Kroczący Skarabeusz

[KD93]

Skarabeusz - robot kroczący typu hexapod, napędzany jest 12 serwami. Dwa serwa na nogę pozwalają na wysterowanie każdej nogi z osobna w dużym zakresie.

Spośród innych robotów tego wyróżniają go przede wszystkim jego małe wymiary i to właśnie było głównym założeniem przy jego budowie. Dodatkowo jako jeden z nielicznych robotów 6 nożnych jest całkowicie bezprzewodowy, zasilany z akumulatora umieszczonego w robocie. Spowodowało to szereg trudności przy budowie, ale nie żałuję tego rozwiązania, bo mogę się dzięki niemu wykazać czymś oryginalnym.

Dane techniczne

- wymiary: ok 240x200x100mm* (bez wąsów)

- waga ok. 400-500g

- 12 mikro serwomechanizmów modelarskich

- procesor ATmega168 20MHz

- materiał: pleksi 4mm, łączenia śrubkami, tulejkami i klejem

- komunikacja radiowa z dedykowanego pilota

- możliwość modułowego montażu czujnika

- zasilanie: pakiet li-po E-sky 7,4V 800mAh

*zależne od wychylenia nóg, tu podane w trakcie stania robota

Pomysł, projekt

Pomysł na budowę nowego robota pojawił się już z początkiem roku. Po męczących bataliach z line followerami zdecydowałem, że zbuduję coś zupełnie innego. Hexapod wydawał się trudnym wyzwaniem, ale przy pewnej dozie szczęścia osiągalnym. Udało mi się zaoszczędzić taką ilość środków, że nie musiałem się obawiać że zabraknie funduszy (co miało się po czasie zmienić). Nie chciałem jednak, żeby był to kolejny "zwykły" robot kroczący - to i kilka innych argumentów, jak np. ceny serw, zadecydowały że będzie to robot o małych wymiarach. Pozostała kwestia doboru ilości serwomechanizmów: 12 czy 18? Zdecydowałem się na 12 z kilku przyczyn: prościej, taniej oraz nie potrzeba dodatkowego serwokontrolera (mało miejsca w robocie), a jedyne ograniczenie to brak możliwości chodu do boku. Trudno, może kiedyś...

Jako materiał wybrałem pleksi, ponieważ jest łatwo osiągalny, lekki, w miarę sztywny, tani i dużo osób z niego korzysta. Grubość 4mm. Pleksi chyba najłatwiej obrabia się laserem, a w przypadku gdy potrzebujemy identycznych części dla 6 nóg jest to sposób niemal idealny, i jak się okazało bardzo tani.

Pierwszą fazą pracy nad robotem był jego projekt wykonany w programie CAD - Solid Edge. Do projektowania w CADzie cały czas zachęcał mnie Bobby, ale okazało się to raczej koniecznością. Ma to wiele zalet - pozwala uniknąć wielu błędów już przy fazie projektowania, ma się na bieżąco podgląd robota, wiec nie ma zdziwienia po złożeniu robota "w realu". Tak więc projekt składał się z kilku części: górnej i dolnej części korpusu, łączników serw obrotu z serwami podnoszenia i dwuczęściowych nóg. Dodatkowo było potrzebne wymodelowanie akumulatora, serw, tulejek dystansowych i kilku innych szczegółów. Z gotowego projektu wyeksportowałem potrzebne części do rysunku, a później do pliku który wysłałem do firmy.

Dzięki projektowi i laserowemu cięciu części nie miałem praktycznie żadnych problemów przy montażu, może oprócz wkręcania wkrętów (po nagrzaniu wkręta wchodzi bardzo prosto i trzyma dobrze). Dużo otworków było tylko "napunktowanych" laserem (d=1mm), a następnie rozwierconych wiertarką. Robot był identyczny z projektem - nie spodziewałem się że ten etap pójdzie tak łatwo.

Niestety, na skutek pewnych niedogodności związanych z korzystaniem z programów komercyjnych, projekt przepadł (całe szczęście nie był mi już potrzebny). Pozostał mi jeden jedyny screen, w dodatku w marnej jakości.

Mechanika, Napęd

Tak jak już pisałem, obudowa zrobiona jest z 4mm pleksy ciętej laserowo. Użyte serwa to HXT900 - są tanie i można do nich dokupić zapasowe tryby za 5zł, niestety cena w tym przypadku idzie w parze z jakością. Póki działają to dobrze, ale cały czas mam wrażenie że któreś posypie się w najmniej odpowiednim momencie. Są one albo wkręcane do obudowy, albo do niej klejone - połączenie klejone trzyma bardzo dobrze, próba oderwania serwa zakończyła się złamaniem elementu z pleksi. 6 serw służy do obracania nóg, a następne 6 do ich ruchu góra/dół. Nogi zostały rozmieszczone po 3 z każdej strony robota. Nogi składają się z dwóch części skręconych przez tulejki dystansowe w celu wyśrodkowania punktów podparcia w osi robota. Części są przymocowane do orczyków również przy pomocy wkrętów odpowiednio przyciętych by nie wystawały. Niestety orczyki mają nieco luzów na wałku serwa, przez co konstrukcja jest nieco giętka, ale stabilna.

Nogi nie posiadają żadnych antypoślizgowych nakładek, co prawda poprawiłoby to jego chód, ale utrudniło jednocześnie takie ruchy jak podnoszenie, opadanie czy nachylenia - pamiętajmy, że robot ma 12 serw i wykonywanie takich ruchów jest możliwe dzięki pewnemu poślizgowi nóg. Gdybym próbował je robić z nakładkami mógłbym uszkodzić serwa.

Elektronika

Najpierw dlaczego ATmega168: duże taktowanie, duża ilość pamięci flash i wystarczająca ilość pinów I/O wykorzystanych praktycznie maksymalnie , przez co niepotrzebnie nie komplikuję układu.

Elektronika przysporzyła dość dużo problemów przy budowie. Pierwszy problem był taki, że płytka nie mogła przekroczyć 85x60mm, a miał się na niej znaleźć procesor z peryferiami, dwa stabilizatory, jakieś przyciski, diody, wyjście dla czujnika, modułu radiowego, UART i zasilania do programowania, kondensatory do filtrowania oraz wyprowadzenia dla 12 serw, każde po 3 piny. Oczywistą sprawą jest, że musiała być dwustronna, ale na szczęście miałem już trochę wprawy przy robieniu takich płytek przy "Bajtlu". Po długich i monotonnych godzinach spędzonych przy kompie udało mi się płytkę dokończyć. Po zrobieniu i polutowaniu wyglądała tak:

Reszta elementów jest po drugiej stronie płytki. Przewody są podpięte do resetu i służą wgraniu bootloadera (reszta wyprowadzeń programowania ISP na wyjściach dla serw). Za jednym zamachem popełniłem czujnik, który nie zadziałał a w dodatku nie wpasowywał się ostatecznie do robota. Powstała druga wersja czujnika, której nie udało mi się uruchomić po dziś dzień 😳 Na płytce znalazło się kilka błędów, głównie przez moją nieuwagę, dlatego kilka ścieżek zostało przeciętych i poprowadzonych "na przewodach" - taki urok prototypów. Nie wygląda źle, a póki działa nie widzę potrzeby robienia nowej płytki.

Zasilanie

Chyba najbardziej kłopotliwe zagadnienie przy budowie. Źródłem jest akumulatorek li-po, ponieważ ma bardzo dużą wydajność prądową, przy czym jest lekki i mały. Serwa rozstawiałem tak, żeby mieścił się między nimi i nie trzeba go było dodatkowo mocować. Ponieważ serwa stwarzają duże zakłócenia w robocie, potrzebne było użycie dwóch stabilizatorów LDO - LM2940 w SMD wlutowany w płytkę oraz LM1084, wyprowadzony na przewodach. Duże zużycie prądu (podczas chodu 2,5A) wymusiło użycie dużego (jak na takiego robota) radiatora z wentylatorkiem, czego nie przewidziałem w projekcie. Bez wentylatorka radiator w 2min miał ponad 100st, co w przypadku robota z pleksy nie jest najlepszym rozwiązaniem. Udało mi się je dość dobrze ulokować z tyłu robota, przez co nie "straszą". Akumulatorek wystarcza na około 20 minut ciągłego chodu - przy oszczędnym użytkowaniu 30min. Nie dużo, ale pamiętajmy że modele RC mają nie więcej, więc nie załamuje mnie to. I pomyśleć, że te wszystkie problemy można pominąć, stosując zasilacz...

Program

Ponieważ znam tylko język BASCOM, to wyboru zbyt dużego nie miałem. Do procesora został wgrany bootloader, dzięki czemu mogę programować przy użyciu 4 pinów zamiast 6 - wbrew pozorom na takiej płytce jak moja to bardzo wielkie udogodnienie. Bardzo trudnym zagadnieniem przy budowie robota na tylu serwach jest ich wypozycjonowanie - od tego zależy stabilność chodu, to czy robot chodzi prosto, czy nie jest pochylony. Zaryzykuję stwierdzenie, że jest to równie trudne zagadnienie jak dobór współczynników w PID'zie - poprawiam to od początku istnienia robota, jest coraz lepiej ale ciągle wydaje mi się że to nie są idealne ustawienia.

Może zwróciłeś Czytelniku uwagę na moje stwierdzenie na początku, że przy użyciu 12 serw nie potrzebuję dodatkowego serwokontrolera. Tak, wszystkie serwa są sterowane wspaniałą bascomową funkcją Config Servos! Nie napotkałem z nią najmniejszych problemów, a serwa można ustawiać z dużą rozdzielczością. To proste i skuteczne rozwiązanie ma wg mnie tylko jedną wadę: obsługuje do 16 serw - to jest jeden z głównych powodów dlaczego mój robot nie ma ich 18.

O programie na razie nie ma zbytnio co pisać: nie ma kinematyki (jeszcze 😅), wychylenia działają na zasadzie wczytywania odpowiednich wartości dla serw, możliwa jest zmiana prędkości działania robota i jego maksymalnych wychyleń przy pomocy stałych definiowanych na początku programu. Praktycznie cały program to skoki pomiędzy poszczególnymi podprogramami, co nieco ułatwia pracę bo można poszczególne poprawiać i edytować bez obaw o całość działania programu.

Program zajmuje na razie 70% pamięci flash, ale duża w tym zasługa tego że nie dbałem zbytnio przy pisaniu o jego optymalizację. W zamyśle mam całkiem nową koncepcję algorytmu, która powinna zająć dużo mniej pamięci.

Robot porusza się chodem 3-podporowym.

Czujniki

Projekt przewidywał użycie czujnika optycznego na osobnym procesorze, mającego 3 diody nadawcze co pozwalałoby na obserwację otoczenia szerzej niż w przypadku powiedzmy Sharpów, a przy czym taniej. taki czujnik można będzie dodatkowo dopasować do własnych potrzeb.

Ponieważ czujnika jeszcze nie uruchomiłem, a na zawody w Łodzi chciałem już mieć jakieś czujniki, wykorzystałem te najprostsze - krańcówki. Dlatego robocik ma teraz osobliwe "wąsy". Przedłużenia wykonałem z pręcików węglowych - jest to materiał idealny do tego zastosowania, bardzo giętki a nie odkształcający się, tani (2,50zł/m) i łatwy do nabycia w sklepach modelarskich. Przyznaję z bólem, że podpatrzyłem to rozwiązanie z robota Hexor II. Jeżeli komuś nie po drodze do modelarskiego, to takie pręciki używane są jako kile w spławikach wędkarskich, z tym że niestety koszt najtańszych spławików z węglowym kilem to 3-4zł/szt.

Sterowanie

Czyli jak zrobić żeby robot nie był robotem. Przeczytać świetny artykuł Elvisa, kupić tanie moduły HM-T868S i HM-R868S (ich dodatkową zaletą jest to, że są bardzo małe i bez problemu mieszczą się w moim robocie) i przeprowadzić transmisję.

Nadajnik zabudowałem w pilocie, który zbudowałem specjalnie po robota. Steruje nim ATmega88, posiada 9 przycisków (5 do ruchu i 4 jako dodatkowe opcje) oraz potencjometr do regulacji prędkości (jeszcze nie uruchomiłem tej funkcji). Zasilany jest z 4 akumulatorków AA. Zabudowany został w kupionej obudowie, którą krzywo powierciłem (ale parszywie się w tym wierci...). Płytka drukowana również dwustronna, wklejona na... hot glue. Po skręceniu hot glue nie widać, myślę że pilot broni się estetyką dość dobrze.

I wyjaśnijmy sobie jedną sprawę. Futerko nie ma konkretnych zastosowań, górny pasek maskuje otwór po cięciu obudowy pod miejsce na koszyk z bateriami, a te po bokach są ponieważ przyjemniej mi się trzyma niż goły plastik. Można je prosto odkleić, dlatego nie chciałbym aby ktoś oceniał robota pod kątem futerka na pilocie.

Koszty

No i najsmutniejsza kwestia. Podliczeń dokładnych nie zrobię, na robota wydałem dużo. Bez zgromadzenia 500zł nie ma się co zabierać za takie konstrukcje, no chyba że chce się odkładać projekt na półkę z powodu braku kasy. Tak, mogłem zaoszczędzić kupując serwa na HobbyKing, ale nie chciałem ryzykować pierwszym razem.

-13 serw (jedno na zapas) + komplety naprawcze + wysyłki - 250zł

-pleksa + cięcie - 50zł (w innej firmie zaoferowali mi.... 200zł 🤯)

-części elektroniczne - 200-250zł

-wentylatorek - 30zł (był bardzo drogi ale nie miałem wyboru)

-różne śrubki, kleje, inne pier... drobiazgi - 150zł

-akku li-po z ładowarką już miałem, ale gdyby kupować: akku 30zł, ładowarka 30zł, zasilacz 20zł.

Dodatkowo zaszalałem i dla uprzyjemnienia sobie pracy zakupiłem lutownicę Hot Air, koszt 300zł + pasta za 40zł. I jeszcze w końcu starego laptopa za 200zł na zawody. Ale to nie jest jednorazowa inwestycja.

Przyszłość

Uważam robota za rozwojowego. Oprócz stałego ulepszania kodu aż do kinematyki mam jeszcze pomysły na dodatkowe moduły i funkcje. Update'y będę zamieszczał w tym poście, a informował w temacie. Ponieważ mocowanie serw jest dość kłopotliwe, ich wymiana wiązałaby się z nową obudową (to na szczęście jest tanie), dla której musiałbym robić projekt w CAD'zie od początku - póki co o tym nie myślę.

Podsumowanie

Żaden robot dotychczas nie dostarczył mi tyle radości przy tworzeniu. Było to dla mnie dużym wyzwaniem, ale uważam że cel osiągnąłem. Poprzednie roboty działały, ten... żyje 😉 Jestem z niego bardzo zadowolony i uważam go za w pełni udaną konstrukcję. Pisanie programu to dla mnie świetna zabawa, bo to tak jakby go uczyć.

Robot wystartował na zawodach w Łodzi, gdzie zajął niestety ostatnie 5 miejsce, ale cieszył się dużym zainteresowaniem, szczególnie dzieci (chociaż niektóre się go bały).

Jeżeli ktoś dotarł do szczęśliwego końca moich wypocin, to wyjaśniam czemu tyle tego: żeby ograniczyć jak najbardziej ilość niepotrzebnych pytań w temacie. Jeżeli coś pominąłem, to proszę pisać, jednakże zastrzegam sobie prawo do niektórych tajemnic :-> Nie będę owijał w bawełnę, nie chciałbym aby ten projekt był kopiowany i zasypały nas mini hexapody na 12 serwach, bo spędziłem nad nim naprawdę dużo czasu, wydałem na niego dużo pieniędzy, nie należał do prostych i wydaje mi się że zachowanie pewnych informacji i projektów dla siebie nie zostanie odebrane źle.

I na koniec bardzo ładne zdjęcie z zawodów w Łodzi, które znalazło się w jednej z galerii na Interii.

UPDATE #1

14.11.2010

Robocik zajął 3 miejsce na zawodach Robotic Arena 2010. Dziękuję za wszystkie oddane głosy.

[OldSkull]

Muszę przyznać, że robot wyszedł Ci bardzo dobrze, jedyne, czego brakuje, to... kółek 😉 Byłby z niego ciekawy rolkarz.

Nie myślałeś o zastosowaniu stabilizatora impulsowego? Może i sam stabilizator wyszedłby drożej, ale jaka oszcządność na akumulatorze i wentylatorze. Np. na LM2576 + dławik z zapasem prądu i 2.5A nie byłoby straszne. A Hobbycity się nie bój. Zdaje się, że w razie czego przez paypala można zażądać zwrotu pieniędzy, więc jakieś zabezpieczenie jest.

[Bobby]

No, porządny opis, naprawdę. Fajnie, że praktycznie od początku mogłem śledzić projekt (chociaż musiałem na początku info na siłę wyciągać 😋 ), i fajnie, że udało mi się przekonać cię do kilku spraw, jak nauczenie się tego CADa i nie wiem czy to przy tym projekcie, do używania bootloadera, fajna sprawa. Do pełni szczęścia brakuje tylko czernionych śrubek i czarnych tulejek 😃

[mog123]

Zabezpieczenie przed rozładowaniem aku, oczywiście zrobiłeś?🙂

Fajnie wygląda, mimo iż nie ma kinematyki, to chód spoko 😉

Całość zostawia pozytywne wrażenie.

[Polecacz 101]

Produkcja i montaż PCB - wybierz sprawdzone PCBWay!
   • Darmowe płytki dla studentów i projektów non-profit
   • Tylko 5$ za 10 prototypów PCB w 24 godziny
   • Usługa projektowania PCB na zlecenie
   • Montaż PCB od 30$ + bezpłatna dostawa i szablony
   • Darmowe narzędzie do podglądu plików Gerber
Zobacz również » Film z fabryki PCBWay

[KD93]

Co do rozładowywania to kwestia jest dość ciekawa. Bo jest diodka która sygnalizuje spadek napięcia na akku poniżej 6,5V. Tyle że jak spanie poniżej 7V to robot zaczyna się resetować i w zasadzie leży i nie potrafi wstać. Więc praktycznie nie jest możliwe rozładowanie akumulatorka ponad miarę.

[agrala]

Mam tylko jedno pytanie - dlaczego ostanie miejsce?

Bardzo ładny robocik, super opis, filmik rewelacja (aż 3 razy go obejżałałem).

Stawiam piwko 😅

[Sabre]

KD93, gratuluję naprawdę niezłej konstrukcji, co do zasilania to wystarczyło użyć jednego małego scalaka w obudowie SO8 plus dławik i miałbyś przetwornicę, która nawet nie jest ciepła i daje 3A na wyjściu.

[KD93]

Co do przetwornicy, rzeczywiście będę o tym myślał. Stabilizator wydawał się najłatwiejszym rozwiązaniem, ale jak widać nie nadaje się zbytnio do tego robota. "Pobawię" się z nim jeszcze kilka tygodni, jak nie znajdę innych błędów to chyba przeprojektuję tą płytkę.

[Mihau]

Doklej mu oczy!

Robocik świetny, filmik świetny, miejsce niesprawiedliwe, ale temat przerabiany już 😉

Mógłbyś podać jakieś namiary ta tą firmę, w której ciąłeś plexi?

[TIMONek]

Pleksi możesz ciąć w prawie każdej firmie, która tworzy materiały reklamowe. My np. korzystaliśmy z www.multipoint.pl - ale oni raczej nie bawią się w przesyłkę. Co ważne, bez materiału wycięcie takiego robota to koszt pewnie ok 50zł.

[profesorek_96]

Z swojej strony pragnę pochwalić całego robota jak i pcb, które wygląda bardzo ładnie? Do cynowania płytki użyłeś preparatu do bez prągowego cynowania czy robiłeś to ręcznie? Pcb fotochemiczne czy termotransfer?

[xls]

Gratulacje 🙂

Widzę, że ród robali rośnie na diodzie 🙂

Ładna i udana konstrukcja.

[flamasterka]

Śliczny jest !! 🙂))) Kształt nóżek, obudowa, płynne ruchy, wygibańce. Naprawdę świetna robota robota:)))))) Ale muszę przyznać, że film winduje prezentacje na jeszcze wyższy poziom:)))) Predator normalnie:)

Super KD93! Gratulacje:))) Pękłabym z dumy gdybym umiala takiego zbudować. Więc pękaj tam śmiało:)

[mog123]

Co do rozładowywania to kwestia jest dość ciekawa. Bo jest diodka która sygnalizuje spadek napięcia na akku poniżej 6,5V. Tyle że jak spanie poniżej 7V to robot zaczyna się resetować i w zasadzie leży i nie potrafi wstać. Więc praktycznie nie jest możliwe rozładowanie akumulatorka ponad miarę.

Bo stabilizator liniowy jest do kitu. działa od 7V. Myślałeś nad zastąpieniem go czymś? Strasznie skracasz pracę na jednej baterii przez to.

[KD93]

bez materiału wycięcie takiego robota to koszt pewnie ok 50zł

W moim przypadku 40zł netto z materiałem, ale ostatecznie zapłaciłem 40zł.

Do cynowania płytki użyłeś preparatu do bez prągowego cynowania czy robiłeś to ręcznie? Pcb fotochemiczne czy termotransfer?

Cynowałem ręcznie. Metoda żelazkowa.

Myślałeś nad zastąpieniem go czymś?

Dotychczas nie, ale zaczyna mi on już przeszkadzać. Problemem u mnie jest to że nigdy nie bawiłem się z przetwornicami, więc muszę najpierw się zorientować co i jak. Przy zmianie płytki będzie to zmienione na 100%, tym bardziej że koszty wcale nie wyjdą dużo większe (o ile wogóle), ponieważ tak jak pisałem wentylatorek jest dość drogi.

Dodatkowo muszę ulepszyć przełącznik, po zrobiłem raster pod który przełączniki są tylko na TME (nie spodziewałem się że nie dostanę w elektroniku), w związku z czym jeden rozsypałem i teraz jest załączanie jumperkiem. Nie wiedziałem również że nie da się programować przy pomocy bootloadera z podłączonym modułem radiowym - to także będzie zmienione, bo każdorazowe wyjmowanie modułu z ciasnej obudowy jest niewygodne.