Механический паук своими руками

Искусство прототипа: как сделать робота-паука за один день

Иван Мин

Искусство цифрового прототипирования сегодня как никогда доступно. Если раньше цикл от идеи до первой модели занимал несколько месяцев, то сейчас программное обеспечение позволяет сократить процесс до одного дня. Как нарисовать скетч с использованием графического планшета, создать цифровой прототип в программе 3D-моделирования, проанализировть прочность конструкции и напечатать результат на 3D-принтере — T&P публикуют подробную инструкцию, составленную с помощью экспертов Autodesk.

Современные технологии открывают перед конструкторами и инженерами удивительные возможности. В качестве одного из примеров можно привести технологию цифрового прототипирования — создание цифрового макета изделия, используемого для испытания его функций и формы, выявления каких-либо недостатков и проведения оптимизации. В этой модели заключено большое количество данных, касающихся концептуальной, механической, электрической составляющей продукта и т.д. Более того, все эти данные взаимосвязаны между собой — изменение какой-либо составляющей влечет за собой автоматическое изменение остальных частей цифрового прототипа. Все это позволяет ускорить сроки разработки изделия, сам процесс проектирования становится более удобным.

Чтобы немного прояснить картину, давайте рассмотрим небольшой пример создания проекта с применением программных средств, базирующихся на концепции цифрового прототипа. Предположим, нам необходимо разработать робота-паука, задачей которого является исследование окружающей местности: т.е. он должен уметь самостоятельно перемещаться, преодолевать препятствие, а также нести на себе устройство записи (видеокамеру). Всего за восемь часов мы сделаем эскиз, построим модель, сделаем динамическое моделирование и инженерный анализ, уделим внимание проводам, кабелям и визуализации.

Эскиз

Наш процесс начинается с этапа создания эскиза, на базе которого в дальнейшем будет проводиться построение 3D-модели. Здесь мы определили, как будет выглядеть наш робот: у него есть голова, 6 ног, снизу крепится камера и т.д. Для создания эскиза использовался SketchBook — довольно удобный инструмент для рисования как растровой, так и векторной графики, позиционирующийся как раз как средство для разработки концепции изделий. Его основное преимущество заключается в удобных инструментах «линейки» и «транспортира», с помощью которых становится очень удобно рисовать инженерные эскизы, изобилующие прямыми и строгими линиями. То есть вам даже не обязательно иметь планшет, вы можете нарисовать то, что задумали, при помощи лишь одной мыши (хотя, конечно, об удобстве в данном случае придется забыть).

Фрагменты создания эскиза робота

Далее, на основе выполненных эскизов можно приступать к созданию 3D-модели нашего изделия — в некотором роде «скелета» нашего цифрового прототипа, на базе которого будут в дальнейшем проводиться расчеты и оптимизация конструкции, создание технической документации, визуализация и т.д. Модели составных деталей мы выполнили в Inventor, используя твердотельное моделирование. Можно сказать, что построение той или иной детали начинается с рисования ее проекции (эскиза), с которой потом можно выполнить ряд определенных операций, к примеру «выдавить» (если у нас на эскизе был прямоугольник, то в итоге этой операции мы получим параллелепипед) или «повращать» относительно какой-либо оси (выполнив вращение «дольки» относительно соответствующей прямой, получим сферу). На этом список операций с эскизами, естественно, не заканчивается. Таким образом, мы получили три уникальные (неповторяющиеся) детали нашего робота: голова и две части ноги. В среде «Сборка» эти части были соединены воедино, а ноги паука размножены массивом до 6 штук. У человека с опытом работы в 3D-САПР данный этап каких-либо сложностей не вызовет, тем более, что в процессе работы не пришлось сталкиваться с построением каких-либо сложных элементов или с поверхностным моделированием. В итоге мы получили подвижную модель нашего робота, благодаря которой мы можем посмотреть, как будет осуществляться движение нашего робота, не задевают ли детали друг о друга и т.д.

Этапы создания модели на основе эскиза

Первое, что бросается в глаза — такой робот не сможет ходить. Просто для того, чтобы переместить его конечность, необходимы как минимум две детали, а не одна. Первая деталь должна поднимать ногу, а вторая — вращать. Возможно немного притянутый, но в то же время яркий пример того, как цифровое прототипирование позволяет избежать возможных ошибок при проектировании изделия. Тем не менее, целью данной инструкции не является попытка представить рабочий продукт, который уже завтра можно отправлять в производство. Скорее, хотелось бы осветить саму концепцию и некоторые возможности цифрового прототипирования, так что на перечисленных выше конструктивных особенностях мы заострять внимание не будем, а перейдем к следующему этапу.

Динамическое моделирование

Этот этап является по сути подготовительным перед анализом. С механической точки зрения наш робот — совокупность механизмов различных типов, взаимодействующих между собой. И для того, чтобы определить стабильность их работы и провести последующую модернизацию конструкции, необходимо провести кинематический и динамический анализ механизмов. В данном случае мы рассмотрели циклический процесс подъема и опускания одной из ног робота. По заданным изначальным характеристикам (изменениям координат, скорости и действующей на механизм силы) с помощью модуля «Динамическое моделирование» можно получить интересующие нас параметры, увидеть, как они меняются во времени. В частности, возникающее в кинематической паре усилие. Основная сложность, которая возникает на данном этапе, — это переход от реальной модели к расчетной: необходимо правильно подобрать и настроить модель в программе, чтобы она как можно ближе соответствовала тому, что происходит с конструкцией в реальной среде. Все сводится к тому, чтобы провести ряд приближений и упрощений задачи, задать вид соединения элементов, правильно указать действующие силы и т.д.

Полученные на предыдущем этапе данные потребуются нам для проведения прочностного расчета, на основании которого можно определить, каким образом можно улучшить нашу конструкцию. К примеру, мы хотим повысить эффективность робота за счет уменьшения его веса. Чем легче его составляющие, тем меньше необходимо затратить энергии на выполнение того или иного действия. Убрать часть материала можно, естественно, до определенной меры — конечности нашего робота должны оставаться достаточно прочными, чтобы выполнять поставленные изначально задачи. К примеру, можно вырезать окно в нашей детали и укрепить ее затем пересекающимися балками. А определить оптимальные размеры этих конструктивных элементов как раз помогают расчетные системы автоматизированного проектирования, в частности Autodesk Simulation. Расчетные САПР основываются на решении огромных матриц, базирующихся на модели и уравнениях, характерных для той или иной области (если мы имеем дело с задачей прочности — закон Гука, если же это гидрогазодинамика — уравнения Навье-Стокса и т.д.). На основании нескольких проведенных расчетов была предложена конструкция, представленная ниже. Как можно заметить, наш робот стал не только легче, но и красивее!

И это только один из примеров возможной оптимизации. Здесь все ограничивается вашим инженерным опытом, чутьем и воображением. Внесенные в геометрию детали изменения автоматически заносятся и в модель, и в чертежи, созданные на ее основании. Это очень удобно, и обычно не требуется никакого вмешательства со стороны пользователя в данный процесс.

Что касается сложностей, которые могут возникнуть на данном этапе, то они во многом схожи с динамическим моделированием: это переход от реальной задачи к расчетной модели. Необходимо обладать определенным опытом, чтобы понять, как правильно задать граничные условия, какие принять допущения в задаче и т.д.

Провода и кабели

Одним из заключительных этапов построения цифрового прототипа является работа с проводами в среде Inventor «Провода и кабели». Здесь мы создаем электрические компоненты, соединяем их между собой, настраиваем их параметры и осуществляем прокладку кабельной трассы. В результате мы получаем трехмерную монтажную схему, рассчитанные диаметры кабелей и длины проводов, а также ассоциативную документацию (таблицы длин проводов, таблицы подключений, перечни элементов и кабельных трасс).

Визуализация проекта

Заключительным этапом построения нашего цифрового прототипа является визуализация проекта. Здесь все относительно просто: экспортируем нашу модель в , указываем пару настроек и ждем полчаса, пока будет готово наше красивое изображение.

Примерно таким вот образом происходит создание цифрового прототипа. В зависимости от сложности разрабатываемого продукта, описанная выше схема может расширяться за счет дополнительных этапов, например, создания чертежной документации или оптимизации модели под 3D-печать.

Возможно, у читателя может возникнуть вопрос: разве концепция цифрового прототипа не была известна до этого? Ведь подобные САПР, способные справиться с вышеперечисленными задачами, существуют уже не один десяток лет. Так и есть, но далеко не многие программы способны хорошо обмениваться между собой информацией и адаптивно подстраиваться под ее изменение. То есть они обеспечивали только часть функциональных возможностей, необходимых для создания полного цифрового прототипа. Сейчас же эта технология стремительно развивается, что можно заметить на выпускаемой продукции многих программных вендоров, в частности Autodesk. Мы очень коротко рассмотрели небольшой пример демонстрационной работы, которая была выполнена буквально за пару часов. Конечно, более детальные и серьезные проекты требуют гораздо больше времени, но, тем не менее, на основании вышеизложенной информации можно сделать вывод, что использование цифрового прототипирования позволит сэкономить значительную часть времени, ресурсов и сил.

Источник

Робот-паук

Часть 1 — Робот-паук

Это мой первый проект четырёхногого робота. Разработка первой версии длилась около года, последняя модификация уже четвёртая. Есть два варианта исполнения — под сервоприводы sg90 и mg90. Если интересна история развития проекта, можете посмотреть её в блоге.

Ещё два проекта, связанных с пауком – это симулятор на vPython и дистанционное управление с использованием Bluetooth. Они будут рассмотрены во второй и третьей части.

Делать такого паука весело, однако для его реализации Вам потребуется время и терпение.

Скачать все необходимые файлы можно по этой ссылке.

Шаг 1: электроника

Список основных деталей:

1 x Arduino Pro Mini;

1 x 3А понижающий DC-DC преобразователь;

1 x модуль Bluetooth HC-06 или HC-05 (не обязательно);

12 x сервоприводов SG90 или MG90;

1 x 3000мАч литиевый аккумулятор (DC12300, 90x43x17мм);

1 x разъём питания;

1 x 680 Ом 1/4 Вт 5% резистор;

1 x 3мм светодиод;

1 x выключатель;

1 x макетная плата 5×7см;

Немного штыревых разъёмов PLS и PBS;

Немного одножильного или многожильного провода.

Шаг 2: делаем основную плату

Несколько советов по сборке печатной платы:

До установки на плату, убедитесь, что подстроечный резистор на модуле понижающего DC-DC преобразователя настроен правильно и на выходе модуля 5В;

Сервоприводы потребляют почти 3А в режиме полной нагрузки, используйте достаточно толстый провод;

Когда закончите пайку, с помощью мультиметра проверьте что бы не были соединены соседние выводы, которые не должны быть соединены;

Вместо пайки модулей непосредственно на макетную плату, запаяйте PLS и PBS разъёмы, в которые уже будут устанавливаться Arduino, модуль DC-DC, Bluetooth и сервоприводы;

Светодиод будет светиться, пока выключатель выключен. Так было сделано для проверки, исправен ли источник питания.

Шаг 3: проверка основной платы

Не подключайте модуль DC-DC и Arduino Pro Mini к основной плате.

Подключите аккумулятор к разъему основной платы.

Проверьте светодиод, если он светиться, это хорошее начало.

Нажмите выключатель питания, светодиод должен погаснуть.

С помощью мультиметра проверьте правильность всех выводов +5В и GND.

Нажмите выключатель питания, чтобы выключить питание, светодиод опять должен светиться.

Подключите DC-DC и Arduino Pro Mini к основной плате.

Нажмите выключатель питания, светодиод выключится, но светодиод Arduino Pro Mini включится.

Отключите питание и подключите сервопривод к первому ряду разъемов Leg1 основной платы (вывод 2 Arduino).

Загрузите скетч servo_test.ino в Arduino, сервопривод должен начать вращать вал от 0 до 180 градусов.

Шаг 4: механические детали

Моделирование производилось в программе в Sketchup Make. Кроме STL файлов, исходный файл моделей в Sketchup так же в открытом доступе.

Файлы для SG90 находятся в архиве Spider_robotquad_robot_quadruped-SG90.zip (папка «Spider\3D parts»).

Список деталей и их количество:

Файлы для MG90 находятся в архиве Spider_robotquad_robot_quadruped-MG90.zip.

Список деталей и их количество:

Шаг 5: печать

Перед печатью проверьте настройки, печать займет много времени.

— плотность заполнения — 15%

— скорость печати — 65

Шаг 6: подготовка к сборке

Снимаем детали, проверяем качество печати объектов, удаляем бримы и затем наждачной бумагой полируем поверхность, чтобы она выглядела хорошо.

Шаг 7: начинаем собирать

Размещаем аккумулятор между верхней и нижней частью корпуса и соединяем с помощью четырёх винтов M3x25мм.

Шаг 8: сборка ног

Сервоприводы прикручиваем винтами M1.6×3мм.

1. Соедините все детали, но не устанавливайте качалку сервопривода на этом этапе;

2. Ориентируйтесь по фотографии и убедитесь, что все детали сориентированы правильно.

Шаг 9: собираем все 4 ноги

Соединяем все ноги с корпусом и проверяем, что все суставы двигаются гладко.

Шаг 10: подключение сервоприводов к основной плате

Размещаем основную плату на корпусе фиксируя её клеем или двусторонней липкой лентой. Ориентируясь по изображениям (цифрами помечено какие сервоприводы куда подключаются), подключаем все сервоприводы.

При подключении сервоприводов нужно не перепутать как подключать штекеры. На изображении основной платы вверху справа над разъёмами зелёным цветом указано где какие выводы («S», «+» и «-«).

красный — плюс питания («+»)

Шаг 11: установка качалок

Для нормальной работы это важная процедура:

Загружаем скетч legs_init.ino в Arduino, чтобы сервоприводы провернули вал в начальное положение;

Выставляем ноги, как показано на изображении выше;

Устанавливаем на валы качалки и фиксируем их, вкручивая винты.

Шаг 12: провода

Что бы провода не мешались, и паук нормально выглядел, организуем провода. На этом сборка завершена.

Шаг 13: демонстрационный код

Устанавливаем библиотеку FlexiTimer2 (архив в файле flexitimer2_lib.zip).

Загружаем скетч spider_open_v1.ino в Arduino.

Вы увидите следующую демонстрационную последовательность движений:

1. встать, подождать 2сек

2. вперед на 5 шагов, подождать 2 секунды

3. назад на 5 шагов, подождать 2 секунды

4. поворот направо, подождать 2 секунды

5. поворот налево, подождать 2 секунды

6. движение «помахать рукой», подождать 2 сек

7. движение «пожать руку», подождать 2 сек

8. сесть, подождать 2 сек

9. вернуться к первому шагу

В скетче spider_open_v3.ino добавлено движение «танец».

Шаг 14: дальнейшее развитие проекта

Это хороший проект для старта и его можно адаптировать под себя. Можно добавить больше функций, например, динамическое изменение скорости движения. Реализовать дистанционное управление. Использовать другие аккумуляторы (18650 li-ion или пальчиковые Ni-Mh), добавить датчиков и т.д.

Перед аккумулятором нет платы защиты, и нужно следить что бы аккумулятор не разрядился слишком сильно. В противном случае это может привести к значительному снижению ресурса аккумулятора или выходу его из строя. В своём проекте Вы можете добавить плату защиты (как минимум с функцией защиты от глубокого разряда).

Кому больше нравиться собирать из модулей, а не паять, можно использовать другие детали. Вы можете сделать свой ремикс корпуса или использовать ремиксы, сделанные другими людьми:
https://www.thingiverse.com/thing:1009659/remixes
https://www.thingiverse.com/thing:2825097
https://www.thingiverse.com/thing:2901132

Часть 2 — Симулятор

Я использую vPython для симуляции движений моего робота-паука. Это упрощает проработку движений, которые затем реализуются на Arduino.
VPython — это язык программирования Python плюс модуль трехмерной графики. VPython позволяет легко создавать трехмерные интерфейсы и анимацию даже для тех, кто имеет ограниченный опыт программирования. Поскольку он основан на Python, он также может многое предложить опытным программистам.

Шаг 1: установка

Шаг 2: загрузка кода и запуск

В редакторе PyCharm откройте файл Spider_robot_vpython.py и запустите код. Вы увидите на экране причудливого трехмерного робота-паука.
Для управления используйте мышь. Зажав (нажать и держать) правую кнопку и перемещая мышь — вращение. Зажав среднюю (или одновременно правую и левую) и перемещая мышь — зум.
Создавайте свои движения в этом симуляторе.

Часть 3 — Управление по Bluetooth

Модули Bluetooth HC-06 и HC-05 очень популярные для Arduino. Оба модуля сделаны на одном чипе, но есть и отличия. Основное отличие заключается в том, что HC-06 может работать только в режиме ведомого. А HC-05 работает и в режиме ведомого и в режиме ведущего. В данном проекте используется HC-06.

При включении питания модуль HC-06 находится в режиме ожидания подключения. В этом режиме будет мигать светодиод. После подключения светодиод постоянно светиться.

Шаг 2: загрузка кода

Установите библиотеку из архива Arduino-serialcommand.zip.
Загрузите spider_open_v3.ino (из папки RemoteControl) в Arduino робота-паука.

Замечания:
Убедитесь, что HC-06 настроен корректно. Значения по умолчанию: 9600 бод, N, 8, 1. Pin-код «1234».
Если хотите изменить настройки, смотрите документацию. Документация на модули серии HC находится в файле «HC BT Module.pdf» (папка RemoteControl).
Я изменил скорость передачи данных на 57600. Для Arduino и модуля Bluetooth скорость должна быть настроена одинаково. Если модуль настроен на скорость 9600, 57600 или ещё сколько, в скетче spider_open_v3.ino должна быть такая же скорость.

void setup() <
//start serial for debug
Serial.begin(57600);

Шаг 3: подключение

Теперь мы можем отправлять команды для управления.

Набор команд:

• w 0 1 — подняться;
• w 0 0 — опуститься;
• w 1 x — вперёд на x шагов;
• w 2 x — назад на x шагов;
• w 3 x — повернуть на право на x шагов;
• w 4 x — повернуть на лево на x шагов;
• w 5 x — движение » рукопожатие» x раз;
• w 6 x — движение «помахать лапой» x раз

Например, «w 0 1» это команда встать, а «w 1 5» это пройти на 5 шагов вперед.
С компьютера или ноутбука управлять можно не только через «монитор порта» в Arduino Ide или другом терминале, Вы можете создать свою программу. Ещё можно реализовать управление со смартфона, планшета или другой платы Arduino. Для телефонов и планшетов под управлением ОС Android в Google Play много программ терминалов, их можно использовать для тестового подключения. Очень легко создать свой пульт управления, используя MIT App Inventor.

Источник