Проектирование многокоординатного электромеханического устройства

Аннотация. В данной статье рассматривается создание многокоординатного электромеханического устройства (манипулятора). Статья носит ознакомительный характер и предлагает приоткрыть завесу тайны современной прикладной робототехники и работы с микроконтроллерами. Статья будет полезна как опытным, так и начинающим специалистам в автоматизации и робототехнике и просто любопытным для расширения кругозора. В данной статье рассказано поэтапное создание манипулятора и рассмотрены некоторые проблемы, которые могут возникнуть в процессе создания и эксплуатации подобных устройств. Актуальность статьи заключается в том, что подобные устройства создаются в основном крупными промышленными предприятиями и они унифицированы. В отличие от них, наше устройство модульное, что позволяет любому желающему с минимальными затратами создать что-то подобное. Ещё один момент актуальности состоит в том, что в России, и Лысьве в частности, такие устройства большая редкость и они узконаправленны. Данный манипулятор может стать основой для нескольких лабораторий, например: автоматизация электропривода, микропроцессорные устройства, технология машиностроения. Наше устройство, по своей сути, является роботом, этот манипулятор может быть демонстрационной машиной, показывающей возможности современной техники и технологии.

Ключевые слова: электроника, электромеханика, манипулятор, микроконтроллер, робот, Arduino, сервопривод, шаговые двигатели.

Введение

Целью данной работы было создание многокоординатного электромеханического устройства.

При реализации данной цели возникает несколько проблем, таких как:

1)  Выбор микроконтроллера.

2)  Создание электрической схемы.

3)  Проектирование печатной платы.

4)  Выбор двигателей.

5)  Выбор источника питания.

6)  Настройка взаимодействия всего комплекса.

Микроконтроллеры в наше время стали очень популярны и доступны. Сейчас существуют микроконтроллеры решающие самые разные задачи.

При анализе существующих микроконтроллеров был сделан выбор в пользу микроконтроллера ATmega 328.

В наше время микроконтроллер ATmega 328 интегрирован в плату Arduino.

Для реализации нашей задачи была выбрана плата Arduino UNO R3, она соответствует нашим требованиям по функционалу и стоимости.

При желании, если вы хотите получить больше возможностей, данную плату можно заменить на Arduino Mega 2560 или использовать микроконтроллер STM32.

Также можно заменить и двигатели. Можно использовать сервоприводы MG995 они обладают большей мощностью и точностью позиционирования, или же использовать шаговые двигатели, хорошо подойдут двигатели Nema17, но их использование осложняется необходимостью подключения через так называемый драйвер (плата, состоящая из нескольких микросхем, позволяющая управлять шаговыми двигателями).

Далее, для упрощения работы, была выбрана беспаечная макетная плата. Её главный плюс в том, что мы можем собрать электрическую схему без пайки.

Для обеспечения питания был выбран ATX блок питания от ПК мощностью 250 Вт. Данного блока питания или близко похожих хватит на реализацию множества проектов, так как такие блоки питания обладают большой выходной мощностью и достаточным количеством разъёмов.

Далее нужно было реализовать связь между платой управления и серводвигателем. С платы Arduino мы используем 3 контакта: +5V, GND и вывод ШИМ. Проектирование электрических схем проще всего реализовать в программе Eagle CAD. Данная программа бесплатна для студентов, она является интуитивно понятной в использовании.

После создания электрической схемы встала задача «подружить» наши устройства на программном уровне. Для этого было использовано программное обеспечение Arduino IDE, использующее язык программирования microC. Данное программное обеспечение находится в открытом доступе, что немаловажно, и в интернете существует множество примеров работы с таким «софтом». Примеры «скетчей» приведены ниже.

#include <Servo.h> //используем библиотеку для работы с сервоприводом Servo servo; //объявляем переменную servo типа Servo void setup() //процедура setup { servo.attach(10); //привязываем привод к порту 10 } void loop() //процедура loop { servo.write(0); //ставим вал под 0 delay(2000); //ждем 2 секунды servo.write(180); //ставим вал под 180 delay(2000); //ждем 2 секунды

}

#include <Servo.h>

int servoPin = 9;

Servo servo;

int angle = 0; // угол сервы в градусах

void setup()

{

servo.attach(servoPin);

}

void loop(){

// инкремент от 0 до 180 градусов

for(angle = 0; angle < 180; angle++)

{

servo.write(angle);

delay(15);

}

// теперь в обратном направлении от 180 до 0 градусов

for(angle = 180; angle > 0; angle--)

{

servo.write(angle);

delay(15);

}

}

В заключении хотелось бы отметить, что при написании данной работы были получены важные знания и опыт в современной робототехнике и программировании. Были приобретены навыки в создании и реализации электрических схем с участием микроконтроллера. Были изучены основы работы в среде программирования Arduino IDE и работы с языком microC. Появилось желание развиваться в данном направлении. Данная статья может быть использована для начала обучения работы с микроконтроллерами и сервоприводами, она может оказать помощь в решении некоторых проблем, связанных с применением такого оборудования. Все действия приведённые в статье были проделаны мною лично и получили развитие и распространение.