Elektronik / Mikrodenetleyici Projeleri/

PIC16F84 Renk Algılayan Robot Kol Projesi Jal ile

Hazırlayanlar : Mehmet Can TUNCER, Eda YILDIZ, Ersin KOŞAR – Mikro denetleyici PIC bilgilerinin yanı sıra robot yazılım,JAL komutları mekanik aksam hakkında bilgiler ve fazlası bulunuyor. Emeği geçen hazırlayan kişilere teşekkürler

Robotlar amaçlarına göre belirlenen işleri istenilen zamanlarda ve en az hatayla gerçekleştiren otomatik sistemlerdir. Günümüzde, insan gücünden tasarruf edilmesi, yapılabilecek insan hatalarının en az seviyede tutulması ve zaman kaybının önlenmesi için robotlar kullanılmaktadır.

Bu çalışmada sabit bir yerden gelen farklı renkteki cisimlerin renklerine göre kutulara ayıran robot kol tasarlanmıştır. Algılayıcılar yardımıyla alınan verilerin analog dijital çevirici ile mikro denetleyicinin anlayabileceği sinyallere dönüştürülmesi sağlanmaktadır. Mikro denetleyicinin girişine gelen sinyallere göre de servo motorlara istenilen hareket yaptırılmaktadır. En fazla 4 cm çapında ve yaklaşık 250 gr ağırlığındaki cisimlerin taşınması mümkündür.

Daha önce Türkiye’de yapılan robot kol çalışmaları:

• Endüstriyel taşıma amaçlı manyetik tutucu ve robot kol tasarımı (Erciyes Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Makine Mühendisliği, Recep GÜNEŞ)

• Bilgisayar kontrollü robot kol (Ankara Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Mutlu YAĞLIOĞLU)

• Değişken yapılı beş eksenli robot kol tasarımı (ODTÜ, Fen Bilimleri Enstitüsü, Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Ahmet Serdar YÜCEL)

Tasarlanan robotun mekanik yapısı basit ve kullanışlıdır. Projede algılayıcılardan gelen sinyalleri işleyerek robota istenilen hareketlerin yaptırılmasında PIC16F84 kullanılmıştır. Bu mikro denetleyicinin kullanılmasının sebepleri;

  • Kolay elde edilebilmesi.
  • Diğer mikro denetçilere göre daha ucuz olması.
  • Bir çok projede tercih edildiği için gerekli doküman ve kaynaklara daha kolay ulaşılmasıdır.

Robotun yönlendirilmesinde HITEC HS322HD model servo motor kullanılmıştır. Mekaniğinde de işlenmesi kolay ve sağlam olduğu için flexiglass kullanılmıştır.

Kullanılan sensörler, üzerlerine düşen ışığın şiddetine göre çıkış verdikleri için robotun bulunduğu ortamın ışığı renklerin ayırt edilmesinde problem yaratmaktadır. Bunu önlemek için sensörlerin gün ışığından iyi bir şekilde yalıtılması gerekmektedir. Programlanabilir renk sensörleri kullanılmış ve robot kola bir bilek eklenmiş olsaydı çalışma kararlılığı ve hareket kabiliyeti daha yüksek olurdu.

1. Robot Nedir ?

Bu konuda çalışmalarıyla tanınan Maja Mataric’in yaptığı tanıma göre, ortamdan topladığı verileri dünyası hakkında sahip olduğu bilgiyle sentezleyerek, anlamlı ve amaçlarına yönelik bir şekilde hareket edebilen ve bunu güvenli bir biçimde yapabilen bir makinedir.

Kısaca robot, mekanik sistemleri ve bunlarla ilişkili kontrol ve algılama sistemleriyle bilgisayar algoritmalarına bağlı olarak akıllı davranan makinelerdir. Genel bir enstitü tarafından ise robot şu şekilde tanımlanmaktadır;

“Robot yeniden programlanabilen; maddeleri, parçaları, aletleri, programlanmış hareketlerle yapılacak işe göre taşıyan veya işleyen çok fonksiyonlu makinelerdir. Akıllı robot çevresinden bilgi alabilen ve bu bilgiyi anlamlı bir amaç için kullanabilen makineye denir. Bir robot sistemi fiziksel olarak vardır. Bilgisayar programlarından farklı olarak ona elimizle dokunabiliriz. O çevresini sürekli algılar ve çevresine tepkide bulunur.

Bir Sistem Ne Zaman Robot Özelliği Kazanır?

Bilgisayarın yazıcısı veya mutfak robotu gerçekten birer robot mudur? Bir makineye robot diyebilmek için, en önemli şartlardan birisi algılamadır. Bir robot sınırlı da olsa dış dünyadan bazı algılar yapabilmelidir. Bu algılamalar, kimyasal, konum, renk, ışık, şekil gibi geniş bir yelpazede yer alır. Daha sonra elde ettiği verileri, otonom olarak yorumlayabilmeli, algıya ne gibi tepkide bulunacağına karar vermelidir. Son olarak da verdiği bu kararını uygulamaya koyabilmelidir. Kısaca robot üç ana kısımdan oluşur.

Çevre hakkında gerçek zamanlı bilgi elde etmek için kullanılan alıcılar, Karar vermeyi ve kontrolü sağlayan elektronik beyin, Verilen kararların uygulamasını sağlayan eyleyiciler ve hareket sistemleri.

Yukarıdaki tanımlarda görüldüğü gibi robot temel bir işlemi yerine getirebilen, yetileri olan yeniden programlanabilen aygıtlardır. Şekil 1.1 de programlanabilen bir robot görülmektedir.

böcek robot

Temel olarak bir robotun aşağıdaki özelliklerinin olması gerekir.

İşlem yapma yetisi: Bir işlemi fiziksel veya farazi olarak yerine getirebilmelidir; yoksa robot olmaz, sadece bir madde olur.

İşlemin sonucunu belirleme yetisi: İşlemi yaptıktan sonra mutlak olarak işlemin sonucunu belirlemelidir ki işlem tam olarak yapılmış olsun.

Karar verme yetisi: İşlemin sonucuna göre ya da dış etmenlere göre mutlaka bir yargı kurabilmelidir.

Robot Kavramının Doğuşu

İnsanlığın kendine yardımcı olacak mekanizmalar düşünmesi, tahminlerinizden çok daha eskilere uzanmaktadır. M.Ö. 800’de, Homeros, İlyada adlı eserinde verilen görevleri yerine getirebilen hareketli üçayaklılardan bahseder. M.Ö. 350’de Aristo, bir eserinde; “Eğer her araç kendi işini görebilseydi, insan eline ihtiyaç duymadan mekik kendi dokuyabilseydi, lir kendi çalabilseydi, yöneticilerin elemanlara ihtiyacı kalmazdı.” Diyerek ilk otomasyon fikrini ortaya atmıştır. 13.yy ise Eb-ül-İz-el-Cezeri adlı bir Arap otomatlar hakkında bir kitap yazdı. Kitapta 300’e yakın otomatik mekanizmanın yanı sıra, çamaşır teknesini doldurup boşaltabilen otomatik bir Arap kadını resmediliyordu.

Robot teknolojisi, ismini Çek oyun yazarı Karel Capek’in, “Rossum’un Evrensel Robotları (1921)” oyununa borçludur. Yazar, angarya-zorunlu iş anlamındaki “robata” kelimesi ile işçi anlamına gelen “robotnik” kelimelerini birleştirerek “Robotic” kelimesini türetmiştir.

Isac Asimov ise yazdığı bilim-kurgu romanlarla “robot” fikrinin öncülüğünü yapmıştır. Yazarın kitaplarında belirttiği üç kanun Asimov kuralları olarak bilinmektedir. Kim bilir, ileride “Terminatör” benzeri robotların ortaya çıkmaması için, şimdiden Asimov kurallarına özen gösterilmelidir.

1.Bir robot insana zarar vermez ve bir insanın zarar görmesine izin vermez.

2.Bir robot birinci kanuna aykırı olmadığı sürece insanlar tarafından verilen tüm emirlere itaat eder.

3.Bir robot birinci ve ikinci kanuna aykırı bir durum olmadığı sürece kendi varlığını korur.

Robotların Sınıflandırılmaları

Çeşitli sınıflandırma çeşitleri vardır. Aşağıdaki çeşitleri ve bu gruplara giren robotlar gösterilmiştir.

Robotların Yapısal Çeşitleri

Kartezyen Robotlar: X, Y, Z koordinat düzleminde her kol bir öncekine göre dik açıyla kayar. Dikdörtgen şekline bir çalışma alanları vardır.

Silindirik Robotlar: Çalışma alanları silindiriktir. Kolun bir bölümü dikey, diğer bölümü ise yatay hareket eder.

Polar Robotlar: Kol taban etrafında dönebilir. Kolun bir parçası içeri dışarı öteleme hareketi yapabilir. Bir bölümünde aşağı yukarı dönebilir.

Revolüt Robotlar: Dönel veya küresel eklemlere sahiptir. Taban eklemine bağlı olan kol, taban etrafında döner ve diğer iki kısmı taşır. Dönel eklemler yatay ve dikey olarak birleştirilmiştir. Yarım küre şeklinde bir çalışma alanları vardır.

Diğer sınıflama şekillerine göre:

Güç kaynağının yapısına göre ( Hidrolik, Elektriksel vb. )

Hareketli – Sabit robotlar

Yeteneklerine göre ( Ardışıl kontrollü robotlar, adaptif, zeki, tekrarlayan vb. )

Kontrol yöntemlerine göre ( Noktadan noktaya, sürekli yörüngeli, kontrollü yörünge izleyen vb. )

Günümüzde Kullanılan Belli Başlı Robot Örnekleri

Piyasaya bakıldığında satılan robot türlerinde bir genelleşme dikkat çekmektedir. Robotlar genel olarak bir amaç için değil de bir amaç robota uyarlanmakta, yani ek parça tanımlayıcı ve de özellikle program olgularıyla yapı kusursuz olarak tamamlanmaktadır.

Piyasa robotları şu şekilde sıralanmaktadır;

Robot Kollar (özellikle tıp alanındaki kullanımda çok hızlı bir ilerleme görülmektedir)

Su altı robotları (birkaç firmanın su altı madencilik ve araştırma üzerine araçları bulunmaktadır, fakat çalışmaları yavaş ilerlemektedir)

Uzay araştırma robotları (NASA bu konuda çalışmalarıyla devreye girmektedir)

Mobile robotlar (Bataryalı olduklarından gelişmeleri kısıtlı olmaktadır, ama mikro işlemcili tasarımda oldukça ilerleme sağlanmıştır)

Servo Motorlar

Servo motorlar yardımcı motorlardır. Servo motorlar asıl iş makineleri gibi çalışmaz. Özellikle, yalnız enerji kısımları asıl motorlara göre daha az enerjiye ihtiyaç duyar. Servo motorların anma güçleri, yaklaşık 5 KW kadardır. Servo motorlar hem doğru akım motoru, hem de üç fazlı motor olarak yapılabilir. Bunların beslemeleri genellikle bir veya birkaç elektronik devre üzerinden yapılır.

Servo motorlar, iş makinelerinin yardımcısı olarak kullanılır. Bunların beslenmesi bir elektronik devre üzerinden yapılır.

Servo motorlar özellikle sayısal kontrollü makinelerde pozisyonların belirlenmesi ve çalışma kararlığının sağlanması için kullanılır. Bu makinelerin çalışma şekline göre belirlenen istekleri servo motorlar tarafından ayarlanır.

Servo kumanda motorları, model uçak gibi hareketli yüzeyleri bulunan modellerin hareketini, kumanda çubuklarının hareketine birebir uyarlamak için kullanılır. Robotların da vazgeçilmez parçalarından biridir. Servolar, modellerde ağırlık ve hacim sorunu önemi bir problem olduğu için son derece hafif ve küçük olmak zorundadır. Düşük akımlarda çalışmalıdır. 4.8 V gibi bir doğru gerilim kaynağı ile beslenebilmelidir. Bu kriterlerde batarya boyutlarında kazanç sağlamaktadır. Fakat tüm bu kısıtlayıcı kriterlere rağmen 1 metrelik bir moment kolu uzaklığında 100 gram ağırlığı oynatabilmektedir.

Bu derece küçük ve sınırlı bir cihazın böylesine güçlü olması insana şaşırtıcı ve imkânsız gibi gelmektedir; ama en ucuz servo bile bu kriterleri fazlasıyla sağlar. Servo motorlar şu anda piyasada lineer veya dairesel bir hareketi kumanda edebilecek en ucuz ekipmandır. Bu kriter de servoyu amatör proje hazırlayanlara ve özellikle robotikle ilgilenenlere çok cazip kılmaktadır. Fiyatları modeline göre 20 USD –200 USD arasında değişmektedir.

Servo motorlar şu istekleri yerine getirebilirler.

• Motor dilindeki 40 N/m’ a kadar olan büyük dönme momenti • Dönme momentinin, iki katına kadar olan kısa anlık aşırı yüklenebilirlik. • Yüksek devir sayısı kararlığı, böylelikle çeşitli yüklerde hızın sabit kalması • Yaklaşık 1–10000 arasındaki devir sayısının ayarlanabilme özelliği • Çok küçük yol adımları ile hareket edebilme imkânı • Küçük atalet momenti sayesinde komutların geciktirilmeden yerine getirilerek çalışmanın sağlanması • Devir sayısı olarak tako üreticine gerek olmaması.

Bir servo motordan istenen özellikler, yapıları göz önünde bulundurulduğunda doğru akım motorları veya üç fazlı motorlar tarafından yerine getirirler. Servo motorların yukarıdaki açıklamalardan farklı çok kullanım yerleri vardır. Bunlardan bazıları aşağıda belirtilmiştir.

Servo motorlar uçaklarda kanat flaplerini ve buna benzer cihazların ayarlamalarını yapmak için kullanılırlar. Servo motorlar dâhili dişli sistemine sahiptirler ve yüksek momentlere ulaşırlar. Çıkış şaftı DC ve step motorlarda olduğu gibi serbestçe dönmez belli açılarda döner. Servo motorlar bunu elektronik şaft yeri algılayıcısı ve bir kontrol devresiyle yaparlar. Servo motorların 3 çıkışı vardır: güç, toprak ve kontrol. Çoğunlukla 5 voltta çalışırlar. Kontrol sinyalleri bir dizi vurgudan oluşur ve şaftın istenilen konumunu belirlerler. Her vurgu bir konum komutunu simgeler

Servo Motorlar

servo motorlar

6 SM 27/37/47/57/77/107 Serisi, roselverli fırçasız servo motorlar, 480V giriş geriliminde SERVOSTARTM 600 ve DigifasTM 7100/7200 dijital servo amplifikatörleriyle kullanılır.

Doğru Akım motoru olarak Servo Motorlar

Aşağıdaki şekilden görüleceği üzere, bir doğru akım servo motorunda, yüksek bir dönme momenti ve aşırı yüklenebilirlik elde etmek için özellikle şiddetli bir manyetik alan oluşturulmalıdır. Fakat mümkün olan aşırı yüklenme sırasında komütatördeki akım çevirimi kritiktir. Bunun için doğru akım servo motorlarında daima bir kompensasyon sargısı bulunur. Ayrıca servo motorların motor çapı, normal doğru akım motorlarına göre daha küçük yapılırlar.

Bu nedenle bir doğru akım servo motorun atalet momenti oldukça küçüktür. Rotor çapı küçültülerek, uyartım sargısı için gerekli olan hacimde yer elde edilir. Doğru akım servo motorları rotor çapının küçük olması nedeniyle, aynı güçlerde olan diğer doğru akım motorlarına göre boyları daha uzundur. Aynı uzunluktaki rotorun dönme momenti rotor çapına bağlı olarak değişir. Servo motorların boylarının uzun olmasının sebebi budur.

Doğru akım servo motorları küçük rotor çaplı ve genellikle içerisinde bir kompensasyon sargısı olan kuvvetli manyetik alanlı, boyu uzun doğru akım motorlarıdır.

Servo Motorun İç Yapısı

servo motor yapısı

Aşağıdaki şekilden de görüleceği üzere, özellikle hızlı tepkili servo motorlar için rotorunun milinden başka içerisinde demir bulunmayan doğru akım motorları kullanılır. Şüphesiz bu şekildeki çalışma yalnız yaklaşık 1 KW’ a kadarki güçlerde yapılır.

İnce ve uzun rotorlu bir motorun, normal rotorlu bir motordan daha küçük hacimli bir ünitesi vardır. Sargı genellikle artık oluklara değil, özellikle rotor mili üzerine sarılmıştır. Bundan başka sargı, rotor boyunca çevresine eşit olarak dağıtılmıştır. Küçük devir sayılarında sessiz çalışmanın sağlanması için bu yapı şeklinin kullanılması düşünülmüştür.

Servo Motorun İç Yapısı

servo motor iç yapı

Disk rotorlu motorda silindir rotor yerine, çok az momenti demirsiz, ince bir disk rotor kullanılır. Çan tipi motorda, demir çekirdek durduğu sırada üzerine çan şeklinde plastik dökülen sargı, rotor olarak çalışır. Bu çeşit motorlar yaklaşık 3000 dev/dak’lık yüksek hızla dönerler. Motor bu hıza 10 ms içinde ulaşır. Küçük güçlü servo motorlar hızlı tepkilidirler. Bunların rotorunda milin dışında demir bulunmaz.

Sabit mıknatıs uyartımlı doğru akım servo motorlar dönme kutupsuz yapılırlar. Bunun için yüksek devir sayılarında akım çevirici cihazda bir koruyucu devre kullanılmalıdır. Böylelikle istenmeyen akım şiddetleri önlenir.

Transistör ayar ünitesi ile doğru akım servo motorlarında kontrol emirler anında gecikmesiz olarak yerine getirilir. Buna karşılık tristörlü ayar ünitelerinde 10 ms’ye kadar emrin uygulanması için geçen bir ölü zaman bulunur. Doğru akım servo motorlarının devir sayılarının kontrollü rotor gerilimi ayarlanarak yapılır. Servo motorun mevcut dönme momenti ayarlanan devir sayısına ve motorun çalıştırılma şekline bağlıdır. S1 sürekli çalıştırılma durumunda küçük devir sayılarında mevcut dönme momenti. Motorun anma dönme momenti büyüklüğü kadardır.

Yüksek devir sayılarında sürekli çalıştırılma sırasında çalıştırılma sırasında bu biraz düşer. Servo motor S3 çalışmaz konumuna getirildiğinde. Mevcut dönme momenti oldukça çok yükselir. Servo motorun mevcut momenti S2 kısa çalışma durumunda devir sayısına bağlı olarak, anma momentinin dört katına kadar çıkabilir.

Doğru akım servo motorunun en büyük dönme momenti kısa çalıştırılmalar sırasındadır ve en küçük devir sayısında yaklaşık anma dönme momentinin dört katıdır.

Doğru akım servo motorlarında uyartımın doğru akım vasıtasıyla yapılması yerine sabit mıknatıs uyartımı kullanılır. Burada statorun manyetik alan çizgileri, sabit mıknatıs tarafından üretilir. İki çeşit üzensel yapı vardır. Her iki akı düzeninde de statora yumuşak manyetik maddeden kutup sacları bulunur. Bu yapı aynı yoğunluklu manyetik akı etkisi gösterir. Utup pabuçlarının etkisi ile motor sıkışmadan çalışabilir duruma getirilebilir.

Utup pabuçları rotor kesit akısı için geri akı da meydana getirir. Böylelikle büyük yüklenmeler sırasında asıl kutuplarda kalıcı mıknatıslık ortaya çıkmaz. Sabit mıknatıs dikdörtgen yapı şeklinden dolayı plaka şeklinde kolayca üretilebilir. Radyal mıknatısın uyarma akısı rotorun içine nüfuz eder.

Çanak şeklindeki mıknatısların kullanılması sırasında mıknatıs çanağının parçaları uyartım kutuplarını oluşturur. Manyetik alan şiddeti ile rotorun sıkışmadan dönmesini sağlamak mümkündür. Bunun için mıknatıs çanağın uçları zayıf mıknatıslanır. Çanak mıknatıslarının kullanımı sırasında, rotor kesit alanın, uyartım alanına olan geri besleme etkisinin küçültülmesi için büyük bir hava aralığı bırakılır. Çok büyük yüklenmeler sırasında çanak mıknatısta artık mıknatıslığın ortaya çıkması tehlikesi vardır.

Sabit mıknatıs uyartımlı doğru akım servo motorlarda akı yoğunluğu için, radyal mıknatıs veya çanak mıknatıslı yapı şekli kullanılır.

DC servo motorlarda döner alan, rotor üzerindeki kollektör aracılığıyla dönüp hareketiyle birlikte rotor üzerindeki sarımların belirli bir sırayla devreye girmesiyle sağlanır. Senkron ve Asenkron AC motorlarda ise döner alan stator ve rotorda oluşan faz farkından yararlanılarak meydana getirilir. DC ve AC motorların aksine stepper motorlar, bobinlerine gerilim verildiğinde serbestçe dönmeye başlamazlar.

Mikroişlemciler ya da lojik sistemler aracılığıyla bobinlerin sırayla devreye girmesi ile döner alan oluşturulur ve rotor, motoru kontrol eden mikroişlemci ya da lojik sistemin istediği hizada ve yönde dönmeye başlar. Ayrıca tork değerleri aşılmadığı sürece herhangi bir sensör ile feedback almaya gerek yoktur.

  1. kzm 2009/07/19
  2. onur 2009/10/10
  3. mehmet 2010/02/24
  4. onur ÇİÇEK 2010/03/06
  5. aksusafak 2011/10/04
  6. fatih kançuk 2012/05/06

Yorum

Soru: