Изготовление робота-сумоиста на печатной плате.
, , Колледж приборостроения и информационных технологий
В ЦТПО МИРЭА функционирует кружок спортивной робототехники. Самой интересной номинацией является сумо роботов. Это одна из немногих соревновательных дисциплин, в которых роботы команд-соперников в прямом смысле слова противостоят друг другу. В этом состязании участникам необходимо подготовить автономного робота, способного наиболее эффективно выталкивать робота-противника за пределы ринга. Соревнования сумоистов делятся на несколько категорий, различающиеся по размерам и весовым категориям. В категории мини-сумо размер роботов не должен превышать 10 х 10 см в стартовом состоянии, вес не более 500 г. Не ограничена стартовая высота робота, поэтому создание робота-сумоиста - посильная задача, и именно поэтому данная номинация одна из самых популярных.
Мы в ЦТПО МИРЭА пришли к следующей концепции робота-сумоиста. Несущим основанием робота является односторонняя печатная плата, на которой выполнены все электрические соединения. Причем токопроводящие дорожки расположены снизу робота, а все навесные элементы - сверху. Печатная плата позволяет избавиться от соединительных проводов, одновременно являясь структурным основанием робота. Навесной монтаж нами забракован и отброшен по следующим причинам. Прежде всего, соединительные провода занимают место. При использовании печатного монтажа все электрические соединения расположены в слое 1-3 мм. Печатный монтаж более надежен: сделанное один раз электрическое соединение прослужит ни один турнир. Соединительные провода очень часто обрываются и отсоединяются, особенно при низком качестве исполнения. Третий плюс уже упоминался - печатная плата является одновременно и рамой робота, к которой крепятся моторы с колесами, крышка и отвал.
Недостаток печатного монтажа тоже вполне очевиден - невозможность изменить компоновку робота. Если будет необходимо установить дополнительный датчик, или изменить местоположение одного из датчиков - печатную плату необходимо будет делать заново.
Печатная плата разрабатывается в специализированных САПР-пакетах, таких как Sprint-Layout. Прежде всего, создается виртуальная заготовка печатной платы. Размеры робота в этой номинации ограничены 100х100 мм, поэтому и размеры заготовки не должны превышать этих габаритов. На заготовке необходимо предусмотреть вырезы для колес в задней части робота, а так же запас свободного места для отвала (ковша). Таким образом, заготовка будет иметь Т-образную форму.
Следующий шаг - размещение на плате вашего набора датчиков. Фронтальные датчики робота следует отодвинуть вглубь робота, иначе будут сложности с ковшом.
Далее необходимо предусмотреть крепления для электромоторов. Мы используем П-образные крепления, изготовленные на 3d-принтере. Электромотор фиксируется внутри такого крепления, и с помощью болтов фиксатор соединяется с печатной платой. Отверстия под эти болты и нужно предусмотреть на плате (см. рис.1).
Рис. 1. Заготовка печатной платы в Sprint-Layout с размещенными датчиками и фиксаторами для электромоторов. Сами электромоторы и колеса робота схематически начерчены в красном слое.
Далее на печатной плате необходимо разместить все необходимые электрические элементы: стабилизатор питания, тумблер включения питания, разъемы для подключения контактов электромоторов, микроконтроллер, драйвер двигателей. Все эти компоненты отсутствуют в стандартном наборе макросов, поэтому каждый элемент необходимо обмерить, разметить и занести в пользовательские макросы. Это очень ответственная процедура, здесь нужно руководствоваться правилом "семь раз отмерь, один раз отрежь".
При размещении на заготовке микроконтроллера следует помнить о usb-разъеме или разъеме программатора (см. рис.2). Не забываем так же разместить отверстия для крепления ковша.
Рис.2. Заготовка в Sprint-Layout с размещенными электрическими компонентами. Неиспользуемые контакты микроконтроллера можно просто удалить. Такие компоненты как тумблер питания и разъем подзарядки следует располагать на краю платы, чтобы к ним был свободный доступ. Так же не забываем о доступе к usb-разъему микроконтроллера.
Далее проводятся токоведущие дорожки. Ширина дорожки определяется используемой технологией изготовления платы. Мы используем технологию ЛУТ, ширина токоведущей дорожки - 0.6 мм, расстояние между дорожками не менее 0.3 мм. Диаметр контактной площадки 2.0мм. При необходимости контактная площадка подрезается в овальную форму. Если возникла необходимость установки перемычки, лучше ее реализовать с помощью SMD-резистора сопротивлением 0 Ом (см. рис.3).
Рис.3. Готовая к печати заготовка в Sprint-Layout.Контактные площадки у левого датчика линии подрезаны в овальную форму так, что между ними остается место для одной дорожки. Большие площадки перед стартовым модулем предназначены для установки SMD-перемычек.
После этого плата изготавливается по технологии ЛУТ или по фоторезистивной технологии. На готовой печатной плате сверлятся необходимые отверстия и устанавливаются все электрические элементы. Установку драйвера двигателей и микроконтроллера лучше проводить по схеме гнездо-вилка. В случае необходимости, микроконтроллер можно будет легко демонтировать (см. рис.4).
Рис. 4. Изготовленная по технологии ЛУТ печатная плата с напаянными компонентами. На этом роботе датчики линии расположены на отдельных маленьких платах, которые соединяются с основанием через отверстия. Будет целесообразно устанавливать такие датчики поверхностным монтажом.
Аккумуляторные батареи подключаются только через разъем. Это соединение должно быть разборным. Контакты электродвигателей тоже лучше соединять с платой через разъем. Когда все электрические компоненты установлены (см. рис.5), можно провести первое включение робота и проверить работу датчиков и моторов.
Рис. 5. Готовый к включению робот. Рекомендуется перед подключением аккумуляторных батарей проверить все соединения тестером. Барьерные дальномеры Sharp 340 установлены по схеме гнездо-вилка с целью обеспечения ремонтопригодности. Стартовый модуль так же съемный.
Далее из подручных материалов изготавливаем крышку-отвал. Наиболее удобный материал – листовая жесть толщиной 0.5 мм. Жестяные листы легко режутся ножницами по металлу, легко сверлятся, и в них легко проделать прямоугольные окошки под датчики. Крышка соединяется с платой через шестигранные латунные стойки для печатных плат, достаточно всего двух точек крепления. Основное назначение крышки – защита внутренностей робота от ударов, падений и чужих глаз (см. рис.6).
Рис. 6. Робот с установленной крышкой, изготовленной из 0.5мм жести. Печатный монтаж позволяет экономить очень много места. Высота данного робота – 36 мм
Технически робот готов. Однако необходимо выполнить одну очень важную операцию. Дорожки печатной платы располагаются снизу робота. В случае если робот соперника подцепит на свой металлический ковш вашего робота, может произойти короткое замыкание. Внизу голые электрические контакты, в том числе от аккумуляторных батарей. Привинтивная мера - покрыть плату электроизоляционным лаком в 2-3 слоя. Более надежное решение - закрыть токопроводящие дорожки толстой полиэтиленовой пленкой. Остроторчащие контакты рекомендуем подточить надфилем.
Рис. 7. Электроизоляция робота обеспечена с помощью толстой полиэтиленовой пленки, вырезанной по форме печатной платы. Пленка крепится к плате с помощью обычного термоклея.
Осталось только написать программу управления роботом. Роботы, выполненные на печатной плате, как правило, более конкурентоспособны, т. к. позволяют разместить более широкий набор датчиков, вплоть до кругового обзора. Надежность и стабильность поведения таких роботов на порядок выше, чем у сумоистов, выполненных навесным монтажом. Свободное место внутри робота допускает некоторые вольности с размещением балласта и положением центра тяжести робота.
