Робототехника

Робототехника

Обзор технологий робототехники

Управление двигателем

Датчики

Управление микроконтроллером

Статья: "Привода, опции управления расширяют возможности робототехники"

Технологии робототехники в значительной степени основаны на управлении двигателями, датчиках и процессорах. Компания Mouser Electronics предлагает актуальную подборку рекомендованных решений, статей и Интернет ресурсов по робототехнике.

Многие аспекты современной жизни кажутся само собой разумеющимися. Портативные компьютеры и обмен информацией являются частью повседневной жизни. Сотовых телефонов больше, чем туалетов, а, по некоторым оценкам, и больше, чем людей. Многочисленные датчики в автомобилях, телефонах, всеобъемлющее использование технологий людьми повышают производительность человеческой расы в целом, экономят деньги, ресурсы и спасают жизни. Улучшается качество жизни каждого человека, причем с учетом его индивидуальности. Очевидно, что жизнь без использования технологий была бы совершенно другой.

Будущее робототехники можно предсказать, глядя на то, как мы приспособились к жизни с личным телефоном, калькулятором или компьютером почти у каждого в кармане. Роботы можно определить, как интеллектуальные машины, которые выполняют работу (обычно повторяющуюся), которую в прошлом делали люди. Роботы никогда не устают и не скучают, повторяя однообразные действия до бесконечности, начиная со сборки кузовов до выполнения хирургических операций на глазах и обезвреживания бомб. Роботы делают опасную работу, которая может убить человека, например, исследование мест ядерных происшествий или поверхности Марса на наличие органических материалов. В дальнейшем, по мере распространения технологий робототехники, мы уже будем воспринимать как должное, что роботы пылесосят пол, отвозят нас на работу или выводят на прогулку нашу собаку. Мы можем ожидать автоматизации в любой области нашей жизни, так как мы уже сейчас информационно связаны с другими людьми и информационными системами посредством мобильных технологий, социальных сетей, разных видов глобальных коммуникаций, с учетом тех гор информации, которые накоплены человечеством на данный момент.

Часть интеллекта робота обеспечивает связь. Робот может воспринимать информацию только тогда, когда он оснащен датчиками, с помощью которых можно увидеть, услышать, ощутить, почувствовать запах. Чувствительность робота может выйти за пределы человеческих способностей во всех этих областях, например, он может “нюхать” запах опасных газов в местах экологических бедствий. Осязание реализуется с помощью датчиков с обратной связью в области тактильной технологии. Чувство равновесия обеспечивается с помощью  гироскопов и акселерометров. Движение реализуется с помощью нескольких приводов, которые могут обеспечивать очень точные повторяющиеся движения с применением датчиков положения. Давайте не будем забывать одну вещь, которая связывает все восприятия и действия вместе – мозг, который у роботов представляет собой центральный процессор или несколько процессоров запрограммированными создателями робота. Все эти технологии доступны сейчас и многие из реализующих их устройств вы можете приобрести у Mouser Electronics сегодня.

Привода, опции управления расширяют возможности робототехники

Двигатели и устройства управления очень важны для роботов, которые выполняют физическую работу или должны передвигаться. Двигатели могут не только  управлять манипуляторами робота, но и обеспечивают силу для поднятия тяжелых предметов и выполнения другой подобной работы. Двигатели также используются для выражения эмоций на человекоподобном лице робота. Человекоподобный робот (ака Android) может использовать двигатели, чтобы имитировать мимику лица, за что у человека отвечают мышцы.

Для обеспечения точного управления движением в роботах используют два типа двигателей: шаговые и с сервоприводом. Шаговые двигатели - это бесщеточные электродвигатели постоянного тока, которые могут работать без датчика положения, делая точные, небольшие движения. Сервоприводы представляют собой разновидность двигателя постоянного тока, которому необходимо определение текущего положения для выполнения точных движений. Такие двигатели лучше использовать при непрерывной работе с большим крутящим моментом на высоких скоростях, чем шаговые. Сервоприводы можно запрограммировать на сохранение позиции даже при воздействии определенной физической силы и продолжать удерживать положение до тех пор, пока это будет позволять крутящий момент. Сервоприводы работают в диапазоне 180° вращения; для выполнения 360° вращения они вращаются вперед на 180°, а затем обратно на 180°. Шаговые двигатели могут вращаться на 360°, как вперед, так и в обратную сторону. Для шаговых двигателей характерна более низкая стоимость, чем у серводвигателей сравнимого размера.

Разница в производительности шаговых и серводвигателей влияет на область их применения. Шаговые двигатели имеют гораздо больше полюсов, чем сервоприводы. Каждый маленький шаг перемещает шаговый двигатель на определенное расстояние, или «шаг». Для создания непрерывного движения требуется прохождение через много полюсов. Высокие скорости (или большое количество оборотов в минуту) требуют подачу тока на последовательность полюсов c высокой частотой, что может привести к перегреву двигателя.

Серводвигатели также относятся к двигателям постоянного тока, но при этом требуют использования датчика положения для определения, в каком положении по отношению к полюсам находится двигатель. Чтобы достичь желаемого действия по отношению к текущей позиции, на сервопривод требуется подать ток определенной величины.

На человеческом лице около сорока двух различных мышц и, совсем неудивительно, что создание андроидов, использующих двигатели для выражения основных шести эмоций, которые люди распознают друг у друга в течение микросекунд (грусть, счастье, отвращение, страх, удивление и гнев), является трудной задачей. В целом двигатели используются для выполнения работы вне зависимости от того, как обеспечивается изменение выражения лица (сжатый воздух и пневматика, например, требуют использования двигателей для сжатия воздуха.)

Роботы могут внушать симпатию или отталкивать людей. Роботы, которые по своему облику не похожи на человека, вызывают мало эмоциональную реакцию и обычно предназначены для выполнения монотонных повторяющихся задач. Однако для роботов, которые предназначены для визуального наблюдения со стороны человека, это не совсем подходит, так как может вызвать у него эмоциональный отклик сродни чувству отвращения. Это чувство уже окрестили "долиной жути". Можно спорить, смогут ли андроиды когда-нибудь в результате исследований и разработок более совершенных технологий преодолеть эту жуткую долину отвращения в человеке. Тем не менее, Mouser Electronics предлагает вам ознакомиться с огромным выбором компонентов, средств разработки, статей и других ресурсов для исследования в области робототехники.

Робот воспринимает мир вокруг него и свое собственное состояние через датчики. Датчики, используемые в робототехнике, могут воспринимать широкий спектр информации, включая температуру, освещенность, положение робота и многое другое.

Для простых роботов датчики должны обеспечивать только базовую информацию об окружающей среде, такую как освещенность через фотодатчики, обнаружение препятствий через контакт с помощью выступающих жестких проводов, присоединенных к простым переключателям, восприятие голосовых команд или даже простых хлопков через микрофоны. Ультразвуковые приемопередатчики позволяют производить комплексное определение расстояний.

Сложные роботы типа андроидов могут иметь десятки датчиков, в том числе гироскопы и акселерометры высокой точности, датчики наклона для поддержания равновесия, а также потенциометры для установления обратной связи с руками и ногами робота. Для имитации человеческих ощущений применяются профессиональные ПЗС-матрицы, используемые в камерах, которые могут наделить робот машинным зрением и микрофоны, которые позволят роботу слышать.

Тактильные сенсоры позволяют роботу определять физический контакт с окружающей средой и используются в его руках и ногах. Эти датчики могут быть пьезорезистивного,  емкостного или эласторезистивного тактильного типа, причем датчики последнего типа настолько чувствительны, что используются в хирургических инструментах с минимальным вмешательством для проведения внутриполостных операций.

Датчики взаимодействуют с управляющим микроконтроллером через последовательный интерфейс, аналоговый интерфейс или дискретный вход. Последовательный интерфейс работает по SPI, I2C, UART протоколам. Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) обрабатывают входные сигналы от аналоговых датчиков. Для датчиков с дискретным входом могут использоваться выводы общего назначения.

Микроконтроллер является сердцем робототехнической системы. Он получает информацию из внешнего мира, от датчиков и использует эту информацию для принятия решений в соответствии со своими программами по действиям в отношении внешнего мира, осуществляемым с помощью механических приводов.

Датчики могут воспринимать широкий диапазон разнообразной информации, включая температуру, освещенность, положение приводов, ускорение, изображения и многое другое. Эта информация подается на микроконтроллер через интерфейс передачи данных датчика, который обычно использует последовательные протоколы SPI, I2C или UART. Для датчиков с дискретным входом, которые формируют бинарные или параллельные данные, в качестве входов используются выводы общего назначения. Датчики, которые формируют аналоговые данные, передают сигналы на АЦП микроконтроллера или, при необходимости высокой точности и/или скорости обработки, на внешний по отношению к микроконтроллеру АЦП.

Приводы взаимодействуют с внешним миром. Созданные образцы имеют приводные двигатели на соленоидах и многое другое. Часто приводящие двигатели находятся между микроконтроллером и приводом. Они управляются микроконтроллером через те же типы последовательных интерфейсов и интерфейсов общего назначения, что и датчики.

Пользовательский интерфейс зависит от типа робота. Средства ввода реализуются в виде простого набора переключателей, кнопок или же в виде клавиатуры для более сложных программируемых систем. Визуальная обратная связь может обеспечиваться как простыми светодиодными индикаторами, так и цветными дисплеями на светодиодах. Сенсорный экран используется для ввода информации пользователем, а также для визуальной обратной связи. Введенная пользователем информация сохраняется в памяти микроконтроллера и в дальнейшем используется микроконтроллером при выполнении программ из его прошивки.

Прошивка микроконтроллера управляет действиями робота. Программа из прошивки берет актуальную информацию от датчиков и данные пользовательского ввода и на их основе принимает решения по управлению приводами. Эти решения формируются инструкциями прошивки, хранящимися в памяти микроконтроллера. Эти инструкции могут быть простыми, как у робота на сборочной линии автомобилей: "ЕСЛИ переключатель датчика нажат (автомобиль присутствует) и это длится уже три секунды (автомобиль остановлен) ТОГДА открыть соленоид А (включить красящий спрей) и запустить двигатель C на пять секунд (переместить манипулятор робота слева направо по всей длине автомобиля)". Для роботов, которые имитируют людей, инструкции могут быть весьма сложными: принять входные данные от акселерометров и гироскопов, обработать их с помощью современных алгоритмов, которые выдадут команды приводам робота, обеспечивающим ходьбу и сохранение им равновесия.

Texas Instruments
TMS320F28069
Piccolo MCUs and Kits

Семейство микроконтроллеров F2806x Piccolo™ обеспечивает мощность ядра C28x в сочетании с высокой степенью интеграции периферийных устройств управления с малым количеством выводов. Эти устройства имеют специальное программное обеспечение управления двигателем с исполнением в постоянной памяти для обеспечения решений InstaSPIN-ВОК или InstaSPIN.

Panasonic AN44183A
Микрошаговый драйвер двигателя

Микрошаговый драйвер двигателя AN44183A представляет собой 37V, 4A 2-канальный привод Н-типа, располагающий встроенным декодером для микро шагов. Могут обеспечиваться режимы: 2-фазный, полушаг, 1-2 фазный, фазы W1-2, 2W1-2 или 4W1-2.

Molex Micro-Lock™
Шаг 1.25mm
Wire-to-Board Systems

Системы Molex Micro-Lock с шагом 1.25 мм для соединения проводов с платой бывают одно- и двухрядные, с прямой и угловой конфигурацией, имеют диапазон 1.5A, что делает их идеальными для приложений, которые требует экономии пространства.

STMicroelectronics LIS2HH12
MEMS Digital Output
Датчики движения

LIS2HH12 является высокопроизводительным линейным трехосным акселерометром со сверхнизким энергопотреблением. Он работает в полном диапазоне ± 2g / ± 4g / ± 8g и способен измерять ускорение при темпе выходных данных 10Hz-800Гц.

Advantech MIO-5250 3.5 in.
MIO-Compact SBC

Встроенный двухъядерный процессор Intel® Atom ™ N2600 / D2550 с чипсетом Intel NM10, модулем памяти DDR3 объемом до 4 Гб, 3.5" MI/O-Compact SBC, HDMI, Dual LVDS, VGA, 2GbE, CFast, iManager, MIOe.

Amphenol USB 3.1
SuperSpeed Plus
коннекторы

Коннекторы SuperSpeed Plus USB 10Gbps стандарта USB 3.1 с улучшенной эффективностью передачи данных и энергоэффективностью ввода/вывода. Имеют обратную совместимость с существующими стандартами USB 3.0 и USB 2.0 Fast Sync-N-Go.