- WALKER Czteronożny robot kroczący Wiktor Wysocki 2011
1. Wstęp X-walker jest czteronożnym robotem kroczącym o symetrycznej konstrukcji. Został zaprojektowany jako robot którego zadaniem będzie przejście po nieznanym terenie przy jednoczesnym zachowaniu równowagi i odpowiednim położeniu korpusu. Należy nadmienić iż prace nad robotem trwają wiec jego funkcjonalności nie jest jeszcze w pełni gotowa. 2. Budowa mechaniczna Konstrukcja mechaniczna robota została zaprojektowana przy użyciu programu Autodesk Inventor 2010. Program ten umożliwił stworzenie wirtualnego modelu robota oraz przetestowanie zależności mechanicznych występujących pomiędzy jego elementami. Dzięki temu wybrano optymalne wymiary poszczególnych części. Poniżej na rysunku 1 zaprezentowano projekt robota z programu Inventor: Rysunek 1 Projekt robota w programie Autodesk Inventor 2010 Na materiał konstrukcyjny wybrano aluminium jako, iż posiada odpowiednią wytrzymałość, jest przy tym lekkie i nadaje się do obróbki za pomocą prostych narzędzi. Zaprojektowane elementy
wycięto przy pomocy lasera z 1.5mm i 2mm arkuszy aluminium. Poniżej na rysunku 2 przedstawiono wycięte elementy: Rysunek 2 Elementy składowe robota wycięte przy pomocy lasera Dalszy etap prac polegał na odpowiednim ukształtowaniu niektórych części. Proces ten odbywał się ręcznie przy udziale odpowiednich kopyt wykonanych z drewna bukowego i stali. Następnie dokonano montażu elementów przy pomocy różnego rodzaju łączników śrubowych o średnicach od 2 do 4mm. Dodano także inne elementy, takie jak tulejki dystansowe czy części składowe stóp ze zintegrowanymi czujnikami stykowymi. Na kolejnym rysunku przedstawiono złożonego robota: Rysunek 3 Fotografia złożonego robota
Napęd robota stanowi 12 serwomechanizmów Power HD 1201 o parametrach przedstawionych poniżej (dane producenta): moment 12.2/13.2 kg/cm prędkość 0.16/0.14 sec/60 napięcia 4.8/6.0 V waga 60 g wymiary 40.7 x 20.5 x 39.5 mm Niestety niektóre dane obiegają od wartości rzeczywistych, szczególnie wartość momentu, ale co ciekawe nawet wymiary nie są zgodne z rzeczywistymi. Podsumowując, konstrukcja mechaniczna robota posiada kilka charakterystycznych cech: zwarta i solidna konstrukcja podwójne łożyskowanie wszystkich stawów zintegrowane czujniki stykowe w stopach całkowita rozbieralność konstrukcji tylko połączenia śrubowe możliwie najmniejsze wymiary przy zastosowaniu danych elementów wyposażenia robota liczne otwory odciążające konstrukcję
3. Elektronika Część elektroniczna robota posiada budowę modułową. Każdy moduł zawiera mikrokontroler AVR i pełni odpowiednie dla siebie funkcje. Każdy posiada także odpowiednio multipleksowane wyprowadzenie ISP, co pozwala programować moduły podczas ich działania. Moduły stanowią odrębne jednostki elektroniczne i można ich używać oddzielnie nie koniecznie w robocie X-walker. Do komunikacji między sobą wykorzystują SPI. Takie rozwiązanie nie ogranicza w dalszej rozbudowie robota i pozwala stale dodawać nowe elementy i funkcje. Poniżej scharakteryzowano poszczególne moduły. 3.1. Moduł sterujący BRAIN Rysunek 4 Moduł sterujący BRAIN Jest głównym modułem w robocie, zawiaduje działaniem pozostałych. Został oparty na mikrokontrolerze ATmega 16A z kwarcem 16MHz. Posiada wyprowadzone piny z magistralą I 2 C i SPI, wyświetlacz LCD oraz 2 dodatkowe przyciski na potrzeby przyszłych funkcji. Poniżej krótka charakterystyka: arbiter magistrali SPI komunikacja z akcelerometrem i żyroskopem poprzez I 2 C (w trakcie realizacji) obsługa wyświetlacza LCD nadzorowanie pracy innych modułów formowanie odpowiednich ramek danych do komunikacji z PC
3.2. Moduły sterowników serw Rysunek 5 Moduły sterowników serw - dół Rysunek 6 Moduły sterowników serw - góra Robot posiada dwa takie same moduły sterowników serw, każdy obsługuje 6 serwomechanizmów, czyli 2 nogi robota. Moduły także oparte są o mikrokontroler ATmega 16A na kwarcu 16MHz. Najważniejszymi funkcjami tych modułów jest oczywiście generowanie odpowiedniego sygnału PWM dla serwomechanizmów, ale także obsługa czujników stykowych i pomiar napięć na potencjometrach serw (dodatkowy przewód wychodzący z każdego serwa). Ta ostatnia cecha służy sprawdzeniu czy serwomechanizm jest rzeczywiście wychylony od taką wartość jaką wyznacza sterowanie, co jest przydatne w pracy przy dużym obciążeniu. Należy dodać, że sygnały analogowe z potencjometrów przed dotarciem do tych modułów przechodzą przez filtr analogowy. 3.3. Moduł nadawczo odbiorczy BT_RX_TX Rysunek 7 Moduł BT_RX_TX - góra Rysunek 8 Moduł BT_RX_TX - dół Moduł ten jest odpowiedzialny za obsługę dwóch modułów bluetooth, jednego wysyłającego a drugiego obierającego dane z komputera. Dane przychodzące są odpowiednio filtrowane. W module zastosowano mikrokontroler ATmega 8A oraz kwarc 14.745MHz
odpowiedni do transmisji szeregowej. Standardowo w module instaluje się dwa moduły bluetooth BTM-222. 3.4. Moduł zasilający POWER Rysunek 9 Moduł POWER - dół Rysunek 10 Moduł POWER - góra Robot jest zasilany dwoma zestawami akumulatorów. Pierwszy większy zestaw (2x LiPo 1850 mah 7.4V) zasila serwomechanizmy, drugi mniejszy (LiPo 850 mah 7.4V) zasila układy elektroniczne. Moduł zasilający monitoruje wartości napięć poszczególnych akumulatorów a także mierzy prąd jaki zużywają napędy robota. Zajmuje się także stabilizacją napięć 5V dla elektroniki i poprzez stabilizator impulsowy (niewidoczny na zdjęciach) 5.3V lub 6V dla serwomechanizmów. Moduł zasilający posiada także wbudowany układ dźwiękowy sygnalizujący niski stan napięcia w akumulatorach. W niedalekiej przyszłości układ będzie także monitorował temperaturę w istotnych miejscach robota.
4. Sterowanie X-walker jest sterowany za pomocą komputera PC i odpowiedniej aplikacji. Zastosowanie dwóch modułów bluetooth pozwoliło na szybkie przekazywanie danych w obu kierunkach i uzyskanie korku sterowania na poziomie 40ms. Czas ten nie jest niestety gwarantowany z racji zastosowania protokołu bluetooth, aczkolwiek robot porusza się płynnie i reaguje błyskawicznie na zmiany sterowania. W jednym cyklu sterowania od robota odbierane są odpowiednie dane, wyliczane jest sterowanie i dane ponownie wysyłane są do robota. Na ekranie komputera możemy obserwować dane generowane przez wszystkie moduły robota. Poniżej zdjęcie aktualnego stanu robota X-walker. Rysunek 11 X-walker