Большой железный робот. Часть 4. Добавим еще железа

Давненько не было вестей от нашего большого железного робота. Не смотря на плотный график подготовки к соревнованиям (ВРО) работы по проекту все же двигались, хотя и не так быстро, как нам хотелось бы. Вот так вот наш робот выглядит в данный момент:

Первым делом мы установили П-образный каркас, из того же алюминиевого профиля 25x25x2, из которого ранее собирали раму. Крепление каркаса выполнено Г-образными мебельными уголками и болтами М6. В высоту каркас от уровня пола в верхней точке - 65 см.

На каркас смонтировали сервоподвес с двумя степенями свободы, это будущая "шея" робота, этот механизм будет двигать головой. Голову планируем собирать в следующий раз, хотим смонтировать на ней камеру, микрофон, динамик-твиттер и антенны wi-fi.

Сервоприводы использовали с металлическими редукторами, MG995.

Электронные компоненты решили разделить на группы, разместив их в разных отсеках. Наш робот - учебный, поэтому важно чтобы все в нем было наглядным. Исходя из этого мы выделили следующие 4 группы компонентов:

1) "Силовой отсек" содержит драйверы двигателей, усилитель мощности звука. Об этих штуковинах мы писали в предыдущих частях статьи.

Так как эти компоненты достаточно прилично греются при работе, в отсеке предусмотрели активное охлаждение, программно завязанное на цифровой датчик температуры DS18B20. Вентилятор, управляемый через мосфет IRF530N, включается, когда температура в отсеке превышает 40 градусов и его обороты пропорциональны превышению температуры над этим порогом. 

2) "Отсек питания" содержит разводку силового питания, кнопку включения робота, предохранитель.

3) "Мозговой центр" содержит Raspberry Pi 2 и Arduino Mega 2560, соединенные по USB. В Raspberry Pi 2 вставлен Wi-Fi адаптер. Кроме этого здесь мы разместили датчики напряжения и силы тока. 

Дял получения стабильных 5В используем преобразователь DC-DC на 5А

Датчик напряжения позволит контролировать заряд батареи, чтобы не допустить слишком сильного ее разряда. 

Датчик силы тока ACS712 ACS712ELC-30A позволит контролировать потребление энергии роботом, на основании этих данных можно прогнозировать время, которое он еще сможет проработать, программно снижать токи потребления (замедлять моторы в режим экономии при низком заряде аккумулятора).

4) "Отсек управления сервоприводами". Здесь будут сосредоточены компоненты для управления сервоприводами "шеи" и, возможно, "рук" робота (манипуляторов). Кроме этого здесь планируется разместить электронный компас. Питание сервоприводам будет обеспечивать отдельный DC-DC преобразователь.

Монтажные отсеки соединены гофрированными трубками для проводов (сливной шланг для стиральной машины).

Каркас собран с использованием металлопластиковых труб, болтов и шпилек М6.

В процессе работы над дизайном корпуса попробовали использовать технологию "стеклоткань+эпоксидная смола" по болванке, склеенной из пенопласта и монтажной пены, но отказались от нее, корпус выходил слишком "монолитным". Вероятно для конечного устройства это будет неплохим вариантом, но нам пока хочется иметь быстрый доступ к любым компонентам робота. чтобы с удобством в них покопаться.

Большой железный робот. Часть 3. Энкодеры и звук

Энкодеры

Мы давно строим роботов из LEGO Mindstorms и привыкли к тому, что повернуть вал мотора на определенный угол или заставить вращаться мотор с заданной скоростью - задача простая, ведь каждый NXT/EV3-мотор имеет встроенные энкодеры (датчики угла поворота), позволяющие работать с точностью до 1 градуса. Во всех роботах, которых мы строили из Arduino таких полезных штук не было, соответственно эти роботы не могли перемещаться на строго заданное расстояние или поддерживать заданную скорость.
В проекте "большого железного робота" мы решили попробовать сделать энкодеры своими руками. Энкодеры нам нужны для следующих задач:

• Перемещение на заданное расстояние
• Поворот на заданный угол относительно текущего направления
• Поддержание заданной скорости
• Одометрия - использование данных с энкодеров для оценки перемещения
• Компенсация разницы в скоростях вращения колес для сохранения заданного направления движения. Эту задачу можно решать разными способами, например используя компас, но наличие энкодеров как нам кажется облегчит решение

Наш робот - не станок с ЧПУ, а учебная модель, с которой работают дети, поэтому энкодеры будем делать простые в изготовлении и наглядные в работе. В качестве датчиков будем использовать популярные Arduino Line Sensor  (KY-033), выглядят они вот так:

Эти датчики работают на отраженный свет. Датчик важно смонтировать таким образом, чтобы была возможность плавной регулировки высоты и угла установик датчика к диску энкодера. Мы сделали вот такую конструкцию из U-образного профиля, крышки кабель канала и винтов М4:

На обратную сторону колесных дисков прикрепим "полосатые диски", на которые будут смотреть датчики. Такие симпатичные и полезные роботу диски мы сделали из ненужных CD/DVD-болванок с приклеенными сверху распечатками:

Чем меньше отсчетов на оборот, тем проще настраивать энкодер, но тем меньшее разрешение он дает. В видео и на фото на разных колесах энкодеры у нас с разным разрешением - экспериментируем с нужным нам количеством отсчетов, планируем распечатать итоговый вариант на самоклеящейся пленке.

Звук

Молчаливый робот - это не интересно. В нашем роботе будет аудиосистема и мы надеемся что робот сможет применять ее с умом - озвучивать системные сообщения, сигнализировать о событиях, да и просто - болтать. 

Для сборки аудиоподсистемы робота нам потребуются следующие компоненты:

• Динамик
• Усилитель мощности
• Акустического оформление для динамика

В качестве динамика мы используем автомобильный коаксиальный динамик Supra SSB-5 диаметром 13 см

Динамики продаются парой, нам же понадобится в роботе только один.

Динамик SSB-5 не слишком тяжел для мобильного робота, недорог и обладает приемлемыми характеристиками для наших задач (4 Ом, до 140 Вт).

Чтобы усилить звук Raspberry Pi мы воспользуемся усилителем НЧ на базе микросхемы TDA7297

Динамик, подключенный к усилителю играть конечно будет, но очень тихо, поэтому аудиосистеме должна иметь соответствующее акустическое оформление. Мы выбрали вариант типа "закрытый ящик" и решили собрать корпус колонки из ДСП. Габариты указаны на рисунке ниже.

Лист ДСП (мы использовали готовую мебельную полку из строительного магазина размерами 300x800x16) можно раскроить так:

Собраем раскроенное ДСП в ящик с помощью саморезов, заделываем швы с помощью герметика, шпатлюем при необходимости и красим. Отверстие под динамик можно высверлить по кругу дрелью и обработать затем напильником.

Внутрь поместим немного синтепона, динамик крепим через уплотнительное резиновое кольцо, вырезанное из старой автомобильной камеры, отверстие, через которое выходит провод герметизируем кусочком спички и клеем ПВА.

Теперь наш робот выглядит вот так (фото ниже). В задней части - будущий отсек для монтажа силовой электроники (драйвер двигателей, усилитель мощности НЧ, предохранители).

Для сборки аудиоподсистемы нам понадобились:

- Автодинамик 13 см с комплектным проводом (Supra SSB-5) - 1 шт.
- Усилитель НЧ на базе микросхемы TDA7297
- Лист ДСП ("полка мебельная") 300x800x16 мм
- Саморезы 3,5 x 30
- Шпатлевка по дереву, герметик

- Краска

Для энкодеров пригодились:

- Пара CD/DVD болванок (мы использовали прозрачные, такие встречаются на дне упаковки)
- Arduino Line Sensor  (KY-033) 2 шт.
- профиль аллюм. U-обр. 20x10x20x2
- заглушка кабель-канала 15 мм
- винты М3 и М4 с гайками

Большой железный робот. Часть 2. Рама

В прошлый раз мы собрали колесные узлы для нашего робота, теперь пришла пора их покрасить и облагородить пластиковыми заглушками, вот так:

Прежде чем устанавливать заглушки хорошо бы залить холодной сваркой полости внутри профильных труб, в которых проходят неподвижные оси, примерно так:

Теперь можно двигаться дальше, собрать раму и прикрепить к ней колесные узлы.

Первая версия нашего робота будет построена по классической схеме с двумя ведущими колесами и дополнительными точками опоры на два свободно вращающихся колеса. При такой компоновке рекомендуется, чтобы пятна контакта  ведущих колес образовывали с дополнительной точкой опоры равносторонний треугольник, а центр масс робота располагался в центре этого треугольника. Схематично наш робот будет выглядеть примерно так (фиолетовый квадрат - со стороной 58 см)

Основу рамы мы собрали из профильной алюминиевой трубы 25x25x2 мм, из которой мы соорудили прямоугольник со сторонами 55 и 30 см.

В качестве связующих элементов очень удобно использовать готовые стальные крепежные пластины из строительных магазинов,. Пластины бывают самых разных размеров и имеют готовые монтажные отверстия, эдакий "железный конструктор" Собираем раму с использованием болтов М6, самостопорящихся гаек и кузовных шайб:

Для расположения компонентов предусмотрим перемещаемые "рельсы" из уголка 15x15. Удобство решения в том, что их можно перемещать в зависимости от размеров устанавливаемых компонентов.

Снизу раму при желании можно закрыть листовым пластиком.

В качестве свободно вращающихся колес используем 2 колеса от тележки SC-75, они крепятся в задней части робота болтами М8. Колеса имеют подшипники в осях и в поворотных платформах.

Собранная рама с колесными узлами:

В следующий раз мы планируем построить для робота аудиосистему из автомобильного динамика и ДСП, а так же установить на колеса энкодеры.

В отдаленном приближении наш робот должен выглядеть примерно так:

Для сборки рамы потребовались:
- профильная алюминиевая труба 25x25x2 мм 2 м
- заглушки пластиковые для профильной трубы 25x25 4 шт.
- пластина стальная крепежная 60x300x2 2 шт.
- пластина стальная крепежная 120x300x2 1 шт
- опора поворотная SC-75 - 2 шт.
- болты М6 x 35 для сборки рамы
- болты М6 x 75 для крепления колесных узлов
- гайки самостопорящиеся М6
- кузовные шайбы М6  x 20
- болты и гайки М8 для крепления свободно вращающихся колес
- уголок алюминиевый 15x15x1,5 1 м