Текст книги "Создаем робота-андроида своими руками"

Параметры дирижабля

Для эффективного использования в наземных системах телеслежения дирижабли должны удовлетворять нескольким критериям. Дирижабль должен быть абсолютно безопасен для окружающих людей. Дирижабли должны быть способны перемещаться по тем же направлениям, которые используют люди. ПЗС видеокамера должна находиться примерно на уровне глаз человека. Дирижабль должен без особых трудностей противостоять небольшому встречному ветру.

Система балласта должна позволять дирижаблю «зависать» в положении нулевой плавучести на одном или нескольких этажах здания. Если создание такой балластной системы представляет трудность, то необходимо разместить дирижабли с нулевой плавучестью на каждом этаже. При смене этажа оператор должен легко подключаться к неиспользуемому роботу телеслежения, находящемуся на требуемом этаже.

Физические ограничения накладываются на дирижабли в силу их малого веса. Например, дирижабль не может толчком открыть дверь. Здания требуют реконструкции, при которой двери и лифты будут управляться электронным способом по командам, поступающим с дирижабля.

Набор для конструирования дирижабля

Мы будем изготовлять дирижабль из прочного материала типа Mylar. Материал можно соединять путем горячей сварки с помощью бытового утюга. Существует множество возможных форм дирижаблей: в виде летающей колбасы, в виде крыла дельтаплана или обычного дирижабля – шара типа Goodyear. Я предлагаю простейшую конструкцию – дирижабль в форме подушки.

Изготовить дирижабль в форме подушки очень просто. Согните лист материала Mylar пополам (блестящей стороной наружу). Соедините сваркой его три открытых стороны, оставив небольшое отверстие внизу для штуцера наполнения газом, и все готово.

Гелий продается в баллонах во многих магазинах товаров для «вечеринок» и предназначен для надувания воздушных шаров. Баллоны по форме напоминают баллоны для пропана. Если в вашем районе нет подобного магазина, поищите поставщика в «Желтых страницах».

Когда я начинал проект, то подумывал об использовании водорода вместо гелия, по той причине, что поскольку вес водорода почти в два раза меньше гелия, то можно ожидать увеличения подъемной силы в два раза. Правильная мысль? Ошибка!

Мое предположение о том, что вес водорода почти в два раза меньше веса гелия оказалось правильным (см. табл. 14.1), но я неверно подсчитал подъемную силу, и вот почему. Подъемная сила возникает при замещении объема воздуха водородом или гелием аналогично воздушному пузырьку в воде. Давайте используем эту аналогию. Плотность воздуха меньше плотности окружающей воды, поэтому пузырек выталкивается на поверхность. Аналогично, гелий имеет меньшую плотность, чем окружающий воздух, и поэтому он поднимается вверх. Из табл. 14.1 видно, что поднятие гелия или водорода вверх в толще более плотного газа, т. е. воздуха, определяется их меньшей плотностью.

Таблица 14.1

Итак, какова подъемная сила шара с гелием объемом 0,14 куб.м.?

Вес вытесненного воздуха = 0,14 (1,29) = 0,18 кг

Вес 0,14 куб.м. гелия = 0,14 (0,178) = 0,025 кг

Подъемная сила = 0,18 кг – 0,025 кг = 0,155 кг

Подъемная сила достаточно велика! Это произошло потому, что мы не вычли вес самого шара. Допустим, шар весит 0,1 кг, тогда полезная подъемная сила (0,155 кг-0,1 кг) уменьшится до 0,055 кг, или 55 г.

Вес 0,14 куб.м. водорода = 0,14 (0,09) = 0,012 кг

Подъемная сила = 0,18 кг – 0,012 кг = 0,168 кг

Разница подъемной силы для шара объемом 0,14 куб.м. составит:

0,168 кг – 0,155 кг = 0,013 кг, или 13 г.

Разница подъемной силы оказалась очень невелика, поэтому не стоит подвергаться риску, применяя водород. Я бы советовал использовать исключительно гелий.

Размер куска материала Mylar, который используется для изготовления дирижабля, после сгибания пополам составляет в плоском виде 860х 1422 мм. Вес материала составляет 93 г. Достаточно сложно определить количество гелия, заполняющего дирижабль. Для грубой оценки я буду считать, что дирижабль будет иметь форму цилиндра. Я знаю, что подушка не имеет цилиндрической формы, но, как я уже сказал, это грубая оценка. Сперва найдем диаметр. Кусок материала имеет длину 860х 2, т. е. длина окружности составит 1720 мм. Длина окружности равна радиусу, умноженному на 2п. Вычисляем радиус, который оказывается равным 280 мм. Объем цилиндра равен квадрату радиуса, умноженному на п и на высоту цилиндра. Высота в данном случае равна 1422 мм. Отсюда объем цилиндра будет равен 0,32 куб.м.

Дирижабль не будет заполнен газом до полного объема. В этом случае я буду считать, что заполнение составит 70 % расчетной величины, или около 0,22 куб.м. гелия.

Расчет подъемной силы

Вес вытесненного воздуха = 0,22 (1,29) = 0,29 кг

Вес гелия = 0,22 (0,178) = 0,04 кг

Вес оболочки из материала Mylar = 0,09 кг

Полезная подъемная сила = + 0,29 – 0,04 – 0,09 = 0,16 кг, или 160 г.

Конструкция дирижабля проста и не требует особых замечаний. Основной проблемой является надежность сварного шва. Для практики отрежьте от листа материала Mylar небольшую полоску. Согните полоску Mylar блестящей стороной наружу, а темной стороной внутрь. Поставьте регулятор утюга в среднее положение. Регулируя температуру утюга, проглаживайте материал до получения соединения нужного качества. После того как вы изменили температуру утюга, подождите пять минут для стабилизации нагрева. Если температура окажется слишком большой, то материал «потечет» и в нем появятся отверстия. Если температура слишком мала, то сваренные части можно слишком легко разъединить. При правильной температуре сварки для разъединения шва потребуются значительные усилия. Перед тем как пробовать прочность шва, охладите материал Mylar в течение минуты. Найдя правильную установку температуры, запомните ее для использования в дальнейшем.

Мы будем изготавливать дирижабль в форме подушки. Согните лист материала Mylar пополам блестящей стороной наружу. Сварите три открытых стороны, оставив небольшое отверстие для штуцера, заполняющего дирижабль газом, и все готово. Ширина шва должна быть в пределах от 12 до 25 мм.

Видеокамера ПЗС

Видеокамера с ПЗС матрицей обеспечивает передачу изображения с дирижабля (см. рис. 14.3). Естественно, вес принимается во внимание в первую очередь. Камера весит чуть больше 15 г. Размеры камеры составляют 31x31x3 мм. Светочувствительность камеры составляет 0,03 люкс, разрешение 430 телевизионных строк. Выходной сигнал 1 В в системе NTSC. Камера питается от источника постоянного напряжения 9-12 В. Ток, потребляемый камерой, составляет примерно 100 мА.

Рис. 14.3. Легкая ПЗС видеокамера для системы телеслежения

Камеру можно питать от батареи «Крона» напряжением 9 В. Вес батареи (45 г.) в три раза больше веса самой камеры.

Существует несколько типов наборов оборудования ТВ передатчика, которые выделяются в два основных класса. Передатчики первого типа транслируют видео– и звуковой сигналы на частоте одного из стандартных телевизионных каналов. Телевизионный приемник принимает сигнал и отображает его на экране. Радиус действия подобной системы составляет порядка 100 метров.

Другой тип передатчиков значительно дороже. Они транслируют сигналы выше частот телевизионного диапазона (частота составляет около 900 МГц), поэтому для просмотра на экране телевизора требуется специальный конвертер. Конвертер принимает сигнал на частоте 900 МГц и понижает ее до частоты стандартного телевизионного диапазона. Такая система отличается большим радиусом действия и лучшим качеством изображения. Блок, использованный в первоначальной версии устройства, передает сигналы непосредственно на телевизионный приемник в диапазоне УКВ (канал 14) (см. рис. 14.4).

Рис. 14.4. Плата ТВ передатчика

Система радиоуправления специально создана для подобных дирижаблей (см. рис. 14.5). Она имеет исключительно малый вес. Блок движителя представляет собой сдвоенный турбовентилятор, закрепленный к нижней части дирижабля. Каждый вентилятор может вращаться в обоих направлениях и управляется отдельно по двухканальному радиопередатчику.

Рис. 14.5. Легкая система радиоуправления для дирижабля

Такая конструкция позволяет повысить маневренность дирижабля. Когда один вентилятор толкает дирижабль вперед, а другой – назад, то это позволяет быстро развернуть всю конструкцию. Дирижабль-подушка, готовый к процессу телеслежения, представлен на рис. 14.6. Детальный вид турбовентилятора, миниатюрной ПЗС видеокамеры и телевизионного передатчика показан на рис. 14.7.

Рис. 14.6. Дирижабль-подушка

Рис. 14.7. Детальный вид турбовентилятора, ПЗС видеокамеры и передатчика

Дальнейшие усовершенствования

Дирижабль как он есть представляет собой систему телеслежения. Если снабдить его автономной навигационной системой, то мы превратим дирижабль в летающего робота.

Список деталей дирижабля

• (1) дирижабль с радиоуправлением, #T30824-77

Деталь можно заказать в:

Edmund Scientific

60 Pearce Ave

Tonawanda, NY 14150-6711

1-800-728-6999

• (1) Миниатюрная ч/б ПЗС видеокамера

• (1) Миниатюрный ТВ передатчик

Детали можно заказать в:

Images, SI, Inc.

39 Seneca Loop

Staten Island NY 10314

(718) 698-8305

http://www.imagesco.com

Ссылки в Интернете

• Robot Group, Austin, Texas – Neural Net Blimp

http://www.robotgroup.org/projects/mark4.html

• WEB-controlled blimp at Berkley

http://vive.cs.berkley.edu/blimb/

• WEB Blimp

http://register.cnet.com/content/features/quick/weblimp

http://utopia.minitel.fr/~mpj/airships/ ”>Marv’s Airship Server

• Univercity of Virginia – Solar-powered airship

http://minerva.acc.Virginia.edu:80/~secap/

• U.S. competitor in Australia Solar Challenge

http://www.mane.virginia.edu/airship.htm

• Intelligent surveillance blimp at the Univercity of Virginia

http://watt.seas.virginia.edu/~jap6y/isb/

• Japanese Project – Solar-powered airship

http://www.aist.go.jp/mel/mainlab/joho/joh04e.html

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 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.

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 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

Конструкция интерфейса для PC

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