T17 – Robotika a softvérové aplikácie
Vlastnosti
| okruh | TČOZ |
| stav | vypracované |
ROBOTIKA A SOFTVÉROVÉ APLIKÁCIE – definujte Arduino a jeho časti, servomotory, robot, manipulátor, kinematická štruktúra, typy podvozkov, sieťová dokumentácia
Arduino a jeho časti
Arduino je otvorená hardvérová a softvérová platforma založená na mikrokontroléri. Doska typicky obsahuje:
- mikrokontrolér s CPU, pamäťou programu a dát,
- digitálne vstupno-výstupné piny a analógové vstupy s A/D prevodníkom,
- PWM piny na približné analógové riadenie,
- USB rozhranie na programovanie a sériovú komunikáciu,
- napájací konektor, regulátor, reset a hodinový oscilátor,
- konektory pre rozširujúce moduly a stavové LED.
Program, nazývaný sketch, má v Arduino IDE zvyčajne tvar:
void setup() {
pinMode(LED_BUILTIN, OUTPUT);
}
void loop() {
digitalWrite(LED_BUILTIN, HIGH);
delay(500);
digitalWrite(LED_BUILTIN, LOW);
delay(500);
}
setup() sa vykoná raz po štarte a loop() sa opakuje. Pri reálnom zariadení treba okrem logiky riešiť prúdové limity pinov, spoločnú zem, odrušenie a samostatné napájanie výkonových členov.
Servomotor
Servomotor je motor s prevodovkou a spätnou väzbou, ktorý udržiava požadovanú polohu. Bežné hobby servo prijíma periodický PWM signál; šírka impulzu určuje cieľový uhol v rozsahu určenom konkrétnym servom, často približne 0–180°. Frekvencia a impulzy nie sú univerzálne pre všetky modely, preto sa používa dokumentácia výrobcu.
Riadenie má uzavretú slučku: snímač zmeria polohu, regulátor porovná odchýlku a motor upraví pohyb. Servo potrebuje vhodné napájanie a pri rozbehu môže odoberať veľký prúd; napájanie z pinu mikrokontroléra môže dosku poškodiť.
Robot a manipulátor
Robot je programovateľný stroj, ktorý vníma okolie, spracúva údaje a vykonáva pohyb alebo inú akciu. Základ tvorí mechanika, pohony, snímače, riadiaca jednotka, napájanie a program. Riadiaca slučka je zmeraj → vypočítaj → vykonaj → over výsledok.
Manipulátor je mechanická časť robota určená na polohovanie nástroja alebo úchop. Skladá sa z článkov, kĺbov, pohonov a koncového efektora, napríklad čeľustí, prísavky alebo zváračky. Počet nezávislých pohybov je počet stupňov voľnosti (DOF). Pri kinematike rozlišujeme priamu úlohu (z uhlov kĺbov vypočítať polohu) a inverznú úlohu (z požadovanej polohy určiť kĺby).
Kinematická štruktúra
Manipulátor môže byť:
- sériový — články sú za sebou; veľký pracovný priestor, ale kumulácia vôlí a menšia tuhosť,
- paralelný — viac ramien podopiera efektor; vysoká tuhosť a rýchlosť, zložitejšie riadenie,
- kartézsky — lineárne osi X/Y/Z,
- SCARA — vhodný na rýchle rovinné montážne úlohy,
- antropomorfný/artikulovaný — rotačné kĺby podobné ramenu človeka.
Voľba závisí od presnosti, nosnosti, dosahu a tvaru pracovného priestoru.
Typy podvozkov
- dvojkolesový diferenciálny — ľavé a pravé koleso majú nezávislé rýchlosti, otáčanie vzniká ich rozdielom,
- štvorkolesový — stabilnejší, môže mať diferenciálne alebo riadené kolesá,
- pásový — dobrá trakcia v nerovnom teréne, ale väčšie trenie,
- omnidirekcionálny — napríklad mecanum kolesá umožnia pohyb do strán, vyžadujú presné riadenie,
- kráčajúci — nohy prekonajú prekážky, ale mechanika a koordinácia sú zložité.
Sieťová dokumentácia
Dokumentácia siete má opisovať skutočný aj plánovaný stav. Mala by obsahovať fyzickú schému káblov a portov, logickú topológiu, IP/VLAN adresný plán, názvy a sériové čísla zariadení, verzie firmvéru, mapu portov, konfigurácie, zálohy, kontakty a záznam zmien. Citlivé heslá sa do otvorenej dokumentácie neukladajú; používajú sa trezory a riadenie prístupu. Schéma a tabuľky musia byť pravidelne aktualizované po zmene zapojenia.
Arduino Uno – parametre
| Parameter | Hodnota |
|---|---|
| mikrokontrolér | ATmega328P, 16 MHz |
| pamäť | 32 KB flash (program), 2 KB SRAM, 1 KB EEPROM |
| digitálne piny | 14 (z toho 6 PWM, označené ~) |
| analógové vstupy | 6 (A0–A5), 10-bitový ADC |
| pracovné napätie | 5 V (napájanie 7–12 V cez konektor alebo USB) |
| prúd jedného pinu | odporúčané 20 mA, absolútne max. 40 mA |
Základné funkcie: pinMode(), digitalWrite(), digitalRead(),
analogRead(), analogWrite() (PWM), delay(), millis(),
Serial.begin(), Serial.println().
Motory v robotike
| Motor | Vlastnosti | Riadenie |
|---|---|---|
| jednosmerný (DC) | rýchly, lacný, bez presnej polohy | H-mostík (napr. L298N), PWM na rýchlosť |
| krokový | presné kroky bez spätnej väzby | driver (A4988), impulzy = kroky |
| servomotor | presná poloha uhla so spätnou väzbou | PWM signál |
Riadenie serva: perióda 20 ms (50 Hz), šírka impulzu približne 1 ms → 0°, 1,5 ms → 90°, 2 ms → 180° (presne podľa výrobcu). Servo obsahuje DC motor, prevodovku, potenciometer (snímač polohy) a riadiacu elektroniku.
#include <Servo.h>
Servo servo;
void setup() {
servo.attach(9); // signál serva na PWM pin 9
}
void loop() {
for (int uhol = 0; uhol <= 180; uhol += 10) {
servo.write(uhol); // nastav uhol 0–180°
delay(200);
}
}
Senzory robota
ultrazvukový snímač vzdialenosti (HC-SR04), infračervený snímač čiary, gyroskop a akcelerometer (MPU-6050), enkodér otáčok kolesa, koncový spínač, kamera.
Typy kinematických štruktúr
| Štruktúra | Kĺby (T = posuvný, R = rotačný) | Pracovný priestor |
|---|---|---|
| kartézska | TTT | kváder |
| cylindrická | RTT | valec |
| sférická | RRT | guľa |
| SCARA | RRT (zvislá os) | valcový, rýchla montáž v rovine |
| angulárna (antropomorfná) | RRR | guľový, najväčšia flexibilita |
Na ľubovoľnú polohu a natočenie nástroja v priestore treba 6 stupňov voľnosti (3 pre polohu, 3 pre orientáciu).
Sieťová dokumentácia – adresná tabuľka
| Zariadenie | Rozhranie | IP adresa | Maska | Brána |
|---|---|---|---|---|
| R1 | G0/0 | 192.168.10.1 | 255.255.255.0 | – |
| R1 | S0/0/0 | 10.0.0.1 | 255.255.255.252 | – |
| S1 | VLAN 99 | 192.168.99.2 | 255.255.255.0 | 192.168.99.1 |
| PC-A | NIC | 192.168.10.10 | 255.255.255.0 | 192.168.10.1 |
Ďalej: fyzická topológia (kde sú zariadenia, ktorý kábel do ktorého portu), logická topológia (siete, VLAN, adresy), zoznam zariadení (model, sériové číslo, verzia IOS), zálohy konfigurácií a denník zmien. Nástroje: Packet Tracer, draw.io, Visio, NetBox.
Krátka ústna odpoveď
Arduino je platforma s mikrokontrolérom, USB, napájaním, digitálnymi a analógovými pinmi, PWM a IDE; program používa setup() a opakovaný loop(). Servomotor vďaka PWM a spätnej väzbe nastavuje uhol. Robot je programovateľný stroj a manipulátor jeho kinematická časť s článkami, kĺbmi a efektorom. Podvozok môže byť kolesový, pásový, omnidirekcionálny alebo kráčajúci. Sieťová dokumentácia obsahuje fyzickú a logickú schému, adresy, porty, konfigurácie a zmeny.
Pozri aj – CCNA3 ENSA
Kontrolné otázky
Čo je Arduino a z čoho sa skladá?
Otvorená platforma s mikrokontrolérom (Uno: ATmega328P). Má digitálne a analógové piny, PWM, USB, napájanie, regulátor, oscilátor, reset; programuje sa v Arduino IDE (C/C++).
Aká je štruktúra programu pre Arduino?
setup() sa vykoná raz po štarte (nastavenie pinov, sériovej linky),
loop() sa opakuje stále.
Ako funguje servomotor?
DC motor s prevodovkou a potenciometrom. Riadi sa PWM – šírka impulzu (1–2 ms pri 50 Hz) určuje uhol, elektronika porovná skutočnú polohu s požadovanou.
Čo je robot a čo manipulátor?
Robot je programovateľný stroj, ktorý sníma okolie, rozhoduje a koná. Manipulátor je jeho mechanická časť (články, kĺby, pohony, efektor) na polohovanie a úchop.
Čo sú stupne voľnosti?
Počet nezávislých pohybov. Na úplné polohovanie a natočenie v priestore treba 6.
Aké kinematické štruktúry poznáš?
Kartézska, cylindrická, sférická, SCARA, angulárna; sériová a paralelná.
Aké typy podvozkov poznáš?
Diferenciálny dvojkolesový, štvorkolesový, pásový, omnidirekcionálny (mecanum), kráčajúci.
Čo obsahuje sieťová dokumentácia?
Fyzickú a logickú topológiu, adresnú tabuľku, VLAN plán, mapu portov, inventár zariadení, konfigurácie a ich zálohy, denník zmien.