Wolfie - czteronożny robot kroczący

[klonyyy]

Cześć!

Zgodnie z obietnicą z wątku krótkich worklogów zakładam temat z niewiele dłuższym opisem konstrukcji nad którą pracuję

Jest to czteronożny robot kroczący zainspirowany konstrukcjami o wysokich zdolnościach ruchowych, które ostatnio stają się coraz bardziej popularne. W odróżnieniu od robotów kroczących opartych na serwach modelarskich, założyłem że w mojej konstrukcji użyję napędów bezszczotkowych, które odpowiednio wysterowane pozwalają na bardziej zaawansowane manewry. Przyjąłem, że robot powinien być, przede wszystkim, niewielki (max 5 kg) i posiadać modułowe napędy, które w razie awarii mogą zostać wymienione. 

Prace rozpoczęły się od projektu samego napędu. Pierwszym celem było zaprojektowanie miniaturowego sterownika silnika bezszczotkowego. Sterownik do zastosowań w robotach kroczących nie może być zwyczajnym kontrolerem modelarskim, ponieważ nie ma dobrego sprzężenia od pozycji i prądów fazowych silnika, przez co nie jest możliwe sterowanie momentem obrotowym, na którym najbardziej nam zależy. W takim wypadku należy użyć sterowania wektorowego (Field Oriented Control - FOC), które pozwala osiągnięcie maksymalnego momentu silnika przy szerokim zakresie prędkości (nawet zatrzymanym wale), a także na dużą dynamikę sterowania momentem obrotowym. Całe sterowanie, rodzaje silników bezszczotkowych oraz ich dobór to temat-rzeka, ale myślę, że takie krótkie wyjaśnienie wystarczy na chwilę obecną  . Krótko mówiąc nie mogłem uniknąć konieczności stworzenia własnego sterownika. Po kilku iteracjach (tematem sterowania silników bezszczotkowch zajmuję się już jakiś czas) powstał sterownik widoczny niżej, który zamocowany jest w każdym napędzie.

Sterownik wyposażony jest w mikrokontroler, enkoder magnetyczny, trzy półmostki, zintegrowany sterownik tranzystorów, oraz transceiver CANFD.

Wspólną cechą większości napędów robotów kroczących (w formie, którą przyjąłem) jest to, że napędy nie są samohamowne i bardzo łatwo możemy poruszyć napędem od strony wyjścia. Zapewnia to możliwość kontroli momentu obrotowego na podstawie odczytywanych prądów fazowych silnika bezszczotkowego, bez konieczności stosowania zewnętrznych czujników sił czy momentów na samej kończynie. Z tym założeniem bezpośrednio związana jest przekładnia o niskim przełożeniu, zazwyczaj mniejszym niż 9:1. Ja akurat miałem pod ręką 14 sztuk przekładni do wkrętarek akumulatorowych z przekładnią 4.5:1 (pierwszy stopień), które zdecydowałem się wykorzystać w projekcie. Moduł został zaprojektowany w ten sposób, że w razie potrzeby możliwa jest wymiana części przekładni na inną (o innym przełożeniu). Część mechaniczna napędu to kilka frezowanych części aluminiowych, które skręcone są ze sobą tworząc „kanapkę”. Można wyróżnić trzy główne sekcje widoczne na rysunku poniżej, czyli sekcję przekładni, silnika i elektroniki sterującej.

Wszystkie elementy zostały wykonane na własnej roboty frezarce trzyosiowej. Byłem zmuszony do złożenia takiej maszyny na potrzeby tego projektu, ze względu na trudną dostępność do obrabiarek na uczelni. Jestem z niej bardzo zadowolony, ponieważ mogę bardzo szybko prototypować części w aluminium. Poniżej wrzucam kilka zdjęć frezowanych części napędu:

 

Timelapse z frezowania:

A tak wygląda sama maszyna:

Gotowy napęd waży ok. 210 g, jest w stanie wytworzyć 0.875 Nm momentu ciągłego (ograniczonego maksymalną temperaturą równą 65*C) lub 3 Nm momentu szczytowego (przez kilka sekund). Poniżej filmik demonstrujący działanie napędu w trybie tłumik-sprężyna (PD):

Zazwyczaj na nogę robota przypadają dwa lub trzy napędy. Ja wybrałem opcję z trzema napędami, tak aby każda noga miała duże pole robocze. W takiej konfiguracji jestem w stanie sterować stawem kolanowym, udowym i biodrowym. Napędy umieszczone są jak najbliżej wolno poruszającego się torsu, aby zmniejszyć momenty bezwładności kończyny, która dzięki temu może przyspieszać o wiele szybciej.

Niedawno skończyłem pierwsze testy kończyny na stanowisku z szyną liniową, gdzie noga może swobodnie poruszać w kierunku góra-dół. Założeniem było wykonywanie powtarzających się skoków, które znacznie obciążają przekładnie napędów, ale także części drukowane kończyny. Noga, którą zbudowałem waży ok. 800 g i jest w stanie podskoczyć na 15 cm mierząc 20 cm w wyprostowanej pozycji. Poniżej filmik z testu:

 

Całkowicie noga wykonała ponad tysiąc skoków, dzięki czemu mogę być spokojniejszy o wytrzymałość napędów (chociaż chciałbym również sprawdzić w jakich sytuacjach będę w stanie uszkodzić napędy - jednak ze względu na długi czas wykonywania części muszę się wstrzymać z testami destrukcyjnymi na razie  ).

Aktualnie pracuję nad zasilaniem robota i płytkami PCB znajdującymi się w korpusie. Robot najprawdopodobniej zasilany będzie z 8 ogniw li-ion w konfiguracji 4S2P. Bateria będzie umieszczona na samym dole korpusu, pod elektroniką sterującą.

 

Na elektronikę znajdującą się w torsie robota składają się moduły odpowiedzialne za dystrybucję zasilania do napędów oraz zasilania mikrokomputera (RPI), a także moduł będący nakładką na RPI, który wyposażony jest w moduł bezprzewodowej komunikacji, jednostkę IMU + magnetometr, oraz transceivery CANFD. Na renderach poniżej brakuje jeszcze płytki-nakładki na RPI:

Myślę, że tyle opisu na razie wystarczy  Starałem się wszystko opisać w miarę prostym językiem, więc wybaczcie skróty myślowe i bardzo pobieżne opisy niektórych tematów. Niestety większość z nich jest tak rozległa, że ciężko byłoby tutaj wszystko zawrzeć. Mimo to mam nadzieję, że opis przypadł Wam do gustu i jeśli macie jakieś pytania piszcie śmiało

Projekt dokumentuję dosyć aktywnie na Instagramie: https://www.instagram.com/klonyyy/

A trochę mniej aktywnie na Hackaday'u: https://hackaday.io/project/175753-wolfie

I moim blogu, na którym znajdziecie także krótki opis z budowy frezarki: https://pwwprojects.blogspot.com/

Pozdrawiam,

Piotrek

 

 

 

Edytowano Kwiecień 10, 2021 przez klonyyy

[deshipu]

Solidny kawał roboty. Śledzę go na Hackaday.io od jakiegoś czasu, i muszę powiedzieć, że takie projekty z jednej strony wywołują straszną satysfakcję z tego, że coś jest zrobione naprawdę porządnie, a jednocześnie zazdrość, bo wiem, że sam nigdy się na podobny projekt nie zamachnę.

Czy wiesz już jak będziesz go programował? ROS czy coś innego?

[Treker (Damian Szymański)]

@klonyyy dzięki za opis! Jeszcze raz gratuluję świetnego projektu - chętnie będę śledził aktualizacje!

[farmaceuta]

Ja Cie krece... czasem mi sie wydaje ze cos tam wiem na rozne tematy, ale taki watek odrazu mi przypomina ze nic nie wiem...

deshipu normalnie mi wyjales z ust ze..

47 minut temu, deshipu napisał:

 takie projekty z jednej strony wywołują straszną satysfakcję z tego, że coś jest zrobione naprawde porzadnie, a jednocześnie zazdrość, bo wiem, że sam nigdy się na podobny projekt nie zamachnę.

Gratuluje wiedzy, umiejetnosci i ambicji! tez bede z przyjemnoscia obserwowal postepy...

[Arczibalek]

Świetny projekt, świetne wykonanie, świetne demo, czekam z niecierpliwością na więcej.

Ciekawi mnie rozwiązanie równowagi, przy chodzie, biegu, nierównościach terenu, a w widzeniu może kiedyś pomoże SaraVision.

Gratulacje.

[klonyyy]

Dzięki za miłe słowa, cieszę się że projekt się podoba

@deshipu ROS jest niestety za wolny na sterowanie robotem na poziomie napędów, jednak jak najbardziej nadaje się do sterowania na wyższym poziomie tj. wizja, planowanie itp. Na razie planuję coś prostego opartego na prymitywnym przestawianiu nóg, takie chodzenie w pętli otwartej, jak już będę miał dopracowaną kinematykę i proste poruszanie się będę celował w coś bardziej zaawansowanego  Niestety RPI często nie wystarcza do realtime'owego rozwiązywania zagadnień optymalizacji jak np w algorytmie MPC, ale często prostsze algorytmy również fajnie dają sobie radę. 

[wn2001]

Tylko pogratulować - wykorzystanie silników BLDC robi wrażenie  Trzymam kciuki, już sam sposób rozwoju projektu i przemyślenie każdego szczegółu (+ilość testów) są imponujące!

 

8 godzin temu, klonyyy napisał:

Krótko mówiąc nie mogłem uniknąć konieczności stworzenia własnego sterownika.

Napisałbyś krótko, dlaczego? Nie ma takich modułów na rynku, czy żaden nie spełniał 100% wymogów projektu?

[matural]

Rewelacja, gratuluję. Widzę, że nie odpuściłeś tematu RoboPsa Troszeczkę ewaluował od czasów liceum.

[klonyyy]

@wn2001 jak zaczynałem tworzyć napędy nie było w sumie żadnych komercyjnych sterowników tego typu. Teraz jest tego trochę więcej, ale nadal są dosyć duże (przeznaczone do większych silników). Druga kwestia to to, że temat sterowania bezszczotkami zawsze mnie interesował, a nie ma nic lepszego do poznania tematu niż zrobienie swojego sterownika

@matural dzięki niedługo po tym projekcie zacząłem myśleć o trochę bardziej złożonym kroczącym i tak jakoś wyszło

 

 

[Sabre]

Zgadzam się z tym co napisał @deshipu w 100%. Jestem pod ogromnym wrażeniem tego co do tej pory zrobiłeś. Lubię takie projekty, które nie dość, że są przemyślanie na każdym etapie projektu, to jeszcze są testowane i wyciągasz odpowiednie wnioski.

To, że wyważasz otwarte drzwi projektując własne sterowniki, pokazuje jak dojrzałym projektantem jesteś. Wiem jak trudno dopasować coś gotowego do własnych potrzeb, wiem również ile pracy i wiedzy jest potrzebne, aby zrobić to samo samemu. Ale za to będzie to pasować do całości idealnie i będzie spełniało potrzeby Twojego urządzenia.

Czekam z niecierpliwością na dalszy postęp prac

[klonyyy]

Wczoraj udało mi się przenieść kinematykę korpusu robota do symulacji w PyBullet'cie włącznie z modelem robota opisanego przy pomocy pliku URDF. Poniżej krótki filmik ruchu robota w symulacji (3 translacje i 3 rotacje):

 

 

[klonyyy]

Ostatnio pracowałem nad płytkami PCB do tzw. powerboarda (który załącza zasilanie napędów, plus odpowiada za izolację galwaniczną pomiarów i izolowane zasilanie części sterującej) oraz nakładki na RPI, która służy jako przejściówka SPI<>CANFD, zawiera IMU + magnetometr oraz moduł komunikacji bezprzewodowej). Poniżej kilka screenów modeli 3D płytek:

Control board (nakładka na RPI):

Dolna płytka powerboard'a (bez izolacji):

opcjonalny moduł izolacji wtykany na płytkę podstawową:

Płytki niedługo trafią do wykonania, a ja w tym czasie, w weekendy, frezuję kolejne części do modułów: 

Reszta materiału po frezowaniu części widocznych powyżej zostaje wykorzystana na część dystansującą (część znajdująca się na środku zdjęcia poniżej), tak aby powstało jak najmniej odpadu. Sam materiał to plastry walca aluminiowego PA6 (średnica 140mm). 

Samo frezowanie zajmuje dużo czasu, jednak jest to fajna odskocznia od pracy przy komputerze

 

Edytowano Kwiecień 27, 2021 przez klonyyy

[klonyyy]

Aktualnie skończyłem frezowanie wszystkich elementów i powoli przymierzam się do składania pozostałych dziewięciu napędów. Pozostały mi do zrobienia przeróbki samych silników, umieszczenie łożysk w frezowanych elementach, oraz przygotowanie płytek PCB. Jednocześnie działam trochę nad korpusem robota drukując kolejne części. Niestety na chwilę obecną globalne braki elementów elektronicznych nie pozwalają mi na przygotowanie izolowanej galwanicznie wersji płyt zasilania i sterowania, więc początkowo będzie to standardowa konfiguracja na nieizolowanych układach (na co na szczęście się przygotowałem ;P) 

A teraz przyjemniejsza część czyli kilka fotek: 

wyfrezowane części:

materiał z którego zostały wykonane (ok. 5.5kg aluminium PA6):

a po wycięciu części zostało mniej więcej tyle: 

i kilka fotek z czasu frezowania:

na koniec statory silników i mój sposób na pozbycie się oryginalnego mocowania: 

Kolejne kroki to przygotowanie płytek znajdujących się w torsie robota, oraz drukowanie części korpusu

(niestety niektóre zdjęcia wydają się same obracać więc wybaczcie jak są nienaturalnie obrócone) 

 

 

Edytowano Czerwiec 15, 2021 przez klonyyy

[klonyyy]

Hej, 

tym razem obrazkowy przewodnik po etapach składania prototypowego robota (kilka części będzie wymagać modyfikacji, więc nie jest to ostateczna wersja):

Najpierw przygotowane części do napędów:

    - statory zdjęte z oryginalnego mocowania, każdy z doklejonym termistorem

    - rotory w których wyfrezowane zostały cztery kieszenie w celu redukcji masy

    - części frezowane w które zostały wciśnięte łożyska/piny/zębatka centralna przekładni planetarnej

    - płytki kontrolera silnika bezszczotkowego

Następnie napędy biodra zamocowane w obudowie torsu robota - jak widać na tym etapie nie było jeszcze przygotowanych przewodów od zasilania i magistrali FDCAN. 

 

Tutaj z kolei tors z zamocowanymi napędami od biodra i uda, wraz z poprowadzonymi przewodami: 

Oraz sposób umieszczenia akumulatora w torsie (widok od spodu):

akumulator nadal jest tylko testowy, złożony ze starych ogniw laptopowych, najprawdopodobniej niedługo będę zaopatrywał się w ogniwa wysokoprądowe do ostatecznej wersji akumulatora.

Jako ostatnie zdjęcie z dwoma ukończonymi nogami:

Do ukończenia zostało jeszcze sporo detali, ale powoli robot zaczyna przypominać czworonoga  

Plan na najbliższy czas to dokończenie konstrukcji prototypu i uruchomienie kinematyki korpusu widocznej na filmiku, który wrzucałem kilka postów wcześniej. Na razie niestety ograniczają mnie braki w komponentach i zmiany w przepisach paczek spoza UE, przez co płytki PCB idą już do mnie ponad miesiąc i na razie nie wygląda, że szybko do mnie trafią, więc aktualnie ruchy robota testuję przy użyciu przejściówki USB<>FDCAN i skryptu pythona. 

Dla zainteresowanych projektem w niedzielę 1 sierpnia o 21:00 czasu polskiego będę przedstawiał krótką prezentację o robocie, w związku wydarzeniem Reddita z kanału r/Robotics. Więcej informacji jak i opisy innych projektów znajdziecie tutaj: https://redditroboticsshowcase.wordpress.com/2021/07/02/sunday-august-1st/ 

Jeśli macie Instagrama możecie śledzić bardziej szczegółowe postępy również tam, które często wrzucam w formie stories'ów (zajmuje to najmniej czasu a pozwala późnej złożyć fajną historię/przebieg budowy w formie chronologicznie ułożonych zdjęć ). Link do profilu znajdziecie tutaj: https://www.instagram.com/klonyyy/ 

Edytowano Lipiec 18, 2021 przez klonyyy

[klonyyy]

Hej, 

zgodnie z planem udało mi się uruchomić na czas demo kinematyki korpusu robota. Poniżej krótki filmik ze sterowania robotem przy użyciu pada od PlayStation. Niestety płytki PCB głównego sterownika nie dotarły do mnie na czas, więc demo stworzone jest przy użyciu przejściówki USB<>FDCAN:

Niedawno odbył się także "showcase" z Reddita, podczas którego przedstawiłem krótką prezentację o robocie, więc jeśli nie uczestniczyliście na żywo wrzucam link do wydarzenia:  https://www.youtube.com/watch?v=HLFfAnheun8&t=5019s&ab_channel=theredditroboticsshowcase . Polecam także obejrzeć inne projekty kroczące, a w szczególności pierwszą prezentację członka zespołu tworzącego HyQ na IIT. 

Na koniec podrzucam kilka fotek robota: