Robot na napędem na 4 koła

Jesień za oknem. Szare niebo i deszcz skłoniły mnie do zrobienia czegoś ciekawego. Czegoś co sprawi radość innym. Zbudowałem robota dla mojego 3-letniego syna.

Jest to prosty robot z napędem na 4 koła z możliwością dalszej rozbudowy o dodatkowe czujniki i mechanizmy. Pojazd musi być ładny, bo tylko ładne roboty trafiają do robo-nieba po tym jak 3-latek skończy się nimi bawić. Całością steruje płytka BBC micro:bit. Wybrałem ją, ponieważ łatwo się ją programuje, można nią sterować przez radio NRF24 oraz Bluetooth. W grę wchodzą więc funkcje autonomiczne oraz zdalne sterowanie.

Elementy konstrukcyjne robota

Mogę śmiało stwierdzić, że każdy zna klocki LEGO. Niektórzy z Was zapewne znają metalowe elementy konstrukcyjne Meccano. Dziś chciałbym przedstawić Tobie kolejne osiągnięcie w tej dziedzinie – system profili MakerBeam.

MakerBeam bazuje na odpowiednio wyprofilowanych belkach aluminiowych o przekroju 10x10mm. Belka taka na całej długości, z każdej z 4 stron posiada rowki do których można wsunąć śrubkę i w ten sposób coś do niej przykręcić.

W moim odczuciu MakerBeam to najlepszy sposób na stworzenie solidnej i sztywnej ramy do której można zamontować masę osprzętu praktycznie w dowolnym miejscu. Z systemem MakerBeam zbudowałem do tej pory kilkanaście robotów i odkąd zacząłem go używać, budowanie na gotowych podwoziach strasznie mnie ogranicza. MakerBeam daje mi możliwość zbudowania unikalnej konstrukcji. Dokładnie za to samo kocham wspomniane klocki LEGO na których się wychowałem.

Ja swoją przygodę z systemem MakerBeam rozpocząłem od zakupu zestawu startowego. Jeżeli chcesz przetestować system warto kupić zestaw próbek. W Nettigo rozumiemy, że nie zawsze potrzebujesz tak dużych zestawów, dlatego belki i łączniki sprzedajemy również na sztuki.

W tym systemie nic się nie marnuje. I jak mawia Rocky z Psiego Patrolu: “Nie wyrzucaj, wykorzystaj!” I chociaż MakerBeam wcale nie ma niskiej ceny, to w ostatecznym rozrachunku jest i tak tańszy od innych systemów. Po prostu te same elementy można wykorzystać wielokrotnie. Dla mnie równie ważny jest fakt, że budowanie bez z góry narzuconej instrukcji wspomaga proces twórczy i zachęca do eksperymentowania.

Jeżeli na etapie budowy stwierdzisz, że całość jest “do kitu” to konstrukcję możesz rozebrać lub przebudować. Gdy zmieni się koncepcja, wymienisz jedne elementy na drugie. Potrzeba wydłużyć ramę robota? Nie ma problemu! Kilka śrubek odkręcamy, podmieniamy profile na dłuższe i zrobione.

Układ napędowy – niebieskie silniki TT-motor

Użyłem silników z przekładniami 1:90 w standardzie TT-motor. Dzięki wbudowanej przekładni koło napędowe, będzie obracało się 90 razy wolniej niż oś silnika. Zyskamy w ten sposób 90 razy większą siłę (moment obrotowy). Dostępne są też tańsze żółte silniki z przekładnią 1:48 i plastikowymi trybami. Robot jeździłby na nich szybciej, ale miał mniejszy moment obrotowy. A w terenowych konstrukcjach 4×4 wysoki moment obrotowy jest kluczowy.

Zauważ, że obudowy silników TT-motor posiadają 2 otwory. Do montażu silników do belek użyjemy bardzo eleganckiej metody. Do mocowania jednego silnika wystarczą 2 śruby 25mm z kwadratowymi główkami i 2 nakrętki.

Wsuwamy śruby do rowka w profilu, przewlekamy przez otwory w obudowie silnika i dokręcamy. Taki montaż daje nam swobodę przesuwania silnika w dowolne miejsce. Odpowiednie rozmieszczenie kół ma kluczowe znaczenie dla stabilności pojazdu.

Podwozie

Mój robot, składa się z 4 belek o długości 10 cm. Jeśli chcesz możesz użyć dłuższych. Ja chciałem, żeby mój robot miał rozmiary wygodne dla dziecka.

Budowę zaczynamy od przykręcenia silników do 2 belek. Przykręcamy je tak aby znalazły się na końcach profilu.

Następnie używając tulejek/nakrętek dystansowych F-F (10 mm lub 12 mm) i standardowych śrub montujemy sterownik Kitronik All-in-one Robotics bo góry belek. Belki następnie łączymy łącznikami kątowymi równoramiennymi.

Koła

W robocie użyłem kół 65/25mm z gumowymi oponami. Niebieskie silniki TT-motor mają metalową oś z wewnętrznym gwintem M3. Jeżeli w projekcie używam tych silników, to żółtą felgę koła nieco modyfikuję aby skorzystać z obecności tego gwintu. Po środku żółtej felgi wiercę dziurę przelotową oraz, skracam ośkę felgi od środka o jakieś 0.5 mm (papierem ściernym na drewnianym bloku). Całość po założeniu dokręcam śrubą M3x25mm. Tak zabezpieczone koła na pewno nie spadną, a skrócona ośka felgi po dociśnięciu śrubą nie będzie ocierać o korpus przekładni silnika.

Zasilanie

Robota zasilimy akumulatorami w formacie 18650. Będą to dwa ogniwa Panasonic NCR18650B o pojemności 3400 mAh każde. Mogę śmiało polecić te ogniwa do małych robotów. Wybrałem je ze względu na dużą pojemność i większe bezpieczeństwo. Zapewniają one prąd o wartości do 6 A. W razie zwarcia zmniejsza to ryzyko przypadkowego zespawania elementów. Robot wymaga prądu o natężeniu 4A, więc takie ogniwa są wystarczające.

Dlaczego akumulatory a nie baterie? Baterie po wyczerpaniu trzeba wyrzucić. Ogniwa mają znacznie większą pojemność i można je ładować kilkaset razy.

Akumulatory umieszczamy w łatwym do montażu koszyku na 2 ogniwa. Jego otwory montażowe umieszczone są pod akumulatorem, dlatego użyłem śrubek podtaczanych i nakrętek teowych. Ale jako, że nie każdy ma nakrętki teowe, do montażu można użyć koszyk na 3 ogniwa i środkową lub skrajną komorę przeznaczyć jako miejsce na nakrętki. W ten sposób nie będą one zawadzały o ogniwo. Poniżej na zdjęciu prezentuję wykorzystanie dodatkowego, nieużywanego środkowego pojemnika jako miejsca do przykręcenia.

Kolejnym sposobem montażu jest użycie dodatkowych łączników. Kwadratowe główki krótkich śrub są w miarę płaskie i pomimo tego, że odstają wewnątrz komory koszyka, to ogniwo nadal siedzi w nim dość pewnie. W każdym razie podczas jazdy nie wypada. Nie testowałem tego sposobu przy większych kraksach.

W moim robocie całość prezentuje się następująco:

Silniki należy zasilić napięciem wyższym niż 3.7V. By takie uzyskać należy połączyć ogniwa akumulatorków w koszyku w połączenie szeregowe. Zwróć uwagę że (-) jednego ogniwa połączony jest z (+) kolejnego. W ten sposób uzyskujemy pakiet szeregowy (2S). W wyniku tego zabiegu napięcie znamionowe rośnie nam dwukrotnie i otrzymujemy 7,4 V (przy pełnym naładowaniu 8,4V). Diagram połączeń prezentuje się następująco:

Przerabiając podłączenie koszyka odlutowałem fabryczne przewody i przylutowałem nowe, ale równie dobrze można je połączyć złączką śrubową, czy spinką WAGO. Takie łączenie złączkami nie jest zbyt eleganckie – ale działa.

Zasilanie podłączamy do sterownika silników. W moim projekcie nie ma wyłącznika, który w razie potrzeby wyłączy robota. W czasie budowy nie miałem go pod ręką. W tej roli MTS102 lub MTS103 sprawdzi się doskonale. Aby go zamontować do ramy trzeba rozwiercić dziurę do 6 mm w jednym z łączników. Ja postanowiłem użyć do tego łącznika 45 stopni. A do rozwiercenia otworu użyłem wiertła stopniowego i wkrętarki. Łącznik warto wcześniej przykręcić do belki – znacząco ułatwia to proces wiercenia.

Podłączenie silników

Sterownik Kitronika All-in-one Robotics jest czaderski! Bez problemu można do niego podłączyć 4 konwencjonalne silniki (lub 2 krokowe) i 8 serwomechanizmów. Więc starczy na ramię manipulatora, szczypce lub podnośnik.

Przewody lutujemy z jednej strony do silników. Zabezpieczamy je opaską zaciskową (trytytką), by były odporne na drgania i przypadkowe szarpnięcia. Z drugiej stony przykręcamy je do zacisków śrubowych sterownika.

Podłączamy je do zacisków sterownika w kolejności:

  • MOTOR1 – Lewy górny
  • MOTOR2 – Prawy górny
  • MOTOR3 – Lewy dolny
  • MOTOR4 – Prawy dolny

Programowanie – MakeCode lub Micro Python

Do programowania używam edytora MakeCode. Pozwala budować program z gotowych klocków bez konieczności wpisywania komend i uczenia się języków programowania. Aby sterować silnikami, wyszukujemy i dodajemy rozszerzenie o nazwie kitronik-robotics-board (lub wpisujemy 5641).

Robota można też programować w języku MicroPython. Przykładowy kod znajdziesz na GitHubie firmy Kitronik.

Lista części

Łatwa rozbudowa

Robot jest łatwy w rozbudowie. Przedstawiony przykład pokazuje jak przykręciłem moduł do wykrywania ścieżki po której robot ma podążać.

Na podobnej zasadzie przytwierdzamy ultradźwiękowy czujnik odległości pracujący jako radar do wykrywania przeszkód.