Файл: Манипулятор с микроконтроллерным управлением.pdf

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«Тольяттинский государственный университет»
ИНСТИТУТ ЭНЕРГЕТИКИ И ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ
(институт)
Промышленная электроника
(кафедра)
11.03.04 Электроника и наноэлектроника
(код и наименование направления подготовки, специальности)
Промышленная электроника
(профиль)
БАКАЛАВРСКАЯ РАБОТА на тему Манипулятор с микроконтроллерным управлением
Студент
Д.Ю. Журавский
(И.О. Фамилия)
(личная подпись)
Руководитель
А.В. Прядилов
(И.О. Фамилия)
(личная подпись)
Консультанты
Н.В. Андрюхина
(И.О. Фамилия)
(личная подпись)
Допустить к защите
Заведующий кафедрой к.т.н., доцент, А.А. Шевцов
(ученая степень, звание, И.О. Фамилия)
(личная подпись)
« »
20 г.
Тольятти 2018

2
Аннотация
Ключевые слова: рука-манипулятор, сервопривод, плата микроконтроллера, последовательный порт.
Бакалаврская работа состоит из шести основных частей, заключения и списка используемых источников. Объем пояснительной записки – 48 страниц, количество рисунков – 41, графическая часть состоит из 6 плакатов формата А1, в списке используемых источников насчитывается 25 наименований.
Предметом выпускной квалификационной работы является разработка и исследование демонстрационного стенда на основе роботизированной руки- манипулятора. Сформулированы цели и задачи проекта. Представлена структурная схема конструкции манипулятора. Во время выполнения бакалаврской работы были выбраны и досконально исследованы все задействованные элементы устройства: сервоприводы, плата микроконтроллера. Основную часть работы над проектом заняли сборка устройства и создание программного кода управления манипулятором с последующей отладкой. Особенностью разработанной программы является способ управления манипулятором с помощью мыши и клавиатуры.
Программное обеспечение данного устройства состоит из двух частей: программы, загруженной на плату микроконтроллера и терминальной программы для компьютера, считывающей положение мыши и нажатия на клавиши клавиатуры.
Вся информация отправляется и считывается через последовательный порт.
Осуществлена оценка экологичности и безопасности исследуемого устройства.
Отдельная часть бакалаврской работы дает подробную информацию о проведенном экономическом анализе и стоимости компонентов.

3
Abstract
Keywords: arm-manipulator, servo drives, microcontroller board, serial port.
Bachelor's thesis consists of six main parts, a conclusion and a list of references.
The bachelor’s thesisconsists of an explanatory note on 48 pages, including 41 drawings, the graphical part of 6 A1 format posters, and a list of 25 references.
The subject of the bachelor’s thesis is the development and investigation of a demonstration stand based on a robotic arm-manipulator. The goals and objectives of the project are formulated. A structural diagram of the manipulator design is presented.
During the execution of the Bachelor thesis, all the elements of the device, such as servo drives, microcontroller board, were selected and thoroughly investigated. The main part of the project work time was spend on the assembly of the device and the creation of a program code for manipulator control with subsequent debugging. The software of this device consists of two parts: a program loaded on the microcontroller board and terminal program for the computer, reading the position of the mouse and pressing the keys of the keyboard. All information is sent and read through the serial port. Environmental and safety assessment of the investigated device was carried out. The special part of the bachelor’s thesis gives details about carried out economic analysis and component costings.

4
Содержание
Введение ............................................................................................................................... 5 1. Состояние вопроса ........................................................................................................ 10 1.1. Формулирование цели и задач проекта ................................................................ 10 1.2. Анализ исходных данных и известных решений ................................................. 10 2. Проектный раздел .......................................................................................................... 13 2.1. Разработка схемы и выбор необходимых компонентов ......................................... 13 2.2. Разработка конструкции устройства ..................................................................... 18 2.3. Практическое изготовление устройства ............................................................... 19 3. Программная часть ........................................................................................................ 23 3.1. Описание алгоритма работы устройства .............................................................. 23 3.2. Разработка программной части устройства .......................................................... 28 4. Экспериментальная часть ............................................................................................. 40 4.1. Инструкция по работе с устройством ................................................................... 40 4.2. Проверка и отладка программной части устройства ........................................... 42 5. Безопасность и экологичность устройства ................................................................. 43 6. Экономическая часть .................................................................................................... 45
Заключение ......................................................................................................................... 46
Список используемых источников .................................................................................. 47
Приложение А .................................................................................................................... 50
Приложение В .................................................................................................................... 53

5
Введение
Современный человек в 21 веке во множестве сфер деятельности, например, в промышленности, медицине, строительстве, исследовательской деятельности, быту и т. п., очень сильно стал нуждаться в таких незаменимых «помощниках», как роботы. Именно поэтому в последние годы очень сильно стала развиваться робототехника. Было разработано много разновидностей роботизированных устройств, которые максимально упрощают работу над определенными задачами, существенно повышают качество выполняемой работы и минимизируют вероятность получения производственных травм, вплоть до летального исхода.
Одним из примеров подобных устройств является роботизированный манипулятор.
Рисунок 1 – Роботизированный манипулятор на производстве
Роботизированный манипулятор- это устройство, имитирующее движения, подобные движениям человеческой руки, предназначенное для реализации широкого спектра поставленных задач, от простейшего перемещения различных объектов в пространстве до проведение сложных хирургических операций.
Существует огромное количество разновидностей манипуляторов, которые

6 различаются по числу степеней подвижности, используемыми приводами, грузоподъемностью, способом управления, методом установки, наличию возможности к перемещению и соответственно способом перемещения. Все эти критерии выбираются исходя из цели использования манипулятора. Ниже приведены основные виды манипуляторов, различающихся по конструкции:
Декартовы
(картезианские) манипуляторы, представляющие собой конструкцию, состоящую из расположенных перпендикулярно друг другу осей движения. Манипуляторы данного типа обладают хорошей жесткостью конструкции из-за малого количества соединений. В тоже время недостатком таких манипуляторов является полное отсутствие гибкости, что сильно ограничивает их в движении. Исправить эти недочеты смогли инженеры создавшие манипуляторы
SCARA, которые, в отличии от предшественников, обладали хорошей гибкостью по горизонтали. Описанные выше манипуляторы нашли свое применение в основном на сборочном производстве.
Рисунок 2 – Манипулятор декартового типа

7
Шарнирные манипуляторы представляют собой несколько звеньев, образующих полярную систему координат. Такой вид конструкции манипулятор обладает очень высокой гибкостью, что позволяет им принимать любые положения внутри рабочей зоны. Шарнирные манипуляторы применяются во многих областях: при сварке, малоинвазивной хирургии и т.д.
Рисунок 3 – Манипулятор шарнирного типа
Параллельные стержневые манипуляторы. Чаще всего представляют собой несколько кинематических цепей, который образуют схему параллелограмма. Такие устройства обладают высокой точностью, возможностью работать на высоких скоростях и огромную степень свободы. Манипуляторы такой конструкции применяются в основном при сортировке и упаковке готовых изделий.

8
Рисунок 4 – Манипулятор параллельного типа
Однако все описанные выше виды конструкций манипуляторов представляют собой незамкнутую цепь, соединенных между собой звеньев, которые имеют свои названия, аналогичные названиям частей руки человека (плечо, предплечье, локоть, кисть, пальцы, сустав и т.д.)
Рисунок 5 – Устройство манипулятора

9
На сегодняшний день особенно востребованы шарнирные манипуляторы в промышленности, где основным требование является высокая грузоподъемность. С этой задачей хорошо справляются пневматические и гидравлические манипуляторы.
В тоже время манипуляторы нужны и для других задач, где не так важна грузоподъемность, но требуется высокая точность, возможность гибкой настройки и управления. Для этих целей больше подходят, не такие известные как их гидравлические и пневматические собратья, манипуляторы на сервоприводах.
Данный вид манипуляторов только начал набирать популярность и пока что существует не так много готовых решений, которые соответствуют всем требованиям. В нашем проекте как раз и будет использоваться шарнирный манипулятор на сервоприводах, который мы рассмотрим поподробнее.

10 1. Состояние вопроса
1.1. Формулирование цели и задач проекта
Цель: Создать демонстрационный стенд роботизированного манипулятора на основе сервоприводов, разработать и реализовать способ управления манипулятором.
Задачи:
1. Проанализировать весь материал так или иначе связанный с нашей темой диплома.
2. Выделить все преимущества и недостатки существующих решений.
3. Изготовление устройства.
4. Разработка и отладка программной части устройства.
1.2. Анализ исходных данных и известных решений
На текущий момент имеется довольно малое количество готовых решений манипуляторов на сервоприводах. Все рассмотренные мною реализации имеют много общего друг с другом: примерно одинаковая конструкция с использованием разных материалов, которые влияют на общий вес устройства, используются схожие микроконтроллеры. Однако есть и небольшие различия: применены разные сервоприводы, которые влияют на максимальный рабочий вес, который может поднять манипулятор и на максимальную степень свободы. Были реализованы разные варианты захватов, от присосок до клешней. Также различаются и способами управления: с помощью потенциометров, джойстика, ультразвуковых датчиков, клавиатуры и мыши и т.д. Из всех существующих решений наиболее перспективным проектом, по моему мнению, являются манипуляторы от компании
Ufactory, которая успешно получила финансирование на площадке kickstarter.com и представила уже несколько готовых моделей. Их продукция пользуется огромным

11 спросом из-за неимения конкурентов в их ценовой категории, а промышленные роботы стоят в десятки раз больше.
Рисунок 6 – Одна из моделей манипулятора от компании Ufactory
Команда инженеров Ufactory уже несколько лет занимаются разработкой и улучшением своих проектов, им удалось добиться очень хороших результатов. Была создана оптимальная конструкция устройства и использованы очень качественные материалы, также разработано высококачественное программное обеспечение для управления и отладки манипуляторов с открытым исходным кодом. Одним из главных достоинств данного робота является его способность к обучению, что дает огромные возможность для людей, хотя бы немного понимающих в программирование, а для тех, кто далек от этого есть возможность повторения манипулятором движений руки хозяина.
Помимо uArm на рынке существуют еще несколько вариантов манипуляторов, которые по тем или иным причинам уступают описанному выше решению, но все же заслуживают внимания: проект Dobot, имеющий уклон в сторону 3D печати, проект Ctrl, напоминающий промышленный манипулятор, уменьшенный в несколько раз. Однако у этих двух проектов есть существенный недостаток для устройств, предназначенных в основном для домашнего использования, их цена:

12
Dobot (1400 долларов), Ctrl (800 долларов). Существует и наоборот очень дешевый проект под названием LittleArm (60 долларов) 2C, который по своей сути является маленьким манипулятором, направленным на обучение детей основам программирования и робототехники.
Рисунок 7 – Модели манипуляторов Dobot и Ctrl
Проанализировав все рассмотренные выше решения, мы пришли к выводу, что для реализации нашего проекта нужно использовать недорогие легкодоступные компоненты, которые можно быстро и без труда поменять при необходимости, в качестве управления мы выбрали, используемый также в проекте uArm, метод контроля манипулятора с помощью мыши и клавиатуры, так как он предусматривает очень широкий спектр настраиваемых параметров, что позволит реализовать очень гибкую систему управления.

13 2. Проектный раздел
2.1. Разработка схемы и выбор необходимых компонентов
Чтоб создать задуманный проект, первым делом нужно разработать структурную блок схему устройства, чтобы иметь как можно более подробное представление о том какие компоненты нам нужны. Структурная блок-схема устройства приведена ниже на рисунке 11. Оформление схемы было осуществлено в системе автоматизированного проектирования КОМПАС-3D.
Рисунок 8 – Структурная блок-схема устройства
Для начала необходимо определиться каким же способом мы будем управлять нашим манипулятором. Так как мы хотим создать демонстрационный стенд,

14 которым сможет пользоваться любой человек, без каких-либо проблем с поиском специальных устройств управления, такие как джойстик, геймпад и т. п., которые не всегда есть под рукой, выбор упал на управление через компьютер с помощью мыши и клавиатуры. Исходя из того, что наш демонстрационный стенд не мобильный и ему не нужны аккумуляторы для передвижения, мы выбрали компьютерный блок питания, который идеально подходит чтобы запитать и сервоприводы, и микроконтроллер. В качестве платы микроконтроллера остановились на Arduino Mega 2560 которая полностью соответствует всем требованиям необходимым для нашего проекта. Данная модель может питаться не только через USB, но также и от блока питания. На борту данной платы стоит микроконтроллер ATmega2560 имеющий 256кБ памяти предназначенной для хранения кода программы. Так же в нашем распоряжение появляется огромное количество пинов ввода/вывода (16 аналоговых и 54 цифровых), порт USB, UART.
Поддерживает большинство плат расширения, в том числе Multiservo Shield, который можно использовать в нашем стенде. Одним из главных достоинств данной платформы является известная во всем мире интегрированная среда программирования Arduino IDE. Эта среда использует упрощенный язык программирования C/C++, очень хорошо поддерживается разработчиками, имеет огромное количество библиотек, которые постоянно обновляются.
Рисунок 9 – Arduino Mega 2560