CC BY
40
РАЗРАБОТКА ЧЕЛОВЕКОПОДОБНОГО РОБОТОТЕХНИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА Мороз Иван Русланович, студент (e-mail: [email protected]) Степанов Антон Витальевич, студент
(e-mail: [email protected]) Рыжиченко Антон Иванович, студент (e-mail: [email protected]) Матлахов Виталий Павлович, к.т.н., доцент (e-mail: [email protected]) Брянский государственный технический университет, Россия
Статья посвящена разработке роботизированного прототипа руки человека под управлением Arduino, который может повторять базовые движения кисти человека.
Ключевые слова: Роботехника, микроконтроллеры, Arduino, 3D печать.
В 2015 году на базе Брянского государственного технического университета были учреждены два кружка для студентов: кружок робототехники и кружок 3D прототипирования.
В рамках научного кружка «Робототехника» возникла идея в короткие сроки создать готовый прототип человеческой руки, обеспечивающей базовые движения человеческой кисти. За основу был взят открытый проект InMoov [1] который предоставляет в свободном доступе готовые решения для 3D печати различных частей человеческого тела. При поддержке кружка 3D прототипирования были напечаны и собраны необходимые элементы кисти и предплечья [2].
Для решения задачи управления для роботизированной руки необходимо использовать сложное электронное устройство, которое будет иметь возможность работать с датчиками, которые снимают положение руки в определенный момент времени и сервоприводами, благодаря которым, обеспечиваются движения пальцами руки.
Для управления сервоприводами, необходимо понимать принцип их работы. Он заключается в том, что на сигнальный провод сервопривода необходимо подавать ШИМ-сигнал (Широтно-Импульсная Модуляция). Поставив после ШИМ фильтр низкой частоты, можно получить аналоговый сигнал напряжения в пределах от 0 до 5 вольт. В сервоприводе с основным его валом соединен потенциометр, который превращает угол поворота вала в напряжение. Электронная схема на борту сервопривода сравнивает напряжение с потенциометра и напряжение, которое предается в виде ШИМ по управляющему проводу и в результате чего поворачивает вал таким образом, чтобы эти два напряжения стали равными.
В качестве датчиков, фиксирующих положение пальцев, используются датчики изгиба, произведенные по запатентованной технологии Spectra
Symbol и используются в оригинальных игровых контроллерах Nintendo Power Glove. Этот датчик представляет из себя гибкую подложку на которую нанесен токопроводящий слой черного цвета, разделенный прямоугольными пластинами металла. Когда датчик сгибается пластинами наружу, его сопротивление увеличивается.
В процессе работы у каждого датчика изменяется сопротивление, поэтому задача сбора информации с датчиков состоит в измерении их сопротивления. В микропроцессорной технике для перевода аналоговых величин в цифровые, а именно напряжения используется АЦП - Аналогово-Цифровой Преобразователь, поэтому, для перевода величины сопротивления в напряжение нужно использовать резисторный делитель напряжения. Номинал резистора, подключаемый к питанию, необходимо выбрать такой, чтобы его сопротивление примерно было равно среднему значению сопротивления на датчике. Используя делитель на выходе получаем сигнал, который будет меняться в определенных пределах значения напряжения.
Учитывая все вышеописанные требования, которыми должна обладать управляющая система, была выбрана платформа Arduino. Arduino - это плата, основным компонентом которой является микроконтроллер фирмы Atmel серии ATmega. На этой плате установлена необходимая обвязка -устройства, необходимые для работы микроконтроллера и для связи платы с компьютером. Программы пишутся на языке программирования C++, а встроенные библиотеки помогают разработчику не задумываться о архитектуре микроконтроллера, а всецело направить свой творческий потенциал для решения поставленных задач управления, не отвлекаясь ни на какие нюансы микросхемы [3]. Библиотека Servo.h позволяет работать с сервоприводами. Двумя простыми функциями attach - настройка вывода Arduino для работы с сервоприводом и write - запись значения угла поворота оси. Сервопривод подключается тремя проводами, два из которых питание и земля, а третий сигнальный провод, который как раз подключаем к настроенному выходу микроконтроллера функцией attach.
Для работы с Arduino существует бесплатная среда разработки Arduino IDE, работающая на всех популярных платформах. Повышенный интерес к Arduino еще вызван тем, что в большинстве случаев при сборке устройств, нет необходимости брать в руки паяльник, чтобы посмотреть и отладить будущий проект, это несомненно является преимуществом. Для того чтобы запрограммировать микроконтроллер не требуются специализированные программаторы. Плата соединяется с компьютером через USB, а микроконтроллер имеет возможность прошивать себя сам, но могут быть и проблемы с такой системой, если вдруг повредится загрузчик - программа, изначально записанная в микроконтроллер, то все-таки потребуется ISP программатор.
На Arduino имеется 6 аналоговых входов, то есть входом АЦП, к которым можно подключить разнообразные датчики. Микроконтроллеры Atmega, используемые в Arduino, содержат шестиканальный аналого-
цифровой преобразователь (АЦП). Разрешение преобразователя составляет 10 бит, что позволяет на выходе получать значения от 0 до 1023. Основным применением аналоговых входов большинства платформ Arduino является чтение аналоговых датчиков. Считывание значение с аналогового входа занимает примерно 100 микросекунд (0.0001 сек), т.е. максимальная частота считывания приблизительно 10,000 раз в секунду. Для работы с АЦП используется функция analogRead(pin), где pin - номер аналогово входа.
Главным недостатком аналогового сигнала является неустойчивость к внешним шумам. Если провод от сенсора до микроконтроллера будет достаточно длинным, он начнёт работать как антенна и улавливать внешние электромагнитные поля: провод сам будет влиять на выходное напряжение и тем самым искажать показания. Поэтому разумный предел длины провода для аналогового сенсора — не более 50 см. Чтобы уменьшить влияние помех на полезный сигнал можно воспользоваться усреднением. Так как помехи носят случайный характер, они будут влиять на полезный сигнал тем меньше, чем больше выборок используется для усреднения
Заранее точного сопротивления для каждого датчика неизвестно. То есть нельзя знать наверняка при какой степени изгиба датчика будет определенное его сопротивление, поэтому в системе управления предусмотрена инициализация максимальных и минимальных значений. В начальный момент времени в массивы максимальных и минимальных значений записываются текущие значения, полученные с АЦП. По мере работы программы они будут инициализированы полностью, для этого нужно сжать перчатку в кулак и разжать. Вполне очевидно, что в процессе работы оператор может и не до конца сжимать руку, поэтому необходима корректировка крайних положений, для этого через определенный промежуток времени максимальное значение уменьшается, а минимальное увеличивается.
В роботизированной руке, сервоприводы должны обеспечивать определенный поворот на определенный угол, поэтому немаловажным было реализовать программное ограничение угла поворота сервопривода, до заданного - максимальные и минимальные углы поворота записываются в специальный массив на этапе разработки и отладки программы.
В настоящий момент «рука» управляется с помощью контроллера собственной разработки, на базе датчиков изгиба с пакетной передачей данных по каналу радиосвязи использованием радиомодуля и представляет из себя перчатку. Для реализации этого используются две платы Arduino, одна крепиться на «руке» и играет роль приемника, другая, находящаяся на перчатке является передатчиком. Передатчик связан с датчиками изгиба, что позволяет снимать их показания и отправлять их на приемник, где они обрабатываются программой, вшитой в микроконтроллер платы. Такое решение позволяет использовать руку на расстоянии до 1000 метров.
Принцип дистанционного управление лежит в основе нашего виденья использования «руки». Эта разработка позволит выполнять различные
опасные операции без вреда для здоровья. Например, на научных объектах, с опасными радиационными, гамма, альфа и другими излучениями. Так же ее можно применять в военной или тяжелой промышленности, где деятельность сопряжена с риском. Например, нашу «руку» можно будет использовать в качестве инструмента сапера, что позволит сократить смертность в этой профессии фактически до нуля.
Ближайший шаг, в развитии этого направления мы видим в использовании блютуз модуля. Данная доработка позволит управлять «рукой» с телефона, что будет означать возможность её массового использования. При таком управлении будет возможно внедрение нашего продукта в частное хозяйства. Мы считаем, что «руке» найдется применение в домах у простых людей, на кухне, в гараже и т.д. Блютуз модуль может использоваться в связке с голосовым управлением.
Возможен и второй вариант развития нашего продукта — протезирование. Протезирование очень актуально в наше время. В связи с высоким количеством всевозможных природных и техногенных катастроф, все больше и больше людей становятся инвалидами. Так же не стоит забывать о природных биологических аномалиях. Протезирование позволяет людям с отклонениями вернуть утраченные возможности. И речь идет не только о простом протезировании, но и о экзопротезировании. Разница заключается в том, что, как правило, протез управляется остаточными мышечными сокращениями, то есть протез является своего рода продолжением мышц человека. При попытке сократить мышцу, управляющую каким-либо движением, остаточное сокращение передается протезу, и он выполняет действие, которое задумал человек. Суть экзопротезов кардинально отличается. В таком протезе, управление происходит под действием импульсов головного мозга.
В мире существует немалое количество аналогов нашего изобретения, но они очень дорогостоящие. Стоимость нашего изделия будет в разы отличаться от стоимости зарубежных конкурентов.
Список литературы
1. Открытый проект InMoov [Электронный ресурс]. - режим доступа: http://inmoov.fr
2. Левый, Д. В. Применение 3В-прототипирования применительно к научной работе и учебному процессу / Д. В. Левый // Инновационные модели системы образования -ресурс развития региональных территорий»: материалы международной научно-практической конференции: - Рославль: филиал Университета машиностроения в г. Ро-славле, 2015. - С.61-63.
3. Матлахов, В. П. Разработка прототипа руки под управлением Arduino/ В. П. Мат-лахов// Инновационные модели системы образования - ресурс развития региональных территорий»: материалы международной научно-практической конференции: - Ро-славль: филиал Университета машиностроения в г. Рославле, 2015. - С.29-31.
Moroz Ivan Ruslanovich, student
(e-mail: [email protected])
Bryansk State Technical University
Stepanov Anton Vitalievich, student
(e-mail: [email protected])
Bryansk State Technical University
Rijichenko Anton Ivanovich, student
(e-mail: [email protected])
Bryansk State Technical University
Matlahov Vitali Pavlovich, associate professor
(e-mail: [email protected])
Bryansk State Technical University
HUMANOID ROBOTIC SYSTEMS DEVELOPMENT
Abstract. The article is devoted to the development of a prototype robotic human type hand under Arduino control, which can repeat the basic movements of the hand of man. Keywords: Robotics, microcontrollers, Arduino, 3D printing.
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА СПЕКАНИЯ ПОРОШКОВЫХ ЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ С НАНОДОБАВКАМИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ И ОКСИДНЫХ КОМПОНЕНТОВ Нарва Валентина Константиновна, профессор, к.т.н. (e-mail: [email protected]) Еремеева Жанна Владимировна, доцент, д.т.н (e-mail: [email protected]) Национальный исследовательский технологический университет
«МИСиС», Москва, Россия Шарипзянова Гюзель Харрясовна, доцент, к.т.н. (e-mail: [email protected]) Ниткин Николай Михайлович, доцент, к.т.н.
(e-mail: [email protected]) Тер-Ваганянц Юлия Суреновна, преподаватель (e-mail: [email protected]) Московский государственный машиностроительный университет (МАМИ) «Университет машиностроения», Москва, Россия Апостолова Екатерина Васильевна, магистрант (e-mail: [email protected]) Коробов Николай Павлович, магистрант (e-mail: [email protected]) Национальный исследовательский технологический университет
«МИСиС», Москва, Россия
В данной статье рассмотрен один из возможных вариантов уменьшения пористости порошковых сталей за счет активации процесса спекания при введении нанодисперсных металлических и оксидных компонентов.
Ключевые слова: порошковые стали, нанодобавки, пористость, спекание.
Проблема получения малопористых или беспористых конструкционных
