Проектирование аппарата в САПР SolidWorks

Из возможных САПР для создания 3D модели был выбран пакет SolidWorks, отличающийся разнообразием функционала, удобным и понятным интерфейсом и возможностью сохранения моделей с различными расширениями, в том числи и в формате.stl. Необходимость выбора данного формата обусловлена тем, чтобы в дальнейшем упростить процесс моделирования робота в среде виртуальной симуляции V-REP, имеющей качественный физический движок и дополнительные возможности, не доступные в САПР. Теперь можно приступить к созданию 3D модели.

   Как было сказано в предыдущем пункте работы, возьмем за основу платформу с шестью конечностями для передвижения в режиме шагохода. На каждой конечности есть пластины, которые при смыкание образуют полусферу. Таких пластин всего будет двенадцать (шесть на нижних конечностях и шесть на верхней части робота). Вместе они будут образовывать полноценную сферу, а передвигаться робот будет качением при переменном отталкивании парами верхней и нижней конечностей.

   Для аппарата был выбран механизм свертывания в сферу с использованием мощного сервомотора BLS-HV7146MG с моментом 48 кг*см² с металлическими шестернями и защитой от влаги в центре на основной базе. К нему подсоединяется шесть направляющих, которые в свою очередь идут к конечностям, прикрепленным к направляющим. При этом движутся только нижние конечности, верхние находятся постоянно в собранном виде и нужны только при качении, поэтому механизм развертывания и свертывания нужен только на опорные шесть конечностей.

   Для каждой конечности также был выбран сервомотор BLS-HV7146MG. Весь аппарат будет управляться микрокомпьютером Raspberry Pi в связке с микроконтроллером Arduino Micro. Микроконтроллер необходим для управления сервомоторами, так как он вырабатывает требуемый ШИМ сигнал, который сам компьютер не может вырабатывать. Задачей же Raspberry Pi является обработка сигналов с датчиков и камеры.

   Впоследствии будет проведено моделирование в среде виртуальной симуляции V-REP на предмет исследования эффективности данного аппарата в условиях различного ландшафта.

   Изображения модели спроектированного аппарата представлены в приложении А данной работы.

Создание трехмерной модели и симуляция робота в виртуальной среде V-REP

Для тестирования спроектированного робота была выбрана новая виртуальная среда V-REP. Особенностью данного пакета программ является большой набор функций, возможность моделирования в воде, воздухе и на суше и многофункциональный язык программирования Lua.

Данный пакет программ выбран неслучайно. В V-REP встроен точный физический движок Bullet, просчитывающий различные взаимодействия между роботом и средой и другими объектами достаточно подробно, как в реальности. Кроме того, можно создать свой собственный ландшафт с разным типом поверхностей, например, песком, склоны и возвышенности. Также этот пакет программ дает возможность протестировать работу сенсоров таких как гироскоп, датчик касания, датчик дистанции и другие.

Робот успешно преодолел созданные препятствия, из чего следует, что аппарат пригоден для выполнения своих функций в реальной среде. Однако для большей точности в дальнейшем следует создать материальный прототип и уже для него провести соответствующие испытания.

Изображения модели спроектированного аппарата и среда симуляции представлены в приложении Б данной работы.

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, в результате проделанной работы был спроектирован аппарат, удовлетворяющий всем техническим требованиям, поставленным в задании.

Аппарат обладает хорошей проходимостью на пересеченной местности за счет двух режимов передвижения, что подтвердили результаты моделирования в виртуальной среде симуляции V-REP. Масса робота составляет меньше 5 кг, диаметр собранной сферы 300 мм, а в развернутом состоянии 340 мм. Такие характеристики позволяют без труда транспортировать его в необходимую зону, производить ремонт и обслуживание силами одного оператора, а также конструкция робота может выдержать удары при столкновении с препятствиями или землей при падениях. Есть дополнительная возможность увеличить время автономной работы от аккумуляторной батареи путем увеличения ее емкости или установки еще одной.

На следующем этапе работ планируется разработать программное обеспечение и систему управления для аппарата и устройства управления роботом, а также первый рабочий прототип.

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Бжихатлов И.А. Моделирование робототехнических систем в программе V-REP. – СПб: Университет ИТМО, 2018.

2. Измерение коэффициентов трения 11 типов пластика при разных температурах [Электронный ресурс] // 3D Today website, 2017. – Режим доступа: https://www.3dtoday.ru/blogs/shusy/plastic-olympics-downhill.

3. Петин В.А. Микрокомпьютеры Raspberry Pi. Практическое руководство. – СПб: БХВ-Петербург, 2015.

4. Руководство для учащихся по изучению программного обеспечения SolidWorks. -–Dassault Systems – SolidWorks Corporation, 2010.

5. Юревич Е. И. Основы Робототехники. – СПб: БХВ-Петербург, 2007.

6. Bionic WheelBot. Brochure. – Festo AG & CO. KG, 2018

7. Bishop R. H. The Mechatronics Handbook, -2 Volume Set. – CRC Press, 2002.

8. LSM303DLHC Ultra-compact high-performance eCompass module: 3D accelerometer and 3D magnetometer. Product family data sheet. – STMicroelectronics, 2013.

9. MorpHex MKIII [Электронный ресурс] / Zenta Robotics Creations // Zenta Robotics website, 2019. – Режим доступа: http://zentasrobots.com/robot-projects/morphex-mkiii.

10. PCA9685 module. Product data sheet. – NXP Semiconductors, 2015.

11. QRoSS [Электронный ресурс] / DailyTechInfo // DailyTechInfo website, 2015. – Режим доступа: https://www.dailytechinfo.org/robots/7471-sfericheskiy-robot-qross-mozhet-katatsya-po-poverhnosti-i-mozhet-hodit-vypustiv-nogi.html.

12. Throwable Robot Ball Unfolds Legs to Walk [Электронный ресурс] / Spectrum IEEE // Spectrum IEEE website, 2015. – Режим доступа: https://www.spectrum.ieee.org/automaton/robotics/robotics-hardware/robot-unfolds-legs-to-walk.

13. Siciliano B., Khatib O. Springer Handbook of Robotics. – Springer Science $ Business Media, 2008.

14. Virtual Robot Experimental Platform V-REP. V-REP User Manual, -3.6.1. version. – Coppelia Robotics, 2018.

 

ПРИЛОЖЕНИЕ А.