Μεγάλος Ρομποτικός Βραχίονας

Ο Μεγάλος Ρομποτικός Βραχίονας αποτελεί μία ιδανική εκπαιδευτική πλατφόρμα εφαρμοσμένης μηχανοτρονικής.

Μπορεί να χρησιμοποιηθεί για μαθήματα ηλεκτρονικής, ρομποτικής, αυτοματισμών και μηχανικής.

Κατάλληλα δομικά στοιχεία έχουν προβλεφθεί για την τοποθέτηση ηλεκτρονικών στοιχείων επάνω στο σώμα του βραχίονα.

Τα δομικά υλικά του βραχίονα είναι ευέλικτα και ανθεκτικά. Οι κατασκευές που δημιουργούνται με αυτά έχουν μεγάλη μηχανική αντοχή ακόμα και στο πλαίσιο της εκπαιδευτικής χρήσης.

Το Σετ Ρομποτικού Βραχίονα περιλαμβάνει δομικά υλικά κατασκευής, τρεις σερβοκινητήρες συνεχόμενης περιστροφής 360° και έναν standard σερβοκινητήρα 0-180° προκειμένου οι μαθητές να μπορούν να γνωρίσουν και τα δύο είδη σερβοκινητήρων.

Στον βραχίονα μπορούν να τοποθετηθούν αισθητήρες κλίσης, χρώματος, υπολογισμού απόστασης, πίεσης, αφής κ.λ.π. καλύπτοντας διάφορες διδακτικές ενότητες.

Ο Βραχίονας μπορεί να προγραμματιστεί έτσι ώστε να λειτουργεί αυτόνομα ή μέσω τηλεχειρισμού.

Βασικά παραδείγματα παρέχονται χρησιμοποιώντας τον επεξεργαστή Arduino UNO.

Τα παραδείγματα παρέχονται σε δύο πλατφόρμες προγραμματισμού: την πλατφόρμα προγραμματισμού Mblock και την standard Arduino Ιno C.

Η πλατφόρμα Mblock παρέχει τη δυνατότητα προγραμματισμού σε γραφικό περιβάλλον με την λογική των προγραμματιστικών Block αλλά παράλληλα δίνει πρόσβαση και στον κώδικα σε γλώσσα C για Arduino. Τα παραδείγματα καλύπτουν τις ανάγκες τόσο εκείνων που επιθυμούν να ασχοληθούν για πρώτη φορά με τον προγραμματισμό επεξεργαστών Arduino όσο και των προχωρημένων προγραμματιστών.

Οδηγίες Κατασκευής

Για την κατασκευή του ρομποτικού βραχίονα ακολουθήστε τον φωτογραφικό οδηγό που θα βρείτε στον ακόλουθο σύνδεσμο:

Φάκελος Φωτογραφιών

Αφού αποσυμπιέσετε το αρχείο,  ξεκινήστε την κατασκευή ακολουθώντας τα βήματα που περιγράφονται στον φάκελο Start και κατόπιν εκτελέστε τα βήματα που περιγράφονται στους φακέλους a, b, c, d, e, f, g διαδοχικά.

Αναλυτικότερες πληροφορίες:

Στοιχεία στήριξης ηλεκτρονικών μονάδων

Στον ρομποτικό βραχίονα έχει προβλεφθεί χώρος για τοποθέτηση του επεξεργαστή, μπαταριών ή τροφοδοτικού και αισθητήρων όπως χρώματος, πίεσης απόστασης γωνίας ή κλήσης.

Στις ακόλουθες φωτογραφίες απεικονίζεται η τοποθέτηση ενός Arduino Uno, μπαταριών αυτονομίας και αισθητήρα τηλεχειρισμού υπέρυθρων.

Για την τοποθέτηση ηλεκτρονικών μονάδων στον βραχίονα μπορούν να χρησιμοποιηθούν τα ακόλουθα δομικά στοιχεία:

Επεξεργαστής

Ο έλεγχος των κινητήρων του βραχίονα μπορεί να πραγματοποιηθεί από πλατφόρμες ανοιχτού λογισμικού όπως π.χ. Arduino ή Raspberry Pi. Παρέχουμε παραδείγματα χρήσης του βραχίονα βασισμένα στην δημοφιλή πλατφόρμα του Arduino Uno.

Τροφοδοσία Επεξεργαστή Όταν ο Μεγάλος Ρομποτικός Βραχίονας χρησιμοποιεί τον επεξεργαστή Arduino UNO, η τροφοδοσία του μπορεί να γίνει από την USB θύρα προγραμματισμού ή από την κατάλληλη υποδοχή για βύσμα τροφοδοσίας που διαθέτει το Arduino. Επίσης ο επεξεργαστής μπορεί να λειτουργήσει από μπαταρία. Στην περίπτωση αυτή προτείνεται μπαταρία 9V 6LP3146 με κατάλληλο καλώδιο διασύνδεσης. Σε περίπτωση που στον επεξεργαστή συνδέονται μονάδες που καταναλώνουν μεγάλη ποσότητα ρεύματος όπως π.χ. οθόνη, πρέπει να ληφθεί μέριμνα για επαρκή τροφοδοσία του επεξεργαστή με μπαταρίες μεγαλύτερης χωρητικότητας.

Σερβοκινητήρες

Στον ρομποτικό βραχίονα χρησιμοποιούνται τρεις σερβοκινητήρες συνεχόμενης περιστροφής 360° (για τους τρεις πόλους κίνησης) και ένας standard σερβοκινητήρας (0-180°) για την αρπάγη.

Χαρακτηριστικά:

Τύπος κινητήρα	Continuous Rotation Servo 360°	Standard Servo 0-180°
Μοντέλο	GWS S35 STW	Tower Pro Micro Servo 9g SG90
Διαστάσεις	39.5mm ? 20.0mm ? 35.6mm	32mm x 30mm x 12mm
Βάρος	42gr	13,4gr
ΓωνιακήΤαχύτητα στα 6 Volt	60°/0,14 sec	60°/0,10 sec
Ροπή στα 6 Volt	27,65 Ν*cm
ΓωνιακήΤαχύτητα στα 4,8 Volt	60°/0,16 sec	60°/0,12 sec
Ροπή στα 4,8  Volt	24,71 N*cm	15,69 N*cm
Τάση τροφοδοσίας	3.5~6V	3.5~6V
Συνδεσμολογία
Μαύρο	Γείωση ή αρνητικός πόλος μπαταρίας	Γείωση ή αρνητικός πόλος μπαταρίας
Κόκκινο	Τροφοδοσία ή θετικός πόλος μπαταρίας	Τροφοδοσία ή θετικός πόλος μπαταρίας
Λευκό	Γραμμή σήματος ελέγχου σερβοκινητήρα	Γραμμή σήματος ελέγχου σερβοκινητήρα

 

Εναλλακτικοί κινητήρες Εκτός από τους κινητήρες που διατίθενται με τον Μεγάλο Ρομποτικό Βραχίονα μπορεί κανείς να χρησιμοποιήσει σερβοκινητήρες διαφορετικών χαρακτηριστικών αν διαθέτουν τις μηχανολογικές διαστάσεις που περιγράφονται στην ακόλουθη εικόνα προκειμένου να μπορούν να ενθυλακωθούν στις συμβατές θήκες κινητήρων που απεικονίζονται στη εικόνα.

Τροφοδοσία προτεινόμενων σερβοκινητήρων

Η τροφοδοσία των σερβοκινητήρων προτείνεται να γίνεται από τροφοδοτικό 6V 2000mA.

Για λειτουργία με μπαταρία προτείνεται μπαταρία μόλυβδου 6V 1,2Ah

Τα Servo λειτουργούν σε τροφοδοσία 6V και κάθε ένα καταναλώνει 250mA σε πλήρη λειτουργία.

Η τροφοδοσία των σερβοκινητήρων πρέπει να είναι ανεξάρτητη από αυτή του επεξεργαστή προκειμένου να αποφεύγεται η διάχυση θορύβου από τους κινητήρες στον επεξεργαστή και η ανεξέλεγκτη λειτουργία του.

Ηλεκτρονικά μέρη

Στα παραδείγματα προτείνουμε αισθητήρες και ενεργοποιητές του συστήματος Grove. Το σύστημα Grove προτείνεται λόγω της ευκολίας διασύνδεσης καλωδίων και της ευκολίας στήριξης στην δομική κατασκευή. Οι ηλεκτρονικές μονάδες του συστήματος Grove διασυνδέονται άμεσα με με Arduino ή Raspberry Pi με κατάλληλο shield που απλοποιεί τις καλωδιώσεις και ελαχιστοποιεί τα σφάλματα. Εναλλακτικά μπορούν να χρησιμοποιηθούν αντίστοιχοι αισθητήρες άλλων κατασκευαστών. Ενδεικτικά υλικά που μπορούν να χρησιμοποιηθούν με τον ρομποτικό βραχίονα για διδακτικά παραδείγματα ακολουθούν στον πίνακα:

Ασπίδα Grove	I2C Display	Κόκκινο Led	Βομβητής
Αισθητήρας φωτεινότητας	Αναλογικό χειριστήριο	Αισθητήρας υπερύθρων	Αισθητήρας απόστασης (ultrasonic)

Προγραμματισμός

Ο προγραμματισμός για τα παραδείγματα που παραθέτουμε βασίζεται στον επεξεργαστή Arduino UNO.

Ο επεξεργαστής μπορεί να προγραμματιστεί σε γλώσσα C στο περιβάλλον Ino C ή σε κάποιο άλλο γραφικό περιβάλλον προγραμματισμού.

Για την ευκολότερη εισαγωγή στον προγραμματισμό του συγκεκριμένου επεξεργαστή επιλέξαμε το περιβάλλον προγραμματισμού mblock.

Το περιβάλλον αυτό παρέχει τη δυνατότητα προγραμματισμού με την λογική των προγραμματιστικών Block αλλά παράλληλα δίνει πρόσβαση και στον κώδικα σε γλώσσα C για Arduino.

Το mblock δίνει την δυνατότητα στον έμπειρο χρήστη να δημιουργήσει βιβλιοθήκες γραφικών block από c drivers. Επίσης στην έκδοση 5 δίνει την δυνατότητα ανταλλαγής μηνυμάτων με υπολογιστή για συλλογή δεδομένων ή για έλεγχο του βραχίονα από υπολογιστή.

Η ιστοσελίδα του προτεινόμενου περιβάλλοντος και οδηγίες εγκατάστασης υπάρχουν στο ακόλουθο link.

http://www.mblock.cc/mblock-software/

ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ 1

Τηλεχειριζόμενος Μεγάλος Ρομποτικός Βραχίονας από IR Τηλεχειριστήριο

Σύντομη περιγραφή

Πρόκειται για ένα βασικό παράδειγμα για την κατανόηση της λειτουργίας και του ελέγχου των σερβονικητήρων και των μηχανικών δυνατοτήτων του βραχίονα.

Στο παράδειγμα αυτό ελέγχουμε τον βραχίονα από τηλεχειριστήριο υπέρυθρων. Ο βραχίονας μπορεί να λειτουργεί ενεργειακά  αυτόνομα διότι τόσο ο επεξεργαστής όσο και οι κινητήρες τροφοδοτούνται από ανεξάρτητες μπαταρίες.

Στο τηλεχειριστήριο υπέρυθρων, για κάθε έναν από τους κινητήρες συνεχούς περιστροφής ορίζουμε τρία πλήκτρα ελέγχου: δεξιόστροφη περιστροφή, αριστερόστροφη περιστροφή και διακοπή κίνησης.

Για τον κινητήρα standard servo αντιστοιχούμε πλήκτρα του τηλεχειριστηρίου σε γωνίες που ρυθμίζουν το άνοιγμα και το κλείσιμο της αρπάγης.

Υλικά που απαιτούνται:

• Σετ Ρομποτικού Βραχίονα
  
• Arduino UNO
• Grove Shield (προαιρετικό)
• Grove IR Sensor
• IR τηλεχειριστήριο
• Μπαταρία 6V 1,2 Ah
• Μπαταρία  9V 6LP3146
• Βύσμα τροφοδοσίας για μπαταρία 9V

Συνδεσμολογία κινητήρων

Ο ρομποτικός Βραχίονας διαθέτει 4 σερβοκινητήρες τους οποίους για τις ανάγκες της περιγραφής αριθμούμε όπως φαίνεται στην ακόλουθη εικόνα:

Στον αισθητήρα υπέρυθρων χρησιμοποιούνται τρία καλώδια. Εάν δεν χρησιμοποιηθεί η ασπίδα  της Grove θα πρέπει το κόκκινο καλώδιο (Vcc + τροφοδοσίας) να συνδεθεί στα 5V του Arduino, το μαύρο καλώδιο γείωσης να συνδεθεί στη γείωση GND του Arduino και το κίτρινο καλώδιο σήματος Rx να συνδεθεί στην ψηφιακή έξοδο D6 όπως φαίνεται στο ακόλουθο διάγραμμα. Εάν όμως χρησιμοποιηθεί η ασπίδα της Grove συνδέουμε απευθείας το JST καλώδιο που συνοδεύει τον αισθητήρα στο βύσμα D6 της ασπίδας Grove.

Δείτε περισσότερα:

Robotics Arm

Robotics Arm