Изготовление головы для самодельного робота, конструкция поворотного механизма

Это четвертая часть из серии публикаций о самодельном роботе Zer0 на основе компьютера Raspberry Pi. В предыдущих частях было рассказано о изготовлении шасси с движками, а также была описана силовая электроника с самодельным контроллером питания.

В этой статье описано проектирование и изготовление головы для робота, в которой будут совмещены датчики и устройства вывода информации. Для ее поворотов и наклонов будет использоваться самодельный поворотный механизм с двумя сервоприводами.

Покажу как из подручных средств и материалов можно изготовить вполне годное как для экспериментов решение. Расскажу про внутренности головы самодельного робота, ее сенсоры и устройства отображения, приведу схему соединений электронных компонентов и модулей.

Также будет детально описан процесс проектирования и изготовления двух вариантов поворотных механизмов - на дешевых и более дорогих сервомоторчиках. Все с чертежами и фото.

Содержание:

1. Для чего роботу нужна голова?
2. Компоненты и их подготовка
3. Планирование макета и размеров
4. Изготовление корпуса
5. Установка и подключение компонентов
6. Поворотный механизм на основе дешевых сервоприводов
7. Надежный поворотный механизм с качественными сервоприводами
8. Крепление для поворотного механизма
9. В завершение

Приступим...

Для чего роботу нужна голова?

Это вопрос, который стоит себе задать прежде чем двигаться дальше.

Зачастую в самодельных роботах можно и вовсе не увидеть никакой головы, а видеокамеру и разные датчики крепят прямо к шасси. Роботизированная платформа на колесах поворачивается одновременно с видеокамерой и датчиками. Просто и дешево.

Я же решил поступить по другому - наделить робота Zer0 полноценной головой, которая сможет поворачиваться по сторонам и наклоняться вниз и вверх. Так он будет более похож на что-то живое, не станет выглядеть как просто "повозка на колесах" с камерой и клубком торчащих во все стороны проводников.

Простейший макет головы со светодиодами в качестве глаз уже будет смотреться достаточно привлекательно и "живее", а ведь можно пойти и дальше...

Было принято решение интегрировать в голову робота некоторые полезные датчики и устройства, которые раньше планировались к размещению на шасси.

К тому же, собранные в одной коробочке компоненты будут одновременно поворачиваться и наклоняться с помощью специального механизма на основе двух сервоприводов.

Вот что будет в роботизированной голове:

1. Видеокамера + микрофон;
2. Дисплей для отображения текстовой и графической информации;
3. Пироэлектрический датчик движения (пиродатчик, PIR);
4. Маломощный фонарик.

С помощью видеокамеры и микрофона можно будет смотреть и слушать все вокруг, снимать видео и делать фотоснимки. Пироэлектрический датчик движения поможет определить что в поле зрения находится живое (теплое) существо, а фонарик будет полезен в темноте и когда нужна подсветка или подача светового сигнала.

У размещенного на голове робота миниатюрного графического дисплея будет намного больше полезных возможностей, чем если бы он был просто прикручен к шасси. Например, можно будет отображать какие-то эмоции (смайлики, глаза), знаки внимания, восклицания и т.д. Это все можно отображать синхронно и в зависимости от наклона головы - будет смотреться как минимум забавно.

Таким образом, это сделает взаимодействие с роботом не только проще, но и приятнее: смотря на голову на дисплее можно будет видеть информацию и эмоции, при этом камера с микрофоном будет направлена прямо к "собеседнику".

Компоненты и их подготовка

В качестве камеры была выбрана Logitech C270 HD. Она позволяет получить достаточно хорошее изображение с разрешением 720p (1280x720 пикселей) при частоте кадров до 30fps, имеет встроенный микрофон и индикатор активности (зеленый светодиод). Стоимость такой камеры - примерно 30$.

Датчик движения (инфракрасного излучения) - PIR HC-SR501, готовый модуль с пироэлектрическим датчиком и схемой сравнения, позволяющей переменными резисторами настроить чувствительность срабатывания.

Для отображения информации будет использован миниатюрный OLED дисплей SSD1306 с разрешением 128x64 пикселей. Я уже описывал его подключение и применение в статьях: OLED дисплей SSD1306 (128х64px) и Raspberry Pi, подключение и эксперименты и Самодельный роутер и мини-сервер на Raspberry Pi.

В качестве подсветки будут выступать шесть сверхъярких светодиодов с отражателем. Донором выступит купленный на базаре за копейки дешевый фонарик, питающийся от двух таблеточных литиевых батареек CR2032.

Рис. 1. Компоненты головы самодельного робота, веб-камера C270, дисплей SSD1306, пиродатчик и фонарик.

Веб-камера - один из самых затратных по цене (после компьютера Raspbery Pi) компонентов в моем самодельном роботе. Можно применить модель и подешевле, но при экспериментах с OpenCV (Open Computer Vision, компьютерное зрение) и видеосъемке картинка будет гораздо хуже, о чем потом можно пожалеть.

Большим плюсом веб-камер от Logitech можно считать их поддержку и встроенные драйвера в разных операционных системах, в том числе в Linux и Raspberry Pi OS. 

Теперь нужно разобраться с тем в каком виде все это будет размещено в голове будущего робота. Можно конечно "все вместе примотать скотчем или закрепить на досочке" - но это не наш случай.

Решил разобрать веб-камеру и фонарик для оценки того, сколько места можно сэкономить оставив их без лишних частей.

Внутри корпуса веб-камеры расположена плата с контроллером, чувствительной матрицей и микрофоном, есть свободное место:

Рис. 2. HD веб-камера Logitech C270 в разобранном виде, фото платы с компонентами.

Внутри фонарика все просто: кнопка с резинкой для защитой от влаги, две батарейки на +3В и круглая платка с шестью светодиодами и отражателем:

Рис. 3. Дешевый светодиодный фонарик в разобранном виде, шесть светодиодов, кнопка и две батарейки CR2032.

Из фонарика будет задействована лишь платка со светодиодами и отражателем. От веб-камеры останется электронная плата и часть пластиковой передней панели, поскольку здесь удобно рядом расположены окошко для камеры, отверстие микрофона и часть с просветкой для светодиода:

Рис. 4. Части веб-камеры Logitech C270, которые будут задействованы при изготовлении головы самодельного робота.

Светодиод можно выпаять и припаять проводниками в любом другом месте головы робота (в том числе с обратной стороны), с микрофоном можно поступить также. Тогда можно и вовсе отказаться от применения части передней панели камеры, нужно будет лишь подготовить круглое отверстие для сенсора камеры.

Планирование макета и размеров

С компонентами все ясно, теперь нужно спланировать как они будут размещены в голове у робота, прикинуть ее будущие размеры и толщину.

Берем листочек бумаги в клеточку, ручку или карандаш и начинаем игру в "складалки". :)

Суть игры: ищем конфигурацию размещения компонентов (камера, датчик, дисплей и фонарик) при которой они собраны максимально удобно и компактно. Делаем начертание границ прямоугольника полученной конфигурации, потом в его пределах пробуем сделать еще какие-то "оптимизации" по размещению с точки зрения удобства монтажа и эстетики будущего вида.

Когда самое оптимальное расположение найдено и границы начерчены - чертим немного выше на том же или другом листе бумаги точно такой же прямоугольник. В нем делаем примерную разметку размещения модулей и компонентов.

Вот как это выглядело в моем случае:

Рис. 5. Эксперименты по разметке и размещению модулей в самодельной голове для электронного робота.

Дисплей будет размещен над частью платы от веб-камеры, а пиродатчик и фонарик рядом в нижней части. Получается достаточно компактно и удобно.

Теперь на одном из начерченных макетов можно сделать наметки для отверстий, через которые модули будут крепиться к передней или задней стенке корпуса головы:

Рис. 6. План размещения датчиков и компонентов в самодельной голове для робота на основе Raspberry Pi.

Теперь можно переходить к поиску подходящего готового корпуса или же к подбору материалов для его изготовления.

Изготовление корпуса

Корпус должен быть легким, компактным и в тоже время достаточно прочным. Его можно изготовить с нуля (например из пластмассы, дерева) или попробовать найти какой-то готовый каркас или коробку.

Бегло осмотрев то что есть в кладовке первым мне попался какой-то пенал из прозрачного и тонкого пластика. Решил попробовать разместить все компоненты и собрать голову робота в нем.

Уже на этапе сверления первых отверстий стало понятно что этот пластик достаточно хрупкий, к тому же коробка получается прозрачной...в общем решил подыскать что-то другое.

Далее рассматривал в качестве кандидатов и доноров не только пустые пластиковые коробки, но и те в которых уже что-то собрано, например какое-то устройство. Нашлось несколько вариантов с подходящими по размерам корпусами из металла, но они очень тяжелые.

И тут нашлась упаковка с несколькими дешевыми и уже нерабочими китайскими мультиметрами Uni-T, а также запчастями к ним. Покрутив такой мультиметр в руках начал генерировать варианты и идеи применения его корпуса в качестве коробки для головы будущего робота.

Качество некоторых следующих фото будет "не очень" (так уж сложилось), но вполне достаточным для понимания всех процессов.

Рис. 7. Корпус от китайского мультиметра Uni-T M830BUZ - будущая коробка для самодельного устройства.

Этот корпус изготовлен из прочного пластика черного цвета и состоит из двух частей, он легко разбирается. Передняя часть с лицевой панелью и надписями для моей задачи не годится, придется ее заклеить или вообще заменить сплошным куском пластика. Также корпус мультиметра достаточно вытянут, придется его укорачивать.

Используя ранее начерченный на бумаге в клеточку план размещения компонентов прикинул примерные размеры корпуса - получается практически квадрат.

Отрезал верхнюю часть передней панели мультиметра, также убрал все что внутри получившейся крышки - оставил только боковушки:

Рис. 8. Вырезаем части коробки от неисправного мультиметра Uni-T для сборки корпуса самодельного устройства.

Работы выполнял с помощью лобзика и пилочки по дереву. Все делалось аккуратно, чтобы не надломить края. Но даже если и случится надлом - не критично, потом можно быстренько все склеить обратно.

Отмерял сколько у полученной буквы "П" не хватает до нужного мне размера корпуса и отрезал недостающий кусочек уже с нижней части остатка от передней панели мультиметра.

В нижней части решил не вырезать всю панель чтобы вышла буква П, а оставить небольшой кусочек. НИжняя часть будет более монолитная, к ней будет прикручиваться крепление, а также там не будет никаких отверстий под внешние компоненты (камера, фонарик, дисплей, датчик).

Получилось вот так:

Рис. 9. Подготовка каркаса самодельной коробки из пластиковых частей от дешевого мультиметра.

Пришло время склеить вместе получившиеся две части. Для этого использовал дихлорэтан, можно также использовать растворитель. Склеивание нужно выполнять в хорошо проветриваем помещении с вытяжкой или же на улице.

Дихлорэтан достаточно токсичное и легко выветривающееся вещество, я даже использовал его как тестовый токсин в эксперименте с датчиком газов MQ-135, а также в детекторе уровня опасных газов на Raspberry Pi и с OLED дисплеем SSD1306.

С помощью спички наносил капельки на склеиваемые поверхности, растирал их для достижения некоторого уровня растворения пластмассы и потом склеивал вместе.

Рис. 10. Склейка двух вырезанных частей пластикового корпуса от мультиметра Uni-T, самодельная коробка.

Получился каркас будущего корпуса для головы робота. Еще раз прикинул как в нем будут размещены все компоненты, убедился что все хорошо подходит.

Теперь из остатков коробки от мультиметра вырезал по размеру получившегося каркаса две части для задней крышки:

Рис. 11. Две части, вырезанные из задней крышки пластикового корпуса от мультиметра Uni-T.

Склеил части для формирования задней крышки, проверил удается ли собрать коробку до кучи:

Рис. 12. Практически готовая коробка корпуса из частей пластикового корпуса от мультиметра Uni-T.

Осталось заполнить пустое окошко спереди, куда будут крепиться все компоненты.

Для этой цели нашел кусок достаточно толстой листовой пластмассы черного цвета. К тому же мне понравилась ее поверхностная волнистая текстура - будет смотреться интересно.

Сделал разметку прямоугольника для вырезания, оставив при этом по всему периметру запас в один-полтора миллиметра. Этот запас пригодится для точной подгонки заготовки под окошко внутри коробки.

Резку пластмассы по размеченным линиям выполнял с помощью самодельного резачка, изготовленного на точильном станке из куска полотна от пилы по металлу.

Такой же резак можно применять для резки стеклотекстолита при изготовлении самодельной печатной платы методом ЛУТ. В статье про изготовление самодельного роутера на Raspberry Pi я использовал аналогичный резак для резки органического стекла.

Рис. 13. Самодельный резак для разрезания листовой пластмассы по ровным линиям, изготовлен из полотна пилки по металлу.

С помощью наждачной шкурки и надфилей вырезанная пластина была точно подогнана под окошко в получившемся корпусе.

Рис. 14. Пластмассовая вставка для передней панели самодельной коробки, изготовленной из частей от корпуса дешевого мультиметра.

Дальше последовала клейка тем же дихлорэтаном и коробку-заготовку для головы будущего робота фактически готова.

Установка и подключение компонентов

Расставил на ней сверху компоненты в соответствии с ранее проделанной планировкой:

Рис. 15. План размещения компонентов в корпусе самодельного корпуса для головы робота.

Первым делом решил сделать овальное отверстие под веб-камеру. Выполнил разметку контура для вырезания с небольшим запасом. Для черчения удобно использовать циркуль и линейку, но можно воспользоваться методом "обводки и выдавливания" (назову его так).

Я уже не раз использовал этот метод, например при креплении КПЕ в самодельном одноламповом радиоприемнике, для крепления радиатора при доработке системы охлаждения лабораторного блока питания.

Суть такого метода проста: чтобы получить точный контур определенной детали, кладем на нее лист бумаги и обводим по всему периметру и отверстиям простым карандашом, иногда бывает достаточно просто обвести пальцами с некоторым усилием.

В данном случае получилось вот так:

Рис. 16. Обводим контур фигурной детали приложив на нее бумагу, получаем точный трафарет.

Осталось вырезать получившийся трафарет, который можно приклеить на заготовку для вырезания отверстия или же использовать для сверки при разметке отверстия с помощью циркуля и линейки.

После разметки высверлил сверлом 3мм внутри овала отверстие и запустил туда пилочку от лобзика. С помощью надфилей подогнал размеры вырезанного отверстия, теперь корпус от камеры точно в него вписывается.

Рис. 17. Отверстие для крепления веб-камеры в самодельном корпусе головы робота.

Но есть проблема: высота овального выступа на отрезке из корпуса камеры всего лишь 1 мм, а глубина отверстия в изготовленном корпусе (пластина которую клеили на передней части) где-то 3мм - будет смотреться не красиво.

Чтобы это исправить, решил с помощью скальпеля и резцов убрать часть пластмассы с обратной стороны панели (внутри корпуса) так, чтобы овальная часть корпуса от камеры при установке была на одном уровне с поверхностью передней панели.

Рис. 18. Подгонка толщины корпуса в отверстии для крепления передней части от веб-камеры.

Приклеил корпус камеры на место. Дальше просверлил отверстия для пиродатчика и фонарика. В случае с последним, стекло фонарика будет приклеено спереди корпуса, поэтому вокруг отверстия выбрал еще небольшую канавку чтобы это стекло после клейки было наравне с поверхностью корпуса.

Рис. 19. Подготовка отверстий для установки пиродатчика и фонарика в голову самодельного робота.

Разместил компоненты внутри передней части корпуса для оценки того что получается:

Рис. 20. Размещение модуля веб-камеры, пироэлектрического датчика, фонарика и дисплея в голове робота.

Все складывается и устанавливается отлично, можно двигаться дальше.

Прямоугольное отверстие для дисплея было вырезано лобзиком и потом подогнано с помощью надфилей. Перед дисплеем будет установлено еще тонкое прозрачное оргстекло.

Чтобы это стекло не было сильно углублено если смотреть на корпус спереди, решил с помощью резца выбрать небольшую канавку с внутренней стороны.

Чтобы при вырезании пластмассы опилки не разлетались по всему столу - сделал из листа формата А4 небольшое корытце с бортиками.

Рис. 21. Подготовка отверстия для крепления OLED-дисплея в самодельной голове для будущего робота на Raspberry Pi.

Приклеил изнутри к корпусу органическое стекло, сверху на нем разместил дисплей и приклеил его по краям каплями силикона.

Рис. 22. Установка OLED-дисплея SSD1306 в корпус головы самодельного робота.

Пришло время для установки всего на свои места и для выполнения соединений.

Вот такая получилась схема:

Рис. 23. Схема соединений веб-камеры, OLED-дисплея, пиродатчика, фонарика и электронных силовых ключей в голове робота.

К веб-камере будет подключен экранированный USB-кабель с коннектором. Через этот кабель будет браться напряжение +5В для питания OLED дисплея и двух силовых ключей, которые в свою очередь будут управлять подачей питания на пиродатчик и светодиодный фонарик.

Для чего сделано управление подачей питания на пиродатчик? - для экономии энергии, поскольку он постоянно потребляет примерно 50мА.

Чтобы фонарик из 6-ти светодиодов при достаточной яркости потреблял меньше тока, его модуль будет подключен через гасящий резистор (на схеме не показан), сопротивление которого подбирается экспериментально с помощью переменного резистора на 470 Ом.

Силовые ключи представляют собой небольшую схему из маломощного кремниевого и мощного полевого транзисторов, о них я подробно рассказывал в предыдущей статье.

На каждый из таких ключей подаем питание, на выход подключаем нагрузку (в данном случае пиродатчик и светодиоды), а управление выполняется установкой высокого или низкого уровня на отдельном входе.

Таким образом, кроме 4х-жильного экранированного USB-кабеля понадобится еще 5 проводников. Не найдя ничего подходящего для данной цели решил использовать кусок экранированного 4х-жильного кабеля.

Оплетку его экрана можно использовать как дополнительный сигнальный вывод. В данном случае кабель будет достаточно коротким, по его проводникам будут течь маленькие токи, поэтому за помехоустойчивость линий SDA/SCL для OLED-дисплея можно не переживать.

Оба кабеля закреплены на задней крышке головы робота. Чтобы обеспечить гибкость и кабели при изгибах не повредились - для одного из них использована резиновая муфточка, я для второго два слоя термоусадок. Фиксация изнутри выполнена с помощью силикона.

Рис. 24. Передняя и задняя части корпуса самодельной головы для робота на основе Raspberry Pi.

Осталось выполнить все соединения внутри:

Рис. 25. Процесс соединения компонентов и датчиков внутри головы робота.

Дальше будут описаны два варианта поворотных механизмов, которые можно использовать как для вращения головы самодельного робота, так и для позиционирования отдельной веб-камеры, роботизированной руки, игрушечной "ракетной" пусковой установки и т.д.

Поворотный механизм на основе дешевых сервоприводов

Поворотный механизм должен позволять выполнять управляемое вращение прикрепленного к нему узла вокруг вертикальной и горизонтальной осей. Таким образом, голова самодельного робота сможет поворачиваться вокруг, а также наклоняться вверх и вниз.

В этом варианте конструкции будут использованы не дорогие (примерно 1,5$) и миниатюрные сервоприводы Tower Pro 9g SG90.

Рис. 26. Сервопривод Tower Pro 9g SG90, назначение проводников для подключения.

Основные характеристики:

• Номинальное напряжение питания: от 3В до 5В;
• Угол поворота:  0° - 180°;
• Усилие на валу: 1.2кг/см (при 4.8В); 1.6кг/см (при 6.0В);
• Мертвая ширина импульса: 2мс;
• Шестеренки редуктора изготовлены из нейлона;
• Размеры: 22 x 11.5 x 27 (мм);
• Вес: 9 грамм без проводов, 13 грамм с проводами;
• Температурный режим: от -30° до +60° (по Цельсию).

Несмотря на свои размеры и вес такой сервопривод достаточно сильный. Но следует учитывать то, что его вал и шестеренки изготовлены из пластика.

Вал такого сервопривода нельзя сильно нагружать (прикладывать длинное плечо), иначе он может просто поломаться или же нарушить свою позицию внутри механизма.

На листике бумаги в клеточку я сделал наброски нескольких простейших вариантов механизма с применением двух сервоприводов. Размеры приводов рисовал в натуральную величину, просто приложив к бумаге и обведя их контур.

Рис. 27. Несколько вариантов построения поворотного механизма на основе двух сервоприводов SG90.

Вариант "A" (по середине) предполагает использование двух П-образных пластик, к каждой из которых крепится по сервоприводу. Это первый набросок, который сделан для понимания того, от чего нужно отталкиваться и куда дальше двигаться.

В варианте "B" (справа) показана упрощенная и уже более более компактная модификация варианта "A".

Вариант "C" (слева) выполнен с использованием лишь одной П-образной пластины, сервоприводы соединяются вместе с использованием широкого блока. Свободное ушко второго привода крепится к стенке с помощью Г-образного винта, который будет выполнять роль шарнира.

В варианте "D" (сверху) используется минимум деталей, сервоприводы соединяются с помощью простейшего миниатюрного блока прямоугольной формы, аналогичное решение используется для шарнира с обратной стороны П-образной пластинки.

Цель к которой я шел - уменьшить дистанцию "P" между осью первого привода и вершиной второго привода (куда будет крепиться поворачиваемый объект).

Таким образом, наиболее сбалансированным по нагрузке вариантом является схема "D". Из-за отсутствия второй пластины, к которой крепится второй привод, она немного уступает по прочности варианту "B", но не сильно и это вполне компенсируется простотой решения. К тому же оба эти варианта можно совместить, но реализация окажется сложнее.

Используя размеры схемы в натуральную величину можно приступать к изготовлению пластинки. Для облегчения общего веса конструкции можно использовать алюминий и дюраль.

Прямоугольное отверстие под серво-движок в алюминиевой пластине можно несколькими методами, например: 1) вырезать с помощью лобзика 2) с помощью дрели насверлить отверстий по периметру внутри, а потом убрать остатки с помощью напильника и надфилей.

Рис. 28. Изготовление основы простого поворотного механизма на сервоприводах.

Блок, которым будут соединены оба сервопривода (ось первого с корпусом второго), решил выполнить также из алюминиевой бляхи. Пластинку согнул под углом 90 градусов, сделал отверстие и усики для прикручивания к ушку второго сервопривода.

Сперва для крепления пластикового рычажка сервопривода к пластине думал использовать маленькие винтики, но потом понял что придется рассверливать отверстия в самой пластике, площадь которого итак не велика - получится не надежно.

Учитывая небольшую планируемую нагрузку, решил что вполне достаточно будет соединить пластиковую насадку с пластиной используя толстую медную проволоку.

Рис. 29. Изготовление соединяющего блока для простейшего поворотного механизма на основе серво-движков SG90.

Прикрутив первый сервопривод к пластине, а корпус второго к валу первого с помощью самодельного блока получил следующую картину:

Рис. 30. Крепление сервоприводов к основе поворотного механизма и между собою.

Теперь необходимо изготовить блок с шарниром, который будет крепить ушко второго сервопривода к алюминиевой пластине. После этого нужно будет загнуть пластинку основы к виду буквы П, точно отмерив необходимую длину с учетом размеров и крепления у получившегося блока.

Исходя из деталей и запчастей в наличии начал искать решения.

Изготовил небольшую пластинку из алюминия, к ней будет крепиться пластиковый цилиндр с отверстием, а в последнем будет вращаться металлический стержень, прикрепленный к стенке П-образной основы.

Рис. 31. Попавшиеся под руку детали для изготовления блока с шарниром к поворотному механизму на сервоприводах.

В общем, что-то из этого можно было придумать, но нашелся стержень из металла с ограничителем и резьбой внутри. Также решил упростить крепление пластикового цилиндра к ушку, поскольку выяснилось что если его прикрутить непосредственно (без алюминиевой пластины) то ось внутри совпадает с осью вала первого сервопривода.

Рис. 32. Еще один вариант крепления блока с шарниром для системы с сервомоторами SG90.

Отмерил где нужно сделать изгиб пластины, просверлил в ней отверстие для винта, собрал все вместе и вот что вышло:

Рис. 33. Готовый самодельный поворотный механизм на движках SG90.

Осталось придумать как закрепить голову робота на таком механизме. Тут обязательно понадобится какая-то пружина для страховки, иначе крепление к вала сервопривода от нагрузки просто отломается.

Нашлась стальная гибкая пластина, потом придумал более удачное решение на основе прочной пружины:

Рис. 34. Подбор гибкой пластины, пружины для крепления к поворотному механизму.

Решение с пружиной более предпочтительно, так как в случае если прикрепленную голову робота зацепить рукой или каким-то предметом, то это обезопасит весь механизм от его выламывания. Минусом является покачивание головы когда робот будет перемещаться, картинка через веб-камеру будет не стабильной.

Экспериментируя с креплением ранее изготовленной головы, стало очевидно что держаться и поворачиваться она на таком механизме будет, но очень не надежно (сила удерживания движков не достаточна при таком плече) и серво-механизмы быстро выйдут из строя (чрезмерная нагрузка на пластиковые валы и шестеренки).

Хотелось собрать поворотный механизм именно на этих движках, поскольку они были в наличии в количестве 6-ти штук...что называется "сэкономил".

В итоге решил оставить этот механизм для какой-нибудь другой самоделки. Для управления головой моего робота нужен более прочный и надежный механизм с более крепкими сервоприводами...

Надежный поворотный механизм с качественными сервоприводами

Итак, на очереди новая конструкция с более мощными движками. Прикупил два качественных сервопривода от Sparkfun с металлическими шестернями внутри. Стоимость одного такого движка - примерно 12$.

Корпус изготовлен из прочного пластика черного цвета, в комплекте идет хороший набор разных насадок и деталей для крепления:

Рис. 35. Сервопривод S05NF (micro) от компании Sparkfun.

Характеристики сервопривода S05NF:

• Напряжение питания: 4.8 - 6.0 (В);
• Угол поворота:  0° - 160°;
• Усилие на валу: 2.8 кг/см (при 4.8В), 3.2 кг/см (при 6.0 В);
• Быстродействие: 0.20/0.18 sec / 60 ° (при 4.8 / 6.0 В);
• Шестеренки редуктора изготовлены из металла;
• Размеры: 28.8 x 13.8 x 30.2 (мм);
• Вес: 20 грамм.

В данном случае цветное назначении проводников у S05NF совпадает с SG90. Если применять другой сервопривод, то цветная схема назначения выводов может быть другая - всегда сверяйтесь с даташитом!

Вот таблица с разными схемами цветового обозначения выводов:

Номер пина	Название	Схема 1 (Futaba)	Схема 2 (JR)	Схема 3 (Hitec)
1	Земля (GND)	Черный	Коричневый	Черный
2	Питание	Красный	Красный	Красный, Коричневый
3	Сигнал управления	Белый	Оранжевый	Желтый, Белый

План поворотного механизма с новыми движками получился следующий:

Рис. 36. Конструкция поворотного механизма для головы робота, собрана на сервоприводах S05NF.

Детали на схеме:

• 1 - основная рама;
• 2 - цилиндр со сквозным отверстием, подшипник;
• 3 - стержни с резьбой для крепления;
• 4 - пластина крепления к подшипнику;
• 5 - блок для крепления сервопривода "B" к пластине с подшипником;
• 6 - насадка для крепления к валу сервопривода "A";
• 7 - пластина для соединения двух сервоприводов "A" и "B";
• 8 - блок для крепления сервопривода "A" к пластине 7;
• 9 - насадка для крепления к валу сервопривода "B".

Принцип работы механизма аналогичный тому что и в предыдущем варианте: к валу сервопривода "A" (через насадку "6") крепится голова робота, а сам сервопривод "A" вращается вокруг оси, которая проходит через подшипник с одной стороны и через вал сервопривода "B" с другой.

Как можно заметить, сервопривод "A" опущен достаточно низко относительно горизонтальной оси вращения. Это нужно для лучшей балансировки и распределения нагрузки.

Здесь мы как бы получаем "качели" относительно основной оси вращения, в которых на одном "сидении" на насадке "6" закреплен наш объект (голова робота), а с другой - сервопривод массой 20 грамм. Таким образом получаем небольшой противовес, который при вращении относительно горизонтальной оси уменьшит нагрузку на сервопривод "B".

Вот как это все воплощалось в реальности...

Изготовление деталей выполнялось в натуральную величину, как на схеме. Но поскольку не всегда удавалось найти подходящие заготовки и материалы, то приходилось вносить небольшие корректировки.

Первым делом взялся за изготовление пластины "7" и блока "8", которые через насадку "9" соединят корпус сервопривода "A" с валом сервопривода "B".

В качестве заготовки был использована круглая пластинка из алюминия. Для изготовления блока применен кусочек дюралюминия. Пластинку вырезал лобзиком, а блок - ножовкой по металлу, с доводкой напильником.

Крепление блока "8" к корпусу сервопривода "A" будет выполнено винтиком с резьбой на 3мм, а для крепления блока к пластинке "7" использованы два миниатюрных винтика на 2мм (как показано на схеме).

Рис. 37. Изготовление пластины и блока для соединения корпуса одного сервопривода с валом второго.

Вот как выглядит собранный вместе узел из пластины "7" и блока "8", прикрученный к насадке "9":

Рис. 38. Скрепляющий два сервопривода поворотного механизма узел в сборе.

Обратите внимание на то, как размещены в металлическом блоке все отверстия: два отверстия под винт 2,5мм нужно стараться высверливать перпендикулярно третьему отверстию под винт на 3мм так, чтобы их туннели не пересекались.

Соединив оба сервопривода с помощью недавно собранной детали получилась следующая картина:

Рис. 39. Вал одного сервопривода S05NF соединен с корпусом второго серводвижка с помощью самодельной детали.

Дальше взялся за изготовление основания "1", которое представляет из себя согнутую П-образную пластинку.

В хламе нашлась коробочку из алюминиевой бляхи толщиной 1,5мм. Думал использовать боковушку от нее в качестве заготовки, но полоска оказалась не достаточной по ширине. Решил аккуратно отрезать боковушки и для вырезания пластинки использовать днище коробки.

Но как разогнуть такую металлическую коробку с минимальными деформациями и повреждениями? - тут решил поступить так: зажав коробочку в тиски, спилил напильником все ее углы со стороны дна по всему периметру, потом еще слегка надпилил швы ножовкой и все боковушки красиво и аккуратно загнулись/отломились.

Рис. 40. Как аккуратно распилить металлическую коробку без повреждения и деформаций.

Рис. 41. Разметка алюминиевой заготовки для изготовления основы поворотного механизма на сервоприводах.

Для крепления сервопривода "B" в пластинке было вырезано прямоугольное отверстие и просверлены два отверстия под винтики на 3мм. После этого примерно 5см (как на схеме) пластины было загнуто буквой "Г".

Также нашел в крепеже подходящие вал (компонент "3") кончающийся винтом с одной стороны и отверстием с другой (обе с резьбой) , гайку на 3мм и пластиковый цилиндр ("2") для изготовления шарнира.

Взвесив гибкость/прочность пружины, которая будет использоваться для крепления головы робота к насадке "6", укоротил ее до 3,5 витков.

Считаю нужно более подробно объяснить для чего тут нужна эта пружина:

1. При перемещении робота и покачивании его корпуса, она будет гасить инерцию головы, что снизит нагрузку на вал сервопривода "A" по вертикальной оси
2. Детишки (и даже взрослые), игривый кот, песик... забавляясь с роботом могут зацепить его голову. Пружина сохранит механизм от перегрузки и повреждения, можно сказать что это "защита от неожиданностей".

Как определить достаточный размер для такой пружины? - временно примотал ее к голове робота, прижал оставшуюся часть к столу и оценил сколько усилия нужно для покачивания по сторонам и в то же время чтобы при небольших колебаниях основы голова не качалась как маятник. Выбрал золотую серединку экспериментально - понемногу откусывая лишние витки и проверяя результат.

Рис. 42. Основание поворотного механизма на сервоприводах, детали для подшипника и защитная пружина.

Для изготовления двух частей "3" шарнира, вал был разделен пополам, получилось что: у одной части винт, а у второй отверстие под винт. Отверстие в пластиковом цилиндре "2" было рассверлено под диаметр частей "3".

Рис. 43. Блок для крепления сервопривода и детали самодельного пластик-металлического шарнира.

Закрепил систему с сервоприводами на основании, а также изготовил блок "5", который аналогичен по конструкции блоку "8".

Рис. 44. Изготовление поворотного механизма для головы самодельного робота, движки закреплены к основе.

Закрепив блок "5" к сервоприводу "A" пришло время заняться поиском заготовки для изготовления пластинки "4". Решил использовать оставшийся кусочек алюминия из которого ранее вырезалась пластина "7", не выбрасывать же его в мусор. :)

Рис. 45. Крепление второго блока к сервоприводу, материал для изготовления второй пластины.

Тем временем, уже можно оценить получившиеся размеры основы и изогнуть ее в виде буквы "П" так, чтобы сторона с подшипником была точно подогнана под получившиеся размеры деталей и узлов.

После этого можно просверлить отверстие и закрепить одну из частей "3" будущего подшипника.

Рис. 46. П-робразная алюминиевая основа поворотного механизма, подготовка к сборке самодельного подшипника.

Прикрутил к основанию серводвижок "B". Из оставшегося кусочка алюминиевого круга вырезал пластинку "4", получилась она в виде дуги.

Подготовку и разметку такой пластинки нужно выполнять с учетом того, чтобы крепящаяся к ней часть "3" подшипника получилась расположенной на одной оси с валом сервопривода "B".

Можно временно собрать все части, а вместо пластинки подобрать и изготовить из картона точно подогнанный шаблон. Не исключено что с первого раза может и не получиться - не страшно, берем еще кусок картона и повторяем. Используя получившийся проверенный шаблон можно будет выполнить разметку на заготовке из алюминия.

Вот что получилось у меня:

Рис. 47. Пластина для крепления корпуса миниатюрного сервопривода к самодельному подшипнику.

Собрал все изготовленные ранее детали вместе - поворотный механизм с двумя сервоприводами готов!

Теперь необходимо прикрепить голову робота к насадке "6", используя для этого ранее подготовленную прочную пружину. Стоит отметить что в пластиковой насадке изначально присутствует не малое количество готовых отверстий для крепления.

Сперва думал поступить так: подготовить крестообразную пластинку из алюминия, просверлить на каждом из ее полюсов по отверстию и потом прижать ею пружину к насадке, используя миниатюрные винтики.

Еще одним вариантом соединения является использование клея для резины, но я поступил еще проще - использовал капроновую нить. Я просто примотал пружину к насадке "6" в четырех противоположных точках и это при предельной простоте решения обеспечило достаточную прочность и надежность.

Рис. 48. Поворотный механизм для головы робота в сборе, подготовка крепления на основе пружины.

Осталось прикрепить пружину к корпусу головы робота. Для этой задачи была изготовлена небольшая планка из дюралюминия. В ее торцах просверлены отверстия для пропускания через них части витка пружины:

Рис. 49. Планка из дюралюминия для крепления к пружине в поворотном механизме.

В верхней части планки были просверлены еще два отверстия - через них к ней теперь можно прикрутить веб-камеру, голову робота или другое устройство, которое нужно поворачивать по двум осям.

Чтобы в просверленные отверстия удалось запустить круглый виток прочной пружины, их выходы по бокам нужно немножко по стачивать. Делается это с помощью надфиля или другого инструмента.

Рис. 50. Самодельный поворотный механизм на основе двух мощных серводвигателей.

Прикрутив голову робота к планке двумя винтами получилась следующая картина:

Рис. 51. Голова самодельного робота закреплена на поворотном механизме с двумя сервоприводами.

Крепление для поворотного механизма

Для крепления поворотного механизма с головой робота на ранее изготовленном самодельном шасси с силовой электроникой решил собрать дополнительное крепление в виде перекрещенных между собою металлических полосок.

В качестве материала для изготовления использовал оставшийся кусок алюминиевой бляхи, полоску из которой использовал для изготовления основы поворотного механизма.

Получившийся узел будет крепиться к шасси робота с помощью четырех прямоугольных переходников, которые я изготовил из полосок гибкой металлической бляхи (не алюминий), ранее служащей в какой-то конструкции для прижимания кабеля к корпусу.

Рис. 52. Крестообразный узел из металлической бляхи для крепления поворотного механизма с головой к шасси робота.

Все в сборе выглядит вот так:

Рис. 53. Готовая голова самодельного робота с прикрепленным поворотным механизмом и узлом крепления к шасси.

Рис. 54. Как выглядит поворотный механизм с головой самодельного робота сзади.

В завершение

Старался изготовить все побыстрее, поэтому получилось далеко не в лучшем варианте, где-то немного напартачил и промахнулся. Тем не менее, для экспериментального робота такого не сложного решения будет вполне достаточно.

Схему приведенного самодельного поворотного механизма можно с легкостью переделать под другие типы и размеры сервоприводов, не только под S05NF.

Вариант со слабенькими и дешевыми сервомоторчиками SG90 подойдет для вращения каких-то легких и небольших объектов, например для веб-камеры.

Желаю всем полезных, удачных и веселых идей!