Текст книги "Создаем робота-андроида своими руками"

Большинство изготовителей роботов использует в качестве гальванических элементы щелочного типа и NiCd в качестве рабочих аккумуляторов.

Зарядные устройства для NiCd аккумуляторов достаточно дешевы. Обычно изготовление внешнего зарядного устройства под популярные размеры аккумуляторов, таких как ААА, АА, C и D, не отнимет много сил и времени. Умение сконструировать подобное устройство окажется полезным и тем, кто захочет встроить ЗУ в робота. В отличие от большинства дешевых ЗУ, которые продолжают заряжать аккумулятор током порядка C/10 даже после его полной зарядки, наше устройство уменьшает зарядный ток до порядка С/30 после того, как батареи оказались полностью заряженными. Такая процедура рекомендована для NiCd аккумуляторов и поможет обеспечить их длительную работоспособность.

Следующая информация позволит вам самостоятельно изготовить ЗУ для стандартного NiCd аккумулятора.

Зарядное устройство представляет собой отдельный блок, схема его подключения приведена на рис. 3.7 в иллюстративных целях. Такую схему легко разместить в корпусе робота, при этом потребуется разъем для соединения с ЗУ. Кроме того, необходим двухполюсный двухпозиционный переключатель, помещенный между разъемом и остальной схемой. Этот переключатель соединяет источник питания (аккумулятор) либо с остальной схемой робота, либо с ЗУ. Обесточивание робота необходимо потому, что в противном случае ток заряда аккумулятора уменьшится (см. рис. 3.7).

Рис. 3.7. Двухпозиционный переключатель, управляющий зарядом АКБ

Питание зарядного устройства можно осуществлять, используя либо обычный трансформатор, либо портативный блок питания, совмещенный со штекерной вилкой (типа используемых для питания плееров). Я предпочитаю последний, поскольку он дает на выходе постоянный ток. Если вы используете трансформатор, то вам дополнительно потребуются сетевой предохранитель, диодный мост, сглаживающий конденсатор и соединительные провода.

В любом случае вы должны подобрать характеристики трансформатора или выпрямителя под тип заряжаемой батареи. Подбор выпрямителя по выходному напряжению и току снизит рассеиваемую мощность на регуляторе LM317; например, не стоит использовать трансформатор на 12 В для зарядки 6-вольтовых батарей.

На рис. 3.8 показана схема блока питания ЗУ. Выходное напряжение может равняться 6, 12, 18, 24 или 36 В в зависимости от типа используемого трансформатора, диодного моста и конденсатора.

Рис. 3.8. Сетевой трансформатор и выпрямительный блок

Схема зарядного устройства приведена на рис. 3.9. Она включает в себя регулятор напряжения LM317 и ограничивающий ток резистор. Величина сопротивления ограничительного резистора зависит от силы тока, необходимого для зарядки аккумуляторной батареи.

Рис. 3.9. Схема зарядного устройства

Ограничительный резистор

Большинство производителей NiCd аккумуляторов рекомендуют заряжать их током, равным 1/10 от их емкости, что обозначается C/10. Таким образом, батарея размера АА емкостью 0,85 Ач необходимо заряжать током C/10 или 85 мА в течение 14 часов. После полной зарядки батареи производители рекомендуют снизить ток до уровня порядка C/30 (1/30 емкости батареи) для поддержания батареи в полностью заряженном состоянии без риска перезаряда или иных повреждений.

В нашем случае рассчитаем характеристики ЗУ для зарядки аккумулятора, состоящего из 4 последовательно соединенных элементов С-типа. Емкость каждого элемента составляет 2000 мАч. Таким образом, ток C/10 составит 200 мА. Стандартное напряжение каждого элемента составляет приблизительно 1,3 В, следовательно, напряжение батареи 4 х 1,3 = 5,2 В. Следовательно, можно использовать 6-вольтовый трансформатор, поддерживающий ток не менее 200 мА.

Для расчета сопротивления ограничивающего ток резистора используется формула:

R=1,25/Icc

Где Icc необходимый ток. Подставляя в формулу 200 мА (0,2 А) получаем:

1,25/0,2=6,25 Ом

Таким образом, сопротивление ограничительного резистора должно быть порядка 6,25 Ом. На схеме (рис. 3.9) этот резистор обозначен R2. Заметим, что на схеме резистор R2 имеет номинал 5 Ом. Это ближайший стандартный номинал резистора по отношению к рассчитанному.

C/30 резистор

Чтобы уменьшить силу тока до значения C/30, мы последовательно включаем еще один резистор, номинал которого составляет 2R или около 12,5 Ом. На схеме этот резистор обозначен как R3. Также подбирается резистор ближайшего стандартного номинала. В нашем случае его значение равно 10 Ом.

Принцип работы ЗУ

В ЗУ в качестве источника постоянного тока используется регулятор напряжения LM317. Ограничительный резистор для значения тока C/10 обозначен на схеме R2 (см. рис. 3.9). Значение R2 равно 5 Ом в сравнении с расчетным значением 6,25 Ом. Использование стандартного резистора близкого номинала не нарушит правильную работу ЗУ. Резистор для значения тока C/30 обозначен как R3. Стандартный номинал этого резистора также близок к расчетному и не нарушает нормальной работы ЗУ. Позже вы увидите, что ЗУ способно осуществлять и «быструю» зарядку аккумуляторов, поскольку имеет устройство контроля выходного потенциала.

V1 представляет собой переменный резистор номиналом 5 кОм. Он предназначен для отпирания тиристора после полной зарядки NiCd батареи. Тиристор в свою очередь переключает двухпозиционное реле, имеющее две группы контактов.

При подаче напряжения на схему ток протекает через регулятор LM317, заряжая батарею током порядка C/10. Резистор R3 при этом закорочен одной из групп контактов реле. Ток также протекает через резистор R1, ограничивающий ток светодиодов D1 и D2. После включения питания загорается красный светодиод D1, который сигнализирует о том, что происходит зарядка.

В процессе зарядки напряжение на потенциометре V1 возрастает. После 14 часов напряжение оказывается достаточным для отпирания тиристора. Через открытый тиристор напряжение поступает на обмотку двухпозиционного реле. Реле включается, красный светодиод гаснет и зажигается зеленый светодиод. Зеленый светодиод показывает, что батарея полностью заряжена. Другая группа контактов реле размыкает закороченный резистор R3. Включение резистора R3 уменьшает зарядный ток до порядка C/30. Диод D3 блокирует протекание тока из аккумулятора в схему ЗУ.

Определение напряжения срабатывания V1

Для нормальной работы схемы необходимо, чтобы тиристор отпирался только после полной зарядки NiCd батареи. Наиболее просто это сделать следующим образом: вставить полностью разряженную батарею в ЗУ, заряжать ее в течение 14 часов, а потом подрегулировать V1. После завершения процесса зарядки медленно поворачивать движок потенциометра V1 до срабатывания реле. При этом должен зажечься светодиод зеленого цвета.

Особенности конструкции

При самостоятельном конструировании ЗУ обратите внимание на следующее. Наиболее критичным является подбор ограничительных резисторов для значений тока C/10 и C/30. Для расчета их номиналов воспользуйтесь приведенными формулами. Рассеиваемая мощность этих резисторов порядка 2 Вт.

Если зарядный ток достаточно велик (более 250 мА), то для отвода тепла снабдите схему LM317 радиатором. Если ЗУ включить до соединения с батареей, то моментально сработает реле, включится зеленый светодиод и зарядный ток окажется равным C/30.

Если ЗУ будет использоваться при более высоких значениях напряжений – пропорционально увеличьте сопротивление R1, ограничивающее ток, протекающий через светодиоды. Например, для напряжения 12 В сопротивление R1 будет равно 680 Ом, для напряжения 24 В – 1,2 кОм соответственно.

При больших значениях напряжения может потребоваться резистор, ограничивающий ток обмотки реле. Полезно измерить реальные значения тока C/10 и C/30, протекающего через заряжаемую батарею, что позволит судить о правильности работы устройства.

Последовательное и параллельное соединение

Способ соединения элементов в батарею определяет необходимые характеристики трансформатора по напряжению и току. Если батарея состоит из 8 элементов типа С, соединенных параллельно, то необходимо умножить необходимый для каждого элемента ток на 8. Если емкость отдельного элемента составляет 1200 мАч, то зарядный ток C/10 будет равен 120 мА. Для 8 параллельных элементов ток составит около 1 А (8х 120 мА=960 мА=0,96 А). Необходимое напряжение составит 1,5 В. Соответственно, необходим трансформатор, выдающий напряжение 1,5 В при токе 1 А. Если эти элементы соединены последовательно, то необходимое напряжение составит 12 В при токе 120 мА.

Быстрое ЗУ

Многие современные NiCd аккумуляторные батареи можно заряжать быстрее при условии, что после их полной зарядки ЗУ переключится в режим C/30. Типичным является удвоение зарядного тока при сокращении времени зарядки в два раза. Таким образом, можно заряжать батарею током C/5 в течение 7 часов.

Хотя я не пробовал использовать данную схему ЗУ для быстрой зарядки, но не вижу оснований, почему она не должна работать. Если вы хотите это сделать, необходимо сперва подстроить потенциометр под значение тока C/10, а потом уменьшить номинал резистора R2 в два раза.

Список деталей

• U1 регулятор напряжения LM317

• L1 двухпозиционное реле с двумя группами контактов

• D1 красный светодиод

• D2 зеленый светодиод

• D2 диод 1N4004

• Q1 тиристор

• V1 подстроечный резистор 5 кОм

• R1 резистор 330 Ом 0,25 Вт

• R2 резистор 5 Ом 2 Вт

• R3 резистор 10 Ом 2 Вт

• R4 резистор 220 Ом 0,25 Вт

• Понижающий трансформатор

Изготовив ЗУ для аккумуляторных батарей, вы можете превратить его в устройство, питающееся от солнечных батарей. Для этого достаточно заменить трансформатор и выпрямительное устройство комбинацией фотоэлектрических элементов, имеющих аналогичные характеристики по току и напряжению. При создании системы с питанием от солнечных батарей необходимо учитывать:

– средний уровень освещенности панели солнечных батарей;

– отношение времени освещения солнечных батарей, необходимого для процесса зарядки ко времени рабочего цикла.

Топливные элементы-батареи с топливным баком

Топливные элементы, как и гальванические батареи, являются электрохимическими устройствами, преобразующими энергию химических реакций в электричество. В гальванических батареях химические реагенты помещены внутрь их. Когда химические реакции прекращаются из-за истощения батареи, она подлежит замене (или в некоторых случаях перезарядке). Топливные элементы используют химические реагенты (топливо), хранящиеся вне элемента. До тех пор пока в топливный элемент поступает топливо, он будет (теоретически бесконечно) вырабатывать электрическую энергию.

Когда запас топливного элемента истощается, он легко может быть наполнен свежим топливом аналогично современным автомобилям. Робот, питающийся от топливных элементов, может быть быстро приведен в рабочее состояние в сравнении с другими роботами, требующими времени на зарядку аккумуляторов.

На рис. 3.10 приведена схема топливного элемента на основе едкого кали (KOH). Такой тип элементов используется в американских космических аппаратах. Первая вещь, которую вы можете заметить, – анод помечен знаком (-), а катод, соответственно (+). Когда я впервые стал просматривать схемы топливных элементов, я подумал, что это ошибка, но после того как я увидел несколько дюжин подобных схем, я заключил, что это на самом деле не ошибка. Для большей уверенности я посмотрел определение катода в Оксфордском толковом словаре. Там сказано: «Катод. 1. Отрицательный электрод в электролизном сосуде. 2. Положительный вывод элемента батареи». Я привел это только для того, чтобы вы не были смущены этими обозначениями на других схемах топливных элементов, поскольку, насколько мне известно, такие обозначения являются общепринятыми.

Рис. 3.10. КОН топливный элемент

Топливные элементы находят себе многочисленные применения. Практически любые устройства, использующие гальванические элементы и аккумуляторы, могут быть успешно переведены на питание от топливных элементов. В разработке находятся воздушно/алюминиевые топливные элементы, пригодные к использованию в сотовых телефонах, и элементы для «laptop» компьютеров. Топливные элементы работают более продолжительное время и имеют улучшенные характеристики.

Если топливные элементы имеют столь замечательные характеристики, то где же они? Почему мы не видим их в наших портативных компьютерах, видеокамерах и сотовых телефонах? Безусловно, технология производства топливных элементов сильно улучшилась за последнее десятилетие, но по уровню затрат (читайте – стоимости) она не может сравниться с технологиями производства других источников тока. Одна из наиболее развитых технологий использует электроды на основе протонно-обменных мембран (ПОМ) – материала, названного Nation, разработанного концерном Дюпон. Сам материал ПОМ стоит примерно $1000 за кв.м. Удешевление производства подобных мембран и создание других ПОМ – материалов представляет собой первоочередную задачу создания конкурентоспособных топливных элементов.

Платина является дорогим металлом. Электроды топливного элемента обычно покрыты или анодированы платиной. Платиновое покрытие является катализатором, облегчающим протекание химических реакций внутри топливного элемента.

Развитие технологий производства топливных элементов наблюдается и в автомобильной индустрии. Все ведущие автостроительные компании заняты продолжающимися исследованиями по разработке и внедрению технологии топливных элементов. Список компаний, занимающихся подобными исследованиями, напоминает рейтинги «кто есть кто» в научных исследованиях.

Появление на рынке автомобилей, работающих на топливных элементах, ожидается к 2003 году. Канадская компания Ballard Power Systems, основной игрок на рынке производства ПОМ технологий, запускает в производство серию автобусов, работающих на топливных элементах. В производстве топливных элементов Ballard объединил свои усилия с такими известными компаниями как DaimlerChrysler и Ford Motor. Ballard недавно ввел в строй предприятие, рассчитанное на выпуск 160.000 коммерческих топливных элементов ежегодно.

Honda планирует перейти к выпуску автомобилей, работающих на топливных элементах уже 2007 году. Она будет использовать существующие модели автомобилей с электрическими двигателями, разработанными для питания от аккумуляторов, и будет заменять их топливными элементами.

Продолжение исследований в области технологий топливных элементов встречается с энтузиазмом и находит широкую поддержку. Перед тем как покинуть президентское кресло, президент Клинтон вместе с конгрессом ассигновал $ 100.000.000 для продолжения исследований в области создания технологий топливных элементов на 2001 фискальный год.

Когда топливные элементы станут неотъемлемой частью нашего обихода, как видеокамеры, сотовые телефоны и портативные компьютеры, мы сможем использовать их для питания наших роботов.

Глава 4
Системы движения и привода

В этой главе будут рассмотрены некоторые компоненты систем движения и привода, которые могут быть использованы в конструкциях роботов. Некоторые схемы подобных компонентов будут рассмотрены в этой главе, другие варианты конструкций схем движения и привода будут обсуждаться в следующих главах. Мы остановимся на следующих конструкциях: воздушные мышцы, нитиноловая проволока, шаговые двигатели, двигатели постоянного тока с редукторами, сервомоторы и соленоиды.

Воздушные мышцы

Воздушная мышца представляет собой простое устройство, предложенное в 1950-х годах Дж. Л. МакКиббеном. Подобно биологическому прототипу воздушная мышца сокращается при активировании. Интересен тот факт, что воздушная мышца представляет собой достаточно точную копию биологической мышцы-прототипа, что позволяет исследователям, прикрепляя подобные мышцы к точкам скелета, соответствующим положению «живой» мускулатуры, моделировать биомеханические и иннервационные процессы низкого уровня, характерные для биологической мышцы. В опубликованной литературе подобные конструкции также называются воздушными мышцами МакКиббена, искусственными пневматическими мышцами МакКиббена и «Резиномышцами». Я буду использовать название «воздушная мышца».

Воздушные мышцы находят применение в робототехнике, биомеханике, создании искусственных протезов конечностей и промышленности. Основной причиной, по которой экспериментаторы и любители охотно используют воздушные мышцы, является простота их конструкции и легкость использования в сравнении с обычными пневматическими цилиндрами. Воздушные мышцы имеют малый вес, «гибкую» конструкцию и высокое отношение развиваемой ими силы по отношению к собственному весу (400:1); они выдерживают продольное скручивание, не требуют параллельности закрепления концов и могут быть изогнуты внешним ограничителем без нарушения работы.

Воздушная мышца состоит из двух основных частей: внутренней растягивающейся мягкой резиновой трубки и внешней сетчатой ячеистой оплетки (рукава), изготовленного из капрона (см. рис. 4.1). Резиновая трубка называется «внутренним пузырем» и заключена внутрь рукава оплетки.

Рис. 4.1. Устройство и работа воздушной мышцы

Прочие компоненты включают воздушный патрубок на одном конце резиновой трубки и две петли на каждом из концов воздушной мышцы, позволяющие прикрепить мышцу к остальной части конструкции.

При подаче давления во внутренний пузырь он расширяется и давит изнутри на стенки рукава оплетки, что вызывает увеличение его диаметра. Физические характеристики рукава таковы, что его продольное сокращение пропорционально увеличению его диаметра, что обусловливает появление силы сокращения в воздушной мышце.

Необходимо отметить, что для правильной работы мышцы в состоянии «покоя» она должна быть растянута или нагружена. В противном случае эффект сжатия не будет выражен. Как правило, подобные конструкции воздушной мышцы способны сжиматься до 25 % от их первоначальной длины.

Нитиноловая проволока

Нитинол представляет собой сплав, относящийся к классу материалов, обладающих «памятью» формы. Нитинол обычно выпускается в виде проволоки. При нагревании материал способен сокращаться до 10 % от первоначальной длины. Подобное сокращение способно производить линейное движение. Кроме свойства сокращения, этот сплав обладает свойством «памяти».

Эффект памяти является уникальным свойством этого сплава. При нагревании до температуры критического перехода сплав автоматически приобретает первоначально заданную форму. Процесс задания первоначальной формы, которую «помнит» материал, называется процедурой термального отжига. Сплав принудительно заключается в требуемую форму и подвергается процессу отжига при температуре выше критической. Такой процесс приводит к изменению кристаллической решетки сплава. После этого при любом повышении уровня температуры выше критической материал «вспомнит» приданную ему первоначально форму. Изделие из такого материала можно подвергать изгибу или скручиванию, но оно обязательно примет исходную форму при критическом нагревании.

Эти уникальные свойства определяются структурой кристаллической решетки сплава. Возвратная сила может достигать 1500 грамм на кв. см. Вряд ли кто-то будет использовать материал столь большого поперечного сечения. Даже достаточно тонкая проволока способна производить очень большую силу. К примеру, проволока диаметром 6 мм создает возвратную силу в 350 грамм.

Объем нитиноловой проволоки при сокращении до уровня 10 % остается постоянным. По мере сокращения ее диаметр пропорционально возрастает, обеспечивая постоянство объема.

Наиболее простым способом нагревания нитиноловой проволоки является пропускание через нее электрического постоянного тока (см. рис. 4.2) Однако длительное пропускание постоянного тока может привести к разрушению проволоки в силу ее неравномерного омического нагрева. Повреждений проволоки при нагревании и поддержании в нагретом состоянии можно избежать, использую широтно-импульсный источник постоянного тока.

Рис. 4.2. Бабочка с нитиноловой проволокой

Некоторые конструкторы роботов используют нитиноловую проволоку в приводе безмоторного шестиногого движущегося робота. Робот действительно способен передвигаться, но делает это крайне медленно, поскольку для цикла нагревания и охлаждения нитиноловой проволоки требуется значительное время. Конструкция такого шестиногого «ползающего» робота очень легка (он весит несколько унций), однако он имеет достаточную мощность, чтобы нести «на себе» собственный источник питания.

Для шестиногих «ползающих» роботов использование нитинола в качестве привода вряд ли оправдано, однако он находит много других интересных применений в конструкциях роботов. Для того чтобы подробнее ознакомиться с замечательными свойствами этого материала, посмотрим, как используется способность нитинола к сокращению в некоторых коммерческих игрушках. На рис. 4.3 изображена механическая бабочка, крылья которой приводятся в движение нитиноловой проволокой. В качестве интересной иллюстрации принципов робототехники, такая бабочка может быть присоединена к источнику питания на основе солнечной батареи.

Рис. 4.3. Бабочка с нитиноловой проволокой

На рис. 4.4 изображено демонстрационное устройство – движущийся шарик. Нитиноловый привод совершает в день около 20.000 циклов и способен работать многие годы.

Рис. 4.4. Модель шара-ракеты

Петли из нитиноловой проволоки могут быть использованы для создания вращения. На рис. 4.5 изображен такой простой «тепловой» движитель. Каждое колесико имеет паз, в котором находится нитиноловая проволока. Для лучшей теплопроводности меньшее колесо изготовлено из латуни. Когда меньшее колесо помещено в воду – оно начинает вращаться. Подобный тепловой движитель может работать и от солнца. Если сфокусировать на маленьком колесе лучи солнца с помощью 3 – дюймовой лупы, то устройство начнет работать.

Рис. 4.5. Тепловой двигатель

Нитинол также может быть использован в механических выключателях кнопочного типа, например в качестве привода небольших воздушных клапанов или в других механизмах, требующих линейных перемещений.