Силовой агрегат

Второй важный этап в создании домашнего помощника на гусеничном шасси – это выбор двигателя. Как видно из видео для создаваемого мини трактора сойдет любой мотор, если он подходит по мощности и соответствует крутящему моменту. Здесь идеальным вариантом будет установка дизельного движка мощностью 12 л.с., с четырьмя цилиндрами и водяным охлаждением.

Еще не плохим вариантом в решении данного вопроса будет мотор с мотоблока «Садко». Для уменьшения оборотов в таком движке нужно будет своими руками установить дополнительные шкивы. Таковые самодельные конструктивы уменьшают скорость вращения коленчатого вала мини трактора в 3,5 раза.

Мост

Обычно установка моста не вызывает никаких затруднений. Для этого не потребуется вносить дополнительно изменения в конструктивы в раму агрегата. Здесь идеально подойдет мост, снятый с любой модели отечественного автомобиля.

Например, для мини трактора можно применить задний мост из ГАЗ – 21 «Волга». Его придется своими руками лишь укоротить до ширины 800 мм и срубать заклепки на фиксирующих чулках удаляются, чтобы можно было разместить все механические элементы.

Гусеница

Самодельные шасси агрегата довольно просто изготовить в домашних условиях. Для этого понадобится комплект колес, например из тележки и старая покрышка из колеса большой машины. Размеры указанных элементов для шасси мини трактора нужно выбирать исходя из габаритов, создаваемой машины. Самодельные гусеницы изготавливаются просто. Нужно по бокам обрезать приготовленную покрышку и одеть на смонтированные колеса. Здесь важно не ошибиться в размерах.

Другие механизмы

Каждый механик понимает, что конструируемый гусеничный агрегат не сможет самостоятельно двигаться без узла сцепления и коробки передач. В качестве последнего элемента можно использовать переключающее устройство, снятое с грузовика ГАЗ – 53. Сцепление, взятое с автомобиля ГАЗ – 52, идеально конструктивно впишется в конструкцию будущего домашнего помощника.

Процесс сборки

Принцип работы

Самодельные агрегаты обычно складываются в определенном алгоритме. Этому немаловажно следовать, так как одни запчасти доведется подгонять под иные детали. Без установленного порядка сборки это осуществить будет затруднительно.

Комплектующие для минитратоктоа
Заготовка звездочки
Ведущие звездочки готовы
Рама с гусеницами в сборе

Вид снизу - монтаж гусениц

Вид сбоку
Вид спереди

Последовательность конструирования на практике выглядит следующим образом:

• Собирание элементов рамы в цельную конструкцию. Установление на нее ведущих колес и опорных катков.
• Установка мотора и соединение его с коробкой передач.
• Размещение тормозных узлов и дифференциального элемента. Механическое соединение указанных элементов с коробкой передач.
• Конструирование узла управления и оборудование места водителя.
• Сборка и установка гусениц, а также добавочных вспомогательных элементов.
• Проверка рабочего состояния узлов и систем агрегата. В случае необходимости их доработка.
• Обкатка трактора.

Если рассмотреть принцип работы самоделкового механизма, то можно легко установить, что он мало чем различается от аналогов серийного производства. Одним словом, все основные функции выполняются, как в обычных тракторах на гусеницах. Только есть одно различие – упрощенная система разворачивания.

Принцип работы самодельного механизма выглядит таковым образом:

• Мотор передает крутящий момент на коробку передач.
• Крутящий момент поступает на дифференциальную систему, где распределяется на полуоси.
• Колеса приступают к двигательному процессу, передающегося на гусеницы. Трактор начинает передвижение в заданном направлении.
• Функция поворота заключается, что происходит торможение одной полуоси, а весь крутящий момент ложится на другую полуось. За счет торможения одна гусеница начинает двигаться вокруг другого заторможенного шасси. Так происходит поворот агрегата.

1. Перед тем как приступить к сборке гусеничного агрегата, необходимо в первую очередь создать чертежи основных и дополнительных узлов, содержащие точные расчеты.
2. Перед началом работы нужно побеспокоиться о наличии исправности сварочного аппарата, электрической дрели со всеми насадками и болгарки.
3. Сборку надобно производить с тщательной аккуратностью. Все болты и гайки нужно закручивать с надежной чувствительностью. Каждый сварочный шов должен быть аккуратно зачищен.

При сборке следует помнить, что создаваемый трактор станет надежным и незаменимым помощником в решении многих вопросов по хозяйству.

В этом проекте мы построим движущегося робота (платформу на гусеницах), который может обнаруживать и избегать препятствия. Он использует 2 инфракрасных датчика, представляющих собой пару излучающий ИК-светодиод и ИК-приемник, смонтированную в его передней левой и передней правой сторонах. ШИМ контроллер тут используется для управления скоростью моторов.

ИК-датчики установлены под углом 90° друг от друга, чтобы свести к минимуму интенсивность отраженных сигналов, поступающих на приемник из другой пары. Для этой же цели в ИК светодиоды поставить в короткие черные пластиковые трубочки.

Питание и преобразователь

Драйвер двигателей схема

Драйвер электромотора на SN754410 , хотя его и недостаточно для низковольтного применения. Так как он включает в себя биполярные транзисторы, они имеют падение напряжение не менее 0,7 В на каждом. Это значит, что моторы на самом деле получат на 1,4 вольта меньше от батареи, которое составляет около 50% потерь при 3 В питании. Другой недостаток этого решения заключается в том, что она нуждается в обширной охлаждения. Каждый из моторов потребляет около 200 мА, и микросхема рассеивает 2·1,4 В х 200 мА = 0,56 Вт тепла - нужен теплоотвод, что так же не способствует экономии батареи.

Регулировка чувствительности ИК-датчиков

Роботы и робототехнические системы часто предназначены для использования в экстремальных условиях, там, где необходимо облегчить или обезопасить труд человека.Очень часто мобильные роботы применяются в экстремальных ситуациях, например при тушении пожаров, локализации радиоактивных отходов и т.п., и, как правило, работают в труднопроходимой местности.

Решение подобных задач возлагается на мобильных гусеничных роботов, которые обладают высокой проходимостью и грузоподъемностью. Важное отличительное качество гусеничных мобильных роботов заключается в их маневренности. Обладая независимым приводом для каждой из гусениц в отдельности, мобильный робот может легко менять направление собственного движения.

Благодаря тому, что скорость каждой из гусениц регулируется в отдельности, достаточно легко управлять движением мобильного робота. Для задания какого-либо направления движения необходимо изменить относительную скорость приводов.

Вышеуказанная таблица демонстрирует соотношение скоростей и направлений вращения приводов гусеничного шасси. Важно обращать внимание на положение привода, ведь в зависимости от ориентации в пространстве привода зависит направление вращения его выходного вала, а соответственно и направление движения гусеничных траков. Например, для того чтобы робот двигался вперед, необходимо, чтобы его левый привод вращался «против часовой стрелки», а правый – «по часовой стрелке».

1. Для того чтобы двигаться прямо, необходимо, чтобы правый и левый приводы вращались с одинаковой скоростью в направлении «прямо».
2. Для того чтобы повернуть налево, необходимо, чтобы скорость правого привода была больше, чем скорость левого. Чем больше будет разница скоростей, тем меньше будет радиус разворота при движении.
3. Для того чтобы повернуть направо, необходимо, чтобы скорость правого привода была меньше, чем скорость левого. Чем больше будет разница скоростей, тем меньше будет радиус разворота при движении.
4. Для того чтобы повернуть налево на месте, необходимо, чтобы правый привод вращался «прямо», а левый – «назад» с такой же скоростью.
5. Для того чтобы повернуть направо на месте, необходимо чтобы левый привод вращался «прямо», а правый «назад» с такой же скоростью.
6. Для того чтобы двигаться назад, необходимо, чтобы правый и левый приводы вращались с одинаковой скоростью в направлении «назад».

Помимо высокой маневренности гусеничные шасси обладают повышенной проходимостью. Благодаря хорошему сцеплению гусеничных траков с поверхностью, по которой осуществляется движение, гусеничные роботы могут преодолевать различные неровности поверхности и преграды.

В зависимости от назначения гусеничного робота и степени его проходимости различают различные конструкции гусеничных шасси.

Традиционно гусеничные транспортные средства имеют специальный угол наклона спереди, чтобы въезжать на препятствия по ходу движения. Чем выше проходимость гусеничного робота или транспортного средства, тем, как правило, больше данный уклон.

Иногда для решения специализированных задач применяются гусеничные транспортные средства, состоящие из подвижных относительно друг друга гусеничных траков. С помощью регулировки угла подъема передних гусениц подобные роботы могут преодолевать препятствия различной сложности.

В данной лабораторной работе исследуются способы управления мобильным гусеничным шасси. Разрабатываемая в рамках данной работы модель робота обладает достаточно большой проходимостью для собственных габаритных размеров.

Конструкция шасси робота состоит из гусеничных траков, расположенных под достаточно большим углом к направлению движения, благодаря чему робот может преодолевать препятствия с высотой не менее высоты подъема гусеничных траков.

Для того чтобы робот в процессе своего движения не застрял, преодолевая препятствие, его шасси оснащается ИК-датчиком, определяющим наличие объектов на его пути. Если датчик обнаруживает объект, это значит, что высота объекта соизмерима с высотой робота и есть риск того, что робот не сможет преодолеть данный маршрут. В этом случае робот должен предпринять какое-либо другое действие, например объехать препятствие сбоку и т.п.

Данный урок посвящен изучению основ движения гусеничных мобильных роботов, исследованию способов их маневрирования и прохождения различных препятствий.

Выполнение простейших маневров.

В данной части лабораторной работы рассматриваются прямолинейное движение гусеничного робота и процесс поиска препятствий на его пути.

Если на пути робота обнаруживается препятствие, это означает, что оно обладает габаритами, которые робот не в состоянии переехать. В этом случае система управления робота должна предпринять какие-либо действия по выполнению маневров с целью избежать столкновения.

Согласно предложенному алгоритму гусеничный робот едет прямо, переезжая все препятствия на своем пути. Если же на пути робота обнаруживается объект, который не пропадает с пути робота в течение 3 секунд, робот останавливается и совершает маневр по объезду препятствия.

В начале программы задаются базовые переменные, определяющие пороговое значение до объекта, скорости вращения приводов робота и время ожидания перед обнаруженным объектом (3 сек). С помощью этих значений определяется скорость маневрирования роботов и расстояние, которое робот не доезжает до обнаруженного объекта.

Программа представляет собой бесконечный цикл, в котором анализируется показания датчика, подключенного к PORT. С помощью переменных obstacle_threshold и bstacle_judging_time задаются максимальные значения расстояния до объекта и время обнаружения объекта. Если объект находится вне зоны видимости, робот продолжает движение под управлением функции forward.

В случае если робот обнаружил объект на своем пути, поочередно вызываются функции reverse, stop, pivot_left с помощью которых робот совершает заданный маневр по объезду препятствия. Функции чередуются с помощью вызова таймера, ограничивающего время работы каждой из них.

Таймеры очень часто применяются для задания времени работы какого-либо устройства или фрагмента управляющей программы. Рассмотрим работу таймера на примере функции инициализации, вызываемой в самом начале программы.

Данная функция запускает воспроизведение мелодии на время, определяемое переменной prepare_time. Данная переменная инициализирует таймер, который работает в течение заданного времени.

Во время отсчета таймера осуществляется задержка, во время которой выполняется последняя операция, например воспроизведение мелодии. Задержка осуществляется с помощью функции timer_standby, которая с помощью оператора WAIT WHILE ожидает окончания отсчета. Таким образом, можно сгенерировать любую необходимую для работы программы временную задержку.

Важной отличительной особенностью данной программы является отличие функции проверки правильности сборки от функций, рассматриваемых в предыдущих работах. В данной работе перед запуском основной программы определяется, к какому из портов управления подключен ИК-датчик.

Для этого автоматически опрашиваются все порты, и если на одном из них обнаруживаются показания от ИК-датчика, светодиод моргает соответствующее номеру порта количество раз.

В случае с PORT при обнаружении сигнала с ИК-датчика вызывается функции LED_port_num, которая моргает системным светодиодом.

Если же сигнал с ИК-датчика обнаруживается на каком-то другом порту контроллера СМ-530, функция LED_port_num вызывается с помощью оператора LOOP FOR, выполняющегося заданное количество раз.

Преодоление препятствий на пути.

Разрабатываемый в рамках данной работы мобильный гусеничный робот может быть отнесен к сверхлегкому классу подобных роботов. Такие роботы, как правило, применяются для разведки местности и работают на пересеченной местности, среди руин и завалов.

Подобные мобильные роботы перемещаются достаточно быстро среди завалов, преодолевают уклоны и спуски, но из-за малой массы часто опрокидываются и переворачиваются. Несмотря на это роботы должны выполнять поставленную задачу, а значит, как минимум, продолжать движение.

Для того чтобы робот мог продолжать движение после переворачивания, его конструкцию делают абсолютно симметричной.

Для того чтобы робот мог двигаться в перевернутом состоянии, необходимо изменить направления вращения его приводов. Поскольку подобные роботы перемещаются автономно или зачастую пользователь не может наблюдать за их перемещением, смена направления вращения должна осуществляться автоматически в зависимости от ориентации в пространстве робота.

С целью определения положения робота устанавливается ИК-датчик, направленный в пол. Соответственно в одном из положений робота он срабатывает, а в перевернутом – нет, и наоборот, в зависимости от способа установки датчика.

Управляющая программа робота идентична той, что рассматривалась в предыдущей части, за исключением части, касающейся определению положения робота.

Программа робота состоит из двух симметричных веток, каждая из которых выполняется в зависимости от положения робота. В отличие от программы в предыдущей части, в данной рассматривается единственное дополнительное условие.

Переход от одной ветки программы к другой осуществляется с помощью ИК-датчика, подключенного к PORT, который определяет ориентацию робота в пространстве.

Также в отличие от программы из части № 1, для функций forward и reverse реализованы аналоги slow_forward и slow_reverse, которые обеспечивают медленное движение робота при маневрах.

Данные функции оперируют значениями l_wheel_low_speed и r_wheel_low_speed, описываемыми в начале программы.

Заключение.

Для закрепления материала из данного урока, предлагается выполнить несколько опытных испытаний.

Смоделируйте ситуацию, при которой робот транспортирует груз за пределы черной линии. Для этого оснастите гусеничное шасси двумя ИК-датчиками: спереди для обнаружения объектов и снизу – для определения черной линии.

Исследуйте проходимость гусеничных роботов на пересеченной местности, моделирующей ямы или овраги на пути робота. Направьте робота на преодоление прерывистого препятствия, а сами оцените, как зависит ширина преодолеваемого препятствия от габаритов робота.

Помните, что ничего не ограничивает фантазию разработчиков в рамках решения поставленных задач. И если проходимости вашего робота не хватает для преодоления препятствия на его пути, это не повод отчаиваться, а хороший шанс задуматься и усовершенствовать конструкцию.

Платформа, отвечающая ряду требований: свободное движение, возможность установки дополнительного оборудования и расширения возможностей, а также умеренная стоимость. Вот такую робот- платформу или, просто, гусеничное шасси я и буду делать. Инструкцию, естественно, выкладываю вам на суд.

Нам понадобится:

Tamiya 70168 сдвоенный редуктор (можно поменять на 70097)
- Tamiya 70100 набор катков и гусениц
- Tamiya 70157 площадка для крепления редуктора (можно заменить на кусочек фанеры 4 мм)
- Небольшие куски листовой оцинковки
- Фанера 10 мм (небольшой кусочек)
- Arduino Nano
- DRV 8833
- LM 317 (стабилизатор напряжения)
- 2 светодиода (красный и зеленый)
- Резисторы 240 Ом,2х 150 Ом, 1.1 кОм
- Конденсатор 10v 1000uF
- 2 однорядных гребенки PLS-40
- 2 разъема PBS-20
- Катушка индуктивности 68мкГн
- 6 NI-Mn аккумулятора 1.2v 1000mA
- Коннектор папа-мама двух контактный на провод
- Провода разных цветов
- Припой
- Канифоль
- Паяльник
- Болтики 3х40, 3х20, гайки и шайбы к ним
- Болтики 5х20, гайки и усиленные гайки к ним
- Дрель
- Сверла по металлу 3 мм и 6 мм

Шаг 1 режем металл.
Для начала нам нужно вырезать из листового металла (лучше оцинковки) вырезать четыре детали. По две детали на гусеницу. По данной развертке вырезаем две детали:

Точками указаны места, где необходимо просверлить отверстия, рядом указан диаметр отверстия. Отверстия 3 мм нужны для навешивания катком, 6 мм – для продевания сквозь них проводов. После резки и сверления нужно напильником пройти все края, не оставляя острых углов. По пунктирным линиям согнуть на 90 градусов. Будьте внимательны! Гнем первую деталь в любую сторону, а вторую гнем в обратную сторону. Они должны быть симметрично согнутыми. Есть еще один нюанс: необходимо просверлить отверстия под саморезы, крепящие наши пластины к основе. Делать это надо, когда будет готова основа. Прикладыаем заготоку на основу и отмечаем места сверления так, чтобы саморезы попадали в центр ДСП. Делаем еще две детали по второй развертке:

Шаг 2 готовим основу.
Собираем редуктор по прилагающийся инструкции. Прикручиваем его на площадку. Если нет площадки вырезаем из фанеры 4 мм прямоугольник 53х80 мм и крепим на нее редуктор. Берем фанеру 10 мм. Вырезаем два прямоугольника 90х53 мм и 40х53 мм. Внутри маленького прямоугольника вырезаем еще один прямоугольник, так чтобы у нас получилась рамка с толщиной стенок 8 мм.

Скручиваем все как показано на фото:

В углах площадки сверли отверстия 6 мм и вставляем в них наши болтики 5х20 сверху накручиваем усиленные гайки. Они нужны для последующего крепления разных механизмов или плат. Для удобства сразу клеим светодиоды:

Шаг 3 электрика.
Для управления будем использовать Arduino Nano. Драйвер двигателей DVR 883. На монтажной плате собираем все по схеме.

L1 – катушка индуктивности и C1 нужны для стабилизации напряжения Arduino. Резисторы R1 и R2 перед моторами – токоограничивающие, их номинал надо подбирать под конкретные моторчики. У меня нормально работают при 3 Ом. LM317 нужна для заряда аккумуляторов. На вход можно подавать напряжение от 9.5 В до 25 В. R3 – 1.1 кОм R4 – 240 Ом. «Штырьки» слева используются для последующего подключения разного рода устройств (Bluetooth, модуля связи 433 МГц, IR, Servo и др.). Для питания будем использовать 6 аккумуляторов Ni-Mn 1.2v 1000mA спаянных последовательно и смотанных изолентой.

Шаг 4 собираем основу.
Берем нашу основу, на двусторонний скотч клеим на нее плату. Металлические детали по первой развертке нужно прикрутить на меленькие саморезики к основе по бокам, согнутыми частями наружу. Будьте внимательны прикручивать нужно так, чтобы крайнее 6 мм отверстие надевалось на выходную ось редуктора, низ детали должен быть параллелен основе и симметричен по отношения ко второй такой-же детали. В итоге должно получится:

Для придания нашей самоделке эстетичного вида добавим пару деталей. Это необязательно. Из белого пластика вырезаем прямоугольник 110х55 мм и гнем как показано на фото. Хвостик тоже необязателен, но мне понравилось как выглядит и прикольно трясется при движении:

Эта крышка прикрывает редуктор, чтобы в него не попадала грязь, да и шумит он так меньше. Далее тоже из белого пластика вырезаем прямоугольник 52х41 мм. Делаем отверстия для подключения Arduino и кнопки выключения как на фото:

Клеим все это на двусторонний скотч:

Наклейка для красоты.

Эти две детали можно изготовить практически из любого материала, который есть под руками. Это может быть толстый картон (который потом можно раскрасить), ДВП, тонкая фанера или листик пластика любого цвета. Не забываем про аккумуляторы. Приклеим их на двусторонний скотч на правой металлической части основы:

Шаг 5 гусеницы.
Здесь нам понадобятся наши заготовки по второй развертке. В 3 мм отверстия вставляем болтики с полуцилиндрической головкой 3х20. Надеваем шайбы и накручиваем гайки:

Перед катками необходимо надеть шайбы. Я не поленился и заказал пластиковые шайбы. Можно использовать и обычные металлические, но тогда наши гусеницы получаются очень шумными. После катков накручиваем гайки, не затягивая, а так чтобы катки свободно вращались.

Накидываем на катки резиновые гусеницы. Надеваем пластину вместе с катками на основу, смотря чтобы болтики попадали в отверстия. И затягиваем гайки. Мы получаем почти готовое гусеничное шасси:

Шаг 6 прошивка.

На мой взгляд удобнее всего писать прошивку в Arduino IDE. Собранное нами шасси является универсальным и прошивка требуется в зависимости от конкретной цели. Можно подключить Bluetooth модуль и использовать телефон или компьютер для управления. Также есть возможность подключить IR датчик и использовать ИК пульт для управления. Еще один вариант управления использование 433 МГц модуля для связи с пультом. На основе шасси возможно сделать робота следующего по линии или любой другой автономный. Я выкладываю прошивки для Bluetooth, 433 МГц и IR.