вт

(1) Головная часть разъема Molex 8 контактов

(1) Кабель Molex 8 жил, длина 75 мм

(10) Резистор 100 кОм, 0,25 Вт

(1) Резистор 4,7 кОм, 0,25 Вт

(1) ИС регулятор напряжения 7805

(1) ИС PIC 16F84 микроконтроллер

(1) Кварцевый резонатор 4,0 МГц

Набор интерфейса руки-манипулятора

Набор для изготовления руки манипулятора компании OWI

Интерфейс распознавания речи для руки-манипулятора

Набор устройства распознавания речи

Детали можно заказать в:

Images, SI, Inc.

Сначала будут затронуты общие вопросы, потом технические характеристики результата, детали, а под конец и сам процесс сборки.

В целом и общем

Создание данного устройства в целом не должно вызвать каких-то сложностей. Необходимо будет качественно продумать только возможности что будет довольно сложно осуществить с физической точки зрения, чтобы рука-манипулятор выполняла поставленные перед ней задачи.

Технические характеристики результата

Будет рассматриваться образец с параметрами длины/высоты/ширины соответственно 228/380/160 миллиметров. Вес сделанной, будет составлять примерно 1 килограмм. Для управления используется проводной дистанционный пульт. Ориентировочное время сборки при наличии опыта - около 6-8 часов. Если его нет, то могут уйти дни, недели, а при попустительстве и месяцы, чтобы была собрана рука-манипулятор. Своими руками и одному в таких случаях стоит делать разве что для своего собственного интереса. Для движения составляющих используются коллекторные моторы. Приложив достаточно усилий, можно сделать прибор, который будет поворачиваться на 360 градусов. Также для удобства работы, кроме стандартного инструментария вроде паяльника и припоя, необходимо запастись:

1. Удлинёнными плоскогубцами.
2. Боковыми кусачками.
3. Крестовой отверткой.
4. 4-мя батарейками типа D.

Пульт дистанционного управления можно реализовать, используя кнопки и микроконтроллер. При желании сделать дистанционное беспроводное управление элемент контроля действий понадобится и в руке-манипуляторе. В качестве дополнений необходимы будут только устройства (конденсаторы, резисторы, транзисторы), которые позволят стабилизировать схему и передавать по ней в нужные моменты времени ток необходимой величины.

Мелкие детали

Для регуляции количества оборотов можно использовать переходные колесики. Они позволят сделать движение руки-манипулятора плавными.

Также необходимо позаботится о том, чтобы провода не усложняли её движения. Оптимальным будет проложить их внутри конструкции. Можно сделать всё и извне, такой подход сэкономит время, но потенциально может привести к сложностям в перемещении отдельных узлов или всего устройства. А теперь: как сделать манипулятор?

Сборка в общих чертах

Теперь приступаем непосредственно к созданию руки-манипулятора. Начинаем с основания. Необходимо обеспечить возможность поворота устройства во все стороны. Хорошим решением будет его размещение на дисковой платформе, которая приводится во вращение с помощью одного мотора. Чтобы она могла вращаться в обе стороны, существует два варианта:

1. Установка двух двигателей. Каждый из них будет отвечать за поворот в конкретную сторону. Когда один работает, второй пребывает в состоянии покоя.
2. Установка одного двигателя со схемой, которая сможет заставить его крутится в обе стороны.

Какой из предложенных вариантов выбрать, зависит исключительно от вас. Далее делается основная конструкция. Для комфорта работы необходимо два «сустава». Прикреплённый к платформе должен уметь наклоняться в разные стороны, что решается с помощью двигателей, размещённых в его основании. Ещё один или пару следует разместить в месте локтевого изгиба, чтобы часть захвата можно было перемещать по горизонтальной и вертикальной линии системы координат. Далее, при желании получить максимальные возможности, можно установить ещё двигатель в месте запястья. Далее наиболее необходимое, без чего не представляется рука-манипулятор. Своими руками предстоит сделать само устройство захвата. Тут существует множество вариантов реализации. Можно дать наводку по двум самым популярным:

1. Используется только два пальца, которые одновременно сжимают и разжимают объект захвата. Является самой простой реализацией, которая, правда, обычно не может похвастаться значительной грузоподъёмностью.
2. Создаётся прототип человеческой руки. Тут для всех пальцев может использоваться один двигатель, с помощью которого будет осуществляться сгиб/разгиб. Но можно сделать и конструкцию сложней. Так, можно к каждому пальцу подсоединить по двигателю и управлять ими отдельно.

Далее остаётся сделать пульт, с помощью которого будет оказываться влияние на отдельные двигатели и темпы их работы. И можно приступать к экспериментам, используя робот-манипулятор, своими руками сделанный.

Возможные схематические изображения результата

Предоставляет широкие возможности для творческих измышлений. Поэтому предоставляются вашему вниманию несколько реализаций, которые можно взять за основу для создания своего собственного устройства подобного предназначения.

Любая представленная схема манипулятора может быть усовершенствована.

Заключение

Важным в робототехнике является то, что практически не существует ограничения по функциональному улучшению. Поэтому при желании создать настоящее произведение искусства не составит труда. Говоря о возможных путях дополнительного улучшения, следует отметить кран-манипулятор. Своими руками сделать такое устройство не составит труда, одновременно оно позволит приучить детей к творческому труду, науке и конструировании. А это в свою очередь позитивно может сказаться на их будущей жизни. Сложно ли будет сделать кран-манипулятор своими руками? Это не так проблемно, как может показаться на первый взгляд. Разве что стоит позаботиться о наличии дополнительных мелких деталей вроде троса и колёс, по которым он будет крутиться.

Эта статья — вводное руководство для новичков по созданию роботизированных рук, которые программируются при помощи Ардуино. Концепция состоит в том, что проект роборуки будет недорогим и простым в сборке. Мы соберём несложный прототип с кодом, который можно и нужно оптимизировать, это станет для вас отличным стартом в робототехнике. Робот-манипулятор на Ардуино управляется хакнутым джойстиком и может быть запрограммирован на повторение последовательности действий, которую вы зададите. Если вы не сильны в программировании, то можете заняться проектом в качестве тренировки по сборке «железа», залить в него мой код и получить на его основе базовые знания. Повторюсь, проект достаточно простой.

На видео — демка с моим роботом.

Шаг 1: Список материалов

Нам понадобится:

1. Плата Ардуино. Я использовал Уно, но любая из разновидностей одинаково хорошо справится с задачами проекта.
2. Сервоприводы, 4 самых дешевых, что вы найдёте.
3. Материалы для корпуса на ваш вкус. Подойдёт дерево, пластик, метал, картон. Мой проект собран из старого блокнота.
4. Если вы не захотите заморачиваться с печатной платой, то понадобится макетная плата. Подойдёт плата небольшого размера, поищите варианты с джамперами и блоком питания — они бывают достаточно дешевы.
5. Что-то для основания руки — я использовал банку от кофе, это не самый лучший вариант, но это всё, что я смог найти в квартире.
6. Тонкая нить для механизма руки и иголка для проделывания отверстий.
7. Клей и изолента, чтобы скрепить всё воедино. Нет ничего, что нельзя было бы скрепить изолентой и горячим клеем.
8. Три резистора на 10K. Если у вас не найдётся резисторов, то в коде на такие случаи есть обходной манёвр, однако лучшим вариантом будет купить резисторы .

Шаг 2: Как всё работает

На приложенном рисунке изображен принцип работы руки. Также я объясню всё на словах. Две части руки соединены тонкой нитью. Середина нити соединена с сервоприводом руки. Когда сервопривод тянет нить — рука сжимается. Я оснастил руку пружиной из шариковой ручки, но если у вас есть более гибкий материал, можете использовать его.

Шаг 3: Модифицируем джойстик

Предположив, что вы уже закончили сборку механизма руки, я перейду к части с джойстиком.

Для проекта использовался старый джойстик, но в принципе подойдёт любой устройство с кнопками. Аналоговые кнопки (грибы) используются для управления сервоприводами, так как по сути это просто потенциометры. Если у вас нет джойстика, то можете использовать три обычных потенциометра, но если вы, как и я, модифицируете старый джойстик своими руками, то вот что вам нужно сделать.

Я подключил потенциометры к макетной плате, у каждого из них есть по три клеммы. Одну из них нужно соединить с GND, вторую с +5V на Ардуино, а среднюю на вход, который мы определим позже. Мы не будем использовать ось Y на левом потенциометре, поэтому нам нужен только потенциометр над джойстиком.

Что касается переключателей, соедините +5V с одним его концом, а провод, который идёт на другой вход Ардуино со вторым концом. Мой джойстик имеет общую для всех переключателей линию на +5V. Я подключил всего 2 кнопки, но затем подключил еще одну, так как в ней появилась необходимость.

Также важно обрезать провода, которые идут к чипу (черный круг на джойстике). Когда вы завершите всё вышеописанное, можно приступить к проводке.

Шаг 4: Электропроводка нашего устройства

На фотографии изображена электропроводка устройства. Потенциометры — это рычажки на джойстике. Локоть (Elbow) — это правая ось Y, Основа (Base) — это правая ось X, Плечо (Shoulder) — это левая ось X. Если вам захочется поменять направление движения сервоприводов, просто смените положение проводов +5V и GND на соответствующем потенциометре.

Шаг 5: Загрузка кода

На этом этапе нам нужно скачать приложенный код на компьютер, а затем загрузить его на Ардуино.

Заметка: если до этого вы уже загружали код на Ардуино, то просто пропустите этот шаг — вы не узнаете ничего нового.

1. Откройте ИДЕ Ардуино и вставьте в него код
2. В Tools/Board выберите вашу плату
3. В Tools/Serial Port выберите порт, к которому подключена ваша плата. Скорее всего, выбор будет состоят из одного пункта.
4. Нажмите кнопку Upload.

Вы можете изменить диапазон работы сервоприводов, в коде я оставил заметки о том, как это осуществить. Скорее всего, код будет работать без проблем, вам нужно будет лишь поменять параметр сервопривода руки. Этот параметр зависит от того, как вы настроили нить, поэтому я рекомендую точно подобрать его.

Если вы не используете резисторы, то вам нужно будет модифицировать код в том месте, где я оставил об этом заметки.

Файлы

Шаг 6: Запуск проекта

Робот контролируется движениями на джойстике, рука сжимается и разжимается при помощи кнопки для руки. На видео показано, как все работает в реальной жизни.

Вот способ, которым можно запрограммировать руку:

1. Откройте Serial Monitor в Ардуино ИДЕ, это позволить проще следить за процессом.
2. Сохраните начальную позицию, кликнув Save.
3. За один раз двигайте лишь одним сервоприводом, например, Плечо вверх, и жмите save.
4. Активируйте руку также только на её шаге, а затем сохраняйте нажатием save. Деактивация также производится на отдельном шаге с последующим нажатием save.
5. Когда закончите последовательность команд, нажмите кнопку play, робот перейдёт в начальное положение и затем начнёт двигаться.
6. Если вы захотите остановить его — отсоедините кабель или нажмите кнопку reset на плате Ардуино.

Если вы всё сделали правильно, то результат будет похож на этот!

Надеюсь, урок был вам полезен!

Из особенностей данного робота на платформе Arduino можно отметить сложность его конструкции. Роборука состоит из множества рычагов, которые позволяют ей двигаться по всем осям, хватать и перемещать различные вещи, используя всего 4 серво-мотора. Собрав собственными руками такого робота, Вы точно сможете удивить своих друзей и близких возможностями и приятным видом данного устройства! Помните, что для программирования Вы всегда сможете воспользоваться нашей графической средой RobotON Studio!

Если у Вас появятся вопросы или замечания, мы всегда на связи! Создавайте и выкладывайте свои результаты!

Особенности:

Чтобы собрать робота манипулятора своими руками, вам понадобится довольно много компонентов. Основную часть занимают 3D печатные детали, их около 18 штук (печатать горку необязательно).Если вы скачали и распечатали все необходимое, то вам потребуются болты, гайки и электроника:

• 5 болтов М4 20мм, 1 на 40 мм и соответствующие гайки с защитой от раскрутки
• 6 болтов М3 10мм, 1 на 20 мм и соответствующие гайки
• Макетка с соединительными проводами или шилд
• Arduino Nano
• 4 серво мотора SG 90

После сборки корпуса ВАЖНО убедиться в его свободной подвижности. Если ключевые узлы Роборуки двигаются с трудом, серво-моторы могут не справиться с нагрузкой. Собирая электронику, необходимо помнить, что подключать цепь к питанию лучше после полной проверки соединений. Чтобы избежать поломки серво-приводов SG 90, не нужно крутить руками сам мотор, если нет необходимости. В случае, если нужно разработать SG 90, нужно плавно подвигать вал мотора в разные стороны.

Характеристики:

• Простое программирование ввиду наличия малого количества моторов, причем одного типа
• Наличие мертвых зон для некоторых серво-приводах
• Широкая применимость робота в повседневной жизни
• Интерсная инженерная работа
• Необходимость использования 3D принтера

Привет, гиктаймс!

Проект uArm от uFactory собрал средства на кикстартере уже больше двух лет назад. Они с самого начала говорили, что это будет открытый проект, но сразу после окончания компании они не торопились выкладывать исходники. Я хотел просто порезать оргстекло по их чертежам и все, но так как исходников не было и в обозримом будущем не предвиделось, то я принялся повторять конструкцию по фотографиям.

Сейчас моя робо-рука выглядит так:

Работая не спеша за два года я успел сделать четыре версии и получил достаточно много опыта. Описание, историю проекта и все файлы проекта вы сможете найти под катом.

Пробы и ошибки

Начиная работать над чертежами, я хотел не просто повторить uArm, а улучшить его. Мне казалось, что в моих условиях вполне можно обойтись без подшипников. Так же мне не нравилось то, что электроника вращается вместе со всем манипулятором и хотелось упростить конструкцию нижней части шарнира. Плюс я начал рисовать его сразу немного меньше.

С такими входными параметрами я нарисовал первую версию. К сожалению, у меня не сохранилось фотографий той версии манипулятора (который был выполнен в желтом цвете). Ошибки в ней были просто эпичнейшие. Во-первых, ее было почти невозможно собрать. Как правило, механика которую я рисовал до манипулятора, была достаточно простая, и мне не приходилось задумываться о процессе сборки. Но все-таки я его собрал и попробовал запустить, И рука почти не двигалась! Все детли крутились вокруг винтов и, сли я затягивал их так, чтобы было меньше люфтов, она не могла двигаться. Если ослаблял так, чтобы она могла двигаться, появлялись невероятные люфты. В итоге концепт не прожил и трех дней. И приступил к работе над второй версией манипулятора.

Красный был уже вполне пригоден к работе. Он нормально собирался и со смазкой мог двигаться. На нем я смог протестировать софт, но все-таки отсутствие подшипников и большие потери на разных тягах делали его очень слабым.

Затем я забросил работу над проектом на какое-то время, но вскоре принял решении довести его до ума. Я решил использовать более мощные и популярные сервоприводы, увеличить размер и добавить подшипники. Причем я решил, что не буду пытаться сделать сразу все идеально. Я набросал чертежи на скорую руки, не вычерчивая красивых сопряжений и заказал резку из прозрачного оргстекла. На получившемся манипуляторе я смог отладить процесс сборки, выявил места, нуждающиеся в дополнительном укреплении, и научился использовать подшипники.

После того, как я вдоволь наигрался с прозрачным манипулятором, я засел за чертежи финальной белой версии. Итак, сейчас вся механика полностью отлажена, устраивает меня и готов заявить, что больше ничего не хочу менять в этой конструкции:

Меня удручает то, что я не смог привнести ничего принципиально нового в проект uArm. К тому времени, как я начал рисовать финальную версию, они уже выкатили 3D-модели на GrabCad. В итоге я только немного упростил клешню, подготовил файлы в удобном формате и применил очень простые и стандартные комплектующие.

Особенности манипулятора

До появления uArm, настольные манипуляторы подобного класса выглядели достаточно уныло. У них либо не было электроники вообще, либо было какое-нибудь управление с резисторами, либо было свое проприетарное ПО. Во-вторых, они как правило не имели системы параллельных шарниров и сам захват менял свое положение в процессе работы. Если собрать все достоинства моего манипулятора, то получается достаточно длинный список:

1. Система тяг, позволяющих разместить мощные я тяжелые двигатели в основании манипулятора, а также удерживающие захват параллельно или перпендикулярно основанию
2. Простой набор комплектующих, которые легко купить или вырезать из оргстекла
3. Подшипники почти во всех узлах манипулятора
4. Простота сборки. Это оказалось действительно сложной задачей. Особенно трудно было продумать процесс сборки основания
5. Положение захвата можно менять на 90 градусов
6. Открытые исходники и документация. Все подготовлено в доступных форматах. Я дам ссылки для скачивания на 3D-модели, файлы для резки, список материалов, электронику и софт
7. Arduino-совместимость. Есть много противников Arduino, но я считаю, что это возможность расширения аудитории. Профессионалы вполне могут написать свой софт на C - это же обычный контроллер от Atmel!

Механика

Для сборки необходимо вырезать детали из оргстекла толщиной 5мм:

С меня за резку всех этих деталей взяли около $10.

Основание монтируется на большом подшипнике:

Особенно трудно было продумать основание с точки зрения процесса сборки, но я подглядывал за инженерами из uArm. Качалки сидят на штифте диаметром 6мм. Надо отметить, что тяга локтя у меня держится на П-образном держателе, а у uFactory на Г-образном. Трудно объяснить в чем разница, но я считаю у меня получилось лучше.

Захват собирается отдельно. Он может поворачиваться вокруг своей оси. Сама клешня сидит прямо на валу двигателя:

В конце статьи я дам ссылку на суперподробную инструкцию по сборке в фотографиях. За пару часов можно уверенно все это скрутить, если все необходимое есть под рукой. Также я подготовил 3D-модель в бесплатной программе SketchUp. Её можно скачать, покрутить и посмотреть что и как собрано.

Электроника

Чтобы заставить руку работать достаточно всего навсего подключить пять сервоприводов к Arduino и подать на них питание с хорошего источника. У uArm использованы какие-то двигатели с обратной связью. Я поставил три обычных двигателя MG995 и два маленьких двигателя с металлическим редуктором для управления захватом.

Тут мое повествование тесно сплетается с предыдущими проектами. С некоторых пор я начал преподавать программирование Arduino и для этих целей даже подготовил свою Arduino-совместимую плату . С другой стороны как-то раз мне подвернулась возможность дешево изготовить платы (о чем я тоже писал). В итоге все это закончилось тем, что я использовал для управления манипулятором свою собственную Arduino-совместимую плату и специализированный шилд.

Этот шилд на самом деле очень простой. На нем четыре переменных резистора, две кнопки, пять разъемов для сервопривода и разъем питания. Это очень удобно с точки зрения отладки. Можно загрузить тестовый скетч и записать какой-нибудь макрос для управления или что-нибудь вроде того. Ссылку для скачивания файла платы я тоже дам в конце статьи, но она подготовлена для изготовления с металлизацией отверстий, так что мало пригодна для домашнего производства.

Программирование

Самое интересное, это управление манипулятором с компьютера. У uArm есть удобное приложение для управления манипулятором и протокол для работы с ним. Компьютер отправляет в COM-порт 11 байт. Первый из них всегда 0xFF, второй 0xAA и некоторые из оставшихся - сигналы для сервоприводов. Далее эти данные нормализуются и отдаются на отработку двигателям. У меня сервоприводы подключены к цифровым входам/выходам 9-12, но это легко можно поменять.

Терминальная программа от uArm позволяет изменять пять параметров при управлении мышью. При движении мыши по поверхности изменяется положение манипулятора в плоскости XY. Вращение колесика - изменение высоты. ЛКМ/ПКМ - сжать/разжать клешню. ПКМ + колесико - поворот захвата. На самом деле очень удобно. При желании можно написать любой терминальный софт, который будет общаться с манипулятором по такому же протоколу.

Я не буду здесь приводить скетчи - скачать их можно будет в конце статьи.

Видео работы

И, наконец, само видео работы манипулятора. На нем показано управление мышью, резисторами и по заранее записанной программе.

Ссылки

Файлы для резки оргстекла, 3D-модели, список для покупки, чертежи платы и софт можно скачать в конце моей