如何构建DIY机器人机箱

在本教程中,我们将学习如何使用铝型材和3D打印零件来构建4WD机器人底盘。

几周前,我建立了一个 避障机器人 在2WD塑料平台上。该平台运行良好,但是在空间和功能方面受到限制。

4WD底盘易于设计,易于构建,坚固耐用,并且我们有许多选择来连接不同的零部件。

这种平台有许多可能的设计。但是作为一名工程师,我从一组特定的要求开始,以构建一个能够托管不同的传感器,微控制器和计算机的平台。而且,3D打印部件使我可以使用不同的设计来生产最终的4WD机器人底盘。

重量分布是机箱结构设计决策中的关键因素。机箱正面和背面的重量分配相等。因此,重量分布不会影响机器人的各种特性,包括操纵,牵引和加速。

在本教程的其余部分中,您将:

1. 了解如何用铝型材构建机箱框架
2. 如何构建驱动系统
3. 测试平台
4. 下一步

1.了解如何使用铝型材构建机箱框架

在本教程的第一部分中,我们将学习如何使用铝制型材和型材连接器组装机箱。但是在开始组装框架之前,让我们首先讨论材料,底盘重量和精度要求。

在设计机箱框架之前,我已经整理了所有直流电动机,车轮和电池,以为机器人供电。所有这些都放在一个19厘米宽,29厘米长,10厘米高的机箱框架中。

在过去的几年中,我研究了构建机箱框架的不同选择,包括有机玻璃,有机玻璃,L型铝型材和低碳方铁型材(用于重型机器人)。但是,我排除了Perspex和Plexiglas,因为这些材料弯曲时会破碎。

由于重量限制,铁型材是一个不好的选择。机器人的机箱将承载直流电动机,电池,电子设备,安装支架等。所有这些组件都增加了机箱本身的重量,这将计入电动机的总承载能力。因此,我们必须保持尽可能低的重量。

铝型材具有最佳的机器人强度/重量比。此外,它具有出色的耐腐蚀性,并且在安装过程中能够精确连接型材。

如果我们要构建可以直行的机器人,则需要所有框架部件和组件与底盘完美对称。

底盘框架设计为容纳四个带轮的齿轮直流电动机,并具有在重负载下行驶的能力。铝型材在机箱框架的每一侧都提供了插槽,以组装驱动系统,传感器,微控制器和计算机以及其他组件。

组装模块化机箱框架是一个简单的过程,如果使用适当的工具,则可以更快地完成。所有支架都用相同的斯坦利钢制六角形固定。因此,您需要使用带有5毫米六角头工具和/或5毫米六角扳手的螺丝刀。

铝制机箱框架的重量为800克。

3D格式的机箱结构

3D格式的机箱结构

此步骤需要满足以下条件:

  • 4 X 25厘米长–20X20铝型材[ 亚马孙 ];
  • 2 X 15厘米长–20X20铝型材;
  • 4 X 10厘米长–20X20铝型材;
  • 12 X 2孔铝制支架,用于铝型材,带6mm插槽[ 亚马孙 ];
  • 24 X M5x8mm不锈钢六角[ 亚马孙 ]
铝框架的正视图,侧视图和俯视图

铝框架的正视图,侧视图和俯视图

对于机箱框架的底部,您需要两个25厘米的轮廓,两个15厘米的轮廓,四个铝制支架和8XM5螺钉。

10厘米的型材用于固定机箱的底部和顶部铝型材。

对于机箱顶部,我们使用了两个25厘米的轮廓。框架的前部和后部未闭合的原因有两个:

  1. 结构非常坚固;
  2. 机箱的重量必须尽可能的轻。

组装好机箱并对齐所有轮廓后,我们可以将组件连接到此框架。

2.如何构建驱动系统

在本文的这一部分,我们 ’学习驱动系统体系结构,包括组件,组件和3D打印零件。

底盘有四个直流齿轮电动机和四个直接连接到电动机的车轮。底盘的体系结构包括用于直流电动机和车轮的3D打印部件。可以更改3D打印的组件以匹配编码器和其他附件。

驱动系统包括:

  • 4 X 12V直流减速电机[ 亚马孙 ]
  • 4 X 3D打印的安装支架
  • 4 X 3D打印联轴器
  • 4 X 125mm直径橡胶轮
  • 1 X Sabertooth双路25A 6V-30V再生电动机驱动器[ 亚马孙 ]

驱动系统比机器人上的其他任何系统都重要。它的主要功能是将直流电动机的动力传递到驱动轮以控制机器人’运动,例如启动,速度和制动。下面,我们将逐个探讨所有零件,包括其在驱动系统中的作用,以及如何将它们组装到机箱中并使用螺钉将其固定。

2.1直流电动机
直流电动机和3D打印的安装支架

直流电动机和3D打印的安装支架

12V齿轮箱电动机非常适合这种小型机器人机箱,并提供足够的动力以最大速度每分钟300转移动平台。

直流电动机的方向可以通过简单地反转电动机端子上的极性来控制。电动马达的速度通过使用PWM信号更改电压电平来控制。

2.2 3D打印的安装支架
3D打印的安装支架

3D打印安装支架的左右CAD设计

要将直流电动机安装到机架,请使用安装支架。每个安装支架都有定制设计,安装在铝型材上,并在三个点连接。因为每个安装支架都在三个点固定到铝制框架,所以每个支架的设计都适合其安装的侧面。

2.3车轮
车轮和3D打印零件

车轮和3D打印零件

在设计移动机器人时,我想知道应该使用哪种轮子以在各种表面上具有出色的抓地力,并由于其灵活性而减少机器人的振动。将轮子直接连接到电动机会为机器人体内的电气零件提供振动。在我们的案例中,轮子在不牺牲机器人效率的情况下减少了框架振动。如果将机器人以较低的速度在室内使用,则振动不会成为问题。

解决的办法是四个直径为125mm,宽度为60mm的橡胶轮。

车轮通过两个3D打印部件连接到直流电动机。一个3D打印件安装在车轮外部,而3D打印轴联接部件安装在车轮内部。车轮和3D打印部件用M3螺钉固定。

2.4电机驱动
Sabertooth 2 X 25A电动机驱动器,RC接收器和直流电动机

Sabertooth 2 X 25A电动机驱动器,RC接收器和直流电动机

驱动器以所需的电压向直流电动机提供电流,但无法决定电动机的运行方式。

直流电动机由Sabertooth双25A 6V-30V再生电动机驱动器控制。该电机驱动器与Arduino等微控制器和Raspberry Pi等Linux计算机兼容。如果您的机器人应用程序需要实时响应,则需要使用诸如Arduino之类的微控制器板。 Raspberry Pi板基于ARM-Cortex处理器,它比Arduino更强大并且能够运行ROS。

控制器接受模拟,RC和TTL串行输入。为了测试机箱,它使用了远程控制方法。

Sabertooth 2 X 25A电动机驱动器具有两个通道,用于控制每条管道上的至少两个直流电动机。机箱在四个直流电动机上运行,​​因此我们必须将所有这些连接到两个通道。

对于该底盘,差动驱动运动基于放置在机器人主体两侧的四个独立驱动轮。在这种情况下,我们必须将两个直流电动机从机箱的一侧连接到电动机驱动器的一个通道,而将另外两个直流电动机连接到第二个通道。端子M1A-M1B和M2A-M2B用于将电动机连接到电动机驱动器。

电池端子连接到电机驱动器的B +和B-端子。为了测试机箱,我们使用了大容量10000mAh 4S 12C Lipo Pack电池。

2.5差动驱动

底盘的四个轮子带有两对动力轮子。差速器驱动使框架一侧的车轮转动得比另一侧的车轮快。底盘转向转动更快的车轮的另一侧。换句话说,每对都以相同的方向旋转以向前或向后移动,而改变旋转方向时机箱将向左或向右旋转。

差速器驱动器的一个优点是,如果以相反的方向驱动车轮,则它可以绕其z轴旋转。

3.测试平台

测试的目的是评估技术功能并研究平台的性能。我们选择使用接收器和遥控器来测试平台,因为它既简单又易于实现。

RC接收器和Sabertooth之间的连接很简单。电机驱动器有四个螺钉端子:GND,5V,S1和S2。

所有这些端子将连接到RC接收器:

  • Gnd至接收器的BAT Gnd引脚
  • 接收器的5V至BAT 5V引脚
  • S1到接收器的通道1
  • S2到接收器的通道2

为了使用RC接收器控制机箱的直流电动机,必须考虑驱动器的RC模式。 RC输入使用来自接收器的两个通道来设置电动机的速度和方向。设置驱动程序’在RC模式下,我们必须选择模式2的DIP开关。DIP开关的引脚1和3断开,而其他ON则用于线性控制直流电动机。

组装和测试机箱

4.后续步骤

该项目的下一步将是使其安全并将其转变为自主机器人。

1. 紧急开关可切断电源;
2. 安装机箱接地以减少电路噪声;
3. 添加传感器,Arduino开发板和Raspberry Pi开发板以检测障碍并与机器人进行无线通信;

资源:

下载STL文件: somethingiverse.com

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