SVEUČILIŠTE U ZAGREBU

FAKULTET STROJARSTVA I BRODOGRADNJE

ZAVRŠNI RAD

Hrvoje Brezak

Zagreb, 2014.

SVEUČILIŠTE U ZAGREBU

FAKULTET STROJARSTVA I BRODOGRADNJE

ZAVRŠNI RAD

Voditelj rada: Student:Prof.dr.sc. Željko Šitum Hrvoje Brezak

Zagreb, 2014.

Fakultet strojarstva i brodogradnje

Pod moralnom i krivičnom odgovornošću izjavljujem da sam ovaj radizradio samostalno koristeći znanja i vještine stečene tijekom studija te na-vedenu literaturu.

Ovim putem zahvaljujem se svome mentoru, prof.dr.sc. Željku Šitumu naradu i trudu uloženom u pokretanje ovog projekta i osiguravanju potrebnihsredstava. Zahvaljujem i na meni osobno pružanoj podršci, potpori i savje-tima tijekom izrade ovog projekta i pisanja ovog rada.

Isto tako zahvaljujem se kolegama na projektu, Dominiku Sremiću, Ve-dranu Tataloviću te Viktoru Mandiću na njihovom vremenu i radu, podršcii predanosti ovom projektu.

Takoder se zahvaljujem firmi FESTO Hrvatska na njihovoj potpori i do-naciji pneumatskih dijelova bez kojih ovaj projekt ne bi bio ostvariv.

Konačano, zahvaljujem se majci Zlatici, ocu Ivici, sestri Kristini, bratuTomislavu, djevojci Marini, prijateljima i kolegama na moralnoj podršci tije-kom cijelog dosadašnjeg studija pa tako i tijekom izrade ovog završnog rada.

Hrvoje Brezak

Hrvoje Brezak i

Fakultet strojarstva i brodogradnje

Sažetak

Mobilna robotika je inženjerska grana koja se bavi projektiranjem, iz-radom i upravljanjem pokretnih robota te kao takva predstavlja spoj me-haničkog, elektroničkog i programerskog inženjerstva te je jedno od najkom-pleksnijih i najzanimljivijih inženjerskih područja.

Ovaj rad opisuje proces projektiranja i izrade četveronožnog hodajućegrobota pokretanog umjetnim pneumatskim mǐsićima te postignute rezultate.Prvo poglavlje općeniti je uvod u robotiku te robotske sustave. Drugo po-glavlje daje pregled mobilnih robota s naglaskom na pneumatske robotskesustave. Treće poglevlje bavi se procesom izrade konstrukcije robota odpočetnog koncepta do fizičke realizacije. Četvrto poglavlje prikazuje pne-umatski pogon kao korǐsteni energetski sustav robota te daje opis korǐstenihkomponenti i način rada. Peto poglavlje opisuje izradu i način rada elek-troničkog sustava za pokretanje robota. U šestom poglavlju opisani su pos-tignuti rezultati dok sedmo poglavlje sadrži kratak pregled daljnjeg rada naovom projektu.

Ključne riječi: mobilni robot, hodajući robot, pneumatski robot, pneuma-tika, pneumatski mǐsić.

Hrvoje Brezak ii

Fakultet strojarstva i brodogradnje

Summary

Mobile robotics is a branch of engineering researching designing, cons-truction and control of mobile robots and as such represents a combinationof mechanical, electrical and program engineering. It is one of the most com-plex and most interesting engineering field today.

This paper describes the process of designing and building of a four-leggedwalking robot driven by pneumatic artificial muscles and presents the finalresults. First chapter serves as an introduction to the field of robotics androbots in general. Second chapter gives a general overview of mobile robotswith emphasis on pneumatic robots. In third chapter the process of designingand making of the body of the robot is described. Fourth chapter describesthe pneumatic system of the robot and its components. Fifth chapter isabout electrical system of the robot and its components. Final results ofthe works are shown in chapter six and in chapter seven a brief overview offuture work is given.

Keywords: mobile robot, walking robot, pneumatic robot, pneumatics, pne-umatic artificial muscle.

Hrvoje Brezak iii

Fakultet strojarstva i brodogradnje SADRŽAJ

Sadržaj

1 Uvod 1

2 Mobilni roboti 42.1 Pneumatski mobilni roboti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

3 Konstrukcija robota 73.1 Početni koncept i modifikacije . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73.2 Konstrukcija noge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83.3 Modifikacije . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

4 Energetski sustav robota 104.1 Pneumatski mǐsić kao aktuator . . . . . . . . . . . . . . . . . 104.2 Komponente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134.3 Opis rada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

5 Upravljanje robota 175.1 Elektroničke komponente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175.2 Tiskana pločica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185.3 Programski kod . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

6 Rezultati 226.1 Proces izrade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226.2 Poteškoće u radu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236.3 Izradeni robot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

7 Budući planovi 25

A Prilog 27

Hrvoje Brezak iv

Fakultet strojarstva i brodogradnje POPIS SLIKA

Popis slika

1 Primjeri industrijskog i mobilnog robota . . . . . . . . . . . . 32 Kopneni robot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 Zračni robot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 Vodeni robot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 Svemirski robot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 Hodajući pneumatski robot Lucy . . . . . . . . . . . . . . . . 67 Pneupard, trčeći pneumatski robot . . . . . . . . . . . . . . . 68 Početni koncept robota . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 Model noge robota . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 810 Model konačne izvedbe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 911 Pneumatski mǐsić tvrtke FESTO . . . . . . . . . . . . . . . . 1012 Rubbertuator pneumatski mǐsić . . . . . . . . . . . . . . . . . 1113 McKibbenov pneumatski mǐsić . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1214 ROMAC pneumatski mǐsić . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1215 Yarlottov pneumatski mǐsić . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1216 Akumulator zraka . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1417 Ventilski blok . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1418 Pripremna grupa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1419 Prigušno-nepovratni ventil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1420 Pneumatska shema za jedan aktuator . . . . . . . . . . . . . . 1621 Nacrti pločice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1822 Izradena pločica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1923 Proces izrade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2224 Pneumatski robot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2425 Pneumatski robot - pogled odozgo . . . . . . . . . . . . . . . . 24

Hrvoje Brezak v

Fakultet strojarstva i brodogradnje

1 Uvod

Robotika je široka grana inženjerske znanosti koja se bavi dizajniranjem,konstrukcijom te primjenama robota u znanosti, industriji i svakodnevnomživotu. Objedinjava velik broj znanstvenih disciplina sa njihovim specifičnimprimjenama:

• strojarstvo - dizajniranje i izvedba mehaničke kosntrukcije robota, pri-jenos gibanja,

• energetika - izvor energije sustava (električni, pneumatski, hidraulički),

• elektronika - elektronički sklopovi, senzori, mikrokontroleri

• računalstvo - programiranje, obrada slike i zvuka, digitalno upravljanjei regulacija,

• automatika - automatizacija proizvodnih sustava,

• umjetna inteligencija - donošenje odluka, inteligentno ponašanje

• medicina - biorobotika, biomehanika.

Roboti se mogu definirati kao reprogramabilni multifunkcionalni mani-pulatori, stvoreni da rukuju stvarima, dijelovima, alatima ili specijalnimuredajima, kroz niz različitih programiranih pokreta, u cilju izvodenja raz-nolikih zadataka. Svaki robot sastoji se od četiri funkcionalne cjeline:

• mehanički sustav - konstrukcijski dijelovi robota, segmenti, uležǐstenja,prijenosnici gibanja,

• energetski sustav - izvor energije za pokretanje robota, može biti elek-trični, pneumatski, hidraulički,

• mjerni sustav - skup senzora pomoću kojih robot očitavanja svoje unu-tarnje stanje te prima informacije o okolini u kojoj se nalazi,

• upravljački sustav - mozak robota, izvršava program pohranjen u me-moriji, obraduje podatke primljene sa senzora, komunicira s drugimjedinicama.

Hrvoje Brezak 1

Fakultet strojarstva i brodogradnje

Razvoj robotike kao industrijske grane u zadnjih pola stoljeća bio je stre-lovit. U današnje vrijeme nagli razvoj predvida se u području mobilne ro-botike te pogotovo u području humanoidne te uslužne mobilne robotike gdjese očekuje spajanje robota i ljudske svakodnevice. Unatoč naglom razvojurazlikujemo tri generacije robota:

1. generacija - upravljani roboti, automati bez povratne veze i regulacijekoji zahjevaju visoko organiziranu radnu okolinu i precizno definiranzadatak,

2. generacija - roboti s regulacijom po povratnoj vezi izlazne veličine. Spo-sobni za donošenje jednostavnih predprogramiranih logičkih odluka,

3. generacija - roboti koji će biti sposobni donositi vlastite odluke na temeljudostupnih informacija, inteligentni roboti.

Današnji roboti mogu se podijeliti prema stupnju samostalnosti na industrij-ske robote i mobilne robote.

Industrijska robotika bavi se automatski upravljanim i reprogramljivimvǐsenamjenskim manipulatorima koji se programiraju u tri ili vǐse osi. Krećuse u skupu diskretnih lokacija unutar radnog prostora. Ovisno o zadatku onimogu biti:

• manipulatori - namjenjeni izvršavanju složenih operacija s radnim objek-tima. Robot hvata objekt pomoću hvataljke koja se nalazi za krajuzadnjeg segmenta robota. Hvataljka je zamjenjiva i njen izbor ovisi ovrsti zadatka te obliku objekta kojim operira manipulator,

• operacijski roboti - izvršavaju specifične zadatke koji zahtjevaju spe-cijalni alat poput zavarivanja ili bojenja. Takoder, eksperimentalnuprimjenu imaju u medicini gdje bi u budućnosti mogli precizno izvoditisložene operacijske zahvate na pacijentima sami ili kao alat doktora,

• roboti za montažu - namjenjeni upotrebi u serijskoj proizvodnji zaizvršavanje operacija sklapanja proizvoda,

• roboti za kontrolu i mjerenje - koriste se za kontrolu kvalitete dijelovai gotovih proizvoda, česti u indstrijama kod kojih su greške nedopus-tive zbog ugrožavanja ljudskih života poput automobilske. Ovisno ozadatku mogu precizno mjeriti dimenzije radnih komada ili ispitivatinjihovu mikrostrukturu te izdržljivost.

Hrvoje Brezak 2

Fakultet strojarstva i brodogradnje

Nagli razvoj i usavršavanje industrijskih robota nastao je zbog brojnihprednosti uvodenja robota u proizvodne procese: zamjena ljudi u zadacimakoji su opasni po zdravlje i život, zamjena monotonog posla, visoka preciz-nost, brzina i kvaliteta, neograničeno radno vrijeme.

Slika 1: Primjeri industrijskog i mobilnog robota

Mobilna robotika, kojoj pripada i predmet ovog rada je vǐsedisciplinarnopodručje tehnike koje se bavi razvojem i izvedbom autonomnih mobilnihrobota koji su detaljnije opisani u idućem poglavlju.

Hrvoje Brezak 3

Fakultet strojarstva i brodogradnje

2 Mobilni roboti

Mobilni roboti su pokretni i manipulativni fizički sustavi sposobni za auto-nomno gibanje kroz zadani prostor ostvarajući pritom interakciju s okolinom.Upravo zbog svoje pokretljivosti mobilni roboti imaju sve veću primjenu uistraživanju na i izvan našeg planeta, u industriji, uslužnim djelatnostima isvakodnevnom životu. Danas je mobilna robotika vrlo aktivno područje ipredmet je brojnih istraživanja te inovacija.

Mobilne robote moguće je klasificirati po nizu kriterija. Najčešća je premavrsti prijenosnog medija gdje razlikujemo kopnene, zračne, vodene i svemirskerobote:

Kopneni roboti najraširenija su vrsta mobilnih robota te su nama kao kop-nenim bićima najintuitivniji za konstruiranje i upravljanje. Upotreb-ljavaju se za širok spektar radnji od vojnih primjena (razminiravanje)do uslužnih djelatnosti i osiguranja objekata.

Zračni roboti koriste različite aktuatore da bi postigli mogućnost letenja ilebdenja u zraku. Raširena im je upotreba u vojne svrhe no mogu sekoristiti za nadgledanje nekog područja, procjenu šteta na usjevima ililociranje žrtava prirodnih i drugih katastrofa.

Vodeni roboti namjenjeni su kretanju u kapljevinama. Intenzivno se ko-riste u istraživanju podmorja, arheoloških nalazǐsta, inspekciji stanjapodmorskih objekata i trupa brodova.

Svemirski roboti namjenjeni su istraživanju drugih svemirskih tijela. Zbogvrlo visokih zahtjeva za robusnošću, izdržljivošću i pouzdanosti u raduu ekstremnim uvjetima oni predstavljaju vrhunac razvoja moderne mo-bilne robotike.

S obzirom na lokomocijski mehanizam razlikujemo robote na kotače, gu-sjenice, noge, puzajuće mehanizme, itd. Prema namjeni razlikujemo uslužne,istraživačke, edukacijske, vojne robote, robote za rad te robote opće namjene.

Hrvoje Brezak 4

Fakultet strojarstva i brodogradnje

Slika 2: Kopneni robot Slika 3: Zračni robot

Slika 4: Vodeni robot Slika 5: Svemirski robot

Hrvoje Brezak 5

Fakultet strojarstva i brodogradnje 2.1 Pneumatski mobilni roboti

2.1 Pneumatski mobilni roboti

Pneumatski mobilni roboti nisu česta pojava u robotici. Razloga za to jevǐse. Pneumatski sustav ne može raditi potpuno autonomno jer uvijek zah-tjeva dovod komprimiranog zraka za što je potreban električni kompresor kojiusto nije zanemarivih dimenzija. Da bi se sustav mogao nositi s promjenamau zahtjevima za zrakom obično je potreban akumulator zraka koji opet nijezanemarivih dimenzija i mase.Ipak, pnumatski sustavi imaju i svojih prednosti. Medu ostalim tu su dostup-nost medija, lak prijenos snage, mogućnost kompenzacije nedostataka kva-litetnim upravljačkim algoritmima, visoka brzina rada, lako održavanje tesigurnost u radu. Pošto je zrak kompresibilan sustav nije krut što smanjujeopasnost od loma dijelova. Razvojem novih komponenti poput pneumatskihmǐsića moguće je adekvatno zamjeniti komponente veće mase i dimenzija po-put cilindara u sustavu.

Slika 6: Hodajući pneumat-ski robot Lucy

Slika 7: Pneupard, trčeći pne-umatski robot

Hrvoje Brezak 6

Fakultet strojarstva i brodogradnje

3 Konstrukcija robota

Faza projekta koja je zahtijevala najvǐse vremena te kreativnog razmǐsljanjazasigurno je konstrukcijska faza. Za svaki projekt faza planiranja od velike jevažnosti jer kvalitetna priprema dugoročno daje bolje rezultate i kvalitetnijuorganizaciju rada. Tijekom planiranja konstrukcije predlagani su i razma-trani brojni prijedlozi i konstrukcijska rješenja no ipak brojne modifikacijemorale su biti uvedene tijekom same izrade kao posljedica novostečenog is-kustva.

3.1 Početni koncept i modifikacije

Kao podloga za početak rada na projektu hodajućeg robota pokretanogumjetnim pneumatskim mǐsićima nazvanom W.R.A.P.A.M. (Walking RobotActuated by Pneumatic Artificial Muscles) poslužio je završni rad kolege Ve-drana Tatalovića ”Konstrukcija hodajućeg robota pokretanog penumatskimmǐsićima” u kojemu autor detaljno razraduje koncept ovakvog hodajućeg ro-bota kroz nekoliko varijanti te proučava način gibanja ovakvog robota. Tamoopisana konstrukcija preuzeta je kao početni koncept za izradu robota

Slika 8: Početni koncept robota

Hrvoje Brezak 7

Fakultet strojarstva i brodogradnje 3.2 Konstrukcija noge

3.2 Konstrukcija noge

Za hodajućeg robota koncept noge je vrlo bitan. Noga je element koji pre-uzima na sebe težinu konstrukcije a njen dizajn diktira način gibanja. Dizajnnoge raden je s ciljem da je pokreću dva pneumatska mǐsića pri čemu se ste-zanjem jednog dobiva odgurivanje robota a stezanjem drugog dizanje nogekoje omogućava povratno gibanje. Kod ljudi i općenito u prirodi mǐsići udovadolaze u paru gdje jedan vrši glavno gibanje a drugi suprotno, povratno. Zatakvu izvedbu našeg robota bilo bi potrebno 16 mǐsića što je dvostruko vǐseod broja koji smo imali, stoga smo morali smisliti drugo rješenje za povratnogibanje nogu. Početna pretpostavka je bila da će se noga vraćati u početnipoložaj uz pomoć gravitacije i težine konstrukcije no eksperimentalno to ni-smo uspjeli postići, noge se ne bi vraćale brzinom dostatnom za izvodenjehodanja. Rješenje tog problema našli smo u torzionim oprugama smještenimna koljenima robota. Ove opruge djeluju suprotno od mǐsića za odgurivanjete njihovo djelovanje rezultira brzim povratom noge nakon odgurivanja štoomogućava gibanje.

Slika 9: Model noge robota

Hrvoje Brezak 8

Fakultet strojarstva i brodogradnje 3.3 Modifikacije

3.3 Modifikacije

U fazi planiranja, a u znatnoj mjeri i u samoj fazi izrade konstrukcije uve-dene su brojne promjene i optimizacije u skladu sa dostupnim financijskimi tehničkim mogućnostima te dostupnim dijelovima. Prelazi se na odguriva-nje nogama kao način kretanja prema naprijed i sukladno tome redizajnirase noga robota. Zatim se zbog praktičnosti i dostupnosti te povoljnih svoj-stava prelazi na manje i kvadratne aluminijske profile kao glavni strukturnielement. Hvatǐste noge smiješta se na donji dio konstrukcije a većina kom-ponenti na gornju plohu robota. Za povezivanje aluminijskih profila koristese kutne spojnice te M3 i M4 vijci. Odabiru se matice sa gumom protivotpuštanja koje omogućuju preciznije pritezanje te osiguranje prilikom uda-raca i vibracija robota u radu.

Slika 10: Model konačne izvedbe

Hrvoje Brezak 9

Fakultet strojarstva i brodogradnje

4 Energetski sustav robota

Za pogon hodajućeg robota odabran je pneumatski pogon koji iz već navede-nih razloga nije česti izbor kod mobilnih robota. Ipak, naš izbor se temeljiona želji za izradu hodajućeg robota u skladu s prirodom kao glavnom inspira-cijom, a to omogućavaju pneumatski mǐsići koji mogu vjernije od električnihaktuatora simulirati način na koji se gibaju četveronožna živa bića.

4.1 Pneumatski mǐsić kao aktuator

Umjetni pneumatski mǐsići služe kao sve popularniji pneumatski aktuatori.Porast popularnosti posljedica je niza odličnih svojstava poput vrlo malemase koja omogućuje montiranje izravno na konstrukciju koju pogone, spo-sobnost prijenosa jednake količine energije kao znatno teži i složeniji pne-umatski cilindri pri radu na istom tlaku s istim volumenom, lako održavanjete dugi vijek trajanja te jednostavna zamjena. Umjetni pneumatski mǐsićistezljivi su pneumatski aktuatori linearnog gibanja pokretani pritiskom zraka.Ključan element mǐsića je tanka i fleksibilna membrana učvršćena na obakraja mǐsića koja ovisno o izvedbi može biti izradena od silikonske gume,lateksa, najlonskih vlaka, itd. Dovodenjem zraka pod tlakom u mǐsić mem-brana se puni i širi radijalno istovremeno se stežući aksijalno pri čemu nastajevučna sila na krajevima mǐsića. Sila i gibanje koji nastaju kao posljedica ste-zanja mǐsića linearni su i jednosmjerni. Pneumatski mǐsići u industriji nalaze

Slika 11: Pneumatski mǐsić tvrtke FESTO

primjenu na mjestima gdje je potrebna mala masa aktuatora te izravno spa-janje na pokretani dio, no takoder sve vǐse zamjenjuju druge pneumatskeaktuatore zbog svojih povoljnih svojstva za rad u pogonu poput otpornostina vlagu, prašinu, vibracije i nečistoće. Najčešće se koriste u procesima sor-tiranja i manipulacije predmetima kao i pri dizanju i spuštanju tereta. Velikpotencijal imaju i za primjenu u robotici, poglavito u bioničkim sustavimagdje mogu služiti za simuliranje pokreta i gibanja inspiriranih biološkim sus-

Hrvoje Brezak 10

Fakultet strojarstva i brodogradnje 4.1 Pneumatski mǐsić kao aktuator

tavima. Pneumatski mǐsići u paru mogu simulirati ponašanje mǐsića u udo-vima živih bića pa je moguća primjena u rehabilitaciji i oporavku od ozlijedamǐsića kod ljudi kao i u izradi ortopedskih pomagala.

Postoji vǐse vrsta izvedbi pneumatskih mǐsića od kojih svi rade na sličnimprincipima a razlikuju se po obliku, materijalu i radnim tlakovima. Najpo-pularnija izvedba jest McKibbenov mǐsić zbog svoje jednostavnosti i niskecijene. Razlikujemo još ROMAC (RObotic Muscle ACtuator) pneumatskimǐsić, Rubbertuator pneumatski mǐsić s uzdužnom armaturom, Kukoljevpneumatski mǐsić, Yarllotov pneumatski mǐsić i druge.

Slika 12: Rubbertuator pneumatski mǐsić

Hrvoje Brezak 11

Fakultet strojarstva i brodogradnje 4.1 Pneumatski mǐsić kao aktuator

Slika 13: McKibbenov pne-umatski mǐsić

Slika 14: ROMAC pneumatskimǐsić

Slika 15: Yarlottov pneumatski mǐsić

Hrvoje Brezak 12

Fakultet strojarstva i brodogradnje 4.2 Komponente

4.2 Komponente

Sve komponente pogonskog sustava donirane su od strane tvrtke FESTOHrvatska.

Spremnik zraka Kao spremnik zraka odabran je model CRZVS-5 sprem-nik koji ima kapacitet od 5 litara zraka komprimiranog u rasponu od0 do maksimalnih 15 bara. Spremnik ima dva bočna otvora koji sekoriste za dovod zraka iz kompresora te odvod zraka prema mǐsićima.Donji otvor spremnika služi za ispust kondenzata nastalog tokom rada.Spremnik od svih komponenti ima najveću masu te stoga zauzima cen-tralno mjesto na robotu.

Pneumatski mǐsić Za aktuatorski element odabrani su pneumatski mǐsićiDMSP-20-100N RM-CM tvrtke FESTO. Radni tlak ovog mǐsića je od 0do 5 bara pri čemu njegova membrana promjera 20 mm može ostvaritivučne sile do 1500 N. Mǐsić radi vrlo dobro na tlakovima nižim odmaksimalnog što je važno za produljenje vremena autonomije robota.

Ventilski blok Odabran je MPAL-VI ventilski blok koji se sastoji od 8on-off elektromagnetskih ventila upravljivih putem mikroprocesora iliračunala. Povezivanje s računalom ili mikrokontrolerom omogućavaDB9 konektor. Komunikacija izmedu računala i ventilskog bloka jeserijska.

Prigušno-nepovratni ventil Model GR-QS-6 prigušno nepovratnog ven-tila služi za kontrolu protoka zraka. Smanjenjem protoka zraka sma-njuje se i brzina punjenja mǐsića te se sprječavaju naglo punjenje iudarci koje ono uzrokuje. Svaki mǐsić ima zaseban prigušno nepovratniventil koji se namješta ručno.

Filter i regulator tlaka Ova dva elementa spojena su u LFR-1/4-D-MINI-KC pripremnom uredaju. Filter zraka uklanja čestice prašine i nečistoćaiz stlačenog zraka prije njegovog ulaska u ventilski blok. Regulator tlakasluži za ograničavanje tlaka s tlaka spremnika na 3 bara za rad mǐsićačime s usporava praženje zraka iz spremnika i produljuje vrijeme radarobota.

Kompresor Zamǐsljen je kao glavni dovod zraka u spremnik dok je robot uradu čime bi se produljilo vrijeme autonomije. Zahtjeva napajanje od24 V.

Hrvoje Brezak 13

Fakultet strojarstva i brodogradnje 4.2 Komponente

Cijevi i utični spojevi Za povezivanje dijelova pneumatskog sustava korǐstenesu PUN-6XI-BL savitljive pneumatske cijevi te pneumatski utični spo-jevi.

Slika 16: Akumulator zrakaSlika 17: Ventilski blok

Slika 18: Pripremna grupaSlika 19: Prigušno-nepovratniventil

Hrvoje Brezak 14

Fakultet strojarstva i brodogradnje 4.3 Opis rada

4.3 Opis rada

Spremnik stlačenog zraka pozicioniran je na robotu te spojen na kompresorza punjenje napajan preko baterije. Tokom eksperimentalog rada uočeno jeda nabavljeni kompresor ne može postići željen početni tlak unutar spremnikaod 12 bara te da isto tako nema dovoljno snage da bi značajno produljio vri-jeme rada robota. Stoga se spremnik početno puni na tlak od 12 bara pomoćuvanjskog kompresora veće snage a tijekom rada nadopunjava kompresoromsmještenim na konstrukciji. Sam spremnik je preko kugličnog ventila i cijevispojen na filtar zraka i regulator tlaka kojim se ograničava tlak spremnikana radni tlak mǐsića. Kuglični ventil služi za hitni prekid rada zatvaranjemdovoda zraka iz spremnika. Regulator tlaka je pomoću vodova izravno spojenna ventilski blok. Ventilskim blokom upravlja se preko serijske veze s mikro-kontrolerom koji u memoriji sadrži upravljački kod. Uključivanjem pojedinogventila zrak se propušta prema pripadnom mǐsiću kroz prigušno nepovratniventil. Prigušni ventil odreduje brzinu stezanja mǐsića. Konačno, ulaskomzraka u mǐsić on se steže te ostvaruje silu povlačenja koje omogućuje giba-nje robota. Svaka noga ima gornji i donji mǐsić. Stezanjem donjeg mǐsićapripadna noga odguruje se prema naprijed dok stezanje gornjeg mǐsića diženogu od površine da bi se omogućilo povratno gibanje.

Hrvoje Brezak 15

Fakultet strojarstva i brodogradnje 4.3 Opis rada

Slika 20: Pneumatska shema za jedan aktuator

Hrvoje Brezak 16

Fakultet strojarstva i brodogradnje

5 Upravljanje robota

Cilj početne faze ovog projekta bila je konstruirati pneumatski mobilni ro-bot koji može autonomno izvesti pravocrtno gibanje. Robotom se upravljapomoću programa u mikrokontroleru, bez povratnih veza. U sklopu pro-jekta dizajnirana je i izradena elektronička upravljačka pločica pomoću kojese ventilski blok te kompresor spajaju na mikroprocesor koji njima upravlja.

5.1 Elektroničke komponente

Mikrokontroler Odabran je model AVR 328P tvrtke ATMEL. Napaja se izbaterije koja se nalazi na robotu a programira se pomoću AVR ISP (In-System Programmer) kontrolera spojenog na računalo pomoću serijskeveze. Mikrokontroler upravlja s osam on-off ventila ventilskog blokapreko DB9 konektora putem RS232 serijske komunikacije.

Upravljanje ventilima Za upravljanje ventilima potreban je ULN2803Aintegrirani čip koji sadrži osam Darlington parova tranzistora. Ovajčip služi za pojačavanje strujnih signala koje šalje mikrokontroler narazinu koju zahtjeva ventilski blok.

Upravljanje kompresorom Kompresor za rad zahtjeva napon iznosa 24 Vkoji lako može unǐstiti mikrokontroler. Stoga se logički energetski krugmikrokontrolera i vǐsi energetski krug kompresora odvajaju optičkimsprežnikom (optocouplerom) PC817. Diodom optičkog sprežnika uprav-lja mikrokontroler dok s druge strane optički sprežnik spojen na bazuMOSFET tranzistor IRFZ44 koji je sposoban podnijeti struju do 50A. Pojavom priklanog signala na bazi ovaj tranzistor zatvara strujnikrug kompresora i omogućava njegov rad. Na ovaj način mikrokontro-ler upravlja uključivanjem i isključivanjem kompresora iako se nalazi ufizički odvojenom krugu.

Programiranje Na pločici se nalazi 3x2 ISP konektor za spajanje AVR pro-gramatora. Programator se s druge strane spaja na USB port računalai na taj način omogućava direktno prebacivanje koda s računala u me-moriju mikrokontrolera.

Bluetooth konektor Na pločici se takoder nalazi konektor za bluetoothmodul koji će u idućoj fazi projekta omogućavati daljinsku kontrolurobota preko računala ili mobilnog uredaja.

Napajanje Za napajanje električnih komponenti koristi se Turnigy 6S pu-njiva baterija kapaciteta 5000 mAh, nazivnog napona 22.2 V.

Hrvoje Brezak 17

Fakultet strojarstva i brodogradnje 5.2 Tiskana pločica

5.2 Tiskana pločica

U postupku izrade elektroničke tiskane pločice prvo su izabrane komponentepotrebne za ispravan rad pločice. Zatim je izradena funkcionalna shema usoftverskom paketu Altium Designer koja vizualno daje predodžbu o načinuspajanja pojedinih komponenti. Konačno, na temelju funkcionalne shemedizajnirana je PCB pločica dimenzija 70x55 mm.

Pločica je izradena foto postupkom na jednoslojnoj pločici načinjenoj odvitroplasta. PCB shema najprije je isprintana na paus papir te je položenana stranu vitroplast pločice s fotolakom i osvjetljena UV svijetlom. Za os-vjetljavanje su korǐstene UV LED diode na uredaju za osvjetljavanje kojije napravljen u sklopu Udruge mehatroničara. Osvjetljavanje je trajalo pri-bližno 3 i pol minute. Kao razvijač nakon osvjetljavanja korǐsten je natrijevhidroksid u trajanju od četiri minute. Nakon ispiranja vodom vǐsak bakra napločici maknut je postupkom jetkanja sa solnom kiselinom. Vodljivi dijelovikonačne pločice premazani su slojem tinola kao zaštita od oksidacije.

Slika 21: Nacrti pločice

Hrvoje Brezak 18

Fakultet strojarstva i brodogradnje 5.2 Tiskana pločica

Slika 22: Izradena pločica

Hrvoje Brezak 19

Fakultet strojarstva i brodogradnje 5.3 Programski kod

5.3 Programski kod

Cilj programa napisanog u ovoj fazi projekta je simuliranje pravocrtnog gi-banja robota prema naprijed naizmjeničnim stezanjem i otpuštanjem mǐsića.Proučavanjem hoda četveronožnih životinja te ekperimentiranjem odlučenoje da se robot kreće pomičući istovremeno noge na dijagonali. Na teme-lju toga napisan je program hoda u programskom jeziku C koristeći mikroCprogramsko sučelje:

sbit N1 at PORTD0_bit;

sbit N2 at PORTD1_bit;

sbit N3 at PORTD2_bit;

sbit N4 at PORTD3_bit;

sbit N5 at PORTD4_bit;

sbit N6 at PORTD5_bit;

sbit N7 at PORTD6_bit;

sbit N8 at PORTD7_bit;

void cekaj()

{ Delay_ms(650);

}

void main() {

DDRD=0xFF; //PORTD output

DDRC=0xFF;

while(1)

{ PORTC=0xFF;

PORTD=0xFF;

Delay_ms(1000);

PORTC=0;

PORTD=0;

Delay_ms(1000);

}

while(1)

{ N4=1; N8=1; N7=1; N5=0;

cekaj();

N6=1; N2=1; N1=1; N4=0; N8=0; N7=0;

cekaj();

N5=1; N1 = 0; N2=0; N6=0;

cekaj();

}

}

Hrvoje Brezak 20

Fakultet strojarstva i brodogradnje 5.3 Programski kod

U početnom dijelu koda inicijalizirani su serijski portovi koji upravljajupojedinim ventilima. Nakon toga definirana je funkcija cekaj() koja se pozivaizmedu svakog skupa pokreta robota da bi se omogućilo pravilo izvšavanjegibanja te dovoljno vrijeme za povratna gibanja. Vrijeme čekanja stoga je vrlovažan parametar i u trenutnoj izvedbi nakon niza eksperimenata postavljenje na 650 milisekundi. Sekvenca aktiviranja i deaktiviranja mǐsića takoderje utvrdena eksperimentom. U danjem radu složenost programskog kodaznatno će porasti.

Hrvoje Brezak 21

Fakultet strojarstva i brodogradnje

6 Rezultati

6.1 Proces izrade

U prvom dijelu rada osmǐsljeno je i izradeno nekoliko prototipova noge ro-bota. Na temelju izvedbe koja je smatrana najpovoljnijom izradene su ostaletri noge te započinje rad na nosivoj konstrukciji koji je potrajao zbog teškoćapri izradi identičnih dijelova uz prekide rada zbog studentskih obaveza. Pozavršetku konstrukcije na nju se montiraju ostale komponente robota i krećese u izbor komponenti za tiskanu pločicu te njena izrada. Slijedilo je po-vezivanje svih komponenti, testiranje te konačno eksperimentiranje s ciljemdobivanja hoda robota.

Slika 23: Proces izrade

Hrvoje Brezak 22

Fakultet strojarstva i brodogradnje 6.2 Poteškoće u radu

6.2 Poteškoće u radu

Tijekom dosadašnjeg rada na ovome projektu projektni tim susreo se s nizomizazova i teškoća.

Jedna od njih uslijedila je iz početnih pretpostavki da je važno dobitipravilne pokrete noge prema naprijed dok će se povratno gibanje spontanodešavati pod utjecajem težine robota. Medutim, kao i živa bića, hodajućimobilni roboti obično nisu stabilni nakon dizanja noge što zahtjeva brze ko-rake nogu. Posljedica ovog jest da robot nije stizao obaviti povratno gibanjei hod nije bio moguć. Stoga je uvedeno mehaničko rješenje povrata noge,pomoću opruga.

Jedan od problema ovog robota njegova je velika elastičnost. Ovo jeposljedica ne samo pneumatskih aktuatora već i dizajna same noge koji se uprimjeni s realnom masom robota nije pokazao kao najbolje rješenje jer tokomgibanja zbog manjka krutosti gube medusobnu paralelnost i iskrivljuju se štorezultira lošim gibanjem. Ovome problemu pokušano je doskočiti upotrebommatica s gumom koje se mogu precizno zategnuti. Ipak, problem još postoji.

Kompresor koji je nabavljen pokazao se preslabim za punjenje spremnikana dovoljan tlak te se stoga koristi samo kao pripomoć u radu.

Neke od ovih pogreški zasigurno su posljedica manjka iskustva u izradisličnih projekata. Unatoč tome projekt je shvaćen ozbiljno i mnogo je toganaučeno tijekom rada što će biti i iskorǐsteno u daljnjim fazama.

6.3 Izradeni robot

Rezultat dosadašnjeg rada vidljiv je na slici. Robot je dimenzija 900x460x500mm, mase oko 15 kilograma. Konstrukcija robota u potpunosti je završena,kao i energetski te upravljački sustav. Robot je sposoban za autonomno giba-nje prema naprijed stezanjem pojedinih mǐsića upravljanih pomoću programau mikrokontroleru preko ventilskog bloka. Spremnik zraka puni se zrakom svanjskog kompresora do tlaka od 12 bara a tijekom gibanja potrošnja zrakadjelomično se nadoknaduje kompesorom na robotu. Regulirani tlak zrakaprema mǐsićima iznosi oko 3 bara. Uz ove uvjete vrijeme autonomije robotaiznosi oko 8 minuta.

Hrvoje Brezak 23

Fakultet strojarstva i brodogradnje 6.3 Izradeni robot

Slika 24: Pneumatski robot

Slika 25: Pneumatski robot - pogled odozgo

Hrvoje Brezak 24

Fakultet strojarstva i brodogradnje

7 Budući planovi

Nakon uspješne prve faze rada projekt uskoro kreće u drugu fazu. Neposredniciljevi su ustabiliti rad robota i produljiti vrijeme autonomije što će zahtje-vati promjene poput pobolǰsanja konstrukcije noge i zamjene kompresora terada na boljim algoritmima kretanja. Osim toga, budući planovi uključujuuvodenje mogućnosti skretanja robota te daljinsko upravljanje robota prekolaptopa i mobilne aplikacije. Isto tako namjera je projektnog tima s vreme-nom uvesti regulaciju robota pomoću povratnih veza od strane senzora tetako unaprijediti njegov rad.

Hrvoje Brezak 25

Fakultet strojarstva i brodogradnje LITERATURA

Literatura

[1] Mladen Crneković, Industrijski i mobilni roboti, predavanja, Fakultetstrojarstva i brodogradnje, Zagreb, 2013.

[2] Roland Siegwart, Illah R. Nourbakhsh, Introduction to Autonomous Mo-bile Robots, Massachusetts Institute of Technology, 2004.

[3] Ivan Petrović, Mobilna robotika, Fakultet elektrotehnike i računarstva,Zagreb, 2004.

[4] Joško Petrić, Željko Šitum, Pneumatika i hidraulika, predavanja, Fakultetstrojarstva i brodogradnje, Zagreb, 2012.

[5] Željko Šitum, Pneumatski mǐsić kao aktuator, Fakultet strojarstva i bro-dogradnje, Zagreb

[6] Frank Daerden, Dirk Lefeber, Pneumatic Artificial Muscles: actuatorsfor robotics and automation, Vrije Universiteit Brussel, Department ofMechanical Engineering

[7] D. G. Caldwell, N. Tsagarakis, D. Badihi and G. A. Medrano-Cerda,Pneumatic Muscle Actuator technology: a lightweight power system for ahumanoid robot, Dept. of Electronic Eng. University of Salford, 1998.

Hrvoje Brezak 26

Fakultet strojarstva i brodogradnje

A Prilog

1. Shema tiskane pločice

2. Sklopni crtež konstrukcije mobilnog robota

Hrvoje Brezak 27

1

1

2

2

3

3

4

4

D D

C C

B B

A A

Title

Number RevisionSize

A4

Date: 29.1.2014. Sheet ofFile: F:\Users\..\Shema.SchDoc Drawn By: Viktor Mandić

Konj ventili

1.0

24V

PC6 (RESET)1

PD0 (RXD)2

PD1 (TXD)3

PD2 (INT0)4

PD3 (INT1)5

PD4 (XCK/T0)6

VCC7

GND8

PB6 (XTAL1/TOSC1)9

PB7 (XTAL2/TOSC2)10

PD5 (T1)11

PD6 (AIN0)12

PD7 (AIN1)13

PB0 (ICP)14

PB1 (OC1A)15

PB2 (SS/OC1B)16

PB3 (MOSI/OC2)17

PB4 (MISO)18

PB5 (SCK)19

AVCC20

AREF21

GND22

PC0 (ADC0)23

PC1 (ADC1)24

PC2 (ADC2)25

PC3 (ADC3)26

PC4 (ADC4/SDA)27

PC5 (ADC5/SCL)28

U3

Atmega328P DIL

MISO 1 23 45 6

ISP

Header 3X2

MOSI

GND

SCK

MISOSCKRST

VCCMOSIGND

RESET

+5V

RESET

GND

+5V

R110k

GND

C1100nF

C2100nFC10

470uFC11100uF

D1 1N4007 +5V

C4100nF

C14

15pF

C13

15pF

12

X1

8MH

z GND

1

2

3

4

5

6

7

8

9

DB9

DB9 Ž

Q1IRFZ44

GND

24V

+GND

P2

Pum

pa

R23k3

R310k

Vin Vout

GND

U2 7805

OPTO

PC817

R4

820R

24V

1234

P3

Blu

etoo

th

MISOSCK

MOSI

+5V

GND

IN11

IN22

IN33

IN44

IN55

IN66

IN77

IN88

OUT118

OUT316

OUT415

OUT514

OUT613

OUT712

OUT811

OUT217

COM D10

GND9

U4

ULN2803AGND

D2

1N58

19

R5

100R

C12470uF

+GND

P1

OPTO

OPTO

1

Shema upravljačke pločice

Hodajući robot pokretan umjetnim pneumatskim mišićima

1:5

A3

1

1

7 8

100 3020 40 6050 8070 90

A

B

C

E

F

D

1 2 3 4 5 6

100

Pregledao

Objekt:

CrtaoRazradio FSB Zagreb

Potpis

R. N. broj:

Objekt broj:

Sirove dimenzijeProizvođač

Mjerilo originala

Mentor

Poz. Naziv dijela NormaCrtež broj

Kom. Materijal Masa

ISO - tolerancije

Broj naziva - code

Napomena:

Materijal:

Crtež broj:

Naziv:

Masa:

Pozicija:

Listova:

List:

Format:

Kopija

Ime i prezimeDatumProjektirao

Des

ign

by C

ADLa

b

5

1

Ventilski blok

1

7

2

4

1

6

1

1

robotika

23

8

1

34567

NogaSpremnik zrakaKompresor

8Nepovratno prigušni ventil

Upravljačka pločicaBaterija

411

8

Mehatronika i0035181313

Pripremna grupa

Hrvoje Brezak25.02.14

27.02.14 Željko Šitum