Мехатроника и робототехника

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации 
Департамент координации деятельности организаций в сфере 
сельскохозяйственных наук 
Федеральное государственное бюджетное образовательное 
учреждение высшего образования 
«Волгоградский государственный аграрный университет» 
 
 
 
 
Кафедра «Механика» 
 
 
И. А. Несмиянов 
А. Г. Иванов 
А. С. Матвеев 
Н. С. Воробьева 
 
 
.МЕХАТРОНИКА И РОБОТОТЕХНИКА 
 
УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Волгоград 
Волгоградский ГАУ 
2024 
 

УДК 681.51+621.86 
ББК 32.966+32.816 
М-55 
 
 
Рецензенты: 
доктор технических наук, доцент, профессор кафедры «Динамика и 
прочность машин» ФГБОУ ВО Волгоградский ГТУ Чернышев В. В.; 
доктор технических наук, профессор, действительный член (академик) 
Российской Академии естествознания, профессор кафедры «Информационные системы и технологии» ФГБОУ ВО Волгоградский ГАУ 
Кочеткова О. В. 
, 
М-55 
Мехатроника 
и 
робототехника: 
учебное 
пособие 
/                       
И. А. Несмиянов, А. Г. Иванов, А. С. Матвеев, Н. С. Воробьева  Волгоград: ФГБОУ ВО Волгоградский государственный аграрный университет, 2024.  88 с. 
 
 
ISBN 978-5-4479-0475-3 
 
Учебное пособие включает в себя краткие основные сведения по 
робототехнике и мехатронике, лабораторные работы и курсовой проект.  
Рекомендуется для самостоятельной работы студентов и магистров в рамках изучения дисциплин: «Мехатроника, робототехника и 
цифровые устройства в АПК», «Проектирование мехатронных и робототехнических систем в технологических процессах», «Автоматизация и модернизация технологических процессов в агропромышленном 
комплексе» для направления 35.04.04 Агроинженерия, а также для 
студентов по направлению подготовки 09.03.03 Прикладная информатика. 
 
 
УДК 681.51+621.86 
ББК 32.966+32.816 
 
ISBN 978-5-4479-0475-3 
 
 
 
© ФГБОУ ВО Волгоградский ГАУ, 
2024 
© Авторы, 2024 
 
 

ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
ВВЕДЕНИЕ ……………………………………………………………….. 4 
1.  
Основные понятия мехатроники и робототехники, история 
развития …………………………………………………………. 
 
5 
2. 
Лабораторные работы на базе отладочной платы Arduino …. 
9 
2.1 
Справочный материал по плате Arduino Uno …….………..… 
9 
2.2 
Описание и ход лабораторных работ по темам ……………… 
11 
 
Лабораторная работа № 1. Управление цифровым выходом и 
обработка цифровых входных сигналов на плате Arduino 
UNO ……………………………………………………………… 
 
 
11 
 
Лабораторная работа № 2. Обработка аналоговых входных 
сигналов на плате Arduino UNO ………………………………. 
 
21 
 
Лабораторная работа № 3. Семи сегментный индикатор 
одноразрядный. 
Четырехразрядная 
матрица 
из 
семисегментных индикаторов …………………………………. 
 
 
27 
 
Лабораторная работа № 4. Изучение работы ультразвукового 
дальномера HC-SR04 и инфракрасного датчика движения 
HC-SR501 ……………………………………………………..… 
 
 
34 
 
Лабораторная работа № 5. Изучение работы сервопривода и 
джойстика ……………………………………………………….. 
 
40 
 
Лабораторная работа № 6. Изучение работы дисплея MT16S2H, температурного датчика и датчика звука к Arduino 
UNO ……………………………………………………………… 
 
 
45 
3. 
Курсовой 
проект 
«Проектирование 
основных 
узлов 
роботизированной технологической линии» …………………. 
 
54 
3.1 
Справочно-теоретический материал по теме курсового 
проекта …………………………………………………………… 
 
54 
3.1.1 
Краткие сведения о ленточных транспортерах ………………. 
54 
3.1.2 
Краткие сведения о манипуляторах …………………………… 
57 
3.1.3 
Краткие сведения об управлении роботами ………………….. 
58 
3.2 
Пример выполнения курсового проекта ……………………… 
58 
3.2.1 
Расчет ленточного конвейера ………………………………….. 
58 
3.2.2. 
Исследование манипулятора …………………………………… 64 
3.2.2.1 Структурный 
анализ 
манипулятора 
последовательной  
структуры ……………………………………………………….. 
 
64 
3.2.2.2 Задача позиционирования манипулятора …………………….. 
65 
3.2.2.3 Построение зоны обслуживания робота-манипулятора ……… 69 
3.2.3 
Разработка структурной схемы системы управления и 
описание принципа работы ……………………………………. 
 
71 
3.3 
Варианты заданий ………………………………………………. 
74 
ПРИЛОЖЕНИЯ ………………………………………………………….. 
79 
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ ………………..……. 
85 
 
 

ВВЕДЕНИЕ 
 
Мехатроника – является динамично развивающимся направлением современной науки, техники и технологии, определяющим тенденции развития современного мира. В основу мехатроники положены принципы механики, информатики, микропроцессорной техники и 
управления машинами с помощью компьютерных технологий. Мехатронные устройства нашли широкое применение в различных областях деятельности человека в виде роботов, манипуляторов, мехатронных транспортных средств и устройств автоматизации промышленных линий и технологических процессов, и их роль будет 
возрастать.  
Робототехника – также одно из перспективных направлений 
науки и техники. Сегодня роботы проникают во все сферы жизни человека: активно развивается промышленная, сельскохозяйственная, 
бытовая, авиационная, космическая, военная и экстремальная робототехника. Широкое внедрение мехатронных и робототехнических систем различного назначения в промышленности, научных исследованиях и военном деле требует подготовки высококвалифицированных 
специалистов в области их проектирования, изготовления и эксплуатации, поэтому данное пособие по робототехнике и мехатронике является актуальным. 
Учебное пособие включает в себя краткие основные сведения по 
робототехнике и мехатронике, лабораторные работы и курсовой проект. Рекомендуется для самостоятельной работы студентов и магистров в рамках изучения дисциплин «Мехатроника, робототехника и 
цифровые устройства в АПК», «Проектирование мехатронных и робототехнических систем в технологических процессах», «Автоматизация и модернизация технологических процессов в агропромышленном 
комплексе» и др. 
 
 
 

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ МЕХАТРОНИКИ 
И РОБОТОТЕХНИКИ, ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ 
 
Термин «Мехатроника» (Mechatronics, Мехатроника = «меха-» 
+ «-троника») введен в 1969 г. японским инженером Тецуро Мори 
(фирма Yaskawa Electric) применительно к механическим системам с 
электронным управлением.  
Главная задача мехатроники состоит в создании интеллектуальных машин и движущихся систем, которые обладают качественно 
новыми функциями и свойствами. "От механики к мехатронике" – такова ведущая тенденция развития современного машиностроения. Эта 
тенденция особенно отчетливо про является при создании интеллектуальных роботов и реконфигурируемого оборудования, техники нового поколения. Во всем мире отмечается быстро растущий интерес к 
мехатронике в образовательной, научно-исследовательской и производственной сферах. Объемы мирового производства мехатронных 
модулей и систем ежегодно увеличиваются, охватывая все новые сферы профессиональной и повседневной жизни современного человека [1]. 
Мехатроника — это область науки и техники, основанная на 
синергетическом объединении узлов точной механики с электронными, электротехническими и компьютерными компонентами, обеспечивающими проектирование и производство качественно новых модулей, систем, машин и систем с интеллектуальным управлением их 
функциональными движениями. 
Мехатронный объект синтезируется на синергетическом объединении узлов точной механики с электронными, электромеханическими и компьютерными компонентами, обеспечивающими проектирование и производство качественно новых модулей, систем, машин с 
интеллектуальным управлением их функциональными состояниями (в 
том числе движениями). 
Мехатронный модуль – унифицированный мехатронный объект, имеющий автономную документацию и предназначенный, как 
правило, для реализации движений по одной координате. 
Робототехника – область науки и техники, ориентированная на 
создание роботов и робототехнических систем, построенных на базе 
мехатронных модулей (информационно-сенсорных, исполнительных 
и управляющих). 
История робототехники уходит корнями в глубокую древность, когда впервые возникла идея и были предприняты первые попытки создания человекоподобных устройств в виде подвижных статуй, механических слуг и т. п. Статуи богов с подвижными частями 
тела (руками, головой) появились еще в Вавилоне, Древнем Египте, 
Китае. В Средние века большой популярностью пользовались различного рода автоматы, основанные на использовании часовых механиз

мов [2].  Современная робототехника, как уже было отмечено, сформировалась во второй половине XX столетия, когда в ходе развития 
производства возникла реальная потребность в манипуляционных 
машинах-автоматах, подобных "механическим людям", описанным К. 
Чапеком в 1920 г. в своей фантастической пьесе "R.U.R." ("Россумовские универсальные роботы"), в которой так названы механические 
рабочие, предназначенные для замены людей на тяжелых работах. 
Название "робот" образовано от чешского слова robota, что означает 
тяжелый подневольный труд.  
Термин «Робототехника» (Robotics) введен писателем – фантастом Айзеком Азимовым в 1940-х годах, и одновременно появились 
необходимые для их создания научно-технические предпосылки и, 
прежде всего, цифровая и вычислительная техника. 
Робот можно определить, как универсальный автомат для осуществления механических действий, подобных тем, которые производит человек, выполняющий физическую работу. Со временем понятие 
"робот" расширилось и под ним часто стали понимать любую автоматическую машину, заменяющую человека и чем-то напоминающую 
его разумное поведение. 
Из данного определения робота следует, что – это машина автоматического действия, которая объединяет свойства различного типа 
из их классификации – технологических, транспортных, информационных, являясь, таким образом, принципиально новым видом машин, 
которых не было в этой классификации. В достаточно развитом виде 
роботы аналогично человеку осуществляют активное силовое и информационное взаимодействие с окружающей средой и благодаря 
этому могут не только обладать искусственным интеллектом, но и совершенствовать его. От ранее известных видов машин роботы также 
принципиально отличаются своей универсальностью (многофункциональностью) и гибкостью (возможностью быстрого перехода к выполнению новых операций) [2]. В основе универсальности роботов 
лежит универсальность его рабочих органов, возможностью быстрой 
смены рабочих органов робота в процессе выполнения операций. 
Универсальность роботов позволяет им осуществлять любые 
операции, выполняемые человеком, а быстрота перестройки на реализацию новых операций сохраняет у автоматизируемого с участием роботов производства ту же гибкость в отношении быстроты освоения 
новой продукции, какую сегодня имеют только производства, обслуживаемые человеком. Современные роботы потому и появились лишь 
во второй половине XX столетия, что именно в это время назрела 
необходимость в таких универсальных и гибких средствах, без которых невозможно осуществить комплексную автоматизацию совре

менного производства с его большой номенклатурой и частой сменяемостью выпускаемой продукции, т. е. создание гибких автоматизированных производств. 
Дальнейшее развитие робототехники привело к расширению 
сферы ее применения, включая создание с ее помощью новых технических систем, принципиально невозможных при участии или даже 
присутствии человека. 
Помимо роботов для тех же целей широкое применение получили манипуляторы, управляемые человеком (копирующие манипуляторы, телеоператоры и т.п.), а также однопрограммные (не перепрограммируемые) автоматические манипуляторы (автооператоры и механические руки). Эти устройства явились предшественниками роботов. Появились они главным образом для манипулирования объектами, непосредственный контакт с которыми для человека вреден или 
опасен (радиоактивные, химически активные, взрывоопасные изделия, 
раскаленные болванки и т.п.). Однако, хотя появление роботов существенно сузило сферу применения этих простых средств механизации 
и автоматизации, они не потеряли своего значения в силу простоты и 
дешевизны. Сегодня все они вместе с роботами образуют общее понятие средств робототехники. 
Важным компонентом робота является манипулятор – устройство для выполнения двигательных функций, аналогичных функциям 
руки человека при перемещении объектов в пространстве, оснащѐнное рабочим органом [3,4]. 
Современное определение гласит «Манипулятор (manipulator): 
Машина, механизм которой обычно состоит из последовательности 
сегментов, перемещающихся вращательно или поступательно друг 
относительно друга с целью захвата и/или перемещения объектов (деталей или инструментов) обычно по нескольким степеням свободы» [5].  
Еще одно определение манипулятор – совокупность пространственного рычажного механизма и системы приводов, осуществляющая под управлением программируемого автоматического устройства 
или человека-оператора действия (манипуляции), аналогичные действиям руки человека. Манипулятор может управляться оператором, 
программируемым электронным контроллером или любой логической 
системой (например, копирующим устройством, монтажной логикой).  
Конструкция манипулятора в значительной степени определяет 
возможности робота при выполнении технологических операций [6], 
поэтому при проектировании роботов важнейшей задачей является 
выбор основных типов кинематических схем (цепей) [2,7,8]. 

Как уже было отмечено, объективной причиной возникновения 
и развития современной робототехники явилась, прежде всего, историческая потребность производства в гибкой автоматизации с устранением человека из непосредственного участия в машинном производстве и недостаточность для этой цели традиционных средств автоматизации. Поэтому второй задачей робототехники наряду с созданием собственно средств робототехники является разработка основанных на них систем и комплексов различного назначения. 
Промышленный робот (industrial robot) – это автоматически 
управляемый, перепрограммируемый, реконфигурируемый манипулятор, программируемый по трем или более степеням подвижности, который, может быть, либо установлен стационарно, либо перемещаться 
для применения в целях промышленной автоматизации.  
Основными показателями, которые определяют тип робота, являются: область применения, параметры, определяющие конструкцию 
(тип привода, грузоподъемность, количество манипуляторов, объем 
рабочей зоны), способ управления, быстродействие и точность движения [2]. 
Система управления (контроллер робота) – совокупность аппаратных и программных компонентов, реализующих управляющую 
логику и силовые функции, а также другие функции, позволяющие 
контролировать и управлять поведением робота, его взаимодействием 
и взаимосвязью с другими объектами и пользователями во внешней 
среде. 
Сервисный робот (service robot) – робот для персонального 
или профессионального использования, который выполняет задания, 
полезные для людей или оборудования [9]. 
Сельскохозяйственный робот – это автоматическое устройство, предназначенное для самостоятельного осуществления производственных и других операций в сельском хозяйстве, которое действует по заранее заложенной программе, формирует и использует 
информацию о производственном процессе и внешней среде от системы датчиков. При этом робот может как иметь связь с оператором 
(получать от него команды), так и действовать автономно [10]. 
Система технического зрения – «глаза» робота, способные с 
помощью камеры оцифровывать окружающую область и предоставлять информацию о физических характеристиках объектов, находящихся в ней в виде данных о размерах, расположении в пространстве, 
внешнем виде (цвет, состояние поверхности и т.п.), маркировке (распознавание логотипов, штрих-кодов и т.п.) [11]. 
 

ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ НА БАЗЕ ОТЛАДОЧНОЙ  
ПЛАТЫ ARDUINO 
 
Лабораторные работы являются хорошим инструментом для 
обучения, так как они способствуют формированию практических и 
исследовательских умений, развитию творческого мышления, установлению связей между теоретическими знаниями и практической деятельностью. 
Лабораторные работы организованы с использованием отладочной платы Arduino, которая является открытой платформой для разработки простейших систем управления и подходит тем, кто не обладает 
глубокими знаниями в электронике и программировании. Платформа 
Arduino завоевала популярность благодаря тому, что на ее базе можно 
добавлять платы расширения и датчики для получения новых, разнообразных результатов, а контроллеры программируются в бесплатной 
среде Arduino IDE. В открытом доступе есть много готовых библиотек 
для распространѐнных функций: считывания сенсоров, управления 
двигателями и другой периферией [12]. 
Платформа Arduino включает в себя несколько плат: Arduino 
Uno; Arduino Leonardo; Arduino Nano; Arduino Mega; Arduino Due; 
Arduino Mini; Arduino Micro; Arduino M0; Arduino LilyPad. В качестве 
аппаратной основы платформ выступают или 8-битные микроконтроллеры ATMega328p, ATMega32U4, ATmega2560 семейства 
AVR, или более мощные 32-битные микроконтроллеры типа ARM 
Cortex-M. 
 
2.1 СПРАВОЧНЫЙ МАТЕРИАЛ ПО ПЛАТЕ ARDUINO UNO 
 
Плата Arduino Uno – самое популярное и самое доступное 
устройство Arduino. В ее основе лежит чип ATmega328. Контакты 
входа/выхода, к которым подключают внешние устройства – называют пином. Пины Ардуино используются для подключения внешних 
устройств и могут работать как в режиме входа (INPUT), так и в режиме выхода (OUTPUT). К каждому входу может быть подключен 
встроенный резистор 20-50 кОм с помощью выполнения команды 
pinMode (pin, mode) в режиме INPUT_PULLUP. Допустимый ток на 
каждом из выходов – 20 мА, не более 40 мА в пике. 
Для удобства работы некоторые пины совмещают в себе несколько функций: 
Пины 0 и 1 – контакты UART (RХ и TX соответственно). Пины 
c 10 по 13 – контакты SPI (SS, MOSI, MISO и SCK соответственно).