После решения унылых задачек по геометрии – все эти треугольники, углы, синусы и прочая ботаника – настала пора веселой механики и искрометной электроники! Куда и как шея будет двигаться – понятно на уровне моделей. А, вот, для определения того, что именно ее будет двигать – требуется перенос теории в реальный мир для проведения ряда экспериментов…

Вообще, довольно долгое время, собачкина шее просто была прикреплена к доске с глухо заблокированными рычагами, являя собой не более чем “монтажный стенд” не дающей голове прыгать по всему столу. В течение этого времени, идеи привода для всех этих рычагов рождались и умирали со скоростью, с которой голова [робота] тяжелела, обрастая деталями.


Так, например, в самом начале я наивно полагал, что вполне обойдусь каким-нибудь простеньким сервом. Не SG-90, конечно – чем-то покрупнее. Но все же – сервом. Эти влажные мечты рассосались очень быстро… Приблизительно, в тот момент, когда не выдержав веса головы, сломался пластмассовый ведущий рычаг шеи. Стало очевидным, что никакой “настольный” серв это не сможет шевелить. Точнее, шевелить-то сможет, но удерживать долгое время в одном положении – нет. Просто сгорит нахрен…

Следовательно, привод головы должен быть “пассивным”. Т.е., его “силовой агрегат” не должен прилагать усилий во время удерживания того или иного положения головы относительно туловища и работать только в момент изменения этого положения.

К счастью, некоторое время назад, человечество кое-что подобное уже изобрело:

В сущности, на каком-то своем глубинном уровне, болт и гайка, являют собой вид “винтовой передачи”, в которой вращательное движение преобразуется в поступательное. В силу своих особенностей, среди прочих ништяков, такая передача является “самоблокирующейся”… Ну, т.е., попробуйте снять гайку с болта, не вращая кого-то из них…

Думаю, дальнейшее более, чем очевидно. Болт представляется в виде вала с резьбой, а гайка – в виде некоего блока, связанного шарниром с тягой к ведущему рычагу шеи. Вал вращается, блок по нему ползает взад-вперед и таскает за собой тягу, которая управляет наклоном ведущего рычага шеи. Вуаля:

Помните, там выше, про “самоблокировку”? Дык, ну, вот оно и есть: без вращения вала, хрена блок по нему сдвинется, какой бы вес (в разумных пределах) на него не давил. Так, что мотор, который приводит в движение вал, будет прилагать усилия только во время изменения положения головы относительно туловища. В остальное время, на простое удержание головы в той или иной позиции, электричество не нужно вовсе.


В качестве вала привода было решено использовать… Мнэ…

Ну, там, история была… В то время, друг затеял починить неработающие автоматические сиденья в своем сабурбане. Чтобы, типа, по кнопочке на двери само елозило взад-вперед. Ну и нашел для него работающий привод. Там тоже не без приключений было, но это отдельная история о том, как мы на автосвалке куролесили вокруг разбитого юкона…

Сейчас важно то, что старый подохший привод был отдан мне на органы. Вся механика там была вполне себе ОК (проблемы были по электрике). И среди частей механики как раз и нашлось в точности то, что было нужно для шеи механической собачки. Там этого аж два раза нашлось:

Тут, собственно, что сиденье в автомобиле, что голова робота – винтовая передача, она и в африке винтовая передача… А здесь и мелкий шаг, и хорошая сталь, и “ухватистый” блок, и почти нужный размер… Трудно было найти, что-то более подходящее.

Конечно, вал пришлось немного допилить на токарном станке до вот такого состояния:

Никаких ЧПУ – все вручную. Там и делать то было почти нечего. Укоротить, да проточить концы под подшипники на которые он будет опираться внутри конструкции.

Гайка-блок не нуждалась в допиливании сама по себе:

Но ей нужна была “обвязка”, посредством которой она будет связана с тягой к рычагам шеи:

Первая версия “обвязки” не выдержала испытания временем. Продержалась где-то с пол года, после чего развалилась:

Заместо нее была отпечатана намного более “массивная” конструкция:

Она пока держится… Дело в том, что я еще не знаю, как можно сделать аналогичную деталь из металла теми инструментами, что есть. Мой домашний фрезер справился с алюминиевыми рычагами шеи – да. Но там просто резка по контуру, допускающая весьма большие вольности по точности. Эта же “обвязка” – совсем иное дело. Довольно сложная форма, требующая высокой точности. Иначе будут люфты и перекосы. С ней уже не прокатит игра в “плюс-минус пол кило”. И такое мой домашний фрезер по дереву уже не потянет с алюминием или, тем более, с чем потверже.

Вариантов три:

  • Каким-то образом урвать машинное время на работе и сделать деталь на “взрослом” фрезере из куска оружейной стали. Но прямо сейчас все ЧПУ-фрезеры на работе загружены в режиме 24/7 и конца-краю этому не видно. Просто некуда всунуться со своей личной “халтуркой” (самое обидное, что я сам же все это и устроил в рамках своих должностных обязанностей).
  • Надеяться, что новый отпечатанный из пластика блок (PETG, более массивная конструкция, с большим числом периметров, с более плотным заполнением и т.п.) проживет достаточно долго, чтобы я получил возможность таки решить проблему со временем доступа к “взрослым” фрезерам на работе.
  • Разработать совершенно иной вариант механизма, исключающий это “узкое место” в конструкции.

На текущий момент наиболее реальным выглядит второй вариант. Время покажет…


Теперь – мотор. Ну, тот, который должен вращать вал винтовой передачи, приводя все в движение… Собственно, выбор шел между основными, самыми популярными и доступными типами моторов. Условно назовем их “обычный”, “шаговый” и “серв”:

Сервы отпали сразу. Даже и не в мощности дело… У всех сервов ограниченный угол поворота. Обычно 180°. Ну, там, ладно… Бывают и на 270°, и на 360°. Но в данном случае речь идет о паре дюжин полных оборотов на весь доступный ход шеи. Такого уже не бывает в природе. Сервы выбывают из конкурса кандидатов .

Остаются моторы постоянного вращения. Обычные и шаговые. Их есть много разных. Если по мощности там есть вполне себе достойные представители в обоих лагерях, то по оборотам в минуту лидируют обычные моторы – без вариантов. Зато шаговые рвут их, как грелку, по управляемости…

Есть еще фактор размера, но он не так критичен. Место, вроде, есть. Подойдет почти, что угодно в разумных пределах.

Т.о. выбрать надо между скоростью и управляемостью… Молниеносных подбрасываний головы и ловли мух на лету для робота, вроде как не планировалось… Соответственно, вот и победитель – мотор будет шаговым.

Осталось выяснить какой мощности шаговый мотор нужен. Причем, не какая-то там абстрактная мощность сферического коня в вакууме, а его конкретный буквальный торк (крутящий момент) в граммах… В моем случае – унциях… Не суть…

Известно, что:

Можно было бы продраться через формулы расчета винтовых передач, геометрии рычагов шеи и веса головы, добавить их к этой формуле, нарисовать много срывающих башню схем и найти те самые заветные унции на дюйм, необходимые, чтобы этим всем ворочать. Но есть более простой путь – экспериментальный!

Это порочный путь, знаю. Грязный порочный безнравственный путь для любого инженера. Знаю, знаю… Но… Он же такой порочный, грязный и безнравственный! Ня-ня-ня, тентакли… Если в меру, то – можно.

Короче, взял шуруповерт… Самый обычный бытовой шуруповерт. Сейчас они почти все с “трещоткой”.

Т.е., обычно, в шуроповерт встроен некий механизм, который обеспечивает отсечку вращения патрона, если усилие на это вращение превышает некий предел. Ну, например, чтобы при достаточной мощности шуроповерта, шляпки шурупов не прошибали доску насквозь. Когда шляпка упрется в дерево, усилие возрастет, сработает “трещетка” и вращение патрона шуроповерта прекратится.

У всех моих шуруповертов “трещотка” может быть настроена на разные усилия. От минимального, до “руку оторву”. Поэтому, когда часть привода шеи робота была готова до состояния, когда оно как бы уже начало работать, я просто взял шуруповерт, зажал в него вал привода и начал:

Начав с “трещотки” установленной на максимальное усилие, стал постепенно его снижать. Эксперименты показали, что для текущей конфигурации механизма “трещотка” врубает отсечку на третьей позиции переключателя (позиция 1 – мин, 12 – макс).

К сожалению, в документации к шуруповерту не было указана мощность по каждой из возможных позиций. Но был указан минимум и максимум по всему диапазону. Допустив, что шкала переключателя “трещотки” линейная, просто разделил разницу между минимумом и максимумом почерпнутым из документации на 12 имеющихся позиций. И отсюдо вышло, что минимальное усилие необходимое для наклона головы составляет порядка 150 oz.in. Плюс-минус… Это, типа, около 3 ваших кило на см…

Откровенно говоря – вообще ниочем! Сам был удивлен… Т.е. фактически, подойдет чуть ли не любой шаговый мотор из ряда наиболее популярных в среде рукотворцев.

Например, NEMA17. Их там, как собак нерезаных всех мастей. Скажем, одна из самых популярных мастей (“средняя”, 48-миллиметровая) выдает по номиналу до 57 oz.in. Это сильно меньше необходимого, но, в любом случае, планировалось передавать вращение от мотора к валу через шкив.

Простая повышайка 1:3 моментально приведет номинальную мощность мотора к необходимой для шеи. Чпоньк – готово. 170 унций на дюйм при 150 достаточных, согласно экспериментам:

За счет потери в скорости, само-собой. В те же самые три раза. В инженерной бухгалтерии никакие левые приписки не проканают. Это вам не выборы президента… Но, как уже говорилось выше, скорость, в данном конкретном случае – не ключевой фактор.


Итого, начала складываться вот такая конструкция привода шеи:

Из неочевидных моментов – упоры. Это вот эти подшипники на блоке-гайке, которые катаются в проемах каркаса:

Без них, поворотная нагрузка при вращении вала всецело ложится на тягу и рычаг привода головы. А они для этого не предназначены. И это плохо. С этими же опорными подшипниками, все поворотные нагрузки вала ложаться на корпус. А он для этого предназначен. И это хорошо.

Осталось вынуть это все из компьютера и положить на стол. Пару дней печати, тонна болтов, подшипники в каждой дырке и все такое. Никаких особых приключений в части производства не было. Все строго по плану.

Готово:

Ну, а вот так оно, работает своим ходом, уже без шуруповерта:

На видео, контроллер мотора и управляющая им ардуина еще не установлены на место… Хотя сейчас они как бы уже и на месте, но исключительно только ради того, чтобы по столу не валялись. Это и не важно, потому, что в будущем:

Во-первых, в части управляющего блока ардуина упразднится совсем. Мотор шеи будет управляться тем же контроллером, что и моторы колес. Но пока его еще нет, а шею понаклонять очень хочется, поэтому…

Во-вторых появятся концевые выключатели, что внесет некоторые изменения в общий вид конструкции. Благо, что в каркасе достаточно крепежных дырочек для дополнительного обвеса.

Нужда в концевиках, достаточно очевидна. Да, используя шаговый мотор, я всегда знаю положение шеи с точностью, которая мне на самом деле и не нужна даже. Но шаговый мотор (егойный контроллер) должен знать откуда, собственно, считать. Это же не серв, который всегда сам знает свою начальную позицию. Т.о., при включении и инициализации всех устройств робота, мотор должен гнуть шею, например, вверх, пока не сработает концевой выключатель. По факту его срабатывания контроллер будет знать – это начало. После этого он уже сможет осмысленно выставлять шею под любым заданным углом по количеству шагов от той позиции, которую он принял за начальную.

В-третьих, по мере утяжеления головы, установленный NEMA17 работает, если и не на пределе своей мощности, то опасно близко к тому. Даже с учетом понижайки 1:3.

Это можно решить заменой его на более мощную версию. Но еще лучше, заменить мотор NEMA17 на NEMA23. Он чуть больше, но вдвое-втрое мощнее. Для этого придется перепечатать раму на которой все собрано. В ту, что есть, NEMA23 не влезет по ширине. Думаю, приурочить этот апгрейд к смене блока-гайки, ежели до этого дело дойдет и ее таки придется делать алюминиевой. Там для замены, один хрен, почти все по винтикам разобрать придется. Тот еще геммор…


Ну, а, вот так, теоретически, механическая собачка может выглядеть на фоне собачки из мяса:

Конечно, голова робота еще не прикручена к телу. Она просто вложена в него вместе с тисками, которые держали ее на столе. Там, оно даже не так будет расположено относительно туловища – должно быть сильно ниже и ближе к телу. Приложил очень приблизительно по месту, исключительно ради фана и фотографии обоих псов.

До полноценного сращивания головы и тела еще далеко. Само тело предстоит еще изрядно доработать в ряде моментов. Начиная с каркаса, заканчивая начинкой. О каркасе этого тела и пойдет речь в следующих сериях.

Поделиться: