[如何製作機器人 9] 機器人組裝

這次推薦的是另一系列非常經典的製作機器人入門教學文章 。一共分成十個單元,每單元介紹一個主題 。我們將陸陸續續和各位分享!

課程目錄

第1課 - 入門
第2課 - 選擇機器人平台
第3課 - 了解制動器
第4課 - 了解微控制器
第5課 - 選擇馬達控制器
第6課 - 控制你的機器人
第7課 - 使用感知器
第8課 - 使用正確的工具
第9課 - 機器人組裝
第10課 - 機器人控制程式編寫

現在,您已經選擇了用於製作機器人的所有基本構建,下一步將是設計和構建一個結構或框架,將它們組裝在一起,而且同時能為您的機器人提供獨特的外觀和形狀。

製作骨架

並沒有所謂“完美”的骨架設計,幾乎所有的事總是需要有所權衡。你可能想要一個輕巧的骨架,但它可能需要使用昂貴的材料或者可能最後發現結構太脆弱。你可能會想要一個堅固的或大的外殼,但是意識到它將非常昂貴的,重量太重或是難以生產。您的“理想”骨架可能很複雜,並且需要花費太多的時間來設計和製作,一個簡約的骨架很可能也可以達到一樣的目的。也沒有所謂“理想”的外型,某些設計肯定會因為其簡約的設計而更顯得優雅,然而同時另外的設計可能會因為他們的複雜性而以引起注意。

材料

有許多不同的材料可以被應用來製作骨架。當您使用越來越多不同裝置而不僅僅是機器人時,您將會對什麼樣的材料更適合應用在什麼樣的專題上會更加清楚。以下建議的材料清單僅包括較常見的材料,您可以先試用其中幾種,然後可以試著這去找尋嘗試其他各式各樣新的材料,甚至將它們整合在一起。

使用現有的商業產品

您可能會看許多學校的專案使用市售量產的產品(如瓶子,紙板箱,Tupperware塑膠食品容器等)。這本質上是所謂“重新設計”一種產品,有可能為您節省大量時間和金錢,不過也可能是增加您的麻煩和困擾。RoboBrrd就是一個非常好的例子,說明如何重新使用材料並使其成為一個非常有能力的機器人。

基本施工材料

一些最基本的材料可以用來製作出色的骨架。最便宜和最容易獲得的材料之一就是紙板,您通常可以免費找到,可以輕鬆地切割,彎曲,膠合和分層。範例:您可以製作一個看起來更好,並且與您的機器人大小成比例的加強紙板箱。然後,您可以塗抹環氧樹脂(白膠)或膠水,使其更耐用,然後進行塗漆。

扁平結構材料

製作骨架最常見的方法之一是使用標準材料,如木材,塑料或金屬板,可以在材料上鑽孔用來連接所有制動器和電子元件。耐用的木材相當厚實而且重,而薄金屬片又可能太容易變形。範例:一塊⅛”堅硬的木材可以很容易地用工具來進行切割,鑽孔(不用擔心打碎),噴塗,研磨等等加工。您可以將裝置連接到兩側(例如將馬達和腳輪連接到底部,將電子設備和電池連接到頂部),木塊仍將維持堅固且完整。

雷射切割/彎曲塑料或金屬

如果您處於準備將骨架外包的階段,則最佳選擇仍然是使用雷射或水刀對零件進行精密切割。只有您對所有設計尺寸都有信心後,才適合發包到零件加工廠進行製作,因為錯誤的尺寸而造成的損失可能相當昂貴。提供電腦切割服務的廠商,可能同時也可以提供其他服務,像是工件折彎和噴塗等等。

3D列印

3D列印骨架是前所未見是最具結構性的解決方案(因為它是層疊的),這個製程可以製作以其他工藝很難製作出的複雜形狀。單3D列印零件可以同時包含所有電器和機械部件的所有必要的安裝點,同時可以減去相當的重量。隨著3D列印變得越來越流行,生產零件的價格也會下降。3D列印的一個非常顯著的優勢不僅在於您的設計易於複製,而且也更易於共享。例如,您可以點擊左側的龜殼範例並獲取所有設計說明和CAD檔案。

熱塑型塑膠 (Polymoph)

熱塑型塑膠是一個費常獨特的材料; 在室溫下,熱塑型塑膠是硬質塑膠料,但在加熱後(例如在熱水中),它變得有韌性並且可以成型為複雜的工件,然後將其冷卻並固化成耐用的塑料工件。通常,塑料工件需要高溫製作並需要模具,因此限制了許多玩家對它的應用。範例:您可以組合不同的形狀(圓柱體,平板等)以形成複雜的塑料結構。您還可以嘗試基本的模具射出,熱塑性塑膠機械手臂是應用這種材料的一個很好的例子。

把機器人組裝起來

在確認了選擇的材料和方法之後,您該如何開始呢?按照以下步驟來創建一個美觀,簡單和結構上相對較小的機器人骨架。

  1. 確認選用合適的結構材料。
  2. 取得機器人所需要的所有零件(電子和機械零件)並量測它們的尺寸。如果您手頭上沒有所有零件,可以參考製造商所提供的尺寸
  3. 腦力激盪並針對骨架做出幾種不同的設計。現階段不需要太過注重細節的設計。
  4. 一旦你確定了設計,要確保好的結構設計,並確認零件能得到很好的支撐。
  5. 在紙張或瓦楞紙材料上繪製1:1的刻度比例(實際尺寸)的機器人零件圖。您還可以使用CAD軟件繪製它們並列印出來。
  6. 在CAD軟體裡驗證您設計,並利用紙製的原型來測試每個零件和連接件
  7. 再次確認所有尺寸!一旦對你設計的正確性有了絕對的把握,開始實際製作骨架。記住,多測量兩次再進行切割!
  8. 在組裝前須確認每個零件都合尺寸,以避免在組裝完成後才發現需要修改。
  9. 盡情地使用熱溶膠,螺絲,釘子,膠帶或您可以找到的方式來組裝固定機器人。
  10. 將所有組件安裝在骨架上,瞧瞧:您剛製作了一隻機器人!

組裝機器人組件

上列的第10步值得更進一步詳細闡述。在前面的課程中,您選擇了電機零件和驅動器。現在,您需要讓他們能在一起工作。接下來,我們將使用通用電線顏色和符號來敘述常見的情況。與往常一樣,規格書和手冊是了解機器人設備如何運作時最好的朋友。

將電機連接到電機控制器

DC(齒輪)馬達或DC線性驅動器可能會有兩根電線:紅色和黑色。將紅線連接到直流馬達控制器上的M +端子,將黑色連接到M-。電線反接只會使馬達沿相反的方向旋轉。伺服馬達有三根電線:黑色(GND),紅色(4.8〜6V),黃色(位置信號)。伺服馬達控制器具有與這些電線相匹配的引腳,因此伺服機可以直接插入。

將電池連接到電機控制器或微控制器

大多數馬達控制器有兩個螺絲端子用於標有B +和B-的電源線。如果您的電池帶有連接器,並且您的控制器使用螺絲端子,您可能可以找到帶有可連接到螺絲端子的電線(電線)的配對連接器。如果沒有,您可能需要找到另一種方式將電池連接到馬達控制器,同時仍然可以拔下電池並將其連接到充電器。並不是所有您幫機器人所選擇的電機產品都可以在相同的電壓下工作,因此可能需要多個電池或電壓調節電路。下列為常見的玩家機器人組件中常見的電壓位準:

  • 直流齒輪馬達 – 3V至24V
  • 標準伺服馬達 – 4.8V至6V
  • 專用伺服馬達 – 7.4V至12V
  • 步進馬達 – 6V至12V
  • 微控制器通常包括3V至12V的穩壓器
  • 感知器 – 3.3V,5V和12V
  • 直流馬達控制器 – 3V至48V
  • 標準電池為3.7V,4.8V,6V,7.4V,9V,11.1V和12V

如果您使用直流齒輪馬達,微控制器甚至是一兩個伺服機來製作機器人,很容易發現一顆電池可能無法直接供電給所有的裝置。然而,我們建議盡可能選擇一個可以直接為最多裝置供電的電池。電池最大的電容量應與驅動馬達相關聯。例如,如果您選擇的馬達額定值為12V,則主電池也應為12V,同時您可以使用5V電源的穩壓器。大致來說,NiMH和LiPo是中小型機器人的前兩大選擇。NiMh價格便宜,LiPo重量輕。注意:電池可以是極具破壞力的裝置,如果電路連接不正確,可以輕易的將電路燒毀。記得永遠要再三檢查極性是否正確,還有您的裝置可以負擔電池所供給的能量。如果你不確定,千萬不要“猜”。電能比你的速度快得多,當你意識到某些事情是錯誤的時候,神奇的藍色煙霧將已經從您的裝置冒出來了。

將馬達控制器連接到微控制器

微控制器可以通過多種方式與馬達控制器進行通訊:

  • 串聯:控制器有兩個標記為Rx(接收)和Tx(發送)的引腳。將馬達控制器的Rx引腳連接到微控制器的Tx引腳,反之亦然。
  • I2C:馬達控制器將有四個引腳:SDA,SCL,V,GND。您的微控制器將具有相同的四個引腳,但不一定都會有明顯的標記,只需將它們一一連接上。
  • PWM:馬達控制器將同時提供PWM輸入和數位輸入給每個馬達。將馬達控制器上的PWM輸入引腳連接到微控制器上的PWM輸出引腳,並將馬達控制器上的每個數位輸入引腳連接到微控制器上的數位輸出引腳。
  • R / C:將微控制器連接到R / C馬達控制器時,需要將訊號引腳連接到微控制器上的數位引腳。

無論通訊方式如何,馬達控制器的邏輯和微控制器需要共用相同的接地(這可以經由將GND引腳連接在一起來達成)和相同的邏輯高位準(這可以通過使用相同的V +引腳來實現兩個裝置)。如果裝置不共享相同的邏輯位準(例如3.3V和5V),則需要一個邏輯位準轉換器

將感知器連接到微控制器

感知器可以使用與馬達控制器類似的方式和微控制器連接。感知器可以使用以下類型的通訊方式:

  • 數位:感知器有一個數位訊號引腳,可直接連接到數位微控制器引腳。一個簡單的開關即可以被看作是數位感知器。
  • 類比:類比感知器產生需要被類比引腳讀取的類比電壓信號。如果您的微控制器沒有類比引腳,則需要單獨的類比轉數位電路(ADC)。另外,一些感知器需要電源電路,通常有三個引腳:V +,GND和Signal。如果感知器是一個簡單的可變電阻器,則需要創建一個分壓器才能讀取所產生的可變電壓。
  • 序列或I2C:與馬達控制器相同的通訊原理適用於此。

通訊設備到微控制器

大多數通訊設備(例如XBee,藍牙)都使用序列通信,因此需要相同的RX,TX,GND和V +連接。重要的是要注意,儘管在同一個RX和TX引腳上可以共享幾個序列連接,但是為了防止干擾,錯誤和問題,需要進行正確的匯流排仲裁。如果您只有少量的序列裝置,那麼對於每個序列裝置來說,使用單個序列接口通常很簡單。

車輪到馬達

理想情況下,您將選擇設計用於安裝所選馬達軸的輪子或鏈輪。如果沒有,希望有一個適合兩者的樞紐。如果您發現您選擇的車輪和電機彼此不相容,並且找不到合適的輪轂,則可能需要找到連接到車輪但具有較小鑽孔的另一個輪轂,然後鑽出輪轂孔與軸的直徑相同。

電氣元件框架

您可以使用各種方法將電子裝置安裝到框架上。確保你使用的任何方式都不要用電。常用的方法包括:六角墊片,螺絲,螺母,雙面膠帶,魔術貼,膠水,紮帶等。

原著: Coleman Benson/譯者: 阿里哥

文章出處: RobotShop

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