Курсовая по мехатронике и робототехнике в МГТУ им. Баумана: от кинематики и привода до алгоритма управления

Курсовая по мехатронике и робототехнике в МГТУ им. Баумана должна выглядеть как инженерная система, а не как обзор современных роботов. В центре сильной работы находится конкретная функция: манипулятор перемещает объект, мобильная платформа строит маршрут, привод удерживает положение, робот взаимодействует с датчиком или выполняет технологическую операцию.

В МГТУ им. Н.Э. Баумана направление 15.03.06 «Мехатроника и робототехника» представлено несколькими образовательными траекториями, включая управление в мехатронных системах, автономные и дистанционные мобильные роботы, космические манипуляторы, промышленные и сервисные робототехнические системы.

Официальный учебный ресурс:
https://sm.bmstu.ru/abiturients/12-uchebnye-plany.html

Начните с функции робота

Плохо: «Разработка роботизированной системы».

Сильнее: «Разработка двухзвенного манипулятора для перемещения детали массой до X кг между двумя позициями».

Теперь появляются рабочая зона, масса, точность, скорость, привод и управление. Без функции невозможно определить, хорош ли проект.

Техническое задание

Зафиксируйте:

• полезную нагрузку;
• диапазон перемещения;
• точность;
• скорость;
• время цикла;
• среду;
• питание;
• ограничения габаритов.

Не используйте фразу «робот должен работать быстро». Запишите измеримый критерий.

Кинематическая схема

До CAD определите число звеньев, типы сочленений, степени свободы, размеры и системы координат. Не начинайте с красивой формы корпуса. Сначала нужно понять движение.

Прямая задача кинематики

Для заданных углов определите положение рабочего органа. Проверьте формулу на простых конфигурациях:

• все углы нулевые;
• звенья вытянуты;
• симметричное положение.

Если в очевидном случае координата неверна, дальнейшее моделирование бессмысленно.

Обратная кинематика

Для манипулятора важен обратный вопрос: какие углы нужны, чтобы рабочий орган оказался в точке X?

Решение может иметь несколько ветвей, недостижимую область или сингулярность. Не показывайте только один удачный пример.

Рабочая зона

Постройте workspace и отметьте достижимые точки, запрещённые зоны и ограничения суставов. Если задача требует захвата объекта в конкретной точке, эта точка должна реально лежать в рабочей зоне.

Сингулярность

Некоторые положения приводят к потере степени управляемости или резкому росту требуемых скоростей. Если манипулятор подходит к такой конфигурации, алгоритм должен учитывать риск.

Динамика

Если движение быстрое, одной кинематики мало. Учитывайте массу звеньев, момент инерции, гравитацию, ускорение и трение. Не выбирайте двигатель только по статическому моменту.

Момент привода

Рассчитайте худший режим. Например, максимальная масса на максимальном плече. Затем добавьте динамический компонент, редуктор, КПД и запас.

Редуктор

Передаточное отношение влияет сразу на момент, скорость, разрешение, люфт и отражённую инерцию. Большой коэффициент не является автоматически лучшим.

Электродвигатель

Сравните шаговый двигатель, BLDC, сервопривод и DC по точности, скорости, нагрузке и обратной связи. Не выбирайте двигатель только потому, что он уже лежит в лаборатории.

Датчик положения

Энкодер должен обеспечивать разрешение, достаточное для конечной точности. Свяжите угловую ошибку с линейной ошибкой рабочего органа. Так датчик выбирается из требований системы.

Контур управления

Покажите:

задание -> регулятор -> привод -> механика -> датчик -> обратная связь.

Это центральная схема мехатронной части. Без неё алгоритм и железо существуют отдельно.

PID

Если используется PID, объясните, что регулируется, как выбирались коэффициенты и какой критерий качества использован. Покажите время установления, статическую ошибку и перерегулирование.

Мобильный робот

Для колёсной платформы важны кинематическая модель, одометрия, локализация, планирование пути и управление скоростью. Не называйте движение по заранее записанным командам автономной навигацией.

Одометрия

Ошибки накапливаются из-за проскальзывания, разницы колёс, неточности радиуса и дискретности энкодера. Покажите хотя бы один эксперимент накопления ошибки.

SLAM

Если используется SLAM, не ограничивайтесь скрином карты. Опишите датчик, частоту, алгоритм, среду и метрику качества. Сравните траекторию или карту с эталоном, если возможно.

Планирование

Для A*, RRT или другого метода задайте карту, препятствия и критерий стоимости. Сравните длину пути, время и число обработанных узлов.

Коллизии

В манипуляторе нужно проверять не только конечную точку, но и путь звеньев. Траектория рабочего органа может быть безопасной, а локоть столкнуться с препятствием.

Траектория

Резкий скачок задания создаёт большой момент. Полезно строить профиль положения, скорости и ускорения. Покажите, как траектория влияет на привод.

Микроконтроллер

Если проект включает embedded-часть, опишите частоту контура, интерфейсы, таймеры, АЦП и протокол. Не превращайте курсовую в перечень характеристик платы.

Реальное время

Для управления важна не только средняя скорость кода. Критична стабильность периода цикла. Измерьте jitter, если это соответствует задаче.

Моделирование

Можно использовать MATLAB/Simulink, ROS, Python, Gazebo или другую среду. Но модель должна повторять реальные массы, длины, коэффициенты и ограничения.

Модель и прототип

Сравните один и тот же показатель: положение, время, ошибка, ток или траекторию. Если прототип отличается, объясните трение, люфт, задержку и шум.

Безопасность

Для физического робота продумайте аварийный stop, ограничение скорости, пределы суставов, контроль тока и безопасное состояние при потере связи.

Практическая глава

Рабочая последовательность:

1. ТЗ;
2. кинематическая схема;
3. расчёт;
4. выбор привода;
5. датчики;
6. управление;
7. модель;
8. прототип;
9. эксперимент;
10. ограничения.

Что учитывать в Бауманке

На СМ7 и других робототехнических подразделениях МГТУ направление имеет конкретные профили. Поэтому структура курсовой должна соответствовать именно своей дисциплине: где-то важнее кинематика, где-то мобильная робототехника, где-то привод или управление.

Защита

Будьте готовы вывести кинематику, показать рабочую зону, объяснить двигатель, назвать ошибку, показать контур, объяснить эксперимент и назвать режим отказа.

Сильная курсовая по мехатронике и робототехнике в Бауманке связывает механику, электронику и управление в одной системе, а не рассматривает их как три независимых раздела.