В предыдущих темах мы изучили основные компоненты суморобота так сказать «по частям». Теперь пришло время начать компоновку робота в единое целое.
Перед сборкой, согласно старой русской поговорке «надо семь раз отмерить, прежде чем один раз отрезать» — поразмыслить над тем, как лучше скомпоновать робота, чтобы он был самым лучшим.
Давайте разберем основные главные принципы сумороботостроения, справедливый практически для всех типов сумо-роботов:
1. Основной вес робота должен быть расположен как можно ниже – ближе к рингу;
2. Чем меньше и приземистее робот – тем он незаметнее и опаснее для соперников;
3. Центр тяжести двухколесного робота должен быть расчитан так, чтобы при резких стартах и торможениях робот не вставал «на дыбы» — это снижает степень защищенности робота;
4. Уязвимые части, электронные компоненты, выключатели, провода сумо-робота должны быть защищены от ударов соперников;
Эти правила справедливы для большинства сумо-роботов, использующих активную тактику поиска и выталкивания соперников с ринга. Безусловно, встречаются оригинальные конструкции роботов, которые используют другие тактики боя – для них часть принципов может быть менее актуальна.
В реальном бою роботы испытывают серьезные перегрузки при ударах, стартах и перемещениях по рингу – силовой каркас Вашего робота должен быть крепким и жестким, выдерживающим значительные нагрузки и расчитанным на много соревнований и тренировок. Основными материалами, используемыми для строительства силового каркаса робота являются листовой металл, дерево, толстые печатные платы очень удобны для формирования силового каркаса робота и размещения на них основных электронных компонентов и моторов. В последнее время все чаще используются технологии 3D печати – они позволяют делать хорошие пространственные конструкции для размещения различных компонентов робота и их монтажа. Все компоненты робота должны быть жестко прикреплены к силовому каркасу.
«Электроника это наука о контактах. Она учит, где они должны быть и где их быть не должно» — это выражение очень популярно и формулирует основные принципы снижения проблем при строительстве и эксплуатации сумороботов:
- Чем меньше контактов (точек пайки, проводов и т.д.) – тем меньше проблем. Вообще очень желательно располагать всю электронику на единой печатной плате или нескольких взаимосвязанных;
- Максимальное количество контактов должны быть паяными с минимальными длинами соединительных проводов;
- Соединительные контакты должны соединяться и разъединяться «с усилием», чтобы не выскакивать при ударах роботов;
- Сечения соединительных проводов или дорожек на плате должны быть расчитаны на токи, которые будут по ним протекать (помните о ручьях и реках в одной из предыдущих тем – по узенькому ручью – тоненькому проводку не пройдет «половодье», необходимое мощному двигателю при нагрузке, которую он испытывает, выталкивая соперника).
Помните о том, что вес вашего суморобота должен быть не больше чем определенный регламентами соревнования, к которому Вы готовитесь. Для минисумо это 500 грамм. По опыту, при проектировании лучше всего расчитывать на 450 грамм – эти 10 процентов спасут Вас при отладках и доработках робота.
В любом случае – выбор направлений сборки Вашего сумо-робота зависит от Ваших знаний и умений, наличия необходимых материалов и оборудования, времени и что немаловажно, бюджета.
В этой книге мы с Вами рассмотрим пример сборки робота с использованием листа фанеры, как несущего каркаса, отладочных плат 17×10 в количестве 2-х штук, монтажных медных жестких проводов 0,8 мм2, обычных гибких медных проводов. В качестве отвала робота используем кусок металлического шпателя. В качестве крепежа используем обычные болты диаметром 3мм различной длины а также клеевой пистолет.
Теперь перейдем к конструкции нашего робота.
Прежде всего оценим, какой вес имеет все наше оборудование и компоненты робота.
Итак, без кнопки включения, соединительных проводов все оборудование весит всего 116 грамм.
Давайте прикинем, как может выглядеть наш суморобот.
Первая прикидка «от руки»:
Выглядит неказисто, зато можно оценить компоновку… J
С учетом общего веса компонентов в 116 грамм, веса основы из фанеры и отвала максимально в 100 грамм, нам надо будет предусмотреть место для утяжелителей из свинца, которые будут «поджимать» робота к рингу. Эти утяжелители мы позже расположим в районе моторов и отвала. Надо будет обязательно разработать надежное крепление отвала к основе – нагрузка при ударах и вылетах с ринга будет очень серьезная. Также потом разработаем защиту нижней части робота – там будет немало проводов, расположен драйвер двигателей, датчики черного/белого.
После первичной оценки компоновки необходимо начать размерную оценку – когда все детали мы должны скомпоновать и оценить в их реальных размерах. Удобнее всего для такой оценки пользоваться программами трехмерного моделирования. Есть бесплатные версии программ — SketchUp (www.sketchup.com) 123Ddesigner (www.123dapp.com ). При поиске в базе проектов этих программ можно найти несколько моделей сумо-роботов, макеты которых были разработаны с использование этих инструментов:
Прежде всего в программе максимально точно сделаем трехмерные размерные модели всех компонентов, которые мы будем использовать при проектировании – моторы, датчики, макетные платы, микропроцессорную плату, драйвер двигателей, батареи, колеса и так далее. Затем начнем компоновать все вокруг базы.
База у нас получается вот такая:
Примерно 6 человеко-часов рабочего времени и у Вас появляется сумо-робот, который будет уже очень похож на финальный результат Вашего труда:
Вид сзади-справа-сверху:
Вид спереди-справа-сверху:
Вид спереди-слева-снизу:
Вид сзади-слева-снизу:
Вид сзади-справа-снизу:
Узел крепления отвала и переднего бампера к базе (болт M4-25 и три гайки):
Взаимное расположение бампера и отвала (на бампере расположены датчики черного/белого защищенные от ударов металлом бампера):
Сам бампер служит защитой робота от падения при выкате отвала за пределы ринга.
Размеры отвала:
Размеры переднего бампера:
Место посредине бампера пригодится нам для размещения свинцовых утяжелителей позже, после первичной сборки прототипа робота. Эти утяжелители помогут сильнее прижимать отвал к рингу.
Получившиеся размеры робота:
Потом надо будет подумать, как лучше проложить соединительные провода между верхней и нижней макетными платами (вероятно просверлить достаточно широкое отверстие в базе робота по месту), расположить провода для датчиков. Также надо будет придумать, как лучше расположить кнопку включения робота (вероятно прямо на плюсовом контакте батареи питания).
Итак, приступим к изготовлению элементов базы, бампера и отвала. База можно сдклать из листа фанеры 3-4 миллиметра, акриловой жесткой пластмассы – любого материала, который будет достаточно крепок и удобен в обработке. Бампер лучше сделать из алюминия толщиной в районе миллиметра (полоски либо уголки алюминия можно найти в магазинах стройматериалов). Лучший доступный материал для отвала металл строительного шпателя необходимого размера (отличный металл для отвала – жесткий и крепкий – пружинит при ударах, не гнется!). в нашем варианте сделаем отвал из листа алюминия для упрощения работ. Крепеж для датчиков расстояния («глаз») также можно сделать из алюминия.
При наличии 3D принтера очень удобно печатать детали робота на этом прекрасном устройстве.
Для изготовдления базы робота мы подготовим .stl файл и затем в специализированной программе для принтера подготовим .gcode файл для печати на принтере. В этой книиге мы не будем углубляться в детали технологий 3D печати и структуры файлов – материалов по этой теме немало в интернете.
Обратите внимание – по сравнению с базой робота, изображение которой было размещего выше, эта база имеет существенные отличия – размеры ниш для колес уменьшены (с 22 мм до 18 мм). Это сделано для того, чтобы моторы робота не соприкасались друг с другом контактами.
Вырезы в базе робота необходимы как технологические отверстия для прокладки проводов между верхом и низом робота а также для того, чтобы база при печати на 3D принтере не деформировалась.
База на «столе» 3D принтера:
База с закрепленными моторами:
Для отвала, бампера и креплений датчиков «глаз» робота мы используем алюминий (детали отвала, бампера и креплений датчиков до сгибания):
После сгибания и сборки получаем уже видимый образ будущего робота:
И еще один ракурс:
По итогам макетирования, вероятно, удобнее будет разместить обе макетные платы в верхней части робота, а батарею и утяжеляющие грузы в нижней части – что повлечет небольшое изменение конструкции робота:
Начинаем последовательно сборку робота. Сначала подготовим сборку батареи питания из двух аккумуляторов:
Проведем контакты моторов под батарею питания, которая будет установлена на следующем шаге.
Установленная на двусторонний скотч батарея питания:
Вид с обратной стороны:
Приклеиваем двусторонний скотч для установки макетной платы для микроконтроллера:
Подводим плюс и минус батареи к макетной плате микроконтроллера и приклеиваем скотч для макетной платы драйвера двигателей:
Макетная плата драйвера установлена, провода питания двигателей подключены к выводам драйвера двигателей:
Устанавливаем микропроцессорную плату и преобразователь напряжения DC-DC.
Под плату драйвера двигателей размещаем перемычку, соединяющую контакты VCC и STBY.
Размещаем на макетной плате драйвер двигателей:
Подключаем питание моторов на контакты VMOT и GND толстым одножильным проводом типа ПУВ с сечением 0.8 мм – 1 мм от контактов батареи на макетной плате:
Размещаем перемычки для питания от DC-DC и от микроконтроллера AStar32U4 до драйвера двигателей
Изображение в сборе с AStar32U4 c неустановленным DC-DC преобразователем:
видео Скетч моторов на роботе в процессе сборки
Монтируем на базе и на отвале с помощью крепежа (болтов c гайками M3) сенсоры расстояния:
Подключаем сенсоры расстояния к аналоговым контактам A0 (передний сенсор), A1(левый сенсор), A8(правый сенсор). Питание сенсоров к контактам +5V. Контакты GND к соответствующим контактам на макетной плате:
Монтируем сборку из жестких и гибких проводов для монтажа датчиков черного/белого:
Изолируем места пайки, и сами сенсоры скотчем, прорезаем в нем дырки для сенсоров:
Размещаем датчики в бампере робота, закрепляем из кллевым пистолетом, подключаем контакты на макетную плату и к AStar 32U4 — аналоговые контакты A6 (левый сенсор) и A11(правый сенсор) :
Закрепляем и выравниваем отвал. Робот собран. Вид с левой стороны:
Вид спереди:
Вид сзади и снизу:
Взвешивание робота:
Всего 199 грамм. Дополнительный груз может быть до 300 грамм весом.
Начинаем тестировать робота по порядку монтажа компонентов. Проверяем работу моторов. Для этого «заливаем» в плату микроконтроллера программу для управления двигателями, рассмотренную нами на предыдущем уроке. Предусмотрительно снимаем колеса для того, чтобы робот не вырвался из рук и не упал (если он у Вас на столе или выше пола J).
Если робот собран правильно, то после включения переключателя подачи питания, колеса у Вас будут вращаться – но в разные стороны – по ходу и против хода движения. Разберемся с этим чуть позже.
Вторыми тестируем датчики расстояния, также с использованием скетча из предыдущего изученного материала.
Третьими тестируем датчики черного/ белого.
Если все компоненты показали у вас такие же результаты, как и в тестах до сборки, поздравляем Вас – Вы полностью собрали сумо-робота.
В нашем случае при проверке моторов первым скетчем, они стали работать с перебоями – не так как было предусмотрено программой. После тестирования выяснилось, что такая ситуация обусловлена наличием сенсоров расстояния. При одном включенном сенсоре все работало нормально, при подключенных двух или трех сенсорах двигатели начинал сбоить.
Соответственно, еще раз прочли документацию на микропроцессорную плату Pololu AStar32U4 Micro. В документации указано, что диапазон питания на контекте VIN составляет от 5.5V до 15V. В нашем случае мы запитали «мозги» нашего робота от более низкого напряжения от преобразователя напряжения DC-DC – 5V. Без особой нагрузки (подключенных компонентов) «мозги» еще пытались «соображать» при низком для них «кровяном давлении». Как только нагрузка возросла – робот стал «терять сознание» от недостатка питания «кровью мозга». Решение проблемы получили очень простое – «проложили новую кровяную артерию» непосредственно от батареи питания и устранили оранжевую перемычку.
На фотографии изображены переделки в конструкции робота:
Если что-то не работает, то методика отладки стандартная – от простых причин к сложным. Схема поиска неисправности примерно следующая:
- Внешний осмотр компонентов – все ли визуально собрано правильно?
- Проверка правильности сборки цепей и наличия контактов – все ли вы собрали как изображено на схеме?
- Проверка наличия напряжения в цепях питания микроконтроллера и компонентов – вольтметром проверяем наличие необходимого напряжения питания между всеми контактами GND и VCC в проверяемых Вами цепях.
- Проверка надежности контактов – немного «покачайте» контакты – помним «электроника наука о контактах»
- Читаем документацию на компоненты и проверяем их работоспособность (обычно заменой на аналогичные компоненты).
На первые три шага приходится обычно около 80 процентов выявленых неисправностей. Но 20 процентов неисправностей, приходящихся на шаги 4 и 5, занимают 80 процентов времени на их выявление и устранение J.
Подытоживая изучение материалов этого длинного урока, отметим:
1. Первоначальные проектные решения не всегда совпадают в деталях с конечным использованными решениями – реальная жизнь всегда вносит свои коррективы в идеальные задумки.
2. Как правило, более визуально красивые технические решения более надежны – странное свойство человеческого разума – красивыми нам кажутся совершенные вещи.
Вопросы для проверки:
- Какие основные этапы сборки робота-сумо Вы можете выделить? Какой этап наиболее важный по Вашему мнению?
- Изменение конструкции робота в процессе сборки – «зло» или «добро». Порассуждайте.
- Этапы поиска неисправностей. Расскажите о Вашем опыте поиска неисправностей.
- Вес компонентов робота. Почему он важен при проектировании робота?
