Двигатели

В проекте используются три двигателя постоянного тока, выполняющие роль лебедок. Двигатель 1 смонтирован в центре передней панели и перемещает Y-раму. Двигатель М2 монтируется с одной стороны Y-рамы и перемещает Х-раму. Двигатель МЗ монтируется на Y-раме и поднимает или опускает рабочий инструмент.

В этом проекте могут присутствовать еще один-два двигателя для Управления инструментами наподобие схвата или кисти.
Питание и управление всеми тремя лебедками реализовано от Платы питания двигателей, смонтированной на передней панели. Пары проводников идут к М2 и МЗ от Контактного блока, установленного у левого края главной рамы, к блоку на панели Y-рамы.
Проводники должны быть достаточно длинными для того, чтобы обеспечить свободное перемещение Y-рамы по главной раме.
Выбирайте максимально гибкий провод. В полномасштабном промышленном портальном роботе кабели никогда не ограничивают перемещение рам робота, однако в проекте, подобном нашему, даже самый гибкий монтажный провод, который можно приобрести в магазинах для радиолюбителей, может оказаться несколько жестковатым.
Для проекта мы выбрали недорогие двигатели небольшого размера со встроенной коробкой передач (с фиксированным понижающим передаточным числом) и далеко выступающим валом. При напряжении питания 12 В выходной вал вращается со скоростью 36 об/мин, обеспечивая выходной вращающий момент 12 кг*см. Двигатель может работать при любом напряжении из диапазона 4,5.. 18 В, выдавая пропорциональные скорости и вращающие моменты. При этом было обнаружено, что при намотке троса непосредственно на вал двигателя рама и инструменты перемещаются слишком медленно.
Для повышения скорости движения рамы мы установили на валах приводных двигателей металлические катушки (вполне приемлемы катушки для швейных машинок). Диаметр вала двигателя обычно составляет 2 или 4 мм, однако стандартная швейная катушка требует для своей установки вала диаметром 6 мм.
Для плотной посадки катушки на вал двигателя можно воспользоваться пластмассовым прутом.
Втисните отрезок прута длиной 10 мм в центральное отверстие катушки, после чего просверлите вдоль его оси отверстие диаметром 4 мм. Это обеспечит плотную посадку на вал двигателя.
Катушка также имеет то преимущество, что она удерживает наматываемый трос вблизи центральной оси Y-рамы, предотвращая тем самым возникновение боковых сил, стремящихся сбросить X-раму с направляющих.
Перед установкой катушки может потребоваться обрезать выходной вал двигателя для экономии места на передней панели.
Узел двигателя и коробки передач имеет по обе стороны от выходного вала два нарезных отверстия МЗ, с помощью которых он крепится болтами к небольшой ПВХ-панели, фиксируемой на передней панели двумя скобами.
В случае использования более скоростного двигателя катушка может оказаться излишней.
В таком случае трос наматывается непосредственно на вал. Для этого он фиксируется на валу путем завязывания на его конце узла с последующим пропусканием конца троса с узлом через нагретый отрезок пластиковой трубки длиной 5 мм и диаметром 3 мм. Трубка надевается на вал и после остывания плотно его охватывает.
Узел не дает тросику сокочить с вала.
Если трос наматывается непосредственно на вал, то предпочтительно предварительно зафиксировать на валу два небольших диска или колеса на расстоянии около 10 мм друг от друга. Они будут выполнять роль ограничителей.

Концевые выключатели
Рамы X и Y оснащены инфракрасными датчиками или магнитными датчиками на эффекте Холла, предназначенными для определения координат X и Y инструмента. Кроме того, пара микропереключателей, установленных на главной раме, используются в качестве концевых выключателей, распознающих нахождение рам X и Y в исходных позициях. Они позволяют точно вывести инструмент в передний правый угол главной рамы.
Начиная от этого исходного положения, робот использует датчики для вывода инструмента в любую точку рабочей области.
Другими словами, концевые выключатели обеспечивают стартовую точку, в которую можно возвратиться, если программа собьется в процессе отсчета координат.
Концевой выключатель для направления Y — это микропереключатель MS1, прикрепленный болтами на вершине передней правой стойки таким образом, чтобы Y-рама касалась его при достижении передней границы своего пути.
Переключатель MS2 привинчен болтами под правой направляющей главной рамы. От одного из концов Х-рамы отходит скоба, форма которой обеспечивает контакт с микропереключателем главной рамы при Прохождении под концом Y-рамы.
Его вертикально загнутый конец нажимает рычажок MS2, когда Х-рама достигает правой точки своего пути.
Таким образом, Х-рама может замкнуть MS2 только тогда, когда Y-рама находится в своем исходном положении.
Выполнение этого требования может взять на себя программное обеспечение. Вначале следует перемещать Y-раму до момента замыкания MS1, а затем — перемешать 5С-раму до момента замыкания MS2.
Обратите внимание на то, что MS1 и MS2 установлены на главной раме. Провода от них идут непосредственно на плату первого микроконтроллера PIC, управляющую приводными двигателями лебедок. Если мы не хотим, чтобы наш портальный робот превратился в скопление проводов, идущих к рамам X и Y, необходимо свести к минимуму количество и длину соединений. Это — основная причина, до которой лебедка подъема/опускания инструмента устанавливается на у., а не на Х-раме, где, собственно, и реализуется ее действие. По этой же причине, переключатели MS1 и MS2 расположены на главной раме на расстоянии всего лишь нескольких сантиметров от платы первого микроконтроллера PIC. Подача напряжения питания на плату второго микроконтроллера представляет собой определенную проблему. Должны ли мы размещать батарею на Х-раме (занимая пространство, добавляя вес и повышая трение) или же следует проложить три провода от главной рамы (создавая риск помешать движению)? В конце концов, мы остановились на втором варианте.

Инструменты
Тип инструмента, установленного в портальном роботе, определяется областью его применения. На Х-раме можно установить только один инструмент, однако его можно легко заменить на другой, поскольку он крепится к рами болтами. Два болта МЗ длиной 25 мм проходят вниз по центру длинных сегментов Х-рамы.
В этом разделе рассматриваются следующие инструменты:
• крюк — придает портальному роботу функции подъемного крана (на поднимаемых объектах должна быть петля для зацепления);
• схват — относительно простая ассиметричная конструкция для подъема объектов, которая может использоваться для перемещения игровых фигур или строительства из деревянных или пластмассовых «кирпичей»;
• кисть — используется для рисования картин;
• лазерная указка — используется при прохождении лабиринтов, сканировании изображений, в настольных играх;
• камера — замеряет яркость отраженного лазерного луча. Также применяется во множестве других сфер.

Крюк
Крюк портального робота был выгнут из медного прута, прикрепленного к шкивному блоку. Шкивы, использованные в этом и Других инструментах, были взяты из комплекта производства Tamiya.
Крюк поднимается и опускается специальным механизмом, который используется и для подъема и опускания схвата.
Принцип его работы.
Двигатель лебедки МЗ установлен на левом краю Y-рамы. От лебедки трос проходит под Х-рамой и привязывается к правому концу Y-рамы. Крюк поднимается при наматывании троса и опускается при его разматывании, однако, если рама перемещается без наматывания или разматывания троса, то крюк остается на той же высоте. Детали данного механизма и способ прохождения через него троса.
Робот должен знать, несет груз, и какая его высота поверхностью. Эту информацию просто получить с помощью двух микропереключателей.
Для распознавания груза на крюке служит переключатель MS1. Ось правого шкива проходит через отверстия, просверленные в передней и задней панелях. Ось левого шкива установлена на рычаге, который поворачивается вокруг одного из своих концов и удерживается пружиной. Верхний конец пружины привинчен болтом к одному из отверстий на задней панели. Натяжение пружины корректируется выбором отверстия.
Оно устанавливается таким, чтобы пружина удерживала рычаг, когда нет никакой нагрузки, однако при наличии нагрузки могла растягиваться, позволяя рычагу опустится. Когда рычаг опускается, он нажимает рычажок MS1, который замыкает ключ, посылая тем самым сигнал в микроконтроллер.
MS2 работает как концевой выключатель. Когда шкивный блок поднят на максимально возможную высоту, он нажимает рычажок MS2, замыкая ключ, что указывает на достижение крюком его верхнего предела. Из этой позиции короткий пакет импульсов, посылаемый на приводной двигатель лебедки, выводит крюк на предсказуемую высоту.
Для обнаружения опускания крюка на уровень земли не используется никакого концевого выключателя, однако при касании груза земли Переключатель MS1 будет разомкнут, а значит робот должен освободить крюк от груза, сместив Х-раму в сторону.
Это — пример восполнения отсутствия концевого выключателя за счет программного обеспечения.

Схват
Схват состоит из одной фиксированной и одной подвижной губки Фиксированная губка выгнуга из латунной полоски, которая затем была привинчена болтом к базовой панели. Подвижная губка — двойная и приводится в движение двигателем со встроенной коробкой передач. Два плеча подвижной губки напрямую прикреплены к противоположным концам выходного вала коробки передач.
Схват поднимается и опускается тем же шкивным блоком, что и крюк, с применением двух концевых выключателей.
Узел двигателя — компактный (примерные габариты 40х64х20 мм), с отверстиями для привинчивания к ПВХ-панели и зажимом для удерживания двигателя. Передаточные шестерни — пластмассовые, плотно надеваются на валы. На противоположных концах выходного вала закреплены два приводных рычага. Узел двигателя привинчен болтами к базовой ПВХ-пластине размерами 100×45 мм, которая также держит шкив и фиксированную губку схвата.
Каждая из подвижных губок состоит из двух частей. Основание выполнено из латунной полосы шириной 5 мм и длиной 60 мм. Перед изгибанием полосы в ней были просверлены два отверстия на одном конце для крепления болтами к рычагу привода и два отверстия на другом конце для крепления зуба. Зуб выполняется из более тонкой латунной полоски 12 мм в ширину и 80 мм в длину. Фиксированная губка выполнена из латунной полосы 18 мм в ширину и 120 мм в длину. Общая длина схвата составляет 130 мм. Для некоторых операций может оказаться предпочтительнее, чтобы зубья и фиксированная губка были короче.
Требуемая упругость схвата обеспечивается пружинными свойствами латунных полос, используемых в фиксированной и подвижных губках. И все же необходимо обеспечить обратную связь с микроконтроллером с помощью третьего концевого выключателя.
Микропереключатель устанавливается на скобе, вырезанной из узкой латунной полосы, которая позиционируется таким образом, чтобы основание губки замыкало ключ, когда зубья надежно охватывают объект. Позицию срабатывания выключателя можно отрегулировать путем сгибания скобы.
Концевой выключатель обеспечивает одну точку отсчета для определения состояния губок. Вместо установки второго концевого выключателя, повышающего сложность и вес инструмента (не говоря уже 0 Дополнительной паре проводов), мы отталкиваемся от одной позиции, Начиная с которой губки открываются до определенного уровня путем подачи на двигатель импульсов контролируемой длительности.
Схват поддерживается под Х-рамой тем же шкивным механизмом, что и в случае с крюком. Схват тяжелее крюка, поэтому точка крепления пружины должна быть изменена для увеличения натяжения.

Кисть
Этот инструмент превращает нашего портального робота в Художника. Его базовая панель привинчивается болтами прямо к днищу Х-рамы. Этот инструмент содержит собственный шкивный механизм для подъема и опускания кисти и приводится в действие лебедкой МЗ, установленной на Y-раме.
Кисть монтируется на четырехсторонней раме, скрепленной в углах подвижными шарнирами.
Это позволяет кисти двигаться вверх и вниз, оставаясь в вертикальном положении. Когда кисть опускается вниз, выходя в позицию рисования, она слегка прижимается к бумаге, после чего перемещается и рисует линию по мере движения рам X и Y. Для прекращения рисования кисть поднимается вверх. О том, что кисть достаточно высоко поднята над бумагой, сигнализирует концевой выключатель. Теперь ее можно переместить к емкости с краской.

Лазер
Лазер проецирует интенсивное, но очень маленькое пятно на полу под Х-рамой. Оно предназначено для указания объектов наподобие игровых фигур. Например, лазерный луч может указывать на фигуру, которую робот собирается передвинуть. Или же он может отслеживать путь в лабиринте.
В качестве лазера использована недорогая «лазерная указка», снабженная собственной батареей. Она удерживается пружинным же типа, что и для фиксации элементов РРЗ на 9 В. Указка оснащу на кнопкой включения/выключения. В нашем случае указка плотно удерживается зажимом таким образом, чтобы ее кнопка включения всегда была нажата.
Этот инструмент может быть объединен с камерой, направленной вниз и сфокусированной на лазерном пятне Малые размеры пятна обеспечивают высокое разрешение инструмента при обнаружении предметов.

Камера
Используется однопиксельная цифровая камера с одним фоторезистором в качестве чувствительного элемента. Его выходной сигнал — аналоговое напряжение, изменяющееся в диапазоне от нескольких милливольт при фокусировании на черном объекте до нескольких вольт, когда камера фокусируется на ярко освещенном белом объекте.
Поскольку камера для фокусирования изображения объектов на датчике использует линзу, она обладает высокой чувствительностью и характеризуется узким полем зрения. Это важно, когда портальный робот играет в настольную игру или при регистрации схемы нарисованного лабиринта. Хотя эта камера была спроектирована специального для портального робота, она может использоваться и в других роботах.
Объектив камеры представляет собой недорогую линзу диаметром около 25 мм и фокусным расстоянием около 30 мм.
Чем большее ее диаметр, тем более чувствительным будет инструмент. Линза удерживается на конце пластмассовой трубки, скользящей по неподвижной трубке. Трубки изготовлены из черной пластмассы (их можно изготовить, например, из деталей садовой поливочной системы). Стопорное кольцо также взято из крепежного узла поливочного шланга. После фокусировки подвижная трубка должна оставаться в установленной позиции, поэтому ее необходимо плотно посадить на фиксированную трубку. Предотвратить проскальзывание поможет виток или два ПВХ-изоленты вокруг конца фиксированной трубки. Аналогичным образом слой ПВХ-изоленты, намотанной вокруг фокусирующей трубки, помогает удержать на месте стопорное кольцо.
Рассмотрим оптику камеры. Линза с фокусным расстоянием/фокусирует полноразмерное инвертированное изображение на фоторезисторе, когда последний находится на удалении двух фокусных расстояний за линзой, а объект — на том же расстоянии перед ней.
Так, например, фокусное расстояние линзы, использованной в опытном образце, составляет 30 мм. Расстояние между фоторезистором и линзой — 60 мм. камера монтируется таким образом, чтобы линза находилась на высоте 60 мм над рабочей областью.
При линзе, сфокусированной, изображение площадью 40 мм2 на игровой доске полностью покрывает фоторезистор, диаметр которого составляет всего лишь 8 мм. При этом нацеливать фоторезистор в точности на центр квадрата необязательно.
Фоторезистор припаивается к крошечному прямоугольнику, вырезанному из платы с полосками. Два соединительных провода припаиваются к плате на стороне проводящих полос и выводятся наружу через отверстие, просверленное в неподвижной трубке. Толщина стенок этой трубки — 4 мм, а плата приклеивается к ее обрезанному концу.
Небольшая плата с полосками, привинченная болтами к базовой пластине, содержит переменный подстроечный резистор для настройки выходного сигнала датчика. Когда выходной сигнал считывается компаратором микроконтроллера PIC, камера легко различает черный и белый цвета как с подсветкой лазерным лучом, так и без нее. Если же выходной сигнал подать на АЦП, то возможно различать оттенки серого или ограниченный диапазон цветов.

Источник: qwedr.com