Тренировочный робот
Описание назначения конструкции
Конструкция (рис. 1) предназначена для отработки первичных навыков начинающего роботостроителя, и никаких иных функций, кроме обучающих, в себе не несёт. Движение робота линейное, обеспечиваемое одним единственным двигателем. Датчики (их два) — это переключатели — концевики. Один работает на замыкание, другой датчик — на размыкание. «Мозг робота» реализован на электромагнитном реле, резисторе и конденсаторе. Основная идея конструкции — получение различных версий принципиальных схем робота и их интерпретация в вариантах «поведения» робота.
Описание ходовой части робота и элементов конструкции
Шасси игрушки реализовано по «вертикальной схеме». Его конструкция имеет два ведущих колеса 4 (рис. 2), ведомое — опорное 3 (условно будем его считать задним колесом) и опорный зуб 11. Он нужен для предотвращения опрокидывания робота при резкой смене направления движения.
Над задним колесом, выдаваясь вперёд, расположен датчик 1. При столкновении с плоскостью преграды его контакты размыкаются. Впереди находится датчик 10, его контакты при взаимодействии с помехой работают на замыкание.
Ведомое колесо 3 закреплено к основанию 6 посредством винта М3 (элемент 5) и металлической П-образной скобы 2. Вращающийся вал 8 содержит жёстко закреплённые колёса 4, шестерню 7 с приклеенной для жесткости шайбу 9 и «кембрик» 14 (отрезок резиновой трубочки). Отрезок предотвращает продольное смещение вала. Шайба 13 уменьшает трение при вращении вала и его взаимодействии с опорной втулкой 12.
Батарейный отсек 15 рассчитан на четыре элемента питания типа АА. На его боковой поверхности приклеена контактная плата 16 (4 контактные дорожки). На ней находится выключатель питания батареи 17. Отсек прикручен к отрезку Г-образного профиля 18 винтом М3. Сам профиль приклеен к основанию 6 по всей длине боковой линии. Основанием 6 служит фрагмент пластмассового шасси DVD привода от компьютера, содержащий двигатель 19 и понижающий редуктор. Сверху к профилю приклеена пластина 20, на которую крепится миниатюрное электромагнитное реле 21 с парой переключающих контактов.
Выводы реле 21 и дорожки платы 16 образуют монтажное поле для других элементов принципиальной схемы робота. Межэлементное соединение осуществляется гибкими проводами 22. С их помощью удобнее трансформировать варианты схем устройства.
Колёса 4 изъяты из детской радиоуправляемой игрушки — машины внедорожника. Посадочные гнёзда в них рассверлены насквозь сверлом диаметром 5 мм. Вал 8 — стальной стержень диаметром 5 мм и длиной около 7 см. Шайбы 9, 13 стальные под винт М5. Втулка 12 это отрезок крепёжной стойки корпуса телевизора. В нём рассверливается имеющееся сквозное отверстие до диаметра 5,5 мм. Втулка приклеивается к основанию «секундным клеем». Концевики — кнопки 1, 10 извлечены также из привода компьютера и приклеены к основанию 6 (элемент 10) и профилю 18 (элемент 1) тоже с помощью клея. Профиль вырезается из корпуса от телевизора (используется его угол). Высота отреза около 9 см, ширина 3 см. Опорный зуб 11 выпиливается также из листовой пластмассы корпуса. Зуб сажают на клей к основанию 6. Реле (элемент 21) приклеивают к пластине 20 (пластина изготовлена из корпуса телевизора) вязким, «резиновым клеем». На вал двигателя 19 насажен пластмассовый шкив. Первое понижение частоты вращения в редукторе происходит за счёт ременной передачи, далее снижение осуществляется шестерёнками.
Порядок сборки подвижной части шасси робота
1. Из имеющегося привода вырезается основание — мотор и редуктор на общей подложке.
2. Крайняя шестерня редуктора снимается с оси. На её месте рассверливается сквозное отверстие (пластмассовую ось убирают). Изготавливается вал, на который жестко сажается шестерня. Для этого удобно кернером в месте посадки на валу сделать 3–4 насечки.
3. Подготавливается опорная втулка. Вал с шестерней продевается сквозь отверстие в основании, с обратной стороны надевается втулка. Её боковая сторона (к основанию) предварительно намазывается клеем. Втулку приклеиваем к основанию. Следует контролировать величину сцепления шестерни вала с ведущей шестерней, а так же положение вала по отношению к плоскости основания (осевая линия вала должна быть перпендикулярна плоскости основания).
4. Помещаем на вал шайбу и «придавливаем» её резиновым кольцом, регулируя продольный люфт вала.
5. Одеваем колёса на вал. Проверяем вращение элементов, сначала от руки, затем от электродвигателя. Потребляемый им ток должен находиться в границах 70-100 мА на холостом ходу (колёса вращаются «на воздухе»).
Варианты схемных решений робота
На рисунке 4 изображён стартовый вариант схемы управления роботом.
Функционирует она следующим образом. После включения батарея GB1 через свободно замкнутые контакты реле группы К1.2 запускает двигатель M1. Его ротор вращает колёса робота, и он устремляется вперёд. При столкновении с преградой кратковременно замыкаются контакты датчика SB1, срабатывает реле К1. Контактная группа К1.1 самоблокирует его обмотку. Одновременно группа К1.2 переключает двигатель на батарею GB2. Направление тока через мотор меняется на противоположное, робот начинает «бежать» в обратном направлении. При столкновении со второй преградой разомкнутся контакты SB2. Обмотка реле обесточится, робот вновь «побежит» вперёд. Резистор R1 токоограничительный. Таким образом, игрушка «метается между двумя стенками». Этакий вариант однотипно-активной деятельности, возбуждённо-целеустремлённое поведение.
К недостаткам данного варианта следует отнести использование двух групп контактов реле и большой ток потребления при движении робота назад.
Вариант, представленный, на рисунке 5 лишён этих недостатков.
Резистор R1 может ограничивать ток реле до величины тока удержания якоря. А он существенно ниже тока срабатывания. В авторском варианте робота резистор R1 составлял 470 ом (с экземпляром реле HLS-4078-DC5B фирмы HELISHUN). Диод VD2 развязывающий. Он предотвращает разряд батареи GB2 через обмотку мотора, контакты SB2, резисторы R1, R2 на обмотку реле при выключенной игрушке. В остальном работа схемы повторяет предыдущий вариант.
Схема (рис. 6) меняет алгоритм поведения робота.
В исходном состоянии игрушка приставлена к преграде (контакты SB2 разомкнуты). После включения робот неподвижен, как бы на привязи. Но стоит слегка отвести преграду (замкнуть SB2) и робот устремляется вперёд. При его столкновении с предметом концевик SB1 замыкается, конденсатор С1 быстро заряжается, реле переключается. Робот «пятится назад». Так происходит пока конденсатор разряжается через обмотку реле, поддерживая замкнутыми свободно разомкнутые контакты К1.1. Далее игрушка вновь атакует преграду. Таким образом, данный схемный вариант реализует агрессивно-активное поведение робота. Остановить его можно поймав за «хвост» (придавить толкатели концевика SB2).
Противоположный, покладистый характер игрушки нам демонстрирует вариант схемы на рисунке 7.
Небольшое изменение по сравнению с первым вариантом и поведение робота резко меняется: потеряв опору, он движется к новой преграде, но скоро возвращается назад, чтобы вновь обрести былую твёрдость уже навсегда…. Да, а всего лишь перекинули один контакт SB2.
Довольно часто не удаётся найти двигатель на низкое рабочее напряжение. Тогда приходится питать его от всей батареи сразу.
Здесь нам может пригодиться сэкономленная группа контактов. Вариант схемы с питанием мотора напряжением 6 В изображён на рисунке 8. Поведенческий сценарий повторяет первый вариант.
И напоследок — ещё один вариант «неуправляемой агрессии» — рисунок 9.
В схему добавлен красный сигнальный светодиод HL1- начала атаки препятствия. После включения питания робот устремляется в атаку на преграду. Столкнувшись (замыкание контактов SB1) он отскакивает и вновь бросается на «обидчика». Происходит это так: ток через контакты SB1 и разряженный конденсатор С1 подаётся на обмотку реле. Группа К1.1 самоблокирует реле, однако ток быстро убывает по мере зарядки конденсатора. Когда он снижается до величины ниже тока удержания реле — ток в цепи прерывается, робот начинает бежать вперёд. Одновременно конденсатор С1 разряжается через светодиод HL1 — он вспыхивает и цикл повторяется вновь.
Вариации схем и соответствие характера поведения сведены в таблицу (рис. 10).
Конечно, читатель можно придумать ещё не одну подобную схемку поведения подопечного, было бы желание и интерес. А в заключение несколько вопросов для закрепления.
1. Как изменить схему (рис. 9), добавив светодиод, сигнализирующий об отступлении игрушки от преграды?
2. Как изменится сценарий поведения робота (схема рис. 6), если поменять местами подключение проводов двигателя M1?
3. Что изменится, если из схемы (рис. 4) изъять резистор?
Фантазии на тему конструкции или перспектива её изменений
Когда конструктору кажется, что изделие исчерпало свой «инновационный ресурс», возникает жгучее желание изменить что-то в нём кардинально. Для данной игрушки таким изменением может быть изменение ходовой части. Например, добавление второго двигателя с редуктором (рис. 11).
С такой «ходовой» робот может двигаться уже по всей плоскости. Вариант схемного решения представлен на рисунке 12.
После включения питания робот устремляется вперёд, работают оба двигателя. Питание на них подаётся от батареи GB1 через развязывающие диоды VD3, VD4. После столкновения игрушки, реле самоблокируется и ток подаётся от батареи GB2 только на двигатель М1 через диод VD2. Робот отворачивает от преграды «одним боком». Затем происходит срабатывание датчика SB2, цепь обмотки реле размыкается. Вновь включается «полный вперёд» и робот «бежит от преграды» уже по другой «дорожке». В таком варианте потребуется замена «солевых» элементов АА на «алкалиновые».
Исключив диоды и соединив моторы параллельно можно попробовать повторить кинематику шагающих игрушек. Например, ходовая часть шагающего робота (рис. 13), позаимствованная из работы Марка Тилдона «Controller for a four legged walking machine» вполне подходит для экспериментов.
Управление работой датчиков можно осуществлять с помощью задних ног робота.
Вновь вернёмся к исходной схеме рисунка 4. Она может стать основой конструкции, концепт которой изображён на рисунке 14.
Это подвижная мишень для тренировки стрельбы из игрушечного пружинного пистолета. Механика изделия строится на зубчатой рейке (пластмассовый вариант такой передачи имеется в DVD приводе компьютера). Благодаря работе датчиков SB1, SB2 мишень движется возвратно-поступательно. Ещё один концепт изделия поясняет рис. 15.
«Мишка» методично бьёт в колокольчик, оповещая окружающих о чём-то важном. Его фигурка на шарнире участвует в возвратно-вращательном движении. Концевики-датчики ограничивают амплитуду колебаний. Редуктор желательно использовать с возможно большим коэффициентом понижения, а в оконечном звене — фрикционную передачу.
На рисунке 16 изображён вариант игрушки — модели канатной дороги.
Здесь возможны вариации. Вместо тросика можно проложить пару жестких опор — рельсов. Получится модель фуникулёра. Или сделать монорельс. В любом случае нужно центр тяжести игрушки располагать под линией воздушной дороги.
Завершая изложение вопроса, хочу ещё раз заметить, что двигаться нужно от простого к сложному, от известного к спорному, особенно — экспериментируя…
Доработка газонного светильника на солнечной батарее
Друг подарил несколько газонных (парковых) автономных светильников рис. 17 от китайской компании «Эра Соларко» (в русской транскрипции) и отечественного импортёра «Касторома РУС».
Из доступной информации известно, что данный прибор является не осветителем, а декоративной подсветкой. Предназначен он для украшения паркового, садового или земельно-огородного участка: подсветки клумбы, цветника, садовой дорожки, скамейки, беседки, газона, теплицы, кустарников, определения контуров поверхностного рельефа территории в тёмное время суток летне-осеннего периода при массовом использовании.
Принцип действия прост — зарядка аккумулятора днём от солнечной батареи, с последующей её разрядкой через светодиод ночью. Просто, автономно, надёжно… но!
Расставив их солнечным утром «согласно собственной гармонии» на участке, стал ждать сумерек — вечером участок засиял. Было необычно и красиво, однако, после 4–5 часов свечения светодиоды стали «в индивидуальном порядке тускнеть и гаснуть по одной им известной причине», и к утру гармония рухнула. Стало ясно, что осенью работа светильников обернется «забастовкой». Критический анализ ситуации и изучение «внутренностей» светильника привёл к выводу: нужно в разы снижать ток, потребляемый устройством ночью.
Штатная схема светильника представлена на рисунке 18.
На специализированной микросхеме ANA618 и дросселе L1 реализован импульсный преобразователь напряжения, повышающий напряжение питания светодиода до необходимого. Вход СЕ (вывод 2) управляющий, при наличии на нём низкого уровня (солнечная батарея освещена) преобразователь не работает — идёт зарядка аккумулятора, ёмкостью 100 ма·час. В сумерках светодиод загорается, и схема начинает потреблять ток 18–20 ма. Ток, потребляемый светодиодом, составляет 3 ма. Коэффициент полезного действия схемы (если его находить как отношение выделяемой на светодиоде мощности к потребляемой схемой) составляет 34 %.
В данных на микросхемы есть таблица (рис. 19) зависимости потребляемого схемой тока от индуктивности дросселя.
С её увеличением ток уменьшается, с уменьшением — увеличивается. Поэкспериментировав с различными дросселями получил данные, из которых следует вывод: замена дросселей не увеличивает КПД схемы, а следовательно не увеличивает продолжительность работы светильника при неизменной яркости светодиода.
Возможные схемные варианты модернизации изображены на рисунках 20–22.
В первом варианте минимум вмешательства в конструкцию, параллельно аккумулятору припаян конденсатор С1. Время свечения светильника по отношению к исходной схеме увеличивается в 1,5 раза.
Если светодиод включить параллельно дросселю время свечения увеличиться вдвое, правда, яркость свечения немного уменьшиться, а светодиод придется перепаивать.
Следующим «глубоким» вмешательством в конструкцию является замена дросселя на кольцевой трансформатор согласно четвёртой схеме. Это ещё больше уменьшит потребляемый ток и вернёт исходную яркость светодиода.
«Радикальный» вариант, снижающий потребление тока схемой до 5–6 мА, но требующий изготовление новой платы и отказ от микросхемы изображен на пятом рисунке. На транзисторе VT2 и трансформаторе Т1 собран повышающий преобразователь напряжения. Транзистор VT1 управляет его работой. При освещении батареи G1 транзистор открывается и закрывает транзистор VT2 — светодиод гаснет, а аккумулятор через диод начинает заряжаться.
Трансформатор для этой конструкции намотан вдвое сложенным проводом ПЭЛ 0,2 (20 витков) на кольцевом магнитопроводе из феррита проницаемостью 1000…2000 с внешним диаметром 7, внутренним 5,5 и толщиной 2 мм. С наступлением сумерек транзистор закрывается, разрешая работу преобразователя.
При желании число светодиодов можно увеличить (включая последовательно) два, три. Это позволит, изменив конструкцию светильника, менять интенсивность свечения по разным направлениям. Потребляемый ток при этом также увеличится. Ещё один вариант модернизации изделия это включение в цепочку светодиодов одного «мигающего» (светодиод со встроенным генератором).
Ещё один концепт, не реализованный автором на практике, происходит из следующих противоречий: светильник (в идеале) горит всю ночь, но тускло; иногда нужно кратковременно осветить территорию ярким светодиодом, например, проводить гостей. Концепт: можно разработать и сделать светильник-факел с двумя режимами свечения светодиода (светодиодовов) — слабый и яркий.
Данные по значениям силы тока и КПД различных вариантов схем сведены в таблицу.
В заключение — забавное наблюдение по светильнику пятой схемы. Частично зарядил аккумулятор дома на подоконнике (до сумерек, в течении 3 часов) и, дождавшись свечения, лёг спать. Ночью под рассвет проснулся от раскатов грома. Светодиод не горел. В паузах между вспышками, после 4–5 разрядов молнии, он вновь стал светиться. Вывод: светильники можно заряжать и ночью, правда, нужна гроза.