CC BY
18
УДК 681.518.5:378.147.88
РАЗРАБОТКА АППАРАТНОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ ПРОГРАММНО-АППАРАТНОГО ОБРАЗОВАТЕЛЬНОГО РОБОТОТЕХНИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА
Дмитрий Александрович Мяхор
Национальный исследовательский Томский политехнический университет, 634034, Россия, г. Томск, пр. Ленина, 30, обучающийся, e-mail: MyDiAl2009@gmail.com
В статье представлен вариант аппаратной реализации образовательного робототехни-ческого комплекса, на базе которого возможно интегрировать концепцию «Интернета вещей» в робототехнику с целью улучшения качественных показателей платформы. Описана конструкция корпуса робота и перечислены используемые электронные компоненты.
Ключевые слова: робот, робототехника, корпус, конструкция, проектирование, образование, интернет вещей.
HARDWARE DEVELOPMENT OF THE EDUCATIONAL ROBOTICS KIT
Dmitry A. Myahor
National Research Tomsk Polytechnic University, 30, Lenin Avenue St., Tomsk, 634034, Russia, e-mail: MyDiAl2009@gmail.com
The article presents a variant of the hardware implementation of the educational robotic complex, on its basis it is possible to integrate the concept of «Internet of things» with the aim of improving quality. The design of the robot is described and the electronic components are listed.
Key words: robot, robotics, education, internet of things.
Современный мир развивается стремительными темпами: создаются новые технологии, процессы, которые раньше требовали колоссального количества времени и человеческих ресурсов, теперь реализуются значительно проще и быстрее. Объемы промышленных производств растут, качество производимой продукции улучшается. Такой стремительный скачок технического и технологического развития человечества был бы не возможен без повсеместного внедрения новых информационных систем и робототехники.
Однако, чтобы технологии развивались дальше такими же темпами, необходим регулярный приток новых квалифицированных специалистов. Таким образом, возникает необходимость в качественном обучении будущих кадров и, как следствие, в одновременно эффективных, гибких и функциональных инструментах для реализации образовательных программ.
Представленная работа посвящена разработке аппаратной составляющей программно-аппаратного образовательного робототехнического комплекса, на базе которого будет продемонстрирована возможность интеграции концепции «Интернета вещей» в робототехнику с целью улучшения качественных показателей проекта и создания функционального образовательного пособия.
Проект платформы для обучения робототехнике предполагает разработку собственного аппаратного решения для демонстрации функциональных осо-
бенностей программной среды комплекса. Решение должно соответствовать следующим техническим требованиям:
1. Широкая доступность корпусных материалов и электронных комплектующих;
2. Дешевизна и возможность легкого повторения конструкции в условиях школ робототехники и частных мастерских;
3. Минимизация массогабаритных параметров за счет использования меньшего количества метизов, грамотно спроектированных технологических отверстий и современной элементной базы;
4. Максимально возможная надежность всех узлов с расчетом на длительную эксплуатацию в образовательных целях;
5. Модульность и возможность унификации конструкции.
С учетом обозначенных требований в качестве оптимального решения для аппаратной составляющей проекта была выбрана колесная робототехническая платформа. Каждый узел платформы является модульным и унифицированным. Спроектированный образец робота имеет: три колесных модуля, манипулятор, а также специальное крепление с изменяемым углом отклонения для датчиков линии, инфракрасных/ультразвуковых дальномеров и камер. Представленные модули устанавливаются на сдвоенную корпусную рейку, фиксируются зажимными планками и одной парой винт-гайка. В сочленениях манипулятора, как наиболее подвижных узлах, предусмотрено использование гаек с нейлоновым уплотнителем с целью уменьшения вероятности самостоятельного разбора конструкции в процессе эксплуатации. Помимо функциональных модулей предусмотрена прямоугольная площадка с отверстиями под крепление пользовательской электроники. Корпус робота спроектирован из дешевого и легкодоступного материала - березовой фанеры толщиной 3 миллиметра и изготовлен на лазерном гравировальном станке. Корпус робота разработан в системе автоматического проектирования (САПР) Solid Works 2013. Его трех мерная модель представлена на рис. 1.
Рис. 1. Трехмерная модель корпуса робота
Робототехническая платформа в сборе представлена на рис. 2.
Рис. 2. Собранная платформа робота
Для использования робота в условиях пересеченной местности, уменьшения износа корпусных деталей, а также стабилизации показаний датчиков спроектированы сдвоенные пружинные амортизаторы, установленные на каждом колесе (рис. 3).
Рис. 3. Трехмерная модель сдвоенного пружинного амортизатора
Амортизатор обладает четырьмя горизонтальными шипами, которые предназначены для функционирования шарнирного механизма. Основания шипов скруглены с целью уменьшения трения при вращении шарниров. Функцию направляющих выполняют фрагменты стержня шариковой ручки, которые закре-
пляются внутри пазов неподвижных планок. Неподвижные планки обладают выступом, находящимся между направляющими, задача которого заключается в ограничении хода амортизатора при чрезмерной механической нагрузке для недопущения прижатия днища робота к поверхности движения. В роли регулятора хода пружины выступает регулировочная планка, устанавливаемая в направляющие между пружинами и подвижной частью амортизатора.
Основа ходовой части - популярный китайский пластиковый мотор-редуктор, широко используемый конструкторами в любительских проектах.
Мотор-редуктор и амортизатор входят в конструкцию колесной сборки. В свою очередь две колесных сборки образуют модуль колесной пары (рис. 4). Он включает в себя несколько планок, обладающих двумя типами специальных отверстий: для крепления к рейкам рамы методом перекрестной фиксации и для реализации шарнирных механизмов. Колесная пара обладает дополнительными продольными ребрами жесткости, которые соединяют все детали рассматриваемого узла в единую жесткую систему.
Рис. 4. Трехмерная модель колесного модуля
Модуль манипулятора (рис. 5) предназначен для осуществления роботом различных механических воздействий на окружающую среду, а также применения в качестве подвижной платформы для крепления датчиков или камер. Для осуществления движения конструкции использованы три сервопривода М090Б. Концевой сегмент обладает рядом из пяти отверстий для крепления хватательных или иных механизмов.
Рис. 5. Трехмерная модель модуля манипулятора
Система управления роботом состоит из двух подсистем: основной и вспомогательной. Основная система управления реализована на базе одноплатного микрокомпьютера Rasperry Pi 3 model B. Питание микрокомпьютера осуществляется от понижающего импульсного стабилизатора напряжения на базе микросхемы LM2596 через разъем micro-USB.
Так как робот подразумевает подключение не менее трех сервоприводов (для реализации работы манипулятора), в управляющем устройстве необходимо наличие трех выводов (GPIO), поддерживающих аппаратную ШИМ (PWM). Микрокомпьютер Raspberry Pi 3 обладает только одним подходящим выводом. Существует возможность программной эмуляции ШИМ на остальных GPIO, однако сигнал, сформированный программно, окажется крайне нестабильным, так как цикл генерации будет конкурировать с основной программой за время выполнения. Нестабильный сигнал не будет способен качественно управлять сервоприводами, что повлечет за собой неконтролируемые хаотичные движения ротора с малой амплитудой колебаний. Таким образом, возникает необходимость включения в систему управления дополнительного электронного компонента - платы NodeMCU, которая позволяет не только увеличить количество ШИМ - выводов, но упростить интеграцию концепции интернета вещей в робототехнику.
Чтобы коммутировать входящие в состав робота электроприводы, используется модуль драйвера двигателя на базе микросхемы l298n, способного обеспечить прямое и реверсивное движение двух коллекторных двигателей.
Стоит также отметить наличие в системе электропитания робота отдельного импульсного понижающего стабилизатора напряжения ИОВВУШКО иВЕС для питания сервоприводов манипулятора.
Для организации автономной работы робота все представленные стабилизаторы подключены к литий-полимерному аккумулятору КУ181ОК на 2500 мАч. Во избежание негативных последствий переразряда к балансировочному выводу аккумулятора подключен бортовой сигнализатор низкого напряжения.
Фотография робота со всей установленной электроникой представлена на рис. 6.
Рис. 6. Робот с установленной электроникой
С целью доказательства возможности интеграции «Интернета вещей» в робототехнику разработана, Таким образом, изготовлена и собрана образовательная робототехническая платформа собственной конструкции, которая доказывает возможность интеграции «Интернета вещей» в робототехнику.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1) Интернет-магазин Aliexpress [Электронный ресурс] / Характеристики мотор-редуктора. URL: https://ru.aliexpress.com/item/6V-DC-160mA-100RPM-Dual-Shaft-Car-Toy-Reduced-Gear-Motor-Yellow/32694133950.html?spm=a2g0v.search0104.3. 1.4da87f84z8 ebuk& ws_aa_test=searchweb0_0,searchweb201602_3_10152_10151_10065_10068_10341_ 10342_ 10343_ 10340_10341_10543_10696_10084_10083_10618_10307_10103_10059_308_100031_10103_106 24_10623_10622_10621_10620_10125,sesearchw201603_32,ppcSwitch_5&algo_expid=bbe867c6 -77a4-4fe1-b391-19f5c847aae9-0&algo_pvid=bbe867c6-77a4-4fe1-b391-
19f5c847aae9&transAbTest=ae803_2&priceBeautifyAB=0/, свободный. - Загл. с экрана. - Яз. рус. Дата обращения: 01.03.2018.
2) Интернет-магазин Aliexpress [Электронный ресурс] / Характеристики сервопривода mg90s. URL: https://ru.aliexpress.com/item/High-Quality-Metal-gear-Digital-Servos-MG90S-9g-Servo-Upgraded-SG90-For-Rc-Robot-Helicopter-Airplane/32361955738.html?spm= a2g0v.search 0104.3.37.48ae722bcx3Ynj&ws_ab_test=searchweb0_0,searchweb201602_3_10152_10151_10065 _ 10068_10344_10342_10343_10340_10341_10543_10696_10084_10083_10618_10307_10301_ 10059_308_100031_10103_10624_10623_10622_10621_10620_10125,searchweb201603_2,ppcS witch_5&algo_expid=b27073c3-88be-4887-92e2-da5ec1f0d92a-5&algo_pvid=b27073c3-88be-4887-92e2-da5ec1f0d92a&transAbTest=ae803_2&priceBeautifyAB=0/, свободный. - Загл. с экрана. - Яз. рус. Дата обращения: 01.03.2018.
3) Интернет-магазин «Амперка» [Электронный ресурс] / Raspberry Pi 3 Model B. URL: http://amperka.ru/product/raspberry-pi-3-model-b, /, свободный. - Загл. с экрана. - Яз. рус. Дата обращения: 23.04.2018 г.
4) Образовательный портал EduRobots [Электронный ресурс] / NodeMCU (ESP8266) для начинающих: что такое, как подключить. URL: http://edurobots.ru/2017/04/nodemcu-esp8266//, свободный. - Загл. с экрана. - Яз. рус. Дата обращения: 28.04.2018 г.
5) Интернет-магазин Aliexpress [Электронный ресурс] / Характеристики понижающего стабилизатора напряжения LM2596. URL: https://ru.aliexpress.com /item/Free-Shipping-1PCS-New-Dual-H-Bridge-DC-Stepper-Motor-Drive-Controller-Board-Module-L298N-for/32502891596.html ?ws_ab_test=searchweb0_0
,searchweb201602_3_10152_10151_10065_10068_10344_10342_10343_10340_10341_10543_10 696_10084_10083_10618_10307_10301_10059_308_100031_10103_10624_10623_10622_10621 _10620_10125,searchweb201603_19,ppcSwitch_5&algo_expid=f3b562c8-6100-45a2-9409-f48070effb29-8&algo_pvid=f3b562c8-6100-45a2-9409-
f48070effb29&transAbTest=ae803_2&priceBeautifyAB=0, свободный. - Загл. с экрана. - Яз. рус. Дата обращения: 03.04.2018 г.
© Д. А. Мяхор, 2018
