Desarrolle hexapod desde cero (parte 6): transición a la impresión 3D

Hola a todos! El desarrollo del hexapod está en curso y es hora de mostrar los cambios fundamentales en el diseño y los planes para el firmware. Hubo una gran pausa en el lanzamiento de nuevos artículos como resultado del largo diseño de la nueva electrónica y la vivienda. En principio, este será el artículo, como siempre muchas fotos.

Etapas de desarrollo:
Parte 1 - Diseño
Parte 2 - montaje
Parte 3 - Cinemática
Parte 4 - trayectorias y secuencias matemáticas
Parte 5 - Electrónica
Parte 6: transición a la impresión 3D

Algunos puntos generales

Le di un nuevo nombre al proyecto, ya que nada práctico en la actualidad habla de ello. De hecho, SKYNET es una red celestial, bueno, o algo así (cielo - cielo, red - red). En este caso, no hay red, y más aún el cielo.

El nuevo nombre es AIWM (máquina de caminar de inteligencia artificial) , una máquina de caminar con inteligencia artificial. A expensas de la inteligencia, es muy temprano aquí, pero de repente puedo vivir hasta este punto :)

Hice una breve demostración con una descripción de las características actuales (la vista previa de un nuevo diseño comienza desde el segundo minuto).

Cambios funcionales

Durante el rediseño, surgieron muchas ideas y complejidades. Se eliminaron varias partes innecesarias y se agregó una nueva funcionalidad. Aquí hay una lista de los cambios que se planean implementar:

1. Arquitectura multiprocesador. Actualmente se planean 3 MCU: controlador de visión artificial (Broadcom BCM2835), controlador de potencia (STM32F030), controlador principal (STM32F373);
   
   • El controlador de visión artificial es un módulo Raspberry Pi Zero listo para usar y se dedicará a la recolección, procesamiento y reconocimiento de objetos de la cámara. Todo el hardware necesario para esto está conectado a él. La comunicación se lleva a cabo utilizando el protocolo ModBus en modo esclavo;
   • El controlador de potencia es un potente DC-DC (hasta 250 W) con la capacidad de ajustar el voltaje de salida sobre la marcha a través de la comunicación. Alimenta toda la electrónica del hexapod y es su corazón. Quizás en el futuro sea posible cambiar a la fuente de alimentación directa de unidades de 7.4V, pero tales unidades son bastante caras incluso en Ali. La comunicación se lleva a cabo utilizando el protocolo ModBus en modo esclavo;
   • El controlador principal es el enlace en esta arquitectura. Se dedica al procesamiento de movimiento y proporciona una interfaz para la comunicación con el mundo exterior. La comunicación se lleva a cabo de acuerdo con el protocolo ModBus en el modo esclavo (mundo externo) y el maestro (comunicación entre procesos);
2. Soporte de transmisión de video o transferencia de imagen WIFI para control fuera de la línea de visión si hay suficientes recursos gratuitos de Raspberry Pi Zero;
3. Se decidió transferir el control a Bluetooth (se usará el puente BLE-UART HM-10 listo para usar), ya que WIFI ya está teóricamente ocupado para transmitir video al panel de control. Además, quiero poder actualizar el firmware o la configuración sobre la marcha desde un servidor remoto, y si usa WIFI para la comunicación, ya no estará en línea;
4. Gestión de LED RGB en el frente para iluminar en la oscuridad y mostrar simultáneamente el estado de FW;
5. Los sensores táctiles están integrados en la estructura de las piernas, lo que permitirá un algoritmo de movimiento más inteligente;

Controlador principal o tablero de control

Estaba cansado de la placa de emparedado actual, y se decidió diseñar una nueva placa de control, teniendo en cuenta las innovaciones en el diseño. En el proceso de diseño, se arrojó la pantalla (no realmente, para qué, se la necesita allí) y un medidor de rango ultrasónico (luego guano). En el camino, decidí mudarme a STM32F373 para finalmente deshacerme de Arduino, y la presencia de FPU en este procesador, realmente invita a instalarlo.

Después de una semana de trazar el circuito y rastrear, apareció un prototipo electrónico del tablero. En total, se necesitaron 20 horas para diseñar. Para reducir la cantidad de posibles fuentes de errores, se planea una transición gradual a la nueva electrónica. En este caso, el primer plan de control se lanzará junto con la antigua placa de alimentación.

Para la compatibilidad del software Android actual, se proporciona una huella debajo del puente WIFI-UART, que ahora se usa en el prototipo. Las capturas de pantalla de la placa se muestran a continuación (WIFI-UART se ha eliminado en la vista 3D, porque Altium por alguna razón muestra su modelo en un solo color). De hecho, no importa qué usar para la comunicación; lo principal es que la salida de la interfaz tiene UART.




Los siguientes conectores se proporcionan en la placa:
- La fuente de alimentación principal es 12V + contactos desde el conector de equilibrio para la posibilidad de monitorear el voltaje de cada celda; en base a esto, también puede determinar el tipo de batería conectada (número de celdas);
- Un conector para transmitir señales a la placa de alimentación para servos;
- Conectores para controlador de visión artificial y controlador de potencia;
- Conector para controlar los LED RGB frontales;
- Conectores para sensores táctiles en las extremidades;
- Un conector para conectar un emisor piezoeléctrico. Se supone que el tweeter ya tiene un circuito de control, y solo cambiamos la potencia.

Todo es bastante simple y pasar a STM debería ser indoloro. He diseñado con éxito el código y es suficiente para reemplazar los controladores que funcionan con registros periféricos.

Controlador de potencia

A medida que aumentó mi experiencia en electrónica, a través de un montón de prueba y error, finalmente pude comprender DC-DC. De hecho, no hay nada complicado allí, lo principal es saber cómo funciona la bobina y por qué realmente se necesita allí.

Para controlar una carga potente, que en este caso es de 18 unidades con un consumo promedio de 12-15 A, se requiere algo más eficiente que la simple CC-CC. Como regla general, el cuello de botella en ellos es el diodo, que a altas corrientes comienza a calentar la habitación. El voltaje de suministro de los variadores es de 6V con un voltaje de entrada de hasta 12V, en este caso el diodo funcionará ~ 50% del ciclo (una estimación aproximada sin tener en cuenta la caída de voltaje y otras alegrías). En consecuencia, incluso cuando se utiliza un diodo Schottky, la potencia asignada será lo suficientemente grande como para comenzar a pensar en la disipación de calor.

Los DC-DC síncronos vienen al rescate, en el que se usa un transistor de efecto de campo en lugar de un diodo. Con buenos transistores, la resistencia del canal es lo suficientemente baja como para conducir grandes corrientes sin una generación de calor significativa. Las principales diferencias entre DC-DC asíncrono y síncrono se muestran a continuación:


En general, después de leer un montón de información, finalmente decidí los requisitos:

• La capacidad de conducir corrientes de hasta 20A en modo nominal;
• Transición al modo de emergencia en violación del modo de funcionamiento normal: sobrecalentamiento o saturación de la bobina, sobrecalentamiento de los interruptores de alimentación, bajo voltaje de entrada, cortocircuito, voltaje de salida inadecuado y otras alegrías;
• Capacidad para comunicarse con DC-DC para obtener valores medidos: voltajes de entrada y salida, consumo de corriente, temperaturas de bobina e interruptores de potencia;
• Eficiencia adecuada;

Decidí diseñar DC-DC usando el microcontrolador STM32F030, cuesta un centavo y tiene todos los periféricos que necesito para resolver mis problemas. La única desventaja de usar este MK es un ajuste de voltaje bastante crudo con un paso de 25mV a una frecuencia de 100kHz. Para obtener una mayor precisión, debe usar MK con temporizadores de alta resolución a bordo o reducir la frecuencia de conmutación de los transistores. Para mis requisitos, este paso de regulación de voltaje es suficiente.

Por el momento, el primer prototipo fue diseñado y ensamblado, lo que mostró la eficiencia del circuito. La eficiencia para mediciones aproximadas es del 87% a una corriente de 11 A en la configuración de depuración de la placa utilizando resistencias protectoras de corrientes pasantes (necesarias para establecer el tiempo muerto entre los transistores de conmutación).

Más detalles sobre DC-DC serán un poco más tarde, cuando lo recuerde. Hay muchos puntos interesantes, el olor de los controladores de obturador fritos y MK :) Por cierto, los transistores resultaron ser tan potentes que, como resultado de la falla, la corriente quemada quemó la placa de circuito y al mismo tiempo los transistores permanecieron intactos.

Un poco sobre el nuevo edificio.

La electrónica es muy interesante, pero tampoco necesitas olvidarte de la mecánica. Finalmente, el hexápodo ha adquirido una caja cerrada adecuada, desde donde los cables y piezas de placas de circuito impreso no sobresaldrán. Aqui esta

Durante el diseño, traté de evitar cambiar el tamaño de los elementos de las extremidades y el propio cuerpo, ya que la versión anterior se mostró bien en términos de velocidad y carga en las unidades. En general, solo la idea de la ubicación de las patas y los tamaños permaneció del edificio anterior, el resto fue rediseñado.

La parte más difícil del diseño fue el desarrollo del diseño del casco. Al principio, quería abandonar este negocio varias veces debido a la discrepancia entre fantasía y realidad, pero día a día comenzaron a aparecer elementos decorativos y este sentimiento desapareció. Después de todo, el escultor tampoco molió de inmediato su creación, y este momento solo necesita ser experimentado.

La caja es un conjunto de piezas para su posterior ensamblaje con pernos de “perno” M3 (en algunos lugares puede usar sujetadores de plástico, por ejemplo, para las cubiertas superior e inferior) para reducir el peso. En este caso, los pernos se atornillan directamente en el plástico en los orificios para esto con roscas precortadas.

La base se ensambla a partir de tres partes diferentes usando ranuras, seguidas de atornillado. No existe una idea de diseño al dividirlo en partes, son solo las capacidades físicas de la impresora (220x220) y realmente no quiero expandirlo, así que tengo que descubrir cómo salir de esta situación. Esto tiene su propia ventaja: en caso de cualquier daño, es suficiente reimprimir solo la parte dañada, lo que ahorrará plástico y tiempo de reparación (cualquier cosa puede pasar durante las pruebas).

Después de conectar todas las piezas juntas, instalar las unidades y los componentes electrónicos, todo esto se cierra con cubiertas de 6 mm, que se sujetan con pernos de la misma manera. Se instala un panel de control en la cubierta central, que luego se cierra con un panel decorativo.


La fuerza del cuerpo se basa en caer desde 0,5 m de altura hasta una superficie sólida sin violar la integridad. Por cierto, la versión de madera contrachapada del casco no sobrevivió a las duras condiciones de carga en el avión, mientras que el casco estaba lleno de una gran protuberancia y, como resultado, la pierna se rompió.

Las unidades de control de las extremidades se movieron a FEMUR, lo que debería reducir ligeramente la carga al reducir el peso de TIBIA como resultado de la transferencia del sujetador y el desplazamiento del servomotor más cerca del comienzo de la palanca. Y será mejor en diseño si TIBIA y COXA están instalados en la parte FEMUR, y no viceversa como antes.



Según los cálculos preliminares, la impresión de la carcasa requerirá 670 g de plástico y 51 horas de impresión continua con una capa de 0.2 mm y un grosor de boquilla de 0.4 mm. En general, por dinero resulta un poco más barato que la madera contrachapada, pero el diseño es incluso inútil para comparar y vale la pena.

PS

Estaré encantado de cualquier sugerencia sobre el caso. Al momento de escribir esto, el caso ya estaba impreso, pero todavía hay tiempo para hacer cambios en los detalles restantes. Soy el único desarrollador de todo este proyecto y, a veces, hay períodos en los que no se me ocurren estúpidamente nuevos pensamientos, ahora este período comienza :)