Версия 00:14, 16 октября 2011

Лабораторный стенд "Робот-сортировщик"

В настоящее время наблюдается начало широкого внедрения роботов в различных областях не только производственной, но и повседневной деятельности человека. На это указывает множество примеров, начиная от имеющихся в продаже моделей роботов-пылесосов, роботов для мытья окон и заканчивая опытными образцами робота для уборки кухни ^[1] и человекоподобного робота-слуги, который планируется вывести в продажу для домашнего применения к 2015 году ^[2].

Учитывая эту тенденцию, в ближайшее десятилетие можно ожидать достаточно быстрое развитие в области робототехники, подогреваемое потребительским спросом. Поэтому уже сейчас при подготовке специалистов в области управления в технических системах важно уделять существенное внимание различным аспектам этих технологий, а также проводить соответствующие научные исследования.

С этой целью на был разработан лабораторный стенд «Робот-сортировщик»^[3], который позволяет проводить исследования и учебные занятия по следующим темам:

• разработка программного обеспечения для систем компьютерного зрения;
• использование компьютерного зрения для сортировки объектов на основе различных критериев;
• изучение основ визуального сервоуправления;
• разработка новых методов визуального сервоуправления;
• особенности разработки программного обеспечения робототехнических систем.

Текущая реализация

Робот-сортировщик (общий вид)

Робот-сортировщик (рабочее поле)

Робот–сортировщик представляет собой систему в виде манипулятора с магнитным захватом, перемещаемым по вертикальной оси. Сам манипулятор может свободно перемещаться по площади 30 на 40 см с помощью шаговых двигателей, металлических направляющих и ременной передачи. Посредством манипулятора, робот может захватывать металлические объекты и перемещать их в целевые области, сортируя их по внешним признакам. Распознавание этих признаков осуществляется с помощью видеокамеры, расположенной над полем сортировки.

Интеллектуальная составляющая робота распределяется между микроконтроллером и управляющим компьютером, при этом основная ее часть возлагается на управляющий компьютер, к которому, в частности, подключается видеокамера. Для получения картинки на стенде используется веб-камера, подключаемая к компьютеру по USB.

Шаговый двигатель EM-141

В качестве устройств, отвечающих за передвижения манипулятора, было решено использовать шаговые двигатели из-за удобства позиционирования с помощью них. В нашем случае, чтобы уменьшить затраты на изготовление стенда, использовались 4 шаговых двигателя EM-142 и EM-141 от старых принтеров Epson LX1050.

Магнитный манипулятор

Для того чтобы робот-сортировщик мог переносить детали с одного места на другое, нужно было реализовать вертикальное перемещение манипулятора. В качестве вертикально движущейся части был выбран автомобильный активатор дверей Saturn MS-2. При разработке манипулятора в качестве захватывающего устройства используется электромагнит. Это представляется наиболее подходящим решением для данного стенда на начальной стадии в силу простоты реализации.

Блок управления силовыми механизмами

Контроллер Carduino Nano v4

Все схемы управления силовыми механизмами были собраны на одной плате с нужными разъемами и радиатором, формируя блок управления силовыми механизмами.

В качестве управляющего контроллера был выбран контроллер семейства Arduino (Carduino Nano v4). Он имеет открытую архитектуру, а также свободно распространяемую среду разработку. Для цифрового ввода/вывода используется 14 контактов, шесть из которых могут быть использованы для вывода сигналов ШИМ. Также имеется шесть аналоговых входов при наличии АЦП на 10 разрядов.

Задачи, которые ставятся перед контроллером, - это, в основном, задачи, связанные с управлением исполнительными механизмами и взаимодействием с датчиками. Все логические операции по перемещению манипулятора и обработке изображения, осуществляет компьютер, к которому подключается контроллер.

Режим работы

Робот-сортировщик выполняет поиск и сортировку объектов по тому или иному критерию. Например, это может быть просто поиск объектов определенного цвета, а может быть сортировка объектов по их размерам.

Основной блок в составе цикла функционирования выглядит, в общих чертах, следующим образом.

1. С помощью веб-камеры формируется снимок площадки с объектами в виде растрового изображения, которое сохраняется в оперативной памяти.
2. На полученном изображении отыскивается очередной объект.
3. Определяется принадлежность объекта к той или иной категории объектов согласно заданному признаку (например, цвету, форме или размеру).
4. Осуществляется перемещение манипулятора к объекту. После перемещения манипулятор располагается точно над объектом. Перемещение может осуществляться как на основе вычисления необходимого количества шагов для управляющих двигателей, так и на основе корректировки положения манипулятора по видеоизображению.
5. Выполняется захват объекта манипулятором путем опускания магнитного захвата и включения электромагнита.
6. Происходит перемещение манипулятора, удерживающего объект, к месту выгрузки объекта. Объекты, обладающие различными значениями признака (например, имеющие разные цвета), выгружаются в разные места, специально отведенные для того или иного значения признака. Тем самым, выполняется сортировка объектов по заданному признаку.

1. ↑ Уборщик ReadyBot зачищает кухню от следов трапезы
2. ↑ Робот-слуга Romeo на прилавках магазинов до 2015 года
3. ↑ Еремеев И.М., Кавалеров М.В. Создание лабораторного стенда "Робот-сортировщик" // Системы мониторинга и управления: сб. науч. тр. / Перм. гос. техн. ун-т. – Пермь, 2011