Справочник Специалист по мехатронике и робототехнике
1 ноября 2023 г.Задание
Сегодня вам предстоит погрузиться в захватывающий мир мехатроники и робототехники. Вы попробуете себя в роли специалиста по управлению гуманоидным роботом и станете полноценным участником команды по робофутболу.
Основная задача: собрать робота и настроить его движения так, чтобы он мог максимально точно попадать по мячу и стал мастером игры в робофутбол.
Задание интересное, но не самое простое! Предстоит работа сразу в нескольких сферах: программирование, механика, электроника и математический расчёт. Вы будете проверять и калибровать системы робота, чтобы он мог управлять механизмом ноги и забивать голы. Надеемся, всё пройдёт без технических неполадок!
Часть 1. Устройство сервопривода
Сервопривод — это электрический мотор с обратной связью. Он играет важную роль в автоматизации многих технологических процессов.
Что значит «обратная связь»? Представьте, что вы пытаетесь поднять руку или ногу с закрытыми глазами. Вам не обязательно видеть часть тела: вы чувствуете, в каком примерно положении она сейчас находится.
Так и сервопривод благодаря датчику понимает, что происходит с механизмом, к которому он подключен.
Принцип работы сервоприводов
Электромотор преобразует электричество в механическое действие. Микроконтроллер, или управляющее устройство робота, подаёт на него напряжение необходимой частоты и величины, чтобы запустить.
Тогда электромотор приводит в движение и перемещает исполнительный механизм (что-то, что приводится в действие сервоприводом, например, рука робота) с заданной скоростью и моментом, соответствующим нагрузке. Как только рука заняла нужное положение, датчики подают на контроллер сигнал, и электромотор останавливается.
Но скорость вращения мотора не всегда соответствует нужной скорости робота, потому что электродвигатель вращается слишком быстро, а движения должны быть плавными. Поэтому для понижения скорости используют редуктор, специальный механизм из нескольких валов и шестерёнок. Он также увеличивает крутящий момент на выходном валу.
Крутящий момент — это расчетный параметр прикладываемой силы на плечо рычага. Если простым языком, то крутящий момент прямым образом влияет на быстроту развития скорости. То есть чем выше эта характеристика (показатель силы), тем мощнее мотор. Вы наверняка будете изучать это на курсе физики.
Как пройти это задание?
Вам нужно восполнить схему устройства сервопривода. На каждый вопрос есть два варианта ответа. Попробуйте угадать, что есть что, а если не получается, вам пригодятся ответы ниже.
Электросхема, через которую управляется сервопривод.
Ответ: Плата управления
Силовой элемент, который приводит всё в движение.
Ответ: Электродвигатель
Датчик обратной связи, определяющий положение и скорость вала.
Ответ: Потенциометр
Набор зубчатых колёс, нужных для уменьшения скорости и увеличения крутящего момента на валу.
Ответ: Шестерни редуктора
Вращающийся элемент, к которому присоединяется внешняя деталь или устройство.
Ответ: Выходной вал
Часть 1. Сборка робота
Следующая задача — собрать робота. Представьте, что перед вами очень технологичный конструктор. Все сервпоприводы уже собраны, камера готова к использованию. Осталось только подключить и скрутить винтиками все детали.
Чтобы пройти задание, прочитайте вопрос и выберите подходящий вариант.
Если с заданием возникли сложности, можете подсматривать сюда.
Где обычно спрятана вся самая важная электроника?
Ответ: Корпус
Какое вычислительное устройство выполняет функцию «мозга»?
Ответ: Микроконтроллер
Без чего робот не сможет «видеть»?
Ответ: Камера
Чем робот будет бить по мячу?
Ответ: Ноги
Какие детали не участвуют в футболе, но всё равно усыпаны датчиками и моторами?
Ответ: Руки
Что приводит механизмы робота в движение?
Ответ: Сервоприводы
Без чего не передать сигнал между деталями и сервоприводами робота?
Ответ: Провода
Что является источником питания робота?
Ответ: Батарея
Двигаемся дальше!
Часть 2. Программирование движений
Робот не может жить без системы управления. Чтобы выполнять какие-то функции, он должен их знать и понимать, а объяснить это всё придётся с помощью языков программирования.
Вообще, в команде по робофутболу представлены самые разные робототехники с разной спецификацией: конструкторы, программисты, микроэлектронщики и другие инженеры. Поэтому вы всегда сможете найти занятие по душе, если вас тянет в эту область.
Как пройти это задание?
Вам по очереди нужно будет выбирать команды для робота. Задание будет на экране, остаётся лишь подобрать нужную команду. Очень неплохо, если у вас есть небольшие знания в английском — робототехникам он очень пригодится!
Но если команды никак не поддаются, то не стесняйтесь подглядывать сюда.
Сначала запустим робота и все системы. В этом поможет команда “run”. В английском языке этот глагол значит не только «бегать», но и «запускать, стартовать».
Роботу нужно уметь двигаться — давайте проверим, готов ли робот к движению. Для этого используйте команду move. От английского слова «двигаться».
Чтобы запустить систему компьютерного зрения робота, выберите команду vision. Одно из значений этого слова буквально «видение, способность видеть».
Отлично! Робот видит перед собой мяч. Ударим по нему с помощью команды kick.
Ого, что-то пошло не так! Нога не пошевелилась! Надо разобраться с ошибкой.
Часть 3. Настройка сервоприводов
Задание 1. Найдите верное положение для удара по мячу
Значение угла p — это параметр, который передаётся на сервопривод, который отодвинет ногу робота на нужный угол. Робототехник передает это значение с помощью функции для микроконтроллера.
Отводить ногу робота назад не имеет смысла — там мяча нет.
Если отклонить ногу слишком далеко вперёд, на 45°, робот может потерять равновесие из-за сместившегося центра тяжести и упасть. Поэтому вам нужно дотянуться до крайнего положения, из которого можно ударить по мячу.
А если установить p = 15°, то робот не дотянется до мяча. Значит, правильный ответ где-то между этими значениями…
Задание 2. Подбор коэффициентов
Перед вами формула:
τ = Kp (p−р’) − Kd (v)
К счастью, считать ничего не нужно. Но на всякий случай расскажем, что есть что:
τ (тау) — величина выходного сигнала сервопривода, который приводит в движение ногу робота
р’ — изначальное положение ноги (значение показывает датчик на роботе, для нас оно равно 0°)
р’ = 0
р — изменяемый параметр положения ноги робота (то есть он регулирует порог, к которому нам нужно прийти, в нашем случае — это 25°)
р = 25
v — скорость движения ноги (значение показывает датчик на роботе)
Кр — коэффициент пропорциональности, отвечает за резкость подъёма
Кd — коэффициент дифференциации, отвечает за вибрации
Нужно подобрать такие коэффициенты Kp и Kd, чтобы при заданном значении τ робот не зашатался от резких вибраций, но при этом ударил по мячу достаточно сильно. В этом вам поможет график, показывающий влияние этих коэффициентов на систему.
Kp и Kd связаны между собой, поэтому их нужно «подкручивать» вместе, будто вы пытаетесь найти идеальную температуру воды из крана. Но чтобы немного упростить задание, мы решили не просить вас подобрать коэффициент дифференциации Kd. Будем считать, что он уже установлен верно.
Как пройти это задание?
Перед вами ползунок, и всего два положения на нём приведут вас к успеху. Двигайте ползунок Kp по слайдеру и нажимайте «Проверить»: нужно чтобы линия сигнала на графике приняла вид пунктира.
Интерпретация данных на графиках:
Отлично, мы почти закончили!
Часть 4. Тестирование удара по мячу
И вот мы снова перед командной строкой! Давайте дадим роботу команду с учётом новых параметров пропорциональности и дифференциации.
Последовательность следующая:
[robot3/system:] — эта команда отвечает за обращение к нужной системе
[kick#] — команда удара, с ней мы уже знакомы
[PDparameters] — а это добавленные параметры, которые робот должен учесть при новом движении
Вуаля! Мяч в сетке!
Вы отлично справились.