Thiết kế và Chế tạo Robot

Giới thiệu về người máy và chế tạo người máy

Kẻ hủy diệt. R2-Đ2. BB-8. Megatron. WALL-E. Trong nhiều năm, rô bốt, robot tự động hoặc các trợ lý tổng hợp khác đã là một phần của nền văn hóa đại chúng của chúng ta. Mặc dù chúng hầu như bị hạn chế trên màn ảnh bạc, nhưng nhờ các thiết bị điện tử ngày càng có giá cả phải chăng và mạnh mẽ trong suốt vài thập kỷ qua, việc chế tạo một robot chưa bao giờ dễ dàng hơn thế.

Mặc dù robot dễ tiếp cận hơn bao giờ hết (chẳng hạn như MeArm được minh họa ở trên mà bạn có thể chế tạo mà không cần gì ngoài tuốc nơ vít và sự nhiệt tình), bất kỳ robot nào cũng là một hệ thống phức tạp và đòi hỏi sự hiểu biết cơ bản về điện, thiết kế cơ khí và lập trình để tạo ra. Đừng bao giờ sợ hãi! Bài viết này sẽ hướng dẫn bạn các yếu tố về rô bốt, cân nhắc thiết kế rô bốt tùy chỉnh, những gì cần thiết để bắt đầu chế tạo rô bốt CỘNG rất nhiều ý tưởng thiết kế cắt laser để khơi dậy sự sáng tạo của bạn để bạn có thể bán rô bốt của mình kiếm lời hoặc khéo léo sử dụng chúng để chế tạo một thương hiệu.

Mặc dù chế tạo robot có thể là một thách thức, nhưng không có gì giống với việc lấy nguyên liệu thô và biến chúng thành hiện thực. Bắt đầu nào!

Các yếu tố của người máy

Ngày nay, có vô số loại robot được chế tạo bởi các nhà sản xuất nghiệp dư cũng như các công ty kỹ thuật. Và khả năng của những robot này đang phát triển theo cấp số nhân.

Robot Cheetah 3 của MIT giờ đây có thể nhảy và phi nước đại qua địa hình gồ ghề, leo lên cầu thang rải rác và nhanh chóng lấy lại thăng bằng khi bất ngờ bị kéo mạnh hoặc xô đẩy — về cơ bản là mù.

Con thú cơ học nặng 90 pound (có kích thước bằng một con Labrador trưởng thành) được thiết kế có chủ đích để làm tất cả những điều này mà không cần phụ thuộc vào máy ảnh hoặc bất kỳ cảm biến môi trường bên ngoài nào. Thay vào đó, nó nhanh nhẹn “cảm nhận” đường đi của mình qua môi trường xung quanh theo cách mà các kỹ sư mô tả là “sự chuyển động mù mịt”, giống như đi qua một căn phòng tối đen như mực. Đọc tất cả về nó ở đây .

Và chỉ cần nhìn vào những gì Boston Dynamics đã xây dựng. Atlas, như người ta đã biết, không chỉ có thể đi bộ mà còn có thể tập parkour.

Bây giờ đó là một số công cụ cấp cao! Mặc dù Atlas có thể sẽ không phải là thứ mà bạn xây dựng trên bàn bếp hoặc trong tầng hầm của mẹ bạn, nhưng nó có nhiều đặc điểm giống với các công trình ít phức tạp hơn như bot chiến đấu hoặc ô tô điều khiển từ xa tự động trong đó mọi robot đều bắt đầu bằng bốn các yếu tố thiết yếu của người máy.

Cơ chế

Làm cho robot di chuyển là một phần quan trọng của thiết kế robot. Đây là lúc thiết kế các cơ chế, hoặc kỹ thuật cơ khí, xuất hiện. Trong khi kỹ thuật cơ khí nói rộng hơn là thiết kế máy, các nhà thiết kế rô bốt sẽ đặc biệt tập trung vào động cơ và bánh răng và cách sử dụng chúng tốt nhất để có được chuyển động mong muốn từ rô bốt của họ.

Điều này thường liên quan đến việc tạo mẫu các bộ phận chuyển động riêng lẻ trước khi cố gắng ghép toàn bộ robot lại với nhau, nhưng nó có thể đơn giản như thêm bánh xe vào động cơ DC. Mức độ phức tạp phụ thuộc vào loại robot dự định và cách thức di chuyển của robot.

Nếu việc thiết kế các cơ chế là điều mới mẻ đối với bạn, thì cuốn sách Làm mọi thứ chuyển động của Dustyn Roberts là một nơi tốt để bắt đầu.

Thiết bị điện tử

Một kỹ năng cơ bản khác cần thiết để chế tạo robot là thiết kế mạch, hay còn gọi là điện tử. Hiểu biết về thiết bị điện tử và vi điều khiển (chẳng hạn như Arduino hoặc Raspberry Pi ) sẽ cho phép bạn đưa ra lựa chọn phù hợp về động cơ, thành phần và nguồn điện cho robot được thiết kế. Cũng xem xét cả chức năng và thể chất của các bộ phận của bạn.

Hiểu biết cơ bản về mạch cho phép các kỹ sư chế tạo một robot đơn giản (chẳng hạn như một chiếc xe RC ) với nhiều hỗ trợ trực tuyến, tài liệu và bộ dụng cụ có sẵn từ cộng đồng nhà sản xuất. Nó có vẻ là một phần đáng sợ trong dự án của bạn, nhưng may mắn thay, Guiductables đã tạo ra một hướng dẫn dễ dàng về thiết bị điện tử cơ bản cho người máy để thúc đẩy bạn đi đúng hướng.

Lập trình

Khi bạn đã có một mạch điện âm thanh và các cơ chế sẵn sàng hoạt động, đã đến lúc lập trình các bộ vi điều khiển được sử dụng trong mạch. Bộ vi điều khiển là bộ não của robot, cần được hướng dẫn để nó biết cách hành động và / hoặc phản ứng với thế giới xung quanh. (Tìm hiểu cách chọn bộ vi điều khiển tại đây .)

Ví dụ: rô bốt cảm biến khoảng cách cần được hướng dẫn cách lấy đầu vào từ cảm biến khoảng cách và cách sử dụng dữ liệu này để thông báo hành động của nó. Theo cách tương tự, một chiếc xe RC cần biết nút điều khiển nào bắt đầu chuyển động tiến so với chuyển động lùi và rẽ.

Bộ vi điều khiển được chọn sẽ chỉ định ngôn ngữ lập trình được sử dụng và cách chương trình đó được tải lên bộ vi điều khiển. Robot dựa trên Arduino sử dụng ngôn ngữ lập trình Arduino và có thể được tải lên thông qua Arduino IDE. Robot micro: bit sử dụng ngôn ngữ học trực quan make: code và được tải lên thông qua tệp thả trên màn hình. Một robot dựa trên Raspberry Pi sử dụng ngôn ngữ python, ngôn ngữ này có thể được lập trình trực tiếp thông qua chip khi được kết nối với màn hình và bàn phím.

Vỏ bọc

Chế tạo - bước cuối cùng trong quá trình chế tạo rô bốt - là nơi các thành phần được ghép lại với nhau thành vỏ bọc hoặc vỏ bọc dành cho rô bốt. Với sự phát triển của các công cụ chế tạo kỹ thuật số dễ tiếp cận như máy cắt laser, máy phay CNC và máy in 3D, các nhà thiết kế rô bốt nghiệp dư có thể tạo ra các thùng loa tinh tế trông chuyên nghiệp - mà không phải trả chi phí đắt đỏ cho các hoạt động sản xuất lớn.

Thiết kế vỏ bọc robot và vật liệu được chọn đều phụ thuộc vào loại robot được chế tạo và mục đích mà nó phục vụ. Trong khi vỏ bọc là thiết thực để mở rộng các cơ chế và bảo vệ các thiết bị điện tử quý giá được tìm thấy bên trong, các kỹ sư cũng có thể sử dụng vỏ bọc để tạo cá tính cho robot, thể hiện sự tương tác dự kiến ​​và đưa ra phản hồi về cách sử dụng robot.

Cân nhắc thiết kế rô bốt tùy chỉnh

Khi đã hiểu rõ bốn yếu tố của robot, đã đến lúc nói về những cân nhắc về thiết kế. Điều này bao gồm tất cả mọi thứ sẽ tác động đến thiết kế của robot: Môi trường mà nó sẽ đi qua, sức mạnh cần thiết để di chuyển, các giác quan cần thiết để thực hiện các nhiệm vụ mong muốn, vật liệu để tạo ra thân / khung xe và phong cách thẩm mỹ tổng thể.

Môi trường

Robot sẽ di chuyển và nếu có, nó sẽ di chuyển theo loại địa hình nào? Nó có cần phải chịu được bất kỳ lượng bụi hoặc nước xâm nhập nào không? Các yếu tố ngoài trời không có tác dụng nhiều nếu bot sẽ được giữ an toàn khỏi các yếu tố trong văn phòng tại nhà của bạn. Nhưng hãy tưởng tượng robot sẽ đi về đâu và nó cần phải chịu đựng sự lạm dụng môi trường như thế nào. Điều này ảnh hưởng đến sự lựa chọn của bạn về vật liệu, thiết kế của các cơ chế robot và vỏ bọc tổng thể.

Nguồn

Bạn sẽ chọn sự tự do về pin hay bạn có thể sống với robot của mình bị buộc chặt vào tường để lấy điện? Mỗi động cơ, cảm biến, bộ xử lý, v.v. đều cần một lượng điện năng, vì vậy bạn phải xác định lượng điện mà mỗi thành phần sử dụng và thời gian bạn muốn rô bốt hoạt động để bạn có thể đưa các yêu cầu về điện năng vào thiết kế tổng thể.

Nó có vẻ tầm thường, nhưng việc lựa chọn loại hệ thống điện phù hợp là một trong những khía cạnh hạn chế nhất của thiết kế robot. Do đó, thật thông minh khi xem xét hệ thống điện trước khi thiết kế bất kỳ dự án điện tử nào. Và luôn nhớ chọn các bộ phận điện tử được đánh giá phù hợp với hệ thống điện đang sử dụng và ngược lại. Quá ít điện và các bộ phận sẽ không hoạt động, trong khi quá nhiều điện có thể làm hỏng các bộ phận.

Giác quan

Cần tránh bức tường gần nhất? Bạn phải có một cảm biến khoảng cách. Muốn đi theo mặt trời? Lấy một số tế bào quang điện. Bạn muốn bật khi có người ở gần? Xin vui lòng cảm biến chuyển động. Có vô số cảm biến mà bạn có thể giao tiếp với bất kỳ robot nào. Xem xét tất cả các loại thông tin khác nhau mà rô bốt cần thu nhận từ môi trường vật lý và cách dữ liệu này có thể được tận dụng để làm cho rô bốt di chuyển như dự định.

Thân máy / Khung và Vật liệu

Robot sẽ nặng bao nhiêu? Que kem sẽ hoạt động hay bạn đã đi vào lãnh thổ nhôm gia công tùy chỉnh? Có các điểm gắn thực tế cho cảm biến không? Mức độ an toàn của pin và bạn có thể dễ dàng truy cập để thay thế pin không? Cơ thể của robot có thể đơn giản hoặc phức tạp tùy thích, nhưng được cho là những thiết kế robot tốt nhất cho phép sự linh hoạt, tạo điều kiện cho quá trình tạo mẫu và chế tạo nhanh nhẹn .

Một trong những ví dụ thú vị nhất về việc lựa chọn vật liệu ảnh hưởng như thế nào đến cách hoạt động của robot đã được đưa ra từ Phòng thí nghiệm Khoa học Máy tính và Trí tuệ Nhân tạo của Viện Công nghệ Massachusetts (CSAIL). Robot kiểu Transformers ngoài đời thực này sử dụng các tấm vật liệu thông minh có thể gấp lại thành các hình dạng cụ thể khi được điều khiển bằng nam châm. Điều này cung cấp cho robot khả năng thay đổi hình dạng và cho phép nó đi bộ, lăn, chèo thuyền và lướt. Đọc tất cả về nó ở đây .

Phong cách

Sau khi tất cả các yêu cầu về tính thực dụng được đáp ứng, niềm vui có thể bắt đầu. Làm thế nào bạn sẽ thêm sự tinh tế cá nhân cho bot của bạn? Tạo biểu cảm trên khuôn mặt của bot là một cách để thêm cá tính và PopPet (một bộ robot tự làm phần cứng hoàn toàn mở) là một ví dụ tuyệt vời.

Với các mặt nạ có thể hoán đổi cho nhau, PopPet có thể thể hiện các tính cách hoặc tâm trạng khác nhau. Muốn PopPet ngạc nhiên, buồn bã, hạnh phúc hay thậm chí biến PopPet thành một con mèo? Có một mặt nạ cho điều đó. Và vì đây là một nền tảng rô bốt giáo dục, không có giới hạn về số lượng bạn có thể thực sự sửa đổi PopPet, giúp bạn dễ dàng tìm hiểu những gì liên quan đến việc chế tạo rô bốt mà không cần bất kỳ kiến ​​thức cơ khí hoặc kiểu dáng nào trước đó.

Hầu hết các kỹ sư theo đuổi việc thiết kế một robot vì chúng có nhiệm vụ được tự động hóa. Mặc dù việc tạo ra những con rô bốt thực tế rất thú vị, nhưng đôi khi việc thiết kế những con rô bốt không thực tế có thể là một thử thách thú vị hơn. Vì vậy, không có cuộc trò chuyện nào về robot sẽ hoàn chỉnh nếu không đề cập đến những con robot Shitty của Simone Giertz . Trong khi theo đuổi tự động hóa, những cỗ máy craptastic này khiến mọi thứ trở nên tồi tệ và phức tạp hơn! Đọc thêm về cô ấy trong bài đăng TechCrunch này .

Cho dù bạn đang chế tạo một con rô bốt tồi tệ hay một con rô bốt có khả năng đoạt giải thưởng, thì quy trình thiết kế rô bốt tổng thể nói chung là giống nhau. Từ việc xác định vấn đề, nghiên cứu và thiết kế cũng như tạo nguyên mẫu đến xây dựng, thử nghiệm và đánh giá robot của bạn, bạn chắc chắn sẽ muốn danh sách kiểm tra này từ Galileo để giữ cho dự án của bạn đi đúng hướng.