ВВЕДЕНИЕ 8
1 Анализ существующих мобильных манипуляционных роботов 11
1.1 Классификация кинематических моделей колёсных
мобильных платформ 12
1.2 Существующие мобильные роботы-манипуляторы 20
2 Описание интеллектуального мобильного манипуляционного робота 27
2.1 Кинематическая модель мобильного робота 27
2.2 Манипулятор 29
2.2.1 Кинематическая схема манипулятора 29
2.2.2 Определение диапазонов углов поворотов звеньев 30
2.2.3 Проектирование схвата манипулятора 33
3 Описание используемых компонентов 37
3.1 Приводная система колес 37
3.2 Сервопривод MD996R 39
3.3 Сервопривод MG90S 41
3.4 Реверсивный драйвер двигателей L293D 43
3.5 Arduino Mega 2560 44
3.6 Линейный стабилизатор напряжения L7805 47
3.7 Блок питания 48
3.8 Оптический энкодер FC-03 49
3.9 Wi-fi модуль NodeMCU LUA R2 51
3.10 Акселерометр и гироскоп MPU6050 54
3.11 Выводы по разделу 56
4 Система управления интеллектуальным мобильным роботом 57
4.1 Общая схема архитектуры 57
4.2 Схема подключения питания для всех элементов 58
4.3 Схема управления каждым элементом 60
4.4 Принципы управления сервоприводами 61
4.5 Принципы управления моторами постоянного тока 63
4.6 Протокол TCP/IP для обмена данными с wi-fi модулем
4.7 Интерфейс I2C для обмена данными гироскопа и
микроконтроллера
4.8 Алгоритм управления мобильным роботом
в автоматическом режиме
4.9 Ручное управление мобильным роботом
5 Управление мобильным роботом в среде с препятствиями
5.1 Постановка задачи
5.2 Получение снимка с камеры
5.2.1 Выделение основных цветов
5.2.2 Уменьшение объема матрицы и поиск начальной
и конечной координаты
5.2.3 Аппроксимация препятствия прямоугольниками
5.2.4 Волновой алгоритм Ли
5.3 Управляющие команды для мобильного робота
5.4 Решение обратной задачи кинематики манипулятора
5.5 Выводы по разделу
6 Разработка программного обеспечения
6.1 Функция получения изображения с камеры
6.2 Функция подсчета количества шагов и направления
мобильного робота
6.3 Функция формирования управляющих команд
и передача по беспроводной связи
6.4 Функция поиска объекта для манипулирования и решение
задачи кинематики манипулятора
6.5 Выводы по разделу
7 Технико-экономическое обоснование проекта
7.1 Расчет затрат на оборудование и программное обеспечение
7.2 Расчет фонда заработной платы разработчикам
7.3 Затраты на электроэнергию
7.4 Затраты на амортизацию оборудования 100
7.5 Расходы на аренду помещения 100
7.6 Смета затрат 101
7.7 Выводы по разделу 102
8 Безопасность и экологичность проекта 103
8.1 Безопасность элементов мобильного робота 104
8.2 Безопасность исходных материалов 107
8.3 Безопасность органов управления 108
8.4 Безопасность средств защиты, входящих в конструкцию 109
8.5 Безопасность при монтажных и ремонтных работах 109
8.6 Безопасность при транспортировке и хранении 110
8.7 Безопасность при размещении 110
8.8 Требования безопасности к профессиональному отбору 110
8.9 Пожарная безопасность 111
8.10 Контроль выполнения требований безопасности 111
8.11 Безопасность при чрезвычайных ситуациях 111
8.12 Экологическая безопасность мобильного робота 112
8.13 Выводы по разделу 112
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 113
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 114
На протяжении многих лет человек всё чаще прибегает к помощи роботов в различных сферах деятельности. Сегодня роботы выполняют довольно сложную работу: их применяют на производстве, в военном деле, в медицине и просто для развлечения. Например, в среде, где не известно положение объектов (такие среды называются недетерминированными) применяют интеллектуальные мобильные роботы. Такие роботы, которые включают в себя чувствительные элементы, исполнительные механизмы, компьютеры, и которые обладают элементами искусственного интеллекта представляют весьма удобный объект для постановки, изучения и нахождения решений современных проблем мехатроники.
На сегодняшний день существует много видов мобильных роботов, которые значительно упрощают жизнь человека. Современный мир уже немыслим без каждодневной помощи роботов. Таким образом изучение роботов полезно во всех отношениях: во-первых, чтобы понять принцип и устройство работы робота, во-вторых, чтобы самостоятельно спроектировать и создать мобильного робота.
Итак, актуальность выбранной темы обусловлена необходимостью изучения классификаций мобильных роботов и, впоследствии, созданием своего интеллектуального мобильного манипуляционного робота, который используется в качестве опытной модели. Изучив его свойства и применив алгоритмы управления, можно управлять более сложным и мощным устройством.
Объект дипломной работы: изучение основ мехатроники и робототехники.
Предмет дипломной работы: создание интеллектуального мобильного манипуляционного робота.
Цель: разработка мобильного манипуляционного робота с интеллектуальным управлением.
Задачи дипломного проекта.
1. Провести анализ существующих мобильных платформ, разработать конструкцию и кинематическую схему мобильного робота, включающий в себя мобильную платформу и манипулятор.
2. Подобрать комплектующие и реализовать в «железе» мобильный робот.
3. Разработать алгоритмы управления мобильным роботом (движение вперед, назад; повороты; перемещение звеньев манипулятора; связь по беспроводной сети).
4. Обработать изображение с камеры и найти кротчайший путь до объекта.
5. Создать управляющие команды и отправить их по беспроводной связи на контроллер мобильного робота.
6. Решить обратную задачу робототехники.
7. Провести тест-драйвы робота и определить эффективность используемых методов.
Методологической основой для исследования послужили научные труды известных ученых-робототехников.
В качестве теоретической базы исследования были использованы публикации, посвященные технологиям работы манипуляционных роботов.
Практическая значимость данной работы заключается в том, что продукт исследования может быть применен в опасной для человека среде, а также в качестве наглядного материала при обучении студентов и школьников.
Дипломная работа состоит из: введения, 8-ми глав, заключения, списка использованных источников и четырех приложений и списка графического материала.
Во введении представлены основные параметры исследования.
В первой главе происходит ознакомление с видами мобильных роботов и приведены примеры существующих мобильных манипуляционных роботов.
Во второй и третьей главе описывается спроектированный мобильный робот и все детали, из которых он состоит.
Пятая глава даёт описание алгоритма управления робота в среде с препятствиями.
В шестой главе подробно изложена структура разработанных программ, а также описаны результаты экспериментальной проверки их работы.
Седьмая глава даёт технико-экономическое обоснование дипломного проекта.
Восьмая глава посвящена вопросам безопасности и экологичности проекта.
В заключении подводится итог всего исследования.
В ходе дипломного проекта был спроектирован и собран мобильный манипуляционный робот. Была построена 3D модель манипулятора, с учётом всех длин и размеров деталей, для определения её конструктивных ограничений, а именно диапазонов углов поворотов звеньев.
Все датчики подключены к микроконтроллеру, связанному беспроводной связью с ПК, напряжение подается от блока питания на спроектированную плату, мощности достаточно для нормального функционирования всех устройств и датчиков.
Получая изображение с камеры программа, написанная на языке программирования Матлаб, распознает образы, находит координаты робота, объекта для манипулирования и препятствий. Далее составляются управляющие команды для управления роботом и передаются по беспроводной связи на мобильный робот. Робот, получив команды, начинает последовательно их исполнять. Подъехав к объекту происходит повторный снимок, так же распознание координат и далее манипулятор, перемещая свои звенья пытается взять объект.
Эксперименты подтвердили адекватность и эффективность выбранных методов. Поставленные цели и задачи были выполнены, но есть погрешность в решении обратной задачи кинематики манипулятора (не каждый раз схват точно берет объект).
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
