1697

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

АМУРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ (ФГБОУ ВО «АмГУ»)

Факультет математики и информатики Кафедра информационных и управляющих систем

Направление 09.04.04 – Программная инженерия Магистерская программа Управление разработкой программного Обеспечения

ДОПУСТИТЬ К ЗАЩИТЕ Зав. кафедрой

_____________ А.В. Бушманов

«______»_____________2017г.

МАГИСТЕРСКАЯ ДИССЕРТАЦИЯ

на тему: Разработка аппаратно-программного комплекса для смешивания хи-

мических соединений

РЕФЕРАТ

Магистерская работа содержит 74 с., 21 рисунок, 1 приложение, 23

источника.

МАНИПУЛЯТОР, ЛАБОРАТОРИЯ, СМЕШИВАНИЕ, АРДУИНО,

ПРОГРАММИРОВАНИЕ, РОБОТЫ, РОБОТОТЕХНИКА, ПРОГРАММ-

НОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ, ПРИЛОЖДЕНИЕ, ПРОТОКОЛ, ОБМЕН ДАН-

НЫМИ, ДОЗАТОР, АЛГОРИТМ, СЕРВОМОТОР

На данный момент разработка роботизированных систем является актуальной тематикой, так как является новой и имеет большой потенци-

ал для применения.

Цель исследования: Разработать аппаратно программный комплекс для смешивания различных химических соединений, в том числе ядохи-

микатов.

Объектом исследования данной магистерской работы является мани-

пулятор для смешивания .

Выполнение работы включает насколько этапов.

Первым этапом является: исследование предметной области, форму-

лирование основных понятий о робототехнике, их видов и способов ис-

пользования.

На следующем этапе ставятся основные задачи, предъявляемые к проекту. Описывается характеристики всей системы, которая будет раз-

рабатываться, формулируются основные требования к системе.

Далее выбирается аппаратная часть проекта. Основные требования к платформе, обоснование выбора контроллера Ардуино, его возможные способы питания, основные характеристики.

После чего происходит непосредственно сборка всего аппаратного комплекса, подключение химического дозатора, выбор манипулятора.

После сборки необходимо разработать программное обеспечение для вычислительной платформы, а так же приложение для персонального компьютера.

В результате проведенного исследования была получена аппаратно программный комплекс, предназначенный для смешивания различных соединений, что является одним из новых продуктов в сфере автоматизи-

рованного смешивания. Данный проект, возможно, применять в химиче-

ских, биологических и медицинских лабораториях, а так же использовать как обучающий стенд для учебных заведений.

На данный момент имеется публикации в журнале «Молодежь XXI

века: шаг в будущее», «Системный анализ в медицине 2014» и «Систем-

ный анализ в медицине 2016».

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время тема робототехники мало освещена, но, благодаря новым технологиям, появилась возможность создавать и изобретать различ-

ные роботизированные механизмы. Для этого не требуются специальные ла-

боратории и производственные станки. Благодаря развитию микроэлектро-

ники и электроники в целом появилась возможность приобретать и програм-

мировать микроконтроллеры в удобной форме Разработка манипулятора для смешивания летучих веществ - это одна

из наименее освященных веток развития робототехники. Для создания такого проекта требуются электронная и механическая составляющие.

Основные цели, которые были поставлены при создании проекта, это разработка самого манипулятора, в бюджетном варианте с простой реализа-

цией на базе имеющихся материалов и средств, разработка программного обеспечения для управления устройством и создания алгоритмов

Помимо программирования требовалось выбрать подходящую меха-

ническую модель манипулятора, а после выбора необходимо изменить кон-

струкцию и обеспечить стабильную работу. За основу был выбран хобби ма-

нипулятор с последующей доработкой, а также приобретением специального дозирующего устройства и подключением его к микроконтроллеру.

В совокупности решение представляет собой аппаратно программный комплекс для выполнения необходимых задач. Так же при разработке учиты-

вается и мнение самих работников химических, биологических и других ла-

бораторий.

Актуальность поставленной задачи заключается в нее новизне и при-

менении новых технологий. Один из основных применений проекта - это ис-

пользование в химических лабораториях. С помощью готового проекта будет возможно работать с различными радиоактивными или химическими эле-

ментами, осуществлять химический анализ биологических объектов, смеши-

вать порошковые смеси. На данный момент уже имеются подобные решения,

но они громоздки или имеют большую погрешность. Наше решение предла-

гает бюджетный вариант с возможностью развития проекта и совершенство-

ванием конструкции под определенные нужды.

1 АНАЛИЗ ПРЕДМЕТНОЙ ОБЛАСТИ ПРОВОДИМОГО ИССЛЕ-

ДОВАНИЯ

1.1 Роботы и роботехнические системы

Робототехника – прикладная наука, которая занимается разработкой автоматизированных технических систем и являющаяся важнейшей техниче-

ской основой интенсификации производства. Основная отрасль применения роботов это промышленость, так как они занимают довольно большое поме-

щение, используют мощные моторы и их трудно программировать. С разви-

тием технологий удалось уменьшить и облегчить компоненты, не ухудшив при этом все остальные свойства. В настоящий момент имеется большое ко-

личество программируемых плат, к которым можно легко подсоединить дат-

чики и двигающиеся элементы. За счет развития появились мощные, ком-

пактные микроконтроллеры, которые могут выполнять довольно сложные задачи. Так же появилась возможность писать программное обеспечение для микроконтроллеров и программы, не на каких-то специфических языках или машинных кодах, а на более удобных и доступных языках. Для проектирова-

ния различных устройств требуются знания электроники, информатики, ра-

диотехники, механики и электротехники.

Основу любого роботизированного устройства составляют механиче-

ская, программная и электронная части. Разработка каждой части занимает продолжительное время и требует последовательности. В большинстве слу-

чаем механическая часть разрабатывается с нуля, исходя из проекта и финан-

совых возможностей. После этого подбираются электронные компоненты:

микропроцессор, сервомоторы, датчики и другие составляющие. Но основ-

ным элементом на данном этапе является контроллер-платформа, с помощью который будет осуществляться управление всеми остальными компонентами.

Для каждого проекта рассматриваются различные контроллеры и кри-

терии к ним, но главным фактором выбора является вычислительная мод-

ность и малое потребление питания. Исходя из этого, можно сделать вывод,

что полученное устройство будет автономным и выполнять определенный алгоритм работы. Но так же можно внедрить и ручное управление.

Можно выделить основные классы роботов широкого назначения: ма-

нипуляционные и мобильные роботы. Так же бывают и другие классы, но они малоприменимы и специфичны.

1.2 Мобильные автоматизированные системы

Мобильный робот – автоматическая машина, в которой имеется дви-

жущееся шасси с автоматически управляемыми приводами. Такие роботы могут быть колесными, шагающими, гусеничными, плавающими, летающи-

ми или ползающими.

Наиболее распространенными роботами данного класса являются че-

тырёхколёсные и гусеничные роботы. Так же создаются роботы, имеющие два или одно колесо. Такое решение позволяет упростить конструкцию робо-

та, а также придать роботу дополнительную манёвренность. Существует не-

которое количество прототипов сферических роботов. Некоторые из них для перемещения используют вращение внутренней массы. На рисунке 1 изоб-

ражен пример сферического робота.

Рисунок 1 – Пример сферического робота В настоящее время перспективой являются шагающие роботы. Это

двуногие роботы, которые способны продвигаться по полу, лестнице и пере-

сеченной местности. Имеется различные технологии, позволяющие таким роботам передвигаться. Одной из самых необычных является ZMP техноло-

гия. Бортовой компьютер управляет роботом таким образом, чтобы сумма

всех внешних сил, действующих на робота, была направлена в сторону по-

верхности, по которой перемещается робот. Благодаря этому не создаётся крутящего момента, который мог бы стать причиной падения робота. На ри-

сунке 2 изображён робот, способный перемещаться шагающим методом.

Рисунок 2 –Шагающий робот CHARLI

Альтернативой данного метода является прыгающие роботы, которые сохраняют свое равновесие за счет прыжков. При использовании алгоритма на двух и четырех ногах появляется способность к бегу.

Одной из самых удачных и широко применимых методов для шагаю-

щих роботов являются адаптивные алгоритмы поддержания равновесия. В

основном они базируются на расчете отклонений мгновенного положе-

ния центра масс робота от статически устойчивого положения или некоей наперед заданной траектории его движения. При движении робот поддержи-

вает постоянным отклонение текущего положения центра масс от точ-

ки статической устойчивости, что влечет необходимость своеобразной по-

становки ног, а также создает проблемы с остановкой машины на одном ме-

сте и отработкой переходных режимов ходьбы. Адаптивный алгоритм под-

держания устойчивости также может базироваться на сохранении постоянно-