Файл: Разработка змееподобного робота.pdf

МИНИСТЕРСТВО ПО РАЗВИТИЮ ИНФОРМАЦИОННЫХ
ТЕХНОЛОГИ И КОММУНИКАЦИИ РЕСПУБЛИКИ УЗБЕКИСТАН
Самаркандский филиал Ташкентского университета информационных технологий имени
Аль Хорезми
ПРОЕКТ
По предмету: Академическое письму
На тему: Разработка змееподобного робота
Работу выполнила:
Студентка 1 курса Факультета
«Компьютерный инжиринг: IT-сервис»
Группы 22-08, Ниёзова.М.И
Научный руководитель: Рахматова С.А

План
o Введение
o Механические роботы-змеи
o Сферы его применение и актуальность
o Маркетинг и реализация её на рынке
o Существующие разработки змееподобных робот
o Схема управления змеевидным роботом
o Разработка системы управления для змеевидного робота o Моноуправляющая система
o Распределённая система
o Интерфейсы передачи данных
o Выбор микроконтроллера для управления змеем
o Микроконтроллер AT90s2313 фирмы Atmel
o Загружаемая память программ
o
EEPROM память данных o Структурная схема управления
o Реализация схемы управления змеевидным роботом
o Структурная схема управления
o Алгоритм управления и его реализация
o Заключение
o Список использованной литературы и источников

.1 ВВЕДЕНИЕ
Так называемое «змеевидное» движение, не является единственным способом, который используют змеи для передвижения. В различных условиях обитания, на разном субстрате змеи выработали целый ряд особых типов движения.
При «змеевидном» типе движения туловище волнообразно изгибается, и образующиеся волны как бы пробегают вдоль тела от головы до хвоста.
Выгибающийся участок тела, поставленный наискось к направлению движения, опирается на субстрат и создает толкающую силу. Она направлена под углом к движению, но может быть разложена на две составляющие - перпендикулярную и параллельную линии движения. Первая составляющая гасится сопротивлением опоры, а вторая толкает тело вперед. Таким образом, чем больше изгибов, тем больше суммарная движущая сила. Поэтому змеи, использующие такой способ движения, имеют обычно длинное, гибкое и стройное тело. Таковы, например, ужи и полозы - активные змеи, выслеживающие и догоняющие свою добычу. Заметим, однако, что скорость, развиваемая змеей даже при самом быстром скольжении, не превышает, как правило, 6-8 км/час, а у многих видов не достигает и 5 км/час. Поскольку при змеевидном типе движения используется опора на субстрат, то эффективность движения зависит от шероховатости опоры. Так, по гладкому стеклу змея не может двигаться - тело извивается, а животное остается на месте. Помимо гладкого субстрата, плохую опору для тела представляет и сыпучий субстрат - подвижные пески пустынь, не закрепленные растительностью. В этих условиях у некоторых видов змей выработался особый тип движения - «боковой ход».

Змея ползет не вперед, а как бы вбок. Подтягивая вперед заднюю часть туловища, она перебрасывает ее, не касаясь субстрата, вперед, и затем, опираясь на весь бок тела, подтягивает переднюю часть.
В движении змей важную роль играют расширенные брюшные щитки.
Они могут плотно прилегать друг к другу, образуя гладкую поверхность, или сокращением брюшной мускулатуры их задний край опускается и создается хорошая опора.
Отличительная особенность этого способа движения состоит в том, что движущееся тело осуществляет плоское движение и контактирует с плоскостью все время одними и теми же своими точками. Именно таким свойством обладает движение змей и некоторых других животных, не имеющих конечностей и перемещающихся только за счет изгибов тела.
.2 Механические роботы-змеи
Механические роботы-змеи могут двигаться практически по любой поверхности. Их «тела» состоят из множества гибко связанных между собой сегментов. Все перемещения роботов-змей обусловлены исключительно сгибанием и разгибанием этих ключевых составляющих. Движение начинается с одного из концов «пресмыкающегося» и реализует один из способов передвижения описанный в предыдущем пункте.
Двигатели активизируют процесс изгибания начальных сегментов, возникающие при этом «боковые» силы передаются на опорные элементы и голова начинает тянуться вперед. После этого включаются следующие моторчики, за головой подтягивается тело и затем хвост. Для различных мод

движения этот алгоритм может различаться, но суть управления многозвенным роботом не меняется.
Из приведенного описания движения очевидно, что управление таким типом роботов сложно и требует для реализации упрощения.
Существует несколько путей решения задачи управления.
Можно управлять по отдельности каждым приводом и соответственно усложнить управление, а можно задать отработку какого-то действия
(Верхний уровень) возложив управление приводами на отдельный контроллер (Нижний уровень) который уже будет напрямую управлять движениями. Это разбиение на Верхний и Нижний уровень управления очень напоминает рефлекторную отработку простых движений человеком: когда мы идем мы не задумываемся о том как согнуть ногу или поставить стопу - мы делаем это рефлекторно. Как и в приведённом примере удобнее возложить исполнение управления роботом на отдельный контроллер, а освободившиеся ресурсы направить на совершенствование управления движением.
Прежде чем дальше рассматривать особенности управления змеевидным роботом обратимся к разработкам которые существуют и которые были реализованы в «железе».

Сферы его применение и актуальность
Робот змея - это механическое устройство, имитирующее движения змеи. Он состоит из нескольких сегментов, соединенных между собой гибкими сочленениями, и может передвигаться по неровной поверхности, подниматься на стены и лазить по трубам.
Робот змея имеет широкое применение в различных областях. Он может использоваться для исследования труднодоступных мест, например, для обследования трубопроводов, вентиляционных систем, канализации и т.д.
Также робот змея может быть использован в медицине для проведения эндоскопических исследований.
Актуальность робота змеи заключается в его способности перемещаться в труднодоступных местах, где человек не может достичь. Это позволяет проводить более эффективные и точные исследования, а также решать задачи, которые раньше были невозможны.
Структура робота змеи включает в себя электронику, моторы и гибкие сочленения. Робот управляется дистанционно с помощью специального контроллера, который позволяет управлять движениями змеи и получать видеоизображение с камеры, установленной на роботе.
Таким образом, робот змея является инновационным технологическим решением, которое может применяться в различных областях для решения сложных задач. Его гибкость и маневренность позволяют достигать результатов, которые ранее были недоступны.
Маркетинг и реализация её на рынке

Робот змея - это уникальное технологическое решение, которое может использоваться в различных областях, таких как инженерия, медицина, наука и другие. Он позволяет проводить более точные и эффективные исследования в труднодоступных местах, где человек не может достичь.
Робот змея имеет множество преимуществ перед другими роботами благодаря своей гибкости и маневренности. Он может передвигаться по неровной поверхности, подниматься на стены и лазить по трубам, что позволяет ему достигать мест, недоступных для других роботов.
Кроме того, робот змея имеет широкий спектр применения в различных отраслях. Он может использоваться для обследования трубопроводов, вентиляционных систем, канализации и т.д. Также он может быть использован в медицине для проведения эндоскопических исследований.
Для реализации робота змеи на рынке необходимо провести маркетинговые исследования и определить потенциальных клиентов и их потребности.
Необходимо провести презентации и демонстрации робота змеи на специализированных выставках и конференциях, чтобы привлечь внимание потенциальных клиентов.
Кроме того, необходимо разработать эффективную стратегию продвижения продукта на рынке. Это может включать в себя создание сайта, рекламные кампании в социальных сетях, участие в мероприятиях и другие маркетинговые инструменты.
В целом, робот змея представляет собой инновационное технологическое решение, которое может применяться в различных отраслях для решения сложных задач. Его гибкость и маневренность позволяют достигать

результатов, которые ранее были недоступны, что делает его очень перспективным на рынке.
.3 Существующие разработки змееподобных роботов
робот движение управление змеевидный
В настоящее время в мире существует несколько видов и моделей змееподобных роботов. Все они могут быть поделены на 2 группы: это механизмы, имеющие одно и более подвижных относительно корпуса опорных колес на каждом модуле, и безколёсные механизмы, которые при перемещении по поверхности опираются непосредственно на корпус. В зависимости от числа степеней свободы шарниров и количества звеньев эти модели обладают большим или меньшим общим числом степеней свободы и способностью имитировать движения живой змеи. Замечу, что реальные динамические и физические характеристики искусственных змей существенно отличаются от характеристик природных прототипов как по маневренности и грузоподъёмности, так и по скорости, степени автономности (т.е. способности к длительной работе без использования внешнего источника питания) и др.
Первые разработки были реализованы в виде колесных роботов в 70х годах прошлого века Hirose и Umetami, которые разрабатывали устройства, перемещающиеся за счёт изгибания тела. Активный хордовый механизм с колесными опорами (Active Cord Mechanism model ACM III) (Рисунок 2.1) - это первый в мире робот использующий для движения принцип серпентойды.
Его длинна 2 м, он состоит из 20 сегментов - модулей опирающихся на пары пассивных колес с перпендикулярными «телу» механизма осями, имеющих

возможность свободно вращаться вокруг вертикальной оси. 26 декабря 1972 года этот робот первым в мире, осуществил механическое змеевидное движение со скоростью около 40 см/сек, используя изгибные движения в горизонтальной плоскости тела.
Число степеней свободы
20
Скорость передвижения
40 см/сек
Год создания
1972
Дальнейшие разработки этой исследовательской группы привели к созданию робота ACM-R3 состоящего из модулей с двумя ортогональными осями - многозвенного механизма с пассивными колесами. Его основные характеристики приведены в Таблице 2.2
Таблица 3.2
Число степеней свободы
20
Количество звеньев
20
Размеры
1755 х 110 х 110 (мм)
Масса
12,1 кг
Максимальный угол поворота вокруг одной оси
62,5 (град)
Момент привода
19,1 (Нм)
В 1994-1995 гг. американцами Лораном Чабиным и Роджером
Крочиным был создан робот (Рисунок 2.3). Модулями в нём служили минимодели скейтбордов. Идея создания робота пришла к Лорану, когда он наблюдал за тем как человек, катаясь на роликовой доске, использует повороты доски для продвижения вперед. Его основные характеристики приведены в Таблице 2.3 Робот имеет автономное питание - четыре батареи на 1,2 В и одну на 9 В. С таким питанием он может работать без подзарядки

около часа. Управление реализовано с помощью микропроцессора ST62E15 или ST62E25. Технические характеристики приведены в Таблице 2.3
Таблица 3.3
Количество звеньев
9 по 2 колеса на каждом
Размеры
790 х 65 х 20 (мм)
Масса
1270 (г)
Максимальная скорость
13 см/сек
В Европе в 1996 году доктор Bernhard Klaassen в GMD's Institute for
Autonomous Intelligent System (AIS) создал свою первую модель GMD-Snake
(Рисунок 2.4). Она создана из нескольких идентичных секций, а также специального головного элемента, содержащего различные сенсоры для ориентации и контроля. Электронное оснащение робота сделано минимальным для уменьшения веса. Каждая секция контролируется отдельным процессором, управляющим движением сочленения. Действия отдельных процессоров координируются главным процессором который в свою очередь контролируется оператором с помощью специально разработанного программного обеспечения. Характеристики GMD-Snake приведены в Таблице 2.4.
Таблица 3.4
Количество звеньев
6
Длина
200 см
Диаметр
6 см
Вес
3 кг
Скорость передвижения
50 см/мин
Потребляемая мощность
15 ватт

Основываясь на опыте первой модели зимой 1998 года была создана вторая модификация, её закончили как раз к началу Cebit 99 на котором она и дебютировала. В отличие от предшественицы вокруг каждого сегмента были размещены 12 колёс для передвижения со скоростью до 0.1 м/сек. Новая модель была оснащена видеокамерой и имела развитую сенсорную систему.
Емкости встроенной батареей автономного питания хватало приблизительно на 40 минут работы GMD-Snake. Характеристики GMD-Snake
2 приведены в Таблице 2.5.
Таблица 3.5
Количество звеньев5
Длина
90 см
Диаметр
18 см
Вес
10 кг
Скорость передвижения
10 см/сек
Емкость ракета батарей
47 Вольт ампер час
Потребляемая мощность
Встроенной электроники 20 Вт, плоское движение
25 Вт, подъём головы и двух секций 40 Вт
В 1994 году NASA представила несколько вариантов роботов для космических исследований. Они так же имеют модульную структуру и способны изменять топологическую схему, тем самым образуя разветвленные структуры которые гибко изменяются под конкретные условия и задачи.
В период с 2000 по 2002 год в Sensor Based Planning Lab, Carnegie
Mellon University создана серия змееподобных роботов. Они имеют различные размеры и в них реализованы различные алгоритмы движения.
Разработчикам удалось создать проводную систему управления реализованную в виде мобильного пульта управления, имеющего параллельный или последовательный (в зависимости от модели) интерфейс связи с модулями и исполнительными механизмами.
В 2003 году аспиранты Китайского Национального университета оборонной науки и технологии разработали робота. Оборудованный видео