58_62.PDF

Projekty akademickie

O†zbudowaniu robota

na pewno marzy³o lub

nadal marzy wielu

naszych CzytelnikÛw.

Najtrudniejsze jest

z†pewnoúci¹ wykonanie

podwozia, ktÛre

umoøliwi mu sprawne

poruszanie siÍ. Nie

mniej istotny jest takøe

sterownik robota, ktÛry

spe³nia rolÍ jego

ìmÛzguî.

SzczegÛ³y konstrukcyjne

jednego z opracowaÒ

robota mobilnego

przedstawiamy

w†artykule. Niech ten

artyku³ zachÍci innych

konstruktorÛw do

opisania urz¹dzeÒ tego

rodzaju.

Autonomiczne Roboty Mobilne

(ARM) znalaz³y zastosowanie

w†pracach zwi¹zanych z†automaty-

zacj¹ pewnych powtarzalnych czyn-

noúci, ktÛre wymagaj¹ przemiesz-

czenia narzÍdzia, czujnika, platfor-

my transportowej po zaplanowanej

trajektorii (kontrola pomieszczeÒ,

transport wewn¹trzzak³adowy, sprz¹ta-

nie, koszenie, malowanie, szlifowa-

nie).

Inne zastosowania ARM s¹ zwi¹-

zane z†prac¹ w†úrodowisku niebez-

piecznym lub w†miejscu trudno

dostÍpnym dla cz³owieka (kontrola

i†nadzÛr elektrowni atomowych,

usuwanie toksycznych odpadÛw, in-

spekcje i†konserwacje ruroci¹gÛw,

rozbrajanie materia³Ûw wybucho-

wych). Roboty mobilne znalaz³y teø

zastosowanie w†pracach badaw-

czych (badania wulkanÛw, penetra-

cja dna morskiego, eksploracja kos-

mosu). Od dawna istniej¹ aplikacje

wojskowe (bezza³ogowe obiekty la-

taj¹ce, p³ywaj¹ce, jeødø¹ce) oraz

maszyny chroni¹ce ludzi przed bez-

poúrednim zagroøeniem (oczyszcza-

nie pÛl minowych, usuwanie ³adun-

kÛw wybuchowych). Rozwi¹zania

stosowane w†robotach mobilnych

zosta³y z†powodzeniem wykorzysta-

ne w†sprzÍcie rehabilitacyjnym dla

osÛb niepe³nosprawnych, znacznie

rozszerzaj¹cym moøliwoúci ich sa-

modzielnego poruszania siÍ (samo-

bieøne wÛzki, nawigator dla osÛb

niewidomych).

ARM s¹ takøe stosowane jako

roboty - zabawki lub w†aplikacjach

reklamowych.

Autonomiczny Robot

Mobilny

Prezentowany w†artykule Auto-

nomiczny Robot Mobilny zosta³

opracowany w†Instytucie Automaty-

ki Politechniki £Ûdzkiej. Projekt

podzielono na dwie czÍúci:

- Robot mobilny trÛjko³owy - dobÛr

czujnikÛw umoøliwiaj¹cych poru-

szanie w†nieznanym otoczeniu.

- Sterownik mobilnego robota ko³o-

wego.

Zaprojektowano konstrukcjÍ me-

chaniczn¹ wraz z†systemem senso-

rycznym oraz opracowano sterow-

nik i†oprogramowanie. Powsta³ sto-

sunkowo prosty robot mobilny, ktÛ-

ry ma zdolnoúÊ samodzielnego po-

ruszania siÍ. Moøna go udoskonalaÊ

i†wzbogacaÊ w†elementy zaleøne od

przewidywanych zastosowaÒ oraz

wykorzystaÊ w†pracy dydaktycznej

lub w†celach badawczych.

Rys. 1

Elektronika Praktyczna 11/2002

Projekty akademickie

Rys. 2

c) sensory mierz¹ce przebieg: prze-

tworniki obrotowo-impulsowe.

W†robocie uøyto osiem mikrowy-

³¹cznikÛw typu kontaktronowego

z†klawiatury numerycznej. Zdecy-

dowano siÍ na takie umiejscowienie

czujnikÛw, aby na kaødym boku

pojazdu by³y po dwa maksymalnie

oddalone od siebie i†po³¹czone alu-

miniowym zderzakiem. Poza tym,

poszczegÛlne zderzaki s¹ po³¹czone

gumow¹ taúm¹ gwarantuj¹c¹, øe

robot nie zahaczy s¹siaduj¹cym

(prostopad³ym) zderzakiem o†prze-

szkodÍ i†nie zaklinuje siÍ. Zderzak

tworzy wiÍc zamkniÍt¹ pÍtlÍ wokÛ³

p³yty noúnej robota. Takie roz-

mieszczenie czujnikÛw gwarantuje

wykrycie przez robota przeszkody

z†kaødej strony na ca³ym jego ob-

wodzie. OprÛcz tego sta³o siÍ moø-

liwe zidentyfikowanie miejsca kon-

taktu, tzn. okreúlenie, w†ktÛr¹ czÍúÊ

zderzaka uderzy³a przeszkoda: lewa

strona, úrodek, prawa strona (kaø-

dego z†bokÛw). Zilustrowano to na

rys. 3 .

W†robocie zamontowano takøe

jeden czujnik wykrywaj¹cy kra-

wÍdü pod³oøa. Jest to mikrowy³¹cz-

nik mechaniczny z†odpowiednio

przymocowanym i†wyprofilowanym

sprÍøystym drutem, ktÛrego zada-

niem jest wykrywanie wszelkiego

rodzaju uskokÛw, np.: krawÍdü sto-

³u, schodÛw lub wiÍkszych po-

przecznych rowÛw ( rys. 4 ). Czujnik

ten odpowiada za bezpieczeÒstwo

robota, chroni¹c go przed spad-

kiem i†uszkodzeniem. W†przypad-

ku wykrycia przez czujnik prze-

szkody, program robota wchodzi

w†tzw. pÍtlÍ awaryjn¹. Jej zada-

niem jest wycofanie pojazdu z†za-

groøonego rejonu, skrÍt w†prawo

o†k¹t 90 o i†w†ten sposÛb ominiÍcie

niewidocznej dla innych czujnikÛw

przeszkody.

Budowa ARM

Korpus g³Ûwny robota stano-

wi p³yta z†pleksiglasu o wymia-

rach 350x300x10 mm. Zastosowany

materia³ przy ma³ej wadze zapew-

nia dobr¹ wytrzyma³oúÊ mechanicz-

n¹ i†³atwoúÊ montaøu potrzebnego

wyposaøenia. Robot jest napÍdzany

przez dwa przednie, niezaleøne,

nieskrÍtne ko³a. Z†ty³u znajduje siÍ

trzecie, swobodne ko³o podporowe

( rys. 1 ). Przednie ko³a s¹ z†zewnÍt-

rznej strony ³oøyskowane za pomo-

c¹ ³oøysk kulkowych, a†od strony

wewnÍtrznej osie kÛ³ oparte s¹ na

³oøyskach przek³adni silnika. Do

napÍdu zastosowano dwa silniki

pr¹du sta³ego typu RHE158 firmy

Micro Motors (12 V/680 mA/0,5

Nm) wyposaøone przez producenta

w†przek³adnie mechaniczne 75:1

i†przetworniki obrotowo-impulsowe

wytwarzaj¹ce trzy impulsy na jeden

obrÛt silnika. Akumulator zasilaj¹cy

robota (12 V/1,5 Ah o†wadze 1,3

kg) zosta³ umieszczony nad osi¹

kÛ³. DziÍki temu ko³a s¹ doci¹øone

i†lepiej przylegaj¹ do pod³oøa. Na

akumulatorze zamontowano g³owicÍ

pomiarow¹ czujnika ultradüwiÍko-

wego obracan¹ za pomoc¹ modelar-

skiego serwomechanizmu HS300

(Hitech). DziÍki temu robot moøe

skanowaÊ swoje otoczenie w†poszu-

kiwaniu przeszkÛd (mierzyÊ odleg-

³oúÊ od nich).

wiany jest za pomoc¹ dwÛch bitÛw,

a†prÍdkoúÊ obrotow¹ reguluje siÍ

poprzez zmianÍ wspÛ³czynnika wy-

pe³nienia impulsÛw zasilaj¹cych

(sterowanie PWM). Istnieje moøli-

woúÊ szybkiego hamowania silnika

poprzez zwarcie uzwojenia wirnika.

Do sterowania robota mobilnego

zaadaptowano sterownik oparty na

procesorze 80C535, taktowanym syg-

na³em o†czÍstotliwoúci 12 MHz (ge-

nerator kwarcowy). Procesor ma

wbudowane uk³ady CCU wykorzys-

tywane do generacji przebiegÛw

impulsowych o†zmiennej szerokoúci

(PWM), ktÛre zasilaj¹ silnik. DziÍki

tym peryferiom procesor jest zajÍty

tylko podczas zmiany wspÛ³czynni-

ka wype³nienia fali PWM. Sterow-

nik ma 8 wejúÊ zabezpieczonych

transoptorami LTV829, 4 programo-

walne liczniki 24-bitowe LS7166,

programowany uk³ad we/wy (8255),

ktÛry umoøliwia rozszerzenie por-

tÛw procesora. Sterownik zawiera

rÛwnieø ³¹cze szeregowe RS232

i†wyjúcie na wyúwietlacz LCD. Uk³a-

dy elektroniczne zasilane s¹ z†im-

pulsowego zasilacza stabilizowane-

go, opartego na uk³adzie L4960

przekszta³caj¹cego napiÍcie 12V

z†akumulatora na 5V.

System czujnikÛw

W†uk³adzie jezdnym robota za-

stosowano czujniki, ktÛre moøna

pogrupowaÊ w†trzech grupach:

a) niskopoziomowe sensory zbliøe-

niowe: czujniki zderzakowe (8

szt.), czujnik wykrywaj¹cy kra-

wÍdü pod³oøa (1 szt.);

b) aktywny sensor wysokiego po-

ziomu (jednotorowy czujnik ul-

tradüwiÍkowy),

Uk³ad sterowania

StopieÒ mocy do sterowania sil-

nikÛw zosta³ zbudowany na uk³a-

dzie scalonym L298 firmy STMic-

roelectronics ( rys. 2 ). Uk³ad ten

umoøliwia sterowanie prac¹ dwÛch

silnikÛw. Kierunek obrotÛw usta-

Rys. 3

Elektronika Praktyczna 11/2002

Projekty akademickie

Fot. 5

Rys. 4

W†wykonanym modelu robota

zastosowano jeden jednotorowy

czujnik ultradüwiÍkowy, ktÛrego

g³owica pomiarowa zosta³a umiesz-

czona na ruchomej, obrotowej wie-

øyczce ( fot. 5 ). Rozwi¹zanie takie

ma wiele zalet, m.in.: pozwala

dokonywaÊ pomiarÛw pod rÛøny-

mi k¹tami ustawienia g³owicy

wzglÍdem przeszkody, bez zbÍd-

nych ruchÛw pojazdem. Pozwala

takøe wyznaczyÊ k¹t, pod jakim

znajduje siÍ ARM wzglÍdem prze-

szkody. Moøliwe jest skanowanie

otoczenia i poszukiwanie poten-

cjalnych przeszkÛd. Nie jest to

rozwi¹zanie drogie, gdyø zamiast

kilku czujnikÛw ultradüwiÍkowych

rozmieszczonych doko³a pojazdu

mamy jeden ruchomy. Sonar wy-

krywa przeszkody o†szerokoúci mi-

nimalnej ok. 5†cm w zasiÍgu

1†metra z†rozdzielczoúci¹ 1†centy-

metra. Ma trudnoúci z†wykryciem

np. w¹skiej nogi od krzes³a, ale

nogÍ od sto³u juø zauwaøa. Naleøy

pamiÍtaÊ, øe w†przypadku niewy-

krycia przeszkody, niezawodne s¹

sensory niskiego poziomu - zde-

rzakowe.

W†ARM zastosowano dwa prze-

tworniki obrotowo-impulsowe, ktÛ-

re wraz z†licznikami zliczaj¹cymi

impulsy i†systemem mikroproceso-

rowym (80C535) umoøliwiaj¹ ci¹g³¹

kontrolÍ prÍdkoúci kÛ³ (k¹tow¹ i†li-

niow¹), ich przyúpieszeÒ oraz obli-

czenie przebytej drogi. Pozwala to

miÍdzy innymi na: lokalizacjÍ ro-

bota na p³aszczyünie, jazdÍ po

zaplanowanej i†zaprogramowanej

trajektorii, utrzymywanie sta³ej

prÍdkoúci obu kÛ³ w†jeüdzie do

przodu, skrÍty o†dowolny k¹t, na-

wroty, jazdÍ po ³uku.

Program steruj¹cy prac¹ robo-

ta zosta³ napisany w jÍzyku C

i†w†asemblerze. Przygotowany pro-

gram realizuje bardzo prosty algo-

rytm: jedü prosto dopÛki nie na-

potkasz przeszkody, jeúli znajdziesz

przeszkodÍ, omiÒ j¹. Mimo tak

prostego algorytmu (poruszanie siÍ

robota ma charakter ìchaotycznyî

- bez okreúlonego celu koÒcowego),

robot zrÍcznie omija wszelkie prze-

szkody, sporadycznie wykorzystu-

j¹c czujniki zderzakowe. W†przy-

padku, gdy robot jest osaczony

z†trzech stron przez przeszkody,

najpierw mierzona jest odleg³oúÊ

do przeszkody na wprost, potem

z†prawej strony i†na koniec z†le-

wej. NastÍpnie robot kieruje siÍ

w†stronÍ, gdzie ma najdalej do

przeszkody.

Adam Pongowski

Krzysztof Stawski

Dodatkowe materia³y zwi¹zane

z†robotem (w tym filmy z†prezen-

tacj¹ moøliwoúci) moøna znaleüÊ na

stronie internetowej: http://www.re-

publika.pl/apongowski.

Elektronika Praktyczna 11/2002

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: