Développer un hexapode à partir de zéro (partie 6) - transition vers l'impression 3D

Bonjour à tous! Le développement de l'hexapode est activement en cours et il est temps de montrer les changements fondamentaux dans la conception et les plans du firmware. Il y a eu une grande pause dans la sortie de nouveaux articles en raison de la longue conception des nouveaux composants électroniques et du boîtier. En principe, ce sera l'article, comme toujours beaucoup de photos.

Stades de développement:
Partie 1 - Conception
Partie 2 - Assemblage
Partie 3 - Cinématique
Partie 4 - Trajectoires et séquences mathématiques
Partie 5 - Électronique
Partie 6 - transition vers l'impression 3D

Quelques points généraux

J'ai donné un nouveau nom au projet, car l'actuel rien de pratique en parle. En fait, SKYNET est un réseau céleste, enfin, ou quelque chose comme ça (ciel - ciel, net - réseau). Dans ce cas, il n'y a pas de réseau, et encore plus le ciel.

Le nouveau nom est AIWM (machine à marcher à intelligence artificielle) - une machine à marcher à intelligence artificielle. Au détriment de l'intelligence, il est trop tôt ici, mais soudain je peux vivre jusqu'à ce point :)

J'ai fait une courte démo avec une description des fonctionnalités actuelles (l'aperçu d'un nouveau design commence à partir de la 2ème minute).

Changements fonctionnels

Au cours de la refonte, de nombreuses idées et complexités sont apparues. Plusieurs parties inutiles ont été supprimées et de nouvelles fonctionnalités ont été ajoutées. Voici une liste des changements qui devraient être mis en œuvre:

1. Architecture multiprocesseur. Actuellement, 3 MCU sont prévus: contrôleur de vision industrielle (Broadcom BCM2835), contrôleur d'alimentation (STM32F030), contrôleur de tête (STM32F373);
   
   • Le contrôleur de vision industrielle est un module Raspberry Pi Zero prêt à l'emploi et sera engagé dans la collecte, le traitement et la reconnaissance des objets de la caméra. Tout le matériel nécessaire pour cela y est connecté. La communication est effectuée en utilisant le protocole ModBus en mode esclave;
   • Le contrôleur de puissance est un puissant DC-DC (jusqu'à 250 W) avec la possibilité d'ajuster la tension de sortie à la volée grâce à la communication. Il alimente toute l'électronique de l'hexapode et en est le cœur. Peut-être qu'à l'avenir, il sera possible de passer à l'alimentation directe des disques à partir de 7,4 V, mais ces disques sont assez chers même sur Ali. La communication est effectuée en utilisant le protocole ModBus en mode esclave;
   • Le contrôleur principal est le lien dans cette architecture. Il est engagé dans le traitement de mouvement et fournit une interface pour la communication avec le monde extérieur. La communication s'effectue selon le protocole ModBus en mode esclave (monde externe) et maître (communication interprocessus);
2. Prise en charge du streaming vidéo ou transfert d'image WIFI pour un contrôle en dehors de la ligne de vue s'il y a suffisamment de ressources gratuites du Raspberry Pi Zero;
3. Il a été décidé de transférer le contrôle vers Bluetooth (le pont BLE-UART HM-10 prêt à l'emploi sera utilisé), car le WIFI est déjà théoriquement occupé pour diffuser de la vidéo sur le panneau de commande. De plus, je veux pouvoir mettre à jour le firmware ou la configuration à la volée depuis un serveur distant, et si vous utilisez le WIFI pour la communication, vous ne serez plus en ligne;
4. Gestion des LED RVB à l'avant pour éclairer dans l'obscurité et afficher simultanément l'état de FW;
5. Des capteurs tactiles sont intégrés dans la structure des jambes, ce qui permettra un algorithme de mouvement plus intelligent;

Contrôleur principal ou carte de commande

J'étais fatigué de la carte sandwich actuelle, et il a été décidé de concevoir une nouvelle carte de contrôle, en tenant compte des innovations dans la conception. Dans le processus de conception, l'écran a été jeté (pas vraiment, pourquoi, il est nécessaire là-bas) et un télémètre à ultrasons (alors guano). En cours de route, j'ai décidé de passer au STM32F373 afin de me débarrasser enfin d'Arduino, et de la présence de FPU dans ce processeur, ça fait vraiment signe de l'installer.

Après une semaine de préparation du circuit et de traçage, un prototype électronique de la carte est apparu. Au total, il a fallu 20 heures pour concevoir, afin de réduire le nombre de sources possibles d'erreurs, une transition progressive vers une nouvelle électronique est prévue. Dans ce cas, le premier plan de contrôle sera lancé conjointement avec l'ancienne carte de puissance.

Pour la compatibilité du logiciel Android actuel, une empreinte est fournie sous le pont WIFI-UART, qui est maintenant utilisé dans le prototype. Les captures d'écran de la carte sont présentées ci-dessous (WIFI-UART a été supprimé dans la vue 3D, car Altium pour une raison quelconque affiche son modèle en une seule couleur). En fait, peu importe ce qu'il faut utiliser pour la communication - l'essentiel est que la sortie d'interface ait UART.




Les connecteurs suivants sont fournis sur la carte:
- L'alimentation principale est de 12V + contacts depuis le connecteur d'équilibrage pour la possibilité de surveiller la tension de chaque cellule; sur cette base, vous pouvez également déterminer le type de batterie connectée (nombre de cellules);
- Un connecteur pour transmettre des signaux à la carte d'alimentation pour les servos;
- Connecteurs pour contrôleur de vision industrielle et contrôleur de puissance;
- Connecteur pour contrôler les LED RGB avant;
- Connecteurs pour capteurs tactiles sur les membres;
- Un connecteur pour connecter un émetteur piézo. Il est supposé que le tweeter possède déjà un circuit de commande, et nous commutons uniquement l'alimentation.

Tout est assez simple et passer à la STM devrait être indolore. J'ai réussi à concevoir le code et il suffit de remplacer les pilotes fonctionnant avec les registres périphériques.

Contrôleur de puissance

À mesure que mon expérience en électronique augmentait, grâce à un tas d'essais et d'erreurs, j'ai finalement pu comprendre DC-DC. En fait, il n'y a rien de compliqué là-bas, l'essentiel est de savoir comment fonctionne la bobine et pourquoi elle est réellement nécessaire là-bas.

Pour contrôler une charge puissante, qui est dans ce cas 18 disques avec une consommation moyenne de 12 à 15 A, quelque chose de plus efficace qu'un simple DC-DC est nécessaire. En règle générale, le goulot d'étranglement en eux est la diode, qui à des courants élevés commence à chauffer la pièce. La tension d'alimentation des variateurs est de 6V avec une tension d'entrée allant jusqu'à 12V, dans ce cas la diode fonctionnera ~ 50% du cycle (une estimation approximative sans tenir compte de la chute de tension et autres joies). En conséquence, même lors de l'utilisation d'une diode Schottky, la puissance qui lui est allouée sera suffisamment importante pour commencer à penser à la dissipation thermique.

Les DC-DC synchrones viennent à la rescousse, dans lesquels un transistor à effet de champ est utilisé à la place d'une diode. Avec de bons transistors, la résistance du canal est suffisamment faible pour entraîner de gros courants sans génération de chaleur importante. Les principales différences entre DC-DC asynchrone et synchrone sont indiquées ci-dessous:


En général, après avoir lu un tas d'informations, j'ai finalement décidé des exigences:

• La capacité de conduire des courants jusqu'à 20 A en mode nominal;
• Passage au mode d'urgence en violation du mode de fonctionnement normal: surchauffe ou saturation de la bobine, surchauffe des interrupteurs d'alimentation, basse tension d'entrée, court-circuit, tension de sortie inadéquate et autres joies;
• Capacité à communiquer avec DC-DC pour obtenir des valeurs mesurées: tensions d'entrée et de sortie, consommation de courant, températures de bobine et interrupteurs d'alimentation;
• Efficacité adéquate;

J'ai décidé de concevoir DC-DC en utilisant le microcontrôleur STM32F030, cela coûte un sou et possède tous les périphériques dont j'ai besoin pour résoudre mes problèmes. Le seul inconvénient de l'utilisation de ce MK est un réglage de tension assez brut avec un pas de 25mV à une fréquence de 100kHz. Pour obtenir une précision plus élevée, vous devez utiliser MK avec des minuteries haute résolution à bord, ou réduire la fréquence de commutation des transistors. Pour mes besoins, cette étape de régulation de tension suffit amplement.

À l'heure actuelle, le premier prototype a été conçu et assemblé, ce qui a montré l'efficacité du circuit. L'efficacité pour les mesures approximatives est de 87% à un courant de 11 A dans la configuration de débogage de la carte en utilisant des résistances de protection contre les courants traversants (nécessaires pour configurer le temps mort entre la commutation des transistors).

Plus de détails sur DC-DC seront un peu plus tard, quand je pense à cela. Beaucoup de points intéressants, l'odeur des pilotes d'obturateurs frits et MK :) Soit dit en passant, les transistors se sont avérés si puissants qu'à la suite de la panne, le courant passant a brûlé la carte de circuit imprimé et en même temps, les transistors sont restés intacts.

Un peu sur le nouveau bâtiment

L'électronique est très intéressante, mais vous n'avez pas besoin d'oublier la mécanique non plus. Enfin, l'hexapode a acquis un boîtier fermé adéquat, d'où les fils et les morceaux de circuits imprimés ne dépasseront pas. Le voici

Lors de la conception, j'ai essayé d'éviter de redimensionner les éléments des membres et du corps lui-même, car la version précédente se montrait bien en termes de vitesse et de charge sur les entraînements. En général, seule l'idée de l'emplacement des pieds et des dimensions est restée du bâtiment précédent, le reste a été repensé.

La partie la plus difficile de la conception a été le développement de la conception de la coque. Au début, j'ai voulu abandonner cette activité plusieurs fois à cause de la différence entre fantaisie et réalité, mais jour après jour, des éléments décoratifs ont commencé à apparaître et ce sentiment a disparu. Après tout, le sculpteur ne moud pas non plus immédiatement sa création, et ce moment n'a qu'à être vécu.

Le boîtier est un ensemble de pièces pour un assemblage ultérieur avec des boulons M3 (à certains endroits, vous pouvez utiliser des attaches en plastique, par exemple, pour les couvercles supérieur et inférieur) pour réduire le poids. Dans ce cas, les boulons sont vissés directement dans le plastique dans les trous pour cela avec des filetages prédécoupés.

La base est assemblée à partir de trois parties différentes à l'aide de rainures, puis boulonnées. Il n'y a aucune idée de conception en le divisant en parties, c'est juste les capacités physiques de l'imprimante (220x220) et je ne veux pas vraiment l'étendre, donc je dois trouver un moyen de sortir de cette situation. Cela a son propre avantage - en cas de dommage, il suffit de réimprimer uniquement la pièce endommagée, ce qui économisera du plastique et du temps de réparation (tout peut arriver pendant les tests).

Après avoir connecté toutes les pièces ensemble, installé les variateurs et l'électronique, le tout est fermé avec des couvercles de 6 mm, qui sont fixés avec des boulons de la même manière. Un panneau de commande est installé sur le capot central, qui est ensuite fermé par un panneau décoratif.


La force du corps repose sur une chute de 0,5 m de hauteur sur une surface solide sans violer l'intégrité. Soit dit en passant, la version en contreplaqué de la coque n'a pas survécu aux conditions difficiles de chargement dans l'avion, tandis que la coque était emballée dans une grosse bosse et que la jambe était cassée.

Les commandes de commande des membres ont été déplacées sur FEMUR, ce qui devrait réduire légèrement la charge en réduisant le poids du TIBIA en raison du transfert de la fixation et du déplacement du servomoteur plus près du début du levier. Et ce sera mieux dans la conception si TIBIA et COXA sont installés sur la partie FEMUR, et non l'inverse comme avant.



Selon les calculs préliminaires, l'impression du boîtier nécessitera 670 g de plastique et 51 heures d'impression continue avec une couche de 0,2 mm et une épaisseur de buse de 0,4 mm. En général, pour l'argent, il s'avère un peu moins cher que le contreplaqué, mais le design est même inutile à comparer et ça vaut le coup.

PS

Je serai heureux de toute suggestion sur le cas. Au moment d'écrire ces lignes, le boîtier a déjà été imprimé, mais il est encore temps d'apporter des modifications aux détails restants. Je suis le seul développeur de tout ce projet et parfois il y a des périodes où de nouvelles pensées ne me viennent pas à l'esprit bêtement - maintenant cette période commence :)