Создаем робота-андроида своими руками

резонаторы, сервомотор с крутящим моментом 1,3 кгс)

• (1) Лента адгезивная Velcro 30 см

Детали можно заказать:

Images SI Inc.

39 Seneca Loop

Staten Island, NY 10314

(718) 698-8305

Глава 10 Передвижные платформы

Платформы представляют собой основания передвижных роботов. Существует два способа: купить такую платформу или сделать ее самому. Если есть навыки слесарной работы или просто желание учиться, то изготовление платформы с самого начала имеет очевидные преимущества. Такая платформа проектируется и изготавливается специально под цели и задачи, поставленные перед роботом. При этом не имеет значения тип применяемых двигателей, редукторов, механических соединений, источников питания и т. д.

Покупка готовой платформы освобождает от ее самостоятельного изготовления. Но, с другой стороны, подходящие готовые двигатели, редукторы, источники питания и скорости движения первоначально предназначены для других целей. Одна особенность наиболее важна: большинство существующих моделей автомобилей двигаются слишком быстро. Если нет слесарных навыков, то это может быть выходом. Обычно приобретается радиоуправляемая модель электрического автомобиля. Схема радиоуправления удаляется, а электрические соединения (провода), идущие к двигателям хода и поворота, оставляются.

Вот несколько моментов, которые необходимо учитывать при покупке электрического автомобиля для последующей переделки. Во-первых, не приобретайте слишком маленький или слишком близко расположенный к земле автомобиль. В модели маленького размера трудно разместить на шасси сенсорные датчики и микроконтроллеры. Если днище автомобиля расположено слишком близко к земле, то он будет постоянно застревать. Выбирайте экземпляр с высокой колесной базой.

На рис. 10.1 изображена модель автомобиля, которую не стоит выбирать для переделки в передвижного робота. Она слишком мала, чтобы нести дополнительную нагрузку, и заметьте, насколько близко она лежит к земле. Такой автомобиль будет легко застревать. На рис. 10.2 показан лучший вариант. Размеры платформы больше (можно разместить больше деталей) и она имеет большую колесную базу.

Рис. 10.1. Небольшая модель радиоуправляемого автомобиля не подходит для переделки

Рис. 10.2. Большая модель радиоуправляемого автомобиля подходит для переделки

Шаговые двигатели

B качестве ходовых двигателей платформы лучше всего использовать шаговые двигатели. Рассмотрим некоторые преимущества таких двигателей. Поскольку шаговый двигатель поворачивается на каждом шаге на строго определенный угол, микроконтроллер может легко подсчитать пройденный путь, зная количество импульсов управления, поданных на шаговый двигатель, и диаметр ведущего колеса. В случае применения на передвижной платформе двух шаговых двигателей, по одному на каждой стороне, используемых для прямого движения и поворота, оказываются возможными повороты на точный заранее определенный угол. Ввиду особой важности шаговых двигателей для робототехники, перед тем, как проектировать и изготовлять какие либо устройства, мы подробно остановимся на принципах их работы.

Конструкция и работа шагового двигателя

Шаговые двигатели сконструированы с использованием постоянных магнитов и электромагнитов. Постоянные магниты находятся на вращающемся валу, который называется ротором. Электромагниты или катушки обмоток находятся в неподвижной части двигателя и носят название статора. Рис. 10.3 иллюстрирует полный цикл работы шагового двигателя. Обмотки статора, неподвижной части двигателя, со всех сторон окружают ротор.

Рис 10.3. Полный шаг

На рис 10.3, позиция 1, ротор находится в начальном положении и направлен к верхнему электромагниту, который включен. Чтобы повернуть ротор по часовой стрелке, верхний электромагнит отключают и включают обмотку правого электромагнита. Это приводит к повороту ротора на 90° по часовой стрелке по направлению к правому электромагниту, как это показано в позиции 2. Продолжая таким же образом, ротор пошагово поворачивается до полного оборота, пока не окажется в начальной позиции, как это показано на позиции 5.

Разрешение

Угол поворота на каждый поступающий импульс называется разрешением шагового двигателя. В иллюстративном примере на рис. 10.3 ротор поворачивался на 90° на импульс – не очень подходяще для практического использования. Реальные шаговые двигатели имеют гораздо большее разрешение (меньшую угловую величину шага), например имеющие угол поворота 1° на импульс (или шаг). Для завершения полного оборота на такой двигатель необходимо подать 360 импульсов. Когда шаговый двигатель используется для передвижения или линейного позиционирования на поверхности, каждый шаг двигателя преобразуется в строго отмеренное линейное перемещение.

Допустим, что один оборот двигателя соответствует 25 мм линейного перемещения. Тогда приращение линейного перемещения для двигателя с разрешением 3,75° на шаг будет составлять примерно 0,25 мм на шаг. Для двигателя с разрешением 1° на шаг соответствующее приращение составит 0,007 мм на шаг. Соответственно, приращение линейного перемещения будет обратно пропорционально количеству градусов на один шаг.

Половинный шаг

Для некоторых типов шаговых двигателей возможно удвоить их разрешение с помощью процесса под названием половинный шаг. Этот процесс иллюстрирован рис. 10.4. В позиции I ротор начинает вращение с верхнего электромагнита, как это было ранее. В положении II включается правый электромагнит, при этом питание катушки верхнего электромагнита сохраняется. Поскольку ток протекает через катушки обоих электромагнитов, ротор притягивается к ним обоим и занимает промежуточное положение между двумя позициями (половина шага). В позиции III обмотка верхнего электромагнита обесточивается и ротор «завершает» полный шаг. Здесь показана только одна половина шага. Очевидно, что ротор может вращаться с половинным шагом в течение полного оборота.

Рис. 10.4. Половинный шаг

Другие типы шаговых двигателей

Существуют шаговые двигатели, имеющие четыре вывода. Такие шаговые двигатели называются биполярными и имеют две обмотки, каждая из которых имеет два вывода. Хотя конструкция такого двигателя проще тех, которые мы используем, она требует более сложной схемы управления его вращением. Такая схема должна менять направление тока в обмотках после совершения шага.

Реальные типы ШД

Шаговый двигатель в рассмотренном примере имел угол поворота 90° на шаг. Статоры и роторы реальных шаговых двигателей представляют собой последовательности мини-полюсов. Мини-полюса уменьшают угол поворота на шаги улучшают разрешение шагового двигателя. Схема шагового двигателя на рис. 10.5 представляется более сложной, однако принцип его работы идентичен рис. 10.3 и 10.4.

Рис. 10.5. Многополюсное управление

Ротор двигателя на рис. 10.5 поворачивается по часовой стрелке. В исходной позиции северный полюс постоянного магнита ротора притянут к южному полюсу электромагнита статора. Заметим, что таких пар магнитов, притянутых разноименными полюсами, несколько. Во втором положении цепочка электромагнитов выключается, и включается следующая по ходу часовой стрелки цепочка. Это приводит к повороту ротора по часовой стрелке на строго определенный угол. Это продолжается таким же образом и для следующих шагов. После восьми шагов цикл завершается и начинается повторение. Поворот на половинный шаг аналогичен описанному выше.