Mis on 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. Teisest vaatekohast jaotatakse robotid kaheks rühmaks: Maailma esimene robot Unimate, mis võttis valuvormist kuumusest veel punaseid autodeukse käepidemeid, jahutas neid vedelikus ja suunas edasiseks töötlemiseks…
1 Mis on 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.
Teisest vaatekohast jaotatakse robotid kaheks rühmaks:
- humanoidid ja teised bioloogilistest olenditest inspireeritud robotid.
Maailma esimene robot Unimate, mis võttis valuvormist kuumusest veel punaseid autode
ukse käepidemeid, jahutas neid vedelikus ja suunas edasiseks töötlemiseks liinile.
2 Robotite arendamis põlvkonnad. Nimeta ja seleta.
- Esimese põlvkonna robotid suurendasid inimese füüsilist võimekust. (robotkäsi, nõudepesumasin)
Esimese põlvkonna robotid olid lihtsa ehitusega ning neil puudus ümbrusetaju ehk andurid. Oma tööd suutsid nad teha vaid muutumatutes tingimustes. Robot sooritab identseid liigutusi korrektselt.
- Teise põlvkonna robotid analüüsivad informatsiooni täpsemate ülesannete tegemise jaoks. (automaatselt süttiv lamp, fikseeritud liikumisega)
Teise põlvkonda kuuluvad robotid, mis suudavad andurite abil reageerida keskkonnas toimuvatele muutustele. Kuna robot suudab keskkonda tajuda, siis tema efektiivsus sõltub suuresti tarkvarast, mis teda juhib. Teise põlvkonna robotid kasutavad andureid keskkonna tajumiseks ja neid programmeeritakse iseseisvalt tegutsema.
- Kolmanda põlvkonna robotid on väljatöötamisel, mis peavad end areneda iseseisvalt. (ise keeli õppiv robot)
Kolmas põlvkond on veel väljatöötamisel. Kolmanda põlvkonna robotid suudavad olukordi analüüsida ja õppida.
3 Miks manipulaatorid ei ole robotid?
Manipulaator on seade või masin, mida inimene juhib. Erinevalt väärarusaamadest pole manipulaatorid robotid, kuna neid juhib vahetult inimene. Manipulaatorid pole võimelised autonoomselt töötama. Manipulaatorite tööks vajalikku informatsiooni saadakse läbi inimese meeleelundite ning see informatsioon töödeldakse inimese peas. Seega on manipulaatorid pelgalt täiturid. Tuntud manipulaatorid on puldiautod ning lülitiga lambid.
4 Mis on masinate eelised võrreldes inimtööjõuga?
Kuna robotid on mehhaanilised seadmed, siis nad ei väsi ega tüdine, mis teeb nad ideaalseteks rutiinse töö tegijateks. Seepärast kasutatakse roboteid paljudes tööstusettevõtetes üksluise töö kiiremaks ning kvaliteetsemaks tegemiseks. Lisaks ei ole robotid nii tundlikud töötingimuste koha pealt kui inimesed, neid saab kasutada ka mürarikastes halvasti valgustatud töökohtades ja isegi sellistes kohtades, kus inimese töötamine on eluohtlik kiirguse vms tõttu. Roboteid kasutatakse ka seal, kuhu inimesi ei saa saata tööd tegema, nt ookeanipõhja uurima ja Marsile. Peale selle saab roboteid kasutada ka meelelahutuslikel eesmärkidel. Näiteks intelligentsed mänguasjad ja tantsivad robotid.
5 Millised kolm tingimust peavad olema täidetud, et teatud masinat või seadet saaks robotiks nimetada?
- Sensorid, mis saavad informatsiooni
- Kontroller, mis analüüsib informatsiooni
- Uuest informatsioonist tegemise muutmine
6 Millistes Eesti tööstusettevõtetes võiksid mehhatroonikud töötada?
Kirjuta definitsioonid:
- Robot — on masin — eriti üks programmeeritav arvuti — võimeline teostama keerulisi tegevusi automaatselt.
- Robootika -tehnikateaduse ja tehnoloogia valdkond, mis tegeleb kõigega, mis on vajalik robotite ehitamiseks : disain, konstrueerimine, algoritmide väljatöötamine, robotite valmistamine ja rakenduste leidmine.
- Manipulaator — on seade või masin, mida inimene juhib
- Mehhatroonika — on mehaanika, elektroonika ja informaatika sünergeetilisel koostoimel põhinev rakendusteadus
- Andur — seade, mis muudab füüsikalise suuruse (kaugus, temperatuur jne) elektrisignaaliks, mida on parem edastada, töödelda ja võimendada.
- Täitur — seade mis teostab mingit operatsiooni, näiteks põhjustab liikumise
- Kontroller — väike arvuti, mida kasutatakse protsesside või masinate juhtimiseks. Selleks on kontrollerile laaditud inimese koostatud programm.
Elektri mõiste
Hüdraulikasüsteem
| Pumba surve all, | Pascal |
| erineva ristlõikega torude ja klappide kaupa, | 1/см² |
| kõrgrõhualast | |
| madalrõhkkonda | |
| kantakse vedeliku kogus, | м³ |
| moodustades teatud tugevuse voolu, | м³/sek |
| mis teeb kasulikku tööd, | Joul |
| edastades energiat turbiinile mingi kiirusega. | Vatt |
Elektriahel
| Toiteallika pinge mõjul, | U | Volt |
| dirigentide ja erinevate takistuskomponentide järgi, | R | Om |
| kõrgest potentsiaalist, | + | «pluss» |
| madalale potentsiaalile | — | «miinus» |
| kantakse laengut, | Q | Kulon |
| moodustades teatud tugevusega elektrivoolu, | I | Amper |
| mis teeb kasulikku tööd, | W | džaul |
| muutudes teistsuguseks energiaks mingi kiirusega. | P | Vatt |
Põhimõttelised skeemid
Kujutamaks paberil, kuidas üks või teine elektriahel peaks välja nägema, kasutatakse skeeme. Skeeme on igasuguseid, millel on oma eelised ja puudused.
Allpool on esitatud sama elektriskeem, mis on kujutatud erinevalt, neljas variatsioonis.
Joonistatud skeem
on ilus, kuid tülikas ja ebapraktiline:
Põhimõtteline skeem
Peamised elektriseadused
Ohmi seadus
Ohmi seadus on peamine elektriseadus.
Võimsus
Võimsus — elektrienergia teisendamise kiiruse meede
Ohmi seadust teades võib täheldada, et võimsust saab arvutada teisiti:
Maailm ei ole täiuslik ja osa elektrist transformeerub kindlasti soojuseks. Selle pärast soojenevadki arvutid, telefonid, televiisorid ja muu elektroonika.
Järjestikune ühendus
Jadaühenduse korral on voolutugevus igas tarbijas sama, pinge on erinev: igas komponendis langeb selle osa.
Paralleelne ühendus
Paralleelselt ühendades on pinge iga tarbija ümber sama, voolutugevus on erinev: igaüks tarbib voolu vastavalt oma takistusele.
Automaatne juhtimine
Ahela hägustamine, pinge mõõtmine on võimalik ka mitte käsitsi, vaid automaatselt, vastavalt etteantud algoritmile, kasutades programmeeritud mikrokontrollerit.
On olemas «toored» mikrokontrollerid, mis on tehtud ühe mikroskeemina. Nad on odavad masstootmisel, kuid nende programmeerimine ja õige ühendamine on algajale ebatriviaalne ülesanne.
Selle probleemi lahendamiseks on olemas valmisplaadid või, nagu öeldakse, arvutusplatvormid. Need muudavad mikrokontrolleriga suhtlemise väga lihtsaks. Selle perekonna tüüpiline esindaja on Arduino tasud.
Kiire skeemide kokkupanek
Seadmete usaldusväärseks monteerimiseks luuakse kohandatud trükkplaadid. Kui neid ise teha, võtab see kaua aega ja sunnib kemikaalide ja jootekolviga tegelema. Tööstusliku paigaldusega kohandatud tasud on väikese tiraažiga äärmiselt kallid.
Elektriskeemide kiireks kokkupanemiseks ilma jootmiseta ja probleemideta on makettplaat. Seda nimetatakse makettplaadiks, maketiks või breadboard’iks.
Tööpõhimõte
Plastikihi all on peidetud vaskplaadid-rööpad, mis on laotud ebamäärasel põhimõttel:
Kasutamise näide
Sama skeemi paigutustahvlil saab kokku panna mitmel viisil. Näide ühest konfiguratsioonist, mis on seotud sellise skeemiga:
Mida tasub tähele panna:
- Juhtmete värvidel pole muidugi tähtsust. Kuid hea toon on kasutada punaseid juhtmeid toiteliini ja must või sinine maa joon.
- Ühendasime toiteallika pikkade külgrööbastega. See võimaldab mitte tõmmata kõige rohkem juhtmeid erinevatelt skeemi aladelt, vaid selle asendamise või teisaldamise ülesanne on oluliselt lihtsam.
- Kogu skeemi asend tahvlil ei ole nii oluline. Oluline on komponentide vastastikune asend üksteise suhtes.
- Skeem on horisontaalselt eraldatud üksikutele aladele, mida on lihtne üksikult tajuda ja muuta.
Resistor
Resistor on tehislik «takistus» voolu jaoks. Takistus puhtal kujul. Resistor piirab voolutugevust, viies osa elektrist soojusesse.
| Takistus (nominaal) | R | Om |
| Täpsus (tolerants) | ± | % |
| Võimsus | P | Vatt |
Takistite värviline kodeerimine
Takisti nime kandmine korpusele numbritega on kulukas ja ebapraktiline: need on väga väikesed. Nii et nominaali ja tolerantsi kodeeritakse värviliste triipudega.
Erinevad takistite seeriad sisaldavad erinevat hulka ribasid, kuid dekrüpteerimise põhimõte on sama.
Takisti korpuse värv võib olla beež, sinine, valge. See ei mängi rolli.
Kui te ei ole kindel, kas olete ribad õigesti lugenud, võite end multimeetriga kontrollida.
Diood
Diood on elektriline «nippel». Sellel on 2 poolust: anood ja katood. Voolu juhitakse ainult anoodilt katoodile.
| Otsepinge langus | Vf | Volt |
| Maksimaalne vaoshoitud pöördpinge | Vdc | Volt |
| Maksimaalne otsevool | If | Amper |
Volt-ampri omadused
Pärast seda, kui pinge otsesuunas ületab väikese läve Vf diood avaneb ja hakkab praktiliselt takistamatult läbi laskma voolu, mille tekitab ülejäänud pinge.
Kui pinge on vastupidises suunas, hoiab diood voolu tagasi kuni Vdc suure pingeni, misjärel see läbistatakse ja toimib nagu otsesuunas.
Dioodide liigid
Sirgendusdiood
Tuntud ka kui kaitsev, räni
- Vf = 0,7 В
- Vdc — on sadu või tuhandeid volte
- Avaneb aeglaselt
- Taastatakse pärast tagasivoolu purunemist
Scotty diood
Scotty on tema leiutaja perekonnanimi. Ta on tuntud ka kui signaal, germaanium.
- VF = 0,3 B
- Vdc — kümneid volte
- Avaneb kiiresti
- Põleb pärast proovimist tagasivooluga
Zenneri diood
Zenner on tema leiutaja perekonnanimi. Tuntud ka kui stabilitron
- Vf = 1 B
- Vdc — on fikseeritud väärtus valimiseks
- Tahtlikult kasutatakse vastupidises suunas fikseeritud pinge allikana
Valgusdiood (LED)
LED (inglise keeles. Light Emitting Diode või lihtsalt LED) on energiatõhus, usaldusväärne, kauakestev «pirn».
LED on dioodi liik, mis helendab, kui seda läbib vool anoodist (+) katoodini (-).
Peamised omadused
| Pingelangus | Vf | Volt |
| Nimivool | I | Amper |
| Intensiivsus (heledus) | Iv | Candela |
| Lainepikkus (värv) | λ | Nanomeeter |
Valguslainete tajumine inimese poolt
Lülitamise tüüpskeem
LED-i enda takistus pärast küllastumist on väga väike ja ilma takistita, mis piirab voolu läbi LED-i, põleb see läbi.
Järjekord: «resistor enne» või «resistor pärast» ei ole oluline.
Otsi sobivat takistit
Arvutame välja, millise R-takisti me peame võtma, et saada optimaalne tulemus. Oletame, et meil on selline LED ja toide :
Leiame optimaalse R-takistuse ja Pr-takisti minimaalse lubatud võimsuse.
Kõigepealt saame aru, millist pinget takisti peab võtma :
Ohmi seaduse järgi leiame vastupanu väärtuse, mis tagab sellise languse :
Seega :
- kui takistus on üle 135 oomi, jääb heledus väidetust madalamaks
- alla 135 oomise takistuse korral on LED-i eluiga väiksem
Nüüd leiame võimsuse, mida takisti peab hajutama :
See tähendab, et takisti võimsusel alla 54 mW põleb takisti üle.
Lihtne reegel :
Et mitte tegeleda takisti arvutamisega iga kord katsete ajal, võite lihtsalt meelde jätta reegli kõige tüüpilisemale stsenaariumile.
Toiteks 1 LED 20 mA 5 V kasutada takisti 150 kuni 360 omi.
Nupp
Taktnupp on lihtne, kõigile tuntud mehhanism, mis lülitab ahela välja, kuni on surve tõukurile.
4 kontaktiga nuppe tasub vaadata kui 2 paari rööpaid, mis ühendatakse vajutades.
Drebez’i efekt
Plaatide vahel tekib lühise ja hägustumise korral mikrosäde, mis provotseerib kuni kümmekond lülitust mõne millisekundiga. Nähtust nimetatakse dreveshiks (inglise keeles — «bounce»). Sellega tuleb arvestada, kui on vaja «klikke» fikseerida.
Liitumisskeem
Küsitakse otseühendust. Aga see on naiivne, vale viis.
Kuni nupp on vajutatud, väljundpinge Vout = Vcc, kuid niikaua kui see on vabastatud, Vout ≠ 0.
Nupp ja juhtmed sel juhul töötavad nagu antenn, ja Vout «müra», võttes juhuslikud väärtused «õhust».
Kuni ühendus puudub, tuleb anda varu, nõrk tee, mis muudab pinge kindlaks. Selleks kasutatakse ühte kahest võimalusest.
Skeem tõmbetakistiga
- Seal on klõps: Vout = Vcc
- Puudub klõps: Vout = 0
Skeem pinguldava takistiga
- Seal on klõps: Vout = 0
- Ei vajuta: Vout = Vcc
LED-koostud
Paljud indikaatorkomponendid on mitu eraldi LED-i ühes korpuses.
LED-skaala
LED-skaala on kümmekond eraldi LED-i, igaüks oma anoodi ja katoodiga
Seitsmesegmendiline indikaator
Seitsmesegmendiline indikaator on kaheksa LED-i ühes korpuses: 7 segmenti + punkt. Iga LED-i anood on eraldi ja katood on kõigil ühine, 3 või 8 jalaga
Paigaldamine makettplaadile
Ühendamiseks breadboard’iga kasutage keskel olevat soont, et vältida jalgade sulgemist vastaskülgedele.
Piirdetakistid
Kasutage iga LED-i jaoks eraldi takistit, muidu erineva arvu sisselülitatud segmentide korral nende heledus «hüppab». Isegi kui kõik LED-id lülituvad sisse ja välja sünkroonselt, on parem sellest reeglist kinni pidada. Valgusdioodid võivad üksteisest veidi erineda oma voltamperiomaduste poolest. Esimene avatu laseb läbi voolu, mis on mõeldud kõigile. Miks ta võib rivist välja langeda ja «estafett» läheb järgmisesse.
Laia-impulsi modulatsioon
Mikrokontrollerid ei suuda tavaliselt meelevaldset pinget välja anda. Nad võivad välja anda kas toitepinge (nt 5 V) või maa (st. 0 B)
Kuid pingetaset juhitakse palju: näiteks LED-i heledus või mootori pöörlemiskiirus. Mittetäieliku pinge simulatsiooniks kasutatakse SIM-i (ShirotnoImpulss Modulation, ingl. Pulse Width Modulation või lihtsalt PWM)
Kasutamine
Mikrokontrolleri väljund lülitub maa ja Vcc vahel tuhandeid kordi sekundis. Või, nagu öeldakse, on tal tuhandeid hertse. Silm ei märka üle 50 Hz virvendust, nii et me arvame, et LED ei virvenda, vaid põleb täisvõimsusel.
Samamoodi ei suuda lagunenud mootor võlli peatada millisekunditega, nii et SIMsignaal paneb selle pöörlema pooliku jõuga.
Savikas
Sisselülitamise ja väljalülitamise aega nimetatakse squartvuseks
(ingl. «duty cycle»). Vaadelgem mõningaid stsenaariume, kui Vcc toitepinge on võrdne 5 voldiga.
Bipolaarne transistor
Transistor on elektrooniline nupp. Nuppu vajutatakse sõrmega ja bipolaarset transistori vooluga.
Transistorid kasutavad võimsate koormuste juhtimiseks nõrku signaale mikrokontrollerilt.
- Jala, mis täidab «nupu» rolli, nimetatakse baasiks (inglise keeles. base).
- Kuni baasist voolab läbi väike vool, on transistor avatud:
- suur vool võib voolata kollektorisse (ingl. collector).
- ja tuleneda emitterist (ingl. emitter) Peamised omadused
Peamised omadused
| Max. pingekollektor-emter | Vce | Volt |
| Maksimaalne vool läbi | Ic | Amper |
| Võimendustegur | Hfe |
Pingejagaja
Järjestikku ühendatud takistid jagavad neile saabuva pinge teatud proportsioonis
Proportsiooni arvutamine
Takistite kaudu voolav voolutugevus on sama. need on ühendatud jadamisi ja Ohmi seaduse järgi võib arvutada:
Sama Ohmi seaduse järgi saab arvutada Vout pinge, mis langeb R2 takistile:
Saadud valemist selgub, et mida suurem on R2 R1 suhtes, seda suurem pinge sellel langeb.
Resistive sensorite lugemine
Kui kasutada R2 asemel mitte püsitakistit, vaid andurit, mis muudab oma takistust, sõltub Vout mõõdetavast väärtusest.
Mikrokontroller oskab pinget mõõta. Nii saame kasutada pingejaguri omadusi sensori näitude saamiseks.
Takistusandurite näited
Termistor muudab oma takistust sõltuvalt oma temperatuurist Fotoresistor
Fototakisti (inglise keeles. Light Dependent Resistor või lühendatult LDR) muudab oma takistust sõltuvalt valguse tugevusest, mis langeb tema keraamilisele «mahlale»
Potentsiomeeter
Potentsiomeetrit nimetatakse ka vahelduvaks takistiks, trimmeriks. See on kahe takisti jagaja ühes korpuses. Seega on tal 3 jalga: toit, väljapääs, maa.
R1 ja R2 suhet muudab käepideme pööramine. 100% R1 kasuks kuni 100% R2 kasuks.
Välitransistor
MOSFET-transistor on võti suurte voolude juhtimiseks väikese pinge abil.
- «Nuppu» nimetatakse katikuks (ingl. gate)
- Kuni katusel on väike pinge, on transistor avatud:
- Suur vool võib voolata väljavoolu (ingl. drain)
- ja tuleneda allikast (ingl. source)
Erinevalt bipolaarsest transistorist kontrollib põldu just pinge, mitte vool. Lahtises olekus voolu läbi luku ei tule.
Kasutage MOSFET-i suurte voolude juhtimiseks, alates sadadest milliampritest, kui odavast bipolaarsest transistorist enam ei piisa.
Peamised omadused :
| Maksimaalne stock pinge | Vds | Volt |
| Maksimaalne voolutugevus läbi väljavoolu | Ig | Amper |
| Vastupanu stock-ist | Rdson | Om |
| Hajutatav võimsus | Pd | Vatt |
Tüüpiline ühendusskeem
Soojuse hajumine
Transistor ei ole ideaalne ja osa läbilaskvast võimsusest muutub soojuseks
Kui Ph ületab Pd, põleb transistor ilma täiendava jahutuseta
Piesodünaamik
Piesokiirgur (ingl. buzzer) viib vahelduvpinge membraani võnkumisse, mis omakorda tekitab helilaine.
Teisisõnu, piesokõlar on kondensaator, mis kõlab laadimisel ja tühjendamisel.
Peamised omadused
| Soovitatav (nominaalne) pinge | V | Bolt |
| Helitugevus (etteantud kaugusel) | P | Detsibell |
| Tippsagedus | Fp | Herz |
| Mahutavus | C | Farad |
Amplituud-sageduslikud omadused
Amplituud-sageduskarakteristik (ACH) määrab heli helitugevuse sõltuvalt signaalihalduri sagedusest, mis määrabki heli noodi kõrguse.
Ideaalne ACH on sirge, st. sama helitugevus, olenemata sagedusest. Kuid maailm ei ole täiuslik ja eri liiki kiirgustel on ideaalist erinevad kõrvalekalded.
Ühendus otse
Piesokõlar tarbib vaid paar mA, nii et seda saab julgelt ühendada otse mikrokontrolleriga.
Kõlarile tuleb anda kandiline laine. Mis sagedus on laine, selline sagedus on ja heli
Helitugevuse reguleerimisega ühendus
