HEXAPOD или робот-паук, как способ автоматизации строительных работ.

     За несколько последних десятилетий развитие науки и техники достигло больших высот. В связи со стремительным развитием робототехники во всем мире, появилась возможность упростить, ускорить и автоматизировать многие процессы, которые раньше требовали больших трудозатрат и рисков.

    Строительство зданий и сооружений требует тщательной подготовки. Для этого необходимо большое количество высококлассных специалистов в области строительства: архитекторы, геологи, геодезисты, каменщики, электрики и др. Многие из них при выполнении работ подвергаются опасным факторам, таким как агрессивная среда, высотные работы, тяжелые климатические условия. Всё это требует высоких трудозатрат, материальных вложений и рисков.

В настоящее время задачей прогрессивного строительства является автоматизация процессов и повышение производительности опасных и высокоточных работ.

 Я предлагаю кардинально новый способ проведения некоторых работ при строительстве объектов. Для автоматизации этих процессов будет использоваться роботизированное автоматическое устройство, называемое гексапод, с закреплённым к нему манипулятором, который будет проводить определённые работы.

     Благодаря стопоходящему передвижению данный робот сможет перемещаться на различных видах поверхностей, взбираться на возвышения и с большой точностью совершать манипуляции с различными модулями.

    Манипулятор на гексаподе служит для захвата объектов и перемещения их в пространстве. Так же к нему могут крепиться различные установки, например для заливки стяжки полов или фундамента, для бурения или сверления, сварочный аппарат. За счет встроенных датчиков, таких как инфракрасные, ультразвуковые или оптические, гексапод сможет ориентироваться не только днем, но и в темное время суток. При помощи специально разработанного ПО робот построит трехмерную модель полигона (участок, в котором проходит строительство) и в режиме реального времени будет сообщать о процессе строительства по средством протокола MQTT или же иных средств для передачи данных.

     За счет модульного строительства (применение модулей из которых собирается сооружение, что напоминает сборку конструктора), собирать при помощи различных установок, гексапод сможет в буквальном смысле собирать и сцеплять модули между собой. В виду того, что гексапод имеет несколько типов походки и режимов управления, тот может выступать как в роли подъемного крана, так и в роли грузоперевозчика.

 В настоящее время важным является автоматизация различных видов работ. Это дешевле, чем нанимать множество рабочих, значительно ускоряет процесс и повышает его точность. Технологии 21-го века позволяют создавать мощные мехатронные устройства, которые будут выполнять большинство однотипных работ, требующих от человека времени, концентрации внимания и рисков для жизни. Конечно же, на начальном этапе разработки требуется большое количество материальных вложений, но с массовым производством роботов и усовершенствованием их, удешевиться и их производство.

В данной модели применяется большее количество приводов, улучшенная модель ног и платформы, повышающая мобильность и гибкость. В данном роботе используется микроконтроллер Arduino mega 2560, усовершенствованная схема питания и реализовано беспроводное управление. Для создания данного проекта потребовалось приобретение 3Д принтера, мультиметра и различного CAD инструмента, объединяющий процессы разработки проекта. В данный момент на гексаподе не установлен манипулятор, но для него предусмотрено место крепления, а так же запас питания и вычислительные мощности контроллера управления.

3Д печать

       Для изготовления деталей гексапода был приобретен FDM (Fused Depsition Modelling) 3д принтер Flying Bear Ghost 4s. Данный принтер является одним из лучших в своей ценовой категории. Он печатает пластиками PLA,Pet-G, ABS и другими. Хорошая кинематика этого принтера предотвращает повреждение деталей во время печати. Специально подогревающийся стол улучшает адгезивные свойства для лучшего сцепления детали с его поверхностью.

    Основным материалом для изготовления был выбран PET-G так как его физико-механические свойства отлично подходят для гексапода. Демпферы были напечатаны из материала Bflex. 

Слайсер - Cura.

Для улучшения качества напечатанных моделей, была доработана конструкция принтера. Вместо изначально установленного bowden экструдера, был напечатан и установлен direct. Откалиброван PID для стола и нагревательного элемента, шаги для мотора экструдера, заменены драйвера для шаговых двигателей на осях X,Y,E.  Собрана термокамера из верхнего бокса (фанера) и передней дверцы (акрил), заменено стоковое стекло на зеркало 3мм.

Так же был проведен расчет коэффициента усадки для точной печати отверстий.

Далее о создании данной модели гексапода

Разработка

3д модель гексапода :

    Робот разрабатывался на основе аналогичных существующих моделей, в том числе и роботов-гексаподов. В результате работы были значительно улучшены различные модули и усовершенствована конструкция ног, что потребовало использования 18 сервоприводов. Это позволило повысить мобильность и гибкость робота. Чертежи и модели частей корпуса робота полностью разрабатывались в CAD системе и производились при помощи аддитивных технологий. По 3д моделям можно производить технологические расчеты и использовать при дальнейшем производстве.

    На концы ног разработаны и установлены наконечники-демпферы собственного производства. Они представляют собой пластиковый корпус с пружиной внутри. Наконечник предотвращает поломку элементов ноги во время удара, уменьшает нагрузку на вал редуктора сервопривода и устраняет его деформацию и износ, а так же избавляет от сильного стука во время перемещения. Улучшена конструкция платформы, благодаря чему на нее можно устанавливать манипулятор, кулер для охлаждения, а так же стабилизатор для FPV камеры.

    В гексаподе используется микроконтроллер Arduino mega 2560 с дополнительно установленной Raspberry pi 4. Это позволяет плавно и с большой точностью перемещать робота. Так же были усовершенствованы: схема питания, которая позволила включать и выключать робота при помощи контроллера, и беспроводное управление, которым осуществляется движение робота, манипулятора и управление камерой. Присутствует возможность подключиться к гексаподу дистанционно по средством передачи данных wi-fi, а так же можно расширить функционал и управлять мехатронным устройством дистанционно. Робот изготовлен с учетом промышленных стандартов во избежание травматизма, на нем располагается кнопка аварийной остановки, а вся электроника помещена корпус. Светодиодный индикатор для отладки и отображения состояния робота собран и представлен на фотографии.

Манипулятор

    Одним из основных частей гексапода является манипулятор. Он выполнен из PET-G пластика на 3д принтере. Манипулятор и его кинематика проектировались в CAD системе по собственным чертежам и наработкам. Манипулятор состоит из 3 звеньев и захвата, которые вращаются в одной плоскости. В роли двигателей используются сервоприводы, крутящий момент которых >10кг/см. Манипулятор способен поднимать объекты массой до 500 грамм и до 1000 в режиме удержания. Так же в роботе установлена FPV камера, которая позволяет управлять роботом дистанционно и камера для машинного зрения, обеспечивающая распознавание объектов и дальнейшим выводом их на монитор.

Программирование

    Программирование производилось в среде разработки Arduino IDE и sublime_text . Код состоит из функций, которые контролируют модули, и функций, которые ими управляют. В программе реализованы аварийные остановки и вывод ошибок при не правильном подключении или во время отклонений наклона корпуса от нормы. >60% программного обеспечения разрабатывалось вручную.

Управление

    Для управления гексаподом используется геймпад от PlayStation2 с ресивером. Он позволяет точно управлять движением, выбирать различные типы походки и выбирать режимы управления. Беспроводное управление реализуется за счет встроенного радио модуля на 2.4гц . Приемник устанавливается на верхнюю часть платформы корпуса гексапода и подключается к Arduino mega (для передачи сигнала используются пины 2-5, а так же пины 3.3в и Gnd для питания).

Питание

В качестве источника питания для гексапода используются li-ion аккумуляторы. Для стабилизации напряжения используется стабилизатор бортового напряжения SBEC.

Аккумуляторы

В качестве батареи используются li-ion аккумуляторы формата 18650. К преимуществам можно отнести:

- Высокая энергетическая плотность.

- Низкий саморазряд.

- Отсутствие эффекта памяти.

- Простота обслуживания.

- Низкий удельный вес.

Аккумуляторы собираются последовательно в 3s батарею (12.6в).

Стабилизатор

В роли стабилизатора используется стабилизатор бортового напряжения YEP 20A HV (2 ~ 12S) SBEC. По причине того, что на каждом сервоприводе просадка напряжения достигает 0.3в., суммарно, со всех двигателей, просадка по напряжению принимает значение до 6в., вследствие чего многие приводы не работают. Так же каждый привод потребляет до 800мА, опытным путем было выявлено, что суммарный потребляемый ток примерно 15А.

Исходя из вышеупомянутых проблем, стабилизатор должен соответствовать нескольким требованиям:

• Максимальный ток 20А

• Выходное напряжение 5-7.2в

• Иметь теплоотвод

Данным требованиям соответствует стабилизатор бортового напряжения YEP 20A HV

 (2 ~ 12S) SBEC.

технические характеристики:

• Ток: 20A
• Входное напряжение: 2-12S
• Выходное напряжение: 5V / 5.5V / 6V / 7В / 9В
• PCB Размер: 57x26mm
• Вес: 42g

Видеоролик работы гексапода

#3dmay