Разработка 6 колёсного робота

   Чтош, продолжаю писать статейки про мой опыт применения 3д печати (о чём речь можно почитать тута). В этот раз напишу про разработку комплексного проекта - шестиколёсного мобильного робота. 

    Для чего, собственно, это нужно, были в обозримом будущем несколько соревнований, а именно конкурс технического творчества, и кубок губернатора (компетенция робототехника), на которые нужно было что то выставлять, мы с нашим руководителем решили совместить эти два события. Происходили они во втором полугодии третьего курса, работу над роботом я начал на зимних каникулах, До выхода на отдых я успел замерить моторы которые будем применять для колёс, а также купить амортизаторы от RC модели (они оказались дешевле чем я думал). Моделировал я на тот момент ещё во Fusion360, мне нужно было готовится к соревнованиям по прототипированию (про эти самые соревнования можно почитать тута). Позже весь проект был перемоделирован в Solidworks, но об этом будет ниже.

    Прежде чем будете осуждать хочу напомнить что я только учился делать что то подобное, моделируя робота под те же задачи сегодня, он бы разительно отличался, я постараюсь описывать технические решения которые я применил тогда, а также почему я делал именно так, и что бы я делал сейчас.

    Первый вариант каркаса робота, который был спроектирован за 6 часов, 2 банки энергетика, 8 серий посредственного анимэ-сериала, на тот момент у меня ещё не было ЧПУ фрезера, но был ручной и опыт пиления алюминия по шаблонам (норм технология, на безрыбье так сказать). Поэтому рычаги подвески сделаны из двух 3мм пластин и напечатанных деталях между ними (делая что то подобное сейчас я только поменял бы крепления моторов, крепление на силе трения для данного случая достаточно).

    Опишу пожалуй данную конструкцию: рама состоит из двух алюминиевых П-образных профилей 20*20, они соединяются спереди шпилькой, которая также является осью для передних рычагов, центральная напечатанная деталь нужна для дополнительных точек крепление сверху каркаса, сзади рама замыкается пластиной 5мм которая вкручивается в печатные детали. Система рычагов вдохновлена работой автора Maccrash (его статья). (Печатая данную статью оказалось что его робот делался на те же соревнования в 2019 году, мир тесен). Про отличия: у данного автора робот более крупного размера, также неуправляемый балансир лишь промежуточное звено к управляемому, в то время как у меня сразу планировался неуправляемый, что в принципе не уменьшает моей благодарности за вдохновение. Задняя подвеска просто смягчает работу задних рычагов. Ширина рычагов 25мм, изначально планировалось нарезать резьбу в печатных деталях, и вкручивать с двух сторон винты, почти сразу всё заменил на винты 30мм с контргайками, так хоть видно если что то начало откручиваться. 

    Изготовление началось с алюминиевых деталей, у меня был кромочный фрезер с обгонными фрезами по дереву, и листы д16т, прежде чем вы начнёте говорить что так нельзя я выпилю все нужные мне детали, технология простая: печатаем шаблон, приклеиваем его к листу алюминия, фиксируем с проставками алюминий к столу, и медленно, медленно ведём фрезер по ходу фрезы, если вести против то его может вырвать и попортить заготовку, отламываем шаблон, шкурим детали, вуаля.

    Сверилось всё на сверлильном станке, размечалось по шаблону керном.

    Что касается профиля то он просто пилится ножовкой, и сверлится по шаблонам, главное поставить проставку чтобы одна сторона профиля не прогибалась. 

    Детали уже не соответствуют модели, я увеличил ширину рамы, что позволит поместить между профилями аккумулятор для питания моторов и электроники. Все детали были изготовлены из прозрачного PETG пластика, после первичной сборки каркас робота выглядел так:

    К этому времени ждали резину, по параметрам: колёса размером 120мм, полная длина/ширина шасси робота размером 400/200, вес не скажу. Моторы сразу с редукторами. В качестве первой электроники для теста шасси были выбраны драйверы L298N и esp32, чем обусловлен выбор, было в наличии, и основную электронику уже планировалось делать на esp32 wroom. Наверное главное преимущество это встроенный WiFi, у преподавателя были наработки по передаче данных с контроллера подключенного к ПК напрямую в esp, работало приложение через udp протоколы, оно было написано на графическом языке Labview (даже сейчас вспоминая меня от него воротит, может быть, когда нибудь я начну учить нормально с++ и сделаю аналог такого приложения). Всю программу на esp пришлось писать мне. 

   Робот в виде шасси, с тестовой электроникой занял 1 место на конкурсе технического творчества, мы его позиционировали как универсальная платформа для мобильных роботов, хочу выразить благодарность Веронике, Лизе, Насте. Честно, я не очень люблю эти тексты, презентации, технические журналы, то что я буду делать пол недели они сделают за вечер. Робот на этот момент выглядел вот так:

   В то время как кто то показывал только картинки или рендеры моделей, наш робот приехал на своём шасси, я сейчас наверное не вспомню всё что мы тогда говорили, но на защите проекта мы были убедительны, мы победили, заняв первое место. 

   Дальше по плану подготовка робота к кубку губернатора, в задачах стоит переделка электроники, создание манипулятора, оптимизация общей конструкции, а также добавление FPV камер (в компетенции для старших управление осуществляется без прямой видимости робота).

    Начал я с электроники, она также позиционировалась на esp32, хороший микроконтроллер, поинтересней и лучше ардуинки, но не такой сложный как миникомпьютер от Raspberry или STM. в качестве драйверов моторов маленькая микросхема TA6586 в DIP8 корпусе, моя лакомка, 8 ампер в пике, добавив 2 диода можно управлять питанием 2 нагрузок (в моём случае 2 FPV камеры если их настроить на 1 канал, то с пульта можно переключать изображение на FPV экране). Вот вам схема и фоточка платы, сразу оговорюсь, да там могут быть ошибки, но что вы мне сделаете, я в другом городе.

    На фото так сказать "аккуратная" часть платы, нижней стороны фото нет, но поверьте там мрак, как и на любой макетной плате. (Лирическое отступление, данная плата стала прообразом моего дипломного проекта, универсальной платы для прототипирования мобильных роботов, а благодаря данному роботу у меня сформировались требования к универсальной плате). На фото также видно первое крепление аккумулятора.

    Переходим к манипулятору, какие собственно требования, перемещение банок от газировки (по заданию это мины), а также нажатие на кнопки, было конечно задание с переключением водопроводных кранов, но нам показалось это сложным и времязатратным. В конструктив сразу добавились FPV камеры, и датчики линии на конце губок захвата, чем больше функций выполняет элемент робота тем более полезен этот элемент. 

    Как собственно начиналось проектирование, были у меня трубки от старого проекта MPCNC, лампочка над головой, идея, погнали моделить, собственно многое на тот момент так и проектировалось, основа моей задумки заключалась в вынесении сервопривода подальше от захвата (в полне хороший подход для проектирования захватов или манипуляторов), с одной стороны трубы сервопривод на 20кгсм, с другой захват, где то на трубе закреплён ещё сервопривод для подъёма\опускания всего захвата, и всё это крутится, обязательно крутится. 

    На этом фото снизу видно самодельный упорный подшипник, а также поворотный рычаг. Всё это прикручивалось к передней части робота. Как я уже говорил, захват выполняет сразу несколько функций, прикрепив камеру к концу захвата, можно крутить ею как удобно, а самое главное она будет смотреть сверху, и с неё видно габариты робота.

    Здесь уже видно другую крышку электроники (та что с экстренной кнопкой). На ней есть стойка для манипулятора, когда он стоит в ней, получается удобная ручка для переноски робота, также, появляется так называемое "исходное положение" захвата, при включении робота манипулятор сразу приводит захват в исходное положение, а в случаи ненадобности захвата выключается питание на сервоприводы, робот меньше разряжается, дольше ездит. 

    Также видно губки захвата, это уже 3 версия. По сравнению с изначальной, добавлены винты для фиксации шестерен на валах, а также возможность менять губки. На мой взгляд возможность быстро поменять губки захвата должна являться правилом хорошего тона в робототехнике, можно заранее придумать несколько типов губок и менять их по необходимости. В моих следующих работах (и роботах, хе) прослеживается эта мысль, на фото установлены, так сказать, универсальные (для пива), раньше преподаватель и предыдущие проектировщики использовали только резиновый уплотнитель, я решил добавить подпружиненные наконечники, хорошее решение, в заметки. 

    На скорость работы захвата нам пофиг, а вот на силу сжатия нет, поэтому стоит понижающая передача на конических шестернях, я бы даже наверное делал на червячной, меня в последнее время не покидает мысль что на захвате должны быть только самотормозящие передачи. 

    Что касаемо оптимизации конструкции: этот процесс проходит всё время, что то хочется поменять, где то закрыть провода, где то нет крепления, надо добавить. 

    Поменялось крепление аккумулятора с боковыми крышками, добавили крепление для фонарика (по заданию есть комната с вейперами, извините, с туманом). Сюда же можно добавить изменение рычагов захвата под более мощные сервоприводы. В это же время я перешёл на солид, и как тренировка перепроектировал большую часть робота (захват на таких костылях спроектирован, что его я просто импортировал). Также добавилась вторая камера спереди (слева от поворотного сервопривода видно крепление). Крепление камеры отдельная моя гордость, вместо того чтобы проектировать громоздкую рамку вокруг всей камеры (как некоторые личности... Если они прочтут это то поймут что я о них), я спроектировал заднюю крышку с шарниром, она ставится вместо родной на родные шурупы. 

    Также была проведена большая работа над программой робота, робот мог через WiFi управляться с любого компа с помощью UDP протокола, мог ездить по линии, имел две камеры, которые можно было переключать с пульта управления. Большая программная работа была сделана для корректной работы манипулятора, мы даже нашли некоторые фишки, неописанные в библиотеке для сервоприводов, например куда сервопривод встаёт при его инициализации, или то что можно программно отключать питание прямо во время работы. У манипулятора были положения которые можно было "запомнить" прямо во время заезда, чтобы потом вернутся к ним (удобно чтобы вернутся к нужному ракурсу камеры).

    Снизу на фото конечная 3д модель робота. 

    А теперь немного грусти, за 2 недели до Кубка губернатора мы поняли, что от заявленных характеристик моторов от силы 1/3. Если для простых задач этого хватало, то вот для заезда по лестнице или на крутом подъёме это было проблемой, более того, после частичной разрядки аккумулятора, момент падал ещё больше (раньше робот тестировался только на заряженных аккумах, и мы этого не могли заметить). Мы в срочном порядке собрали из конструктора другого робота (фото снизу), а силами Насти и Вероники заняли 1 место, они смогли набрать больше баллов чем другие. Грустно что робот даже не поучаствовал в соревнованиях ради которых он проектировался, но помимо конкурса творчества, робот занял в других соревнованиях 1 место (позиционировался как учебное пособие по робототехнике), а также стал дипломной работой одного из участников, также это опыт который я получил, навыки в проектировании и программировании, поэтому я не жалею что потратил на это время, силы, ресурсы. 

    Да, (пупупу) со статьёй что-то затянул, но у меня уже есть черновики ещё двух, думаю скоро допишу. Спасибо что прочитали, пишите комментарии, отвечу/проконсультирую/поспорю с вами с удовольствием. Привет всем кто это читает и знает меня лично. А остальным фоточки робота. До скорого!