В израиле сконструирован робот, способный преодолевать любые препятствия - kupihome.ru

В израиле сконструирован робот, способный преодолевать любые препятствия

Робот объезжающий и избегающий препятствия

В этой статье мы рассмотрим несколько схем роботов, в которых реализованы следующие варианты поведения:
1. Объезжает препятствие при контакте с ним «усиками».
2. Избегает препятствия без контакта (ИК бампер).
3. Упирается «усиками» в препятствие, отъезжает назад, делает поворот, затем продолжает движение.
4. Избегает препятствие с разворотом (ИК бампер).
5. Следует за объектом, сохраняя дистанцию (ИК бампер).

Перед тем как приступить к рассмотрению схем давайте кратко разберем особенности микросхемы L293.


Рис.1. Расположение выводов микросхемы L293D

Внутри нее имеется два драйвера для управления электромоторами.
Моторы подключаются к выходам OUTPUT. Мы имеем возможность подключить два двигателя постоянного тока.
8-й и 16-й выводы микросхемы подключаются к плюсу питания. Поддерживается раздельное питание, т.е. 16-й вывод (Vss) предназначен для питания самой микросхемы (5 вольт), а контакт Vs (8-й вывод) можно подключить к источнику питания для двигателей. Максимальное напряжение силовой части составляет 36 вольт.
Я их разделять не буду и во всех схемах подключу к общему источнику питания.
Минус питания или земля (GND) подключается к выводам № 4, 5, 12, 13. Эти контакты, кроме того, обеспечивают теплоотвод микросхемы, поэтому при пайке на плату для этих выводов желательно выделить увеличенную металлизированную область.
Еще микросхема имеет входы ENABLE1 и ENABLE2.
Для включения драйверов, необходимо наличие логической единицы на этих выводах, проще говоря 1-й и 9-й выводы подключаем к плюсу питания.
Также имеются входы INPUT для управления двигателями.

Рис.2. Таблица соответствия логических уровней на входах и выходах.

Выше представлена таблица, по которой можно понять, что если на вход INPUT1 подать логической единицу, т.е. соединить с плюсом источника питания, а вход INPUT2 — с минусом, то мотор М1 начнет вращаться в определенную сторону. А если поменять местами логические уровни на этих входах, то мотор М1 будет вращаться в другую сторону.
Аналогично происходит и со второй частью, к которой подключается мотор М2.

Именно эта особенность и использована в представленных схемах роботов.

Схема №1. Робот объезжает препятствие при контакте с ним «усиками».

Рис.3. Схема №1. С механическими датчиками препятствий.

После подачи питания моторы будут вращаться в определенную сторону, двигая робота вперед. Это происходит за счет того, что на INPUT1 через резистор R2 поступает сигнал высокого уровня, так же как и на входе INPUT4. Транзистор VT1 надежно закрыт, база стянута на минус питания, на коллектор ток не втекает.
Объяснять я буду по левой части, т.к. обе части симметричны.
На входе INPUT2 через резистор R3 устанавливается логический 0. Судя по таблице (рис.2) мотор вращается в определенную сторону. В правой части схемы происходит тоже самое и робот едет вперед.
В схеме имеются ключи (SB1, SB2), в качестве которых применены SPDT переключатели. На них с помощью термоклея прикрепляются скрепки и получаются датчики препятствий.

Рис.4. Из скрепок сделаны датчики «усики».

Когда такой датчик упирается в препятствие, ключ замыкается и вход INPUT2 оказывается подключенным к плюсу питания, т.е. подается логическая «1». В этот же момент времени открывается и транзистор, вследствие чего логическая единица на входе INPUT1 сменяется логическим нулем. Мотор при нажатой кнопке вращается в другую сторону. Рывками происходят микропереключения и мотор разворачивает робота от препятствия, до того момента, пока датчик перестанет соприкасаться с препятствием.

Как вы уже догадались, переключатели или сами моторы нужно расположить крест-накрест.

Схема №2. Робот избегает препятствия без контакта (ИК бампер)

Еще более интересное поведение можно реализовать, если в качестве датчиков использовать TSOP-приемники для приема инфракрасных сигналов. Это будет некое подобие ИК-бампера.
Итак, теперь схема выглядит таким образом.

Рис.5. Схема №2. С инфракрасными датчиками препятствий.

«Модуль приема ИК» работает так: при поступлении инфракрасного сигнала на TSOP-приемник на его выходе появляется отрицательное напряжение, которое отпирает PNP транзистор, и ток с плюса питания поступает на входную цепь микросхемы. Если в прошлый раз были использованы механические переключатели, с так называемыми усиками из скрепок, то новая схема позволит роботу не врезаться в препятствие, а реагировать на него с некоторой дистанции. Это выглядит так:

Приемная часть выполнена таким образом: два абсолютно одинаковых модуля (левый и правый) скрепленные между собой (рис.8).

В качестве приемников использованы TSOP1136 с рабочей частотой 36 кГц. Расположение выводов представлено на рисунке ниже.

Рис.6. TSOP1136.

С приемниками мы разобрались, но для обнаружения препятствий нужно в пространство перед роботом посылать инфракрасное излучение с определенной частотой. Рабочая частота приемников бывает разная, в моем случае она составляет 36 кГц. Поэтому на микросхеме NE555 был собран генератор импульсов на данную частоту, а к выходу подключены излучающие диоды инфракрасного диапазона.

Рис.7. Схема излучателя на NE555.

На шасси робота закреплен фрагмент макетной платы, на которую можно установить желаемое количество ик-диодов.
На диоды желательно надеть термоусадочные трубочки или что нибудь подобное, чтобы они светили вперед, а не в разные стороны.

Рис.8. ИК бампер.

После подачи питания робот может попятиться назад, это из-за слишком большой чувствительности TSOP-приемников. Они воспринимают отраженный сигнал даже от пола, стен и других поверхностей. Поэтому в схеме излучателя ИК-сигнала (рис.7) использован подстроечный резистор, с помощью него уменьшаем яркость инфракрасных диодов и добиваемся желаемой чувствительности.

Схема №3. Такой робот отъезжает назад от препятствия, делая поворот.

Давайте рассмотрим еще одну интересную схему.

Рис.9. Схема №3.

Читать еще:  Поршневые компрессоры: преимущества, классификация, характеристики для выбора, обзор моделей

Когда такой робот упирается в препятствие одним из своих усиков, то он отъезжает назад, делая небольшой поворот, затем после небольшой паузы робот продолжает движение. Поведение показано на анимации ниже:

Эта схема тоже полностью совместима с инфракрасным бампером, от предыдущей схемы.

В схеме появились электролитические конденсаторы между эмиттером и базовыми резисторами транзисторов VT1 и VT2. Появились диоды VD1, VD2 и светодиоды HL1, HL2.
Давайте по порядку разберем, зачем нужны эти дополнительные компоненты.
Итак, когда замыкается переключатель SB1, т.е. первый датчик, ток от плюса питания через диод VD1 и токоограничивающий резистор R1 поступает на базу транзистора. Он открывается, меняя логический уровень на входе INPUT1, на входе INPUT2 уровень тоже меняется.
В этот момент ток также поступает на конденсатор C1 и он заряжается. Мотор М1 резко меняет направление вращения и робот отъезжает назад от препятствия. На видео можно заметить, что второй мотор тоже меняет направление движения, но на более короткий промежуток времени. Это происходит из-за того, что при замыкании датчика SB1, ток от плюса питания поступает также и на правую часть схемы, через светодиод HL2. Светодиоды не только подают кратковременный сигнал о столкновении с препятствием, но и являются гасителем напряжения, поступающего на противоположную половину схемы. Проще говоря, при замыкании ключа SB1, конденсатор C2 заряжается меньше, чем C1. А при замыкании ключа (датчика) SB2 происходит тоже самое, но наоборот — С2 заряжается больше (т.е. напряжение на его обкладках больше). Это позволяет не только отъехать от препятствия, но и немного отвернуться от него. Угол этого отворачивания зависит от емкости конденсаторов C1 и С2. Конденсаторы емкостью 22 мкФ, на мой взгляд, являются оптимальными. При емкости 47 мкФ угол поворота будет больше.
Также на видео можно заметить, что после того, как робот отъезжает назад от препятствия, то присутствует небольшая пауза перед тем как он поедет вперед. Это происходит из-за разрядки конденсаторов, т.е. в некоторый момент времени логические сигналы на входах INPUT уравновешиваются и драйвер на секунду перестает понимать в какую сторону вращать мотор. Но когда C1 и С2 разрядятся, на входах INPUT установятся первоначальные логические уровни.
Диоды VD1 и VD2 препятствуют разрядке конденсаторов через светодиоды HL1, HL2. Без светодиодов схема не работает.

Схема №4. Предыдущая схема с ИК бампером.

Эта схема отличается от предыдущей тем, что вместо механических датчиков здесь использованы инфракрасные (ИК бампер).

Коллекторы PNP транзисторов VT1 и VT2 при обнаружении препятствия, подадут сигнал на входную цепь микросхемы. Далее всё происходит также, как было описано ранее, только такой робот при обнаружении препятствия перед собой отъезжает назад, делает поворот, затем продолжает движение.
Поведение показано на анимации ниже:

У робота будет более резкое поведение, если уменьшить емкость конденсаторов C1 и C2 например до 1 мкФ (минимальная емкость 0,22 мкФ).

Как сделать так, чтобы робот следовал за объектом?

Во всех схемах, представленных выше, датчики-сенсоры или сами моторы должны быть расположены крест-накрест. А при прямом подключении (когда левый датчик «командует» левым двигателем, правый — правым) робот будет не избегать препятствие, а наоборот следовать за ним. Благодаря прямому подключению можно добиться очень интересного поведения робота — он будет активно преследовать объект, сохраняя определенную дистанцию. Расстояние до объекта зависит от яркости ИК диодов на бампере (настроить).

Еще немного фотографий:

В шасси использованы металлические детали от конструктора. Макетная плата откидывается для удобства замены батареек.

Питание робота осуществляется от 4-х батареек АА.

Варианты изготовления корпуса и шасси для робота ограничиваются только вашей фантазией, тем более в продаже имеется много готовых решений. В моем случае схема будет перенесена на плату, т.к. куча проводов это не эстетично. Также будут установлены аккумуляторы со схемой подзарядки. А какие еще доработки можно произвести или добавить новые функции — это всё вы можете предложить в комментариях.

К этой статье имеется видео, в котором подробно описана работа схем и продемонстрированы разные варианты поведения робота.

Студент сконструировал механическую ногу для робота, которая прыгает в два раза выше своей высоты

За редким исключением (см. выше), современные двуногие или четвероногие роботы не способны на энергичные динамичные движения. Роботы-гуманоиды почти никогда не умеют бегать и прыгать, а четвероногие роботы только недавно освоили базовые навыки динамических передвижений. А ведь это очень важный навык для любого робота, который перемещается по пересечённой местности и преодолевает препятствия. Получается, что для них остаются недоступными больше половины земной суши. Они просто не могут туда попасть. Это серьёзно ограничивает сферу применения роботов, ведь они должны быть вездесущими.

Как видно на иллюстрации, инженеры до сих пор не могут определиться, какая конструкция ног будет наиболее эффективной для робота. Предлагаются разные варианты. На фотографиях показаны роботы с разным строением ноги: прямая нога (prismatic), сочленённая (series articulated), избыточно сочленённая (redundantly articulated) и плоская параллельная (parallel planar).


Типичные строения ноги у существующих роботов. Слева направо сверху вниз: Raibert, BDI Spot, MIT Cheetah, Boston Dynamics Big Dog, Penn/Ghost Robotics Minitaur, ATRIAS, GOAT. Иллюстрация: Саймон Калуче/Университет Карнеги-Меллона

Студент Университета Карнеги-Меллона Саймон Калуче (Simon Kalouche) предложил новый тип конструкции ноги для прыгающего робота: пространственно-параллельную конструкцию (parallel spatial на схеме). Студент также изготовил действующий прототип такой ноги, которую описал в свой дипломной работе (pdf).


CAD-рендеринг робота с четырьмя ногами GOAT. Изображение: Саймон Калуче/Университет Карнеги-Меллона

Конструкция ноги получила название GOAT, что означает “Gearless Omni-directional Acceleration-vectoring Topology”. В дипломной работе Саймон Калуче объясняет, что в живой природе есть примеры млекопитающих, которые отличаются невероятной прыгучестью. В частности, это снежная коза Oreamnos americanus, способная передвигаться по пересечённой местности, перепрыгивать пропасти, скакать со скалы на скалу. Это животное дало автору вдохновение для создания роботизированной ноги, хотя конструкция ноги GOAT имеет мало общего с ногой реального животного. Но в идеале, роботы в будущем должны обладать такой же фантастической подвижностью, как снежная коза.

Читать еще:  Масляный обогреватель с вентилятором: виды, типы, принцип работы


Снежная коза прыгает по скалам. Фото: W.Wayne Lockwood, M.D./Corbis, Britannica

Пространственно-параллельная конструкция ноги GOAT обеспечивает «проворную ходьбу, бег и, самое главное, взрывные прыжки в любом направлении и активное мягкое приземление», пишет автор. Он согласен, что по скорости бега робот с такими ногами не сможет конкурировать с известным роботом-гепардом Cheetah от инженеров Boston Dynamics и Массачусетского технологического института, но зато GOAT имеет преимущество перед Cheetah по по манёвренности. Он гораздо лучше подходит для передвижения прыжками, например, по завалам в зоне стихийного бедствия или техногенной катастрофы, на поле боя, в сложных природных условиях. Такой робот может перепрыгивать довольно высокие преграды, заборы, стены, взбираться по подъёмам даже с предельным для человека углом подъёма более 45°. Грубо говоря, он уступает Cheetah по скорости движения в 1D, но выигрывает во всех измерениях 3D.

Робот GOAT способен преодолевать другие препятствия, которые встречаются на пути: расщелины, пещеры, ямы, рвы, окопы. На видео показано, что конструкция робота предусматривает мягкую посадку и сохранение равновесия даже после самого высокого прыжка.

Испытания ноги GOAT с разными настройками

В конструкции GOAT используется привод T-Motor U10 с одноступенчатой планетарной передачей Matex 75-7MLD 7:1.

В дипломной работе автор сравнивает разные типы моторов. В таблице приведены результаты тестирования четырёх типов приводов: безредукторный электропривод T-Motor (DD, direct drive), электропривод T-Motor с одной планетарной передачей (QDD, quasi-direct-drive), электропривод T-Motor с двумя планетарными передачами (GM, gear motor), а также электропривод Hebi X-5 SEA.

Все четыре типа приводов показаны на фотографиях, слева направо: DD, QDD, GM и SEA.

Автор говорит, что у каждого электропривода есть свои недостатки, поэтому пришлось идти на компромисс. Он объясняет, почему выбрал именно электропривод с одной планетарной передачей — он наиболее оптимально вписывается в конструкцию GOAT.

Конструкция сустава «ноги» GOAT состоит из трёх деталей с пересекающимися осями. Моделирование в Solidworks FEA показало, что на такой сустав оказывается давление до 123 psi в его нижней части. Поэтому данный компонент следует изготовлять из высокоуглеродистой стали с пределом текучести 125 psi, в то время как большинство остальных деталей можно изготовлять из алюминия 7075 с пределом текучести 73 psi.

Во время тестирования ноги GOAT была достигнута высота прыжка 82 см, что более чем в два раза превышает высоту самой конструкции.

Пока что Саймон Калуче изготовил только прототип одной ноги GOAT для диссертации. В будущем он планирует продолжить работу над роботом. Возможно, совместно с инженерами из других научно-исследовательких центров или частных компаний получится изготовить полноценного четырёхногого робота, который действительно будет проворно передвигаться по пересечённой местности. Или кто-нибудь изготовит такого робота раньше, чем автор, ведь его диссертация со всеми выкладками лежит в открытом доступе, разве что CAD-файлов не хватает. Но можно попробовать повторить эту работу.

В израиле сконструирован робот, способный преодолевать любые препятствия

Маяк Изобретателя

Информация

П О Д Р О Б Н Е Е

18 398 записей Показать записи сообщества

Южный полюс Марса

ПРОБЛЕМЫ СО STARLINER: ВСЁ МОЖЕТ БЫТЬ ХУЖЕ, ЧЕМ МЫ ДУМАЛИ

Мало того, что Boeing фактически потерял 737 MAX. Теперь еще выяснилось, что ВЕСЬ СОФТ корабля Starliner никуда не годится, и должен быть проверен. Показать полностью… Что отодвигает программу доставки астронавтов на МКС на совершенно неопределенный срок.

6 февраля 2020 года Консультативная группа по аэрокосмической безопасности (ASAP) Национального управления США по аэронавтике и космосу (NASA) во время своего ежеквартального заседания представила предварительную информацию о ходе исследования данных, полученных в ходе первого испытательного беспилотного полета космического корабля Starliner, разработанного и построенного компанией Boeing, по программе Orbital Flight Test (OFT). (Расследование независимой группы экспертов продолжается и не завершится до конца февраля 2020 года.) На следующий день NASA опубликовало об этом запись в своем официальном блоке программы Commercial Crew Program и, поскольку «NASA и Boeing обязуются открыто делиться информацией, связанной с полетом, с общественностью», анонсировало телеконференцию для СМИ, состоявшуюся в тот же день, 7 февраля 2020 года. NASA TV вело ее прямую аудиотрансляцию.

Телеконференция вынужденно последовала за шокирующей информацией, обнародованной на заседании ASAP, о том, что во время полета Starliner OFT была выявлена вторая серьезная ошибка в программном обеспечении бортового компьютера, которая могла привести к катастрофе с полной потерей космического корабля. (А при пилотируемом полете – и к гибели экипажа.) В начале телеконференции администратор NASA Джеймс Брайденстайн признал, что во время полета Starliner было «много аномалий». Похоже, что прямо сейчас NASA и Boeing еще не могут сказать ничего конкретного, и им потребуется время, чтобы разобраться со всем этим.

О первой ошибке в программном обеспечении было сообщено почти сразу же после запуска Starliner OFT. Бортовой компьютер неверно выставил таймер истекшего полетного времени (MET), получив данные, отличавшиеся на 11 часов от правильного времени. В соответствии с ошибочным MET, компьютер приступил к выполнению программы следующей фазы полета, пропустив маневр довыведения на орбиту, вследствие чего наземным операторам пришлось перейти на дистанционное управление кораблем с Земли и вывести его на нештатную низкую околоземную орбиту. Из-за перерасхода топлива дальнейшее выполнение программы полета OFT, предусматривавшее сближение и стыковку с Международной космической станцией, было отменено.

О второй ошибке в программном обеспечении главному «космическому» редактору Интернет-издания Ars Technica Эрику Бергеру стало известно еще в первой половине января 2020 года при подготовке статьи, посвященной Starliner OFT. Согласно источнику издания, Boeing исправил эту ошибку всего за два часа до того, как модуль экипажа вошел в земную атмосферу. По словам источника, если бы ошибка не была обнаружена, нужные двигатели не запустились бы во время спуска, и космический корабль был бы потерян.

Читать еще:  Посудомоечная машина samsung: популярные модели

В ответ на запрос об этом в середине января 2020 года представитель Boeing подтвердил Ars Technica, что обновление программного обеспечения было отправлено на Starliner «ближе к концу полета». Тем не менее, пресс-секретарь Boeing затем преуменьшил серьезность ситуации, заявив: «Последняя загрузка [программного обеспечения] перед посадкой выполнялась для обеспечения правильного сведения с орбиты служебного модуля после отделения и не имела ничего общего со спуском модуля экипажа». Проблема показалась Бергеру несущественной, и он не стал упоминать о ней в своей статье.

Теперь же упомянутая ошибка не только официально подтверждена, но еще и подчеркнута как потенциально чреватая катастрофой. По словам Джеймса Чилтона, старшего вице-президента по космосу и запускам в Boeing Defense and Space, из-за этой ошибки в программном обеспечении после разделения модулей Starliner двигатели служебного модуля вместо его увода для обеспечения безопасного сведения с орбиты сработали бы так, что могли спровоцировать столкновение служебного модуля с модулем экипажа.

«Ничего хорошего не могло произойти от столкновения этих двух [частей космического корабля] друг с другом», – сказал Чилтон.

Вице-президент Boeing и руководитель программы Starliner Джон Малхолланд также подробно остановился на третьей [и второй известной ранее — КДК] проблеме: неспособности Центра управления полетом поддерживать надежную связь с космическим кораблем в течение нескольких минут после запуска. По его словам, похоже, проблема не в антенне или системе связи на борту космического корабля, а, скорее, в «высоком уровне шума» на Земле, который он приписывает частотам, связанным с вышками сотовой связи. Малхолланд заметил, что это пока только предварительное заключение.

Как представители NASA, так и представители Boeing отказались рассуждать на тему, что ошибки программного обеспечения, о которых шла речь на заседании ASAP (не говоря уже о том, что Starliner OFT не выполнил свое основное задание – сближение и стыковку с Международной космической станцией), потребуют второго испытательного беспилотного полета Starliner для сертификации от NASA на пилотируемые полеты. «У нас попросту недостаточно информации на данный момент, – сказал Брайденстайн, – и было бы очень преждевременно делать какие-либо заявления по этому поводу».

Однако во время телеконференции было несколько подсказок, позволяющих предположить, что Boeing предстоит долгий путь, прежде чем Starliner снова полетит – с экипажем или без него.

Полетное программное обеспечение Starliner содержит около миллиона строк кода, и теперь Boeing и NASA придется вернуться назад и проверить весь этот код, чтобы найти ошибки и устранить их. Заместитель администратора NASA по пилотируемым программам Даглас Ловерро сообщил, что проверка может быть длительным процессом, поскольку он не уверен, содержит ли программное обеспечение Boeing две ошибки или многие сотни.

По словам Ловерро, NASA также проводит обширный анализ культуры Boeing, чтобы понять, какие процессы привели к тому, что эти ошибки программного обеспечения появились и не были обнаружены в ходе предполетных проверок. Примечательно, что, по его словам, NASA делает это не только из-за проблем с программным обеспечением Starliner, но также из-за «сообщений прессы [о проблемах] в других подразделениях Boeing». По-видимому, это ссылка на многочисленные проблемы компании с авиалайнером Boeing 737 MAX.

Все эти проверки, вероятно, займут месяцы. И у руководства NASA будет дополнительный стимул для поиска любых проблем, поскольку на инженерах космического агентства США также лежит часть вины за проблемы Starliner.

«Надзор [со стороны] NASA был недостаточным, – сказал Ловерро. – Это очевидно. Мы признаём это. Я думаю, это хороший урок для нас». Возможно, это предполагает длительные и подробные проверки Boeing, космических аппаратов компании и самих сотрудников NASA.

———-
От КДК: Ну, раз уж вы упомянули об этом.
———-

6 февраля 2020 года Интернет-издание CNN Business со ссылкой на администратора Федерального управления гражданской авиации США (FAA) Стивена Диксона сообщило, что инженеры Boeing обнаружили новую проблему с программным обеспечением самолета Boeing 737 MAX. Еще 20 января 2020 года компания известила FAA: во время летных испытаний обновленного программного обеспечения для авиалайнера было выявлено, что индикатор системы управления стабилизатором остается включенным дольше, чем предполагалось. В Boeing заявили, что необходимые исправления были внесены.

Ранее, 9 января 2020 года, была обнародована часть внутренней переписки персонала компании, переданная FAA и Конгрессу США в декабре 2019 года. В ходе переписки один из сотрудников Boeing, комментируя проблемы с компьютерной системой управления 737 MAX, иронизирует, что «этот самолет был разработан клоунами, которые, в свою очередь, находятся под надзором обезьян». Другой пишет, что он не позволил бы членам своей семьи летать на самолетах данного типа. «Я буду в шоке, если FAA сертифицирует этот кусок дерьма», – отмечает третий.

Из переписки следует, что Boeing пытался избежать обучения пилотов на тренажерах для 737 MAX – дорогостоящего и трудоемкого процесса, и прибегал к лоббистским методам при появлении требований со стороны регуляторов. Еще один сотрудник сокрушается по поводу ситуации в компании. «Я не знаю, как устранить эти вещи. Они системные. Это культура. Очевидно, что наше высшее начальство понимает очень мало в этом деле, но при этом заставляет нас выполнять определенные цели», – пишет он.

Руководство Boeing назвало это переписку абсолютно неприемлемой и извинилось за содержащиеся в ней «провокационные заявления» перед FAA, Конгрессом США, клиентами и пассажирами.

Ссылка на основную публикацию
×
×
Adblock
detector