Стальной манипулятор HEXAPOD

Стальной манипулятор HEXAPOD

440
ПОДЕЛИТЬСЯ

В текущей статье я постараюсь выложить свой подход к реализации манипулятора из очень доступных средств и материалов периферийного городка. В следующем изложении желал бы показать реализацию шестиконечного манипулятора HEXAPOD , выполненного из корабельной стали. Текущий проект не претендует на оригинальность, инноваторские подходы, реализацию сложных алгоритмов управления, использования математических моделей поведения, а так же изначальное проектирование уже имеющихся и отлично работающих аппаратных средств.

В будущем планируется применять BeagleBoard-xM, компанию автономных режимов работы и минимальную обработку видеоданных. Заниматься всем сразу на физическом уровне не хватает времени. Основной уклон на данном шаге был изготовлен в сторону аппаратной составляющей и не чрезвычайно сложной программной части. Это мой 1-ый опыт в робототехнике, потому некие нюансы устройства продумывались и подгонялись уже по ходу его реализации.

Предпосылками для сотворения манипулятора являлся, ставший культовым, анимационный кинофильм Ghost in the shell. Спустя годы, приобретя определенный уровень технических познаний, располагая временем и неким количеством вольных средств, я решил воплотить конструктив из области робототехники. Вышедший фактически два десятилетия назад этот кинофильм произвел неизменное воспоминание на почти всех, и на меня в частности.

Вначале оговорюсь, что в моем личном представлении каноническое понятие «робот» неотъемлемо соединено с автономными методами работы. Так как данное устройство не может работать (на текущем уровне программного обеспечения) без роли человека, то в текущей статье будет применено определение «манипулятор».

Потому выбор из имеющихся открытых проектов на тот момент был не велик, а разрабатывать свою первую робототехническую конструкцию подобного уровня с нуля было очень проблемно. В качестве изначальной конструкции был избран один из открытых проектов с веб-сайта grabcad.com. Было это относительно издавна, еще до повального энтузиазма к схожим шестиконечным устройствам. Проект был доработан в сторону уменьшения веса конструкции и упрощения краевых линий деталей. Ниже приведен изометрический вид манипулятора в программном продукте SolidWorks (одна из предпоследних версий модификации; самую последнюю, по прошествии стольких лет, отыскать так и не вышло):

В качестве материала манипулятора вначале планировалось применять алюминий. К тому же в качестве начальных данных подступал проект из SolidWorks 2007, что упрощало подготовку к изготовлению. Толщина материала – 2мм. На помощь пришло наследие ушедших времен – остатки корабельной углеродистой стали и возможность плазменной резки по оной. Но отыскать такую возможность в рамках моего периферийного городка на тот момент так и не вышло (может быть, спустя годы, что-то и поменялось в данной области, но, сомневаюсь). Изготовка конструкции из оргстекла либо пластика было вероятным, но вначале не рассматривалось, т.к. желание сделать манипулятор из сплава преобладало над здравым взором на вещи. Некое время спустя детали были получены (извиняюсь за качество, некие фото в статье изготовлены стареньким телефоном):

Мягко говоря – отложено на чрезвычайно долгий срок, ввиду нехватки вольного времени. Опосля наружного осмотра деталей, все было аккуратненько сложено в коробку и отправлено на «этап снятия остаточной напряженности металла».

Но стоимость так же игралась вескую роль. Исходя из соотношения стоимость/качество, были приобретены сервопривода HK15328A, имеющие железный редуктор, двойной шарикоподшипник, латунные втулки, усилие 12.8 кг на см., при напряжении 6.0 В., вес 58 гр. Спустя время я вновь возвратился к манипулятору, и начал продумывать систему питания, устройства связи, выбирать сервопривода и управляющую электронику. За долгое время эксплуатации ни один из оных не вышел из строя. Качество производства терпимое, хотя отсутствуют какие-или пылезащитные прокладки, управляющая плата свободно болтается снутри корпуса, выводы проводов не загерметизированы, смазка в половине из заказанных приводов фактически отсутствует, при долговременной перегрузке находится незначимый нагрев. Исходя из хотимого подхода к реализации, было предположено, что конечный вес будет очень значимым, потому сервопривода необходимо было выбирать с неким запасом по усилию. Ниже приведено фото внутренностей сервопривода HK15328A: Все перечисленное выше компенсируется стоимостью привода ~7$. Было заказано 18 приводов, все были пересобраны, смазаны графитовой смазкой и проверены под перегрузкой.

Опосля доработки ратфилем и шлифовки деталей, работ на сверлильном станке, использовании метчиков и крепления сервоприводов основа манипулятора заполучил последующий вид: На момент заказа дюралевых качалок не было в ассортименте. Решено было применять идущие в комплекте с приводом пластмассовые качалки, закрепленные пригодными по размеру металлическими шайбами.

Батарея состоит из 3 частей, соединенных очень дешевеньким узким проводом, контроллеров заряда для каждого из частей, штекером зарядки и переключателем: В качестве элемента питания был применен литий — полимерный батарея 12.6 В., 9800 мАч., 360 гр.

1-ые два употребляются для питания сервоприводов, крайний преобразователь – для питания управляющей электроники. Из преобразователей напряжения были доступны DC-DC Turnigy UBEC-15A, DC-DC Turnigy UBEC-7.5A, DC-DC Turnigy Micro UBEC 5V/3A. В качестве зарядного устройства планировалось применять iMAX B6, потому контроллеры заряда были сняты, а проводники, соединяющие элементы, были изменены. Так же были выведены проводники от каждого элемента, для способности сбалансированной зарядки аккума. Контроллеры заряда также ограничивали отдаваемый аккумом ток в 1А.

На том же веб-сайте была найдена плата расширения для MRC28 под проект SSC-32: Так как на руках имелась плата робо-контроллера MRC28, взятая в свое время с веб-сайта RoboZone.su, было решено отталкиваться от оной. В роли управляющей электроники было принято применять очень всераспространенный проект от компании LynxMotion – SSC-32.

Были подключены преобразователи напряжения, и управляющая часть предварительно установлена в основа манипулятора: Плата расширения была сделана и подключена к плате контроллера, зафиксированного двухсторонним скотчем на аккуме.

Для очень надежного контакта употреблялся клей Loctite 480. Винт крепления М5: Для маленького зазора меж подшипником и нижней частью каркаса использовалась железная шайба. Для нижнего крепления конечностей использовались мелкие подшипники, снятые с японских шаговых движков (разборка старенькых японских принтеров) и установленные в железное крепление.

Конечность и крепление соединены меж собой по типу струбцины. Так было проще воплотить и позволило незначительно варьировать при выставлении соосности меж валом сервопривода и подшипником:

Общий конструктив одной конечности заполучил последующий вид:

Разрешение изображения 720×576. Для связи манипулятора с ПК употреблялся Bluetooth-модуль HC-05 и Bluetooth-адаптер Class 1. Для передачи видео использовалась самая обычная китайская беспроводная аналоговая камера 2.4 GHz с приемником, присоединенным к ПК через USB ТВ-тюнер EasyCAP. Для управления манипулятором был приобретен беспроводной геймпад SpeedLink STRIKE FX.

Для питания камеры употреблялся преобразователь напряжения на 9В. Опосля распайки питающих проводников с разъемами все провода были сгруппированы и зафиксированы стяжками. Провода от сервоприводов были обтянуты нейлоновой сетью. с LC-фильтром из подручных средств, что позволило фактически на сто процентов избавиться от наводимых помех.

Для крепления аккума (и всей управляющей электроники, крепящейся к нему) к корпусу манипулятора была организована дюралевая скоба.

Ниже приведена фото фронтальной стороны манипулятора:

С тыльной стороны манипулятора размещаются разъемы включения и зарядки аккума:

Заряд аккума делается наружным контроллером iMAX B6, установленным в сбалансированный режим заряда, и блоком питания RXN-305D:

Опосля прошивки контроллера, установки всех нужных модулей и калибровки конечностей манипулятор заполучил окончательный вид, приведенный ниже:

Конечный вес манипулятора составил ~ 3кг. Дальность связи на открытом пространстве ~ 30 метров. Для поворота камера была установлена на сервопривод MG995. Видеосигнал свободно пробивает 3-4 железобетонные стенки. Время работы от 1-го заряда аккума ~ 40 минут.

Программа дозволяет управлять как раздельно взятым сервоприводом, так и группой – суставами. Программное обеспечение для ПК было создано в Microsoft Visual Studio 2008 и представляет сбой функционал управления, калибровки и отображения видеоданных.

Все используемые в методах характеристики выведены на графический интерфейс. Для работы с геймпадом (HID-устройством) были подключены библиотеки hid.lib, hidpi.h, hidsdi.h, hidusage.h. Для получения видеоданных с ТВ-тюнера употреблялся DirectShow (пробы получить картину по средствам OpenCV не увенчались фуррором). Так же была нужна установка DXSDK_Jun10, и подключение к проекту библиотеки работы с графикой gdiplus. Предвидено сохранение/загрузка данных калибровки для каждой конечности. Виртуальный COM-порт, реализованный через Bluetooth, правильно заработал с китайским Bluetooth-адаптером только при помощи библиотеки SerialGate.dll (вероятнее всего неувязка в драйверах либо адаптере, но экспериментировать с иными адаптерами/драйверами не стал).

Для определения значений, используемых кнопками геймпада, был реализован доп программный модуль:

Ниже приведено видео первых передвижений манипулятора и предстоящей его калибровки с оптимизацией метода и уменьшением задержек:

Опосля маленьких доработок конструктива и программы управления конечная реализация устройства приведена в последующем видео:

Примерная стоимость всего комплекта ~400$.

При разработке схожей конструкции в будущем будет учтена и конструкция корпуса, и наиболее легкие материалы, и наиболее скорые сервоприводы, и наиболее корректные методы передвижения, и автономные режимы работы с обработкой видеоданных. Как в плане механики передвижения, компоновки, фильтрации питающих напряжений так и в программной части. В заключении, хотелось бы добавить, что проведя вышеописанные этапы разработки манипулятора, был приобретен определенный опыт и изготовлены надлежащие выводы. Но все это при наличии в будущем вольного времени.

Спасибо за уделенное внимание. habrahabr.ru