Для чего роботу нужен контроллер

Технология. 9 класс. Авторский коллектив: Е. С. Глозман, Е. Н. Кулакова, Ю. Л. Хотунцев, О. А. Кожина, И. В. Воронин, В. В. Воронина, А. Е. Глозман

Мы уже довольно много знаем о роботах: имеем представление о том, как они могут быть устроены, каким образом осуществляется программное управление роботизированными устройствами. Для чего в управляемых устройствах необходим контроллер?

Какое программное обеспечение необходимо, чтобы управлять контроллером?

В предыдущих классах вы ознакомились с некоторыми электронными устройствами (светодиодами, транзисторами и т. д.), получили представление о программировании. Пришло время поработать с более сложным электронным конструктором. Теперь к контроллеру вы сами будете подключать различные компоненты (кнопки, датчики и т. д.) и составлять программы на языке программирования.

В качестве контроллера будем использовать платформу Arduino Uno, которая состоит из двух основных частей — аппаратного обеспечения (непосредственно платы Arduino, рис. 9.17) и программного обеспечения, которое запускается на компьютере.

Рис. 9.17. Плата Arduino

Основная деталь платы — это микроконтроллер, в который и будут записываться программные коды (скетчи).

Электрическое питание может быть подано на плату через USB-порт от компьютера или от источника питания. Источником питания может быть батарейка, аккумулятор или подключение в сеть через адаптер. Главное, при подключении не перепутать плюс с минусом и учесть, что подключаемый источник должен давать напряжение в диапазоне от 3 до 12 В. Провода от батареи подключаются к выводам Gnd и Vin разъёма питания. Плата может сама выбирать источник питания: если она подключена к компьютеру через USB- кабель и к разъёму питания подключён адаптер, то плата выберет адаптер.

Программное обеспечение представляет собой интегрированную среду Arduino IDE, которую можно бесплатно скачать на официальном сайте (https://www.arduino.ee/en/Main/Donate).

В операционной системе Linux запуск программы осуществляется сразу, в системе Windows может потребоваться запуск от имени администратора. Тогда правой кнопкой мыши следует открыть контекстное меню и выбрать пункт «Запуск от имени администратора» (рис. 9.18).

Рис. 9.18. Запуск программы в системе Windows

Когда программа запустится, откроется окно Arduino IDE (рис. 9.19).

Рис. 9.19. Oкнo Arduino IDE

Обратите внимание — вы ещё не подключали плату Arduino к компьютеру, а в правом нижнем углу уже присутствует надпись «Arduino Leonardo on COM4». Таким образом Arduino IDE сообщает вам, что она настроена на работу с платой Arduino Leonardo. А когда плата будет подключена, Arduino IDE будет искать Arduino Leonardo на порту COM4. И по умолчанию уже заготовлен шаблон для будущего скетча (программы — эскиз для Arduino), содержащий команды, необходимые для его работы.

Используя меню «Инструменты» → «Плата», нужно указать программе, что работа предстоит с другой платой семейства Arduino, т. е. выбрать из списка контроллер, который будет подключён к компьютеру (Arduino Uno, рис. 9.20).

Рис. 9.20. Выбор контроллера для подключения к компьютеру

Теперь плата готова к работе.

После установки Arduino IDE и выбора нужной платы можно подключить плату к компьютеру и произвести окончательные настройки. Рассмотрим процесс в операционной системе Windows.

Компьютер опознаёт подключённое устройство как плату Arduino Uno и запускает его установку (рис. 9.21).

Рис. 9.21. Плата Arduino опознана

Когда на плате загорится светодиод ON и начнут мигать светодиоды L2 и L3 (см. рис. 9.17), значит, на плату подано питание и микроконтроллер Arduino Uno начал выполнять заданную производителем программу Blink (мигание светодиодом).

Чтобы окончательно настроить плату на работу с Arduino Uno, необходимо уточнить, какой номер COM-порта присвоил компьютер Arduino Uno. Для этого в Панели управления нужно зайти в «Диспетчер устройств» Windows и открыть вкладку «Порты (СОМ и LPT)» (рис. 9.22).

Рис. 9.22. Определение номера СОM-порта

Это означает, что операционная система распознала плату Arduino как COM-порт, подобрала для неё правильный драйвер и назначила этому COM-порту номер 5. Если мы подключим к компьютеру другую плату Arduino, то операционная система назначит ей другой номер. Поэтому при работе одновременно с несколькими платами очень важно внимательно соотносить их с номерами СОМ-портов.

Теперь следует сообщить Arduino IDE, что плата, с которой ей предстоит общаться, находится на COM-порту СОМ5. Для этого необходимо перейти в меню «Инструменты» → «Порт» и выбрать порт СОМ5 (рис. 9.23).

Рис. 9.23. Выбор порта

Основные понятия и термины:

контроллер, аппаратное обеспечение, программное обеспечение, СОM-порт.

Вопросы и задания:

1. Для чего роботу нужен контроллер?

2. Зачем нужно программное обеспечение контроллеру?

3. Как настроить программу Arduino IDE для работы с конкретной платой семейства Arduino?

4. Могут ли платы Arduino оказаться на разных СОМ-портах?

5. Какое максимальное питание можно подать на плату Arduino?

Задание 1

Скачайте с официального сайта и установите программу Arduino IDE.

Задание 2

Осуществите настройки Arduino IDE соответственно имеющейся плате Arduino.

КОНТРОЛЛЕРЫ В РОБОТОТЕХНИКЕ. ПРИМЕРЫ. ОПТИМИЗАЦИЯ

СРАВНЕНИЕ СТАНДАРТНОГО И ПОЛЬЗОВАТЕЛЬСКОГО АЛГОРИТМОВ УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ………………….

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ……………….

Компьютер выполняет ваши команды, но не способен читать ваши мысли.

Робот – это электромеханическое, пневматическое, гидравлическое устройство, программа, либо их комбинация, работающая без участия человека и выполняющие действия, обычно осуществляемые человеком.

Другими словами робот – это автоматическое устройство, имитирующее движения и действия человека.

Робот построен по компьютерной технологии, сознание робота — это вычислительная машина, с которой информация может быть считана и перенесена на отдельный носитель. Робот не лечится, а ремонтируется путем ввода соответствующих диагностических программ.

У робота отсутствует ассоциативное мышление. У него отсутствует любопытство – есть лишь программа по накоплению информации, которая ему необходима. Робот все понимает умом, душевные качества ему не присущи – все-таки он не имеет души.

Существует 3 правила робототехники, которые сформулировал в 1942 году автор научно-фантастических произведений Айзек Азимов в своем рассказе Хоровод:

Робот не может повредить человеку или, бездействуя, допустить, чтобы человеку был нанесен вред.

Робот должен подчиняться приказам, которые дает ему человек за исключением случаев, когда такие приказы противоречат первому правилу

Робот должен защищать свое существование до тех пор эта защита не противоречит первому или второму правилу [1].

СТРУКТУРА КОНТРОЛЛЕРА

Микроконтроллер, или контроллер (МК, controller) — это микросхема для управления электронными устройствами. По сути, контроллер является мозгом робота, который получает информацию из внешнего мира с помощью сенсоров и передает управляющие сигналы в актуаторы.

Микроконтроллер с точки зрения схемотехники представляет собой однокристальный компьютер, в состав которого входит процессор, ОЗУ, ПЗУ и интерфейсы периферийных устройств. Существует множество различных микроконтроллеров, различающихся по типу процессора, объему и типу памяти, составу периферийных интерфейсов, и т.п. К наиболее распространенной периферии МК можно отнести:

цифровые и аналоговые порты ввода/вывода (GPIO);

интерфейсы ввода-вывода, такие как UART, I²C, SPI, CAN, USB, IEEE 1394, Ethernet;

широтно-импульсные модуляторы (PWM);

массивы встроенной флеш-памяти.

Широкое распространение получили семейства микроконтроллеров ARM, AVR и PIC, которые применяются в промышленных системах управления, станках с ЧПУ, в современных бытовых устройствах и различных гаджетах [2].

ПРИМЕРЫ КОНТРОЛЛЕРОВ

Рисунок 1. — Вычислительная платформа Arduino

На микроконтроллерах AVR (реже ARM) основана популярная аппаратная вычислительная платформа Arduino (рис.1). Это устройство представляет собой плату с микроконтроллером Atmel ATmega, всей необходимой для него обвязкой, регулятором напряжения и USB-UART мостом. Все выводы платформы выведены на края платы, и как правило уже оборудованы разъемами.

Основные модели Arduino имеют в своем составе 8-битный микропроцессор ATmega. Как правило, для большинства проектов использующих Arduino, такого слабого процессора вполне хватает. Имеется и версия на основе 32-разрядного ARM Cortex M3 (ATMEL SAM3U), но пока она не получила достаточного распространения среди энтузиастов [3].

Наиболее популярная версия Arduino Uno базируется на микроконтроллере ATmega328. Имеет 15 GPIO портов, включая 6 ШИМ. Микроконтроллер снабжен 32Кб Flash-памяти и 2Кб RAM. Тактовая частота процессора 16МГц.

Для программирования Arduino не требуется внешний программатор, так как в микроконтроллер уже зашит загрузчик (boot loader). Кроме того, на плате размещается USB-UART мост (рис.2), который позволяет загружать скетчи при помощи обычного USB интерфейса [3].

Рисунок 2. — USB-UART мост

Как уже упоминалось, на плате Arduino, помимо самого микроконтроллера, размещается USB-UART мост и понижающий регулятор напряжения. Насколько усложнится работа с платформой, если убрать эти элементы?

Активисты из сообщества Shrimping It задались этим вопросом, и разработали минималистическую версию Arduino, назвав её The Shrimp.

Состоит Shrimp из микроконтроллера ATmega328 (или 168), минимальной обвязки из нескольких конденсаторов, кварцевого резонатора, диода и резистора. Чтобы микроконтроллер смог принимать скетчи Arduino, его необходимо прошить загрузчиком, либо оригинальным, либо аналогом типа OptiLoader [3].

Чтобы залить скетч через USB, потребуется внешний USB-UART. Такое устройство можно приобрести на ebay за 3-4$. Имея внешний мост можно программировать множество Shrimp-ов.

Нехватка ресурсов Arduino привела к созданию таких же простых в использовании на более мощных платформ для разработки электронных устройств. Одной из таких продвинутых в техническом плане платформ является Maple

(текущая ревизия r5), базирующаяся на 32-битном микроконтроллере STM32F103RB с архитектурой ARM Cortex M3 (рис.3).

Рисунок 3. — Платформа Maple

Тактовая частота использованного микроконтроллера STM32 составляет 72МГц. Maple имеет на своем борту 120Кб Flash памяти и 20Кб SRAM. Для GPIO используются аж 43 вывода, из которых 15 с поддержкой 16-битной ШИМ. Из периферии есть: 15 12-битных аналоговых выходов, 4 таймера, 2 I2C, 2 SPI и 3 USART. А еще имеется встроенная система заряда LiPo батарей.

Облегченная модель Maple Mini имеет ядро с такой же тактовой частотой и памятью, и отличия заключаются только в количестве выводов. Ведется разработка флагманской Maple Native II, которая будет иметь еще больше выводов чем стандартный Maple и больший объем памяти (512 Flash и 64SRAM) [3].

Рисунок 3. — Платформа mbed

Как и Maple, платформа mbed не так популярна как семейство Arduino (рис.4). Однако, в основе mbed лежит более мощный микроконтроллер NXP LPC1768 с архитектурой ARM Cortex M3. Процессор работает на частоте 96МГц и снабжен 512Кб Flash-памяти и 32Кб RAM.

В официальном репозитории имеется большая коллекция различных библиотек на все случаи жизни. Программирование контроллера осуществляется путем копирования скомпилированного бинарного файла на флеш контроллера и перезагрузка устройства специальной кнопкой в центре платы. Сами же программы составляются с помощью весьма удобного on-line компилятора [3].

СРАВНЕНИЕ СТАНДАРТНОГО И ПОЛЬЗОВАТЕЛЬСКОГО АЛГОРИТМОВ УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ

Применение контроллеров управления движением в виде интегральных схем (ИС) со встроенным набором специализированных функций обеспечивает простоту использования и быстрый выход на рынок для стандартных приложений. При необходимости получения нестандартного, настраиваемого профиля, а также при сложной координации между различными осями, возникающей при обработке уникальных нестандартных ситуаций, разработчики могут использовать программируемые контроллеры. Необходимые вычислительные ресурсы при этом обеспечиваются за счет применения в качестве контроллеров цифровых сигнальных процессоров (ЦСП) или программируемых логических интегральных схем (ПЛИС). На выбор конкретного типа контроллера, помимо его аппаратного обеспечения, влияет также наличие поставщиков, программно-аппаратных средств сторонних производителей и доступность готовых программных модулей [4].

Необходимо отметить, что в контроллерах управления, как правило, отсутствует функция непосредственного управления двигателями (драйверы МОП-транзисторов и БСИТ), что обусловлено двумя причинами. Во-первых, силовые драйверы должны соответствовать типу электродвигателя независимо от выбранного контроллера. Во-вторых, технологические процессы, основанные на комплементарных структурах «металл-оксид-полупроводник», которые используются в цифровых контроллерах для получения высокой плотности элементов, значительно отличаются от техпроцессов изготовления силовых полупроводниковых (п/п) приборов. Однако для управления электродвигателями малой мощности возможна интеграция контроллера с драйверами и силовыми п/п-приборами. Несмотря на фундаментальные различия, термин «контроллер» часто ассоциируется с функциональными блоками устройств силовой электроники, что приводит к путанице при поиске по ключевым словам.

Верхнюю часть линейки контроллеров управления роботизированными системами занимают устройства с расширенным набором функций, например, семейство микроконтроллеров (МК) C2000 компании Texas Instruments. C2000 представляет собой набор устройств с различными комбинациями базовых функций, вычислительных ресурсов, типов и количества портов ввода-вывода и встроенных аппаратных функций – таймеров, сторожевых таймеров и генераторов импульсов с ШИМ. Например, МК TMS320 Delfino серии C2000 (Рис. 5). Он содержит встроенный модуль для вычислений с плавающей запятой, что позволяет устранить проблемы, возникающие при обработке чисел с фиксированной запятой, а также поддерживает перенос программного кода между устройствами с фиксированной и плавающей запятой посредством виртуального модуля IQMath. Это устраняет необходимость в использовании второго процессора с одним или двумя ядрами, который способен эффективно выполнять как математические задачи цифровой обработки сигналов, так и задачи управления системой. В состав TMS320 также входит модуль вычисления тригонометрических функций (TMU), который ускоряет работу алгоритмов, типичных для контуров управления, например, вычисление крутящего момента [4].

Разработка приложений для данного процессора обеспечивается программно-аппратными средствами, например, отладочной платой LAUNCHXL-F28377S C2000 Delfino LaunchPad, базирующейся на 32-разрядном ядре процессора TMS320C28x. LaunchPad оснащен МК F28377S, который обеспечивает суммарно 400 млн операций в секунду (MIPS) посредством 200-мегагерцевого центрального процессора C28x и 200-мегагерцевого сопроцессора управления реального времени.

Рисунок 5. — МК TMS320 Delfino серии C2000 производства компании Texas Instruments.

МК содержит 1 Мбайт встроенной памяти программ и широкий набор периферийных устройств, к которым относятся 16- и 12-разрядные АЦП, компараторы, 12-разрядные ЦАП, фильтры с дельта-сигма-модуляцией, генераторы ШИМ с высоким разрешением, усовершенствованные модули захвата, импульсные квадратурные датчики положения, модули CAN и прочее. Отладочная плата LaunchPad содержит встроенный изолированный эмулятор JTAG XDS100 v2, который позволяет осуществлять посредством порта USB программирование и отладку МК в составе системы в режиме реального времени. Комплект LaunchPad включает в себя также два 40-контактных разъема для подключения одновременно двух плат расширения BoosterPack и бесплатное свободно распространяемое программное обеспечение Code Composer Studio (CCS), интегрированную среду разработки IDE и программные модули controlSUITE [4].

Диапазон контроллеров управления движением для робототехнических систем варьируется от простых узкоспециализированных ИС до МК с высокой степенью интеграции, гибкой архитектурой и большим набором дополнительных функций и программных модулей. Несмотря на то, что фиксированный набор встроенных функций узкоспециализированных контроллеров выглядит как фактор, ограничивающий возможности их применения, некоторые из этих устройств позволяют пользователю выбирать различные профили движения и устанавливать критические параметры. Узкоспециализированные контроллеры адекватны уровню сложности решаемых задач, имеют малую стоимость и просты в использовании.

Для сложных проектов с уникальными нестандартными требованиями, а также для более высоких уровней взаимодействия модулей и управления системой эффективным решением являются программируемые МК, поддерживаемые наличием интегрированной среды разработки программ, готовых программных модулей, средств отладки и пакетов программ для аттестационного тестирования.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

Накано Э. Введение в робототехнику: Пер. с япон. — М.: Мир, 1988. — 334 с.

Основы устройств управления роботами: определение, классификация и примеры

В данной статье мы рассмотрим устройства управления роботами, их классификацию, основные свойства, преимущества и недостатки, а также будущие тенденции развития этой технологии.

Основы устройств управления роботами: определение, классификация и примеры обновлено: 28 ноября, 2023 автором: Научные Статьи.Ру

Помощь в написании работы

Введение

Робототехника – это область науки и технологии, которая изучает создание и управление роботами. Роботы играют все более важную роль в нашей жизни, выполняя различные задачи, от промышленного производства до медицинских операций. Однако, чтобы роботы могли функционировать и выполнять задачи, им необходимо иметь устройства управления. В данной статье мы рассмотрим определение и свойства устройств управления роботов, а также примеры их применения. Также мы рассмотрим преимущества и недостатки различных типов устройств управления и рассмотрим тенденции их развития.

Нужна помощь в написании работы?

Мы — биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Наша система гарантирует сдачу работы к сроку без плагиата. Правки вносим бесплатно.

Определение устройств управления роботов

Устройства управления роботов – это специальные компоненты или системы, которые позволяют человеку контролировать и управлять действиями робота. Они представляют собой интерфейс между оператором и роботом, обеспечивая передачу команд и инструкций для выполнения различных задач.

Устройства управления роботов могут быть различными по своей природе и функциональности. Они могут включать в себя физические элементы, такие как джойстики, кнопки, переключатели, сенсорные панели и дисплеи, а также программное обеспечение, такое как специальные программы и алгоритмы для управления роботом.

Основная цель устройств управления роботов – обеспечить удобный и эффективный способ взаимодействия оператора с роботом. Они должны быть интуитивно понятными и легкими в использовании, чтобы оператор мог быстро и точно передавать команды роботу.

Устройства управления роботов также могут иметь различные режимы работы, которые позволяют оператору выбирать наиболее подходящий способ управления в зависимости от конкретной задачи или ситуации. Например, устройства управления могут иметь автоматический режим, в котором робот выполняет задачи самостоятельно, или ручной режим, в котором оператор полностью контролирует движения робота.

Классификация устройств управления роботов

Устройства управления роботов можно классифицировать по различным критериям. Рассмотрим основные классификации:

По способу передачи команд

В зависимости от способа передачи команд роботу, устройства управления могут быть:

• Проводные: такие устройства подключаются к роботу с помощью проводов или кабелей. Они передают команды посредством электрических сигналов или сигналов световых волн.
• Беспроводные: такие устройства передают команды роботу без использования проводов. Они могут использовать радиоволны, инфракрасные сигналы или другие беспроводные технологии для передачи данных.

По типу интерфейса

В зависимости от типа интерфейса, устройства управления могут быть:

• Физические: такие устройства представляют собой физические объекты, которые оператор может держать в руках или использовать для взаимодействия с роботом. Примерами могут быть джойстики, пульты дистанционного управления, манипуляторы и т.д.
• Виртуальные: такие устройства представляют собой программные интерфейсы, которые позволяют оператору управлять роботом с помощью компьютера или мобильного устройства. Примерами могут быть приложения для смартфонов, программы для компьютеров и т.д.

По степени автономности

В зависимости от степени автономности, устройства управления могут быть:

• Полностью ручные: такие устройства требуют постоянного участия оператора для передачи команд роботу. Оператор контролирует каждое движение робота и принимает все решения.
• Автоматические: такие устройства позволяют роботу выполнять задачи самостоятельно, без участия оператора. Они могут быть программированы заранее или использовать алгоритмы и датчики для принятия решений.
• Полуавтоматические: такие устройства комбинируют ручное и автоматическое управление. Оператор может устанавливать некоторые параметры или задавать общие цели, а робот самостоятельно выполняет задачи в рамках этих параметров.

Это лишь некоторые примеры классификации устройств управления роботов. В реальности, классификация может быть более сложной и включать другие критерии, в зависимости от конкретных потребностей и характеристик робота.

Примеры устройств управления роботов

Джойстик

Джойстик – это устройство управления, которое состоит из ручки и осей, позволяющих пользователю управлять движением робота. Джойстик может быть использован для управления роботом в реальном времени, позволяя оператору изменять направление и скорость движения.

Клавиатура

Клавиатура – это устройство ввода, которое позволяет пользователю управлять роботом, нажимая клавиши на клавиатуре. Клавиатура может быть использована для управления роботом с помощью команд, задаваемых через текстовый интерфейс.

Геймпад

Геймпад – это устройство управления, которое обычно используется для игровых консолей, но также может быть использовано для управления роботом. Геймпад имеет кнопки и джойстики, которые позволяют пользователю управлять движением и выполнением различных действий робота.

Голосовое управление

Голосовое управление – это технология, которая позволяет пользователю управлять роботом с помощью голосовых команд. Робот распознает и интерпретирует команды, произнесенные пользователем, и выполняет соответствующие действия.

Сенсорные экраны

Сенсорные экраны – это устройства управления, которые позволяют пользователю взаимодействовать с роботом, касаясь и проводя пальцем по экрану. Сенсорные экраны могут использоваться для управления движением робота, выбора определенных функций или ввода данных.

Мышь

Мышь – это устройство управления, которое позволяет пользователю перемещать указатель по экрану и выполнять различные действия. Мышь может быть использована для управления роботом, перемещая указатель по интерфейсу и выбирая нужные команды.

Это лишь некоторые примеры устройств управления роботами. В зависимости от конкретных потребностей и характеристик робота, могут быть использованы и другие устройства управления.

Основные свойства устройств управления роботов

Эргономика

Устройства управления роботами должны быть эргономичными, то есть удобными и удобными для использования. Они должны быть спроектированы таким образом, чтобы пользователь мог легко и комфортно управлять роботом без излишних усилий или дискомфорта.

Точность

Устройства управления роботами должны обеспечивать высокую точность управления. Это особенно важно для роботов, которые выполняют сложные и точные операции, такие как хирургические роботы или роботы для сборки микроэлектроники. Устройства управления должны быть способными передавать точные команды роботу, чтобы он мог выполнять задачи с высокой степенью точности.

Надежность

Устройства управления роботами должны быть надежными и долговечными. Они должны быть способными выдерживать интенсивное использование и работать без сбоев или поломок. Надежность устройств управления особенно важна в критических ситуациях, где неполадка в устройстве управления может привести к серьезным последствиям.

Гибкость

Устройства управления роботами должны быть гибкими и адаптивными. Они должны быть способными поддерживать различные режимы управления и настраиваться под конкретные потребности и предпочтения пользователя. Гибкость устройств управления позволяет пользователям выбирать наиболее удобный и эффективный способ управления роботом.

Интерфейс

Устройства управления роботами должны иметь понятный и интуитивно понятный интерфейс. Они должны быть спроектированы таким образом, чтобы пользователи могли легко понять, как использовать устройство и как передавать команды роботу. Интерфейс устройств управления должен быть простым и понятным, чтобы пользователи могли быстро освоить его и эффективно использовать для управления роботом.

Это основные свойства устройств управления роботами, которые обеспечивают эффективное и удобное управление роботами. При выборе устройства управления для конкретного робота необходимо учитывать эти свойства и выбирать такое устройство, которое наилучшим образом соответствует требованиям и потребностям пользователя.

Преимущества и недостатки различных типов устройств управления роботов

Клавиатура и мышь

• Широко распространены и доступны для большинства пользователей.
• Интуитивно понятны и просты в использовании.
• Позволяют точное и детальное управление роботом.

• Ограниченные возможности для управления в трехмерном пространстве.
• Неудобны для управления роботами, требующими быстрых и точных движений.

Джойстик

• Позволяют более точное и быстрое управление роботом по сравнению с клавиатурой и мышью.
• Имеют дополнительные кнопки и рычаги для расширения функциональности.
• Удобны для управления роботами, требующими быстрых и точных движений.

• Могут быть сложными в использовании для непрофессионалов.
• Неудобны для управления роботами, требующими сложных манипуляций.

Голосовое управление

• Интуитивно понятны и просты в использовании.
• Позволяют управлять роботом без необходимости использования рук.
• Могут быть полезными для людей с ограниченными физическими возможностями.

• Могут быть проблемы с распознаванием команд в шумных или многоголосных средах.
• Ограниченные возможности для точного и детального управления роботом.

Сенсорные экраны

• Интуитивно понятны и просты в использовании.
• Позволяют точное и детальное управление роботом.
• Могут быть использованы для отображения дополнительной информации о состоянии робота.

• Неудобны для управления роботами, требующими быстрых и точных движений.
• Могут быть проблемы с точностью нажатия на экране.

При выборе устройства управления роботом необходимо учитывать его особенности и требования к управлению. Каждый тип устройства имеет свои преимущества и недостатки, и выбор должен быть основан на конкретных потребностях и предпочтениях пользователя.

Тенденции развития устройств управления роботов

В современном мире робототехника активно развивается, и вместе с ней развиваются и устройства управления роботами. Вот несколько тенденций, которые можно наблюдать в этой области:

Интеграция с мобильными устройствами

С развитием смартфонов и планшетов все больше устройств управления роботами становятся совместимыми с мобильными платформами. Это позволяет пользователям управлять роботами с помощью своих смартфонов или планшетов, что делает процесс управления более удобным и доступным.

Использование голосового управления

Голосовое управление становится все более популярным в различных сферах жизни, и робототехника не исключение. Устройства управления роботами с поддержкой голосового управления позволяют пользователям командовать роботами голосом, что делает процесс управления еще более естественным и удобным.

Развитие технологий виртуальной и дополненной реальности

Технологии виртуальной и дополненной реальности также находят свое применение в устройствах управления роботами. С их помощью пользователи могут видеть и контролировать роботов в виртуальном или дополненном окружении, что открывает новые возможности для взаимодействия с роботами.

Развитие технологий нейроинтерфейса

Технологии нейроинтерфейса, позволяющие управлять устройствами с помощью мыслей, также находят свое применение в устройствах управления роботами. Это открывает новые возможности для людей с ограниченными физическими возможностями, позволяя им управлять роботами силой своих мыслей.

В целом, тенденции развития устройств управления роботами направлены на улучшение удобства, доступности и эффективности процесса управления. Благодаря этому роботы становятся все более доступными и полезными в различных сферах жизни.

Таблица устройств управления роботами

Тип устройства	Описание	Примеры	Преимущества	Недостатки
Джойстик	Устройство в форме ручки с кнопками и рычагами, позволяющее управлять движением робота	Игровой контроллер	Интуитивное управление, возможность точного контроля	Ограниченная функциональность, требует обучения
Клавиатура	Устройство с набором клавиш, позволяющее управлять роботом с помощью нажатий клавиш	Компьютерная клавиатура	Простота использования, широкая поддержка	Ограниченные возможности управления, неудобство при точном контроле
Гироскоп	Устройство, использующее изменение угла наклона для управления роботом	Мобильный телефон с гироскопом	Естественное управление, компактность	Ограниченная точность, требует калибровки
Голосовое управление	Технология, позволяющая управлять роботом с помощью голосовых команд	Умный домашний ассистент	Удобство использования, возможность мультитаскинга	Ограниченная точность распознавания, зависимость от шумового окружения

Заключение

В данной лекции мы рассмотрели устройства управления роботами и их основные свойства. Устройства управления роботами могут быть различными по своей природе и функциональности. Они играют важную роль в обеспечении эффективной работы роботов и достижении поставленных целей. Каждый тип устройства управления имеет свои преимущества и недостатки, и выбор конкретного устройства зависит от требований и задач, которые необходимо решить. С развитием технологий и появлением новых инноваций, устройства управления роботами становятся все более совершенными и удобными в использовании. В будущем можно ожидать еще большего развития и усовершенствования устройств управления роботами.

Основы устройств управления роботами: определение, классификация и примеры обновлено: 28 ноября, 2023 автором: Научные Статьи.Ру

Для чего роботу нужен контроллер

§ 25. Робототехника. Системы автоматического управления

Во все времена люди пытались представить себе будущее. Писатели-фантасты рассказывали об удивительных городах, машинах, летательных аппаратах и роботах. Подумайте, что такое робот. Что он может делать? Как использование роботов может изменить жизнь людей? Что представляет себе человек, когда звучит слово «робот»?

В современном мире использование роботов стало обыденным явлением. По квартирам ползают роботы-пылесосы. На автомобилях и самолётах автопилоты-роботы ведут управление по круиз-контролю. Готовят пищу роботы-хлебопечки и роботы-мультиварки.

Что такое робот? Какие роботы бывают? Как ими управлять и как создать робота самому? В какой момент наши добрые помощники – пылесос, автомобиль, кофеварка – так поумнели, что превратились из просто агрегатов в наших интеллектуальных друзей? Чем отличается робот от неробота?

Рассмотрим в качестве примера обычную радиоуправляемую машинку (рис. 1). Она не является роботом, так как сможет поехать вперёд-назад и в сторону только после того, как на пульте нажмут рычажок в нужную сторону. Хотя команды движения и приходят на машинку по радиоканалу, но машинка не анализирует ситуацию и не принимает никаких решений.

Рис. 1. Радиоуправляемая машинка

Если рассмотреть управляемый с подобного пульта и тоже по радио каналу квадрокоптер, то его можно считать полноценным роботом (рис. 2). Это связано с тем, что на борту квадрокоптера стоит специальное устройство – чип-микропроцессор , в нём по заранее разработанной и за груженной в запоминающее устройство программе идёт анализ полученных команд, учитывается направление и скорость ветра, появление препятствия, рассчитываются изменения скорости вращения моторов.

Рис. 2. Радиоуправляемый квадрокоптер

Подумаем, когда становится роботом пылесос. Обычный включённый пылесос (рис. 3, а) будет долго шуметь, стоя на одном месте, если его никто никуда не передвинет. Но робот-пылесос в виде таблетки (рис. 3, б) сам передвигается от одной стены комнаты до другой, причём таким образом, что проходит над каждым участком пола не более чем 2 – 3 раза. Как это он делает? Откуда робот-пылесос берёт координаты и как запоминает свой путь?

Рис.3. Пылесос: а — обыкновенный; б — робот-пылесос

Оказывается, что, как и в случае с квадрокоптером, в роботе-пылесосе есть специальные датчики. Они установлены на колёсах, и они называются энкодерами. Эти датчики собирают информацию о движении пылесоса относительно препятствий в комнате. Полученная таким образом информация обрабатывается специальным устройством – центральным процессором пылесоса, в который заложена программа анализа передвижения пылесоса. Робот ползёт и как будто мысленно «закрашивает» часть комнаты, где он уже побывал, а далее, уперевшись в стенку и развернувшись, он прокладывает маршрут по ещё «не закрашенному» пути. И так продолжается до тех пор, пока он не «закрасит» своим следом все свободное пространство либо пока не кончится заряд батареи на его борту.

Итак, робот (чеш. robot, от robota – «подневольный труд») – это такое устройство, которое способно действовать по заложенной в него программе. Слово « робот » было придумано чешским писателем Карелом Чапеком и его братом Йозефом и впервые использовано в пьесе Чапека « Р. У. Р .» («Россумские универсальные роботы», 1920).

Вот как сам Карел Чапек это описывает: – «…в один прекрасный день … автору пришёл в голову сюжет … пьесы. И пока железо было горячо, он прибежал с новой идеей к своему брату Йозефу, художнику, который в это время стоял у мольберта… Автор изложил сюжет так коротко, как только мог…

– „Но я не знаю, – сказал автор, – как мне этих искусственных рабочих назвать. Я бы назвал их лаборжи [по-видимому, от английского слова labour – работники, трудящиеся, рабочая сила ], но мне кажется, что это слишком книжно“.

– „Так назови их роботами “, – пробормотал художник, … продолжая грунтовать холст …».

В ранних русских переводах использовалось слово « работарь ».

Назначения роботов могут быть самыми разнообразными, от увеселительных и прикладных и до сугубо производственных. Внешний вид роботов также может быть каким угодно, хотя нередко в конструкциях узлов заимствуют элементы анатомии различных живых существ, подходящие для выполняемой задачи.

Настоящий робот – это машина, которую можно обучить, т. е. подобно компьютеру запрограммировать (задать ему набор действий, которые он должен выполнять) делать разнообразные виды движений, реагировать на изменения в окружающем мире и выполнять множество видов работ и заданий.

Все роботы можно разделить на две большие группы:

• стационарные роботы на фундаменте, которые обычно используются в промышленности, на линиях сборки и сварки кузовных деталей автомобилей;

• мобильные роботы, которые могут перемещаться и выполнять работу везде, куда смогут добраться.

Мобильные роботы различаются по способу передвижения: есть передвигающиеся на колёсах или гусеницах, шагающие, плавающие и летающие.

Роботы могут выполнять различные функции.

Промышленные роботы – это, как правило, мощные роботы-манипуляторы, установленные на неподвижном фундаменте, они способны выполнять действия в радиусе, равном длине их «руки». На конвейере их ставят несколько в ряд, и каждый выполняет определённые операции (рис. 4).

Рис. 4. Сборочная линия с промышленными роботами

Медицинские роботы используются для выполнения хирургических операций, при этом применяются системы дистанционного слежения (рис. 5).

Рис. 5. Использование медицинских роботов в хирургии

К медицинским роботам относятся экзоскелеты, которые помогают людям передвигаться (рис. 6).

Рис. 6. Люди, использующие экзоскелеты

Роботы могут быть использованы в качестве протезов рук. Управлять электронными мышцами возможно уже сейчас, снимая датчиками сигналы с мышц человеческого тела. Наука, занимающаяся подобными проблемами, называется бионика.

Сельскохозяйственные роботы используются в растениеводстве и животноводстве (рис. 7). Они помогают кормить животных, удобрять и поливать растения, возделывать почву.

Рис. 7. Роботы, используемые в растениеводстве

Подводные роботы используются в морском деле для проведения аварийно-спасательных работ и различных исследований на дне моря (рис. 8).

Рис. 8. Подводный робот

Работа таких роботов осложняется тем, что ими невозможно управлять дистанционно, по радиоканалу. Радиоволны очень плохо распространяются в водной среде, поэтому таких автономных роботов надо заранее тщательно программировать, чтобы они смогли выполнить поставленную задачу и вернуться на базу самостоятельно.

Первым космическим роботом можно считать луноход, отправленный на Луну ещё во времена СССР — в далёком 1970 году (рис. 9)

Рис. 9. Советский луноход

В 2011 году американцами к Марсу был направлен робот «Кьюриосити» (рис. 10), название которого переводится на русский язык как «любознательность». Для него была разработана специальная платформа на реактивных двигателях, которая, подлетев к поверхности Марса, «зависла» над ней, и марсоход очень бережно на лебёдке сам спустился с неё на поверхность.

Рис. 10. Американский марсоход «Кьюриосити»

Робот был отправлен и к комете Чурюмова — Герасименко. Он проводил исследования поверхности в точке высадки, брал пробы грунта и анализировал их прямо на месте, передавая на Землю в цифровом виде данные о составе почвы и поверхности, на которой он работал.

Сервисные роботы помогают нам в повседневной жизни. К ним, например, относится робот-пылесос. В местах большого скопления людей используют роботы телеприсутствия (рис. 11), которые помогают сориентироваться, подсказывают, куда сейчас стоит сходить, и отвечают на вопросы посетителей.

Рис. 11. Робот телеприсутствия

В школе такие роботы телеприсутствия помогут ребятам, которые не пришли в школу, почувствовать себя в коллективе, побродить на переменке по коридорам, пообщаться с друзьями, получить задания на дом или пойти с одноклассниками в музей (рис. 12).

Рис. 12. Робот в музее

Самым известным шагающим сервисным роботом является японский робот Асимо (рис. 13). Такие роботы уже используются в некоторых кафе как разносчики заказанной еды.

Рис. 13. Японский робот Асимо

К сервисным роботам можно отнести систему круиз-контроля в автомобилях. Причём если раньше такие системы только поддерживали определённую скорость при движении по трассе, то сейчас появились значительно более умные системы круиз-контроля, которые определяют ещё и расстояние до идущего впереди автомобиля и позволяют двигаться со скоростью, задаваемой лидером в колонне.

В роботе, как и в любом компьютере, есть центральный процессор (чип), постоянная память и оперативная память. Центральный процессор – это «мозг» компьютера, устройство для обработки информации. Постоянная память, или постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) , используется для хранения неизменяемых данных в компьютере. Она способна хранить данные даже тогда, когда нет энергопитания компьютера. Оперативная память, или оперативное запоминающее устройство (ОЗУ ), – это та часть компьютерной памяти, в которой во время работы компьютера хранится выполняемая программа и все данные, обрабатываемые процессором. ОЗУ – это энергозависимая часть компьютерной памяти.

Программу в робот загружают. Способы загрузки бывают разные, например с помощью специального устройства – программатора – или по радиоканалу. Загрузка программы в постоянную память устройства ещё называется прошивкой устройства.

Когда робот выключен, загруженная в него программа хранится в ПЗУ. Как только на робот подаётся питание, процессор отправляет программу из постоянной в оперативную память и запускает выполнение программы.

Таким образом, роботом называют такое устройство, которое можно запрограммировать на выполнение каких-то действий.

Роботом можно считать современный гугл-автомобиль , на который уже установлен бортовой вычислительный комплекс и активный круиз-контроль. Такой автомобиль может не только сохранять постоянную скорость на трассе, но и оставлять неизменным расстояние до впереди идущего автомобиля и реагировать в автоматическом режиме на внезапно появляющееся препятствие.

Теперь мы можем определить, чем же отличаются роботы от простых механических устройств или радиоуправляемых игрушек. Итак, в роботах должно быть устройство, которое позволит ему «думать» и каким-то образом «общаться» с человеком. Такое устройство, которое используется для управления в электронике и вычислительной технике, получило название «контроллер». Контроллер – это микросхема, внутри которой находится настоящий компьютер (рис. 14). В контроллере есть всё, что необходимо для самостоятельной работы: процессор, оперативная и постоянная память, порты ввода и вывода, таймеры, многое другое.

Рис. 14. Контроллер

Во все планшеты, телефоны и другие гаджеты встроены контроллеры. Контроллеры отличаются друг от друга размерами, мощностью (которая определяет, какое количество операций может выполняться), рабочей частотой (скоростью выполнения операций).

Главная часть любого контроллера – микропроцессор.

Рис. 15. Микропроцессоры

Это арифметико-логическое устройство, которое производит арифметические и логические операции с двоичными числами (об этом мы будем говорить, когда станем рассматривать команды, которые понимают роботы).

Электроника в робототехнике

Приведите примеры электронных устройств, которыми вы пользуетесь в школе и дома. Как вы думаете, нужна ли для их работы электрическая энергия? Обоснуйте свой ответ.

Рассмотрим самую главную часть любого робота – контроллер.

В качестве индикаторного устройства в современных устройствах часто применяются светодиоды. Светодиод – это электронный прибор, который начинает светиться при прохождении через него электрического тока. Светодиод излучает свет, когда ток протекает от анода, который обозначен знаком «+» (это длинный вывод светодиода), к катоду, который обозначен знаком «–» (короткий вывод). Светодиод обязательно нужно подключать к источнику питания с соблюдением полярности, т. е. «+» светодиода – к «+» источника тока, а «–» светодиода – к «–» источника тока. Раньше светодиоды выпускали только красного и зелёного цветов, затем придумали, как изготавливать светодиоды жёлтого цвета. Но только когда японец Судзи Накамура изобрёл синий светодиод, стало возможно добиться свечения любым цветом.

Основной частью контроллера является микропроцессор . Приставка микро, как вы знаете, означает «маленький».

Рис. 16. Принципиальная схема простейшего процессора

Сейчас процессор такой маленький, что даже в керамическом корпусе имеет размер, сравнимый с размером рисового зёрнышка, несмотря на то, что он состоит из огромного количества электронных компонентов. Принципиальная схема простейшего процессора имеет приблизительно такой вид, как показано на рисунке 16, а он умещается на кончике пальца (рис. 17).

Рис. 17. Микропроцессор и рисовое зернышко

Но процессоры не всегда были маленьких размеров.

Раньше вычислительные машины, выполняющие такие же операции, как микропроцессор, были огромного размера и занимали целый зал (рис. 18).

Рис. 18. Вычислительная машина второй половины XX в.

Основные понятия и термины:

роботы: стационарные, мобильные, промышленные, медицинские, подводные, сельскохозяйственные, космические, сервисные, шагающие, круиз-контроль; микропроцессор, постоянная память, оперативная память, контроллер.

? Вопросы и задания

1. Объясните, чем робот отличается от неробота. Верно ли, что радиоуправляемые игрушки – это настоящие роботы?

2. Какое устройство управляет всеми действиями робота? Для чего нужно большое количество разнообразных контроллеров?

3. Какую систему классификации вы можете предложить для роботов?

4. Каких роботов целесообразно использовать для работы на конвейере автомобильного предприятия (шагающих, стационарных, мобильных)?

5. Какими должны быть подводные роботы: программно управляемыми (автономными) или дистанционно управляемыми? Почему?

6. Что можно считать первым космическим роботом? Какие ещё космические роботы вам известны?

Придумайте и нарисуйте собственного робота. Дайте роботу имя, придумайте, что он будет делать, какие команды он сможет выполнять.

Выберите один из типов роботов и подготовьте доклад о таких роботах.