Sumo Bot này được thiết kế, xây dựng, lập trình và thử nghiệm trong khoảng thời gian 12 tuần cho một trong những lớp kỹ thuật năm cuối của tôi. Mục đích là để thiết kế và chế tạo một robot chiến đấu sumo hoàn toàn tự động hạng nhẹ cho một cuộc thi trong lớp Sumo Bot. Robot được yêu cầu đẩy, nâng hoặc lật robot đối thủ ra khỏi đấu trường. Có hai hạn chế về thể chất mà robot sumo phải tuân theo. Robot phải có trọng lượng không quá 1000g và được yêu cầu phải phù hợp với một 200mm x 200mm x 300mm (WxLxH) hộp đo. Các hạn chế khác bao gồm robot phải hoàn toàn tự động với độ tương tác của con người bằng 0, phải có giá dưới 150 AUD (không bao gồm bộ điều khiển vi mô) và robot phải bắt đầu mỗi vòng theo cùng một hướng trong hộp đo. Chúng tôi đã được cung cấp tùy chọn để thêm một hệ thống nâng / lật cho robot của chúng tôi. Tôi biết nó sẽ đòi hỏi nhiều công sức hơn nhưng tôi không thể cưỡng lại sự cám dỗ của việc thêm “vũ khí” vào bot.Đấu trường Đấu trường có hình tròn với đường kính 1,54m với bề mặt màu đen mờ và đường trắng rộng 2cm xung quanh chu vi.
Vật tư: Bước 1: Linh kiện
Bước 2: Các cảm biến
Cảm biến đường Ranh giới của đấu trường được xác định bởi một đường trắng dày 2cm đặc biệt. Đường trắng này được sử dụng bởi robot sumo để phát hiện vị trí của cạnh. Đường trắng được phát hiện bằng 4 cảm biến dòng IR kỹ thuật số. Cảm biến này được chọn do mạch so sánh tích hợp của nó chuyển đổi đầu ra thành tín hiệu số. Lợi ích của tín hiệu số là giao diện đơn giản và vi điều khiển có thể đáp ứng nhanh hơn để phát hiện đường truyền. Tên: Bộ so sánh cảm biến quang điện theo dõi mô-đun TCRT5000 Trọng lượng: 1,1g Kích thước tối đa: 10,6×34,7×9,45 (WxLxD) Phương thức giao diện: Giao diện 3 pin, VCC, Đầu ra và GND. Nguồn điện: 5V DC Sản lượng hiện tại: 1mA Phạm vi hiệu quả: 0,2 mm đến 15 mm Chi phí: $ 1,89 Kết nối và sức mạnh: Bộ so sánh cảm biến quang điện theo dõi mô-đun TCRT5000 được cung cấp bởi 5v DC sử dụng chân VCC và GND của nó. Năng lượng này được cung cấp thông qua bộ điều chỉnh điện áp được tích hợp trong bảng vi điều khiển ATMega128 và bằng pin lithium polymer 11.1v 1300mah. Chân đầu ra trên cảm biến đường truyền tín hiệu mức thấp khi vượt qua vạch đen và tín hiệu mức cao khi vượt qua vạch trắng. Do đó, cảm biến có thể đơn giản giao tiếp với vi điều khiển thông qua một chân đầu vào kỹ thuật số duy nhất. Một sơ đồ kết nối điện được đưa ra sau. Các cảm biến dòng kỹ thuật số đã được đặt ở phía trước của bánh trước và gần phía sau của bánh sau. Điều này cho phép phát hiện đường ranh giới màu trắng của Arena trong khi di chuyển theo mọi hướng và báo hiệu cho robot biết rằng nó đang ở rìa và cần phải di chuyển đi. Các cảm biến được chọn vì kích thước nhỏ, nhẹ và hiệu quả chi phí.Cảm biến siêu âm Đối với các cảm biến siêu âm phát hiện đối tượng đã được chọn vì khả năng phát hiện các vật thể ở gần cũng như từ đường kính đầy đủ của đấu trường (~ 1,5m). Các cảm biến siêu âm được chọn là nhẹ, đơn giản để giao diện và không tốn kém. Tên: Cảm biến phạm vi siêu âm HC-SR04 Trọng lượng: 8.2g Kích thước tối đa: 45×20,6×15 mm (WxHxD) Phương thức giao diện: Giao diện 4 pin, VCC, Kích hoạt, Echo và GND. Nguồn điện: 5V DC Hiện tại không hoạt động: <2mA Góc hiệu quả: <15 ° Khoảng cách dao động: 2cm – 500 cm Độ phân giải: 0,3 cm Chi phí: $ 2,58 Kết nối và sức mạnh: Cảm biến phạm vi siêu âm HC-SR04 được cung cấp bởi 5v DC sử dụng chân VCC và GND. Sức mạnh này được cung cấp thông qua bộ điều chỉnh điện áp được tích hợp trong bảng vi điều khiển AtMega128 và bởi pin lithium polymer 11.1v 1300mah. HC-SR04 giao tiếp với vi điều khiển thông qua các chân Trigg và Echo của nó. Mỗi chân này được kết nối với một trong các chân IO kỹ thuật số của vi điều khiển. Một sơ đồ kết nối điện được đưa ra sau. Có được một phạm vi đọc bao gồm quá trình sau đây: 1. Xung 10 giây được gửi đến chân kích hoạt 2. Cảm biến siêu âm phát ra tám xung siêu âm 40 kHz 3. Phát hiện tiếng vang trở lại. 4. Khoảng cách đo được tỷ lệ thuận với độ rộng xung Echo 5. Khoảng cách tính theo công thức: Khoảng cách = ((Thời lượng ở mức cao) * (340m / s)) / 2 6. Nếu không phát hiện chướng ngại vật, chân Echo sẽ cho tín hiệu mức cao trong 38msQuá trình này được lặp lại mỗi lần yêu cầu đọc cảm biến. Mã AVR C được đưa ra sau. Các cảm biến siêu âm đã được định vị cho hiệu quả và phạm vi bảo hiểm tối đa. Mỗi cảm biến có góc phát hiện 15 ° so với đường trung tâm của nó mỗi chiều. Phạm vi tối đa của cảm biến siêu âm được chọn là 5 mét, do kích thước của đấu trường, phần mềm này bị giới hạn trong việc chỉ tìm kiếm các vật thể trong phạm vi 1,4 mét.
Bước 3: Động cơ và bộ điều khiển động cơ
Động cơ Tốc độ Tốc độ mục tiêu của robot sumo là 1m / s. Sử dụng phương trình, Tốc độ = khoảng cách / thời gian, robot bao phủ đường kính của đấu trường, trừ đi chiều dài của robot, chỉ trong hơn một giây. Tốc độ này là đủ để robot bắt đối thủ và trốn tránh khi cần thiết. Mô-men xoắn Mô-men xoắn càng lớn thì công suất đẩy của robot càng lớn, do đó càng có nhiều mô-men xoắn có thể được đưa vào hệ thống thì càng tốt. Tuy nhiên, cần lưu ý rằng mô-men xoắn được truyền xuống mặt đất thông qua các bánh xevà vì lý do đó lựa chọn bánh xe cũng rất quan trọng trong việc tạo ra lực đẩy tối đa. Nhiều động cơ khác nhau đã được xem xét, mỗi loại có mô-men xoắn và điện áp khác nhau. Ngoài ra, một loạt các đường kính bánh xe đã được sử dụng để chọn kết hợp động cơ và bánh xe phù hợp để đạt được mô-men xoắn cực đại với tốc độ ~ 1m / s. Sự lựa chọn động cơ là Metal Gearmotor 25Dx52L mm HP 47: 1 từ Pololu, với bánh xe cao su xốp 51mm (2 “). Mỗi động cơ tạo ra 4,5kg lực đẩy trên mặt đất. Điều này dẫn đến tổng cộng 9kg lực đẩy nên đủ để đẩy xung quanh bất kỳ robot 1kg nào. Lực kéo Để tạo ra lực kéo tối đa từ các động cơ, một hệ thống truyền động dây đai được sử dụng giữa bánh trước và bánh sau. Sự bổ sung này làm tăng gấp đôi diện tích tiếp xúc với sàn đấu trường, dẫn đến lực đẩy mạnh hơn.Bộ điều khiển động cơ Các động cơ được điều khiển bởi bộ điều khiển động cơ kiểu cầu H kép với đầu vào PWM cho phép tốc độ thay đổi. Bộ điều khiển động cơ có thể điều khiển tốc độ và hướng của động cơ bằng cách nhận lệnh đầu vào từ vi điều khiển. Bộ điều khiển có khả năng hỗ trợ điện áp từ 6v đến 36v và dòng điện liên tục 10A (đỉnh 60A). Nó bao gồm hai chip điều khiển nửa cầu và MOSFET kênh N có điện trở thấp. Hai chip điều khiển nửa cầu bị tổn thất do chuyển đổi MOSFET tối thiểu. Các chân điều khiển trên bộ điều khiển động cơ bao gồm 2 chân hướng, một cho mỗi động cơ, khi cao thì động cơ quay về phía trước và khi động cơ thấp quay ngược lại. Nó cũng chứa 2 đầu vào PWM, 1 cho mỗi động cơ, có tần số xung 1kHz đến 100kHz để kiểm soát tốc độ động cơ. Đặt chân PWM ở mức thấp sẽ áp dụng ngắt cho động cơ để dừng.
Bước 4: Hệ thống Flipper
Viêm phổi Flipper đã được thiết kế để xâm nhập dưới một robot đến sau đó kích hoạt. Điểm cuối của flipper nằm trong phạm vi 0,5mm so với mặt đất, cho phép xâm nhập dưới hầu hết các đối thủ. Các bộ truyền động được chọn cho cơ chế flipper là các ram vi khí nén. Khí nén cực kỳ mạnh mẽ cho trọng lượng của chúng, và là lựa chọn hoàn hảo cho nhiệm vụ này. Lực được tạo ra bởi một ram khí nén duy nhất được tìm thấy là không đủ để lật đối thủ một cách hiệu quả, do đó, các ram kép được sử dụng để tăng sức nâng của chân vịt. Các ram có chiều dài hành trình là 25 mm, khi kết hợp với thiết kế chân vịt tạo ra chiều cao đủ để lật ngược đối thủ. Các thành phần của hệ thống flipper được hiển thị trong hình ảnh. Chân vịt được kích hoạt bằng cách sử dụng thông tin phạm vi được thu thập từ hai cảm biến siêu âm phía trước. Khí nén được lưu trữ trong một xi lanh 100cc. Một máy nén được sử dụng để tạo áp lực cho hệ thống tới 115 psi. Các ram khí nén được điều khiển bởi một công tắc khí nén vận hành bằng servo; một sơ đồ của hệ thống khí nén được đưa ra sau.
Bước 5: Đèn LED vi điều khiển và đèn báo
Vi điều khiển Bộ vi điều khiển được sử dụng là ATMega128, được lập trình trong C sử dụng phòng thu AVR 5. Bộ vi điều khiển này có bộ xử lý 16Mhz và một số lượng lớn cổng IO đủ để giao tiếp và điều khiển robot sumo. Tuy nhiên một Arduino cũng có thể dễ dàng được sử dụng.Đèn LED chỉ báo Một đèn LED RGB được sử dụng để chỉ cho người dùng biết chế độ hiện tại của robot. Đèn LED được gọi là ShiftBrite và có sẵn từ Pololu. Nó có khả năng tạo ra bất kỳ màu nào bằng cách trộn ánh sáng đỏ, lục và lam ở các cường độ và sự kết hợp khác nhau. Tôi đã sử dụng màu xanh lam để hiển thị robot đang ở chế độ chọn chế độ, màu đỏ cho chế độ tấn công và màu xanh lục cho chế độ trốn tránh. Đèn LED cũng được điều chỉnh ở các mức khác nhau để hiển thị độ trễ bắt đầu ban đầu.
Bước 6: Thiết kế khung gầm
Robot Sumo được thiết kế trong một phần mềm thiết kế hỗ trợ máy tính 3D, kết hợp tất cả các thành phần của sumo robot. Điều này cho phép thiết kế dễ dàng thay đổi và thao tác để tận dụng tối đa các hạn chế về kích thước và trọng lượng. Khung xe được xây dựng từ nhôm tấm 1mm với cốt thép chữ L dày hơn. Lớp vỏ bên ngoài của khung xe đã được thiết kế để được gấp lại từ một tấm nhôm 1mm duy nhất và được giữ bởi các thành viên gia cố và đinh tán pop. Các mô hình cắt ra khung gầm được hiển thị ở trên và đưa ra sau. Thiết kế khung gầm cuối cùng này đã được chọn vì khả năng mang lại độ bền và độ cứng cao trong một đơn vị nhẹ. Các bước lặp thiết kế có thể được nhìn thấy trong các clip sau. Thiết kế MK2 Thiết kế MK3 Thiết kế MK4 (Gần với thiết kế cuối cùng – tuy nhiên cảm biến siêu âm bên đã bị loại bỏ) Vị trí của các thành phần bên trong khung máy có thể được nhìn thấy trong video trên. Các động cơ đã được định vị để các bánh xe nhô ra phía sau phía sau robot, điều này cho phép lực kéo liên tục nếu tình cờ lắp một đoạn đường nối robot khác xảy ra. Do pin là thành phần nặng nhất, nó đã được đặt tập trung trên đế bánh xe để phân tán khối lượng đồng đều và tạo ra lực kéo tối đa. Do hệ thống truyền động vi sai, bot có khả năng quay tại chỗ khi các bánh xe quay theo hướng ngược lại. Do đó bán kính quay hiệu quả là 0. PDF của các thành phần khung được cung cấp ở cuối hướng dẫn này.
Bước 7: Thiết kế FlipperRobot Sumo được thiết kế trong một phần mềm thiết kế hỗ trợ máy tính 3D, kết hợp tất cả các thành phần của sumo robot. Điều này cho phép thiết kế dễ dàng thay đổi và thao tác để tận dụng tối đa các hạn chế về kích thước và trọng lượng.Khung xe được xây dựng từ nhôm tấm 1mm với cốt thép chữ L dày hơn. Lớp vỏ bên ngoài của khung xe đã được thiết kế để được gấp lại từ một tấm nhôm 1mm duy nhất và được giữ bởi các thành viên gia cố và đinh tán pop.Các mô hình cắt ra khung gầm được hiển thị ở trên và đưa ra sau.Thiết kế khung gầm cuối cùng này đã được chọn vì khả năng mang lại độ bền và độ cứng cao trong một đơn vị nhẹ.Các bước lặp thiết kế có thể được nhìn thấy trong các clip sau.Thiết kế MK2Thiết kế MK3Thiết kế MK4 (Gần với thiết kế cuối cùng – tuy nhiên cảm biến siêu âm bên đã bị loại bỏ)Vị trí của các thành phần bên trong khung máy có thể được nhìn thấy trong video trên. Các động cơ đã được định vị để các bánh xe nhô ra phía sau phía sau robot, điều này cho phép lực kéo liên tục nếu tình cờ lắp một đoạn đường nối robot khác xảy ra. Do pin là thành phần nặng nhất, nó đã được đặt tập trung trên đế bánh xe để phân tán khối lượng đồng đều và tạo ra lực kéo tối đa.Do hệ thống truyền động vi sai, bot có khả năng quay tại chỗ khi các bánh xe quay theo hướng ngược lại. Do đó bán kính quay hiệu quả là chúng tôi của các thành phần khung được cung cấp ở cuối hướng dẫn này.
Chân vịt được thiết kế để tạo ra lực nâng thẳng đứng 109mm, với tốc độ và sức mạnh của hệ thống khí nén, đủ để lật đổ đối thủ. Hình dạng cơ bản của cánh tay đòn được thiết kế để phù hợp với khung xe và không có khoảng trống mặt đất ở đầu của nó. Flipper được cắt từ nhôm 3 mm thành hai nửa. Hai nửa sau đó được nối bởi (6) thanh vuông 6 mmX6mmX22mm. Mỗi thanh có một lỗ 3,3mm được khoan vào mỗi đầu để chứa một đinh tán 3 mm. Hai nửa sau đó được nối với các đinh tán để tạo thành cánh tay lật hoàn thành. Khung nhìn mặt cắt ngang của bot sumo cho thấy các đường ray khí nén được gắn vào cánh tay lật. Chốt giữ phần cuối của thanh ram đúng vị trí là trục phế liệu ra khỏi một trong các đinh tán 3 mm.
Bước 8: Hình ảnh hội Bước 9: Kiểm tra Flipper
Các khả năng của flipper đã được thử nghiệm ban đầu trên các vật thể tĩnh khác nhau, sau đó trên đối thủ 1kg. Hệ thống lật được phát hiện là nhanh, mạnh và có thể dễ dàng lật hầu hết các đối thủ. Ngay cả khi người chèo thuyền không thể lật đối thủ, nó vẫn có thể nâng nó lên, điều này dẫn đến lực kéo của đối thủ ít hơn và lực kéo nhiều hơn cho bot sumo của tôi.Video này cho thấy 3 trạng thái có thể có của flipper
Trong thử nghiệm đấu trường 1Trong đấu trường thử nghiệm 2
Bước 10: Mã giao diện AI và thành phầnCác khả năng của flipper đã được thử nghiệm ban đầu trên các vật thể tĩnh khác nhau, sau đó trên đối thủ 1kg.Hệ thống lật được phát hiện là nhanh, mạnh và có thể dễ dàng lật hầu hết các đối thủ. Ngay cả khi người chèo thuyền không thể lật đối thủ, nó vẫn có thể nâng nó lên, điều này dẫn đến lực kéo của đối thủ ít hơn và lực kéo nhiều hơn cho bot sumo của tôi.
Bước 11: Sơ đồ và phần vẽ / tô màuSơ đồ kết nối điện (Sơ đồ nối dây) Sơ đồ nối dây để kết nối các cảm biến 4 dòng, 3 siêu âm, đèn LED ShiftBrite, công tắc, Nút, bộ điều khiển động cơ và servo cho hệ thống khí nén được trình bày ở trên.Sơ đồ kết nối hệ thống khí nén Sơ đồ kết nối cho đường ống hệ thống khí nén cũng được hiển thị ở trên.Bản vẽ bộ phận chế tạo Các bản vẽ đính kèm của các bộ phận chế tạo robot sumo đều có tỷ lệ 1: 1. Các bộ phận này có thể được in ra, dán vào tấm nhôm hoặc phần L và sau đó đơn giản chỉ là vấn đề cắt dọc theo các đường. Ngoài ra, phần khung chính có thể được cắt ra bằng máy phay CNC hoặc máy cắt laser.
Bước 12: Hiệu suất tổng thểGiải nhì Cuộc thi không thể thay đổi
Giải thưởng lớn trong LÊN! Cuộc thi