Můj první robot

Tvorba technických projektů se stále častěji stává multioborovou záležitostí. Podívejme se například na automobil, automatickou pračku stejně dobře jako například na pevný disk počítače. Všechny tyto problémy mají něco společného. V předvýrobní fázi vznikají převážně pomocí výpočetní techniky pomocí technologií a postupů vázaných na strategie správy životního cyklu výrobku, Product Lifecycle Management (PLM), která se opírá o využití digitálního 2D a 3D prototypu. Cílem těchto návrhů je vytvořit co možná nejvěrnější digitální originál přibližující se návrhu budoucího výrobku jak z hlediska geometrické, vizuální a funkční podoby. Ať již využijeme CAD aplikaci pro návrh konstrukčního řešení, CAE pro přípravu a optimalizaci pohybů ve spojení s analýzami FEM, které mohou odhalit nemalé budoucí problémy například v oblasti pevnosti nebo chlazení nebo navrhneme simulaci digitálního obvodu řídícího regulační a spínací obvody, vždy se jedná o maximální integraci sofistikovaných konstrukčních postupů.

V případě, že je vše vyladěno a navrhnuto tak jak má, můžeme přistoupit k dalšímu kroku, který je výrazně ovlivněn moderními produkčními postupy opírajícími se opět o velmi konkrétní provázanost produkčního procesu s původní digitální podobou budoucího výrobku. 2D a 3D souřadné obráběcí stroje nebo nejmodernější 3D tiskárny začínají produkovat na základě digitální podoby výrobku jeho skutečnou finální podobu.

Naše téma věnujeme nemalému úkolu, který je zpracován od prvopočátku identickými postupy a technologiemi jak je tomu v běžné technické praxi. Našim cílem je ukázat až neskutečnou pestrost a možnosti dnešních technologií, které jsou využívány v globálním průmyslu v oblasti předvýrobních a produkčních etap. Pokusíme se hledání propojení jednotlivých oborů v technicky nápaditých tématech, které v sobě spojují často problémy mechaniky, elektroniky, robotizace a výpočetní techniky. Pokusíme se o vytvoření pohybujících se strojů po zemi, ve vzduchu s autonomním řízením pomocí mikropočítačů a složitých elektronických systémů.

Na naší stránce se pokusíme o nastínění hlavních postupů a využívaných technologií, které lze při zpracování této problematiky nasadit. Nebudeme se bát i jistého experimentování na úrovni zcela nových software nástrojů, které jsou k dispozici v akademické síti Autodesk Academia, případně v licenčních modelech jiných firem, které máme na škole. 

S robotem ve vzduchu

Začněme velmi zajímavým tématem, které původně zpracoval Ondra Haman jako své maturitní téma a dokonce se dostalo z naší školy na obálku předního odborného časopisu. Úplný odborný článek si můžete přečíst v našem archivu (obálka (JPG), 1. strana (JPG), 2. strana (JPG), 3. strana (JPG)). Řiditelné létající prostředky jsou zařízeními se širokým využitím jak v technické tak netechnické praxi. Prakticky většina moderních létajících prostředků současnosti je řízena technologií Fly by Wire. Elektronické systémy s výkonnými mikropočítači v roli hlavních řídících jednotek dokáží respektovat nejen příkazy pilota, ale také vlastních navigačních a stabilizačních systémů senzorů. Výkonný software se poté synchronně postará o veškeré nastavení a optimalizaci parametrů řízení jednotlivých pohonných s řídících jednotek.

Díky precizní a stále chytřejší digitální elektronice mohou vzlétnout i stroje, které byly v dřívějších dobách pouze na stránkách vědecko-fantastických románů a součástí filmových trikových scén. Kudy se bude opravdu ubírat vývoj skutečných létajících strojů, není zatím zřejmé, ale již dnes si můžeme ověřit řadu odborných teorií a postupů na skutečných a funkčních modelech. Spojení složité mechaniky opírající se o moderní materiály, aerodynamiku, výpočty a především vysokou úroveň elektronizace, dává od počátku naději, že se může jednat o ambiciózní řešení s velmi zajímavým výstupem z výuky.

Multirotorové létající stroje by nebylo prakticky bez výkonné řídící elektroniky ovládat vůbec. Mimo rotorů s vrtulemi a hromady elektroniky na nich nenajdeme snad jedinou součást, která by připomínala letitou klasickou koncepci letadel a vrtulníků.Koncepce a podstata schopnosti vzletu multikoptéry vychází z jednoduchého matematického předpokladu, který je dán vektorovým součtem aktuálního tahu na jednotlivých rotorech. Standardně se využívá čtyř až dvanácti hnaných rotorů. Existují i varianty tří a dvou rotorové, ale ty již vyžadují pro let jistou mechanickou modifikaci natáčení rotorových hlav, která je již konstrukčně složitější. Řízení směru letu je pak řešeno diferenciací rotace jednotlivých hnacích jednotek, za které považujeme samostatný střídavý elektromotor s pravo nebo levo běžnou vrtulí pro kompenzaci rotačního momentu.

Právě toto téma jsme zvolili za jedno z prvních. Konstrukci, kterou si ukážeme, zpracoval Ondra Haman a ta byla dále modifikována pomocí mikropočítače Arduino pro podporu osvětlení a gps řízení. Pro kompletní vývoj multikoptéry bylo využito hned několik aplikací z oblasti PLM technologií a primární konstrukce probíhala v podobě 3D digitálního prototypu s následnou vazbou na přípravu výroby v CAM aplikacích a jejich obrábění na CNC strojích. Některé tvarově specifické díly byly vytvářeny pomocí 3D tisku. Poměrně rozsáhlou přípravou prošla příprava řídící a programové části s využitím gyroskopické stabilizace KK multicopter flight control board a integrace mikropočítače Arduino.

Konstrukční návrhy multikoptéry jsou realizovány pomocí Autodesk Inventoru a cloudového řešení Autodesk Fusion. Na některou z našich zkušeností, se můžete podívat v národním odborném tisku (PDF). Aplikace disponují vysokým množstvím intuitivních nástrojů, které je možné při tvorbě variantního digitálního prototypu využít. Strategií řešení je návrh snadné modifikace ramen s ohledem na počet hnacích jednotek. Velmi důležitou roli hraje rozmístění jednotlivých komponent tak, aby byla dodržena správná poloha těžiště létajícího stroje. Právě v této oblasti je 3D model ideálním podkladem pro analýzy. Součástem sestavy lze jednoduše přiřadit na úrovni atributů jejich fyzikální a materiálové vlastnosti, což je výborným základem pro výpočty a stanovení limitních hodnot. Optimální polohu těžiště multikoptéry je možné i při variantních sestavách udržet v rámci několika milimetrů, což je pro model dané velikosti naprosto vyhovující.

Mikroprocesorový systém řízení s přesnou stabilizací a regulací otáček

Samostatnou návrhovou etapu řešení vyžadovala vlastní řídící elektronika. Ta se skládá z odpovídajícího počtu regulátorů otáček pro střídavé elektromotory a z centrální programovatelné procesorové jednotky, která je pomyslným mozkem řízení multikoptéry. Elektronika je osazena v současné době již velmi přesnými tříosými gyroskopy a akcelerometry, bez kterých by byl stroj jen hromádkou neřiditelných součástek. Tak jak u létajících strojů s pevným křídlem operujeme při stanovení řiditelnosti především s aerodynamickými hodnotami, u multikoptéry je let především věcí přesné regulace otáček hnacích jednotek s vrtulemi, které na rozdíl od klasického vrtulníku mají pevnou geometrii listů.

Multirotorový systém řízení zpracovává řídící informace na základě přesných údajů z gyroskopických MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) snímačů a předává je jednotlivým střídavým regulátorům, které upravují otáčky pohonných rotorů. Vlastní automatizace provozu probíhá především v centrální stabilizaci multirotorového systému v procesu visení a návratu na základě souřadných koordinátů.

Vlastní řídící elektronika se skládá ze dvou obvodových desek. Obě jsou postaveny na procesoru Atmel Atmega. První část řízení se stará o přesnou gyroskopickou stabilizaci multikoptéry a o její řízení na základě vstupních údajů z přijímače, druhá část řízení je postavena na obvodové desce Arduino Uno a rozšiřuje funkčnosti přijímače o správu osvětlení a zpracování údajů z GPS přijímače. Základ programového vybavení stabilizačního systému vychází z KK multicopter flight control board. Programové vybavení pro Arduino je vytvořeno a simulováno pomocí cloud nástroje Autodesk 123D Circuits.

Návrh průmyslového robota, jeho konstrukce, výroba a programování

Dalším velmi zajímavým tématem, které je z hlediska zpracování a programového vybavení jednodušší je vytvoření programově přizpůsobitelných robotů ve výuce. Cílem tohoto projektu je umožnit žákům a studentům naší školy využít opět dostupného software a produkčních technologií a na různých úrovních složitosti vytvářet jejich programové vybavení. Základem tohoto řešení je mikropočítač Arduino, který umožňuje přímé řízení sad analogových, případně digitálních serv umožňujících vysoce přesné pohybové interpretace. Základní koncept projektů vychází obdobně jako tomu bylo u modelu multikoptéry z maximálního sblížení skutečné projektové přípravy a produkce s odbornou výukou s přímou vazbou na využití vyspělých PLM nástrojů pro navrhování, simulace a testování.

Velmi pěkným variantním tématem z průmyslové praxe k vývoji dronu je návrh koncepce průmyslového robotického pracoviště. Proč ale neuchopit ve výuce tento problém trošku jinak a nepodívat se na problematiku digitálního řízení výroby komplexněji s využitím technologií, které jsou na škole k dispozici. Základní cílem projektu řešeného v rámci odborné výuky je kompletní zmapování produkce průmyslového robota od jeho prvotních koncepčních studií až k jeho fyzické realizaci z hlediska hardware a software. Výsledkem je funkční celek, který je řízen mikropočítačem na základě software vybavení vytvořeného v rámci výuky. 

Projekt je rozložen v průběhu třetího ročníku studia do několika samostatných částí:

• Řešení konceptu a sestavy robota – s využitím nejmodernějších produkčních PLM nástrojů je realizován základní návrh robotického pracoviště
• Řešení pohybových vazeb robota – s využitím nástrojů pro simulaci pohybů a kinematiky definovat správné vazby robota a umístění translačních a rotačních jednotek
• Vývoj řízení robota – využít na trhu dostupných mikropočítačů a jejich vývojového software vybavení pro řešení řízení pohybů robota
• Výroba robota – využít technického vybavení ve školních dílnách pro výrobu robota s využitím programově řízených strojů, laserového řezání a 3D tisku 

Cílem projektu je fyzicky realizované zařízení, které je koncepčně přizpůsobeno finančním možnostem školy a jednotlivých studentů. Rozpracování této problematiky například v podobě závěrečných maturitních projektů je bezesporu velmi zajímavou fází výuky. Volba výrobních procesů, potřebného technického a software vybavení s uživatelsky programovatelným mikropočítačem, je citlivě optimalizována s ohledem na výuku základů programování v jazyce Microsoft Visual C++ a cloud vývojovými nástroji pro mikropočítače Arduino.