MATURITNÍ PRÁCE. Robotický manipulátor

MATURITNÍ PRÁCE Robotický manipulátor

Nikola Čechová

Obor:Elektronické zpracování informací Třída:ZI4A

Školní rok:2015/2016

SŠIEŘ Roţnov pod Radhoštěm

3

ABSTRAKT Maturitní práce se zabývá popisem základních vlastností, řešením a realizací robotického manipulátoru od známe české firmy Merkur.Dokumentace Vám popíše podrobný postup stavby, ale také poskytne návod pro "naprogramování" vlastního programu pro ovládání této konstrukce.Popíše Vám zapojení a použité komponenty včetně potřebných šroubků a dílů které byly potřeba k sestavení.Také se zaměří na servo motory, u kterých vám popíše co to vlastně servo motor je a jak funguje. Bohužel bude popisovat i nejrůznější potíže, které měla autorka této dokumentace s její realizací.Bohužel, nebo snad díky bohu, to nebyly její chyby, nýbrž chyby samotného výrobce, tedy firmy Merkur.I řešení těchto chyb je v této dokumentaci popsáno.

Klíčová slova: Merkur,Servomotor,Manipulátor,Robot


Tímto bych chtěla poděkovat hlavně svému konzultantovi panu učiteli Petru Minolovi za skvělé vedení při realizaci této maturitní práce.

4


5

Prohlašuji, ţe odevzdaná verze dokumentace maturitní práce a verze elektronická, nahraná do systému MATPRAC, jsou totoţné. Při zpracování jsem vycházel z informačních zdrojů uvedených v seznamu na konci dokumentace a také prohlašuji, ţe je tato práce původní. V Roţnově pod Radhoštěm

------------------------podpis ţáka


6

OBSAH ÚVOD .................................................................................................................................... 7 I.TEORETICKÁ ČÁST ...................................................................................................... 8 1 ROBOTIKA ...................................................................................................................... 9 1.1 TŘI ROBOTICKÉ ZÁKONY .................................................................................... 10 1.2 NĚKOLIK DEFINIC ROBOTŮ ................................................................................ 10 1.3 PROČ SE LIDÉ ZAJÍMAJÍ O ROBOTY? ................................................................ 10 1.4 VÝROBA A AUTOMATIZACE .............................................................................. 10 II.PRAKTICKÁ ČÁST ..................................................................................................... 11 2 FIRMA MERKUR .......................................................................................................... 12 2.1 HISTORIE FIRMY MEKUR ..................................................................................... 12 3 ROBOTICKÝ MANIPULÁTOR .................................................................................. 13 4 SERVO MOTOR ............................................................................................................ 14 5 REALIZACE KONSTRUKCE ..................................................................................... 16 5.1 RAMENOVÁ CHŇAPKA......................................................................................... 19 6 ELEKTRO KOMPONENTY ........................................................................................ 23 7 NÁVOD PRO OBSLUHU .............................................................................................. 24 7.1 JAK PŘIPOJIT SPRÁVNÝ COM ............................................................................. 24 7.2 PROGRAM PRO OVLÁDÁNÍ ................................................................................. 25 7.2.1 NÁVOD PRO OVLÁDÁNÍ ........................................................................................ 25 ZÁVĚR ............................................................................................................................... 26 SEZNAM POUŢITÉ LITERATURY.............................................................................. 28 SEZNAM OBRÁZKŮ ....................................................................................................... 29 SEZNAM PŘÍLOH............................................................................................................ 30


7

ÚVOD -

autorka si tuto problematiku vybrala s přihlédnutím k jejímu kladnému vztahu k robotice.Autorka se chtěla zároveň dozvědět více o této problematice a její využití v praxi.Robotický manipulátor lze využít například k přesouvání různých součástek z místa na místo, kreslení, psaní a nebo také k podpoření zvědavosti o tuto problematiku.Robotické manipulátory se mohou v praxi využít jako náhrada lidí například v pásové výrobě.


I. TEORETICKÁ ČÁST

8


1

9

ROBOTIKA

Robotika je věda o robotech, jejich designu a výrobě.Robotika úzce souvisí s elektronikou a mechanikou.Tento název jako první použil spisovatel Issac Asimov ve svých knihách o robotech. Můžeme ji rozdělit do několika kategorií a to: 1. Průmyslová robotika Disponuje se následujícími vlastnostmi: 

Prostorová soustředěnost – není důležitá pro funkčnost,některé aplikace požadují, aby byl systém mobilní.



Automatická činnost – programy jsou prováděny automaticky, bez nutnosti zásahu člověka.



Snadná změna programu – program není pevný, tudíž je možno jej snadno změnit.



Manipulační schopnost – možno provádět různé manipulační práce (přesouvání objektů aj.)



Univerzálnost – může sloužit k mnoha účelům.



Zpětná vazba – kromě čidel jsou zde umístěny také systém počítání s zpětnou vazbou.

2. Experimentální robotika 

Systém ruka-oko – skládá se z pohyblivé paže, zakončené mechanickou rukou, kamery,pracovního stolu a z počítače.



Mobilní robot –jeden z nejproslulejších mobilních robotů je robot „Shakey“ výzkumného ústavu SRI.

3. Teoretická robotika 

Hledá možnosti, principy a omezení jako např.biologie, psychologie, etologie, matematika a fyzika.

4. Různá aplikovaná robotika 

Navrhuje inteligentní stoje nejen pro průmysl. Např. stroje pro kontrolu kvality ve výrobě, které často disponují zrakem,mobilní roboty se schopností autonomní navigace atd.[1]


10

1.1 Tři robotické zákony (Isaac Asimov, The caves of steel, Galaxy No. 13, 1950.) 

Robot nesmí ublížit člověku nebo svou nečinností dopustit, aby člověku bylo ublíženo.



Robot musí uposlechnout příkazů člověka, kromě případů, kdy jsou tyto příkazy v rozporu s prvním zákonem.



Robot musí chránit sám sebe před zničením, kromě případů, kdy je tato ochrana v rozporu s prvním nebo druhým zákonem.

1.2 Několik definic robotů Robot - (McKerrow, 1986) Robot je stroj, který může být naprogramován k vykonávání různých činností. Robotika - (Brady, 1985) Robotika je inteligentním spojením mezi vnímáním a činností. Robotika - (McKerrow, 1986) je disciplína zahrnující : 

návrh, výrobu, řízení a programování robotů



použití robotů pro řešení úloh



zkoumání řídicích procesů, senzorů, akčních členů a algoritmů u lidí, zvířat a strojů



použití výše uvedeného pro návrh a použití robotů.

1.3 Proč se lidé zajímají o roboty? 1. Meření sil s přírodou - Zkusit, kam až sahají naše tvůrčí schopnosti a pokusem o napodobení přírody proniknout do jejích zákonitostí. 2. Snaha o vytvoření dokonalého společníka – Měl by dokázat totéž, či snad i více než my sami.Nasazení průmyslových robotů

1.4 Výroba a automatizace Zavádění mechanizace, automatizace a robotizace. 

Menší podíl lidí na výrobě což má za následek vyšší nezaměstnanost



Zkracení výrobních časů



Zvyšování výkonu a produktivity práce


II. PRAKTICKÁ ČÁST

11


2

12

FIRMA MERKUR

Firma Merkur je česká značka zabývající se výrobou kovových modelů.Stavebnici tvoří různé profily, mají odlišný tvar,délku a jsou vyrobeny z lakovaného plechu. Kusy obsahují otvory také různých tvarů a průměrů, do kterých se pak umisťují jak šrouby, tak různé jiné kusy stavebnic. Díly se spojují pomocí šroubů a matic o velikosti M3,5.Další součástí stavebnic jsou také různé hřídele,ozubená a neozubená kola.Součástí některých setů mohou být například i kladky,buldozerové pásy a nebo také elektromotorky(merkur M1).Tato stavebnice umožňuje velmi realistickou stavbu strojů. Tato stavebnice ovšem nebyla vždy použita pouze jako hračka, ale byla použita i ve výzkumu.Například Otto Wichterle ji použil k sestavení prvního pokusného stroje na výrobu kontaktních čoček.Ve svých začátcích sloužila také pro amatérskou výrobu jednoduchých plotterů. Plotter - Plotter je grafické výstupní zařízení počítače.Klasický plotter kreslí obraz pomocí tužky nebo pera,existují však i varianty s inkoustovou hlavou podobné tiskárně, nebo také řezací plottery, kde se používá místo pera nástroj na řezání. Tento typ se používá například při řezání reklamních fólií pro auta.V běžném životě se s nimi ovšem nesetkáme, jelikož se používají především na technické výkresy, které, díky jejich rozměrům, nelze na běžné tiskárně vytisknout. Plottery (CNC stroje) se používají také na gravírování.

2.1 Historie firmy Mekur Firma začala svou výboru v roce 1920 kdy Jaroslav Vancl založil firmu Inventor.Původně byly díly této stavebnice Inventor k sobě spojovány kovovými háčky.Tato firma i stavebnice bohužel zanikla.V roce 1925 se zrodila stavebnice tak jak ji dnes známe.Díly se již spojovaly šroubky a matičkami, čímž se velmi přiblížila k reálnému sestavování.V roce 1933 začala firma poskytla také možnost sestrojení elektrických modelů – MERKUR ELEKTRUS.Roku 1930 odstartovala výroba elektrických vláčku MERKUR.Každý rok přichází firma vyrobí nový tip stavebnic.


3

13

ROBOTICKÝ MANIPULÁTOR

Pro své účely jsem vybrala stavebnici Merkur robot – robotická ruka.

Stavebnice Merkur robotic arm Tato stavebnice je pouze v BETA verzi.Součástí této stavebnice je i řídící systém a manipulátor disponuje 6°volnosti. Manipulátor je určen k přesouvání objektů ale především k „simulaci“ jakési opravdové robotické ruky. Tato stavebnice by měla také probudit zájem o robotiku a vědu obecně u mladších generací a to formou hry.Součástí této stavebnice jsou i elektro komponenty, jako jsou servo motory a řídící jednotka.


4

14

SERVO MOTOR

Servo motor,zkráceně servo je motor pro pohon.Narozdíl od běžného motoru je u nich možnost nastavit jejich přesnou polohu natočení osy. Serva se používají například k posuvu u CNC strojů a všechny RC modely používají malá modelářská serva. Tyto motory pracují na podstatně nižších otáčkách než je u stroje tohoto typu typické. Servo motor je vlastně jakýkoliv motor sloužící k motorickému nastavení polohy. Existuje několik typů: 1. elektromotor 2. elektromagnet 3. pneumatický či hydraulický píst, nebo i topný odporový drát na bimetalu. Bohužel jsou elektrické servomotory tepelně velmi ztrátové a z tohoto důvodu jsou řízeny téměř výhradně tranzistorovými měniči obsahující PWM.Tím se předejde přehřívání. Servo motor může se může polohovat do dvou nebo více diskrétních poloh nebo plynule mezi krajními polohami. Jsou dva způsoby jakými lze zjistit polohu motorku: 1. podle počtu impulzů vysílaných do krokového motoru 2. podle doby po jakou byl motorek zapnut Pro lepší funkčnost lze využít snímačů pro odečtení polohy.Tyto snímače lze použít k dalšímu využití serva,například jeho vypnutí po dojetí do krajní hodnoty.Pokud zapojíme lineární zpětnou vazbu, budeme schopni ovládat servo v celém jeho rozsahu.K tomuto využití by jsme však potřebovali řídící systém zvaný regulátor. Poloha hřídele motoru je zjišťována elektricky pomocí fotoelektrického snímače nebo za pomocí rozkladače.Zcela nevhodné je však použít potenciometr. Signál snímané polohy se přivede na regulátor, který porovná skutečnou polohu s polohou, kde bychom chtěli aby se servo nacházelo.Na základě rozdílu skutečné a námi žádané hodnoty regulátor začne řídit měnič a tím nastaví motor na žádanou polohu.


15

Mezi nejpoužívanější typy servomotorů dnes patří střídavé servomotory.Můžeme je rozdělit na synchronní a asynchronní. Asynchronní servomotory - v dnešní době už jsme schopni regulovat přesnou polohu i u asynchronních motorů. Synchronní servomotory – motor lze několikanásobně momentově přetížit, proto se skvěle hodí pro dynamicky náročné úlohy. [2] Pro tuto práci jsou používána serva HITEC HS-311.

Servomotor použit v této práci


5

16

REALIZACE KONSTRUKCE

Součástí stavebnice bylo také CD s manuálem a také programem přímo od firmy Merkur. CD obsahovalo manuál k sestavení samotné konstrukce, ale také program pro ovládání, který bude popsán později.

Realizace začala dle přiloženého manuálu. Jako první bylo potřeba vytvořit základ celé konstrukce.Ten se musel složit ze dvou osmihranných dílů spojené k sobě čtyřmi obdélníkovými díly. V tomto kroku je také použit první servomotor, na který se našroubovalo ozubené kolečko, díky kterému bude možno otáčet konstrukcí doleva a doprava. V horním osmihraném dílu je umístěn otvor na točnu, na které je umístěno další ozubené kolečko.


17

Základna se servem č.1 Poté bylo potřeba na základu namontovat další díl, a to díl se servem číslo 2. Tento díl slouží k otáčení manipulátoru dopředu a dozadu.Dále k základně přibyly podpůrné pacičky s gumovými ploškami.

Základna se dvěma servomotory


18

Nyní je na řadě samotné rameno manipulátoru.Rameno se skládá ze dvou částí.První část (na obrázku označena jedničkou) je sestavena ze dvou kovových částí spojených černými distančními sloupkami. Tato část drží další díl obsahující další 2 serva.

Druhá část ramene Druhá část (na obrázku označena dvojkou) obsahuje již zmíněné dva servomotorky.První z nich se stará o posun paže nahoru a dolů, což v podstatě dělá i servo č.2 ovšem již s jinou částí konstrukce.


19

Poté, co je postaveno rameno se musel zrealizovat úchopný systém.

5.1 Ramenová chňapka Abychom mohli sestrojit úchopný systém musíme nejdřív umístit servo motor, který nám bude chňapkou otáček proti, nebo po směru hodinových ručiček.

Umístění servomotoru Po umístění motorku je třeba ho uchytit.

Uchopení serva


20

Dále potřebujeme ke konstrukci připojit tyčku, po které se bude chňapka pohybovat když bude uchopovat objekty.

Umístění tyčinky Poté musíme připevnit polohovací zařízení, sloužící pro omezení vůle. Přiblížením k servomotoru se vůle zmenšuje.

Umístění polohovacího zařízení


21

Jakmile máme hotovo, máme vlastně hotový celý uchopovací systém. V realitě by to pak mělo vypadat nějak takto:

Hotová konstrukce chňapky

Tento princip vlastně funguje tak, že jakmile servo ovládáme, tak se otáčí to bíle dírkované kolečko, které můžete vidět na obrázku. Tím, že jsou na něm přimontovány pacičky se samoutahovacími šroubky se zajistí pohyb těchto úchopných paciček a manipulátor bude schopný uchopovat předměty. Po smontování chňapky ji můžeme namontovat na zbytek konstrukce,což provedeme tak, že ji jednoduše a doslova našroubujeme do serva, které máme jako poslední. Děláme to úplně stejně jako když šroubujeme cokoliv do závitu.


22

Na dalším obrázku můžete vidět již hotovou celou konstrukci.

Konečná konstrukce


6

23

ELEKTRO KOMPONENTY

Elektrokomponenty Na obrázku můžeme vidět všechny elektro komponenty, které byly potřeba při realizaci. Do Mekur boardu musíme přivést 1A a jednu z destiček 8A. K tomu slouží dva napájecí kabely, které jsou součástí stavebnice. Na tu to destičku připojujeme 3 z 6 servomotorů, a to konkrétně základna, rameno a loket. Zde musíme dát zvýšenou pozornost na to, jak otočíme kabely od servomotorů. Nesmí být opačně. To samé se děje i na druhé destičce, kde také zapojujeme další 3 servomotory. Všechny tyto destičky by mohly být na jedné větší desce, to že tady jsou odděleny nemá žádný hlubší význam. Dále jsou v zapojení použity další dvě destičky, které jsou v schématu označeny nenápadnou, šedivou barvou. Na těchto destičkách jsou umístěny integrované obvody. Jelikož jsou bohužel dráty, které vedou ze servo motorů moc krátké, musí se používat prodlužky.Ty pak vedou na řídící centrum.


7

24

NÁVOD PRO OBSLUHU

Abychom vůbec mohli s manipulátorem pracovat, musíme mít potřebný software. Autorka používala pro realizaci program přímo do firma, který byl ke stavebnici přiložen. Jakmile spustíme program, musíme ho připojit na námi používaný COM. COM – sériový port pro komunikaci Předtím, než budeme hledat, jaký com používáme musíme připojit napájení robotické ruky.

Diagram zapojení

7.1 Jak připojit správný COM Ze všeho nejdřív musíme zjistit, jaký port náš počítač používá. Nejprve se musíme dostat do ovládacích panelů. Tam se obvykle dostanete přes Tento počítač, ovládací panely,systém a zabezpečení, hardware a zvuk, zařízení a tiskárny -> správce zařízení. To, který com využíváme najdeme v nabídce Porty.


25

7.2 Program pro ovládání Když jsme si zjistili, který com používáme, můžeme spustit přiložený program a vybrat z nabídky příslušný com. Klikneme na tlačítko připojit. Po připojení se nám spustí prostřední pro ovládání. Na obrázku můžeme vidět posuvníky. Každý posuvník posouvá jedním servomotorem. Posuvník úplně vlevo ovládá servo číslo 1, což je servomotor základny. Další servo motorky pak ovládají vzestupně serva umístěné na konstrukci. V levo se nachází Rychlost. Tento posuvník je zodpovědný za to, jakou rychlost ruka danou operaci provede. Dále, pod všemi těmi posuvníky, můžeme vidět tabulku. Tato tabulka znázorňuje kroky, které bude manipulátor následovat.V prvním sloupečku je zaznačeno pořadí kroků. Druhý nám ukazuje, jakourychlostí bude daný krok proveden. Poté následují sloupečky pro dané servomotory. Pokud budeme hýbat posuvníkem bude se daná hodnota v námi označeném řádku měnit a ruka se bude pohybovat. 7.2.1 Návod pro ovládání Ze všeho nejdřív je potřeba ruku zapnout, tak učiníme, pokud přepneme přepínač, nacházející se na hlavním plošném spoji (tj. ten největší plošný spoj). Po zapnutí robotické ruky, se ruka nastaví do nulové, tedy výchozí pozice.Od tud již můžeme s ruou hýbat jak je nám libo. Když zadáte do programu hodnoty z této tabulky: 1

0

127

127

127

127

127

127

2

0

127

127

77

127

127

127

3

0

127

127

77

228

127

127

4

0

127

127

52

228

226

127

5

0

59

128

85

228

127

127

6

0

59

128

85

228

207

127

Nahraje se Vám program, který Vám ukáže, jak fungují jednotlivá serva.


26

ZÁVĚR Mezi asi největší těžkosti patřily problémy, které způsobila přímo firma Merkur. Ani firma s takovou tradicí a prestiží však není neomylná.Asi jako první chybu autorka zpozorovala, že k stavebnici nebyly dodány některé potřebné šroubky, takže ty se pak musely dokupovat. To by se ovšem dalo možná i přehlédnout, kdyby se nevyskytly další problémy. Plošný spoj vypadal jako kdyby ho pájelo dítě ze základní školy. K tomu autorku vede například to, že 4 piny, které neměli být očividně spájené k sobě někdo spájel,poté si však uvědomil, co udělal a snažil se cín proškrábat tak, aby dané piny spojeny nebyly.

Proškrábané spojené piny


27

Aby toho nebylo málo, tak na další destičce, tentokrát na řídící plošce, byl otočený kondenzátor.Pro zjištění tedy autorka musela použít multimetr.Díky tomu byla zjištěna chyba a následně opravena přepájením součástky tak, aby už byla správně.

Deska se špatně, na fotce již dobře, otočeným kondenzátorem. To ale stéle nebylo všechno a firma merkur si na nás připravila další perličku.Když autorka opravila otočený kondenzátor, ruka stále nefungovala.Po chvíly bádání však přišla na to, že je otočený i jeden z propojovacích kabelů.I to musela autorka opravit. Jako další problém se vyskytlo to, že firma merkur není schopná udělat správné schéma zapojení k vlastním produktům.Bylo zjištěno, že na schématu používali jinou EPROMku, než bylo třeba. Navíc to, jak má být manipulátor připojen k PC se do schématu neobtěžovala firma zakreslit vůbec. Díky těmto obtížím se časová náročnost prodloužila, a to asi na necelý 200 hodin. Kdyby měla autorka práci nějak v budoucnu zdokonalit učitě by použila jiný program, protože tento vždy spadne, když se pokusíte program uložit. Využitelnost autorka vidí v tom, že takoví roboti se nemusí použít jen „na hraní”, ale také na usnadnění práce lidem.


SEZNAM POUŢITÉ LITERATURY [1] https://cs.wikipedia.org/wiki/Robotika [2]https://cs.wikipedia.org/wiki/Servomotor

28


29

SEZNAM OBRÁZKŮ Stavebnice Merkur robotic arm ........................................................................................... 13 Servomotor použit v této práci............................................................................................. 15 Základna se servem č.1 ........................................................................................................ 17 Základna se dvěma servomotory ......................................................................................... 17 Druhá část ramene ............................................................................................................... 18 Umístění servomotoru.......................................................................................................... 19 Uchopení serva .................................................................................................................... 19 Umístění tyčinky .................................................................................................................. 20 Umístění polohovacího zařízení .......................................................................................... 20 Hotová konstrukce chňapky................................................................................................. 21 Konečná konstrukce ............................................................................................................. 22 Elektrokomponenty .............................................................................................................. 23 Diagram zapojení ................................................................................................................. 24 Proškrábané spojené piny .................................................................................................... 26 Deska se špatně, na fotce již dobře, otočeným kondenzátorem. .......................................... 27


SEZNAM PŘÍLOH P1- Povinné konzultace P2 – CD s dokumentací

30


31

MATURITNÍ PRÁCE. Robotický manipulátor

Recommend Documents