2. soutěžní model týmu Marek Votroubek / Jan Král / Petr Bubeníček / Filip Naiser
Tento robot je sestaven výhradně jako soutěžní model. Veškeré jeho mechanické části vychází ze všech zkušeností získaných předchozími projekty, předpokladu minimalizované hmotnosti, co nejvyšší přesnosti mechanických částí, sníženém tření při pohybu. Tyto parametry snižují nároky na spotřebu energie a odráží se v rychlosti zpracování úkolu.
Pohon tvoří několik výkonných elektromotorů, které slouží jednak pro pojezd robota, tak i pro pohyb mechanického ramena. Každý motor je opatřen enkodérem pohybu, který zpětně udává vestavěnému počítači informace o vykonaném pohybu. Robot je samozřejmě vybaven vlastním hardwarem i softwarem a je tak přesně vyladěn na precizní pohyby včetně jejich kontroly.
Obsluha má možnost sledovat pohyb robota i na větší vzdálenosti pomocí HD kamery, se kterou lze manipulovat ve všech směrech, nebo pomocí web-kamery, která zároveň slouží jako „oko“ robota. Toto vybavení dovoluje nejen ovládání pomocí manuálního režimu, ale zároveň i automatický chod robota s plněním zadaných úkolů.
Náš tým se s tímto prototypem zúčastnil soutěže „Festival vědy a techniky,“ kde získal v krajském kole v březnu 2008 3. místo, které mu zajistilo postup do národního kola v Praze. Tam se umístil na 7. místě a získal právo na reprezentaci české republiky v soutěži INTEL ISEF, která se koná v květnu 2009 v Reno, hlavním městě Nevady.
Tento tým zíkal 15.5. 2009 v americkém městě Reno na soutěži INTEL ISEF, nejprestižnější soutěži studentů středních škol, 1. Místo v konkurenci 320 projektů z 56 zemí světa. Tým vyhrál finanční odměnu a právo studia na jakékoliv americké univerzitě, aniž by kterýkoliv člen musel plnit přijímací řízení či pohovory.
Konstrukce
Podvozek tohoto soutěžního robota tvoří 8 kol. Čtyři z nich jsou poháněné vysoce výkonnými motory s převodovou skříní, jejichž celkový moment síly je téměř 60 Nm (tažná síla robota na maximální výkon je 420N). Další čtyři kola jsou otočné podle vertikální osy, a umožňují jízdu do oblouku či otáčení na místě, což se velmi hodí pro pohyb v malých prostorech. Natočení kol je snímáno optickými sensory a je řízeno dvěma výkonnými elektromotory.
Uprostřed konstrukce podvozku je mechanické rameno, které je konstruováno s ohledem na co nejnižší hmotnost z důvodu rychlosti pohybu a spotřeby energie. Je na něm umístěno celkem 6 motorů. Základem je točna opatřená speciálním krokovým motorem, který můžeme regulovat s přesností na 0,2°. Celé rameno je umístěné na točně a lze s ním libovolně otáčet do všech stran. Nejsilnější motory jsou u kořene prvního „prstu“, a na konci jsou malé servomotory s velmi přesným chodem. Každý motor má vlastní optický snímač pohybu, tak ho lze jednak kontrolovat bez vizuálního kontaktu, a taktéž tyto informace slouží pro automatický režim.
Na konci ramene je tzv. „ruka“ která je otočná do všech směrů a je uzpůsobena uchopovat předměty různých velikostí. Její výhodou je že se dokáže složit na podvozek. Zabírá tak minimum místa a je omezena možnost jejího poškození, neboť nese kameru a mnoho prvků snímajících pohyb. Nad rukou je umístěna webová kamera, která komunikuje s počítačem a dokáže vyhledávat jakékoliv definované předměty.
Pro absolutní kontrolu funkcí robota je k dispozici ještě jedno malé rameno s HD kamerou, opatřenou konstrukcí pro libovolné otáčení do všech stran. Pomocí bezdrátového přenosu A/V signálu (obrazu i zvuku) je možné sledovat a poslouchat cokoliv i v okolí robota pomocí televize či projektoru do vzdálenosti až 100 metrů.
Celý robot je ovládán přes počítač. Pomocí Wi-Fi technologie jsou příkazy předávány do počítače umístěného na podvozku. Ten řídí regulátory motorů, které jsou sestaveny přesně pro tohoto robota a obsahují i vlastní software. V automatickém režimu se robot odpojí od Wi-Fi a vykonává sekvenci definovaných příkazů, než dokončí zadaný úkol.
Hardware
Základem hardwaru regulace otáček je mikrokontroler Megatiny 2313 (1) napájený 5 V stabilizátorem (2). Mikrokontroler je programován po sběrnici připojené konektorem (3) s rozhraním JTAG. Mikrokontroler dostává obdélníkové pulsy od přijímače, připojeného ke konektoru (4), řídí rychlost motorů přes driver IR2110 (5), který má výstupy přivedeny na brány výkonových N tranzistorů typu MOS-FET (6). Driver je použit z důvodu vyšší účinnosti celé regulace, která spočívá v možnosti nabíjet a vybíjet kapacitu brány tranzistoru mnohem většími proudy, tzn. rychleji a s kratšími přechodovými jevy tranzistoru. Mikrokontroler dále řídí směr motorů, to spočívá v přepínání dvou-kontaktního relé (7), které mění pozici pólů napětí na výstupní svorkovnici. Pro řízení kotvy relé jsou použity běžné tranzistory (8). Paralelně k motoru je připojena ochranná dioda (9) proti napěťovým špičkám, vytvořených pulzním proudem v cívkách motoru. Napájení celé řídící části probíhá přes diodu (10) kvůli ochraně před záměnou pozic pólů na hlavní napájecí svorkovnici. Dále jsou na desce regulace otáček osazeny další prvky, jako je např. stabilizátor napětí pro přenos videa a pro přijímač, různé vyhlazovací kondenzátory apod.
Software
Vstup signálu od přijímače je obdélníkový, šířka pulsu se pohybuje v rozmezí od 1 ms do 2 ms, přičemž šířka pulsu 1,5 ms udává střední pozici páčky na vysílačce a říká, že má motor být v klidu. Program je rozdělen do několika částí.
První částí je zjištění délky pulsu, to má za úkol procedura volaná při přerušení od změny na vstupním pinu. Ta zjistí rozdíl stavů pinů, podle 16-bitového časovače spočítá délku pulsu a tu uloží do paměti. Mikrokontroler má nastavený vnitřní oscilátor s frekvencí 8 MHz, což přesností naprosto dostačuje (rozlišovací schopnost délky pulsu je 125 ns).
Další částí programu je procedura volaná při přetečení časovače, která podle délek pulsů spočítá délku pulsu, který bude generován pro tranzistor MOS-FET a podle toho zda je menší, nebo větší než 1,5 ms přepne relé. Program je koncipován tak, že pro změnu směru se nejprve vypne tranzistor regulující otáčky a teprve potom se přepne relé, to z důvodu prodloužení jeho životnosti. V této proceduře se nastaví bity registrů komparátorů časovače, pro každý motor se bude vypínat výstupní pin v jiný čas. Přerušení z důvodu přetečení časovače nastává 122 x do sekundy, tzn., že frekvence pulsů napětí pro motor je 122 Hz.
Třetí částí programu je přerušení od komparátoru časovače, to nastane, pokud má skončit puls pro daný motor.
Mezi další softwarové vybavení také patří program na vyhledávání předmětů. Dokáže rozpoznat jakýkoliv předmět např. pivní láhev (což může být užitečné) a poté si obsloužit motory, k předmětu dojet, uchopit či splnit jiný úkol. Toto vše by nefungovalo bez „oka“ (webkamery), která odesílá jednotlivé snímky na které je aplikovaný vyhledávací algoritmus. Ten si nejdříve upraví přijatý snímek tak, aby s ním mohl pracovat a poté si vypočítá a najde všechny hrany v obraze. Když má hrany, porovná masku s jednotlivými hranami. Poté zjistí vzdálenost a polohu předmětu a vydá příkazy příslušným motorům.
Parametry
Rozměry ve složeném stavu:
• Délka 1080 mm
• Šířka 690 mm
• Výška 380 mm
• Hmotnost 20 kg
Dosah ramena
• 750 mm (horizontálně)
• 1100mm (vertikálně)
Kola
• 8 pěnových kol pro závodní modely, průměr 160mm, šířka 100mm
Konstrukce:
• Hliníkový profil 15x15mm a 20x20mm
• Železný jekl 15x15mm
• Železné pozinkované desky a pláty
• Šrouby 3, 4, 5, 6mm
• Závitové tyče 4, 5, 6, 10mm
• Osy kol: šestihrany OK 14mm
Akumulátory:
• Typ Pb (olověné) a NiCd (nikl-kadmiové)
• Charakteristika pohonné sady podvozku: 12V; 7,0 Ah
• Charakteristika napájení ramena: 12V; 7,0 Ah
Bezdrátová komunikace:
• Vysílač WiFi, 2,4 GHz, propojení s PC
• Vysílač 2: 35,100 MHz kanál 64, modulace FM, dosah 500 metrů
• Video přenos: 2,40085 GHz; dosah cca 100 metrů v přímé viditelnosti
Pohon:
Stejnosměrné motory (pojezd):
• Celkový výkon: 500W
• Celkový točivý moment: 60Nm
• Celková tažná síla: 420N
• Rychlost: 0-400 ot./min (proporcionálně)
Stejnosměrné motory (pohyb ramena):
• Celkový výkon: 180W
• Rychlost: 0-400ot/min (proporcionálně)
Krokový motor (točna ramena)
• Výkon: 55W
• Přesnost na jeden krok: 0,2°
Servomotory:
• Točivý moment: 0,2-1,98Nm
• Rozsah: 0-350°(s upraveným polohovým potenciometrem)
• Uhlová rychlost: 60°/0,28s
Počítač 1(na robotovi):
• Intel Desktop Board G845GVSH
• RAM paměť: integrovaná 256MB
• HardDisk: 80GB
• CPU: 1GHz
Počítač 2(ovládání):
• Asus Eee PC 1000H-BLK063X
• Procesor Intel 1,6GHz
• HardDisk: 160GB
Regulátory otáček:
• Řídicí čip: MEGATINY 2313
• Max. zatížení: 50A
Proporcionální řízení
• Videosnímač: JVC GZ-HD7 Everio
• Rozměry: Š 91 mm, V 77 mm, H 186 mm
• Rozlišení pro přenos: 640x480px (VGA)
• Snímač: CMOS; 1920×1080 (16:9)
• Objektiv: f 39 – 390 mm / F1.8–1.9
• Ostření: automatické
• Minimální zaostření: 1 cm
• HDD 60GB
• Použitý výstup pro přenos: A/V (analog video)
Poděkování:
Tímto bychom chtěli poděkovat panu Karlovi Jánskému a ing. Michalovi Řezníčkovi kteří nám věnovali desítky hodin a pomohli nám s obráběním složitých komponent robota. Jsme také vděčni Gymnáziu Aloise Jiráska v Litomyšli, které se podílelo na financování projektu, a v neposlední řadě také našim rodičům, kteří nám poskytli vhodné zázemí pro velmi náročnou stavbu tohoto robota.
