Adam Bouřa, Karel Setnička

Katedra mikroelektroniky, Elektrotechnická fakulta, České vysoké učení technické v Praze, Technická 2, Praha 6, 166 27, Česká republika

V roce 2016 byla na katedře mikroelektroniky, fakulty elektrotechnické Českého vysokého učení technického v Praze obhájena bakalářská práce na téma „Bezdrátová řídicí jednotka s Bluetooth modulem“. V této práci bylo zajímavým způsobem využito vybavení, které je dostupné u firmy Conrad a které nám tato firma částečně zdarma poskytla. Bakalářská práce, kterou vypracoval student Karel Setnička, získala cenu děkana za vynikající bakalářskou práci.

Cílem práce bylo navrhnout bezdrátovou řídicí jednotku, která by umožnila ovládat zařízení pomocí Bluetooth modulu a chytrého telefonu. Dále bylo cílem práce vybavit rameno moderními senzory a řídicí elektronikou tak, aby umožnila přesné polohování ramene a určení jeho aktuální polohy.  

Robotické rameno Velleman KSR10 je běžně dostupné jako stavebnice a neobsahuje žádné senzory ani řídicí elektroniku. Rameno je řízeno pouze manuálně jednoduchým ovladačem, který přepíná polaritu napájecího napětí na jednotlivé motory. Maximální možné výchylky v jednotlivých osách jsou ošetřeny tak, že při dorazu se začne motor v plastových převodech protáčet, a ty se tím po čase mohou opotřebovat. Po osazení senzory byl tento problém ošetřen v řídicím programu a navíc to nově umožnilo rameno přesně polohovat do dané pozice. Senzory i řídicí elektronika byly na rameno připevněny bez nutnosti větších zásahů do mechanické konstrukce (pouze vrtání pro připevnění modulů pomocí šroubků).

Rameno, které je složené ze tří kloubů, je umístěno na otočném podstavci. Koncový bod je osazen kleštinami a svítilnou (LED). Pro snímání koncové polohy ramene byly použity 3 akcelerometry a jeden rotační enkodér. K ošetření síly stisku byl použit tlakový senzor na vnitřní straně kleštin. Jako koncový doraz při rozevírání kleštin byl použit mikrospínač na jejich vnější straně (Obrázek 1).

Obrázek 1: Popis robotického ramene

Pro určení aktuální polohy ramene jsou potřeba znát úhly náklonu v jednotlivých kloubech (α, β, γ) a délky příslušných úseků ramene (a, b, c). Informaci o absolutním úhlu náklonu vůči zemi (α’, β‘, γ‘) jednotlivých článků ramene poskytují moduly s akcelerometrem (například Arexx JM3-3DA). Relativní úhly jednotlivých částí ramene vůči sobě lze snadno dopočítat a programově ošetřit tak, aby nedocházelo k jejich přetáčení mimo povolený rozsah (obrázek 2). Použité akcelerometry jsou tříosé. Pro měření úhlu náklonu však stačí vyhodnotit pouze osy dvě, protože rameno se vždy naklání jen ve vertikální rovině, a zrychlení ve třetí ose akcelerometru je tak nulové. Úhel otočení ramene je snímán rotačním enkodérem uvnitř otočné podstavy ramene.

Obrázek 2: Princip určení koncového bodu ramene

Řídicí elektronika byla navržena na desku plošných spojů, která je rozměrově kompatibilní s velikostí podstavy a je umístěna nad prostor, který byl určen pro baterie. Napájení celého zařízení je nově odebíráno z USB konektoru, takže prostor pro baterie zůstal prázdný a do budoucna jej bude možné využít pro integraci další elektroniky. Přímo na desce s elektronikou je umístěn Bluetooth modul BLE s tím, že na externí svorky je možno připojit klasický BT modulu (například Bluetooth modul ARX-BT3)

Pro vývoj řídicí aplikace bylo použito vývojové prostředí Android Studio a aplikace byla naprogramována v jazyce Java. Aplikace je rozvržena na tři záložky (obrázek 3). Na první záložce probíhá vyhledání zařízení Bluetooth a vybráním zařízení ze seznamu dojde k připojení. Druhá záložka obsahuje veškeré ovládací prvky. Pro každý motor jsou vyhrazena 2 tlačítka. Jediný motor, který vyžaduje speciální řízení, je pohon kleštin. K tlačítku pro sevření patří ještě posuvník, kterým je možné zvolit sílu stisku. Poslední ovládací prvek je přepínač pro rozsvícení (zhasnutí) LED. Dále je na této záložce zmenšený graf s aktuální pozicí ramene, která je přesněji zobrazena na záložce třetí. Všechny výpočty pro zobrazení grafů probíhají až v této mobilní aplikaci, avšak vycházejí z dat, která byla zaslána BT modulem z robotického ramene.

Obrázek 3: Ovládací aplikace pro chytrý telefon

Rameno bylo testováno na přesnost určení polohy, která byla v závislosti na poloze ramene lepší než 2 mm. Do budoucna se uvažuje o vylepšení způsobu řízení tak, aby se daly pohyby ramene definovaně řídit po vybrané trajektorii. To však zvyšuje nároky na výpočetní výkon řídicího obvodu ramene. Pro tento účel tedy bude využita výkonnější jednotka XDK 110 Bosch Connected Devices and Solutions GmbH

Autor

Vše pro školy a vzdělání

Napsat komentář