Robot HMU-1

Szkielet robota wykonany jest w większości z pustych profili aluminiowych. Są one lekkie i wytrzymałe a do tego można je łatwo obrabiać. W przedstawionym robocie część nóg i niektóre elementy korpusu wykonane są z rurek aluminiowych od starego łóżka polowego. Po dokładnym wyczyszczeniu drobnym papierem ściernym wyglądają całkiem nieźle.

Prostopadłościenny korpus początkowo zbudowany był wyłącznie z profili kwadratowych 10×10 mm ale szybko okazało się, że nie wytrzymują one dużych obciążeń (szczególnie po przewierceniu) a dokładanie kolejnych poprzeczek nie miało by sensu. Dlatego spód, tył i boki wzmocniłem dodatkowo grubszymi profilami (kwadratowymi i płaskimi). Warto tutaj wspomnieć, że istotne jest jaki przekrój ma element konstrukcji i jakim obciążeniom będzie poddawany. Na przykład okrągłe profile lepiej wytrzymują obciążenia ale za to do kwadratowych łatwiej coś przymocować. Korpus połączony jest z nogami poprzez łożysko stożkowe, które doskonale sprawdza się przy obciążeniach ściskających. Przy czym głowa i tułów nie są połączone na sztywno. Pomiędzy nimi umieściłem zwykłe łożysko kulkowe. Dzięki temu głowa i korpus mogą obracać się niezależnie.

Nogi robota stanowiła początkowo podstawa wykonana z profili aluminiowych. Szybko okazało się jednak, że w miarę dokładania kolejnych części jest ona za słaba. Mając do dyspozycji części od starego łóżka polowego oraz dwie nieużywane półki zabrałem się do projektowania. Po oczyszczeniu i przycięciu rurek do odpowiedniej długości ułożyłem je na podłodze i odrysowałem na tekturze. Następnie z drewna , przy pomocy wcześniej wykonanych wzorów, wyciąłem kąty i zakończenie. Użyłem drewna bo jest to mocny łącznik a na podobnej grubości części aluminiowe nie miałem co liczyć. W sumie pomysł okazał się dość dobry bo "kanapkę" drewno-aluminium-drewno łatwo można było połączyć używając wkrętów a nie męczyć się ze śrubami i nakrętkami. Aby ukryć wkręty, które okazały się trochę za długie, wyciąłem z blachy odpowiednie kształty i przykręciłem do drewna. Blacha pochodziła ze starej obudowy komputera PC, którego płyta główna pracuje zresztą w robocie. Połączenie nóg, na którym jednocześnie zamocowane jest łożysko, wykonałem ze starej sondy do badania spalin. Jej profil w kształcie litery "U" i przekroju pełnego kwadratu aluminiowego 40×40 mm idealnie się do tego nadawał.
Nogi początkowo połączone były z podstawą wyposażoną w dwie gąsienice napędzane silnikami od wycieraczek samochodowych. Jednak ze względu na znaczny wzrost wagi niezbędna będzie zmiana ich konstrukcji.

Głowa pochłonęła znacznie więcej czasu. Na początku górną jej część stanowił kask rowerowy, do którego łatwiej było wszystko przymocować i w razie konieczności regulować. Istotną sprawą było tu współdziałanie wszystkich elementów bez oporów i przeszkód. Ramki podtrzymujące kolejne podzespoły głowy i w których obracają się oczy wykonałem z 10 mm płaskich profili aluminiowych. Po dokładnym ustawieniu elementów głowa została rozłożona. Z blachy pozostałej z obudowy PC wyciąłem 10 mm paski i odwzorowałem z nich wewnętrzną płaszczyznę kasku. Oczywiście nie stanowią one jednolitej powierzchni ale konstrukcję. Oprócz zyskanego miejsca na układy nieoczekiwaną zaletą okazała się cichsza praca mechanizmów, ponieważ kask przez swój kształt potęgował dźwięki.

Ręce a właściwie ręka bo druga spełnia inne zadanie, zrobiona jest z różnych elementów. Głównym "rdzeniem" są rurki z łożyskami ślizgowymi pozostałe po silnikach od wycieraczek samochodowych. Na ruchomy przegub przedramienia użyłem podstawę od
starego monitora. Doskonale się sprawdza ze względu na dużą płaszczyznę styku obracających się elementów a tym samym zapobiega odchylaniu się ręki pod własnym ciężarem. Resztę konstrukcji stanowią profile aluminiowe o różnych przekrojach połączonych jak zwykle śrubami.
Palce dłoni wykonałem z 10 mm płaskich profili aluminiowych i połączyłem małymi zawiasami. Od spodu przykleiłem poduszki gumowe w celu zapewnienia pewniejszego chwytu. Warto dodać, że palce nie są połączone ze sobą "na sztywno" i jeden może zatrzymać się wcześniej od innych. Cała dłoń stanowi jeden mechanizm. Całość nie jest trudna w wykonaniu za to efekt końcowy jest bardzo dobry.

Mechanizmy W głowie robota pracuje pięć mechanizmów. Trzy z nich, sterujące oczami i pochylaniem głowy, wykonane są z zestawu kół zębatych od starego aparatu fotograficznego (wyzwalacza czasowego) i silniczków od walkmanów. Mechanizm poruszający oczami w prawo i lewo działa na identycznej zasadzie co system skręcania przednich kół w popularnych zabawkach. Układ poruszający szczęką pochodzi od napędu cd-rom i jest to po prostu przekładnia ślimakowa. Całą głowę obraca silnik od wycieraczek samochodowych. Zasada działania układu pochylającego głowę (lewo-prawo) jak i sterującego oczami (góra-dół) jest taka sama. Wszystkie połączenia ruchome nie są łożyskowane a jedynie pracują na zasadzie ślizgowej. W niczym to zresztą nie pogarsza zdolności ruchowych bo siły tarcia są tu tak małe, że nie jest konieczne stosowanie jakiś specjalnych połączeń.
Tułów poruszany jest za pomocą silnika od wycieraczek przy czym niezbędne okazało się dodanie dodatkowego przełożenia w postaci kół zębatych ze względu na duży ciężar korpusu.
Głowa i tułów poruszają się niezależnie (oczywiście w tym przypadku na odpowiednich łożyskach) co dało większe możliwości ruchowe (obie części mogą się też poruszać razem dzięki układowi, który porównuje potencjały na osiach).

Układ ręki jest dość prosty. Największy mechanizm (znowu silnik od wycieraczek samochodowych) poruszający ramieniem przesunięty jest jak najwyżej co pozytywnie wpływa na rozmieszczenie środka ciężkości. Pracuje on na zasadzie przekładni ciernej. Na tułowiu robota umieszczone jest koło z wykładziną gumową, po której przesuwa się oś mechanizmu. Także układ poruszający przedramieniem umieszczony jest wysoko a ruch przenoszony jest za pomocą cięgna. Ze względu na to, że przedramię razem z dłonią okazało się dość ciężkie (trzeba wziąć pod uwagę również ciężar chwytanego przedmiotu) niezbędne okazało się dodanie siłownika hydraulicznego, który jednocześnie wspomaga mechanizm i stabilizuje jego pracę (po uruchomieniu ręka nie opada nagle tylko pracuje z jednakową szybkością w górę i w dół).
Dłoń osadzona na łożysku posiada możliwość obrotu o 90o. Mechanizm sterujący umieszczony jest w ramieniu a napęd przeniesiony jest za pomocą elastycznej linki w pancerzyku.
Dłoń na pierwszy rzut oka może wydawać się skomplikowana ale tak naprawdę jest dość prosta a wykonanie jej i zmodyfikowanie daje duże możliwości, szczególnie przy zastosowaniu odpowiedniej elektroniki. Palce wykonane są z płaskiego profilu aluminiowego. Poszczególne odcinki połączone są za pomocą małych zawiasów. Gotowe palce przytwierdzone są do płytki aluminiowej o długości i szerokości zapewniającej swobodną pracę każdego z elementów. Ciekawą rzeczą jest to, że pomimo użycia tylko jednego mechanizmu, każdy z palców jest do pewnego stopnia niezależny i może zatrzymać się na chwytanym przedmiocie podczas gdy inne będą się dalej zaciskać. Zdolność ta jest uzyskana dzięki temu, że każdy z nich jest poruszany dwoma paskami sprężystej blachy (pochodzącej od napędu zegara mechanicznego), które działają podobnie do ścięgna. Mechanizm przesuwając się do przodu sprawia, że paski zaginają palec. Jeżeli palec napotka na opór blaszka wysuwa się po prostu w miejscach, w których są zawiasy. Także w tym przypadku zespół kół pochodzi od zegara mechanicznego a silniczek od walkmana. Najtrudniejszą rzeczą jest wykonanie bocznych prowadnic, po których poruszają się koła zębate i cały system poruszający. Chodzi o to aby cały zespół (mechanizm i płytka z zamocowanymi ścięgnami) przesuwał się równo do przodu ponieważ jeżeli dojdzie do zakrzywienia i zablokowania prowadnic mechanizm może ulec uszkodzeniu. Ważną czynnością jest precyzyjne wykonanie elementów, w których przesuwają się sprężyste paski (w kształcie odwróconej litery T) a szczególnie równoległe wycięcie rowków. Ostatnią niezbędną rzeczą są kawałki blaszek łączące dwa ścięgna każdego palca ponieważ bez nich sprężyste paski "wolą" wyskoczyć z rowków niż zgiąć palec.

Oprócz przedstawionych mechanizmów jest jeszcze system automatycznego wysuwania oświetlenia wykonany ze starego napędu cd-rom a także wysuwana płytka sterująca z zamkiem kodowym.

Układy Głównym sercem systemu jest komputer 486. Wykorzystanie komputera znacznie uprościło planowanie reszty układów. Zaletą jest możliwość rozbudowy zarówno sprzętowej jak i programowej. Dodatkowym plusem jest to, że do sterowania robotem z powodzeniem można wykorzystać jeszcze wolniejsze maszyny. Starsze modele są często lepsze do tego typu celów bo są mniej "energożerne" i nie wymagające tak intensywnego chłodzenia jak nowsze maszyny. Mocy obliczeniowej starczy aż nadto. Komputer komunikuje się z mechanizmami poprzez dwa porty drukarkowe. W moim komputerze był jeden taki port. Problem to jednak żaden, bo wystarczy dołożyć kartę I/O i w ten sposób zwiększyć możliwości sterowania o dodatkowe wyjścia.

Podłączenie mechanizmów nie wymaga ingerencji w układy komputera. Są one po prostu podłączone do portu drukarkowego poprzez prosty układ elektroniczny. Program wykonawczy wywołuje stan wysoki na poszczególnych końcówkach portu i w ten sposób steruje pracą mechanizmów. Cały cykl kolejności i długości załączeń jest zaprogramowany. Tak więc mechanizmy włączają się z góry określoną kolejnością. Nie dotyczy to oczywiście całego robota, a jedynie głowy, która jakby "wyszukuje" zmian w otoczeniu. Sposób pracy przypomina trochę działanie radaru z tym, że wyszukiwanie odbywa się w różnych kierunkach.
Po wykryciu ruchu lub obecności przedmiotu w ustawionym promieniu, czujnik przerywa pracę pętli programu i skierowuje głowę w kierunku zdarzenia. Warto dodać, że głowa również nie pracuje bez przerwy, ale dopiero po wykryciu ruchu przez czujnik dalekiego zasięgu. Występuje więc tu coś w rodzaju hierarchii. Najpierw czujnik wykrywa ruch w pomieszczeniu. Potem następuje załączenie programu sterującego głową i w końcu precyzyjne ustawienie głowy przez pozostałe czujniki. Najprostszy sposób w jaki mogą działają te ostatnie to sytuacja, w której np. po zbliżeniu ręki od dołu, robot pochyla głowę do przodu. W przyjętej wersji czujnik zbliżeniowy załącza po prostu element wykonawczy sterujący mechanizmem. Po oddaleniu ręki następuje powrót mechanizmu do stanu początkowego.
To, że jeden czujnik o większym zasięgu czuwa podczas, gdy inne nie są aktywne ma też inną cenną zaletę. Obecność wielu układów pobierała by zbyt dużo energii. Dlatego też jeżeli główny czujnik podczerwieni nie wykryje ruchu, to po określonym czasie, poprzez przekaźnik wyłącza większość zasilaczy wprowadzając robota w stan uśpiony. Aktywny pozostaje jedynie czujnik i komputer. Ma to duże znaczenie w przypadku zasilania z akumulatora, gdzie każdy mA jest cenny.

Czujniki W chwili obecnej w robocie pracują czujniki podczerwieni, ultradźwiękowe i światła, w sumie dziesięć. Jest też mała kamera ale na razie nie jest podłączona. Istotne jest jaki rodzaj czujnika użyjemy. Na przykład jeżeli w głowie były by zainstalowane same czujniki ruchu to po włączeniu powstał by kompletny bałagan. Poruszająca się głowa włączała by wszystkie układy i niczego byśmy w ten sposób nie osiągnęli. Dlatego niezbędne okazało się zastosowanie czujników zbliżeniowych, które nie reagują na ruch, ale jak sama nazwa wskazuje, na bliskość obiektu.

Także ręka aktywowana jest poprzez czujnik zbliżeniowy. Jeżeli jakiś przedmiot znajdzie się w zasięgu chwytu, następuje automatyczne wysunięcie ręki i otwarcie dłoni. Następnie dłoń zamyka się i zatrzymuje dopiero, gdy czujniki na trzech dowolnych palcach wyślą sygnał o pewnym chwycie lub gdy dłoń zaciśnie się zupełnie.
Oprócz czujników ruchu i zbliżeniowych są także fotoelementy. Po odpowiednim ustawieniu umożliwiają przełączanie robota w nocy w tryb standby lub na odwrót włączają oświetlenie.
W przyszłości foto-elementy przydadzą się także do systemu solarnego ładowania akumulatorów, który będzie się uaktywniał w przypadku bezczynności robota.
Będą wtedy "naprowadzać" ogniwa słoneczne na miejsca o największej intensywności światła.

Wykorzystane w robocie silniki krokowe pełnią trochę nietypową funkcję. Wał silnika sterowanego przez układ elektroniczny obraca się o 180 stopni w lewo, a następnie w prawo. Do wału silnika przymocowana jest płytka z czujnikiem zbliżeniowym oraz jeden z potencjometrów układu porównującego napięcie. W ten sposób czujnik obraca się z niewielką szybkością w zakresie 180 stopni pełniąc funkcję radaru. Jeżeli czujnik napotka na przeszkodę rozłączy zasilanie zatrzymując silnik krokowy (w ściśle określonym miejscu). Po zatrzymaniu silnika następuje włączenie zasilania układu porównującego napięcie na wale silnika krokowego oraz na jakimś innym mechanizmie, na przykład obracającym tułów. W ten sposób tułów, podłączony do układu ustawi się dokładnie pod tym samym kątem co ruchoma część radaru. W podobny sposób połączone są mechanizmy poruszające głową i korpusem. Porównując napięcia na wałach ustawiają się dokładnie w jednej linii.

Zasilanie Stanowią trzy zasilacze komputerowe. Ich niewątpliwą zaletą, oprócz dużej wydajności prądowej, jest układ automatycznego bezpiecznika w przypadku przeciążenia. Nie ma więc co się martwić w przypadku zwarcia. Wystarczy jedynie wyłączyć na chwilę zasilacz. Dodatkowo każdy z nich posiada wentylator chłodzący. Cztery mniejsze zasilacze umieszczone są w jednym pudełku. Oprócz nich zmieściły się tam jeszcze elementy wymagające chłodzenia, a które można było połączyć z zewnętrznymi układami za pomocą przewodów. Po umieszczeniu wszystkich elementów w ściance wystarczy wyciąć odpowiedni otwór i podłączyć wentylator. Oczywiście konieczne są także otwory po drugiej stronie dla zapewnienia obiegu powietrza. Przy radiatorach zasilaczy komputerowych oraz w środku czwartego "bloku chłodzącego" umieściłem termistory. Czujniki podłączone są do termometru, który steruje pracą wentylatorów.
Można włączać i wyłączać wentylatory przy określonej temperaturze albo na przykład sterować płynnie ich pracą w zależności od potrzeb. Zasilanie w robotach mobilnych, jeżeli chodzi o baterie, jest ciągle dość dużym problemem. Duża ilość układów i serwomechanizmów szybko wyczerpuje akumulator. Pocieszający jest fakt, że widoczny jest wyraźny postęp w pracach nad wydajnymi ogniwami słonecznymi. Można by wtedy zaprojektować układ zapobiegający całkowitemu rozładowaniu baterii poprzez przełączenie robota w tryb ładowania solarnego.

Źródło: mu9@tlen.pl