Роботостроение и создание различных систем автоматики вызывает большой интерес не только у профессионалов, но и у начинающих радиолюбителей.
Стремительный рост технологий отразился на современном рынке радиоэлектронных компонентов. Огромный выбор различных микроконтроллеров, датчиков, реле, плат-расширения позволяет подобно конструктору создать сложное техническое решение в домашних условиях.
Если раньше для создания и внедрения системы «Умный дом» необходимо было обращаться в специализированные фирмы, то сейчас большинство элементов можно собрать самостоятельно. Любительская робототехника не отстает от промышленных образцов. Собранный домашний робот будет ездить по заданной траектории, заряжаться от солнечной панели, измерять температуру/влажность окружающей среды, производить фотографирование местности. Это далеко не полный перечень того, что можно добавить, но данная модель уже похожа по функциональности и логике, например на космический аппарат Curiosity, который исследует планету Марс.
В наши дни стали снова возрождаться радиотехнические кружки, где под руководством опытных учителей, молодое поколение осваивает роботостроение. Это не только развлечение, но и большая умственная работа, требующая знания математики, физики, информатики.
Многие работы можно найти в сети Интернет. Некоторое заслуживают отдельного внимания:
Рассмотрим основные моменты, которые понадобятся нам при проектировании и сборке робота.
Работы по проектированию и сборке робота начинаются с планирования бюджета. В зависимости от функциональности и используемой технической базы конечная стоимость робота может быть высокой.
Для большинства проектов можно использовать не только оригинальные запчасти, но и их аналоги(копии). Это значительно удешевит проект. Многие предпочитают заказывать детали в Китайских интернет-магазинах. Стоимость заказа с бесплатной доставкой выглядит более привлекательно, чем покупка этих же деталей, но с большой наценкой в России.
Самыми распространенными и недорогими платформами являются колесные
и гусеничные
. Для данных платформ существует множество готовых компонентов, поэтому они идеально подойдут в качестве начального проекта.
Колесная платформа может иметь любое количество колес. Наиболее распространенные — трех и четырех колесные модели (2WD, 4WD). Из-за небольшой площади соприкосновения с поверхностью колесная платформа может проскальзывать. Для уменьшения потери сцепления можно использовать резиновые шины.
Повышенной проходимостью обладают гусеничные платформы
. Они исключают скольжение, могут преодолевать различные искусственные и природные препятствия. Недостатком платформы является сложная механическая установка.
Роботы с конечностями
могут стабильно перемещаться по очень неровным поверхностям. Но самым главным недостатком данной платформы является сложность кодирования и высокая конечная стоимость.
Современный рынок предлагает множество готовых решений воздушных роботов. Особой популярностью пользуются квадрокоптеры
и вертолеты
. 
Воздушные роботы идеально подходят для наблюдения и съемки поверхности с высоты, исследования труднодоступных мест. Некоторые компании активно ведут разработку и возможность использования воздушных платформ для доставки товаров. Существенный недостаток воздушной платформы — это частичная, а в большинстве случаев, полная потеря всей конструкции при аварии.
Для увеличения функциональности существующих видов платформ используют различного рода манипуляторы
. Манипуляторы могут быть снабжены как одной так и десятком уникальных степеней свободы.
Водные платформы
не получили широкого распространения. В основном используются в научных и промышленных сферах.
Для приведения в движение большинства из рассмотренных выше платформ необходим двигатель (электромотор). Это устройство которое преобразует электрическую энергию в механическую. Выбор двигателей зависит от способа передвижения робота. 
Для колесных или гусеничных платформ подойдет мотор-редуктор постоянного тока
. Редуктор в данном случае позволяет регулировать крутящий момент. Вал с обеих сторон мотора позволяет установить энкодер, который помогает определять угол поворота и пройденное расстояние колесом. Мощность двигателя рассчитывается исходя из веса самого робота.
Шаговой двигатель
осуществляет перемещение равными шагами. Шаговые двигатели управляются импульсами. Каждый импульс преобразуется в градус, на который происходит вращение. Данный вид двигателя ставится в роботах, где необходим предельно точный угол движения.
Сервомотор
состоит из двигателя постоянного тока, редуктора, электроники и поворотного потенциометра, который измеряет угол. Угол вращения составляет примерно 180 градусов. Сервомоторы обычно используют в роботах-манипуляторах, роботах с конечностями.
На практике многие модели роботов содержат разные типы двигателей. Для централизованного управления используются драйверы двигателей (Motor shield).
Для преобразования управляющих сигналов малой мощности в токи, достаточные для управления моторами используют драйверы двигателей (Motor Shield)
Драйвер двигателя может только определить скорость и направление движения мотора, но не может управлять ими непосредственно из-за ограниченной выходной мощности. Поэтому использование драйвера двигателя без микроконтроллера невозможно. Логика современных драйверов двигателей позволяет управлять различными типами моторов как по раздельности, так и одновременно. При выборе драйвера необходимо обращать внимание на номинальное напряжение и силу тока. 
В характеристиках обычно указывается диапазон входного напряжения и сила тока, на который он рассчитан. Несмотря на встроенные системы защиты от перегрузок не стоит подключать 5В двигатель к 3В контроллеру.
Выбор контроллера (драйвера двигателей) необходимо делать после того, как будет определен и утвержден тип двигателей, которые планируется установить в роботе.
Существует несколько способов управления роботом:
Проводное управление
Самый простой способ управления роботом — проводной. Пульт управления соединяется с роботом при помощи кабеля. Не требует сложных электронных компонентов. Существенным недостатком является ограниченное перемещение. Дальность управления целиком зависит от длины кабеля. слишком длинный кабель будет постоянно цепляться и запутываться.
Беспроводное управление
Инфракрасный сигнал
Для управления роботом используется пульт. В некоторых случаях можно настроить обычный ТВ-пульт. На роботе устанавливается ИК-датчик, который подсоединяется к микроконтроллеру и передает ему управляющие сигналы. Как и при использовании пульта к ТВ, управление роботом может осуществляться на ограниченном расстоянии в прямой видимости ИК-датчика.
Bluetooth
При использовании технологии Bluetooth управление роботом становиться возможным при помощи Bluetooth-совместимых устройств (планшет, мобильный телефон, компьютер). Нет необходимости находится в прямой видимости передатчика, хотя Bluetooth имеет ограниченный диапазон работы (около 10-15 м).
Управление роботом может осуществляться из любого места, где есть доступ к сети Интернет. Необходимо только подключение wi-fi модуля робота к роутеру, имеющим выход в сеть Интернет.
GPRS/GPS
GPS используется для обнаружения расположения робота. При помощи навигации можно рассчитать курс и расстояние маршрутной точки.
GSM платы предоставляют возможность звонить и принимать звонки с других телефонов, отправлять SMS на заданный номер при нажатии на определенную кнопку. Таким образом отправляя SMS с своего мобильного телефона мы сможем передавать роботу команды через GSM сеть. При этом сам робот может находится в любой точке где есть покрытие GSM сети.
Как мы все уже знаем микроконтро́ллер это микросхема, предназначенная для управления электронными устройствами. Он представляет из себя однокристальный компьютер, способный выполнять относительно простые задачи. Для взаимодействия с внешним миром микроконтроллер снабжен контактами, на которых электрический сигнал может быть включен (1) или выключен (0). Выводы могут быть использованы для чтения электрических сигналов, поступающих от различных устройств и датчиков.
Современные микроконтроллеры имеют интегрированный регулятор напряжения. Это позволяет микроконтроллеру работать в широком диапазоне напряжений, который не требуют от нас подачи точного рабочего напряжения.
Существует великое множество микроконтроллеров, которые могут быть использованы, но широкое распространение в наши дни получила аппаратная платформа Arduino. 
Из-за кросс-платформенности, низкой стоимости, открытой архитектуре и простоте языка программирования Arduino стала пользоваться огромной популярностью среди новичков и профессионалов.
Популярные проекты где применяется платформа Arduino — это построение простых систем автоматики и робототехники. С помощью данной платформы можно организовать умный дом, построить домашнюю метеостанцию, освоить роботостроение.
Для изучения и измерения окружающего мира вокруг робота используются всевозможные виды датчиков. С их помощью мы сможем узнать местоположение нашего робота, определить расстояние до объектов, измерить температуру/влажность/давление, сделать снимок местности и т.д.
Правильно подобранная плата расширения значительно упростит процесс добавления новых видов датчиков и избавит нас от необходимости изменения заложенной логики на этапе проектирования.
Рассмотрим основные виды датчиков, доступные по цене и простоте программирования:
Ультразвуковой дальномер
Источник ультразвука испускает импульсный сигнал, а приемник улавливает отражения сигнала от различных препятствий. 
Расстояние до объекта определяется на основании анализа времени прохождения сигнала туда и обратно. В отличие от инфракрасных дальномеров на ультразвуковой датчик не влияют источники света или цвет препятствия. Самый популярный ультразвуковой дальномер для радиолюбителей — HC-SR04. Он способен измерять расстояние в диапазоне от 2 до 450 см.
ИК-датчик расстояния
Принцип работы состоит в анализе отраженного инфракрасного излучения светодиода датчика от окружающих предметов.
Предназначен для установки в механических приборах для определения расстояния до подвижных деталей конструкции. Оптоэлектронный датчик расстояния Sharp GP2Y0A21YK0F удобно использовать в робототехнических проектах. Расстояние обнаружения составляет от 100 до 550 см. Позволит предотвратить столкновение робота с препятствием.
Гироскоп
позволит определить положение и перемещение прибора в пространстве: углы крена, дифферента (тангажа) ориентируясь по вектору силы тяжести и скорости вращения. При перемещении определяет линейное ускорение и угловую скорость вокруг собственных осей X, Y и Z и дает полную картину положения.
Наиболее распространенный модуль на основе чипа MPU6050. Модуль состоит из акселерометра, гироскопа и температурного сенсора.
Цифровой датчик температуры и влажности позволяет измерять температуру и влажность окружающей среды.
Самые распространенные датчики: . По сравнению с датчиком DHT11, датчик DHT22 обладает высокой точностью измерения и позволяет измерять температуры ниже 0.
Датчик давления
позволяет измерять атмосферное давление. К самым доступным датчикам давления относят датчик BMP180. Датчика имеет I2C интерфейс поэтому его можно подключить к любой платформе из семейства Arduino.
Газовые анализаторы
позволяют обнаружить утечки пропана, бутана, метана и водорода. Также могут быть использованы для контроля задымленности помещений. В результате измерений датчик генерирует аналоговый сигнал, пропорциональный содержанию газа. Качество измерений зависит температуры и влажности окружающей среды. Таким набором характеристик обладает датчик широкого спектра газов MQ-2
.
Датчик освещенности
позволит нашему роботу отличать день от ночи, солнечную погоду от пасмурной, тень от света. При грамотной настройке и доработке схемы подключения позволит ориентировать солнечные панели аппарата на солнце.
Два года назад, когда я только начал заниматься мультикоптерами, мне пришлось сделать небольшой . Поскольку квадрокоптер задумывался сугубо автономным, все что требовалось от этого пульта - это управлять беспилотником во время испытаний и настройки.
В принципе, пульт со всеми возложенными на него задачами справлялся вполне успешно . Но были и серьезные недостатки.
Чтобы устранить все эти недостатки, я решил кардинально переделать пульт. И железную часть, и софт. Вот что мне захотелось сделать:
Идея чрезвычайно проста и эффективна. Вырезаем из оргстекла или другого тонкого материала две пластины и соединяем их стойками. Все содержимое корпуса крепится либо к верхней, либо к нижней пластине.
Чтобы управлять кучей параметров, нужно либо разместить на пульте кучу потенциометров и добавить АЦП, либо делать все настройки через меню. Как я уже говорил, настройка потенциометрами не всегда хорошая идея, но и отказываться от нее не стоит. Так что, решено было оставить в пульте четыре потенциометра, и добавить полноценное меню.
Чтобы перемешаться по меню, и менять параметры обычно используют кнопки. Влево, вправо, вверх, вниз. Но мне захотелось использовать вместо кнопок энкодер. Эту идею я подсмотрел у контроллера 3D-принтера.
Разумеется, за счет добавления меню, код пульта распух в несколько раз. Для начала я добавил всего три пункта меню: "Telemetry", "Parameters" и "Store params". В первом окне отображается до восьми разных показателей. Пока я использую только три: заряд батареи, компас и высота.
Во втором окне доступны шесть параметров: коэффициенты PID регулятора для осей X/Y,Z и корректировочные углы акселерометра.
Третий пункт позволяет сохранять параметры в EEPROM.
Над выбором пилотных джойстиков я долго не размышлял. Так получилось, что первый джойстик Turnigy 9XR я добыл у коллеги по квадрокоптерному делу - Александра Васильева, хозяина небезызвестного сайта alex-exe.ru . Второй такой же заказал напрямую на Hobbyking.
Первый джойстик был подпружинен в обоих координатах - для контроля рыскания и тангажа. Второй я взял такой же, чтобы затем переделать его в джойстик для управления тягой и вращением.
В старом пульте я использовал простой регулятор напряжения LM7805, который кормил связкой из 8 батареек AA. Жутко неэффективный вариант, при котором 7 вольт уходили на нагрев регулятора. 8 батареек - потому что под рукой был только такой отсек, а LM7805 - потому что в то время этот вариант мне представлялся самым простым, и главное быстрым.
Теперь же я решил поступить мудрее, и поставил достаточной эффективный регулятор на LM2596S. А вместо 8-ми AA батареек, установил отсек на два LiIon аккумулятора 18650.
Собрав все воедино, получился вот такой аппарат. Вид изнутри.
А вот с закрытой крышкой.
Не хватает колпачка на одном потенциометре и колпачков на джойстиках.
Наконец, видеоролик о том, как происходит настройка параметров через меню.
Физически пульт собран. Сейчас я занимаюсь тем, что дорабатываю код пульта и квадрокоптера, чтобы вернуть им былую крепкую дружбу.
По ходу настройки пульта, были выявлены недостатки. Во-первых, нижние углы пульта упираются в руки:(Наверное я немного перепроектирую пластины, сглажу углы. Во-вторых, даже дисплея 16х4 не хватает для красивого вывода телеметрии - приходится названия параметров сокращать до двух букв. В следующей версии девайса установлю точечный дисплей, либо сразу TFT матрицу.
Привод — это механизм для приведения в действие оборудования по управлению технологическими процессами с использованием электрических, пневматических или гидравлических сигналов. Это важная часть в робототехнике. Приводы, используемые в роботах, влияют на их целесообразность и производительность. Поэтому, в этой статье мы рассмотрим 7 самых распространенных приводов, которыми можно оснастить роботов различного предназначения.
Начнем с электрических двигателей. Бесщеточный или бесколлекторный — это один из типов приводов, набирающих популярность в робототехнике. Как понятно из названия, такой двигатель не использует щетки для коммутации, а вместо этого он коммутируется за счет электроники. Принцип работы данного привода основан на взаимодействии магнитных полей между электромагнитом и постоянным магнитом. Когда катушка находится под напряжением, противоположные полюса ротора и статора притягиваются друг к другу. Эти актуаторы используются практически в любых роботах.
Достоинства БДП следующие:
Недостатки:
Данный двигатель содержит ротор, который синхронно вращается с колеблющимся полем или током. Синхронные приводы имеют множество преимуществ перед другими двигателями. В первую очередь это относится к энергетическим показателям. Данные приводы используются в выпускаемых промышленных роботах со средней грузоподъемностью и числом степеней подвижности от 3 до 6. Точность позиционирования электрического привода достигает значений до ± 0,05 мм. Их применяют как в позиционном, так и в контурном режимах работы.
Преимущества:
Недостатки:
Этот электропривод для преобразования электрической энергии переменного тока в механическую также выгоден по ряду причин. Сам термин «асинхронный» означает не одновременный. При этом имеется ввиду, что у этих двигателей частота вращения магнитного поля статора всегда больше частоты вращения ротора. Работают асинхронные двигатели от сети переменного тока.
Этот тип двигателя используется в основном для питания ведущих колес автомобиля, поэтому и может найти место в колесной робототехнике. Наличие мощных полупроводников сделало практичным использование более простых асинхронных электродвигателей переменного тока.
Преимущества:
Недостатки:
Шаговый двигатель - привод, в последнее время часто используемый в робототехнике. Основное отличие между ним и всеми остальными типами двигателей состоит в способе вращения. Как известно, перечисленные ранее двигатели вращаются непрерывно. Но шаговые приводы вращаются «шагами». Каждый шаг представляет собой часть полного оборота. Эта часть зависит от механического устройства мотора и от способа управления.
Использование шаговых двигателей является одним из самых простых, дешевых и легких решений для работы систем точного позиционирования. Поэтому эти двигатели очень часто используются в станках с ЧПУ и роботах.
Преимущества:
Недостатки:
Это тип электромеханических двигателей, которые не вращаются постоянно, как шаговые, а перемещаются по сигналу в определенное положение и сохраняют его до следующего сигнала. Находят широкое применение в различных секторах робототехники - от самодельных механизмов до сложных андроидов.
В сервоприводах используется механизм обратной связи, позволяющий обрабатывать ошибки и исправлять их в позиционировании. Такая система называется следящей. Если какая-то сила оказывает давление на привод, изменяя его положение, двигатель будет применять силу в противоположном направлении, чтобы исправить возникающую ошибку. Таким образом, достигается высокая точность позиционирования.
Преимущества:
Недостатки:
Двигатель, приводящий в движение механизмы через энергию сжатого воздуха. Основной компонент здесь - компрессор. Сжатый компрессором воздух поступает в пневмолинии, и далее к пневмодвигателю. Благодаря отсутствию вязкой среды, такие двигатели могут работать на большей частоте - скорость вращения пневмомотора может достигать десятков тысяч оборотов в минуту.
Этот тип привода все чаще используется в робототехнике, так как имеет низкую плавность хода и точность срабатывания. Наиболее рационально использовать его для механизмов с двумя состояниями - втягивания и выталкивания или закрывания и открывания.
Преимущества:
Недостатки:
Если робот должен работать с грузами более 100кг, следует задуматься об использовании гидравлического привода. Этот тип двигателя для приведения в движения исполнительного органа использует жидкость. Принцип работы гидропривода состоит в насосе, который создает давление рабочей жидкости в напорной магистрали, соединенной с гидродвигателем. Двигатель преобразует давление жидкости в механическое. При этом, регуляторы управляют скоростью и направлением движения гидродвигателя.
Эти приводы применяются в основном в промышленной робототехнике. Но есть случаи их использования и в других прототипах, к примеру, в известном детище DARPA - роботе BigDog.
Преимущества:
Недостатки:
Это были самые основные типы приводов, которые наиболее используются в современной робототехнике.
Как выбрать подходящие двигатели для колесного робота? Ответить точно на этот вопрос в начале конструирования робота непросто. Для этого нужно знать вес робота, а он еще не построен. Однако, технические характеристики и размеры двигателей значительно влияют на окончательные параметры мобильного робота. Для того, чтобы получить полную информацию, необходимо учесть вращающий момент, скорость и мощность. Для колесного робота также необходимо подобрать диаметр колес и определить правильное передаточное число зубчатой передачи для расчета скорости его движения.
Крутящий момент двигателя - это сила, с которой он воздействует на вращаемую ось. Для того, чтобы робот мог двигаться, необходимо, чтобы эта сила превышала вес робота (выражаемый в Н/м ).
Некоторые употребляют вместо понятия крутящий момент , термин вращающий момент . По сути это одно и то же. И то и другое являются моментами, просто в технике крутящий момент — это нагрузка на колесе, а вращающий момент — нагрузка в технической науке под названием «Сопротивление материалов» .
Рассмотрим сильно упрощенную идеализированную модель колесного робота.
В нашем случае, вес робота равен 1кг , и мы хотим добиться максимальной скорости его движения 1м/с при радиусе колеса равном 20мм .
При движении по прямой на расстояние 1м , рассчитаем ускорение, необходимое для достижения скорости в 1м/с .
где — расстояние, пройденное роботом, — его начальная скорость (стартуем с места, поэтому ),
где — скорость робота, -его ускорение.
Подставим значения, принятые в нашей модели, получим
м/с 2
Вращающий момент, который необходим для перемещения робота и получения им ускорения, необходимого для достижения максимальной скорости рассчитывается следующим образом:
При — момент инерции и — угловое ускорение, получим
Здесь м/с 2 — ускорение свободного падения (округлим его до 10), — радиус колеса, — масса всего робота
Подставив значения, получим
мН·м
Для перевода величины, выраженной в Н·м в кг·см нужно учесть, что 1Н = 0.102 кг и 1м = 100 см. Поэтому 50 мН·м = 50 · 0.102: 1000 * 100 = 0.51 кг · см.
Полученный крутящий момент распределяется между двумя двигателями робота и его еще нужно поделить на передаточное число используемой зубчатой передачи (подробнее про зубчатые передачи можно почитать ).
Для расчета максимальной мощности двигателей нам понадобится частота вращения, которая выражается в оборотах в минуту
(об/мин ) =
или в радианах в секунду
(рад/с ) =
через круговую частоту
Подставив радиус колеса, получим
рад/с
об/мин .
Мощность двигателей пропорциональна крутящему моменту и частоте вращения:
Подставив сюда формулы для крутящего момента и частоты, получим:
Используя собственные значения, получим
Опять же, мы получили суммарную мощность для всех двигателей, в нашем случае двигателя два, поэтому необходимо разделить результат на два и, как и в случае с расчетом крутящего момента, если используются зубчатые передачи, разделить на передаточное число зубчатых передач.
