طراحی فریم ربات و اتصال اجزای مختلف آن

در صورتیکه بخش های قبلی پروژه را مطالعه نکرده اید حتما به بخش اول (چگونه یک ربات بسازیم؟) مراجعه کنید و از ابتدا پروژه را مطالعه کنید.

طراحی و ساخت فریم ربات جهت نگه داری تمامی اجزای آن در کنار یکدیگر مساله مهمی در ساخت رباتها می باشد و البته ظاهر ربات را نیز شکل می دهد.

ساخت فریم ربات

اصولاً نمی توان یک فریم ایده آل و بی نقص ایجاد کرد. فرضاً اگر بخواهید یک فریم سبک وزن طراحی کنید باید از مواد گران قیمت استفاده کنید در غیر اینصورت فریم شما نازک و شکننده خواهد شد. اگر بخواهید یک فریم محکم یا بزرگ بسازید باید هزینه بیشتری بپردازید و همچنین فریم سنگین و ساخت آن سخت خواهد بود. ساخت یک فریم ایده آل پیچیده خواهد بود و زمان زیادی برای طراحی نیاز دارد درحالیکه ممکن است که یک فریم ساده نیز به همان اندازه کارایی داشته باشد و البته ارزانتر نیز می باشد و همچنین یک قاب یا فریم ایده آل بسیار کم یاب است.

مواد لازم برای ساخت فریم ربات

مواد بسیاری وجود دارد که می توانید برای ساخت یک فریم استفاده کنید. هرچه از مواد بیشتری برای ساخت فریم استفاده کنید نتیجه بهتری خواهید گرفت.

مواد لازم برای ساخت فریم در زیر بیان شده است که البته پرکاربرد و معروف ترین آنها می باشند.

استفاده از مواد تجاری موجود جهت ساخت فریم

به احتمال زیاد پروژه های مدرسه ای را دیدید که با استفاده از بطری، جعبه مقوایی، ظروف پلاستیکی و غیره ساخته شده باشند. با این کار در وقت و هزینه صرفه جویی می شود. ربات RoboBrrdto یک نمونه از همین نوع فریم می باشد که تصویر آن در زیر آمده است.

مواد اولیه ساخت فریم

یکی از ارزان ترین و در دسترس ترین مواد، مقوا است که اغلب به صورت رایگان قابل دسترس است و به راحتی می توان آن را برش ، خم ، چسب و لایه لایه کرد. به عنوان مثال می توانید یک جعبه مقوای محکم بسازید که زیبا به نظر برسد و از نظر اندازه متناسب با ربات شما باشد. سپس می توانید چسب اپوکسی یا هر نوع چسب دیگری را روی آن پخش کنید تا دوام بیشتری پیدا کند و سپس آن را رنگ کنید.

استفاده از مواد تخت برای ساخت فریم

یکی از متداول ترین روش های ساخت فریم استفاده از مواد استاندارد مانند ورق چوب، پلاستیک یا فلز و ایجاد سوراخ هایی برای اتصال موتورهای محرک و قطعات دیگر الکترونیکی است. ورق های چوبی با دوام نسبتاً ضخیم و سنگین هستند، در حالیکه ورق های نازک فلزی بسیار انعطاف پذیر می باشند. به طور مثال: یک تخته چوب متراکم و مسطح را می توان به راحتی با اره برید یا دریل کرد (بدون ترس از خرد شدن)، رنگ کرد، سمباده کشید و سایر کارهای دیگر که لازم باشد را انجام داد. شما می توانید قطعات را به هر دو طرف فریم وصل کنید بدون آنکه مشکلی پیش بیاید، برای مثال موتورها و چرخ های caster را به پایین و قطعات الکترونیکی دیگر و باتری را به بالای آن وصل کنید.

برش دهنده یا خم کننده پلاستیک و فلز لیزری

اگر می خواهید از مواد فلزی یا پلاستیکی ضخیم برای طراحی فریم ربات استفاده کنید، بهترین گزینه برای برش دقیق استفاده از دستگاه برش لیزری می باشد. که البته با استفاده از این دستگاه ها می توان فلز و پلاستیک را خم یا نقاشی نیز کرد.

ساخت فریم با استفاده از پرینتر سه بعدی

طراحی فریم با استفاده از پرینتر سه بعدی بسیار پرکاربرد است. زیرا به کمک آن می توان طرح های پیچیده ای را ساخت که با استفاده از روش های دیگر ممکن نیست یا بسیار دشوار است. و همچنین به کمک آن می توان به سادگی فریمهای کم وزن ایجاد کرد. قابلیت دیگر پرینتر سه بعدی، اشتراک گذاری ساده طرح فریمها می باشد.

طراحی فریم با استفاده از پلی مورف ( Polymorph )

پلی مورف در دمای اتاق، یک پلاستیک سخت است، اما هنگامی که گرم می شود (به عنوان مثال در آب گرم)، انعطاف پذیر می شود و به شکلهای پیچیده ای قابل تبدیل است و سپس پس از سرد شدن، دوباره به شکل جامد سخت تبدیل می شود. برای شکل دادن به قطعات پلاستیکی باید آنها را در دمای بالا حرارت داد. فرضاً می توان اشکال مختلف (استوانه ، ورق مسطح و غیره) را با هم ترکیب کرد و فریمهای پلاستیکی پیچیده ای تولید کرد. به طور مثال بازوی پلی مورف ربات ، یک نمونه از کاربرد این مواد می باشد.

چگونه اجزای مختلف ربات را در فریم ساخته شده، متصل کنیم؟

جهت ساخت فریم زیبا و در اندازه و سایز مناسب مراحل زیر را انجام دهید:

• ابتدا نوع ماده مورد دلخواه و مناسب برای ساخت فریم را انتخاب کنید.
• اندازه و سایز تمام قطعات را محاسبه کنید یا آنچه که در کاتالوگ محصول نوشته شده را یادداشت بردارید.
• چند طرح کلی متفاوت برای فریم بکشید.
• طرحی را انتخاب کنید که تمامی قطعات بتوانند در آن جای بگیرند.
• با استفاده از نرم افزار CAD یا بر روی کاغذ تمامی قطعات را در اندازه واقعی رسم کنید.
• با استفاده از نرم افزار CAD یا طرحی که بر روی کاغذ کشیده اید، تمامی قطعات را در جای مناسب در فریم قرار داده و بدین صورت طرح اولیه را تست کنید.
• دوباره سایز قطعات و فریم را اندازه بگیرید و در صورتیکه از اندازه ها مطمئن شدید، فریم را با استفاده از مواد اصلی طراحی کنید.
• قبل از اینکه فریم ربات را آماده کنید، ابتدا تمام قطعات را در آن قرار دهید و جای آنها را مشخص کنید.
• با استفاده از چسب، پیچ، میخ و مواد لازم دیگر فریم ربات را بسازید.
• و در آخر نیز تمام قطعات را در جای مناسب در فریم قرار دهید.

جایگذاری مناسب قطعات در فریم

در بخش های قبلی، قطعات و موتورهای محرک را انتخاب کردید و حالا باید در کنار یکدیگر قرار گیرند تا با هم کار کنند. ما برای اتصالات از سیم های رنگی استفاده کرده ایم. برای درک بهتر نحوه کارکرد قطعات رباتیک به دیتا شیت و منابع آن مراجعه کنید.

اتصال موتور به کنترلرها

موتور گیربکس DC یا محرک خطی DC دو سیم قرمز و سیاه دارد که سیم قرمز را به ترمینال M+ در کنترلر موتور DC وصل کنید و مشکی را به M- متصل کنید. جا به جا کردن سیمها باعث چرخش موتور در جهت مخالف خواهد شد. سروو موتور ، سه سیم مشکی (GND) ، قرمز (4.8 تا 6V) و زرد (برای ارسال سیگنال موقعیت مکانی ربات) دارد و کنترلر سروو موتور دارای پین هایی مطابق این سیم ها است که مستقیماً به آن وصل می شوند.

اتصال باتری ها به کنترلر موتور یا میکروکنترلر

بیشتر کنترلرهای موتور دارای دو پیچ اتصال ترمینال برای قطبهای B+ و B- باتری هستند. اگر باتری شما به یک کانکتور وصل شده باشد و کنترلر شما از پیچ های اتصال ترمینال استفاده می کند، با اتصال کانکتور به پیچ های ترمینال ، باتری و کنترلر بهم وصل می شوند. اگر اینطور نباشد، باید راه دیگری برای اتصال باتری به کنترلر پیدا کنید.

توجه داشته باشید که معمولاً قطعات الکترومکانیکی که برای ربات خود انتخاب می کنید در ولتاژ یکسان عمل نمی کنند و بنابراین ممکن است به چندین باتری یا رگولاتور ولتاژ نیاز داشته باشید. در زیر سطح ولتاژ اجزای مشترک رباتیک را بیان کرده ایم:

• موتور گیربکس DC دارای ولتاژ-3V تا 24V می باشد.
• سروو موتور استاندارد از -4.8V تا 6V تغییر می کند.
• سروو موتور تخصصی از -7.4V تا 12V می باشد.
• استپ موتور از -6V تا 12V متغیر است.
• میکروکنترلرها اغلب حاوی رگولاتور ولتاژ از -3V تا 12V هستند.
• سنسورها از -3.3V و 5V تا 12V متغیر هستند.
• کنترلرهای موتور DC از -3V تا 48V تغییر می کنند.
• باتری های استاندارد دارای ولتاژهای 7V ، 4.8V ، 6V ، 7.4V ، 9V ، 11.1V و 12V می باشند.

حال اگر بخواهید یک ربات با موتور گیربکس DC ، میکروکنترلر و یک یا دو سروو موتور طراحی کنید، واضح است که با یک باتری نمی توان ولتاژ کل مورد نیاز این ربات را تأمین کرد. دقت کنید که باتری با بیشترین ظرفیت ولتاژ را باید برای موتورها قرار دهید. به عنوان مثال، اگر موتورهایی که انتخاب کردید دارای ولتاژ اسمی 12 ولت هستند، باتری اصلی شما نیز باید 12 ولت باشد، سپس برای انتقال نیرو به میکروکنترلر 5 ولت از یک رگولاتور استفاده کنید.

باتری های NiMH و LiPo برای تأمین انرژی رباتهای کوچک تا متوسط ​​مناسب هستند. باتری NiMh ارزانتر است در حالیکه وزن باتری LiPo سبکتر است. توجه داشته باشید که باتری ها دستگاه های قدرتمندی هستند و اگر به درستی وصل نشوند، موجب می شود تا مدارهای شما بسوزند. همیشه سه مرتبه بررسی کنید که قطبهای باتری به درستی وصل شده باشند و همچنین چک کنید که آیا دستگاه شما می تواند انرژی تأمین شده توسط باتری را تحمل کند یا خیر. اگر مطمئن نیستید، باتری را وصل نکنید زیرا جریان برق بالا سریعاً وارد مدارتان شده و آن را می سوزاند.

اتصال کنترلر موتور به میکروکنترلر

میکروکنترلر می تواند به روشهای مختلف به کنترلر موتور وصل شود:

• سریال : کنترلر دارای دو پین Rx (دریافت) و Tx (ارسال) می باشد. پین Rx کنترلر موتور را به پین Tx میکروکنترلر وصل کنید و بالعکس.
• I2C : کنترلر موتور چهار پین SDA،  SCL،  V، GND دارد. میکروکنترلر نیز دارای همین چهار پین است با این تفاوت که برچسب گذاری نشده اند، آنها را یک به یک بهم متصل کنید.
• PWM : کنترلر موتور ، یک ورودی PWM و یک ورودی دیجیتال برای هر موتور دارد. پین ورودی PWM کنترلر موتور را به یک پین خروجی PWM روی میکروکنترلر وصل کنید و هر پین ورودی دیجیتال کنترلر موتور را به یک پین خروجی دیجیتال در میکروکنترلر وصل کنید.
• R/C : برای اتصال میکروکنترلر به یک کنترلر موتور R/C ، باید پین سیگنال را به یک پین دیجیتال در میکروکنترلر وصل کنید.

صرف نظر از روش ارتباطی، کنترلر موتور و میکروکنترلر منطقاً باید به یک ولتاژ زمین یا GND وصل باشند که این کار با اتصال پین های GND به هم حاصل می شود و همچنین باید ولتاژ ماکزیمم یکسانی داشته باشند که این کار با اتصال یک ولتاژ یکسان به هر دو دستگاه حاصل می شود. اگر ولتاژ کنترلر موتور و میکروکنترلر یکسان نباشند باید با استفاده از یک level shifter ، سطح ولتاژ آنها را یکسان کرد.

اتصال سنسورها به میکروکنترلر

هنگام ایجاد فریم ، سنسورها را می توان به همان روشی که کنترلر موتور را به میکروکنترلر وصل می کنیم، متصل کرد. سنسورها با استفاده از متدهای ارتباطی زیر به میکروکنترلر وصل می شوند:

• دیجیتال : سنسور دارای پین دیجیتال است که مستقیماً به یک پین دیجیتال در میکروکنترلر متصل می شود. یک سوئیچ ساده را می توان به عنوان یک سنسور دیجیتال در نظر گرفت.
• آنالوگ : سنسورهای آنالوگ سیگنال آنالوگ تولید می کنند که باید توسط یک پین آنالوگ خوانده شود. اگر میکروکنترلر ، پین آنالوگ نداشته باشد، باید از یک مبدل آنالوگ به دیجیتال ADC استفاده کنید. همچنین برخی از سنسورهایی که منبع تغذیه دارند، دارای سه پین V+ ، GND و سیگنال هستند. به عنوان مثال اگر یک سنسور یک مقاومت متغیر ساده باشد، برای خواندن متغیرهای خروجی، به یک تقسیم کننده ولتاژ نیاز خواهید داشت.
• سریال یا I2C : همان اصول ارتباطی که برای کنترلرهای موتور توضیح داده شد، در اینجا نیز اعمال می شود.

وسایل ارتباطی مورد نیاز برای اتصال به میکروکنترلر

بیشتر وسایل ارتباطی (به عنوان مثال XBee ، بلوتوث) از ارتباطات سریال استفاده می کنند، بنابراین به همان اتصالاتRX ، TX ، GND و V+ نیاز داریم. توجه به این نکته حائز اهمیت است که گرچه چندین اتصال سریال را می توان در همان پین های RX و TX به اشتراک گذاشت، اما برای جلوگیری از برخورد داده ها با هم و بروز خطا نیاز به کنترل آنها دارید. در طراحی فریم ، اگر وسایل ارتباطی سریال کمی دارید، برای هر یک از آنها از یک درگاه سریال استفاده کنید.

اتصال چرخ ها به موتور

در طراحی فریم ، بهترین حالت این است که چرخ ها را طوری انتخاب کنید که متناسب با شافت انتخابی موتور شما باشد. اگر اندازه هم نبودند، باید با استفاده از یک hub ( قفل شافت ) آنها را بهم وصل کرد. اگر hub مناسب و اندازه شافت را پیدا نکردید باید با استفاده از یک دریل قطر hub را بزرگتر کنید تا اندازه شافت شود.

قطعات الکتریکی مورد نیاز فریم

با استفاده از روشهای مختلف می توان قطعات الکترونیکی را بر روی فریم قرار کرد. مطمئن شوید که هیچ کدام از وسایلی که از آنها استفاده می کنید رسانای برق نباشند. این روشها عبارتند از: اسپیسرهای Hex ، پیچ ها ، چسب دو طرفه ، چسب ولکرو ( Velcro ) ، بست کمربندی و غیره.

مثال عملی

1. نوع ماده مورد دلخواه و مناسب برای ساخت فریم را انتخاب کنید.
2. ما قطعات زیر را برای قرارگیری در فریم ربات انتخاب کرده ایم:

• Gear motors with 90 degree shafts : 2 عدد
• Arduino Uno : 1 عدد
•  Johnny Robot Standard GM Track Kit: 1 عدد
•  Arduino Motor controller Shield: 2 عدد
• Mini Breadboard : 2 عدد

3. سعی ما بر این است تا از حداکثر فضای فریم استفاده کنیم.
4. لازم است تا تغییراتی را در فریم ایجاد کنیم:

• باید سوراخ های نصب را برای جایگاه بسته باتری ایجاد کنیم.
• باید نقاط نصب را برای سروو موتورها یا لوازم جانبی دیگر ایجاد کنیم.
• در صورت لزوم سوراخ های نصب را اصلاح کنیم (فرضاً با دریل بزرگترش کنیم).

5. فریم مقوایی با چاپ طرح روی مقوای سفید (یا چسباندن یک ورق کاغذ چاپ شده روی مقوا) ، بریدن، خم کردن و استفاده از چسب داغ برای محکم کردن خم ها، لبه ها و سطوح ساخته می شود.
6. با استفاده از یک فریم مقوایی ، ربات را مونتاژ کردیم تا مطمئن شویم که همه قطعات به خوبی در آن قرار می گیرد.
7. ما همه قطعات را دوباره اندازه گرفتیم و وقتیکه در مورد طرح مان کاملاً مطمئن شدیم، نهایتاً فریم را ساختیم.
8. اگر قطعات به خوبی جایگذاری نشده باشند باید تغییرات لازم در اتصالات صورت گیرد.
9. فریم به صورت یک تیکه ساخته شده پس نیازی به اتصال بخش های آن نیست.
10. در ساخت این ربات ، لوازم جانبی بسیاری مورد نیاز است، پس باید جایگاه مناسب را برای آنها در نظر بگیریم.

بخش نهایی این پروژه را لطفاً در بخش دهم (برنامه نویسی ربات چگونه است؟ ) مطالعه کنید.