Подбор комплектующих. 
Разработка шагающего робота

Рынок робототехники является обширным. Существуют готовые комплекты для сборки роботов, куда входят все составляющие, владельцу остается только прикрутить винты. В данном случае стоит цель — рационально подобрать элементы для проектируемого робота, при этом учесть все требования.

Данный этап важен для проектирования антропоморфного робота. В этот этап входит выбор сервоприводов, аппаратной платформы, дальномера, аккумулятора, светодиодов. Данные составляющие являются основой для робота. Подобранные элементы дают понимание: какого размера будет конечный продукт, какие возможности будут реализованы, например, какие именно части робота будут двигаться и как. Если провести с аналогией физиологии человека, то комплектующие осуществляют функции органов, мышц.

Общие требования к комплектующим, которые будут опорой для выбора элемента:

• 1. Качество. Детали должны соответствовать своим характеристикам, которые заявил производитель. Отсутствие различных дефектов, как внешних, так и внутренних.
• 2. Дешево. Из-за ограничения финансовых ресурсов составляющие проектируемого робота должны быть недорогими и укладываться в выделенный бюджет.
• 3. Надежность. Элементы прочные, выдерживают нагрузку при движении робота, долгий срок службы.
• 4. Доступность. Комплектующие можно заказать или купить в специализированном магазине, при этом относительно быстро получаешь товар, т. е. отсутствует ожидание получения товара за длительный временной интервал, если, например, сделан заказ по почте и т. п.
• 5. Совместимость. Выбранные элементы должны быть совместимы между собой.

Выше перечисленные требования являются обобщенным, к выбору каждого элементы имеются индивидуальные критерия, которые необходимы для реализации проекта.

Аппаратная платформа — один из важных составляющих элементов робота. Платформа является «мозгом» для робота, а выходящие из нее провода «нервной системой». С помощью платформы происходит процесс управления. В память микроконтроллера загружается программа для управления роботом. Существует несколько подходов для приобретения аппаратной платформой. Один из них самостоятельно вручную собрать плату. Элементы платы можно купить отдельно или разобрать ненужные электронные устройства. Такой способ требует хороших знаний в электронике, навыки работы с паяльником и времени. Достоинство такого подхода — гибкость платы, имеется в виду, составляющие компоненты платформы подобраны с учетом пожелания пользователя. Недостаток — большая вероятность создания дефектов при процессе паяния, что приведет к неработоспособности платформы. Другой подход является приобретение готового решения. Достоинство — минимальная работа с инструментом-паяльником, сокращение времени работы с платой. Недостатком считается, что готовые платформы могут не подходит для реализации поставленной задачи из-за особых требований. Так как проектируемый робот предназначен для обучения и развлечения детей, он не имеет специфических системных требований, то для его реализации достаточно будет использование готовой платформы. Рассмотрим какие существуют на рынке робототехники аппаратные платформы.

Самые популярные аппаратные платформы в сфере робототехники используются от торговой марки Arduino. Данной марка на рынке находится более 10 лет. Arduino предоставляет аппаратно-программные продукты, предназначенные для построения систем автоматики и робототехники [5]. Существует несколько модификаций платы (Arduino Uno, Nano, Mega и др.). Стоит отметить, что полностью в открытом доступе имеется архитектурная система, что значит возможно копировать или дополнять линейку Arduino. Для управления аппаратурой предоставляется бесплатный программный продукт Arduino IDE. Данная среда разработки написана на Java и работает под операционные системы Windows, Mac OS X и Linux. Существуют все функции для эффективной работы: текстовый редактор, компилятор и инструменты для загрузки программы в микроконтроллер. Для написания программ используется стандартный язык программирования C++, но имеются некоторые особенности. Существует документация на русском языке. Возвращаясь, к аппаратной части, существует несколько модификаций платы. Модели отличаются размерами, количеством входных выходных портов. Можно выделить 4 основные типа Arduino: Arduino («стандарт»), Arduino Mega, Arduino Nano, Arduino Mini. У каждого типа существуют еще несколько моделей, которые имеет небольшие отличая друг от друга. В целом каждая плата состоит из микроконтроллера Atmel AVR, в новых версиях используется ATmega328 и ATmega168, в старых — ATmega8. На каждой плате обязательно присутствуют линейный стабилизатор напряжения 5 В и 16 МГц кварцевый генератор (в некоторых версиях керамический резонатор). Запрограммировать плату возможно через USB, что осуществляется благодаря микросхеме конвертера USB-to-serial вроде FTDI FT232.

Выделим преимущества использования платы на микроконтроллере Arduino:

• ? простота взаимодействия с аналоговыми датчиками;
• ? надежность;
• ? потребление энергии;
• ? цена.

Для реализации движений антропоморфного робота используется 17 сервомоторов, отсюда следует, что, не учитывая наличия других комплектующих для робота, модель стандартного типа Arduino не подходит для полной реализации проекта из-за недостаточного количества вводов-выводов и мощности. Следовательно, для данного проекта подойдет Arduino Mega. На данный момент более современна модель является Arduino Mega 2560 [6]. Характеристики выбранной модели показаны в таблице 2.

Таблица 2. Характеристики Arduino Mega 2560.

Питание плата может получать от USB-порта или внешнего источника. Внешним источником питания может быть блок питания или батарея. Для подключения источника используются выводы питания GND и VIN. Для обеспечения работоспособности рекомендовано входное напряжение в диапазоне между 7 и 12 вольт. Плата Arduino Mega 2560 имеет 54 цифровых пинов, 15 из которых могут быть использованы как выходы ШИМ, 16 аналоговых входов, 4 аппаратных последовательных порта UART. Если рассматривать характеристику, то каждый пин максимум 40 мА принимает или отдает. Для работы с вводами/выводами используются функции pinMode, digitalWrite и digitalRead. Данную модель возможно расширить с помощью ее совместимости с платами расширения, называемые шилды, разработанные для Arduino UNO, Duemilanove или Diecimila.

Стоит отметить, что линейка продукции Arduino имеет большое количество аналогов. Например, можно взять такие линейки как Freeduino, Seeeduino, CraftDuino, Japanino. Данные аналоги имеют незначительное изменение, это может быть изменение расположение элементов или использование других моделей элементов и т. п. Такие платформы сохраняют совместимость с Arduino, то есть имеется использование шилдов, Arduino IDE. Но также имеются аналоги, которые внесли весомые изменения при этом теряется частичная совместимость. К ним можно отнести продукты такие как LilyPad, ProMini, Roboduino и др.

Рассмотрим следующую линейку Raspberry Pi. Raspberry Pi — одноплатный компьютер, имеющий небольшой размер. Сначала данный продукт был разработан как бюджетная система для обучения информатике, вскоре набирающий популярность и получивший более широкое применение [7]. На рынке товары Raspberry Pi относительно недавно, первая партия вступила продажу только 2012 году. С помощью одноплатного компьютера можно реализовать уже более сложные задачи. Raspberry Pi — это полноценный компьютер со всеми необходимыми возможностями. Raspbian — это официальная операционная система для данного устройства, адаптированная на операционной системе Linux. Но имеется возможность установить такие ОС как Android, FirefoxOS, Windows 10. Одноплатный компьютер снабжен процессором, памятью, портами USB, имеет выход аудио и выход графический выход HDMI [7]. В связи с этим выделим главные преимущества данного компьютера:

• 1. Производительность. Raspberry Pi имеет возможность выполнять несколько задач одновременно. Это помогает в реализации сложных проектов, например, управление робота через веб-интерфейс. Также одновременно можно использовать звук, видео и совершать другие различные действия.
• 2. Сеть. В одноплатный компьютер встроен порт Ethernet и беспроводный адаптер Wifi. С помощью данной функции возможно подключить устройство к интернету или создать точку доступа.
• 3. Минимальные знания в электронике. Для работы с механизмами Raspberry Pi необходимы только базовые знания основных компонентов, которые достаточно правильно подключить, для их управления можно использовать готовые программы.
• 4. Переносимость. Операционная система Raspberry Pi и все файлы хранится на SD карте, поэтому перенос информации на другое устройство очень прост.

Проведем сравнительный анализ между платой на микроконтроллере Arduino Mega и одноплатным компьютером Raspberry Pi 3 Model B, который поможет при конечном выборе (табл.3).

Таблица 3. Сравнительный анализ между Arduino и Raspberry Pi.

Итогом анализа рынка готовых аппаратных платформ для проектируемого антропоморфного робота выбрана плата Arduino Mega 2560. Данная плата вполне подходит для реализации поставленной задачи, также большую роль данного выбора сыграла цена и простота работы с платформой.

Сервоприводы. Сервоприводы выполняют функцию вращения частей робота. С помощью сервоприводов робот осуществляет действия, такие как ходить, танцевать, махать руками, поворот головы и т. д. Поэтому проектирование деталей напрямую зависит от выбора сервомоторов. Сюда входят габариты моторов, особенности реализации вращения, расположение вращающегося стержня и т. д. Работа с сервоприводами осуществляется следующим алгоритмом:

• 1. На вход сервопривода подается заданное число управляющего параметра. Чаще всего это угол поворота или скорость вращения
• 2. Блок управления сравнивает текущее значение с новым заданным значением.
• 3. На основе результата сервомотор производит действие, например, поворот на указанный градус.

Принцип работы у сервомоторов одинаковый. Как именно устроено данное устройство, показано на рисунке 6.

Рис. 6. Принцип работы сервопривода.

Сервопривод — электромотор с редуктором. Чтобы совершить механический поворот с помощью электричества необходимо наличие электромотора. Чаще всего вращение такого мотора слишком велико для использования, поэтому применяются шестерни редуктора для понижения скорости [8]. На выходной вал прикрепляется с помощью винтами нужный элемент, который вращает установленную деталь. Но для установления нужного угла и контроля поворота, используется датчик обратной связи — энкодер. Он преобразовывает угол поворота в электрический сигнал. Чаще всего используется потенциометр. При повороте бегунка потенциометра происходит изменение его сопротивления, пропорциональное углу поворота. Помимо перечисленных устройств, такие как электромотор, редуктор и потенциометр, сервомотор содержит небольшую печатную плату с электроникой, которая выполняет функции приема введенного нового параметра, считывание значения с потенциометра и сравнение полученных значений и подачи сигнала включение/выключение мотора. Сервомотор подключается к плате с помощью трех проводов. Два провода отвечают за питание, третий выполняет функции приема управляющего сигнала.

Сервоприводы можно классифицировать по критериям:

• ? габариты;
• ? по внутреннему интерфейсу (аналоговые или цифровые);
• ? использование материала шестерней.

Официальной классификации не существует для размеров сервомоторов, но производители придерживаются к определенным установленным размерам. Так выделяются три группы: малые, стандартные, большие. Примерные габариты для каждой группы приведены в таблице 4.

Таблица 4. Классификация сервоприводов по габаритам.

Внешнее различие между аналоговыми и цифровыми сервомоторами совершенно отсутствует, даже может быть одинаковое наличие электромотора, редуктора, потенциометра. Разность заключается в использовании встроенной управляющей электроникой. Аналоговый сервопривод содержит специальную схему, в составе которой имеется чип логики и компоненты, задающие временные отрезки. На цифровой сервопривод установлен микропроцессор с кварцевым генератором. Их различие влияет лишь только на обработку получаемых импульсов и управлением мотором. Так, на вход аналоговый и цифровой сервомоторы получают одинаковый сигнал. Аналоговый сервопривод принимает решение, имеется ли необходимость в изменении положения вала, по результату сравнения полученного значения и установленного посылает сигнал на мотор. Происходит это обычно с частотой 50 Гц. Отсюда следует, что 20 мкс — минимальное время реакции. В это время любое внешнее воздействие способно изменить положение сервопривода. Имеется еще один недостаток, в котором заключается, что при малых изменениях положения сервопривод не сможет быстро вращать мотор или развить большой момент [9]. В связи с этим образуются так называемые «мертвые зоны» по времени и расстоянию. Эти проблемы можно решать за счет увеличения частоты приема, обработки сигнала и управления электромотором. Если рассматривать работу цифровых сервоприводов, то данное устройство содержит специальный процессор, который получает управляющие импульсы, обрабатывает их и посылает сигналы на мотор с частотой 200 Гц и более. В сравнение с аналоговым сервомотором, цифровой намного быстрее реагирует на обработку полученных сигналов, быстрее набирает необходимую скорость вращения мотора. В техническом плане рассматриваемый тип сервомоторов побеждают аналоговые. Но цифровые сервомоторы тоже имеют недостатки, а именно потребление энергии возрастает и стоит данный тип дороже.

Шестерни для сервоприводов бывают из разных материалов: пластиковые, карбоновые, металлические. Все они широко используются, выбор зависит от конкретной задачи и от того, какие характеристики требуются в установке. Конечно, чем прочнее материал использует, тем выше соответственно становится цена, но при этом повышает срок службы.

Для решения поставленной задачи подойдет модель стандартного размера с установленным микропроцессором (цифровой), шестерни состоят из металлического материала. Также сервопривод должен быть совместим с Arduino. К указанным требованиям подходит модель сервопривода Tower Pro MG995. Он является одним из наилучших в своем сегменте по соотношению цены к качеству. В комплект также входит набор качалок. Срок службы сервопривода относительно увеличен с помощью использования металлического редуктора. Основная характеристика сервопривода Tower Pro MG995 приведена в таблице 5.

Таблица 5. Характеристика сервопривода Tower Pro MG99.

Выбранный сервопривод подходит для реализации движений рук, ног, так как на данные части идет большая нагрузка и параметры позволяют справиться с данной проблемой. Но для поворота головы нужно использовать сервопривод менее мощный и меньшего размера, так как нагрузка приходится только на голову. Для данной части робота подобран сервопривод модели Tower Pro 9g SG9. В набор также входят специальный качалок для крепления. Подробная характеристика описана в таблице 6.

Таблица 6. Характеристика сервопривода Tower Pro 9g SG9.

Дальномер. В головной части робота будет установлен ультразвуковой датчик расстояния модели HC-SR04 для взаимодействия с окружающей средой. Датчик определяет расстояние до объектов, генерируя звуковые импульсы на частоте 40 кГц, и получает отражение, то есть слушает эхо [10]. По времени распространения звуковой волны туда и обратно можно однозначно определить расстояние до объекта. Таким способом ориентируются живые существа, например, летучие мыши. Преимущество ультразвуковых датчиков перед инфракрасными в том, что освещение помещения или цвет объекта никак не влияет на вычисление расстояния. Но имеется недостаток в определении расстояния с пушистых поверхностей или тонкого материала.

Данный датчик выполняет функцию глаз, если сравнивать с человеком. С помощью датчика, робот может взаимодействовать с предметами. Так, например, при ходьбе робот может развернуться возле преграды или ударить по мячу. Существуют различные алгоритмы с использованием данных, получаемых от датчика, один из них — выход из лабиринта. Для подключения дальномера используются 4 пина:

• 1) VCC является положительным контактом питания.
• 2) TRIG — цифровой вход. Для старта вычисления необходимо подать на этот вход логическую единицу на 10 мкс. Следующее измерение рекомендуется выполнять не ранее чем через 50 мс.
• 3) ECHO — цифровой выход. После окончания вычисления, на данный выход будет подана логическая единица на время, пропорциональное расстоянию до объекта.
• 4) GND — отрицательный контакт питания.

В таблице 7 перечислены параметры выбранной модели ультразвукового датчика модели HC-SR04.

Таблица 7. Характеристика ультразвукового датчика HC-SR04.

Аккумулятор. Данная составляющая является «сердцем» для проектируемого антропоморфного робота. Для воплощения заявленных требований аккумулятор должен обладать максимальной производительностью, а также долгим сроком службы. В разрабатываем роботе будет использоваться аккумулятор Gens Ace 7.4V 4000mah 2S1P. Его параметры соответствуют требованиям обеспечения питания электроэнергией робота. Значения различных параметров данного аккумулятора:

• ? тип аккумулятора: LiPo (Литий-полимерный);
• ? емкость: 4000mAh;
• ? напряжение: 7.4V;
• ? вес: 151.1g;
• ? размеры: 69.13×51.02×19.12мм;
• ? тип балансировочного разъема: JST-XH;
• ? тип силового разъема: EHR;
• ? ток заряда: 1−3С рекомендовано, 5C Макс;
• ? длина провода (C / D) 25мм/50мм.

Преобразователи питания. Для обеспечения питания от одного источника устройств разного номинала напряжения используется преобразователь, так как линейный стабилизатор напряжения платы на больших токах потребления не справляется, что приводит к порче устройств. Для решения проблемы подходит модель импульсного понижающего DC-DC преобразователя на 25 Вт от DFRobot. Преобразователь может делать из входного напряжения ровные 5 В или другое напряжение, которое вы можете задать с помощью триммера на плате. Режим устанавливается при помощи переключателя на плате (5V или VR). Выходной уровень можно замерить с помощью мультиметра. Дополнительная пара клемм позволяют отправить входное напряжение на другие устройства без изменений. Данная модель обладает следующими характеристиками:

• ? диапазон входного напряжения: 3,6−25 В;
• ? диапазон выходящего напряжения: 3,3−25 В;
• ? минимальная разница напряжения: 0,6 В;
• ? максимальный выходной ток: 5 А;
• ? максимальная мощность: 25 Вт;
• ? частота преобразования: 350 кГц;
• ? габариты: 46Ч50Ч20 мм.