Универсальная платформа шагающего робота «КОТ»

Актуальность

Шагающие роботы на данный момент – одно из направлений робототехники, находящееся на самом переднем крае современной инженерной мысли. В России развиты отрасли основного применения шагающих роботов: нефтегазовый, химический и нефтехимический секторы, электроэнергетика, горнодобыча, строительство, транспорт и логистика (как звенья электронной коммерции).

На сегодняшний день в открытых источниках имеется информация лишь о двух российских разработках робота-собаки.

Однако на данный момент единственно доступными для покупки на российском рынке являются робособаки китайского производителя Unitree.

Проблема: при подтвержденных возможностях и перспективах использования шагающих роботов в жизнедеятельности общества, а также в ключевых отраслях экономики отсутствуют собственные технологии изготовления универсального шагающего робота. В этой связи считаем необходимой разработку собственной универсальной платформы шагающего робота.

Кроме того, пандемия сделала применение шагающих роботов в сфере доставки продуктов питания и товаров первой необходимости крайне актуальным.

Цель

Изготовить прототип шагающего робота, способного передвигаться со скоростью до 3 км/ч, автономно ориентироваться в пространстве, выдерживать полезную нагрузку до 15 кг и выполнять широкий спектр задач в различных сферах.

Задачи

1. Провести исследование сфер применения и перспектив использования шагающих роботов.
2. Создать эскиз концепта авторского проекта.
3. Определить технические принципы приведения робота в движение и принципы передачи движения между различными узлами робота.
4. Создать 3D-модель авторского проекта в системе автоматизации проектных работ (САПР).
5. Изготовить прототипы основных узлов робота и провести их испытания.
6. Определить и изготовить оптимальные решения конструкции робота с учётом проведённых испытаний.
7. Определить оптимальный материал (или сочетание различных материалов) для каждого узла робота и изготовить все узлы робота из оптимальных материалов, используя 3D-печать и станки с ЧПУ.
8. Разработать и спаять схемотехнику проекта.
9. Разработать алгоритмы движения робота и ориентации в пространстве.
10. Разработать PID-регулятор.
11. Разработать программное обеспечение голосового помощника.

Оснащение и оборудование, использованное при создании работы

• Персональный компьютер с установленным ПО (SolidWorks, Android IDE)
• 3D-принтер типа Flying Ghost Bear 5 и пластик ABS
• 3D-принтер Picaso XL Pro и пластик HIPS
• Лазерный станок с ЧПУ
• Электромеханические бесколлекторные моторы
• Raspberry Pi 4b 8Gb ОЗУ
• CAN-шилд
• 2D-лидар
• Видеокамера
• Поршень из 6-мм стали
• Аккумулятор 9000 mAh

Описание

Для создания 3D-моделей некоторых деталей автор использовал штангенциркуль (например, чтобы перенести мотор и другие компоненты в 3D-модель).

3D-печать:

1. Для 3D-печати был выбран 3D-принтер типа Flying Ghost Bear 5. Установка прямой подачи пластика в экструдер позволила печатать резиноподобными пластиками.
2. 2D-модели и 3D-модели проектировались в САПР SolidWorks и подготавливались к резке и печати в программе Cura.
3. При печати угленаполненным инженерным пластиком ABS для поддержек использовался пластик HIPS, который можно удалить погружением деталей в растворитель D-Limonen. Это решение позволило сохранить первоначальную прочность угленаполненного пластика ABS. В итоге было решено использовать растворитель D-Limonen только для декоративных элементов (заглушек на плечах робота). Таким образом, автор сохранил прочность деталей в тех местах, где она была крайне необходима, и познакомился с работой с растворителем D-Limonen на декоративных элементах;
4. При печати пластиком ABS автор соблюдал необходимые условия, а именно: воссоздавал условия термокамеры, чтобы не иметь расслоений у деталей.

Резка фанеры лазерным станком с ЧПУ (первые модели корпуса робота были сделаны из 3-миллиметровой фанеры): детали были подготовлены в SolidWorks.

Резка карбона на фрезерном станке с ЧПУ. Детали для фрезеровки (резки) подготовлены в SolidWorks, работы на станке пришлось отдать на заказ, т. к. в «Центре на Донской» ГБПОУ «Воробьёвы горы» в настоящее время отсутствует необходимое оборудование для работы с 6-миллиметровой сталью.

Схема управления роботом Raspberry отдаёт команды через двухканальный CAN-шилд на STM-плату мотора.

Результаты работы/выводы

В результате работы над проектом удалось успешно решить практически все задачи, которые автор ставил перед собой.

В качестве новизны проекта можно указать установку голосового помощника, использование передового угленаполненного инженерного пластика, а также устойчивость к стресс-тестам (по итогам стресс-тестов он не уступает аналогам).

Перспективы использования результатов работы

Для продвижения робота автор создал веб-сайт http://www.kot.works

В перспективе планируется разработка полноценного PID-регулятора и изготовление корпуса робота из карбона.

В планах автора также проведение испытания ног робота, сделанных из сочетания деталей из угленаполненного ABS и деталей из листового карбона.