Глава 9 Робот – система телеслежения В этой главе мы построим робота – систему телеслежения. Как уже было показано в гл. 2, подобные роботы находят широкое применение в науке, бизнесе, индустрии развлечений, военном деле, различного рода исследованиях и

Шагающий робот с тремя сервомоторами Шагающий робот, которого мы собираемся сделать, является компромиссным решением по замыслу и конструкции и требует наличия всего трех сервомоторов. Однако даже в этом случае он обеспечивает передвижение с помощью треножной походки.

Глава 12 Робот – солнечный шар Идею создания подобного робота первоначально выдвинул Ричард Вейт из Северного Йорка, Торонто. Ричард построил робота, ищущего источник света, заключенного в прозрачную сферу (шар). Затем, в более недавнее время, Дейв Хранкиу из Калгари,

Глава 15 Роботизованная рука-манипулятор, интерфейс IBM PC и система голосового управления Данный проект представляет собой многоуровневую модульную задачу. Первый этап проекта – сборка модуля роботизованной руки-манипулятора, поставляемой в виде набора деталей. Вторым

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

Робот-интерьер Как часто мы страдаем из-за того, что окружающие не замечают нашего состояния! Да и сами мы его не всегда адекватно оцениваем, а когда спохватываемся, может быть уже поздно. В космическом полете ситуация резко осложняется: организм космонавта - важнейшая

Танковозы типа «900» О «900–й» же модели (6x4) с собственным верхнеклапанным 130–сильным двигателем, 4–ступенчатой коробкой передач и всеми односкатными 22–дюймовыми колесами следует рассказать чуть подробнее. Такие машины использовались для перевозки орудий и легких

Робот-стеноход …Огонь так разбушевался, что даже видавшие виды бойцы пожарной охраны не рисковали приблизиться к «очагу возгорания» – огромному резервуару с нефтью. Меж тем пламя грозило перекинуться на другие сооружения нефтеперерабатывающего завода. И тут вперед

Робот-«муха» Робот-«муха» может взлететь на высоту 20-30-этажного дома, а затем зависнуть, прилипнув к стенке или потолку. Такую конструкцию предложил и запатентовал старший преподаватель промышленного дизайна механико-машиностроительного факультета

Робот строит дом Пожалуй, самые прочные на сегодняшний день дома – кирпичные и бетонные. Однако при сооружении кирпичных стен никак не обойтись без ручного труда. Куда быстрее с помощью механизмов можно построить «коробку» из железобетонных панелей. Но и тут есть своя

Ропот про арбузный робот Одна из наиболее трудоемких работ в сельском хозяйстве – уборка бахчевых культур. Попробуйте-ка потаскать по августовской жаре массивные – весом до 10 кг, а то и более – шары арбузов, эллипсоиды дынь. Тут поневоле задумаешься о механизации…

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.

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

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

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

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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

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 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.

(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.

(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.

Мы разработали робо-руку, которую любой желающий сможет собрать самостоятельно. В этой статье речь пойдем о том, как собрать механические части нашего манипулятора.

Обратите внимание! Это старая статья! Вы можете ознакомиться с ней, если вас интересует история проекта. Актуальная версия .

Манипулятор от сайт

Вот видео ее работы:

Описание конструкции

За основу мы взяли, манипулятор представленный на сайте Kickstarter, который назывался uArm . Авторы этого проекта обещали, что после завершения компании выложат все исходники, но этого не произошло. Их проект представляет собой отличное сочетание качественно сделанного как аппаратного, так и программного обеспечения. Вдохновившись их опытом мы решили сделать подобный манипулятор самостоятельно.
Большинство существующих манипуляторов предполагают расположение двигателей непосредственно в суставах. Это проще конструктивно, но выходит, что двигатели должны поднимать не только полезную нагрузку, но и другие двигатели. В проекте с Kickstarter’а этого недостатка нет, так как усилия передаются через тяги и все двигатели расположены у основания.
Второе преимущество конструкции в том, что площадка для размещения инструмента (захвата, присоски и т.д.) всегда расположена параллельно рабочей поверхности.

В итоге манипулятор имеет три сервопривода (три степени свободы), которые позволяют ему перемещать инструмент по всем трем осям.

Сервоприводы

Для нашего манипулятора мы использовали сервоприводы Hitec HS-485 . Это достаточно дорогие цифровые сервомашинки, но за свои деньги они обеспечивают честное усилие 4,8кг/см, точную отработку позиции и приемлемую скорость.
Их можно заменить на другие с такими же размерами

Разработка манипулятора

Для начала мы составили модель в SketchUp. Проверили конструкцию на собираемость и подвижность.

Нам пришлось немного упростить конструкцию. В оригинальном проекте использовались подшипники, которые сложно купить. Еще мы решили на начальном этапе не делать захват. Для начала мы планируем сделать из манипулятора управляемый светильник.
Изготавливать манипулятор мы решили из оргстекла. Оно достаточно дешево, хорошо выглядит и легко режется лазером. Для резки достаточно нарисовать требуемые детали в любом векторном редакторе. Мы сделали это в NanoCad:

Резка оргстекла

Мы заказываем резку оргстекла в компании , находящейся недалеко от Екатеринбурга. Они делают быстро, качественно и не отказываются от небольших заказов. Стоить резка таких деталей будет около 800 рублей. В результате вы получите вырезанные детали с обоих сторон которых находится полиэтиленовая пленка. Эта пленка нужна для защиты материала от образования окалины.

Эту пленку необходимо удалить с обоих сторон.

Еще мы заказали гравировку на поверхности некоторых деталей. Для гравировки достаточно просто нарисовать изображение на отдельном слое и указать это при заказе. Места гравировки необходимо зачистить зубной щеткой и затереть пылью. Получилось очень неплохо:

В итоге после удаления пленки и затирки у нас получилось вот это:

Сборка манипулятора

Для начала необходимо собрать пять частей:






В основании необходимо использовать винты с готовкой в потай. Придется немного рассверлить отверстия, чтобы рука могла поворачиваться.

После того как эти части собраны остается только прикрутить их к качалкам сервоприводов и накинуть тяги для позиционирования инструмента. Достаточно трудно прикрутить именно два привода в основании:

Сначала необходимо установить шпильку длиной 40мм (показана желтой линией на фото), а затем прикрутить качалки.
Для шарниров мы использовали обычные винты М3 и гайки с нейлоновой вставкой для предотвращения самораскручивания. Эти гайки хорошо видно на конце манипулятора:

Пока это просто плоская площадка на которую мы для начала планируем приделать лампочку.

Собранный манипулятор

Итоги

Сейчас мы работаем над электроникой и программным обеспечением и скоро расскажем вам о продолжении проекта, так что пока у нас нет возможности продемонстрировать его работу.
В перспективе мы планируем оснастить манипулятор захватом и добавить подшипники.
Если у Вас возникло желание сделать свой манипулятор — вы можете скачать файл для резки .
Список крепежа, который потребуется:

1. М4х10 винт с головкой под внутренний шестигранник, 12шт
2. М3х60 винт, 1шт
3. М3х40 шпилька, 1шт (возможно придется немного укоротить напильником)
4. М3х16 винт с гол. под в/ш, 4шт
5. М3х16 винт с головкой в потай, 8шт
6. М3х12 винт с гол. под в/ш, 6шт
7. М3х10 винт с гол. под в/ш, 22шт
8. М3х10 винт с головкой в потай, 8шт
9. М2х6 винт с гол. под в/ш, 12шт
10. М3х40 стойка латунная мама-мама, 8шт
11. М3х27 стойка латунная мама-мама, 5шт
12. М4 гайка, 12шт
13. М3 гайка, 33шт
14. М3 гайка с нейлоновым фиксатором, 11шт
15. М2 гайка, 12шт
16. Шайбы

UPD1

С момента публикации этой статьи прошло много времени. Первая ее формация была желтой и она была предельно ужасна. Красную руку уже было не стыдно показать на сайте, но без подшипников она все еще работала не достаточно хорошо, а еще ее было трудно собирать.
Мы сделали прозрачную версию с подшипниками, которая стала работать уже гораздо лучше и лучше был продуман процесс сборки. Эта версия манипулятора даже успела побывать на нескольких выставках.

Фантастика стала ещё на один шажок ближе к реальности. Новая рука для робота — это замечательный пример комбинации принципов биомиметики и мехатроники. Увидев её, кто-то непременно вспомнит Терминатора, но изобретение должно найти массу мирных областей применения.

Германская компания Festo специализируется на электронных, электрических и пневматических узлах для роботов и различного промышленного оборудования. Теперь, покопавшись в закромах, она создала манипулятор, поражающий и видом, и возможностями.

Инженеры и раньше нередко сравнивали свои творения — манипуляторы для андроидов — с руками человека, но здесь это сравнение, пожалуй, впервые, подходит без преувеличения. В новом проекте изобретатели максимально близко воспроизвели в металле, резине и пластике анатомические особенности человеческих руки и части торса.

«Коронный номер» новой руки - письмо по экрану-планшету. На видео заметно, что для робота пневматическая рука выполняет свою задачу очень хорошо, но до плавности и непринуждённости движений человека ей всё-таки далеко (фото Festo).

Называется это творение Airic"s_arm . Это рука и прилегающий «кусок» спины (кстати, компания создала не один образец данной машины). Габариты Airic’s_arm, когда рука распрямлена, составляют 85 × 85 × 65 сантиметров. А вес её равен всего-то 6,3 килограмма.

Главным достоинством разработки германские специалисты считают её приближение к руке человека в плане точности движений, динамики и мощности. Секрет же новинки – в так называемых «Жидкостных мускулах» (Fluidic Muscle).

Рисунок мышц человека и рентгеновский снимок нового манипулятора, по замыслу компании, показывают сходство строения двух рук. Внизу: в торсе машины (поближе к мышцам, в целях ускорения их отклика на приказы) скрыт блок пьезоклапанов (иллюстрация и фотографии Festo).

Вопреки названию, мускулы эти (правильнее было бы назвать их актуаторами) работают от сжатого (до 6-8 атмосфер) воздуха. Состоят они (упрощённо) из отрезков эластомерных шлангов, армированных арамидными волокнами.

При подаче давления они раздуваются вширь (поскольку в длину из начального, сдутого, состояния они вытянуться не могут) и одновременно сокращаются, словно настоящие мышцы.

Примерно такой тип актуаторов (в том или ином варианте) изобретатели придумывали и строили не раз, но Festo полагает, что именно она довела конструкцию искусственных пневматических мускулов до совершенства. Фирма выпускает целую линейку таких устройств, отличающихся размерами и силой, а предназначены они для работы в качестве приводов в самом разном оборудовании.

Вид сокращающейся мышцы робота вызывает биологические ассоциации (кадры и фото Festo).

По сравнению с электрическими приводами, равно как и с пневматическими или гидравлическими цилиндрами, такие мускулы не могут обеспечить высоких скоростей движения или дальности перемещения соединяемых деталей, зато обладают рядом иных сильных сторон.

Сила, в буквальном смысле, — одна из них. Мышцы длиной несколько сантиметров могут развивать усилие в десятки килограммов, а иные модели — и в сотни. Вес их при этом куда меньше, чем у любого иного типа привода сравнимой силы.

Система управления может менять «напряжение» таких мышц до 100 раз в секунду, и никакой инерционности в движении они не проявят. Пусть скорость перемещения деталей, соединённых такой робототехнической мышцей, не очень велика, зато Fluidic Muscle может развивать ускорение до 100 м/c 2 .

Спортивные упражнения робот Airic’s_arm выполняет не так энергично, как человек. Зато движения похожи (кадр и фото Festo).

Сокращается Fluidic Muscle на 10-20% от своей начальной длины, то есть — на считанные сантиметры. Но вспомните: мускулы человека, скажем, той же руки, прикреплены к костям вблизи суставов. И эти мускулы также отличаются сравнительно небольшим перемещением своих концов, зато развивают приличное усилие. А уж геометрия скелета обеспечивают в результате требуемое (быстрое и большое по размаху) движение конечности.

Вот и в новом роботе инженеры Festo пошли по тому же, проторённому природой, пути. Они решили сделать вот что: взяв несколько давно выпускаемых компанией «робо-мускулов», построить максимально близкое подобие руки человека. Близкое и по общим пропорциям, и по размерам, и по анатомии.

Опять тест на «грамотность». Тут неплохо видна задняя часть машины и, соответственно, искусственные мышцы спины (фотографии Festo).

В руке Airic’s_arm её авторы воссоздали в металле и пластике практически все кости руки и плеча человека, включая лопатку (впервые в технике, утверждает компания), и даже кисть с пятью пальцами (по составным деталям аналогичными настоящим) и все положенные этой структуре суставы.

А приводят эту систему в движение Fluidic Muscle числом 32 штуки! Это приблизительно вдвое меньше, чем в настоящей руке и плечевом поясе, но всё равно — впечатляет.

Искусственные мускулы в новом роботе подражают в размерах и по расположению настоящим мышцам: сгибателям пальцев, мышцам ладони, бицепсу, трицепсу, грудным мышцам, дельтовидной мышце и так далее.

Пальцы, ладонь и предплечье робота при близком рассмотрении на человеческие не похожи. И всё же в своём строении они куда больше сходны с прототипом, чем большинство прежних моделей рук-манипуляторов (кадры Festo).

К этому набору создатели робота добавили быстродействующие и высокоточные пьезокерамические клапаны и новый софт. Развиваемая сила и перемещение составных частей руки постоянно измеряются встроенными датчиками перемещения (всего их тут шесть) и давления воздуха (они индивидуальны для каждого мускула).

Так получилась удивительная рука, которую с человеческой, конечно, не спутаешь, но её облик всё равно вызывает в памяти картинки из анатомического атласа. И действует она точнее и натуральнее (по движениям) большинства рук для роботов, созданных ранее другими фирмами (к слову, о разных необычных типах искусственных мускулов вы можете прочитать ).

Человеческая рука (вернее, кисть руки) это одно из чудес природы и громадный вызов инженерам робототехникам, которые пытаются её скопировать “один к одному”. Это – сложнейшая конструкция с 29-ю гибкими суставами и тысячами специализированных нервных окончаний, за которыми наблюдает “система управления”, настолько чувствительная, что она может сразу определить, насколько горячий объект, насколько гладкая его поверхность, и даже с какою силой он должен удерживаться.
Неудивительно, что “слепое” копирование кисти человеческой руки – занятие малоперспективное. И все больше и больше, робототехники приходят к мысли, что в данном случае копирование природы не является правильным подходом. Лучшая идея состоит в том, чтобы решить, какие из наиболее важных функций кисти руки должны быть воспроизведены, и как этого лучше всего достичь, пользуясь сейчас доступными технологиями.

Промышленные роботы, конечно, манипулируют предметами уже в течение многих десятилетий. Но они обычно используют самые простые захваты (типа параллельных “челюстей”), которые открываются и закрываются по команде, чтобы схватить, держать, или переместить предмет строго заданной формы, на который они и рассчитаны. Такая “негибкость” (низкая степень адаптации) – не проблема на сборочном конвейере. Но этого не будет достаточно для будущих роботов, разработанных для взаимодействия с людьми в самой разнообразной окружающей обстановке.

Многие исследователи в области робототехники предполагают, что скоро появится новое поколение роботов, “бродящих” вокруг домов, санаториев, фабрик, и т.д. К этим роботам люди будут обращаться с самыми разнообразными просьбами: cварить кофе, принести лекарства или притащить заготовки к цеху. Каждая такая главная полезная функция в свою очередь потребуют реализации множества вспомогательных функций. Например, открытие бутылки потребует, чтобы робот определил размер и форму предмета, правильно схватил её (горлышком вверх) и затем приложил достаточное усилие, чтобы удержать бутылку (но не чрезмерное, чтобы не раздавить её) и достаточный вращающий момент, чтобы открутить пробку. Чтобы удовлетворить эти разнообразные потребности, чтобы приспособиться к огромному разнообразию ситуаций “на лету” захватам робота будет нужна очень высокая степень адаптации и чувствительности.

Поиски универсальной руки для роботов привели к проектам, в которых рука робота точно подражает человеческой руке, и другим, в которых “кисть руки” больше напоминает металлические зажимы. А авторы этой большой статьи работали в течение почти десяти лет над компромиссным решением между этими двумя подходами: “руки”, у которой есть часть ловкости человеческой кисти, но без её большой сложности. Их рука не выглядят человеческой, но она неплохо владеет навыками захвата и управления большого разнообразия предметов во многих задачах.

Следует отметить, что Управление перспективных исследовательских программ (DARPA) весьма заинтересована в создании универсальной (и при этом максимально простой, надёжной и дешёвой) роботизированной руки, для чего придумало ежегодные соревнования между роботами и командами робототехников с приличным кушем в 2 млн. долларов США наличными. Мы уже много рассказывали об этих соревнованиях, поэтому, будем акцентировать своё внимание на технических деталях универсальной роборуки.

В 1980-х робототехники могли конструировать и изготавливать роборуки с тремя или четырьмя пальцами (и противопоставляемым большим пальцем), копируя структуру кисти человеческой руки. У этих рук был футуристический, научно-фантастический вид, и они привлекли большое внимание. Но большинство из них выполняли свои функции не эффективно. Копирование многих суставов человеческой руки увеличило сложность и стоимость человекоподобных роборук. У некоторых моделей было больше чем 30 приводов, каждый из которых приводил в действие только один сустав (и каждый из которых мог внезапно отказать). И, из-за наличия на каждом пальце датчиков осязания с низкой чувствительностью, было трудно скоординировать движения “пальцев” руки между всеми точками контакта пальцев с поверхностью захватываемого предмета.

Так называемые “подприводные” (underactuated) руки – это альтернативный подход к роботизированной манипуляции предметами. Их так называют потому, что в них используется меньше двигателей, чем суставов. Они используют пружины или другие механические связи, чтобы соединить твердые детали (такие как фаланги пальца) и “соединить” в единое целое их движения. Тщательная конструкция этих связей может позволить руке автоматически приспосабливаться к различным формам. Это означает, что пальцы могут, например, “обернуться” вокруг предмета без необходимости активного тактильного контроля. (примечание – это очень похоже на процесс “свёртывания” технической системы).

Авторы статьи были довольны своими предыдущими проектами “подприводной” руки, но они знали, что у предстоит ещё много работы, чтобы их роборука могла выполнить технические требования . И на это было всего 18 месяцев. Недавно сформированная команда робототехников бросила новый взгляд на конструкцию руки в свете решения определенных задач, поставленных Управлением перспективных исследовательских программ. Как снять со стола тонкий предмет, такой как ключ? Что нужно сделать, чтобы включить электрический фонарь? И робототехники пересмотрели такие фундаментальные аспекты конструкции, как число пальцев, их размещение вокруг основы кисти руки и захват, который может обеспечить кончики пальцев. Остановились на конструкции из 2-х “подприводных” пальцев и противоположно к ним расположенного полностью приводного большого пальца.

В то время как четыре двигателя управляли тремя пальцами, ещё один двигатель позволил пальцам перемещаться в плоскости ладони между двумя конфигурациями (показанными на верхнем рисунке) для различных видов обхвата. Для надёжного схватывания узких предметов, два пальца устанавливаются параллельно на одной стороне ладони, а большой палец- напротив них, чтобы получился закрытый хват. Можно также выполнять захват при помощи всех трех пальцев в треугольной конфигурации. Эта конфигурация позволяет руке захватить большие объекты, такие как баскетбольный мяч.

А “ногти” нужны, чтобы захватывать мелкие или плоские предметы.

Эти различные захватывающие движения помогли роборуке соответствовать всем требованиям к соревнованиям Управления перспективных исследовательских программ.
Следует отметить, что идея “ногтей” оказалась очень полезной. При их помощи роборука научилась справляться с задачами захвата с приподнятием предмета (например, захвата ключа, лежащего на поверхности стола).
Пока что во время соревнований руками (и пальцами) робота управляли члены команды робототехников. Но в будущем требуется, чтобы робот управлял своими захватами автономно. Это значит, что будет необходимо разрабатывать множество датчиков, которые смогут дать роботу смысл понятий формы, веса и гибкости объекта, с которым руки будут обращаться и разработать соответствующее программное обеспечение.

А пока что, чтобы отследить движение пальцев вокруг их цели, был разработан ряд волоконно-оптических датчиков. Они состояли из петли волоконно-оптического кабеля, включенного в резиновый средний сустав и рецепторов-фотодиодов, размещенных в каждой фаланге пальца. Волоконно-оптические кабели излучали свет, которые попадали в рецепторы по-разному в зависимости от того, как сустав согнут. Например, когда сустав согнут под углом 60 градусов, волоконно-оптический свет попадают в рецепторы в различном месте и с различной интенсивностью, чем когда палец согнут под углом75 градусов. Эти данные можно использовать, чтобы “нанести на карту”: где каждый палец покоился во время пассивного схватывания.

Чтобы дополнить эту информацию, в фаланги пальцев установлены множество датчиков давления. Датчики могут “сказать”, касалась ли рука предмета кончиком пальца, ладонью, или каким-нибудь другим местом. Образцы этой информации обеспечивают компьютер (управляющий руками) данными о форме захватываемого предмета. Например, ручка отвертки будет вступать в контакт с другими датчиками. Датчики давления также снабдят компьютер данными о весе и гибкости поверхности предмета, говоря роботу, как плотно нужно захватить предмет. В каждом пальце на руке размещено 22 таких датчиков, и ещё 48 размещены в ладони.

Коллеги из компании iRobot разработали аппаратное и программное обеспечение, которые позволяет авторам этой статьи управлять рукой и передавать информацию с датчиков на компьютер. Микроконтроллеры, включили в каждый палец, собирают данные от оптоволоконных датчиков и датчиков давления и отправляют данные в главный микроконтроллер, расположенный в ладони. Главный контроллер действует как своего рода “транспортный полицейский” для всей руки, посылая данные с руки на компьютер управления и передавая команды от компьютера управления до отдельных пальцев. Хотя эта информация пока не использовалась, чтобы управлять рукой во время соревнования, была обеспечена визуализация этой информации, чтобы продемонстрировать ее возможности “осязания” роборук.

Рука – ничто без своих пальцев. И роборука – не исключение. Изготовить пальцы помогли коллеги из Гарвардского и Йельского университетов, которые построили части с электронными компонентами, уже включенными в них при проектировании предыдущих версий роборук. А датчики и необходимые для них печатные платы были внедрены в материал подушечек для пальцев методом холодной заливки отверждающимся составом в соответствующие формы. В результате получился палец с внедрённой в него необходимой электроникой, и это работало. Такой производственный метод позволил сильно упростить конструкцию пальцев. От исходного прототипа пальца, из 60 различных частей, пришли к пальцу из всего 12 частей. И отпала необходимость в маленьких винтах других маленьких креплениях.

А для крепления пальцев к ладони использовались магниты. Это позволяло пальцам просто отделяться полностью от ладони руки, если они рисковали стать перегруженными, вместо того, чтобы переломаться посередине. Таким образом, можно было легко потом установить палец на своё место вместо того, чтобы заменять сломанный палец. Чтобы проверить надёжность роборуки, её многократно били по пальцам бейсбольной битой. Пальцы отлетали в сторону, их устанавливали на место. И после этого роборука продолжала работать.

За счёт использования обычных пластмасс и резины и дешёвого метода сборки, роборука получилась не только надёжной, но и дешёвой. Это помогло остаться близко к ожиданию Управления перспективных исследовательских программ, что универсальная роборука будет стоить приблизительно 5,000 долларов США.

Через некоторое время Управление перспективных исследовательских программ связалось с разработчиками роборуки, чтобы сообщить, что они выиграли соревнование. Эта победа означала, что Управление перспективных исследовательских программ продолжит использовать эту роборуку в будущих соревнованиях по робототехнике.