Питание автономного робота – ключевой момент, в котором желаемое остро конфликтует с доступным. Доступным не столько с точки зрения кошелька, сколько доступным в принципе (на данном этапе развития технологий реального мира). Уж не знаю, там, от какого внутреннего стерво-ядрёного реактора питался вымышленный К-9 в фильме, но по эту сторону экрана, оно явно еще не изобретено. И, совершенно точно, заниматься его изобретением я пока не намерен. Поэтому буду использовать то, что уже изобрели до меня, в том виде, в котором оно доступно на полках в магазине.


В области домашнего роботостроения сейчас правят балом т.н. LiPo (Lithium-Polymer) аккумуляторы всех цветов, форм, размеров, вольтажа и емкости.

Вроде бы, выбирай, что хочешь и не парься. Если бы не одно “но”…

Я их боюсь. Взаправду. Они ж, натурально, все как один, припадочные! Чуть потянул из них больше допустимого – БАБАХ! Чуть где что вздулось – БАБАХ! Чуть чего не так с зарядкой намудрил – БАБАХ! Долго полежали – БАБАХ! На пол случайно уронил – БАБАХ!

Старая динамитная шашка из глины и нитроглицерина по сравнению с этими аккумуляторами – образец безопасного и надежного источника энергии.

На другом конце коромысла – старые-добрые “автомобильные” аккумуляторы.

Емкие, надежные, простые в обращении и предсказуемые в своем поведении, как политические дебаты на CNN. Если бы не одно “но”…

Даже самые хорошие современные “герметичные” аккумуляторы такого типа, хоть чуточку, но подтекают. А ну, как еще вскипит мальца случайно при зарядке? Такое сплошь и рядом. Конечно, скорее всего при этом ничего не взорвется и голову не оторвет. Но меня совсем не улыбает ниагара серной кислоты по алюминиевому каркасу робота. И дымящиеся дырки на ламинате пола в доме, это тоже будет не щенок написал.

В общем, подбирать надо что-то между двумя этими крайностями. Чтобы не разливало кислоту во все стороны и не взрывалось от косого взгляда. При этом было бы емким, компактным и… тяжелым. Как это ни странно звучит, но последнее требование является не менее ключевым, нежели ампер-часы и вольтаж.


Дело вот в чем…

Чуть ли не все на этом свете состоит из головы и жопы. Как в прямом, так и в переносном смыслах. Ну, так уж устроена Вселенная

Мой робот не является исключением в этом мироустройстве. Причем для него, достижение баланса и равновесия между этими сущностями, не только вопрос феньшуя, но и жизненно необходимое свойство.

Точкой равновесия для механической собачки является ось ее передних ведущих колес:

Если перевесит голова (A), то робот ткнется носом в пол, болтая задними опорными колесиками в воздухе и будет выглядеть глупо. Если перевесит жопа (B), то упадет сцепление ведущих колес с полом, он будет буксовать не в силах сдвинуть свою тяжелую задницу с места и будет выглядеть глупо.

Чтобы не выглядеть глупо, голова робота должна быть уравновешена с жопой. При этом, голова должна быть немного легче. Скажем, на 10%. Тогда он не будет клевать носом ни при каких обстоятельствах, а основная часть веса придется на точку опоры С в области ведущих колес, обеспечивая их надежное сцепление с полом для движения и маневров.

Пришлось опять считать всякие треугольники, вспоминать старика Архимеда, который вечно просил какую-то палку, чтобы свернуть кому-то шею, всякие там FA* l1= FB * l2 и прочую чепушню из средней школы, которую я всегда люто ненавидел… Короче, с учетом текущего веса головы (FA) к которому я на всякий случай докинул 20% “на вырост”, выходило, что для достижения феньшуя, в жопу (FB) надо натолкать порядка 25-28 фунтов веса.

Немало. Но с учетом того, что для расчетов мощности ходовой части я закладывал вес робота в 50 фунтов – пока все в пределах ожидаемого.


Возвращаясь к аккумуляторам. С весом определились, он же навяжет и их габариты. Теперь черед всяких несущественных глупостей типа вольтажа, мощности и емкости…

Тут все просто, на самом деле… Вольтаж так и вообще за меня выбрали моторы колес совершенно самостоятельно.

Для достижения необходимого торка и скорости во время движения, при заданном радиусе колеса и общем весе робота, идеально подходили шаговые NEMA23, как уже говорилось ранее. А для NEMA23 идеально подходит напряжение 24 вольта, согласно документации. Вот и вся задача с вольтажом.


С емкостью дела обстоят лишь ненамного сложнее. Собственно, надо решить сколько я хочу, чтобы робот прожил автономно без подзарядки.

Для этого необходимо представлять себе потребление всех его компонентов, хотя бы в общих чертах. Ибо, очевидно:

Самые прожористые у робота – моторы. Ходовые укушивают до 2.8A в пике. Шаговик наклона шеи укушивает до 1.6А в пике. Но робот не ездит постоянно, как и не мотает постоянно головой. Да и когда он это делает, если без упирания в стены и преодоления препятствий, по ровному полу, в среднем ходовые моторы потребляют даже меньше 1А.

Мозги могут укушивать до 2.5А в моменты интенсивного осмысления реальности. И можно смело предположить, что столько же будет накушивать весь остальной зоопарк контроллеров, сенсоров и мелких сервов. Это все тоже в пике (одновременно шевелятся все сервы, опрашиваются все датчики, работает камера, горит вся подсветка на всю катушку и т.п.). В обычном режиме, мозги и контроллеры потребляют порядка 1.5А на всех.

Ну, вот так оно и выходит, что в среднем, оно все кушает около 3А.

Предположим, я хочу, чтобы робот был относительно активен некую часть нашего человеческого дня. Ночью мы спим и робот нам не нужен. Пускай и он спит. На своей зарядке… Днем, тоже, ясен пень, с ним часами напролет никто играть не собирается. Так, что и значительную часть дня он тоже будет спать на зарядке. Поэтому, ну допустим, пускай у него будет автономной жизни на 3 часа в сутки. На самом деле, думаю, будет еще меньше. Все “свободное время” ничто не мешает роботу проводить на своей док-станции, где он будет заряжаться, оставаясь при этом вполне себе активным и готовым реагировать.

Итого, 3 часа автономной жизни робота при среднем потреблении 3-5A, дают нам необходимую ёмкость батареек порядка 12AH.

Вот и последний параметр для выбора.


С учетом выдвинутых требований, собственно и вариантов то не было особо:

Два паверсоника 12120F2. Достаточно стандартные – на случай замены в будущем. AGM – не текут, не взрываются. 12V-12AH, что в сумме дает 24V и 12AH. Весят по 16 фунтов каждый. Для феньшуя между головой и жопой вес выходит немного больше расчетного, конечно… Но, как я уже сказал, выбирать было особо не из чего. Так, что…

Там, вообще, смешно получилось… В начале ноября у меня был ДР. Друзья, не сговариваясь, решили протралить мой вишлист на амазоне. Как очевидный итог – надарили кучу запчастей для механической собачки. Контроллеры, деталюшки всякие. В т.ч. и эти аккумуляторы. В какой-то момент, даже, возник вопрос: а у меня ли День Рождения? :-)
Пользуясь случаем, хочу еще раз сказать всем большое спасибо!


Параллельно с решением вопросов по батарейкам, изобреталась схема “центральной электроподстанции” в целом. Одно напрямую связано с другим.

Компонентов в роботе много, все находятся в разных частях корпуса, все хотят какого-то своего вольтажа. Значит, кроме батареек, необходимо предусмотреть мощные преобразователи питания. Необходимо предусмотреть предохранители. Необходимо предусмотреть выборочное подключение/отключение компонентов для отладки. Необходимо предусмотреть две системы зарядки (писал о них тут)… Это все вместе с крепежом для батареек – большое, комплексное и достаточно серьезное решение. Оно не просто так взять и два провода воткнуть… Почти две недели обдумывания, рисования, проектирования…

Получившаяся схема питания робота выглядит следующим образом:

Предусматривает в себе три основных магистрали.

Одна – на 24 вольта – всегда под напряжением, когда робот функционирует в штатном режиме. Она необходима для функций зарядки батарей и поддержания всего одного-единственного “вечно живого” контроллера, который умеет разбудить все остальное, подав питание на другие магистрали.

Вторая магистраль – тоже на 24 вольта – обслуживает моторы ходовой части и механизма шеи. Это небольшая магистраль на 7 “высоковольтных” устройств. Сейчас на ней висят три мотора (колеса, шея). 4 оставшихся выхода – в запасе.

Третья магистраль – 12 вольт и с самым большим числом выходов к потребителям – питает весь зоопарк контроллеров и мозгов. Там на уровне конечного потребителя все равно стоят свои преобразователи, т.к. каждый потребитель хочет черте-чего: от 3.3 до 9 вольт. И каждый, там, сам решает свои проблемы, как ему нужно. Это не забота “центральной электроподстанции”. Но почти все преобразователи “местного значения” на вход хотят не более 12 вольт. Поэтому травить на них 24 вольта напрямую с батареек не очень хочется. Дать им всем входящие стабильные 12 вольт – и есть забота “центральной электроподстанции”. Это она и делает.

Для обслуживания всех основных магистралей, “подстанция” включает в себя одно силовое реле, управляемое “вечно живым” контроллером и мощный преобразователь питания на 12 вольт для “низковольтной” магистрали.

Два измерителя вольтажа на магистралях (24-вольтовой и 12-вольтовой) и измеритель общей потребляемой мощности. Эти измерители считываются “вечно живым” контроллером и собранные им данные могут быть запрошены мозгом на предмет “сколько мне жить осталось при текущем расходе и не пора ли поехать перекусить?”

Два тумблера для общего контроля. Один – переключает зарядки между “автоматической” и “ручной”. Другой для вырубания всех высокоуровневых контроллеров, включая “вечно живого” и мозгов. Во избежание! При этом, функция зарядки сохраняется… Собственно, только одна эта функция и сохраняется у робота.

Два предохранителя-автомата.

Один – непосредственно у батареек. При внезапном замыкании (или нагрузки более чем 10А) он вырубает все. Вообще все. Контроллеры, зарядки, мозги. Абсолютно все, что не батарейки. Бряк – привет. Как сброс ядра реактора в корабле из Стар Трека. Робот впадает в состояние клинической смерти. Зато хоть не сгорит чего из дорогостоящего. Ну, или, по крайней мере сгорит не все.

Другой предохранитель – на линии от зарядок. Мало ли чего там. Вдруг вместо 8 зарядочных ампер лупанут 50-100 от которых аккумуляторы порвет. Предохранитель в миг это пресечет. Вырубит зарядки к хренам, сохранив при этом весь основной функционал робота (пока у него там в батарейках хоть что-то остается).


Место для батареек в каркасе туловища было уже определено заранее:

Единственное чего не хватало для начала производства – буквальных размеров батареек и буквальной схемы “электроподстанции”. Теперь все есть. Можно спокойно приступать к изобретению крепежа.

Оный представляет из себя довольно замороченную кракозябру, образующую два отсека для двух баратеек:

… и шин магистралей на задних крышках:

До кучи, к этой же кракозябре крепится и основная обслуга “подстанции”: все эти реле, преобразователи и т.п.

Не смотря на то, что основная часть кракозябры металлическая, сама она электрически развязана с остальным каркасом. Т.е., чтобы там в ней чего не произошло, на остальной корпус (и меня, любимого, что важнее) она ничем не долбанет.


Вынимание отсека для батареек из монитора на стол, началось с изготовления основных “рельс” и печати крепежа:

Конструкция кракозябры только выглядит замороченной. На самом же деле это просто алюминиевые уголки, да крепления. Оно все само встает на свои места, как в детском конструкторе:

Больше мороки было с клеммами основных магистралей…

Откровенно говоря я так и не понял, почему во всех магазинах простая контактная рейка стоит, как будто медь для нее привозят из пояса астероидов, резьбу в отверстиях нарезают метчиком из рога единорога, а контактные болты делают вручную из наконечника Копья Судьбы… Потыкавшись по всяким амазонам и местным развалам, решил, что мир сошел с ума, все охренели, да проще умереть… Ну, или, сделать самому – тоже вариант…

Взял кусок простой медной водопроводной трубы, распустил ее на полоски нужного размера и насверлил отверстий:

Нужно было нарезать четыре пары таких контактных реек.

Теперь контакты. Винтовые, без затей. Чтобы надежно и не отваливалось…

Ясен пень, при такой толщине меди, резать резьбу в отверстиях – пустая затея. На полутора витках будет не контакт а искрящие сопли. Поэтому – резьбовые заклепки из хорошей токопроводящей нержавейки.

Пробросы из проводов между планками приклепывались сразу же. Они не должны быть разборными. Т.о. сохранялся лишний контакт для подключения того или иного агрегата внутри робота.

Этих вытяжных заклепок я несколько разных попробовал. Из разного металла, от разных производителей. Вот эти из нержавейки оказались с практически нулевым сопротивлением. Во всяком случае мой мультиметр не фиксировал на них сопротивления вовсе. Вплоть до своего второго (последнего) знака после запятой. В тысячных, там, возможно, что-то и появляется, но это уже несущественно…

Ну и все эти планки уже готовые, собирались в задние крышки батареечных отсеков и вместе с ними прикручивались к общей конструкции:

В теории, предполагается, что передние части отсеков под аккумуляторы тоже будут с крышками. Но пока акки достаточно надежно сидят в своих ячейках и без них. Возможно, передние крышки будут тоже не просто крышками, а будут нести на себе какое-то оборудование. Пока еще этот момент неясен и пока нет нужды торопиться с изготовлением передних крышек.


После подключения основных агрегатов, минимально необходимых для осуществления первых шагов:

К сожалению, не получилось напечатать защитных масок поверх контактных планок. По причине выхода из строя принтера. Эти маски можно видеть на рендерах модели выше. Красные для плюсовых контактов, черные – для минусовых… Обязательно сделаю их, как только решу текущие технические проблемы с одним из основных инструментов производства…

Чой-то моя Черная Вдова потихоньку помирает. Отрубился нагрев сопла прям посреди печати. Так, что производство пластиковых деталей пока приостановлено. Хорошо, если просто нагреватель полетел (у меня есть запасные) или просто провод отвалился (провод у меня тоже есть запасной… несколько…). Надо разобраться и починить. А до этого еще стол с ума сошел и не хочет кататься ровно. Начал подпрыгивать в одной точке. Хорошо так. На сотую дюйма – минимум. Это дофига… То ли под ролики чего попало, то ли подшипник полетел. Опять же, надо разбирать и чинить… Но, вообще, она молодец! Продержалась без малейших нареканий три года. Как часы работала… Но все имеет тенденцию к изнашиванию. А уж она то попечатала у меня будь здоров! Ничего… Откачаю старушку. Будет как новенькая!

Что ж… Ходовая часть готова, батарейки вставлены. Теперь можно и в путь! Осваивать просторы дома, пугать жену, гонять Кота, бодать Пса и все такое… Ах да… Батарейки ж еще зарядить надо… От же напасть!

Ну, ОК. Значит будет еще одна, заключительная, серия в этом сезоне…

Поделиться: