В общем о роботах

Введение

И так роботы прочно вошли в нашу жизнь. С развитием новых технологий, в том числе и компьютерных, они превращаются из экзотических и малополезных дорогих устройств в распространенных и доступных спутников человека, и теперь создать несложного робота может любой человек, умеющий держать паяльник в руках и знающий основы программирования, и даже без этих знаний вы тоже можете сконструировать своего робота на основе готовых конструкторов. Сейчас для многих людей, делать роботов стало хобби. Они пытаются изобрести что-то новое и большинство старается показать своего робота(готового естественно) всем. Они выкладывают программу для него и схему в интернете для общего обозрения. На соответствующих сайтах о роботох. Но если вы не любите изобретать, то в интернете есть полно готовых схем и программ. Также во многих магазинах уже есть в продаже готовые роботы. Как дорогие так и дешевые. Самый дешевого робота продаёт компания МАСТЕР - КИТ.( http://www.masterkit.ry )
Ну а теперь начнём изучать робота. Из чего он состоит ну и т.д.

Мозг робота

Сейчас существует много разных микросхем микроконтроллеров различных фирм (Atmel, Microchip PIC, Fujitsu и т.д.), которые позволяют значительно упростить электронную схему робота. Микроконтроллер, для тех, кто не знает, это микросхема, которая заключает в себе процессор, оперативную память и постоянную память, то есть своего рода это мини компьютар. Кроме того, она имеет порты ввода-вывода, через которые осуществляется обмен информацией с окружающей средой (снятие показаний с датчиков происходит через порты ввода) и управление внешними устройствами (через порты вывода). Таким образом, чтобы запрограммировать поведение своего робота, вместо того, чтобы паять громоздкие схемы (и вместе с тем намертво заложить в него программу его поведения без возможности ее дальнейшего изменения), устанавливаете микроконтроллер, подключаете к нему датчики (подробнее о них ниже) и внешние устройства (двигатели колес, ног, рук - в зависимости от типа передвижения вашего электронного любимца; манипуляторы, светодиоды, индикаторы, радиомодули и т.д.) и пишете программу, которую затем загружаете в микроконтроллер с помощью программатора (его запросто можно сделать самому). Языков программирования, на которых можно писать для этих целей, немало - это, естественно, Assembler, созданы средства разработки на C++, Basic, tinyFORTH - в зависимости от фирмы-производителя вашего микроконтроллера. Очень рекомендую уневирсальный програматор AutoProg.

AutoProg

Поддержка более 3000 микросхем памяти и МК.
Программное обновление - расширение списка микросхем.
Уневирсальная высококачественнаяь ZIF-панель для DIP8-DIP40.
Мощный автономный режим, энергозависимая память.
Развитое программное обеспечение, удобный итерфейс.
Модульная конструкция - простота расширения возможностей.
Высокая надёжность и скорость работы.

http://www.romservice.ru

Датчики

Датчики - тоже немаловажная часть робота. Ведь именно от них зависит, насколько хорошо будет ориентироваться робот в окружающей среде и при помощи какого количества органов чувств. У человека их пять. И чтобы восполнить недостаток интеллекта, по сравнению с человеком, робот должен обойти человека по количеству органов чувств или хотя бы догнать его по этим параметрам.

Зрение

Тут нужно определить, для чего нам нужно зрение. Если для определения расстояния до препятствий, то подойдут ИК (инфракрасные) локаторы и ультразвуковые сонары. Если для распознавания образов, то такие системы не являются надежными в настоящее время и не доступны рядовому пользователю, находясь все еще, в большинстве своем, на стадии разработки.

Осязание

В качестве датчиков осязания используются преимущественно так называемые "бамперы", которые представляют собой обычные контактные пластины, замыкающиеся при столкновении с препятствием. Их ставят по бокам на бортах робота. Они представляют собой простейшие обнаружители препятствий. Между прочим самые надёжные датчики. Никогда не подведут. Покрайне мере меня они не подводили. С ик-локаторами нужно долго мучится, чтобы они работали как часы.

Весьма удобно использовать в качестве контактных сенсоров пьезоэлементы ввиду их миниатюрности. Так, например, они установлены на лапах робота NANO, созданного любителем Hans Tappeiner из Германии, для определения наличия контакта с поверхностью. Правда, среди отечественных любительских разработок я использования пьезоэлементов не встречал, но это не значит, что так оно и есть.

Слух

В роботах, где вычислительный блок сделан на базе компьютера (ПК или ноутбука), нередко присутствует функция распознавания речи, которая реализовывается при помощи Speach Recognition Engine от "Майкрософт" (например, Albert, сделанный John'ом Cutter'ом). Недостаток роботов на базе ПК - громоздкость и высокое энергопотребление.

Емкостные датчики

Существуют достаточно простые схемы емкостных детекторов и датчиков электрического поля: Wilf Rigter's E-sensor, Rich Caudle's capaciflector. С их помощью можно организовать детектор людей, так как человек - это хороший конденсатор.

Датчики состояния робота

К данной группе относятся температурные сенсоры, датчики наклона, электронные компасы и т.д. Температурные сенсоры позволяют определять температуру робота или его окружения и реализовываются довольно просто, например, на основе терморезистора. Датчики наклона представляют собой капсулы различной формы, внутри которых находится капля ртути или металлический шарик. В зависимости от наклона в пространстве, этим шариком или каплей замыкаются разные контакты, которые имеют выводы наружу. Подобные датчики удобно использовать для того, чтобы определить, не перевернулся ли наш робот вниз головой, не пытается ли он одолеть возвышение, которое ему не под силу, не находится ли он под опасным углом наклона и, вследствие этого, не должен ли свернуть с пути. В общем, полезная деталька.

Навигационные элементы

К этой категории относятся GPS-модули, пьезогироскопы, электронные компасы. Экзотика! Хотя у буржуев используются довольно широко. Подобные устройства облегчают навигацию на местности, особенно, если робот лишен человеческого присутствия, он обретает больше самостоятельности. Но и тут есть свои минусы. Доступные модули GPS (до 500 у.е. типа GARMIN) не работают в помещении, даже в лесу проблематично увидеть нужное количество спутников. Точность (у военных систем) в пределах сантиметров, но у гражданских недорогих приемников такой точности нет.

Приводы

Это также очень важная часть устройства. Именно от того, какой привод вы поставите, зависит, насколько силен, ловок, быстр будет ваш робот. Конечно, лучше всего использовать сервоприводы, применяющиеся в дорогих моделях машин, катеров, самолетов. Одними из лучших считаются приводы фирмы Futaba. Но приобрести их можно только разве что через интернет, что уже не дешево, если вообще для наших людей возможно ввиду отсутствия доступного способа оплаты. Да и приводы эти сами по себе дороги. Поэтому отечественные роботостроители чаще всего используют детали из неисправной или устаревшей бытовой техники, в огромном количестве окружающей сейчас каждого горожанина. Превосходными источниками компонентов (не только двигателей) для роботов самых разных конструкций являются: аудиоплееры, видеомагнитофоны, персональные компьютеры и их узлы (особенно CD-ROM'ы и приводы флоппи-дисков), бытовые электромеханические часы и таймеры, калькуляторы с солнечными батареями, электромеханические игрушки и так далее. Но сервоприводы достаточно медленные, если вы хотите чтобы ваш робот ездил быстрей, то соберите свой редуктор или сделайте ремечатую передачу, а ещё лучше купите радиоуправляемый танк самый дешовый или машинку только проверьте чтобы передние колёса не поворачивали вправо и влево. Она должна розворачиваться на месте как танк.

Одним из основных "поставщиков" деталей для самодельных роботов является мировая автомобильная промышленность. Некоторая сложность, правда, состоит в том, что подавляющее большинство автомобильного оборудования рассчитано на напряжение 12В, поэтому оно используется обычно в достаточно крупных конструкциях.

Движущая часть

Чаще встречаются либо колеса, либо гусеницы(на них тратися много электропитания). Реже - лапы, но в "многоножном" варианте (пауки, тараканы и прочая живность).

Источники питания

Лучше использовать аккумуляторы, так как покупать каждый раз батарейки никаких денег не хватит. Аккумуляторы нужно ставить помощнее(3000mAh). Потому как, если ваш робот будет работать каких-нибудь 10 минут, ничего хорошего в этом не будет. Я например использую SANYO MODEL HR-3U 1.2V

Для больших габаритных роботов с мощными двигателями (например, приводы от автомобильных дворников) можно использовать связки обычных или гелевых аккумуляторов. Автомобильные стартерные батареи лучше не использовать, гелевые прослужат дольше, стартерные не рассчитаны на глубокий разряд (>20%), он сокращает срок службы и емкость.

Корпус

Корпус зачастую берут от дешевых китайских игрушек. Например, от радиоуправляемых машин (желательно джипы, т.к. их корпус самый вместительный). Или, если необходима прочность, и, кроме того, не хочется подстраиваться под количество места в готовой конструкции (а его может запросто не хватить), шасси и корпус можно сделать из дюрали, алюминия и оргстекла. Железо желательно не использовать ввиду его массы, т.к. двигатели могут такой корпус просто не потянуть. Любители, участвующие в соревнованиях боевых роботов (Dragon*Con Robot Battles, Southeastern Ant & Beetle Championship и т.д.), где корпус должен быть сверхпрочным, а на вес накладываются жесткие ограничения, используют иногда в своих целях авиационный алюминий (2024 aircraft aluminum). Но в условиях нашей действительности приходится использовать то, что есть. Например, можно в качестве шасси взять верхнюю крышку флоппи-дисковода (если тот сломался и уже не нужен), так как она выполнена из дюрали. Нижнюю крышку приспособить проблематично, т.к. в ней слишком много отверстий.

Дальше мы рассмотрим два альтернативных течения в любительском роботостроении, которые существуют, помимо обычных роботов: B.E.A.M. роботы и роботы на основе NiTinoll'а, которые представляют особый интерес в силу своей простоты. Кроме роботов этих течений, существует еще множество нестандартных конструкций. Как только не изгаляются народные умельцы, проектируя своего красавца. Одни создают колесных роботов с манипуляторами и без, другие стараются подражать природе, создавая роботов-пауков, жуков и прочих милых зверюшек, а третьи умудряются придумать совсем уж нестандартные решения, как, например, это сделал Дэвид Андерсон, создав в рамках своего хобби балансирующего робота, который ездит на двух колесах (и даже не падает;), абсолютно на том же принципе гироскопичности, что и небезызвестный чудо-самокат Seagway, который с самого начала рекламировался как революционное изобретение, по своему значению сравнимое с интернетом. Вот и верь после этого рекламе, если Д. Андерсон повторил это изобретение в своей домашней мастерской с самого нуля. А по размеру это чудо, которое, кстати, называется NBot, размером с литровую банку.

B.E.A.M. роботы

Отдельное направление составляют так называемые B.E.A.M. роботы. B.E.A.M - это сокращение от английских слов Biology, Electronics, Aesthetics and Mechanics (Биология, Электроника, Эстетика, Механика).

Биология - мир вокруг нас после миллиардов лет эволюции служит прекрасным источником идей, особенно когда в нашем распоряжении современные материалы, двигатели, электроника.

Электроника - позволяет добиться сложного поведения простыми средствами; сама схема тоже должна быть простой и понятной.

Эстетика - конструкция должна быть "красивой", причем не только с точки зрения дизайна, но и по своим конструктивным решениям.

Механика - "хитрая" конструкция может значительно упростить другие системы робота (например, уменьшить число двигателей или датчиков).

BEAM-роботы представляют сейчас целую школу в робототехнике. Концепция BEAM-роботов была предложена Марком Тилденом (Mark W. Tilden) и состоит в том, что реакция на внешние факторы должна обеспечиваться на первом этапе самой машиной, без участия какого-либо "мозга", как это происходило и в живой природе, на пути от простейших к человеку. По этому же пути должно идти совершенствование и создание более сложных систем, своего рода "робогенетика" через "робобиологию".

При создании BEAM-роботов следуют некоторым правилам: минимум электроники (что предотвращает лавинообразное усложнение конструкции, а также удешевляет ее); повторное использование компонентов от неисправной и устаревшей аппаратуры (фактически все, что нужно для создания робота, может быть найдено среди "спасенного имущества"); питание от солнечных батарей, насколько возможно (что, с одной стороны, предполагает экономичность робота, а, с другой, делает его экологичным и действительно автономным).

На практике BEAM-роботы - это и простейшая конструкция с примитивными "рефлексами" (состоящая, как правило, из солнечного элемента, конденсатора, мотора и двух транзисторов), и большой восьминогий шагающий "паук", построенный на тех же принципах.

Роботы на основе NiTinoll'а

Недостатки, присущие остальным роботам (громоздкость, необходимость в мощных двигателях), обошли стороной устройства на базе нитинола. Нитинол - это специальный сплав, обладающий "эффектом памяти" и состоящий из никеля и титана. Применяется в виде проволоки. То есть вместо двигателей можно установить эту проволоку, что экономит место, позволяя создавать совсем миниатюрных робонасекомых. Выпускается она различного диаметра, соответственно, для различной нагрузки. Во время прохождения электрического тока проволока из нитинола нагревается и укорачивается, возвращая материалу его "нерастянутое" состояние. Затем требуется противодействие (например, музыкальная струна), чтобы вернуть нитинолу его первоначальную форму. При растяжении проволоки на 3-5% нитиноловая мышца будет очень надежной и отработает десятки миллионов циклов сокращения/растяжения.

Роботы на основе этой проволоки стали очень популярны на Западе из-за своей сравнительной дешевизны и легкости в сборке. Началось с того, что была выпущена книга (James M. Conrad and Jonathan Mills), описывающая процесс сборки миниробота Stiquito, она имела в комплекте достаточное количество этой самой проволоки и прочих материалов. От читателя требовалось только купить книгу, вооружиться инструментами и - готово! Стикито - в какой-то степени особенный робот, так как он не имеет мотора, но ходит, потому что к его ногам прикреплен нитинол, так что робот передвигается совершенно бесшумно, как настоящее насекомое. Книга также включала описания конструкций других киберов, что вдохновило многих людей на конструирование своих собственных разработок. Например, в журнале LinuxFocus, который доступен в онлайне, опубликована статья Katja and Guido Socher, в которой подробно описывается весь процесс постройки робота на основе NiTinoll'а, который управляется на компьютере c OS Linux через параллельный порт. Статья доступна на русском языке по адресу www.linuxfocus.org/Russian/May2001/article205.shtml. К сожалению, нитинол можно купить только через интернет. Онлайн-магазины, торгующие нитинолом: www.memory-metalle.de, www.nitinol-europe.com, www.dynalloy.com.

И вот представляю вашему вниманию несколько сайтов, где вы для себя найдёте много полезной информации:

www.wa4dsy.net/robot - сайт создателя множества боевых (и не только) роботов, победивших на соревнованиях Southeastern Ant & Beetle Championship, DragonCon Robot Battles, The Capital Offense: an Ant and Beetle robotic combat event, Atlanta Hobby Robot Club Robot Rally. На сайте приводятся готовые схемы и софт роботов с детальным описанием.

www.robotics.com - большой сайт, посвященный робототехнике, где вы можете купить готовых роботов.

www.robotcafe.com - еще один сайт схожей тематики.

http://www.symbio.jst.go.jp/PINO - детальную информацию по концепции платформы гуманоидных роботов OpenPINO можно найти на этом сайте.

И очень кратко о микроконтроллерах.

Микроконтроллер - это микросхема, которая заключает в себе процессор, оперативную память и постоянную память. В МК есть всё необходимое для самостоятельной работы

процессор
оперативная память(ОЗУ)
постоянная память(ПЗУ)
генератор тактовой частоты
таймеры
порты ввода / вывода
последовательные интерфейсы
и т.д.

А в более крутых МК может быть аналого-цифровой преобразователь, ЦАП и многое др.
Чтобы разобраться какже работает такой маленький компьютор,как МК надо узнать, что у него внутри. А для этого советую приобрести книгу

Джона Мортона
Микроконтроллеры AVR
Вводный курс

Все микроконтроллеры построены по одной схеме. Система управления, состоящая из счётчика команд и схемы декодирования, выполняет считывание и декодирование команд из памяти программ, а операционное устройство отвечает за выполнение арифметических и логических операцмй; интерфейс ввода/вывода позволяет обмениваться данными с переферийными устройствами; и, наконец, необходимо иметь запоминающее устройство для хранения программ и данных.