1697

го направления вектора скорости центра масс системы, однако подобные ме-

тодики оказываются эффективными только на достаточно высоких скоро-

стях. Наибольший интерес для современной робототехники представляет разработка комбинированных методик поддержания устойчивости, сочетаю-

щих расчет кинематических характеристик системы с высокоэффективными методами вероятностного и эвристического анализа.

1.3 Манипуляционные автоматизированные системы

Манипуляционный робот это автоматическая машина, состоящая из исполнительного устройства в виде манипулятора, имеющего несколько сте-

пеней подвижности, и устройства программного управления, которое служит для двигательных и управляющих функций. Основное распространение такие роботы получили в приборостроительной и машиностроительной отрасли. На рисунке 3 изображен промышленный манипулятор.

Рисунок 3 – Промышленный манипулятор IRB

Применяемый в качестве исполнительного устройства манипулятор является механизмом для управления пространственным положением ору-

дий, объектов труда и конструкционных узлов и элементов. Основная часть манипулятора состоит из механизмов со многими степенями свободы. Делят-

ся на управляемые и автоматические. Развитие манипуляторов привело к со-

зданию промышленных роботов. При их создании необходимо решение та-

ких задач, как создание манёвренности, устойчивости в работе, выбор пра-

вильного соотношения полезных и холостых ходов.

Различают следующие виды манипуляторов:

Манипулятор (в горном деле) основной механизм буровой ка-

ретки, предназначенный для перемещения в призабойном пространстве авто-

податчика с перфоратором (бурильной машиной).

Манипулятор (в металлургии) машина для выполнения вспомо-

гательных операций, связанных с изменением положения заготовки при об-

работке металлов давлением. Различаются прокатный и ковочный манипуля-

тор. В кузнечных и прокатных цехах используются подвесные и напольные

манипуляторы, которые являются разновидностью кантователей (механиз-

мов для переворачивания (кантовки) изделий).

Манипулятор (в ядерной технике) приспособление для работы с радиоактивными веществами, исключающее непосредственный контакт че-

ловека с этими веществами.

Манипуляторами оснащаются гидростаты для ведения океано-

графических и других работ на глубинах.

Платформа Гью-Стюарта разновидность параллельного манипу-

лятора, в которой используется октаэдральная компоновка стоек. Имеет шесть степеней свободы. Применяется в станкостроении, подводных иссле-

дованиях, авиационных спасательных операциях на море, летательных тре-

нажёрах, позиционировании спутниковых антенн, в телескопах и в ортопеди-

ческой хирургии.

Кран-манипулятор - мобильная грузоподъёмная машина, вклю-

чающая грузоподъёмный кран стрелового типа, смонтированный на автомо-

бильном шасси и служащий для его загрузки и разгрузки.

Для осуществления движения роботу требуется управление. Под эти понимается решение комплекса задач, связанных с адаптацией робота к кру-

гу решаемых им задач, программированием движений, синтезом системы

управления и её программного обеспечения.

По типу управления робототехнические системы подразделяются на:

а) Биотехнические:

1)командные (кнопочное и рычажное управление отдельными звеньями робота);

2)копирующие (повтор движения человека, возможна реализация обрат-

ной связи, передающей прилагаемое усилие, экзоскелеты);

3) полуавтоматические (управление одним командным органом, напри-

мер, рукояткой всей кинематической схемой робота);

б) Автоматические:

1) программные (функционируют по заранее заданной программе, в ос-

новном предназначены для решения однообразных задач в неизменных условиях окружения);

2)адаптивные (решают типовые задачи, но адаптируются под условия функционирования);

3)интеллектуальные (наиболее развитые автоматические системы);

в) Интерактивные:

1) автоматизированные (возможно чередование автоматических и био-

технических режимов);

2) супервизорные (автоматические системы, в которых человек выполня-

ет только целеуказательные функции);

3) диалоговые (робот участвует в диалоге с человеком по выбору страте-

гии поведения, при этом, как правило, робот оснащается экспертной систе-

мой, способной прогнозировать результаты манипуляций и дающей советы по выбору цели).

В развитии методов управления роботами огромное значение имеют достижения технической кибернетики и теории автоматического управления.

1.4 Использование роботизированных систем

Кроме промышленного использования, манипуляторы применяются и в химических отраслях. Существуют решения способные дозировать различ-

ные вещества, в основном использую системы без использования манипуля-

тора, построенные на принципе работы 3D принтеров. На рисунке4 изобра-

жена автоматическая дозирующая станция .

Рисунок 4 – Автоматическая дозирующая станция FitX

Подобные решения используются для непосредственного переливания исключительно жидких соединений посредством перемещения по всем осям координат для достижения конечного положения. Таким образом, подобные системы имею ограниченные функции и неспособны работать с летучими и ядовитыми веществами. Также имеют узкую специализацию.

Также имеются автоматизированные системы с использованием антро-

поморфных роботов. Данное решение более гибкое, но способно работать с ограниченным количеством реагентов, а также не имеет возможность расши-

рить свой функционал путем подключения дополнительных модулей. При использовании подобного решения запрещается работать с ядовитыми веще-

ствами в связи с особенностью конструкций.

В настоящее время данное направление слабо развито, и имеющихся решений мало, поэтому требуется разработать систему, удовлетворяющую необходимым требованиям. Главными условиями является работа с летучи-

ми и ядовитыми веществами, доступность, простота использование, создание безопасных условий труда для человека.

На данный момент имеется возможность разработать проект, который будет удовлетворять описанным требованиям. Используя микроконтроллер и элементы в свободном доступе, возможно создания химического манипуля-

тора, который будет выполнять однотипные действия, исключая человече-

ский фактор. Благодаря такому решению возможно будет повысить произво-

дительность химических лабораторий и смежных отраслей Одна из проблем, с которой сталкиваются инженеры во время проекти-

рования подобных проектов это прочность конструкции. Особенность состо-

ит в том, что имеющиеся манипулятор делятся на две категории. Это про-

мышленные громоздкие манипулятор, которые имеют большую стоимость и простые хобби манипуляторы, которые имеют малые размеры, но достаточно не точные для выполнения различных операций.

Для обеспечения точности использую пневматические системы, кото-

рые используются в основном на промышленных установках, но на данный момент есть возможность заменить пневматические элементы на электро-

двигатели с позиционирование, что позволяет создать малогабаритную си-

стему с достаточной точностью.

В будущем предполагается использовать различные датчики и камеры что позволит расширить функционал устройства и обеспечить корректировку при ошибках. На данный момент системы не имеют подобного решения и при неверной установки элементов, операция смешивания жидкостей будет невозможна. В дальнейшем предполагается расширение имевшихся возмож-

ностей путем использования камер и датчиков что позволит автоматизиро-

ванной системе ориентироваться в пространстве.

Также одно из перспективных развитий – это использование в других лабораториях. Частным примером является медицинских лаборатории, кото-

рые проводят анализ веществ. С использованием автоматизированной систе-

мы можно будет исключить человеческий фактор, увеличить точность иссле-

дований, обезопасить труд работников, а так же перераспределить обязанно-

сти.

В системе предполагается использовать манипулятор, который будет выполнять основные действия, микроконтроллер для обработки информации и управления манипулятором и автоматический химический дозатор позво-

ляющий производить забор и слив жидкости, а так же сброс использованных насадок. В основе манипулятора будут использоваться серводвигатели, поз-

воляющие достаточно точно позиционировать устройство в пространстве и поднимать требуемый вес.

На данный момент можно сделать вывод, что химические роботизиро-

ванные системы являются мало освящённой, но довольно востребованной тематикой. С использованием современных технологий возможно создать бюджетное, удобное, функциональное, модульное решение поставленной за-

дачи.

1.5 Цель исследования

Основными целями работы в данном направлении являются создание проекта позволяющего выполнять следующие функции:

- открытие/закрытие крышек химико-лабораторной посуды с жидко-

стями;

- дозирование и перенос жидких соединений между химико-

лабораторной посудой;

-перемещение и установка химико-лабораторной посуды с жидкостями на дополнительное оборудование (магнитная мешалка, электронные весы и др.);

-соблюдение временных интервалов между операциями.

-позволяет избавить сотрудников химических/биологических лабора-

торий от взаимодействия с опасными соединениями;

- результаты становятся более точными и легко воспроизводимыми;

- быстрый старт - не требуется специализированного обучения, так как система обладает визуальным, дружественным программным интерфейсом.

На данный момент уже имеются готовые решения, способные дозиро-

вать различные жидкости, но пока нет решения, позволяющего работать с ле-

тучими ядохимикатами. Для работы с такими веществами используется спе-

циальная химическая посуда с различными крышками, благодаря которым вещество не испаряется и не попадает в окружающую среду. Для работы с такой посудой необходимо иметь манипулятор с рабочим органом в виде клешни, благодаря которой можно захватывать предмет и открывать химиче-

ские бутыли. Сейчас среди автоматизированных химических лабораторий не используют подобное решение, поэтому они считаются узкоспециализиро-

ванными. Разрабатываемое устройство будет иметь широкий спектр функ-

ций, что позволит использовать его в различных отраслях.

Также, используя модульную систему, появляется возможность под-

ключать различные устройства необходимые в работе. Примерами являются магнитные смешиватели, электронные весы. Так же предполагается замена основного рабочего органа на другое устройство, что позволит работать с сыпучими твердыми и газообразными веществами.

Помимо аппаратной части предполагается разработка и программного обеспечения. Причем для каждого устройства разрабатывается собственной программное обеспечение , таким образом получается комплексное решение в виде нескольких программ и аппаратной части. Само программное обеспе-

чение должно выполнять все задачи ранее описание, а так же работать в ком-

плексе. По технических особенностям нельзя объединить несколько про-

грамм так необходимо несколько вычислительных устройств.

Одной из основных функций необходимых для данного проекта явля-

ется создание собственных алгоритмов перемещений и выполнений задач,

которые будут иметь возможность редактирования, малый объём и возмож-

ность дополнения без использования программного обеспечения. Так же про-

граммное обеспечение должно создавать команд для самого химического до-

затора.

1.6 Научное обоснование разработки комплекса

Рассматривая имеющиеся проекты, предназначенные для работы в хи-

мических, медицинских и других лабораториях в большинстве случаев не имеют возможность перемешать и взаимодействовать с имеющимися объек-

тами на столе или рабочей зоне. На данный момент появляется возможность разрабатывать подобные устройства для всех сфер, где необходимо взаимо-

действие с рабочей областью и предметами.

Используемые в проекте устройства на данный момент не имеют гото-

вого программного продукта для управления шестью сервомоторами. Так как для этого необходим микроконтроллер, специальное программное обеспече-

ние для микроконтроллера и сама программа для персонального компьютера,

удобная для пользователя. Так же если рассматривать аппаратную часть, то благодаря платформе ардуино появляется создавать бюджетные устройства и удобное программное обеспечение для самих микроконтроллеров, с возмож-

ностью расширения и улучшения продукта. Так же само программное обес-

печение занимает минимальное место на жестком диске персонального ком-

пьютера. АО мимо основных функций передвижений и управления программ имеет возможность создавать свои собственные библиотеки для дальнейшего воспроизведения. Сами алгоритм передвижения можно изменять в текстовом файле, а так же в дальнейшем использовать для других автоматизированных программ.

Основной особенностью данного программного обеспечения является управление автоматизированного химического манипулятора. Благодаря ис-

пользованию аппаратного звена в виде распаянного дозатора и мультиплек-

соров появляется возможность создавать алгоритм и для самого дозатора.

Основная сложная является в том, что недостаточно информационных выхо-

дов на платформе для управления дозатором и особенности использования электронных ключей. Таким образом, используя мультиплексоры, уменьша-

ется количество используемых информационных выходов и стабильная рабо-

та дозатора.

Подобные решения в виде химического манипулятора и автоматизиро-

ванного дозатора ранее нигде не использовались и не применялись, но имеет довольно большую эффективность и возможность оградить человека от вредного воздействия химикатов. Так же затронута сфера робототехники, ко-

торая на данный момент очень востребована и не изучена окончательно. Та-

ким образом, имеет смысл разрабатывать роботизированные устройства и программное обеспечения для них, что в свою очередь позволит нарабаты-

вать опыт в применении подобных устройств и улучшать производитель-

ность.

2 ТРЕБОВАНИЕ К ПРОЕКТУ

2.1 Назначение и цели создания проекта

Целью создания аппаратно–программного обеспечения является реали-

зация движения роботизированной химической лаборатории.

Разрабатываемые алгоритм предназначен для контроллера Arduino, ко-

торый будет обрабатывать передаваемую информацию внутри данной плат-

формы, и управлять внешними сервомоторами для движения маипулятора.

Основной проблемой написания алгоритма является правильное управление сервомоторов и учет задержек для каждого узла. При отсутствии программ-

ной реализаций данных требований может выйти из строя вся рука в целом,

так как из-за особенности конструкции могут сломаться сервомоторы и ме-

ханические части.

Для стабильности работы и возможности управление начальное поло-

жение сервомоторов при старте комплекса приводится в максимальное вытя-

нутое положение, что позволяет протестировать каждый узел в отдельности и дать начальную точку отсчета.

Для работы комплекса необходимо создать схему подключения и пита-

ния всех необходимых узлов, создать модульность для возможности расши-

рения и реализовать автоматическое передвижение при использование про-

грамм.

Система удовлетворяет следующим требованиям:

1)автономность;

2)возможность замены вышедших из строя компонентов;

3)возможность расширения;

4)комплекс должен осуществлять передвижение манипулятора;

5)возможность сохранения ранее выполненных действий;

6)возможность воспроизведения сохранённых действий;

7)управление химическим дозатором;

8)комплекс должен поднимать предмет требуемого веса;