1697

В дальнейшем для улучшения проекта было принято решение заменить беспаечную макетную плату и заменить на более удобный и компактный аналог. Так как требовалось подключать питание каждого сервомотора к пи-

тании, возникала путаница, и образовывалось большое количество проводов,

что снижало удобство пользования и мобильность конструкции. Для решения данной проблемы была найдена и приобретена плата расширения Arduino Sensor Shield V5.0. Плата предназначена для подключения к ней различных устройств Ардуино или аналогов устройств через стандартные интерфейсы.

Для работы к плате нужно подключить Arduino контроллер или другое управляющее микропроцессорное устройство. И в завершении подать на плату питание или от Ардуино, или от внешнего источника питания и начи-

нать работу.

Управление платой расширения осуществляется или от Ардуино кон-

троллера, или другим микропроцессорным управляющим устройством. На плате расширения находится кнопка сброса параметров или перезагрузки

RESET. Когда на плату подается питание, должен загореться светодиод PWR.

На плате расширения Arduino Sensor Shield V5.0 расположено множество ин-

терфейсов для подключения различных внешних устройств и питания:

SD card interface (интерфейс для подключения карт памяти SD) – имеет

6 выводов, первый вывод обозначен на плате знаком «+». Обозначение выво-

дов: VCC, GND, D11, D10, D13, D12;

ultrasonic interface (интерфейс для подключения ультразвуковых датчи-

ков) имеет 4 вывода, первый вывод обозначен на плате знаком «+». Обозна-

чение выводов: VCC, A0, A1, GND;

интерфейс для подключения внешнего источника питания (блока пита-

ния, батареи). Обозначение выводов: GND, VCC;

колодка питания Arduino, обозначение выводов: RESET, 3V3, 5V, GND,

VIN;

установлено шесть аналоговых входов обозначенных: 0, 1, 2, 3, 4, 5;

			Лист
		ВКР. 155510.09.04.04.ПЗ	41
	Изм. Лист № докум. Подпись Дата

analog IO ports (интерфейс аналоговых входов-выходов) имеет 6 выво-

дов, обозначение выводов: A0, A1, A2, A3, A4, A5. Каждый вход-выход име-

ет 3 контакта GND, VCC, Signal;

интерфейс RS232 (последовательная шина COM), имеет 4 вывода обо-

значение выводов: Tx, Rx, «-», «+»;

ACP220 wireless module interface (интерфейс для подключения внешне-

го Wi-Fi модуля ACP220). Имеет 6 входов, обозначение входов: GND, VCC,

не задействован, D1, D0, не задействован;

bluetooth interface (интерфейс для подключения внешнего устройства

Bluetooth) имеет 6 выводов. Обозначение выводов: VCC, GND, D1, D0, GND, 3V3.

Большое количество портов позволяет в дальнейшем расширять проект и удобно подключать периферийные устройства. Так же в самой плате предусмотрено удобное подключение сервомоторов и различных датчиков.

Питание платы осуществляется как с Ардуино, так и от внешних источников питания. Переключение с источника питания Ардуино на внешний источник осуществляется с помощью перемычки SEL. Для питания платы нужно напряжение 5 В. Если не переключиться на внешний источник контроллер может выйти из строя.

За счет использования специальной платы расширения, которая уста-

навливается поверх платформ ардуино, общая конструкция устройства уменьшилась, что позволяет установить дополнительные платы для устройств ,которые требуют специальные драйверы, например шаговые мо-

торы.

Также появляется возможность установки различных модулей, которые будут подключен более компактно и универсально, к имеющимся вводам можно подключить WI-fi модуль, Bluetooth модуль и жидкокристаллический экран. На рисунке 10 изображен интерфейс платы.

			Лист
		ВКР. 155510.09.04.04.ПЗ	42
	Изм. Лист № докум. Подпись Дата

Рисунок 10 – Интерфейс платы расширения

			Лист
		ВКР. 155510.09.04.04.ПЗ	43
	Изм. Лист № докум. Подпись Дата

4 РАЗРАБОТКА И ИЗГОТОВЛЕНИЕ РОБОТИЗИРОВАННОЙ ПЛАТ-

ФОРМЫ

4.1 Проектирование манипулятора

Для разработки программного обеспечения, необходимо подобрать не-

обходимую конструкцию, для разработки более эффективного аппаратно программного комплекса. Для данного проекта предполагалась выбрать ма-

нипулятор, размеры которого будут меньше полуметра, и вес до 4 кило-

грамм, размер подобран в соответствии более удобной транспортировкой, и

оптимального занимаемого пространства. Так же выбираемый манипулятор должен иметь возможность смены некоторых узлов для возможности ремон-

та и увеличения рабочей области.

На данный момент распространены промышленные роботы, которые имеют довольно большой поднимаемый вес, и большую область охвата, и

хобби манипуляторы, которые имеют малый подъёмный вес, но довольно компактные и мобильны. Исходя из имеющихся характеристик и видов ма-

нипуляторов, был сделан выбор в сторону малогабаритных хобби манипуля-

торов с дальнейшей модификацией, так как промышленные манипуляторы хоть и имеют большой поднимаемый вес, но все же имеют большие габари-

ты, а так же большую стоимость В основе прототипа был использован манипулятор с шестью степенями

свободы. Основным критерием выбора манипулятора является его грузо-

подъёмность в горизонтальном состоянии. В конструкции используются специальные алюминиевые профили, которые намного облегчают конструк-

цию. Так же они имеют модульную структуру, благодаря которой имеется возможность удлинять конструкцию и расширять возможности прототипа.

Данная конструкция имеет специальные пазы для установки других сервомо-

торов стандартных форм.

Используемый манипулятор имеет оптимальный вес и рабочую об-

ласть, что так же положительно влияет на работоспособность всего проекта.

Так как в качестве корпуса используются алюминиевые модули, конструкция

			Лист
		ВКР. 155510.09.04.04.ПЗ	44
	Изм. Лист № докум. Подпись Дата

имеет малый вес и при движении манипулятора он может сместиться по инерции, что уменьшает точность и скорость выполнения операций. Для устранения данной проблемы бала установлена специальный железный про-

филь, на который устанавливается манипулятор, так же данное решение поз-

воляет увеличить рабочую область, и возможность скрытой установки неко-

торых элементов аппаратно программного комплекса. На рисунке 11 изобра-

жён используемый манипулятор.

Рисунок 11 – Используемый манипулятор.

В исходном виде данный манипулятор не был способен поднимать хи-

мический дозатор, вес, которого составлял около 50 грамм, изначально дан-

ная проблема решалась программным методом и усложнением алгоритмов передвижения, но в дальнейшем было принято решение заменить все серво-

моторы на более мощные и точные. Таким образом, в основание манипуля-

тора используется сервомотор силой поднятия 33 кг/см с радиатором охла-

ждения и более точным потенциометром, так как изменение на пару градусов в основание дает большую погрешность, чем на конце конструкции. Осталь-

ные узлы так же были заменены, что позволило увеличить точность всей конструкции и отказоустойчивость.

			Лист
		ВКР. 155510.09.04.04.ПЗ	45
	Изм. Лист № докум. Подпись Дата

Так же в приобретённой модели использовался металлический захват,

который имел малую область сжатия и большой вес, в результате был заме-

нен на более облегчённый и более крупный захват. Данный узел не требовал замены сервомотора, так как там не требовалась большая сила сжатия и бо-

лее мощные моторы выходили из строя намного быстрее, так как постоянно находились под нагрузкой, в процессе удержания предметов.

Для лучшего сцепления манипулятора и дозатора была наклеена абра-

зивная бумага, благодаря чему смешения дозатора в процессе перемещения уменьшилось до минимума.

Так же была выровнена поверхность манипулятора, путём наращива-

ния полезной площади, для более удобного перемещения модифицирован-

ным модулем захвата.

Как было описано ранее в манипуляторе имеется 6 степеней свободы,

благодаря которым можно довольно точно производить операции. За счет ограничения сервомоторов, таким образом, основание поворачивается в пре-

делах 180 градусов, где центром установки, является 90 градусов. Для того чтобы привести в движение захватывающий модуль, который так же работа-

ет на сервомоторе, необходимо производить перемещение на 90 градусов что соответствует, полному зажатию объекта. Так же имеется степень свободы,

которые позволяет производить вращение вокруг оси, имитируя откручива-

ние. Данная степень свобод необходима для открытия притирочных крышек химической посуда, а так же для переливания жидкости или взбалтывания мензурок. Оставшиеся три степени свобод производят смещение в сторону горизонта, что позволяет опустить манипулятор ниже уровня первого звена.

Имеется возможность увеличить расстояние между каждым узлом, что отра-

зится на охватываемой области, но в таком случае необходимо будет заме-

нить все сервомотор на мощные, для стабильной работы. На рисунке 12

изображена общая схема манипулятора.

			Лист
		ВКР. 155510.09.04.04.ПЗ	46
	Изм. Лист № докум. Подпись Дата

Рисунок 12 – Общая схема манипулятора.

4.2 Подключение химического дозатора

Так как в проекте используется автоматизированный дозатор, было необходимо подключить его непосредственно к самой платформе ардуино для дальнейшего взаимодействия. Один из способов подключения это непо-

средственно через саму плату ардуино, но так как дозатор имеет 8 кнопок,

было не целесообразно занимать на платформе такое количество пинов. По-

этому были рассмотрено несколько вариантов и выбран наиболее походя-

щий.

Один из способов подключения является через транзистор, но таким образом не уходит проблема занятых пинов, так же можно было подключить дозатор через еще одну версию ардуино, но тогда появляется проблема син-

хронизации и масштабности устройства. В результате было принято решение использовать мультиплексоры, для нажатия соответствующих кнопок.

- устройство, имеющее несколько сигнальных входов,

один или более управляющих входов и один выход. Мультиплексор позволя-

			Лист
		ВКР. 155510.09.04.04.ПЗ	47
	Изм. Лист № докум. Подпись Дата

ет передавать сигнал с одного из входов на выход; при этом выбор желаемо-

го входа осуществляется подачей соответствующей комбинации управляю-

щих сигналов. Что позволяет управлять большим количеством сигналов чем используется для управления.

Аналоговые и цифровые мультиплексоры значительно различаются по принципу работы. Первые электрически соединяют выбранный вход с выхо-

дом (при этом сопротивление между ними невелико - порядка еди-

ниц/десятков ом). Вторые же не образуют прямого электрического соедине-

ния между выбранным входом и выходом, а лишь «копируют» на выход ло-

гический уровень ('0' или '1') с выбранного входа. Аналоговые мультиплексо-

ры иногда называют ключами или коммутаторами.

Устройство, противоположное мультиплексору по своей функции,

называется демультиплексором. В случае применения аналоговых мульти-

плексоров (с применением ключей на полевых транзисторах) не существует различия между мультиплексором и демультиплексором; такие устройства могут называться коммутаторами.

Мультиплексор можно считать электронным ключом на несколько входом выходом, некоторые мультиплексоры могут управлять двумя разны-

ми устройствами, используя разные входы выходы.

Для подключения автоматизированного дозатора было использовано два мультиплексора. Для такого подключения необходимо соединить общий провод входа выхода. Для управления данным мультиплексором использу-

ется 3 провода, на которые необходимо подавать логические ноль и единицу.

В данном проекте использовался четырехканальный мультиплексор. В

дальнейшем предполагается подключить к мультиплексорам дополнитель-

ные устройства в виде магнитной мешалки и подогрева. На рисунке 13

изображены назначения каждого пина.

			Лист
		ВКР. 155510.09.04.04.ПЗ	48
	Изм. Лист № докум. Подпись Дата

Рисунок 13 – Общая схема назначения

Для управления мультиплексором используется таблица истинности,

которая открывает нужно канал. Так же надо учитывать что при подаче сиг-

налов нужно делать задержку, для того чтоб мультиплексор успел обработать и передать сигнал дозатору. Необходимые сигналы передаются непосред-

ственно с самой вычислительной платформ и генерируются исходя из необ-

ходимых данных.

Для питания данной микросхемы используется выходные 5 вольт с платформ ардуино, отрицательный провод так же общий, и подключен в со-

ответствующий пин на микроконтроллере. Общая схема подключения предо-

ставлена на рисунке 14.

Рисунок 14 – Общая схема подключения

ВКР. 155510.09.04.04.ПЗ

Изм. Лист № докум.

Подпись Дата

Лист

49

Исходя из схем видно, что для управления каждым мультиплексором используется три информационных ввода А0, В0, D0 и А1, В2, D3 соответ-

ственно. Под цифрой 1 подразумевается общий кабель, с которым и проис-

ходит взаимодействие остальных выходных каналов. Каждый выходной ка-

нал под соответствующими цифрами от двух до восьми подключаются к спе-

циальному входному шлейфу, который подключен к дозатору. В дальнейшем можно поменять каждые вывод, или убрать не используемые кнопки, что позволит подключить еще больше устройств для управления.

В дальнейшем была замечена особенность данного мультиплексора,

которая заключается в следующем: при отсутствии питания происходит нажатие на все подключённые кнопки. Таким образом, перед работой необ-

ходимо подключить платформу ардуино, а уже потом включить блок питания для дозатора. Если выполнить операцию наоборот, то это не грозит выходом из строя, какого либо оборудования, но возможны ошибки при выполнении команд, так как для выхода в рабочий режим дозатору потребуется больше времени.

Так как сам дозатор не имеет интерфейса подключения, необходимо было его вывести. Для этого потребовалось демонтировать имеющиеся кноп-

ки, припаять необходимые провода, и вывести в удобный разъем, в который удобно подключать информационные провода. Благодаря такому решению удобно подключать и отключать дозатор, а так же использовать его как один из стандартов вводов для других дозаторов. Так же некоторые из кнопок дублируются, благодаря чему появляется больший запас отказоустойчивости.

Каждый провод был подписан, и собран в один кабель, чтобы в дальнейшем исключить возможность ошибки. На рисунке 15 изображена схема выводов на химическом дозаторе.

			Лист
		ВКР. 155510.09.04.04.ПЗ	50
	Изм. Лист № докум. Подпись Дата