Искусство прототипа: как сделать робота-паука за один день

Это мой первый проект четырёхногого робота. Разработка первой версии длилась около года, последняя модификация уже четвёртая. Есть два варианта исполнения — под сервоприводы sg90 и mg90. Если интересна история развития проекта, можете посмотреть её в блоге.

Ещё два проекта, связанных с пауком – это симулятор на vPython и дистанционное управление с использованием Bluetooth. Они будут рассмотрены во второй и третьей части.

Делать такого паука весело, однако для его реализации Вам потребуется время и терпение.

Скачать все необходимые файлы можно по этой ссылке.

Искусство прототипа: как сделать робота-паука за один день

Искусство цифрового прототипирования сегодня как никогда доступно. Если раньше цикл от идеи до первой модели занимал несколько месяцев, то сейчас программное обеспечение позволяет сократить процесс до одного дня. Как нарисовать скетч с использованием графического планшета, создать цифровой прототип в программе 3D-моделирования, проанализировть прочность конструкции и напечатать результат на 3D-принтере — T&P публикуют подробную инструкцию, составленную с помощью экспертов Autodesk.

Современные технологии открывают перед конструкторами и инженерами удивительные возможности. В качестве одного из примеров можно привести технологию цифрового прототипирования — создание цифрового макета изделия, используемого для испытания его функций и формы, выявления каких-либо недостатков и проведения оптимизации. В этой модели заключено большое количество данных, касающихся концептуальной, механической, электрической составляющей продукта и т.д. Более того, все эти данные взаимосвязаны между собой — изменение какой-либо составляющей влечет за собой автоматическое изменение остальных частей цифрового прототипа. Все это позволяет ускорить сроки разработки изделия, сам процесс проектирования становится более удобным.
Чтобы немного прояснить картину, давайте рассмотрим небольшой пример создания проекта с применением программных средств, базирующихся на концепции цифрового прототипа. Предположим, нам необходимо разработать робота-паука, задачей которого является исследование окружающей местности: т.е. он должен уметь самостоятельно перемещаться, преодолевать препятствие, а также нести на себе устройство записи (видеокамеру). Всего за восемь часов мы сделаем эскиз, построим модель, сделаем динамическое моделирование и инженерный анализ, уделим внимание проводам, кабелям и визуализации.

 

Наш процесс начинается с этапа создания эскиза, на базе которого в дальнейшем будет проводиться построение 3D-модели. Здесь мы определили, как будет выглядеть наш робот: у него есть голова, 6 ног, снизу крепится камера и т.д. Для создания эскиза использовался SketchBook — довольно удобный инструмент для рисования как растровой, так и векторной графики, позиционирующийся как раз как средство для разработки концепции изделий. Его основное преимущество заключается в удобных инструментах «линейки» и «транспортира», с помощью которых становится очень удобно рисовать инженерные эскизы, изобилующие прямыми и строгими линиями. То есть вам даже не обязательно иметь планшет, вы можете нарисовать то, что задумали, при помощи лишь одной мыши (хотя, конечно, об удобстве в данном случае придется забыть).

 

Далее, на основе выполненных эскизов можно приступать к созданию 3D-модели нашего изделия — в некотором роде «скелета» нашего цифрового прототипа, на базе которого будут в дальнейшем проводиться расчеты и оптимизация конструкции, создание технической документации, визуализация и т.д. Модели составных деталей мы выполнили в Inventor, используя твердотельное моделирование. Можно сказать, что построение той или иной детали начинается с рисования ее проекции (эскиза), с которой потом можно выполнить ряд определенных операций, к примеру «выдавить» (если у нас на эскизе был прямоугольник, то в итоге этой операции мы получим параллелепипед) или «повращать» относительно какой-либо оси (выполнив вращение «дольки» относительно соответствующей прямой, получим сферу). На этом список операций с эскизами, естественно, не заканчивается. Таким образом, мы получили три уникальные (неповторяющиеся) детали нашего робота: голова и две части ноги. В среде «Сборка» эти части были соединены воедино, а ноги паука размножены массивом до 6 штук. У человека с опытом работы в 3D-САПР данный этап каких-либо сложностей не вызовет, тем более, что в процессе работы не пришлось сталкиваться с построением каких-либо сложных элементов или с поверхностным моделированием. В итоге мы получили подвижную модель нашего робота, благодаря которой мы можем посмотреть, как будет осуществляться движение нашего робота, не задевают ли детали друг о друга и т.д.

Первое, что бросается в глаза — такой робот не сможет ходить. Просто для того, чтобы переместить его конечность, необходимы как минимум две детали, а не одна. Первая деталь должна поднимать ногу, а вторая — вращать. Возможно немного притянутый, но в то же время яркий пример того, как цифровое прототипирование позволяет избежать возможных ошибок при проектировании изделия. Тем не менее, целью данной инструкции не является попытка представить рабочий продукт, который уже завтра можно отправлять в производство. Скорее, хотелось бы осветить саму концепцию и некоторые возможности цифрового прототипирования, так что на перечисленных выше конструктивных особенностях мы заострять внимание не будем, а перейдем к следующему этапу.

Этот этап является по сути подготовительным перед конечно-элементным анализом. С механической точки зрения наш робот — совокупность механизмов различных типов, взаимодействующих между собой. И для того, чтобы определить стабильность их работы и провести последующую модернизацию конструкции, необходимо провести кинематический и динамический анализ механизмов. В данном случае мы рассмотрели циклический процесс подъема и опускания одной из ног робота. По заданным изначальным характеристикам (изменениям координат, скорости и действующей на механизм силы) с помощью модуля «Динамическое моделирование» можно получить интересующие нас параметры, увидеть, как они меняются во времени. В частности, возникающее в кинематической паре усилие. Основная сложность, которая возникает на данном этапе, — это переход от реальной модели к расчетной: необходимо правильно подобрать и настроить модель в программе, чтобы она как можно ближе соответствовала тому, что происходит с конструкцией в реальной среде. Все сводится к тому, чтобы провести ряд приближений и упрощений задачи, задать вид соединения элементов, правильно указать действующие силы и т.д.

 

Полученные на предыдущем этапе данные потребуются нам для проведения прочностного расчета, на основании которого можно определить, каким образом можно улучшить нашу конструкцию. К примеру, мы хотим повысить эффективность робота за счет уменьшения его веса. Чем легче его составляющие, тем меньше необходимо затратить энергии на выполнение того или иного действия. Убрать часть материала можно, естественно, до определенной меры — конечности нашего робота должны оставаться достаточно прочными, чтобы выполнять поставленные изначально задачи. К примеру, можно вырезать окно в нашей детали и укрепить ее затем пересекающимися балками. А определить оптимальные размеры этих конструктивных элементов как раз помогают расчетные системы автоматизированного проектирования, в частности Autodesk Simulation. Расчетные САПР основываются на решении огромных матриц, базирующихся на конечно-элементной модели и уравнениях, характерных для той или иной области (если мы имеем дело с задачей прочности — закон Гука, если же это гидрогазодинамика — уравнения Навье-Стокса и т.д.). На основании нескольких проведенных расчетов была предложена конструкция, представленная ниже. Как можно заметить, наш робот стал не только легче, но и красивее!

И это только один из примеров возможной оптимизации. Здесь все ограничивается вашим инженерным опытом, чутьем и воображением. Внесенные в геометрию детали изменения автоматически заносятся и в модель, и в чертежи, созданные на ее основании. Это очень удобно, и обычно не требуется никакого вмешательства со стороны пользователя в данный процесс.

Что касается сложностей, которые могут возникнуть на данном этапе, то они во многом схожи с динамическим моделированием: это переход от реальной задачи к расчетной модели. Необходимо обладать определенным опытом, чтобы понять, как правильно задать граничные условия, какие принять допущения в задаче и т.д.

Одним из заключительных этапов построения цифрового прототипа является работа с проводами в среде Inventor «Провода и кабели». Здесь мы создаем электрические компоненты, соединяем их между собой, настраиваем их параметры и осуществляем прокладку кабельной трассы. В результате мы получаем трехмерную монтажную схему, рассчитанные диаметры кабелей и длины проводов, а также ассоциативную документацию (таблицы длин проводов, таблицы подключений, перечни элементов и кабельных трасс).

Заключительным этапом построения нашего цифрового прототипа является визуализация проекта. Здесь все относительно просто: экспортируем нашу модель в программу-рендер, указываем пару настроек и ждем полчаса, пока будет готово наше красивое изображение.

Примерно таким вот образом происходит создание цифрового прототипа. В зависимости от сложности разрабатываемого продукта, описанная выше схема может расширяться за счет дополнительных этапов, например, создания чертежной документации или оптимизации модели под 3D-печать.

Возможно, у читателя может возникнуть вопрос: разве концепция цифрового прототипа не была известна до этого? Ведь подобные САПР, способные справиться с вышеперечисленными задачами, существуют уже не один десяток лет. Так и есть, но далеко не многие программы способны хорошо обмениваться между собой информацией и адаптивно подстраиваться под ее изменение. То есть они обеспечивали только часть функциональных возможностей, необходимых для создания полного цифрового прототипа. Сейчас же эта технология стремительно развивается, что можно заметить на выпускаемой продукции многих программных вендоров, в частности Autodesk. Мы очень коротко рассмотрели небольшой пример демонстрационной работы, которая была выполнена буквально за пару часов. Конечно, более детальные и серьезные проекты требуют гораздо больше времени, но, тем не менее, на основании вышеизложенной информации можно сделать вывод, что использование цифрового прототипирования позволит сэкономить значительную часть времени, ресурсов и сил.

Текст: Евгений Тулубенский

Участвуйте:

• Азбука 3D-прототипа
• Как создать игрушку на 3D-принтере
• Конструкторская мастерская 3D-принтинга

Принять участие в «Делай Фесте»

Дальнейшая модернизация квадрокоптера на Arduino

Основные проблемы с маленьким квадрокоптером — его стоимость и вес. Можете поискать моторы побольше и помощнее, но это особо не улучшит его характеристики. Что вам действительно поможет, (если вы готовы отдать больше денег) — это безщеточные (вентильные) моторы. По характеристикам они на порядок лучше, но в довеску к ним надо использовать контроллеры скорости, что сделает квадрокоптер дороже.

Для уменьшения веса конструкции лучше всего использовать именно Arduino Uno, так как к этой модели контроллера можно снять «прошитый» чип микропроцессора и установить его непосредственно на вашу ProtoBoard. В результате вы выиграете около 30 грамм веса, что немало при таких масштабах. Дополнительно вам надо будет использовать еще несколько конденсаторов и т.п. Или, как альтернативный вариант, можно использовать Arduino Pro Mini.

Программа для Arduino, которая написана и представлена в предыдущем разделе, может быть легко расширена и обогащена дополнительным функционалом. Самое главное, что на этом этапе квадрокоптер уже может автоматически стабилизировать полет. Если вы хотите настроить дистанционное управление, можете посмотреть в сторону трансмиттеров/ресиверов или bluetooth модулей. В общем, основа у вас теперь есть, а пространства для дальнейшей модернизации — еще больше.

Оставляйте Ваши комментарии, вопросы и делитесь личным опытом ниже. В дискуссии часто рождаются новые идеи и проекты!

Необходимые узлы, детали и оборудование

Для проекта квадрокоптера с управлением от Arduino нам понадобятся:

• — провода;
• — литиевые аккумуляторы на 3.7 В;
• — транзистор: ULN2003A Darlington Transistor (можно взять транзистор, который поддерживает нагрузки и побольше);
• — моторы: 0820 Coreless Motors;
• — микроконтроллер: Arduino Uno;
• — акселлерометр/гироскоп: плата MPU-6050 (дешевый и сердитый вариант типа «все в одном»);
• — 3D принтер или доступ к нему для печати деталей конструкции квадрокоптера;
• — инструменты (в том числе паяльник и умение им пользоваться!).

Ссылки для заказа необходимого электронного оборудования, которое использовалось в проекте из Китая

• КУПИТЬ литиевые аккумуляторы 3.7 В (Будьте внимательны, среди предлагаемых товаров Вам надо найти именно подходящий Вам!);
• КУПИТЬ транзисторы ULN2003A;
• КУПИТЬ двигатели;
• КУПИТЬ Arduino Uno R3;
• КУПИТЬ MPU-6050;

Схема проекта

Схема робота на Arduino, объезжающего препятствия, представлена на следующем рисунке. Как видите, в схеме мы использовали плату Arduino Nano, но эту же схему без изменений можно использовать и в случае использования платы Arduino Uno. Код программы в этом случае также останется без изменений.