| Robootika kolm põhiseadust on reeglid, mille mõtles välja ulmekirjanik Isaac Asimov. Reeglid ilmusid esmakordselt 1942. aastal Asimovi lühijutus “Runaround”. Need kolm reeglit on järgmised: 1. Robot ei tohi oma tegevuse ega tegevusetusega inimesele kahju teha. 2. Robot peab alluma inimese antud käsule, kui see ei lähe vastuollu esimese seadusega. 3. Robot peab kaitsma oma olemasolu, kuni see ei ole vastuolus esimese või teise seadusega. Peale nende kolme seaduse mõtles Asimov hiljem välja ka nullseaduse, mis on järgmine: 0. Robot ei tohi oma tegevuse või tegevusetusega inimkonnale kahju teha. |
1. Mis on robot? Maailma esimene robot.
robot on mis tahes automaatselt töötav masin, mis asendab inimtööjõudu
2. Robotite arendamis põlvkonnad. Nimeta ja seleta:
Esimene põlvkond. Esimese põlvkonna robotid olid lihtsa ehitusega ning neil puudus
ümbrusetaju ehk andurid. Oma tööd suutsid nad teha vaid mittemuutuvates tingimustes.
Näiteks robotkäsi, mis tõstab õlletehases pudeleid kastidesse. Robot sooritab identseid
liigutusi, aga kuna tal ei ole ümbritsevast keskkonnast mitte mingit signaali, st ta ei saa oma
tegevuse kohta mittemingisugust tagasisidet, siis keskonna muutuse korral ta enam ei tööta
korralikult. Selliseid roboteid tänapäeval enam ei loetagi õigeteks robotiteks.
- Teine põlvkond. Teise põlvkonda kuuluvad robotid (vt joonis 2), mis suudavad andurite läbi
reageerida keskkonnas toimuvatele muutustele. Kuna robot suudab keskkonda tunnetada, siis
roboti efektiivsus oleneb suures osas tarkvarast, mis teda juhib. Ka antud kursuse käigus
kasutatavad robotid kuuluvad kõik teise põlvkonda, kui kasutada neil andureid keskkonna
tunnetamiseks ning programmeerida nad iseseisvalt tegutsema. - Kolmas põlvkond. Kolmas põlvkond on veel väljatöötamisel. Kolmanda põlvkonna robotid
suudavad olukordi analüüsida ning õppida. Näiteks filmis „Mina, Robot” olev robot, mis suudab
järeldusi teha ning sellest õppida, on kolmandast põlvkonnast.
Liigita järgnevad robotid põlvkondade kaupa:
- nõudepesumasin – pole roboot
- fikseeritud liikumisega – esimene
- robotkäsi – teine
- automaatselt süttiv lamp – kolmas
- ise keeli õppiv robot – viies
- Miks manipulaatorid ei ole robotid? – Neil on staatiline baas ja seetõttu tegutsevad nad piiratud tööruumis.
- Mis on masinate eelised võrreldes inimtööjõuga? – Robotid ei väsi
- Millised kolm tingimust peavad olema täidetud, et teatud masinat või seadet saaks robotiks nimetada? – tajub oma keskkonda, teeb arvutusi otsuste tegemiseks ja sooritab tegevusi reaalses maailmas.
- Millistes Eesti tööstusettevõtetes võiksid mehhatroonikud töötada? – 10 lines
booooo
- Robot – Robot on mehaaniline intelligentne seade, mis on võimeline iseseisvalt või välise abiga (inimese poolt) ülesandeid lahendama. Praktikas on robot tavaliselt elektromehhaaniline masin, mida juhib arvuti.
- Robootika – Robootika on tehnikateaduse ja tehnoloogia valdkond, mis tegeleb robotite ehitamiseks vajaliku rakendusteaduse ja tehnoloogia arendamisega: disain, konstrueerimine, algoritmide väljatöötamine, robotite valmistamine ja rakenduste leidmine. Robootika on tihedalt seotud valdkondadega nagu elektroonika, tehnikateadused, mehaanika, mehhatroonika ja tarkvara arendus.
- Manipulaator – Manipulaator on seade või masin, mida inimene juhib. Erinevalt väärarusaamadest pole manipulaatorid robotid, kuna neid juhib vahetult inimene. Manipulaatorid pole võimelised autonoomselt töötama.
- Mehhatroonika – Mehhatroonika on mitmekesine tehnikateaduste haru, mis ühendab endas mehaanika, elektroonika, arvutitehnika, tarkvaratehnika, juhtimisteooria ja süsteemidisaini, eesmärgiga jõuda välja parema toote loomiseni.
- Andur -Andur on seade, mis mõõdab mingit suurust ning teisendab selle elektriliseks signaaliks.
- Täitur – Täitur on automaatjuhtimissüsteemi osa, mis regulaatorist saadava signaali järgi mõjutab juhitavat protsessi.
- Kontroller – Kontrollerit võib tinglikult võrrelda ka väikese arvutiga, kus kõik funktsioonid (protsessor, mälu, sisend-väljund muundurid jms) on paigutatud ühele kiibile, ning seetõttu nimetatakse seda tihti ka mikrokontrolleriks.
Parts
- USB pistik (USB – Universal Serial Bus) USB pistiku abil saab Arduino arendusplaadile voolu anda ja programmikoodi laadida. Arduino kasutab USB B tüüpi pistikut.
- Voolupesa Voolupessa saab ühendada voolujuhtme, millega Arduinole voolu anda.
- GND (ground, maandus) pesad Nende pesade kaudu käib vooluringi maandamine.
- 5V pesa 5V pesa kaudu saab arendusplaadi külge ühendatavaid lisakomponente varustada 5-voldise vooluga. 3,3V pesa 3,3V pesa kaudu saab arendusplaadi külge ühendatavaid lisakomponente varustada 3,3-voldise vooluga.
- Analoogpesad (A0–A5) Loetakse signaale analoogsensoritest ja teisendatakse need digitaalkujule. Analoogpesasid saab vajadusel kasutada ka signaali väljastamiseks.
- Digitaalsed pesad (D0–D13) Nende abil saab lugeda ja väljastada digitaalsignaali.
- Pulsilaiusmodulatsiooni (PWM) pesad Võimaldavad simuleerida analoogväljundit.
- AREF pesa Kasulik juhul, kui on vaja lugeda analoogsisendit kindla võrdluspinge suhtes.
- Lähtestamise nupp (Reset button) Taaskäivitab Arduino plaadile laaditud programmi. Kasulik testimisel ja koodi korduvaks käivitamiseks.
- Toite LED tuli Läheb põlema, kui Arduino saab toidet. Kui LED ei sütti, võib plaat olla vigane.
- TX ja RX LED tuled TX LED põleb andmete saatmisel, RX LED põleb andmete vastuvõtmisel.
- ATmega328P mikrokontroller Juhtib Arduino Uno arendusplaadi tööd.
- Pingeregulaator Reguleerib plaadile sisenevat pinget ja muudab selle sobivaks, kui sisendpinge on liiga suur.
Tanslation:
- Elekter/Электричество
- Elektriahi/Электрическая цепь
- Рисованная и принципиальная схема(примеры)
- Закон Ома
- Параллельное и последовательное соединение(опиши основные принципы)
- Микроконтроллер(примеры, картинки). Подробно разобрать составляющие платы Arduino Uno.
- Põhikomponeendid Arduino:
- Valgusdiood (LED)/светодиод,
- Nupp/кнопка,
- Piesosummer/пищалка,
- Fototakisti/фоторезистор,
- Takisti/резистор,
- Potentsiomeeter/потенцтометр,
- Temperatuuriandur/термодатчик,
- Servomootor/серводвигатель,
- Mootor/моторчик,
- Vedelkristallekraan/LCD экран
| Под действием напряжения источника питания, | U | Вольт |
| по проводникам и компонентам разного сопротивления, | R | Ом |
| от высокого потенциала, | + | «плюс» |
| к низкому потенциалу | – | «минус» |
| переносится заряд, | Q | Кулон |
| формируя электрический ток определённой силы, | I | Ампер |
| который совершает полезную работу, | W | Джоуль |
| превращаясь в другую энергию с некой скоростью. | P | Ватт |
Быстрая сборка схем
Для надёжной сборки устройств создаются индивидуальные печатные платы. Если делать их самостоятельно, это займёт много времени и заставит повозиться с химикатами и паяльником. Индивидуальные платы с промышленным монтажом на заказ крайне дороги при малом тираже.Для быстрой сборки электрических схем без пайки и без проблем существует макетная плата. Её же называют макетной доской, макеткой или breadboard’ом.
Принцип работы
Под слоем пластика скрываются медные пластины-рельсы, выложенные по незамысловатому принципу:
Пример использования
Одну и ту же схему на макетной доске можно собрать множеством способов. Пример одной из конфигураций разберём для такой схемы:
На что стоит обратить внимание:
- Цвета проводов, конечно же, значения не имеют. Однако хорошим тоном являетсяиспользование красных проводов для линии питания и чёрных или синих для линии земли
- Мы подключили источник питания к длинным боковым рельсам. Это позволяет не тянуть кнему самому большое количество проводов с разных участков схемы, а задача по его заменеили перемещению сильно упрощается
- Положение всей схемы на макетной доске не так важно. Важно взаимноеположение компонентов друг относительно друга
- Схема по горизонтали побита на отдельные участки, которые легко воспринимать и изменятьпо отдельности
Конденсатор
Конденсатор — крошечный аккумулятор, который очень быстро заряжается и очень быстро разряжается.
Основные характеристики:
| Ёмкость (номинал) | C | Фарад |
| Точность (допуск) | ± | % |
| Максимальное напряжение | V | Вольт |
Кодирование номинала
Номинал в пФ записан на корпусе. Первые 2 цифры — основание, 3-я — множитель.
Например:
- 220 = 22 × 100 пФ = 22 пФ
- 471 = 47 × 101 пФ = 470 пФ
- 103 = 10 × 103 пФ = 10 000 пФ = 10 нФ
- 104 = 10 × 104 пФ = 100 000 пФ = 100 нФ
Автоматическое управление
Замыкать и размыкать цепь, измерять напряжение также можно, не вручную, а автоматически, по заданному алгоритму при помощи запрограммированного микроконтроллера.
Существуют «сырые» микроконтроллеры, выполненные в виде одной микросхемы. Они дёшевы при массовом производстве, но их программирование и правильное подключение — нетривиальная задача для новичка.
Чтобы решить эту проблему, существуют готовые платы или, как ещё говорят, вычислительные платформы. Они делают процесс взаимодействия с микроконтроллером очень простым. Типичным представителем этого семейства являются платы Arduino.
Robootikasüsteemid
Selles peatükis uurime robootika- ja mehhatroonikasüsteemi, selle komponente ning ülesehitust. Lisaks vaatame kontrolleri funktsionaalsust ja lihtsat digitaalsignaali.
Mehhatroonikasüsteem
Mehhatroonikasüsteem koosneb üldjuhul anduritest, täituritest ja neid juhtivast tarkvarast. Selliseid süsteeme nimetatakse ka tarkadeks seadmeteks, kuna sõltuvalt juhtimise keerukusest võivad seadmed teha keerukaid operatsioone, kohanduda keskkonnaga ja suhelda ümbritsevaga. Mehhatroonika üheks levinuimaks rakendusalaks on robootika. Robootikaga seostub igaühele mingi tark masin või humanoid (inimesesarnane robot), paljudele tööstusinimestele aga manipulaator, keevitus- või värvimisrobot, jne. Siit nähtub, et inimestel on robootikast tegelikult väga erinev arusaam ja robotiteks võib nimetada väga erinevaid seadmeid, erineva keerukuse ja võimekusega, kuni nad vastavad eelmises peatükis kirjeldatud nõuetele (andur-kontroller-täitur). Joonisel 1 on näidatud tinglik mehhatroonikasüsteem ja nooltega on näidatud süsteemi osade ja väliskeskkonna omavaheline infovahetus ja selle suund.
Joonis 1. Mehhatroonikasüsteem. Andurid saavad väliskeskkonnast informatsiooni, mida kontroller kasutab otsuste vastu võtmiseks ning väljendab seda läbi täiturite (näiteks liikumine).
Andurid hangivad erinevat tüüpi informatsiooni seadet ümbritsevast keskkonnast (näiteks temperatuur, teiste objektide kaugus, raadiosignaalid) või ka seadmest endast (näiteks liikumiskiirus, kiirendus, mootori pöörlemiskiirus) ning edastavad selle juhtimismoodulile. Juhtimismooduliks on tavaliselt kontroller, kus täidetakse mingit algoritmi ehk programmi. Vastavalt programmile ja anduritelt saadud informatioonile juhib kontroller täiturmehhanisme, milleks tihtilugu on elektrimootorid. Täituriteks võivad olla ka solenoidid, tehislihased, pneumosilindrid jms. Üldjuhul tekitavad täiturmehhanismid mingi liikumise, mõjutades seega väliskeskkonda. Näiteks võib tuua lihtsustatud auto turvasüsteemi ja avariisituatsiooni (joonis 2)
Joonis 2. Auto turvapadi ja süsteemi skemaatiline mudel
Turvapadja süsteem on tüüpiline mehhatroonikasüsteem. See koosneb kolmest olulisest osast: andur, kontroller ja täitur. Kiirendusandur registreerib järsu kiirenduse muutuse ja edastab vastava signaali kontrollerile. Kontrolleri algoritm katkestab kõik muud auto juhttegevused ja saadab püropadrunile, mis on ühendatud auto turvapadjaga, käivitussignaali. Püropadrun vallandab turvapadja, täites selle kiirelt gaasiga ja kaitstes nii autojuhti löögi eest vastu rooli. Ongi andurkontroller-täitur ahel läbitud ja võime öelda, et tegemist on mehhatroonikaseadmega
Mikrokontroller
Mehhatroonikasüsteemi üks olulisem komponent on mikrokontroller ehk lühidalt kontroller, kus toimub info töötlemine ja käskude väljastamine täituritele. Kontrollerit võib tinglikult võrrelda ka väikese arvutiga, kus kõik funktsioonid (protsessor, mälu, sisend-väljund muundurid jms) on paigutatud ühele kiibile, ning seetõttu nimetatakse seda tihti ka mikrokontrolleriks. Loomulikult ei ole sellisel juhul arvutusvõimsus võrreldav koduarvutiga, aga on täiesti piisav robootikasüsteemide juhtimiseks. Mikrokontroller on väliselt sarnane tavalisele loogikalülitusele, kuid oluliseks erinevuseks on, et tema väljundviike saab tarkvaraliselt programmeerida nii, et nad toimivad vastavalt soovile ja kontrolleri võimalustele. See tähendab, et üks ja sama füüsiline viik võib olla sõltuvalt programmist sisendiks (info või signaal liigub kontrolleri suunas) või väljundiks (kontroller saadab signaali või infot). Sisendiga võib ühendada näiteks erinevaid andureid ja väljunditega erinevaid täitureid. Signaalid on lihtsamal juhul loogilised digitaalsignaalid (0 või 1), kus 0 tähendab elektriliselt pinge puudumist ja 1 üldjuhul toitepinget (näiteks 5V). Erinevate mikrokontrollerite kuju ja digitaalsignaali graafiline esitus on toodud joonisel 3.
Joonis 3. Mikrokontrollerid erinevates korpustes (vasakul) ja lihtne digitaalsignaal: loogiline 0 ja loogiline 1 (paremal)
Kontrollerite üheks eripäraks on nende väga lai valik. On lihtsaid ja odavaid, mis sobivad lihtsamate protsesside juhtimiseks, ning on keerukaid ja võimsaid paljude sisend-väljund viikudega kontrollereid. Lisaks on kontrollerid jaotatud funktsionaalsuse ja rakendusvaldkonna järgi. Näiteks autotööstuses kasutatavatele kontrolleritele esitatakse erinevad nõudmised kui kodumasinates olevatele kontrolleritele.
Mehhatroonikasüsteemide ja robotite juhtimiseks on oluline tunda mikrokontrollerite võimalusi ja osata konkreetsele kontrollerile programmi koostada. Peatüki II tase tutvustabki kontrollerite põhilisi võimalusi ja funktsioone.
Kordamisküsimused:
1. Mis on mehhatroonikasüsteemi peamised osad?
andurid, täiturid, kontrollerid ja mehaanilised komponendid.
2. Mis on kontrolleri funktsioon mehhatroonikasüsteemis?
töötleb kasutaja käske ja tajutud signaale, et genereerida käsusignaalid, mis saadetakse süsteemi ajamile.
3. Milliste seadmete abil saab robot informatsiooni?
infrapuna- (IR) andurid, ultraheliandurid ja mahtuvusandurid.
4. Tooge kaks näidet (kontrolleriga ühendatavat seadet), kus mikrokontrolleri füüsiline viik peaksolema seadistatud a) väljundiks ja b) sisendiks.
Auto turvapadi ja süsteemi skemaatiline mudel ja Mikrokontrollerid erinevates korpustes (vasakul) ja lihtne digitaalsignaal: loogiline 0 ja loogiline 1 (paremal)
Mikrokontroller
Selles peatükis uurime mikrokontrolleri lihtsustatud arhitektuuri ja loetleme peamisi mikrokontrolleri funktsioone. Lisaks vaatame mikrokontrolleriga seotavaid erinevaid sisend/väljund seadmeid.
Mikrokontroller
Mikrokontrollerit võib võrrelda pisikese arvutiga, mis lisaks oma põhifunktsioonile: instruktsioonide täitmisele, omab ka küllalt laia kiipi integreeritud perifeeriaseadmete ja liideste hulka. Liidesed võimaldavad mingil kokkulepitud standardil toimivat andmevahetust. Mikrokontrolleri põhiosaks on keskprotsessor, mille ülesandeks on sarnaselt tavalise personaalarvuti protsessorile täita programmi käske. Erinevalt tavalisest arvutist on mikrokontrolleris samasse kiipi lisatud veel töömälu (RAM), andmemälu (EEPROM) ja programmimälu (Flash), katkestuste kontroller ja mitmed liidesed, millest tuleb allpool täpsemalt juttu. Mikrokontrolleri skeemi on võimalik näha joonisel 1. Kõik kasutatud lühendid on järgnevas tekstis selgitatud.
Joonis 1. Mikrokontrolleri lihtsustatud arhitektuur
Mälu
Kasutaja seisukohalt on oluline eristada kahte tüüpi mikrokontrolleri mälu. Esimeseks mälutüübiks on programmimälu (Flash), kuhu laetakse mikrokontrolleri kompileeritud tööprogramm, milles sisalduvad kasutaja poolt koostatud instruktsioonid kontrolleri tööks. Selle mälu suurusest sõltub, kui mahukat ja keerulist programmi on konkreetsele mikrokontrollerile võimalik laadida. Väiksematel 8- bitistel mikrokontrolleritel nagu näiteks ATtiny on selle mälu suuruseks 0,5 – 8 kB ja suurematel sama tooteperekonna liikmetel ATmega 4 – 256 kB ning 32-bitistel kontrolleritel kuni 512 Kb. Teiseks mälutüübiks on andmemälu ehk EEPROM, mida saab kasutada sarnaselt arvuti kõvakettaga andmete säilitamiseks ka siis, kui kontrolleri toide välja lülitada. Mälu maht võrreldes tavalise kõvakettaga on väga väike, nt ATmega32 puhul 1024 baiti. Suuremate andmemahtude puhul on aga suhteliselt lihtne ühendada kontrolleriga tavaline välkmälu kaart (SD kaart) ja salvestada andmed sinna.
Registrid
Registriteks nimetatakse mikrokontrolleri mälupesasid, millel on kindel aadress ja nimi. Piltlikult on tegemist nagu lülititega, mida saab programmiliselt sisse ja välja lülitada ning kus igal niinimetatud lülitil on oma otstarve ja tähendus, näiteks muudab viigu suunda, lülitab sisse mingi funktsiooni või väljendab sisendandmeid (vt joonis 2). Kui tegemist on 8-bitise mikrokontrolleriga, siis on enamus registreid ka kaheksakohalised. Piltlikult oleks tegemist kaheksast lülitist koosneva paneeliga.
Joonis 2. Kontrolleri registri ja kujuteldavate lülitite illustratsioon.
juhtprogramme – флагманские программы
keetamine – приготовление
värmine – раскраска
kokkupanek – сборка
kirendata – отправить
ohutumist – безопасность
täpsus – точность
kiirus – Скорость
kallis alustada – дорого начинать
täitur – ispolnitel
