Промышленные роботы: тренды и типы — Control Engineering Russia

Двигатели и питание

После всех этих размышлений начался подбор комплектующих для платформы.

Поизучав предложения, я выбрал двигатели семейства JGA25-370.

Судя по описанию на эту серию двигателей, они имеют диапазон рабочих напряжений 3-36 В, номинальных напряжений 6-24 В. Эти двигатели выпускаются с разными скоростями, редукторами и, соответственно, имеют различные крутящие моменты (0,1-10 кг*см). Размер и места крепления у всей серии одинаков, поэтому мы получаем хорошее универсальное решение в плане будущих модификаций — для более тяжелой и тяговитой платформы, например, можно поставить двигатели с более низкой скоростью, но большим крутящим моментом. Типизированные номиналы рабочих напряжений для двигателей 6, 12 и 24 В. Важный вопрос — какой номинал выбрать?

В связи с выбором питания двигателей встаёт вопрос организации автономного питания всей нашей платформы. Батарейки и аккумуляторы типоразмеров АА или ААА я использовать не хотел. Хотелось использовать действительно ёмкие аккумуляторы. Я выбрал литий-ионные аккумуляторы типоразмера 18650, ёмкость которых варьируется от 1000 мАч до 3500 мАч.

Литий-ионные аккумуляторы имеют достаточно большое количество циклов заряда/разряда, быстрое время заряда относительно большим током, отсутствует эффект памяти (хотя по некоторым данным он, хоть и незначительный, но есть), низкий уровень саморазряда, меньший вес по сравнению с кислотными или щелочными аккумуляторами, бóльшую ёмкость по сравнению с NiMH аккумуляторами.

Однако нужно помнить, что такие аккумуляторы не любят чрезмерный нагрев (вероятность взрыва) или чрезмерное охлаждение (уменьшение ёмкости). Их нельзя глубоко разряжать, очень быстро заряжать или очень быстро разряжать (высокотоковые аккумуляторы рассматривать не будем).

Если аккумулятор будет сильно разряжён, он, наверняка, выйдет из строя с вероятностью разгерметизации при попытке заряда. Если будет нарушена герметичность аккумулятора, то при сильных токах есть вероятность воспламенения лития, а потушить такой аккумулятор водой уже не получится – литий вступает в реакцию с водой, образуя щелочь и водород.

Номинальное напряжение одного литий-ионного элемента 18650 составляет 3,6-3,7 В. Полностью заряженный элемент выдаёт 4,1-4,2 В. А вот с минимальным напряжением сложнее – конечное напряжение разряда зависит от типа аккумулятора и эта цифра может колебаться в пределах 2,6-3,2 В.

Разрядить можно и ниже, но это верный путь к быстрой деградации элемента питания. Я решил загрубить оценку выдаваемого аккумулятором напряжения диапазоном номинал-максимум. Тогда получается, что сборки из двух, трёх и четырёх последовательных аккумуляторов дают нам диапазоны 7,2-8,4 В, 10,8-12,6 В, 14,4-16,8 В.

От такой сборки нам нужно получить два напряжения – какое-то напряжение для питания двигателей и 5 В для питания электроники. Сборкой из двух аккумуляторов можно запитать двигатели на 6 В, использовав понижающий DC/DC преобразователь, но разница между минимальным значением напряжения (при разрядке аккумуляторной батареи до номинала это будет 7,2 В)

и 6 В будет порядка 1,2 В, что может быть недостаточно для стабильной работы понижающего DC/DC преобразователя – во избежание проблем, необходимо иметь разницу напряжений между его входом и выходом не менее 2 В (на самом деле может быть и меньше для low dropout преобразователей, но на них не будем ориентироваться).

Нам вполне подходит сборка из трёх элементов, необходимые напряжения мы получим путём применения понижающих DC/DC преобразователей. Двигатели можно запитать и на 9 В, тогда в худшем случае мы получим разницу 1,8 В, что должно быть вполне достаточно.

Второй путь организации питания – использовать параллельные соединения тех же аккумуляторов и повышающий DC/DC преобразователь. Тогда с 3,6-4,2 В напряжение можно повысить до 5 В для электроники и до 6-9 В для двигателей. Кажется, что ёмкость такой аккумуляторной сборки легко варьировать путём добавления новых элементов, однако не стоит забывать, что используемые аккумуляторы должны иметь схожие ёмкость и внутреннее сопротивление.

Для зарядки/разрядки последовательных или параллельных аккумуляторных батарей существуют специальные платы-контроллеры. Контроллеры защиты защищают аккумуляторную сборку от чрезмерного заряда или разряда (контроль напряжения), короткого замыкания, превышения допустимого тока разряда.

При использовании таких простых плат, требуется внешний источник питания с ограничением зарядного тока. Контроллеры заряда/разряда самостоятельно умеют заряжать аккумуляторы по методу cc/cv с ограничением зарядного тока. Продвинутые контроллеры для последовательного соединения аккумуляторов так же могут обеспечивать индивидуальный заряд для каждого аккумулятора – производят балансировку элементов аккумуляторной батареи.

Я выбрал последовательную схему соединения аккумуляторов с использованием платы защиты и внешним зарядным устройством. В будущем такую простую плату контроля можно заменить на контроллер заряда с балансировкой. Хотя, при параллельном соединении балансировка не требуется, нужно учитывать, что при сильном износе какого-то одного аккумулятора, контроллер обнаружить это не сможет и это может быть чем-то чревато.

Следовательно, подойдут двигатели с номинальным напряжением 6 В и рабочим диапазоном 3-9 В. Я выбрал двигатель со скоростью 281 об/мин и потреблением, в режиме холостого хода, 80 мА. Под нагрузкой скорость проседает до 238 об/мин, ток возрастает до 380 мА, при этом двигатель выдаёт мощность в 2 Вт и развивает крутящий момент в 0,5 кг*см.

Предисловие

Я уже делал, вернее собирал, робота RASH1. Этого робота сложно назвать handmade, так как платформа абсолютно собирается на готовых комплектующих. Интерес представляет система управления такой платформой, построенная на базе небольшого маршрутизатора с системой cyberWRT, которая позволяет управлять роботом с любого устройства через браузер.

, так как я посчитал, что раз уж попытаться описать разработку, то сделать это для всех, тем более, стартап изначально нацеливался на open source и ребята были не против подобной инициативы.

Если Вы посмотрите видео, то убедитесь, что китайские моторчики за 300 рублей бывают очень разные и порой непросто подобрать их одинаковыми, особенно если других нет. А, если они неодинаково крутятся, то робот прямо ездить не будет. Хотя, своим стремлением лишний раз утянуться налево, он не оставил равнодушными ни одного домочадца, такой эффект явно нежелателен.

Можно поставить энкодеры и программно корректировать вращение колёс. Если же энкодеров нет, то можно эмпирически вычислить, насколько нужно притормозить (понизить уровень напряжения) более быстрый двигатель, чтобы робот ездил прямо и ровно. Однако, по мере разряда батареек/аккумуляторов, характеристики подогнанной «рабочей точки» изменятся и при другом напряжении двигатели ведут себя уже совсем иначе – робот опять начнёт «забирать» в какую-то сторону.

Помимо этого, управление роботом через cyberWRT всё же не идеально – связь обрывалась, иногда пропадала картинка, точно не помню, кажется, на Firefox управление сенсорными кнопками вообще не работало. После переподключения к роботу всё восстанавливалось, то есть чинилось без перезагрузки маршрутизатора, возможно имела место какая-то капризность связи компьютер/телефон-маршрутизатор-маршрутизатор_на_роботе.

Стоит отметить, что cyberWRT довольно просто решает вопрос организации управления, давая возможность написать свой модуль и преобразовать, грубо говоря, WEB с одной стороны в UART с другой. В интернете достаточно русскоязычной информации, а также присутствует довольно активное сообщество, которое может помочь разобраться в каких-то вопросах.

Сама по себе, сборка робота RASH1 вполне позволяет новичкам в робототехнике сделать первые шаги, не заостряя внимание на разработке электроники, прикладывая минимум усилий с паяльником в руках (существует готовая разведённая плата, которая без особого труда распаивается), но, тем не менее, получается робот, сделанный своими руками – я уверен в том, что только на одних легоподобных электронных конструкторах нормальный инженер-робототехник всё же не взрастится.

В принципе, этого уже достаточно: полученный робот, и без управления через cyberWRT, позволяет программировать своё поведение. Достаточно разобраться в Arduino (схемотехника и программирование), освоить понятие широтно-импульсной модуляции (ссылка 1, ссылка 2) и в интернете поискать примеры применения тех или иных датчиков.

Например, базовая прошивка имеет автономный режим, который включается нажатием кнопки на роботе и позволяет роботу ездить в помещении, в идеале, без столкновений с предметами – сонар (ультразвуковой датчик) постоянно отслеживает обстановку перед роботом и при обнаружении препятствия робот прекращает движение и запускает слегка навороченный алгоритм разворота, суть которого – получить случайные повороты, чтобы победно покинуть любую ловушку из хитро расставленной людьми мебели.

Можно добавить ещё один сонар, улучшив «зрение» робота. Можно подключить датчик освещённости и по его значениям включать или выключать «фары» робота, чтобы ему было «виднее» во всяких тёмных уголках под столами и стульями. Или подключить датчик движения, например, недорогой HC-SR501 (на базе микросхемы BISS0001) чтобы научить робота затаиваться от людей. В общем – немалые просторы для творчества, развлечения и познания как именно работает электроника на «низком» уровне.

После RASH1 мне стало интересно и я сделал робота RASH2. Этот робот уже можно классифицировать как handmade. За базу взята покупная платформа – верхнее и нижнее стеклотекстолитовое основание, стойки, моторчики – это все единый комплект, приобретенный в «великих китайских интернетах».

Этот робот уже имеет разработанную собственную электронику, которая изготовлена на макетной плате, к которой припаивались разъёмы, а роль дорожек выполняли проводки. Питание осуществляется, не от АА батареек/аккумуляторов, а от четырёх литий-ионных аккумуляторов типоразмера 18650.

Установлены сервоприводы, которые позволяют «голове» робота крутиться в двух плоскостях. На «голове» робота установлена видеокамера и сонар. В автоматическом режиме роботу уже не нужно крутиться целиком – достаточно «осмотреться» сонаром. Робот имеет такие же «жёлтенькие» двигатели, как и предыдущий, и изначально задумывался как переднеприводный, но потом пришлось переделать на полноприводный ввиду совсем никакой динамики из-за приличного веса.

Энкодеры уже установлены, но смысла в них особого нет, так как робот достаточно тяжелый и соседние колеса по одному борту будут подтормаживать друг друга сами по себе. Система управления так же построена на маршрутизаторе TL-MR3020 с прошивкой cyberWRT.

Конструирование подобного робота отлично подойдёт для тех, кто хочет получить опыт начальной разработки и продвинуться дальше – самостоятельная разработка электроники, полная пайка по своей принципиальной схеме, конструирование и собственная сборка, понимание управления сервоприводами (статья от Амперки).

На просторах интернета можно найти подобный, почти готовый кит, в который входят необходимые комплектующие – я-то его делал и собирал из палок и… в общем из того что было под рукой, периодически просверливая, подтачивая, приклеивая, прикручивая, даже скотч задействовал – куда же без него.

Смотрите про коптеры:  Радиоуправляемые лодки и катера в магазине "Спорт и Хобби"

Промышленные роботы. роботизированные технологические комплексы и линии

Одним из важнейших факторов интенсификации производства является уменьшение доли ручного труда в технологических процессах в большей степени при выполнении вспомогательных операций, вредных, тяжелых и опасных работ. В решении этой проблемы важная роль отводится робототехнике.

Современная общепринятая трактовка термина «промышленный робот» принята на XI Международном симпозиуме по промышленным роботам (Токио, 1981).

Промышленный робот – многократно программируемое многофункциональное устройство. Оно предназначено для манипулирования и транспортирования деталей, инструментов, специализированной технологической оснастки с помощью программируемых движений для выполнения задач различной степени сложности.

промышленный робот

Классификация промышленных роботов согласно истории их развития следующая:

  • Роботы первого поколения – программируемые роботы. Характеризуются выполнением жестко запрограммированных операций, «глухи», «немы» и «слепы»;
  • Роботы второго поколения – адаптивные роботы. Управляются устройством адаптивного управления и могут реагировать на изменение внешней среды, оснащены датчиками обратной связи, сенсорными устройствами. Возможность корректировать программу в зависимости от изменения параметров внешней среды позволяет существенно расширить область применения роботов по сравнению с роботами первого поколения;
  • Роботы третьего поколения – роботы с искусственным интеллектом. Умеют распознавать объекты внешнего мира, обладают способностью действовать самостоятельно.

Конкретная программа действий вырабатывается в процессе движения робота на основании сопоставления модели внешней среды, основной цели и информации, полученной от органов очувствления (сенсоры, датчики). Робот оснащен устройствами, позволяющими вести непрерывную связь (диалог) с человеком на естественном или специализированном (проблемно ориентированном) языке.

Промышленные роботы делятся:

  1. по виду выполняемых работ – технологические; подземно-транспортные; комбинированные;
  2. по специализации – специальные, специализированные и универсальные;
  3. по грузоподъемности – сверхлегкие (до 1 кг), легкие (до 10 кг), средние (до 200 кг), тяжелые (до 1000 кг), сверхтяжелые (свыше 1000 кг).;
  4. по возможности передвижения – стационарные и подвижные;
  5. по способу программирования – программируемые обучением и программируемые аналитически.

На основе промышленных роботов создаются роботизированные технологические комплексы (РТК), участки и линии.

Различают следующие разновидности роботизированных технологических комплексов:

  1. манипуляционные РТК, у которых основной исполнительный орган оканчивается захватом или каким-либо инструментом;
  2. мобильные РТК (колесные, шагающие, гусеничные, используемые в космических полетах, под водой, в полевых условиях и другие);
  3. информационно-управляющие РТК, которые могут не иметь движущихся исполнительных устройств. Они следят за ходом протекания технологических процессов, обрабатывают информацию, поступающую от внешних источников, и при необходимости корректируют технологический процесс.

роботизированный техкомплекс

Объединение группы робототехнических комплексов в одну технологическую цепочку изготовления продукции позволяет создавать роботизированные автоматические линии (РАЛ). Эти линии характеризуются высокой производительностью и качеством выпускаемой продукции; совмещением рабочих и вспомогательных процессов во времени; высокой мобильностью и переналаживаемостью.

Наибольшее применение промышленные роботы и робототехнические комплексы нашли в машиностроении (обработка деталей, сварочные работы, в клеевой технологии, сборочном процессе и др.), на вспомогательных работах (упаковка, укладка, погрузка-разгрузка и др.).

В последнее время роботы начинают применяться и в других отраслях: при производстве изделий из пластмасс, в производстве строительных материалов, в легкой и пищевой промышленности и в сельском хозяйстве.

Робототехника

  • Искусственный интеллект (ИИ, Artificial intelligence, AI)
  • Обзор: Искусственный интеллект 2020
  • Искусственный интеллект (рынок России)
  • Искусственный интеллект (мировой рынок)
  • Искусственный интеллект (рынок Украины)
  • В банках, медицине, радиологии, ритейле, ВПК, производственной сфере, образовании, Автопилот, транспорте, логистике, спорте, СМИ и литература, видео (DeepFake, FakeApp), музыке

Электрическая схема

Тут стоит пояснить важный момент, почему именно этот кит. Дело в том, что если мы изготавливаем корпус сами, то его внутренний объём можно сделать произвольным. Покупной же корпус предоставляет нам строго фиксированный объём, в который должно всё поместиться.

В идеале ещё и запас остаться. Это нужно учитывать изначально и понимать: поместится ли нужная начинка именно в этот корпус или нет и нужно будет, или электронику менять, или корпус другой выбирать. Внутри корпуса будут установлены: двигатели, аккумуляторная батарея, драйвер для двигателей, плата питания, на которой также будет располагаться какая-то электроника – те же преобразователи напряжения.

Вроде бы понятно, что именно у нас будет внутри. Но как это всё будет соединяться? Если у вас есть идея, но вы не можете создать её образ – у вас нет идеи. В электронике получается так, что образа должно быть два – визуальный, который уже вполне представляем, и электрический (на самом деле есть ещё алгоритмический – когда расписывается поведение устройства, обусловленное его аппаратными и/или программными (функционал прошивка) возможностями).

Я трачу достаточно много времени в пути на работу. Вообще говоря, при правильном подходе, далекую дорогу можно обратить в плюс, читая книги, смотря/слушая научно-популярные программы или аудиокниги, которые бы никогда не прочитал, не послушал и не посмотрел.

Именно благодаря таким вот условиям, я стал фанатом и отслушал все рассказы Модели для сборки (чтобы не было вопросов в комментариях — статья на википедии). Роботоблудие не стало исключением и принципиальную схему платформы я продумал и нарисовал в дороге на планшете.

Схема нарисована в OneNote. Картинка кликабельна. Да, мне стыдно – принципиальная схема выглядит непринципиально. Последние три недели я никак не могу уделить время на доводку статьи и уже встал вопрос – публиковать вообще что-то или отложить «на потом».

Решил опубликовать так, иначе «на потом» может быть чревато. Нарисую нормальные схемы – заменю картинки. С другой стороны, такое оформление выглядит в стиле оригинального DIY. На работе или дома, когда формируется какая-то идея сначала берётся обычный лист бумаги и обычный карандаш…

Давайте посмотрим по принципиальной схеме, что и с чем у нас будет соединяться. К контроллеру литий-ионных аккумуляторов D1 подключаются три аккумулятора формата 18650. У всей схемы «общая земля», которой и подключен выход P- контроллера D1. Выход P , через предохранитель FU1 и выключатель SW, подключен к входам DC/DC преобразователей D3 и D4.

Преобразователь D3 формирует напряжение для двигателей, D4 – для питания всей электроники. Выходы этих преобразователей подключены к драйверу двигателей D5, к которому подключены двигатели. К каналу МА подключены двигатели ML1, ML2 левого борта, а к MB – MR1, MR2 правого борта.

Драйвер двухканальный, это значит, что можно будет управлять двумя группами двигателей (каналы А и В), но не индивидуально каждым двигателем. Для управления скоростью и направлением вращения двигателей предназначены порты ENA, ENB, IN1-IN4. Резистивная цепочка, формирующая напряжение Vbat’ подобрана так, чтобы сформировать в диапазоне 0…5 В телеметрию напряжения Vbat аккумуляторного блока.

Если Vbat = 13 В (чего не должно быть, так как аккумуляторный блок может выдать максимум 12,6В, но я немного перестраховался), то Vbat’ = 3,94 В (то есть значение гарантированно не выйдет за предел 5 В). Ток, протекающий через резистивную цепочку при 12 В будет равен 3,6 мА, и эти потери я посчитал допустимыми (порядка 0,1% при ёмкости аккумуляторной батареи 3000 мАч).

Сначала хочу пояснить наличие резистора 10 кОм, подтягивающего один из выводов в разъёме питания к напряжению 5 В. Разъём питания у нас с тремя выходами. Пара выходов передают напряжение источника питания. Третий выход является информационным. Он замкнут на отрицательный выход (он у нас подключен к «земле»), если штекера в гнезде нет и размыкается, если штекер вставлен в гнездо.

Таким образом, мы получаем сигнал телеметрии Vinon’ о подключении источника питания: если напряжение Vinon’ = 0, то внешнее питание не подключено, если Vinon’ = 5 В – подключено. Резистор 10 кОм подтягивает этот выход к 5 В. При подключении штекера через резистор будет протекать ток 0,5 мА, что вполне приемлемо.

Электроника управления платформой

Как Вы понимаете, в принципе, задача выполнена. Платформа получена, всё довольно удачно получилось. Для управления платформой можно использовать любой микроконтроллер, ПЛИС, платы Arduino, Intel Galileo и прочее.

Я выбрал плату Arduino Nano, нашел к ней недорогую и удобную плату расширения для подключения периферии и модуль bluetooth. Базовая идея – управление нашей платформой с смартфона через bluetooth. Плата расширения, своим обилием контактов для подключения внешних устройств, позволит в будущем беспроблемно подключить будущую периферию робота.

Теперь нам необходимо разработать и сделать монтажную плату для этой электроники. Будем делать «бутерброд»: монтажная плата, на которую устанавливаются модуль bluetooth и плата расширения, в которую, в свою очередь, устанавливается плата с микроконтроллером.

По сравнению с платой питания эта плата практически чисто коммутационная. В центре к 18-контактному трёхрядному разъёму подключается шлейф, соединяющий эту плату управления с платой питания. С этого разъёма сигналы разводятся на нужные контакты платы расширения, которые потом попадают на нужные, заранее выбранные, контакты микроконтроллера.

Также на отдельные контакты на плате выводится напряжение 5 В и Vbat. На плате подведено питание к модулю bluetooth, его входы Rx/Tx соединены с входами Rx/Tx платы Arduino Nano через плату расширения. На плате располагается съёмный двухполярный светодиод, предназначение которого – индикация всех процессов, связанных с питанием.

Светодиод может формировать зеленое и красное постоянное свечение, мигать с заданной частотой – этого должно хватить для индикации нормального напряжения аккумуляторного блока, его разряда, индикации процесса заряда и сообщения исправности подключенного источника питания.

Порты Rx/Tx занимает модуль bluetooth, который работает по протоколу UART. Сигналы IN1-IN4 по возможности заведены на цифровые порты – полярность этих сигналов будет определять направление вращения двигателей, а ENA/ENB на те порты, которые позволяют выдавать ШИМ сигналы – эти сигналы будут задавать скорость вращения двигателей.

Значения сигналов телеметрии платформы будут оцифровываться аналоговыми входами A0-A3 платы Arduino Nano. Светодиод занимает порты A4 и A5, причём он подключен через джамперы. Дело в том, что именно эти два порта нужны для простой организации протокола I2C и, если он нам понадобится, мы просто можем снять джамперы.

Светодиод же можно «перекинуть» на другие свободные порты или подключить к освободившимся портам А4 и А5 модуль расширения портов (например, на базе микросхемы PCF8574T – даст дополнительных восемь цифровых портов ввода/вывода, управление модулем осуществляется как раз по протоколу I2C), к паре выводов которого и подключить светодиод.

Смотрите про коптеры:  gps контролер полетов на АлиЭкспресс — купить онлайн по выгодной цене

В результате такого распределения подключения сохранились возможности беспроблемного подключения устройств SPI, оцифровки ещё двух аналоговых сигналов, выдачи до четырёх ШИМ сигналов (например, для управления сервоприводами). В общем-то свободных сигналов хотелось бы больше, но их количество можно увеличить, используя PCF8574T.

Также наша плата обеспечивает простое подключение к питанию: присутствуют контакты питания 5 В и напряжения с аккумуляторного блока (до 12,6 В).

Стоит отметить один нюанс используемой платы расширения для Arduino Nano. В принципе, плата расширения позволяет завести на неё Vbat. На плате расширения установлен преобразователь напряжения, который понижает входное напряжение до 5 В и подаёт его на плату Arduino Nano, преобразователь которой понижает его до 3,3 В, и уже это напряжение снимается с платы Arduino Nano и разводится по соответствующим контактам платы расширения.

Однако, я не стал так делать и завёл 5 В на соответствующий контакт платы расширения. Кроме этого, контрольный светодиод на плате расширения вообще не светился, если не установлена плата Arduino Nano, то есть данная плата расширения без Arduino Nano, видимо, фактически неработоспособна. В причинах я разбираться не стал, но этот момент отметил.

Изготавливаем эту плату управления.

Устанавливаем на неё электронные платы.

Подготавливаем посадочные места под нашу плату. Заодно устанавливаем переключатель.

И всё собираем.

Теперь нужно изготовить кабель для соединения двух плат. Разъёмы питания так же пропаиваем для надёжности. Правильно и очень внимательно проверяем всё. 12 В должно приходить на 12 В, а 5 В – на 5 В. На картинках монтажных плат питания и управления изображён «вид сверху», то есть, если перевернуть платы, то с нижней, распаечной, стороны плат контакты меняются местами – это надо учитывать при изготовлении кабеля и проброса соответственных проводов в нём.

Разъёмы я изготовил просто: сначала набирался ряд проводов с BLS разъёмами и обматывался на 2 раза скотчем. Потом собирались все два/три ряда вместе и снова туго обматывались скотчем. Получался целый и монолитный разъём. В неиспользованные контакты разъёма просто помещались пластиковые BLS разъёмы без контактов.

После изготовления кабеля с платы управления снимаются все электронные платы, и она проверяется с помощью мультиметра так же, как и плата питания. Соединяем плату управления с платой питания и подаём питание. С помощью мультиметра внимательно проверяем контакты питания всех модулей, любопытствуем напряжениями сигналов телеметрии – лишний раз убеждаемся, что всё разведено правильно.

На фотографии можно видеть, что один из красных проводов питания подкрашен серебристым цветом. Это обозначение проводника, который передаёт напряжение Vbat. Когда собирается устройство, полезно делать «ключи» для подключения. Например, специально не распаивать на разъёме один PLS контакт, а ответное гнездо в кабеле портить или забивать кусочком изоляции – в этом случае реализуется «защита от дурака», так как тогда такой кабель на соответствующий разъём на плате можно установить только безошибочно просто потому, что он иначе не установится (метод не даёт гарантии 100% — в интернете полно картинок, когда особо настойчивым индивидуумам всё же как-то удаётся обходить такую защиту, применив завидное упорство и свою недюжинную силу).

Я обычно подкрашиваю соответствующие контакты на разъёмах. Полезно было бы на плате питания так обозначить входные разъёмы DC/DC преобразователей и подкрасить соответствующие гнёзда на плате. Это бы исключило неправильность установки преобразователей, а если использовать несколько цветов, то это исключит перепутывание плат преобразователей, которые формируют 5 В и 9 В.

Подключаем кабель к плате питания.

И к плате микроконтроллера.

Прежде чем всё собирать – снова проверяем работоспособность – щелкаем выключателем. И убеждаемся, что всё работает.Работают два преобразователя напряжения.

Работает драйвер двигателей.

На модуль реле приходит питание.

Удивительно — всё работает. Собираем всё вместе!

Проверяем, что после полной сборки всё тоже работоспособно.

Вот такого симпатягу мы собрали. Завесим новорождённого.

Получили 1,4 кг.

Обычно, после окончания какой-то работы тот, кто её делал, понимает, как её можно сделать ещё лучше. Не стоит сразу бросаться всё переделывать, своевременно вспомнив, что лучшее – враг хорошего. Но и не стоит останавливаться на достигнутом. Практически любая работа – это 20 процентов творчества и 80 процентов рутины, которую необходимо сделать, чтобы получить готовый продукт труда.

Я бы хотел ненадолго вернуться к началу статьи, к моменту, когда мы разделили платформу на две части и вынесли плату управления «отдельно». На тот момент это казалось весьма сбалансированным решением. Однако, смотря на обильное поле контактов на плате расширения для Arduino, мы понимаем, что добрая половина этих контактов не может быть задействована при текущей реализации платформы – мы же заняли почти половину разъёмов ввода/вывода на плате Arduino.

Да и сам микроконтроллер «крутит» не просто программу для выдачи пары ШИМ сигналов на двигатели, а обеспечивает полный контроль по внутреннему и внешнему питанию всей платформы. Стоит подумать – может быть стоит микроконтроллер включить в состав двигательного отсека нашей платформы?

Bluetooth «отдать» «надплатформенной» электронике, которая будет управлять устройствами робота, и продумать с ней интерфейсный стык. Можно организовать протокол UART (займёт два пина микроконтроллера) по которому будет передаваться пакет данных, содержащий направление и скорость вращения двигателей, а также общее состояние платформы… И нужно хорошо подумать над конструктивом, так как места в двигательном отсеке у нас не так много… Хотя… Если развернуть и подвинуть реле…

Ну вот и закончилось моё длинное и местами занудное повествование. Разработано, изготовлено и собрано только «железо» – аппаратное обеспечение платформы. Следующая часть работы – программная. Но это не значит, что дальше работать нужно будет только программистом.

В процессе создания прошивки для микроконтроллера и её отладки порой приходится брать мультиметр, а то и осциллограф, и разбираться какой сигнал, куда и в каком виде приходит. Обычно именно в начале этого этапа, в большей степени, проявляются ошибки и недосмотры «железячного» этапа проектирования.

Наше устройство очень простое, поэтому если что-то не заработает, то ошибка быстро найдётся. А представляете каково работать с действительно сложными схемами? Там нужно быть гораздо внимательнее и аккуратнее. Так же необходимо будет организовать интерфейс управления через bluetooth с смартфоном – придумать какой-то протокол информационного взаимодействия робота с телефоном.

Некоторые используемые инструменты и оборудование

BOSCH GluePen.

Клеевой пистолет. По терминологии Bosch – клеевой карандаш. Отличное мобильное решение. Работает на аккумуляторе 18650, то есть с заменой в будущем проблем не будет, а больше там ломаться особо и нечему. Быстро нагревается (15 секунд) и готов к работе, после выключения практически сразу прекращает работу – клей из него не течёт как в других термопистолетах. Нашёл применение в быту и рукоделии. Единственный минус – не такие распространённые клеевые стержни: 7 мм, высокотемпературные 150…170С (подходят стержни DREMEL GG01 и GG03).

GROSS 17718. Инструмент для снятия изоляции (стриппер). Полный аналог известной модели KBT WS-04A, которую множество производителей передарала 1-в-1.

HT-202A. Инструмент для обжима проводов с контактами разъёмов (кримпер).

Solomon SL-30. Надежная паяльная станция. Напряжение питания паяльника 24В. Никелированное жало. Точный температурный контроль.

SAIKE 8858. Он же Element 8032. Он же Yihua 8858. Он же ZHaoxin 858DH. Вариации между этими моделями есть, но исполнение, нагреватели и электроника одни и те же. Неплохой, удобный, дешевый и реально компактный паяльный фен. Покупался на импортном сайте, с последующей доработкой дешевого китайпрома: вытряхивание всякого металлического (!) мусора, отмывка флюса, пропайка контактов на плате, силовой симистор посажен на КПТ8. Пока доволен, фен – как фен, дует, температура и скорость наддува регулируется. В принципе, фен свои деньги оправдывает. Относительно недавняя покупка и пока непонятна статистика по надёжности, но подозреваю, что для нечастых работ сгодится.

Metabo BZ 12SP. Очень старый шуруповёрт. Раритет. Такие уже, наверное, не продаются. Позволяет делать достаточно тонкую работу благодаря хорошей центровке и отсутствию биений шпинделя.

Velleman VTHD02. Минидрель. Или как еще называют – дремель (хотя это неверно так же, как копиры называть ксероксами). Когда-то по акции был куплен комплект, польстился больше на комплект насадок, чем на саму дрель. Однако, она оказалась неплоха с доработкой по питанию. От родного блока питания работает, но под нагрузкой ей как-то тяжеловато. Года два назад, конечно же, исключительно временно, был сделан мобильный блок питания из отсека для четырёх аккумуляторов 18650 с регулируемым выходом. Минидрель стала автономной. С таким питанием минидрель стала себя чувствовать намного лучше и оказалась весьма полезным устройством в хозяйстве.

Noble NB4000P-4. Мультиметр. Удобен тем, что провода убираются полностью внутрь. Приобретён в тяжёлые студенческие годы. То есть – давно. Провода давно отломились – пришлось «приоперировать» от другого вышедшего из строя мультиметра. Теперь провода убираться перестали. Не раз менялась батарейка и предохранитель. Работает до сих пор – удивительная надёжность при посредственной точности.

Fluke 179. Высокоточный мультиметр. Качественный, удобный и, главное, точный инструмент.

Получила как реклама какая-то. Хотя… почему бы и нет – где тут мои комиссионные тогда? Все эти инструменты приведены для общего информирования. В своё время, я, например, открыл для себя стрипперы, которые процесс зачистки проводов превращают из рутины в удовольствие и ничуть не жалею о покупке BOSCH GluePen. Может быть, кому-то поможет эта небольшая подборка.

Для сборки своего робота вовсе необязательно иметь разнообразный и дорогой инструмент, хотя он, безусловно, повышает качество работы и приносит бóльшее удовольствие от неё. Вполне достаточно иметь обычный паяльник, несколько отвёрток и дрель. В конце концов, когда-то у автора этой статьи, давным-давно, в распоряжении имелись всего лишь пассатижи, молоток, пара отвёрток, медная проволока, коловорот (до сих пор где-то есть!) и два сверла, кусочки телефонных проводов и много синей изоленты (нередко — ранее использованной), этого вполне хватало, чтобы сделать простейшую машинку, которая при нажатии на кнопку самостоятельно ехала прямо.

Смотрите про коптеры:  Готовые к полету самолеты на радиуправлении RTF - купить

Электроника шасси

Электроника выбиралась параллельно с разработкой электрической схемы устройства.

Гнездо питания с тумблером пошли в дело из полученного комплекта шасси. Были выбраны и приобретены драйвер для двигателей на базе микросхемы L298N, платы DC/DC преобразователей XL4005, безымянный модуль реле, батарейный отсек и монтажная плата размерами 50х70 мм и шагом отверстий 2,54 мм.

Помимо этого, нам ещё понадобятся следующие материалы.

Вверху фотографии можно увидеть несколько длинных штыревых разъёмов с шагом 2,54 мм, а также гнёзд, ниже – металлические контакты на кабель, левее – гнёзда для них, справа – винты, гайки и шайбы М2. Разъёмы на плату и кабель в разных магазинах называются по-разному.

В силу исторических причин я называю штыревые разъёмы для платы PLS, гнёзда на плату – PBS, разъёмы на кабель – BLS. В интернете на заграничных сайтах такие разъёмы ищутся по запросу вида «2.54mm connector» или «dupont connector». Помимо этого, потребуется различный расходный материал – припой, флюс, провода и так далее, а также набор ручных инструментов – кусачки, пинцет, отвёртки и прочее – всё это обычно есть у тех, кто хоть как-то занимается DIY (Do It Yourself – сделай это сам).

Прежде, чем заказать электронику и корпус, я прикинул — выбранная электроника должна без проблем уместиться во внутреннем пространстве. Наступило время это проверить: расставляем электронику и отмечаем будущие посадочные места.

Теперь примемся за подготовку плат.

Начал я с аккумуляторного блока. Контроллер литий-ионных аккумуляторов был «посажен» на термоклей и к нему припаяны выводы контактов в соответствии с принципиальной схемой. Я думаю, читателям будет интересно, что и каким инструментом делалось, поэтому в конце статьи, под спойлером, я разместил картинки некоторого используемого оборудования со своими краткими комментариями.

Термоклей наносился с помощью термопистолета. Однако, перед этим мне пришлось провести работу по, так скажем, повышению надежности этого отсека. Предупрежу всех, кто соберётся что-то делать – лучше не допускать моей ошибки и взять более прочные батарейные отсеки.

Одно время я никак не мог найти такие отсеки в розницу и когда нашёл, то набрал их немало на радостях по простоте душевной. А с ними всё не так просто. Потому что в этом отсеке аккумуляторы с плоскими, невыступающими плюсовыми площадками просто не достают до контакта.

Кроме этого, все подпружиненные контакты вращаются, контакт плохой. Поэтому пришлось ввернуть болтики М2, откусить лишнее, навернуть гайки и затянуть для улучшения контакта. Но мне этого показалось мало, и я ещё и хорошенько пропаял все соединения. Потому что, если что-то делается, то это должно быть надёжно, чтобы это в будущем не доставляло проблем и к этому потом не возвращаться снова.

Следует заметить, что для литий-ионных аккумуляторов используется обычный контроллер без балансировки. Это значит, что при заряде одного из трёх аккумуляторов, контроллер наверняка прервёт заряд всех аккумуляторов. Фактически – это просто плата защиты от низкого разряда и перезаряда аккумуляторных батарей и контролем тока разряда.

Поэтому желательно использовать аккумуляторы с одинаковой реальной ёмкостью. Если использовать контроллер с балансировкой, то подбор по ёмкости менее критичен и аккумуляторные батареи будут использоваться более эффективно, но такие контроллеры стоят дороже и занимают побольше места.

Как же подобрать аккумуляторные батареи с одинаковой реальной ёмкостью? Ведь, купив одинаковые аккумуляторы из одной и той же серии даже от брендов, ёмкость может различаться на 5-10%, а китайские аккумуляторы с надписями 6000-8000 мАч, вообще, представляют собой аккумуляторы с неизвестной ёмкостью.

Для замера реальных ёмкостей я использовал довольно популярное в своей среде зарядное устройство OPUS BT-C3100. С помощью него было проверено 12 приобретённых аккумуляторов и отобраны три, разброс ёмкостей которых минимален и не превышает нескольких процентов.

Небольшое отступление в виде размышления. Зарядное устройство посчитало нам ёмкость аккумуляторов с учётом их заряда до 4,2 В и разряда, если я не ошибаюсь для OPUS BT-C3100, до 2,8 В. У нас же аккумуляторы не должны разряжаться меньше номинала в 3,5-3,7 В.

То есть, наша рабочая ёмкость батарей сильно ниже измеренной. Это нужно учитывать. Возможно, в будущем, стоит подумать об аккумуляторном блоке из четырёх аккумуляторов. А можно ли будет просто заменить аккумуляторный блок и блок питания для его заряда?

Давайте прикинем. У нас получится диапазон напряжений 14,4-16,8 В. Преобразователи напряжения работают с входным напряжением до 32 В. Резистивные делители нам дадут диапазон напряжений сигналов телеметрии 4,3-5,1 В, что немного выходит за верхний диапазон 0-5 В.

Но это можно парировать на уровне платы управления – если напряжение телеметрии 5 В, то аккумуляторный блок через некоторое время будет почти заряжен. С другой стороны, если понизить напряжение на двигатели до 6-7 В, можно сильнее разряжать имеющийся аккумуляторный блок и более эффективно использовать аккумуляторные батареи – в этом случае нужно будет только лишь подстроить один преобразователь напряжения.

На первый взгляд, есть простор для будущих исследований вообще без изменения аппаратной части, а уж, как именно интерпретировать сигналы телеметрии в зависимости от установленного аккумуляторного блока – это пусть решается на уровне платы управления, то есть, пока об этом можно не думать.

Выходные провода с получившегося аккумуляторного блока я зачистил специальными клещами (стриппер) и обжал в металлические контакты, используя обжимные клещи (кримпер), для надёжности пропаял и надел на них пластиковые корпуса, получив BLS разъёмы. При пайке использовалась паяльная станция, в качестве припоя – ПОС-61 без канифоли, в качестве флюса – безотмывочный FluxPlus NC-D500.

После сборки аккумуляторного блока и установки в него аккумуляторных батарей, он выдавать ничего не будет. Так устроены многие контроллеры литий-ионных батарей – они обесточивают нагрузку при коротком замыкании, сильном разряде, превышении разрядного тока.

Для того, чтобы «сбросить» защиту и привести аккумуляторный блок в рабочий вид его нужно подать 12-12,6 В на контакты P/-P. Тоже самое надо сделать после первого подсоединения аккумуляторных батарей к контроллеру. После этого можно убедиться, что блок выдаёт напряжение, если аккумуляторы правильно подсоединены к контроллеру.

Для заряда подобных сборок аккумуляторов существуют блоки питания с выходным напряжением 12,6 В (3х4,2 В). С таким блоком питания аккумуляторы будут использоваться более эффективно, хотя можно использовать и источники питания номиналом 12 В. У меня уже имеется такой блок питания с выходом 12,6 В и током 5 А.

Если же подобный источник будет приобретаться, то стоит убедиться соответствует ли он заявляемым характеристикам. Простейшая проверка – проверка нагрузочной способности. Для этого я использовал керамические резисторы номиналом 1 Ом 10 Вт и 4,7 Ом 10 Вт.

Собрав из таких резисторов сборку сопротивлением 2,5 Ом, я подключил к ней блок питания и замерил напряжение на его выходе. При расчётном токе в 12,6/2,5 = 5 А мой блок питания выдавал 12,6 В – это отличный результат. Китайские блоки питания, на которых написано нечто, типа – 12V3А, нередко начинают «проседать» на 10-20% при нагрузке всего около 1 А.

По аналогии были подготовлены переключатель и гнездо питания.

С модуля реле с помощью фена была снята клеммная колодка и припаяны PLS контакты. Для подключения этого модуля к плате питания я изготовил провода – зачистил, обжал и пропаял провода питания (через которые будет соединяться разъём питания и аккумуляторный блок)

То же самое было проделано с драйвером двигателей.

На DC/DC преобразователи были напаяны «ножки». Стоит упомянуть, что эти контакты сделаны из такого металла, который хорошо паяется только активным флюсом. Тогда вместо FluxPlus я использую ЛТИ-120 с последующим протиранием мест пайки тряпочкой, смоченной изопропанолом, для удаления остатков флюса.

Теперь изготавливаем нашу плату с электроникой. Для начала неплохо представить себе в целом как и что будет соединяться на плате. То есть попробовать нарисовать монтажную плату.

[Плата питания]

Догадайтесь, где я придумывал и «вылизывал» эту плату? Мы видим два разъёма на плате, два преобразователя напряжения. Появился дополнительный джампер (снимаемая перемычка), который можно установить, исключив предохранитель из электрической схемы – я это сделал специально из-за банального отсутствия предохранителя на момент изготовления платы.

Распайка платы – работа довольно нудная и кропотливая. Для питания я использовал провода сечением 18-20 AWG, для остальных сигналов — 26-30 AWG. Почему именно макетная плата и морока с проводками? Потому что у нас ещё только первый прототип. Что-то может меняться, поэтому перепаять проводки проще, чем резать дорожки и напаивать всякие перемычки на готовой печатной плате.

Сделать печатную плату нужно время – развести, сделать маску, протравить, рассверлить, залудить, распаять – вряд ли для этого потребуется меньше времени, чем изготовить плату с «проводками». Хотя печатная плата будет надёжнее, а выглядеть — профессиональнее.

Из этих же соображений не распаиваются на плате модули DC/DC преобразователей, а выполняются в виде съемных модулей, в идеале, после первичной отладки, их надо дополнительно скрепить с разъёмом, например, капнув термоклея. Неплохо таким же способом увеличить надежность соединения всех разъёмов.

После изготовления платы нужно обязательно проверить полученное на предмет соответствия принципиальной и монтажной схемам. Используя мультиметр, я проверяю входы и выходы на предмет короткого замыкания (лучше не «прозванивать» контакты, а измерять их сопротивление, так как в случае ошибочного изготовления или проектирования может образоваться, например, сопротивление в сотню ом по входу, которое может не «прозвониться», но его наличие будет ошибкой в схеме и может доставить большие неприятности), а также убеждаюсь, что всё подсоединено так как нужно внутри платы.

После проверки перед сборкой следует убедиться, что плата будет нормально работать при подключении всей периферии. Для этого нужно сначала подключить аккумуляторный блок, переключатель питания и щелкнуть переключателем. Должны загореться светодиоды на преобразователях напряжения и ничего не сгореть.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Adblock
detector