3d-модель робота в сапр
В теории 3D-модель робота можно создать в любом 3D-редакторе, но лучше использовать твердотельное моделирование.
Мы выбрали редактор SolidWorks 2023 для платформы Windows, потому что в нём есть отличный плагин для экспорта проекта в формат URDF.
Старайтесь не описывать сразу всего робота. Добавляйте различные части к модели постепенно. Это поможет вам освоить процесс описания. Мы начали с детализации шасси.
Всё наше шасси пришлось детализировать вручную. Вот почему так важны чертежи от производителя. Глядите, что у нас получилось:
На данный момент наша модель состоит из четырёх сегментов:
И трёх сочленений (joints):
left_wheel_to_baseright_wheel_to_basecaster_wheel_to_base
Для правильного экспорта нужно выполнить несколько действий.
Добавьте системы координат и определите их для всех сегментов. Лучше всего указывать системы координат от исходных точек деталей модели. За начало системы координат лучше взять центр симметрии детали, точку на оси симметрии или центр масс.
ROS и URDF требуют правосторонних систем координат (Правило правой руки). Определите, где находится передняя, задняя и верхняя части вашего робота. Ось X должна указывать вперёд, ось Y — влево, а ось Z — вверх. По умолчанию стандартные виды SolidWorks и система координат повёрнуты на 90 градусов вокруг осей X и Z. Для удобства правильного размещения осей в SolidWorks можно разместить направляющие линии.
Каждый сегмент модели имеет свою систему координат:
CS_BASECS_RIGHT_WHEELCS_LEFT_WHEELCS_CASTER_WHEEL
Система координат CS_BASE условно расположена в центре нашего робота. CS_LEFT_WHEEL и CS_RIGHT_WHEEL находятся в центрах колёс. CS_CASTER_WHEEL находится в центре сферы всенаправленного опорного колеса.
Добавьте оси вращения для подвижных соединений и сочленений (joints). У нас есть три подвижных соединения: два вращающихся на осях колеса и одно всенаправленное колесо, которое вращается во все стороны и поэтому не нуждается в оси. Для колёс мы поместили оси AXIS_LEFT_WHEEL и AXIS_RIGHT_WHEEL.
Если вы планируете использовать описание вашего робота в симуляциях, вам также необходимо задать реальные материалы для всех деталей модели. Вы можете подобрать примерные аналоги из стандартной библиотеки материалов SolidWorks. Экспортёр использует материалы деталей для моделирования и расчёта инерционных параметров сегментов — массы, координат центра масс, а также тензора инерции.
Другие идеи
Существует еще очень много разных схем изготовления оригами-фигурки в виде робота. Это могут быть и плоские, и объемные, и модульные варианты. Интересной и оригинальной окажется бумажная поделка в виде робота-трансформера. Рассмотрим поэтапно, как ее надо делать правильно.
- Сперва следует распечатать на плотном листе бумаги чертежи будущего робота. Формат листа может быть А4 или А3.
- Распечатку нужно положить на мягкую поверхность. Это может быть диван или кровать. После этого посредством шила или иголки необходимо проделать в деталях отверстия, отмеченные на схеме.
- Далее детали аккуратно вырезаются строго по контуру. Длинные и прямые элементы удобнее вырезать посредством канцелярского ножа и линейки.
- Далее с помощью тупой стороны ножниц нужно продавить вдоль линейки все линии сгибов на будущей конструкции.
- Необходимо подогнуть те детали поделки, которые являются статичными. Делать это следует по намеченным линиям. После этого нужно будет склеить клапаны.
- Те детали, что являются подвижными, следует соединить посредством резинки.
Ее продевают в отверстия, а потом с двух сторон закрепляют надежными узелками.
Когда все детали будут подготовлены, надо будет приступить к сборке оригинальной фигурки робота-трансформера. Узнаем, из каких этапов состоит этот этап моделирования бумажной поделки.
- Сначала понадобится склеить друг с другом туловище и грудь будущего бумажного робота.
- После этого грудь, плечи и шею конструкции скрепляют посредством резинок.
- Далее нужно будет надежно склеить вместе шею и голову робота. Слишком много клея использовать не рекомендуется, поскольку это может негативно отразиться на внешнем виде поделки.
- Верхние зоны ног робота, икры и стопы тоже понадобится соединить друг с другом с помощью резинок.
- К икроножным участкам фигурки мастеру надо будет приклеить колесики.
- Торс поделки соединяют с верхними участками ног.
- На следующем этапе надо будет приклеить колеса к бедрам робота.
- Теперь понадобится склеить вместе бедра и верхние участки ног.
- Все составляющие элементы рук трансформера необходимо скрепить посредством той же резинки.
- Резинкой также надо будет соединить наплечники, плечи и предплечья фигурки.
- Останется закрепить на наплечниках выхлопные трубы. Сборка оригинальной фигурки завершена!
Как сделать робота – схемы, микроконтроллеры, программирование
| |||||||||||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||||||||||
Copyright © radiocopter.ru,
2005-2023
Как создать боевого робота. краткое руководство
Привет, Пикабу! На связи Лига Боевых Роботов. Сегодня у меня для вас краткое руководство по созданию боевых ботов. Этот материал написан на основе статьи от наших зарубежных коллег, написанной на английском языке. С оригиналом можно ознакомиться по этой ссылке.
Это не точный перевод. Мы убрали откровенную «воду» и добавили полезную информацию по теме. В данной статье основное внимание уделяется именно основам создания роботов, а не их устройству.
Выбор типа робота
О существующих типах боевых роботов и о весовых категориях можно прочесть в нашей статье “Боевые роботы. Типы и весовые категории”. Там содержится вся информация, необходимая для выбора типа вашего первого робота. Настоятельно рекомендуем ознакомиться с ней перед прочтением этой статьи. Так же присоединяйтесь в нашему сообществу в ВК. Мы добавили несколько альбомов с фотографиями роботов в разных весовых категориях в качестве примеров.
Процесс проектирования
Теперь, когда вы выбрали тип робота, вы готовы начать проектирование и сборку!
Залог создания хорошего робота – это серьёзный подход и проектирование. Многие хотели бы сразу взяться за инструмент и начать что -то строить. Но если попытаться обойтись без создания проекта робота в программе САПР, то итоговый результат вряд ли будет достойным. Такой робот наверняка получиться неэффективным, особенно, если это ваш первый опыт в таком деле. Программа САПР позволяет создать 3D модели всех деталей и создать т.н. сборку – полностью собранный проект робота в виртуальной среде. Это позволит не только получить 3D модели всех деталей со всеми размерами, которые будут идеально подходить друг к другу, но и произвести анализ напряжений, например, и вычислить объём и вес каждой детали, что очень важно, т.к. каждый робот должен вписываться в определённую весовую категорию. Потому создание робота нужно начинать именно с проектирования, хотя это может быть и не так увлекательно, как работа с материалами и сборка. Всё время, которое будет потрачено на проектирование, окупится с лихвой, в этом можете не сомневаться.
Шаг 1: Мозговой штурм
Процесс проектирования зачастую начинается с мозгового штурма. Первым делом, нужно определиться с типом оружия и весовой категорией робота. Далее нужно сделать следующие шаги:
· Найти и изучить все известные примеры таких роботов.
· Рассмотрите роботов с различными подвидами оружия, с разной бронёй и с различными системами привода.
· Попробуйте найти несколько видео, где можно будет посмотреть, как эти роботы показывают себя в бою.
· Обратите внимание на то, какие решения работают, а какие – нет.
После того, как вы достаточно разбираетесь в конструкциях интересующих вас роботов, начните объединять вашу идею в концепцию. Сделайте черновые наброски, на которых будут отображены желаемая форма шасси, оружия и т.д.
Вещи, на которых нужно сосредоточиться во время мозгового штурма:
1. Тип оружия
2. Форма оружия
3. Система привода
4. Общая форма корпуса
5. Броня
Во время мозгового штурма нужно записывать абсолютно все идеи, которые приходят вам в голову, просто для того, чтобы их не забыть. Возможно, большинство из этих идей вы не сможете применить при создании одного единственного робота, к тому же, некоторые идеи могут конфликтовать с другими. Но вполне возможно, что вы сможете реализовать эти идеи позже, когда решите собирать следующего бота, либо когда будете работать в команде над большим проектом. Кстати об этом. Создание действительно хорошего и эффективного робота – это, чаще всего, именно командная работа. В особенности это относится к средним и тяжёлым весовым категориям.
Шаг 2: Эскиз
С этого шага уже начинается проектирование робота. Первым делом можно прикинуть примерные размеры корпуса. Здесь можно отталкиваться от уже существующих роботов того же типа, и находящихся в той же весовой категории. Делаем первый эскиз:
После этого нужно создать ещё несколько, постепенно добавляя детали, такие как расположение колёс, моторов, оружия, предполагаемый тип привода, примерное расположение электроники и аккумуляторов, расположение внутренних структурных элементов и крепежа для электроники. Начинать нужно с самых важных узлов.
После того, как вы создали эскиз вашего бота, пора переходить к следующему этапу.
Шаг 3: Чертёж
Пора создать более подробные эскизы, или даже чертежи. Чтобы не создавать бота, в которого вы потом не сможете запихнуть желаемую начинку, на этом этапе желательно уже иметь на руках все основные комплектующие, такие как моторы, регуляторы и аккумуляторы, или хотя бы знать их размеры и вес. Тут всё взаимосвязано. К сожалению, мы ограничены стандартными моторами, редукторами и аккумуляторами. Да, их выпускается множество видов, самых разных размеров и форм, но очень часто, для определённой весовой категории, используется всего несколько типов моторов т.к. они подходят лучше всего. А производители аккумуляторов, например, не станут подстраиваться под нас, и делать на заказ несколько единиц аккумуляторной батареи нужного нам размера и веса. Это нам нужно отталкиваться от размеров и веса стандартных комплектующих.
На этом же этапе нужно определиться с материалами, из которых мы будем собирать робота. Как я уже говорил, каждый робот должен вписываться в выбранную весовую категорию, это основное требование. При создании роботов в различных весовых категориях используются множество различных материалов. В лёгких весовых категория, таких как «Жук» (1,5 кг.) и «Хобби» (5,4 кг.), часто используются алюминий, карбон, нейлон и пластиковые детали, напечатанные на 3D принтере. А в более тяжёлых категориях в основном используются износостойкие стали и титан. Подробнее о материалах мы будем рассказывать в наших статьях, посвящённых определённым весовым категориям.
Здесь я могу предложить использовать таблицу, которую я составил, основываясь на книге по созданию боевых роботов. Эта книга написана командой RioBotz в далёком 2009 году, создателями робота Минотавр, которого вы могли видеть на шоу «BattleBots». Книга доступна только на английском языке, но зато она распространяется бесплатно и её может скачать любой желающий. В этой книге просто уйма полезной информации. К сожалению, у нас пока нет ресурсов, чтобы перевести её на русский. Если вы владеете английским, или сможете осилить машинный перевод (который, к слову, вполне читабелен) то обязательно прочтите эту книгу. Книгу в оригинале можно скачать в нашей группе в разделе документы, или скачать с официального сайта.
Так вот, по поводу таблицы. Здесь представлены все основные весовые категории, ограничения по весу в каждой из них, а так же распределение веса по всем основным узлам. В книге это называется правилом «30,30,25,15». Подобное распределение веса между узлами позволяет собрать достаточно эффективного и сбалансированного бота. Обратите внимание, что в США и Англии максимальный вес для некоторых категорий отличается.
Безусловно, это не Аксиома, но это то, от чего можно отталкиваться. Например, зная вес моторов, аккумуляторов и регуляторов, которые вы хотите использовать, вы сможете узнать, сколько свободного веса у вас осталось на оружие и броню. Прикинув вес оружия, вы узнаете, сколько будет весить каркас и броня вашего робота. А это, в свою очередь, приведёт вас к выбору материалов и к толщине брони, которую вы сможете себе позволить. Да и в целом, знание веса, который вы сможете распределить на шасси, определённо внесёт коррективы в дизайн и размеры робота. Как я уже говорил – здесь всё взаимосвязано, на всех этапах создания робота.
Для облегчения дальнейшего проектирования можно сделать наброски, на которых будут изображены отдельные узлы, конструкцию которых нужно продумать заранее.
Так же на общем чертеже можно прикинуть расположение структурных элементов и крепёжных отверстий в деталях. Нужно подумать над тем, из каких отдельных деталей и узлов будет состоять бот, и как всё это будет собираться в единое целое.
Шаг 4: Выбор моторов
При выборе мотора нужно учитывать 3 момента:
Характеристики мотора (ТТХ двигателя, которые заложены производителем, и которые нельзя изменить).
Дизайн вашего робота (форма и размеры вашего бота, которые вы можете изменить)
Желаемые характеристики (ТТХ собранного робота, такие как мощность оружия, скорость и маневренность).
Свойства мотора, от которых нужно отталкиваться:
KV (оборот вольт) – Это значение нужно умножить на напряжение аккумулятора, чтобы узнать максимальные обороты в минуту.
Мощность (W) – Это значение нужно знать, чтобы вычислить время раскрутки оружия до максимальных оборотов.
Максимальный ток (A) – От потребляемого тока зависит выбор регулятора. Чем больше потребляет двигатель, тем более мощный и тяжёлый регулятор оборотов потребуется для него.
Максимальное напряжение (V) – Максимальное напряжение, которое двигатель может выдержать, от него зависит выбор регуляторов и аккумулятора.
Размеры двигателя – это тоже важный момент. Чем больше размеры моторов, которые вы используете, тем больше будет корпус робота, который сможет их вместить. А чем больше корпус – тем тоньше будет броня, которую вы сможете себе позволить, ведь робот должен вписываться в ограничения по весу для своей категории.
Вес. Здесь всё аналогично предыдущему пункту. Чем тяжелее моторы, тем меньше веса вы сможете выделить на остальные части робота.
Обратите внимание, что некоторые продавцы указывают вес упаковки с мотором, а не самого мотора.
Кроме того, имейте ввиду, что большинство (если не все) характеристик мотора, которые указывает продавец или производитель, являются теоретическим максимумом. Скорее всего, на деле все характеристики будут ниже заявленных, но их всё ещё можно использовать для предварительных расчётов.
Характеристики вашего бота, которые вы можете изменять:
Передаточное число – это соотношение межу диаметром шкива (шестерни, звёздочки и т.д.) установленного на двигатель, и диаметром шкива, установленного на оружие, к примеру.
Для привода оружия и колёс, как правило, устанавливаются понижающие редукторы. Чем больше разница в диаметрах, тем выше коэффициент редукции. От коэффициента редукции зависит максимальная скорость вращения оружия, и максимальная скорость, с которой робот сможет передвигаться.
Момент инерции (J): Эта величина нужна для расчёта времени, которое понадобится для раскручивания оружия до заданных оборотов, а так же для вычисления силы удара этого оружия.
Итоговые характеристики, которые вам нужно знать:
Скорость вращения оружия (обмин.).
Этот параметр является одним из основных для создания разрушительного оружия. Для вращающегося оружия сравнительно небольшого диаметра, например такого, как барабан, желательно использовать высокие обороты – от 8000 обмин. и выше. Для более крупного и тяжёлого оружия, например такого, как вращающееся лезвие горизонтального Спиннера, обороты должны лежать в диапазоне от 2000 до 5000 обмин. Тут всё зависит от массы и размеров оружия – чем больше скорость вращения тяжёлого оружия с большим радиусом, тем большую отдачу получит ваш робот при ударе. Это может повлечь за собой серьёзные структурные повреждения вашего робота. Разорвать вражеского бота пополам одним ударом – это здорово. Но какой в этом смысл, если от такого удара и ваш собственный робот разлетится на части.
Время разгона.
Это значение показывает, насколько быстро оружие раскручивается с нуля до максимальных оборотов. Первый удар в бою часто имеет решающее значение. Если вражеский бот столкнётся с вашим оружием до того, как оно наберёт максимальные обороты, то вы не нанесёте максимально возможный урон, а оружие будет снова раскручиваться с нуля, что даёт вражескому роботу время для манёвра. Потому очень важно, чтобы оружие раскручивалось до максимальных оборотов как можно быстрее. Для роботов в лёгких весовых категория, например, выход на максимальные обороты за 1 секунду считается хорошим результатом. Для ботов в более тяжёлых весовых категориях это могут быть 2 секунды. 3 секунды – это уже средний результат.
Кинетическая энергия (Дж)
Это значение представляет собой фактическую энергию, которую ваше вращающееся оружие будет производить и, следовательно, передавать другому роботу при ударе.
Вам потребуется вычислить ещё несколько значений, подробнее об этом мы напишем в отдельных статьях о расчётах силы удара оружия робота, и о подборе моторов.
Так же для примерных расчётов силы удара оружия можно использовать вот этот простой калькулятор.
Шаг 5: Создание 3D моделей в программе САПР
Этот шаг нужно выполнять одновременно с подбором моторов и других комплектующих.
Помните, что большинство деталей для роботов, особенно тяжёлых, часто изготавливаются на заказ. Если вы создали деталь, которую можно изготовить из большого бруска алюминия, например, но большая часть материала ( 50% и более) при этом будет превращена ЧПУ фрезером в стружку, то такие детали будут обходиться довольно дорого. Иногда лучше пересмотреть подход и попробовать оптимизировать процесс изготовления или упростить саму деталь, чтобы для её изготовления требовалось как можно меньше материала.
Вот несколько советов по созданию 3D моделей:
Расставляйте размеры таким образом, чтобы в любой момент можно было вернуться к самым первым шагам и изменить их. Для этого все размеры должны быть расставлены вручную, и не должны зависеть друг от друга там, где этого не требуется.
Используйте готовые 3D модели стандартных частей, таких как моторы, регуляторы и прочее, для своих сборок. Модели типовых деталей, которые используются чаще всего, можно найти в сети и таким образом сэкономить время.
Не забудьте указывать в свойствах детали материал, из которого она должна быть изготовлена, и его плотность. Это поможет легко вычислить точный вес детали ещё на этапе проектирования. Если этого не делать, то при постройке робота можно обнаружить, что вы едва собрали его наполовину, а его вес уже превышает максимально допустимый. Зная вес каждой детали в процессе проектирования, вы можете изменить её размеры, или вырезать окна облегчения, чтобы снизить вес, если это потребуется. Таким образом, даже не имея на руках основных деталей, таких как моторы, регуляторы и аккумуляторы, но зная их размеры и вес (указанные производителем) вы уже можете приступать к проектированию корпуса для вашего робота. Когда вы закончите сборку робота в программе, вам останется дождаться доставки всех деталей, проверить их размеры и вес и, если всё сходится, то можно будет приступать к изготовлению.
Шаг 6: Сборка проекта в программе САПР
Как только 3D модели всех деталей созданы, пора переходить к их сборке в единое целое. Важно создать полную сборку со всеми деталями, чтобы убедиться, что всё собирается и работает так, как и задумано. Далее небольшой список советов:
· Удостоверьтесь, что вес всех деталей, необходимых для сборки робота ниже, чем максимально возможный в той весовой категории, в которой будет выступать ваш бот.
· Учитывайте вес деталей, которые могут отсутствовать в сборке. Это могут быть провода, разъёмы, винты и прочие мелочи.
· Создайте сборки отдельных узлов робота, чтобы вы могли работать над несколькими из них параллельно.
· Не назначайте деталям случайные цвета и текстуры. Это может усложнить восприятие цельного проекта. Например, если деталь должна быть изготовлена из стали, то у неё должен быть соответствующий цвет и фактура.
· Не стоит недооценивать время, которое придётся потратить на сборку. Очень часто проблемы возникают уже после того, как всё собрано в единое целое, и на их устранение тоже может потребоваться время.
· Не вносите все поправки в одну единственную сборку, лучше сохраните несколько вариантов. Это позволит вернуться к старым версиям при необходимости.
После создания (или даже во время) сборки можно начать составлять список материалов и комплектующих. В такой список могут входить следующие пункты:
· Размеры стандартных листов материалов, которые можно купить, и размеры листов, которые необходимы вам для изготовления тех или иных деталей.
· Список и количество всех типовых деталей необходимых для сборки (помимо электроники), которые можно купить, такие как винты, подшипники, ремни и прочее.
· Ссылки на источники, где можно приобрести все необходимые материалы.
· Все необходимые замечания, связанные с деталями и материалами, просто чтобы не забыть.
Наличие такого списка позволит вам как можно быстрее приступить к созданию робота, сразу после завершения проектирования.
Шаг 7: Обзор проекта
Если вы создаёте робота в команде, а не в одиночку, то вероятно вам нужно будет продемонстрировать свой проект остальным товарищам, особенно, если вы новичок, а для создания бота будут использоваться материалы и оборудование, которые принадлежат всей команде. Ваши коллеги и наиболее опытные члены команды будут задавать вам вопросы по поводу вашего проекта, укажут на недостатки в конструкции и посоветуют, как их можно исправить. Критика вашего первого проекта может показаться излишне суровой, но не забывайте о том, что эти люди просто пытаются помочь вам создать лучшего бота. Проекты тяжёлых роботов обычно проходят 3-5 проверок до того, как они будут одобрены, т.к. тяжёлые роботы – самые дорогие в производстве, и любые ошибки в проектировании могут обойтись очень дорого. Так же важно делать заметки и записи во время таких проверок, просто чтобы не забыть все советы по устранению проблем.
Шаг 8: Постройка
Вот и всё, теперь вы готовы воплощать ваш проект «в металле». Во время сборки настоящего робота у вас может возникнуть необходимость внести небольшие изменения в конструкцию по тем или иным причинам. Очень сложно учесть все нюансы при моделировании на компьютере. Не забудьте внести эти изменения в вашу сборку в программе САПР, когда робот будет закончен.
Настройка wi-fi и графической оболочки
Теперь нам нужно подключиться к Интернету через Wi-Fi-адаптер на Raspberry. Предполагается, что у вас уже есть точка доступа Wi-Fi.
Первый шаг — определить имя вашего беспроводного сетевого интерфейса. Оно может быть разное, но обычно это wlan0:
ls /sys/class/net/
Затем перейдём в каталог /etc/netplan и найдём соответствующие файлы конфигурации Netplan. Файл конфигурации имеет имя типа 50-cloud-init.yaml:
ls /etc/netplan/
Отредактируем файл конфигурации Netplan:
nano /etc/netplan/50-cloud-init.yaml
Весь файл конфигурации должен выглядеть примерно так, как показано ниже. Убедитесь, что все блоки кода выровнены. Для выравнивания используйте пробелы вместо табуляции. Замените строки SSID и PASSWORD на имя и пароль вашей сети Wi-Fi.
# This file is generated from information provided by the datasource. Changes
# to it will not persist across an instance reboot. To disable cloud-init's
# network configuration capabilities, write a file
# /etc/cloud/cloud.cfg.d/99-disable-network-config.cfg with the following:
# network: {config: disabled}
network:
ethernets:
eth0:
dhcp4: true
optional: true
version: 2
wifis:
wlan0:
optional: true
access-points:
"SSID":
password: "PASSWORD"
dhcp4: true
Запустим службу, перезагрузимся и войдём в систему:
systemctl start wpa_supplicant
reboot now
Применим изменения Netplan и подключимся к беспроводной сети:
sudo netplan generate
sudo netplan apply
Ещё раз перезагрузимся и снова войдём в систему. Теперь наша Raspberry в сети Wi-Fi, и мы можем пропинговать наш сетевой шлюз:
ip addr show
ping 192.168.88.1
Следующим шагом будет установка графического интерфейса для удобства работы с операционной системой. Обновим список пакетов из репозитория, обновим сами пакеты и установим любую понравившуюся графическую оболочку. Например, мы выбрали XFce:
sudo apt-get update && apt-get upgrade
sudo apt-get install xubuntu-desktop
Установка графической оболочки может занять некоторое время. После установки перезагрузимся и войдём в систему под ubuntu.
Отдельные блоки
Теперь пройдусь по
блокам
и расскажу персонально про каждый.
Батарейный отсек
Понятно, что робот должен иметь хороший источник энергии. Варианты могут быть разные, я выбрал вариант с 4 аккумуляторами АА. В сумме они дают примерно 5 В, и такое напряжение можно прямо подать на пин 5V платы arduino (минуя стабилизатор).
Некоторая настороженность, конечно, у меня была, но это решение вполне работоспособно.
Так как питание нужно везде, то для удобства я сделал по центру робота два разъема: один «раздает» землю (справа), а второй — 5 В (слева).
Двигатели и драйвер
Сначала про крепление двигателей. Крепление заводское, но сделано с большими допусками. Другими словами, двигатели могут «вихлять» на пару миллиметров влево-вправо. Для нашей задачи это не критично, а вот где-то может и влиять (робота начнет уводить в сторону). На всякий случай я выставил двигатели строго параллельно и зафиксировал клеем.
Для управления двигателями, как я писал выше, используется драйвер L298N. По документации у него три пина на каждый двигатель: один для изменения скорости и пара пинов для направления вращения. Тут есть один важный момент. Оказывается, если напряжение питания 5 В, то регулировка скорости просто не работает!
Вообще говоря, низкая скорость вращения мне требовалась при развороте робота — чтобы он имел запас времени просканировать пространство. Но, так как с такой задумкой ничего не вышло, пришлось делать по другому: небольшой поворот — остановка — поворот — остановка и т. д. Опять же, не столь изящно, но работоспособно.
Еще здесь добавлю, что после каждого преследования робот выбирает случайное направление нового поворота (по или против часовой стрелки).
Ультразвуковой датчик
Еще одна железяка, где пришлось искать компромиссное решение. Ультразвуковой датчик на реальных препятствиях дает нестабильные цифры. Собственно, это было ожидаемо. Идеально он работает где-нибудь на соревнованиях, где есть гладкие, ровные и перпендикулярные поверхности, а вот если перед ним «мелькают» чьи-то ноги — тут нужно вводить дополнительную обработку.
В качестве такой обработки я поставил медианный фильтр на три отсчета. Исходя из тестов на реальных детях (во время тестов ни один ребенок не пострадал!), его оказалось вполне достаточно для нормализации данных. Физика здесь простая: у нас есть сигналы, отраженные от нужных объектов (дающие требуемое расстояние) и отраженные от более далеких, например, стен.
После всей обработки у нас получается расстояние до ближайшего объекта. Если оно меньше некоторой пороговой величины — тогда мы включаем сигнализацию и едем прямо на «нарушителя».
Мигалка и сирена
Пожалуй, самые простые элементы из всего перечисленного. Их видно на фотографиях выше. По железу здесь писать нечего, поэтому теперь перейдем к коду.
Привод с omni-колёсами
Этот тип привода использует особые Omni-колёса или поликолеса вместо обычных. Поликолесо — это всенаправленное колесо с небольшими роликами, расположенными по окружности. Оси роликов перпендикулярны оси вращения колеса. Контролируя скорость и направление вращения поликолёс, вы можете заставить робота двигаться в любом направлении — другими словами, сделать его движение голономным.
Обычно шасси с Omni-колёсами насчитывает ровно 3 или 4 колеса. Шасси с тремя колёсами обеспечивает большую тягу, поскольку любая реактивная сила распределяется только через три точки, и робот хорошо сбалансирован даже на неровной местности. Всенаправленные колёса имеют высокую стоимость, поэтому трёхколёсное шасси обходится заметно дешевле варианта с четырьмя.
Чаще всего для трёхколёсного шасси выбирают угол установки 120°. Иногда два колеса параллельны друг другу, а третье ставится перпендикулярно к ним. Последняя конструкция может быть более эффективной, потому что когда колёса расположены под углом 120°, только одно из них является ведущим, а два других по сути тормозят его, снижая общую скорость.
Поскольку колёса на таком шасси не выровнены по осям, каждое из них требует индивидуального расчёта скорости.
Пример определения векторов скоростей колёс для трёхколёсного шасси:
Четырёхколёсное шасси имеет четыре ведущих колеса, расположенных под углом 90° друг к другу. Эта конструкция удобнее для расчёта скоростей, так как два колеса параллельны друг другу, а два других перпендикулярны к ним. Как и в трёхколёсном шасси, КПД всех колёс также не используется на 100%.
Но в отличие от трёхколёсного шасси, здесь есть два ведущих колеса и два свободных. Таким образом, четырёхколёсное шасси движется быстрее, чем трёхколёсное. Четвёртое колесо добавляет шасси ещё одну точку опоры, и на неровной местности одно из колёс робота может оказаться в воздухе.
Пример определения скорости вращения колёс для четырёхколёсного шасси:
Особенности шасси:
- Поскольку всенаправленные колёса представляют собой комбинацию из множества роликов, возникает сопротивление вращению, что приводит к повышенному трению и значительным потерям энергии.
- Не все колёса являются ведущими, в каждый момент времени эффективно работают лишь одно-два поликолеса.
- С помощью Omni-колёс достигается голономное движение робота.
- Работа поликолёс изначально строится на принципах проскальзывания. Невозможно поставить датчик вращения на каждый ролик Omni-колеса, поэтому полученная колёсная одометрия совсем неточная.
- Чаще всего роботы с таким шасси используются внутри помещений на ровных и гладких поверхностях.
Простой вариант из бумаги
Техника оригами является доступной не только для взрослых, но и для детей. Начинающим и юным мастерам лучше всего знакомство с японским искусством начинать с простых и доступных схем. Освоив их, можно смело покорять новые вершины и моделировать более сложные варианты бумажных поделок.
Существует масса простых схем моделирования фигурки робота из бумаги. Чтобы смастерить подобную поделку, достаточно подготовить листок бумаги квадратной формы. Рассмотрим пошаговую инструкцию по изготовлению простой фигуры бумажного робота.
- Первый шаг – формирование базовой оригами-формы «двойной квадрат».
- Каждый из 4 клапанов заготовки необходимо раскрыть, а после этого расплющить.
- В результате должна выйти заготовка с длинным и заостренным элементом.
- Нижние боковые участки изделия необходимо аккуратно подогнуть по направлению к центру. После этого их надо будет разогнуть обратно.
- Центральную часть верхнего слоя теперь надо будет приподнять кверху. При этом должен сформироваться неправильный ромб. Действия будут во многом схожи с формированием базовой формы, именуемой «птицей». Уголок понадобится спустить книзу.
- Указанные действия необходимо продублировать с остальными сторонами бумажной заготовки.
- На следующем этапе бумажное изделие надо будет аккуратно приоткрыть. Во внутреннюю часть конструкции следует заправить прямые уголки.
- В результате должна получиться фигура, как показано на схеме.
- Далее верхний уголок конструкции складывают по типу зигзага в направлениях на себя, а потом от себя.
- После этого лист необходимо развернуть. Действовать следует аккуратно, чтобы не повредить конструкцию.
- По внешней окружности надо сформировать складочки по типу «гора», а по внутренней окружности – по типу «долина».
- Теперь бумажную фигурку необходимо собрать в прежнюю форму.
- Пласты заготовки надо будет перелистнуть.
Углы по бокам верхнего слоя подгибают к серединке.
- После этого слои необходимо перелистнуть в правую сторону.
- На следующей стороне надо снова сложить боковые уголки, направляя их к середине.
- Подогнутые слои необходимо перелистнуть в левую сторону. Полосы понадобится приподнять с обеих сторон.
- Далее можно будет сформировать правую руку будущего робота.
- На следующем этапе формируют левую руку.
- Заготовку переворачивают на другую сторону.
- По направлению к середине надо будет подогнуть углы, находящиеся на цельных сторонах поделки.
- Теперь мастер может сформировать ноги робота.
- Необходимо сделать ступни. На этом этапе оригинальная бумажная поделка будет готова!
Процесс сборки
Готовые детали следует разложить на рабочем столе и включить паяльник. Первоначально собирают плату, для чего подготавливают текстолитовую или картонную основу со сторонами от 4 до 5 см. На ней должна уместиться схема, батарейки, двигатели и крепеж переднего колеса.
Первоначально запаивают датчики с учетом полярности подсоединения фотодиодов и фототранзисторов. Их размещают по углам платы с одного края, располагая так, чтобы они смотрели в разные стороны. Это передняя часть робота, его «глаза».
Поодаль от переднего края фиксируют транзисторы, запаивая их так, чтобы маркировка располагалась на стороне правого колеса.
К 3 соединенным батарейкам подпаивают провода и определяют на плате 2 точки их схождения (плюс и минус). Удобно продеть в края платы витую пару, запаять концы к транзисторам и датчикам, вывести петлю и к ней подпаять батарейки.
Двигатели устанавливают в конце шасси с противоположной стороны платы. Управляющий моторчик крепят напротив управляемой системы. Это необходимо, чтобы робот поворачивался на свет.
Сборку электрики начинают от отрицательного полюса батарейки к положительному контакту по всей схеме. Взяв часть витой пары, припаивают отрицательный контакт датчиков к минусу батарей, и в это же место добавляют коллекторы транзисторов.
Второй фотоэлемент припаивают небольшим куском провода к транзисторной базе. Остальные ножки присоединяют к моторчикам. Для проверки правильности сборки используют тестер полярности напряжения.
После сборки проводят тестирование. Для этого включают схему и подносят ее к источнику света, поворачивая сначала одним, затем другим чувствительным элементом.
Когда все сделано правильно, двигатели на плате вращаются, меняя скорость в зависимости от степени освещения.
Если устройство не работает, проверяют правильность подключения контактов. В схеме каждый из датчиков отвечает за работу колес — правый за левое, и наоборот. Если это не так, корректируют полярность включения моторов.
Далее осуществляют сборку устройства. Первым делом изготавливают боковые колеса, склеив крышки между собой полой частью внутрь. Для их фиксации просверливают небольшые отверстия, используя миниатюрную дрель с насадками. В колесо продевают проволоку (бывшую скрепку) и закрепляют ее концы между фотодатчиками на плате.
На последнем этапе проверяют работу механизма, используя источники освещения разной интенсивности. Колеса робота должны ехать вперед. Если система работает, зафиксированные на плате моторчики и батарейки закрепляют термоклеем.
Типы приводов
Рассмотрим разные типы приводов мобильных роботов и выясним, какую механику они используют. Затем, сравнивая все плюсы и минусы, выберем привод для нашего робота.
Роботы могут передвигаться в 2D- или 3D-пространстве. Очевидно, что только летающие роботы способны маневрировать во всех плоскостях, и они чрезвычано сложны. Например, летающие дроны ориентируются в помещении или на местности, используя трёхмерные камеры глубины.
Если роботу нужно передвигаться только в двухмерном пространстве, всё становится уже проще. Мы можем рассмотреть движение робота как движение материальной точки в плоскости (X, Y) в прямоугольной или Декартовой системе координат (X, Y, Z).
Движение робота в плоскости может быть голономным (Holonomic) или неголономным (Non-holonomic). Что это значит? При голономном движении робот способен свободно двигаться по любому вектору XY, не меняя при этом своей ориентации. При неголономном движении робот может передвигаться только в нескольких ограниченных направлениях.
Например, обычный автомобиль не может взять и подвинуться строго вправо или влево с места — значит, его движение неголономно. С другой стороны, если бы у автомобиля вместо обычных колёс стояли всенаправленные, то он смог бы двигаться голономно.
Вы, наверное, спрашиваете себя: «Зачем мне всё это нужно знать?» Понимание того, каким именно образом движется робот, и понимание принципов получения проекций его скоростей в системе координат чрезвычайно важно при создании управляющей программы. Чем больше направлений движения и вращения имеет робот, тем сложнее сконструировать его механику и контролировать его движение.
Ещё одиним важным фактором при выборе привода робота является сложность получения одометрии и её точность.
Одометрия — это использование данных с установленных на роботе сенсоров и датчиков для расчёта его текущего положения и ориентации в пространстве. С некоторых приводов получить качественную одометрию очень легко — например, с двухколёсного дифференциального привода (2WD differential drive).
Мы попробовали собрать самые популярные способы передвижения для хобби-роботов.
Энкодеры
Для колёсной одометрии нам понадобятся датчики угла поворота или энкодеры. Готовые шасси часто уже оснащены энкодерами, но платформа Turtle поставляется без них. По типу отдаваемых данных энкодеры могут быть абсолютными или инкрементальными.
Абсолютный энкодер выдаёт сигнал, который однозначно соответствует углу поворота вала. Энкодеры этого типа не требуют привязки системы отсчёта к какому-либо нулевому положению.
Инкрементальный энкодер генерирует импульсы на выходе. Контроллер подсчитывает количество импульсов с помощью счётчика и определяет текущее положение вала. Сразу после включения контроллера положение вала неизвестно. Для привязки системы отсчёта к нулевой позиции существует специальная нулевая отметка, через которую вал должен пройти после включения.
Основным недостатком энкодеров такого типа является невозможность определить пропуск импульса, вызванный какой-либо причиной. Пропуски импульсов накапливают погрешность в угле поворота вала до тех пор, пока не будет пройдена нулевая отметка. Инкрементальный энкодер может быть и без нулевой отметки. В этом случае отсчёт импульсов, полученный в начале накопления, является началом системы отсчёта.
По принципу действия энкодеры могут быть оптическими, магнитными и механическими. Оптический энкодер использует свет, который падает на фотодиод через щели в металлическом или стеклянном диске, установленном на вращающемся валу. Механический энкодер также имеет вращающийся диск, но здесь угол считывают механические переключатели или контакты.
В основном в хобби-робототехнике используются оптические и магнитные инкрементальные энкодеры или магнитные абсолютные энкодеры. Не критично, какой тип энкодера вы будете применять. При выборе энкодера основными параметрами являются количество каналов передачи данных, количество импульсов на оборот (PPR) и максимально допустимая скорость вращения вала.
Наиболее популярны квадратурные энкодеры с двумя каналами А и В. Реже у энкодеров в хобби-сегменте есть канал с нулевой отметкой — Z. Чем выше значение PPR, тем меньше угол поворота вала, который может зафиксировать датчик. Чем точнее энкодер, тем точнее одометрия робота, поэтому не пренебрегайте высококачественными энкодерами и не используйте энкодеры с низким значением PPR.
Максимальная скорость вращения может быть любой, так как большинство энкодеров способно работать на очень высоких скоростях. Скорее всего, скорость вращения, которую вы будете измерять, будет в несколько раз меньше максимальной. Даже если вы планируете использовать высокоскоростные BLDC двигатели с высоким значением kv, то существуют энкодеры, которые работают с максимальными скоростями 28000 об/мин, 60000 об/мин или даже больше.
Если вы используете двигатель с коробкой передач, установите поворотный энкодер на вал двигателя, а не на вал колеса или коробки передач. Это важно. Эта настройка уменьшает минимальный читаемый угол поворота колеса и делает вашу одометрию более точной. Энкодеры могут устанавливаться и на оси передач и редукторов, но обычно это делается в приводах скелетных роботов.
Мы обзавелись двумя такими двигателями с энкодерами — мотор-редуктор TT с энкодером (160 об/мин, 6 В, 120:1).
Почему мы выбрали именно эти моторы?
- Во-первых, их конструкция специально разработана для нашего шасси Turtle, и нам не придётся придумывать крепление.
- Во-вторых, производитель исправил существенные недостатки, заменил пластиковые шестерни металлическими и добавил схеме двигателя обвязку.
- Эта сборка имеет квадратурный магнитный энкодер с разрешением 16 PPR, установленный на валу двигателя. Передаточное отношение редуктора 120:1 даёт полное разрешение в 1920 импульсов на оборот колеса с минимальным измеряемым шагом в 0°11’15″. Для поставленной нам задачи такой точности более чем достаточно.
Заменив моторы и убрав всё лишнее, мы получили вот такое шасси:
