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全向轮数控小车

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全向轮数控小车

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该项目由用户Infante提供。

全向车轮仅在旋转方向上具有牵引力。

这个讲解者解释了如何使用四个全向轮,四个28BYJ-48步进电机,一个Arduino Uno R3微控制器,一个SG90伺服器和一个HC-06蓝牙模块制作XY绘图仪。

金属加工很简单……你只需要一个螺丝刀,三个钻头,一个鼠尾锉和一把锋利的刀。

CNC绘图仪有一个机载解释器,可识别“Inkscape”的g代码输出。所需要的只是一个XON XOFF终端,它可以一次发送一行文本文件。

绘图仪也可以使用手机或平板电脑进行控制,如insinsable https://www.instructables.com/id/CNC-Graphics-Tab中所述…

由于蓝牙设计,可能会出现非常大的图纸。绘图仪精度非常高,只要轮子不滑动!绘图仪的分辨率为每毫米22步。

建造这台绘图仪的成本不到500元……最昂贵的项目是全方位车轮和联轴器。

开场照片显示了组装的绘图仪。

视频显示绘图仪正在运行。为了节省电池,正在使用外部电源。

照片2显示了三个样本图。

版权声明:本站所有设计均源于网友上传或网上搜集,供学习和研究使用,其版权归原作者所有,对可以提供充分证据的侵权信息,本站将在确认后24小时内删除。

 

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描述

第1步:电路图

电路图的图片电路图的图片

全轮绘图仪的电路图如图1所示。

输入电压超过7伏时需要散热,因为LM7805稳压器只能消耗2瓦特。

带尾部引线的7伏电源适合日常使用。建议使用可充电电池,因为电流消耗接近900mA。

屏蔽布局如图2所示。第4列和第14列(浅红色和绿色条纹)上的孔在一些原型板上连接在一起。出于这个原因,我已经清楚了这些专栏。您可能还发现有必要将GND和+ 5V跳线连接到HC-06电路。

Arduino端口B和C分别连接到两个28BYJ-48步进电机。

电动机W1和W3以及W2和W4布线成使得它们总是沿相反方向旋转。560欧姆电阻器在电机控制器之间提供一定程度的隔离。

1安培LM7805稳压器为4个电机和笔式提升伺服提供5伏电压。1N4007二极管为Arduino和LM7805稳压器提供反向电压保护。

HC-06蓝牙模块从Arduino获得电源。1200欧姆和2200欧姆电阻组成一个分压器,可将Arduino TX输出电压降至蓝牙RX输入的安全水平。

关键点

  • 所有标记为5V(红色)的点都连接到LM7805 5V输出。
  • 标有GND的所有点都连接在一起。
  • 在连接蓝牙模块之前对arduino进行编程,因为当两个设备竞争相同的串行连接时,无法对Arduino进行编程。

第2步:零件清单

该绘图仪的估计成本低于100美元。

以下项目来自https://www.aliexpress.com/

  • 1只Arduino UNO R3带USB线
  • 1只SG90伺服
  • 1只HC-06蓝牙模块
  • 4只带有ULN2003电机控制器的28BYJ-48 5V步进电机[1]
  • 4只58mm塑料全向轮
  • 4只5mm​​金属全向轮联轴器 [2]
  • 24只Arduino女 – 女跳线
  • 1只有原板制作盾牌

以下项目是在当地获得的:

  • 1只6节AAA电池座
  • 6只1.5伏AA电池
  • 1只PCB双端子螺丝安装用于电池线
  • 1只SPDT微型开关
  • 2只有1N4007二极管
  • 1只LM7805稳压器
  • 17只有560欧姆的电阻器
  • 1只有1200欧姆的电阻器
  • 1只2200欧姆电阻
  • 24只M3 x 6mm螺栓
  • 14只M3 x 10mm螺栓
  • 14只M3螺母
  • 9只M4 x 10mm螺栓
  • 4只M4 x 50mm螺栓
  • 21只M4坚果
  • 2只M4垫圈
  • 12只螺纹尼龙垫片(9mm x M3
  • 2只40针公头插条
  • 1只小型母头插条(用于蓝牙模块的四个插针)
  • 1只1mm(18号)铝制小片
  • 1只基于20厘米的烤盘。

[1]

选择28BYJ-48步进电机用于此绘图仪:

  • 电机电流低
  • 电机成本极低

这些电机的缺点是它们在64:1传动装置中有一点点机械背隙,这会影响绘图仪的精度

小型直驱电机更准确,但:

  • 明显更贵,
  • 由于更大的电流消耗,需要更大的电池,
  • 并需要购买单独的电机控制器。
  • 还需要更改代码。

[2]

最昂贵的项目是全向轮和联轴器。

如果一起订购,这些“免费邮资”物品的总重量似乎会产生额外的邮资费用。我发现拆分订单要便宜得多。

第3步:理论

理论图片理论图片

全向轮(照片1)仅在旋转方向上具有牵引力。任何倾斜力都会导致车轮侧向移动。

如果我们沿X轴和Y轴放置全向轮,如图2所示,可以在任何方向上移动。

照片2中显示的全向轮布置非常适合Bresenham的线绘制算法。

这个绘图仪的设计灵感来自以下文章http://modwg.co.uk/wp-content/uploads/2015/06/Omni …其中解释了如何构建3,4,6和8轮全向-bots。

我的车轮布置与上述文章不同,具有以下优点:

  • 车轮非常适合XY绘图。
  • 没有轮胎擦洗
  • 更简单的计算
  • 简单的电子产品
  • 第4步:运动学分析

  • 运动学图片运动学图片
  • 该步骤导出了我的“全向轮CNC绘图仪”的正向和反向运动方程,可以省略。假设
    • 机器人X轴位于W2,W4。
    • 机器人Y轴位于W1,W3。
    • 正常旋转顺时针朝向机器人中心。
    • Omni车轮(照片1)仅在’S’方向上具有牵引力。

    任何给定轮的’x’和’y’矢量分量在照片2中得出。

    对于照片1中所示的四轮机器人,’x’和’y’矢量分量为:

    • x1 = cos(Alpha 1 + PI / 2)* S1 = cos(90 + 90)* S1 = cos(180)* S1
    • x2 = cos(Alpha 2 + PI / 2)* S1 = cos(180 + 90)* S1 = cos(270)* S2
    • x3 = cos(Alpha 3 + PI / 2)* S1 = cos(270 + 90)* S1 = cos(360)* S3
    • x4 = cos(Alpha 4 + PI / 2)* S1 = cos(360 + 90)* S1 = cos(450)* S4
    • y1 = sin(Alpha 1 + PI / 2)* S1 = sin(90 + 90)* S1 = sin(180)* S1
    • y2 = sin(Alpha 2 + PI / 2)* S1 = sin(180 + 90)* S1 = sin(270)* S2
    • y3 = sin(Alpha 3 + PI / 2)* S1 = sin(270 + 90)* S1 = sin(360)* S3
    • y4 = sin(Alpha 4 + PI / 2)* S1 = sin(360 + 90)* S1 = sin(450)* S4

    该机器人的合成矢量是:

    • x = x1 + x2 + x3 + x4
    • y = y1 + y2 + y3 + y4

    还有一个角度旋转分量“w”,使机器人绕其Z轴旋转:

    • w = s1 + s2 + s3 + s4

    正向运动学

    照片3显示了以矩阵形式写的上述等式。

    “前进”方程不是特别有用,因为它们计算了车轮完成旋转后机器人的位置。

    反向运动学

    我们想要的是“反向”方程,因为它们允许我们计算每个车轮必须旋转多少以使机器人达到给定(X,Y)坐标。

    这些方程式还使我们能够同时旋转机器人本体。

    计算“逆矩阵”

    有几种方法可以获得矩阵的“逆”。

    使用“身份”矩阵的“Gauss-Jordan”技术可能是最简单的手动方法。可以在https://www.youtube.com/watch?v=cJg2AuSFdjw上找到演示此技术的视频

    另一种方法是使用在线“逆矩阵计算器”,例如在https://www.wolframalpha.com/input/上找到的?i = calculate + in …

    此计算器要求以下列格式输入矩阵信息:

    {{COS(180),COS(270),COS(360),COS(450)},{罪(180),罪(270),SIN(360),罪(450)},{1,1, 1,1}}

    单击“计算”时,照片4显示输出。

    水平运动

    水平运动的相对车轮速度可以通过将以下公式插入https://www.wolframalpha.com/input/?i = matrix + calc的在线“矩阵计算器”中找到

    在反向运动学公式中代入{x,y,w} = {1,0,0}:

    • {S1,S2,S3,S4} = {{-0.5,0,0.25},{0,-0.5,0.25},{0.5,0,0.25},{0,0.5,0.25}} * {1,0 ,0}
    • {S1,S2,S3,S4} = {-0.5,0,0.5,0}

    结果显示在照片5中。负号表示CCW旋转。

    车轮W1旋转CCW …车轮W3旋转CW。

    垂直运动

    垂直运动的相对车轮速度可以通过将以下公式插入在线“矩阵计算器”中找到:https://www.wolframalpha.com/input/?i = matrix + calc …

    在反向运动学公式中代入{x,y,w} = {0,1,0}:

    • {S1,S2,S3,S4} = {{-0.5,0,0.25},{0,-0.5,0.25},{0.5,0,0.25},{0,0.5,0.25}} * {0,1 ,0}
    • {S1,S2,S3,S4} = {0,-0.5,0,0.5}

    结果显示在照片6中。负号表示CCW旋转。

    车轮W2旋转CCW …车轮W4旋转CW。

    角运动

    此绘图仪不需要此功能,因为我们使用的是Bresenham的线条公式,只需要水平和垂直移动。

    角度运动的相对车轮速度可以通过将以下公式插入https://www.wolframalpha.com/input/?i = matrix + calc …的在线“矩阵计算器”中找到

    在反向运动学公式中代入{x,y,w} = {0,0,1}:

    • {S1,S2,S3,S4} = {{ – 0.5,0,0.25},{0,-0.5,0.25},{0.5,0,0.25},{0,0.5,0.25}} * {0,0 ,1}
    • {S1,S2,S3,S4} = {0.25,0.25,0.25,0.25}

    结果显示在照片7中。负号表示CCW旋转。

    所有车轮都朝同一方向旋转。

    对角线运动

    此绘图仪不需要此功能,因为我们使用的是Bresenham的线条公式,只需要水平和垂直移动。

    垂直运动的相对车轮速度可以通过将以下公式插入在线“矩阵计算器”中找到:https://www.wolframalpha.com/input/?i = matrix + calc …

    在反向运动学公式中代入{x,y,w} = {1,1,0}:

    • {S1,S2,S3,S4} = {{-0.5,0,0.25},{0,-0.5,0.25},{0.5,0,0.25},{0,0.5,0.25}} * {1,1 ,0}
    • {S1,S2,S3,S4} = { – 0.5,-0.5,0.5,0.5}

    结果显示在照片8中。负号表示CCW旋转。

    车轮W1和W2旋转CCW …车轮W3和W4旋转CW。

    复合运动

    此绘图仪不需要此功能,因为我们使用的是Bresenham的线条公式,只需要水平和垂直移动。

    可以通过改变{x,y,w}参数来组合角运动和对角运动。

    通过将以下等式插入https://www.wolframalpha.com/input/?i = matrix + calc …的在线“矩阵计算器”,可以找到组合对角线和角度运动的相对车轮速度

    在反向运动学公式中代入{x,y,w} = {1,1,1}:

    • {S1,S2,S3,S4} = {{-0.5,0,0.25},{0,-0.5,0.25},{0.5,0,0.25},{0,0.5,0.25}} * {1,1 ,1}
    • {S1,S2,S3,S4} = { – 0.25,-0.25,0.75,0.75}

    结果显示在照片9中。负号表示CCW旋转。

    该示例中的相对车轮速度导致车身在绘图仪对角线移动时旋转。

    第五步:金属加工

  • 金属工作的图片金属工作的图片金属工作的图片金属工作的图片
  • 设计注意事项Omni车轮必须始终保持与地板的接触。为了允许车轮瑕疵和起伏的表面,底盘必须弯曲。照片1中显示了两种可能的解决方案:
    • 使用柔性塑料,如CD(红色圆圈)……未尝试过
    • 在机箱中构建枢轴接头。

    第二种选择如下所述。

    机壳

    底盘尺寸并不重要。

    每个底板(照片1)由1毫米(18号)铝板制成。

    当对接在一起时,两个L形基板形成正方形。

    如果您使用15mm唇缘制作每个底板84mm x 42mm,则可获得120mm的对角线,这是CD的直径。

    通过在每个唇缘中间通过单个4mm螺母和螺栓松散地夹紧L形基板,可以获得每个车轮上的相同牵引力。“双螺母”螺栓,如图3所示,以防止螺栓拧松。将4mm垫圈放在螺栓头下方和螺母下方。不要在底板之间放置垫圈。

    使用我的instructable https://www.instructables.com/id/How-to-Cut-Fold-…中描述的方法切割和折叠铝板。

    电机支架

    28BYJ-48步进电机需要四个电机支架。

    每个支架的尺寸和孔尺寸如图2所示。支架由1毫米(18号)铝板制成。

    每个电机支架通过3mm螺母和螺栓固定在底板(底盘)上。

    施工提示:

    • 在第一个支架上钻3mm导孔
    • 使用此第一个括号作为剩余三个括号的模板
    • 扩大4毫米和9毫米的孔
    • 现在折叠括号

    底盘装配

    照片3显示了安装在平坦表面上的组装底盘。

    照片4展示了当物体放置在后电机下方时底盘的弯曲运动。即使一个或多个轮子被抬起,所有轮子也保持与表面的接触。

    组件托盘

    元件托盘是由20厘米的烤盘底盘制成的…请先半询好!

    所有电子模块均使用3毫米螺栓和螺纹尼龙垫片固定在此光盘上。

    组件托盘通过四个M4 x 50mm螺母和螺栓连接到机箱,如图5所示

    如图6所示,这四个螺栓穿过组件托盘。然后使用四个额外的螺母将组件托盘固定到位。

    第6步:笔式提升

    笔电梯的图片

  • 笔电梯的图片笔电梯的图片笔电梯的图片

笔式提升组件包括SG-90伺服器,墨水笔,简单的“项圈”和支架,如图3所示。

支架尺寸如照片1所示。

支架和伺服系统如图3所示。伺服系统已通过电缆连接到位,下方有一小块双面胶带,以防止打滑。

照片4显示了完成的pen_lift。

橙色的“衣领”包括一个粘在无线电旋钮中心的小塑料盘,该旋钮已经钻到了尺寸……但是任何可以使伺服升起笔的东西都可以。

施工提示:

  • 在每个孔位置钻3mm导孔……不要弯曲支架。
  • 然后将支架放在组件托盘上,并钻出三个直列孔中的每一个。
  • 如图2所示,在钻出剩余的两个螺栓之前,在第一个孔中放置一个3毫米的螺栓。这样可以确保剩下的两个孔位于正确的位置。
  • 现在,在弯曲支架之前,将每个中心孔定制为适合您的笔直径。

第7步:软件安装

软件安装的图片

绘图仪软件

  • 拔下电机护罩。这将移除蓝牙模块和外部9V电源
  • 在Arduino和PC之间连接USB电缆
  • 下载附件“omni_wheel_plotter.ino”
  • 使用文本编辑器(如Notepad ++)将文件内容复制到新的Arduino草图中。
  • 将草图保存为“omni_wheel_plotter”(不带引号),然后将其上传到Arduino。
  • 单击“工具|串行监视器”
  • 将“波特率”设置为9600 ……应出现一个菜单
  • 关闭Arduino IDE(“集成开发环境”)
  • 保持USB电缆连接
  • 保持电机护罩断开。

终端软件

流向绘图仪的数据需要一个终端:

  • 支持XON XOFF协议,
  • 能够发送文本文件,和
  • 可以配置为在每个换行符后暂停[1]

合适的终端软件包括:

CoolTerm的安装说明

  • 下载设置文件“default.stc”(附件)
  • 从“http://freeware.the-meiers.org/”下载适用于Windows的“CoolTerm”
  • 解压缩文件“CoolTermWin.zip”
  • 将整个文件夹“CoolTermWin”复制到“桌面”
  • 将“default.stc”复制到“CoolTermWin”文件夹[2]
  • 拔下电机护罩(这会断开蓝牙模块和外部电源)
  • 将USB电缆连接到绘图仪。
  • 双击“左键单击”“CoolTermWin”文件夹中的文件“CoolTerm.exe”以运行。
  • Left_click“连接”
  • 输入“菜单”…应显示一个菜单(照片1)
  • 试验选项。[3]
  • 拔下USB线。

[1]

由于绘图仪没有输入缓冲器,终端必须等待g代码行之间的XOFF信号。

[2]

“default.stc”文件包含我使用的Omni轮绘图仪设置。使用USB电缆时的默认端口是COM3 ……您可能需要更改此设置。

[3]

在这个阶段,Arduino“认为”电机护罩是连接的。此步骤确认两个软件包都在运行。

第8步:通过蓝牙连接

通过蓝牙连接的图片

我们现在准备通过蓝牙与绘图仪交谈:

启动绘图仪

  • 断开USB电缆与绘图仪的连接。
  • 将电机护罩插入绘图仪
  • 将HC-06蓝牙模块(照片1)插入屏蔽罩
  • 给屏蔽层通电……蓝牙LED指示灯应该开始闪烁。

将你的电脑“配对”给绘图仪

  • 在PC上打开“设置”,然后选择“设备:Bluetoth,打印机,鼠标”(照片2)。
  • 点击“蓝牙和其他设备”(照片3)。
  • 打开电脑的蓝牙(照片4 …蓝色按钮)然后
  • 单击“+”按钮以“添加蓝牙或其他设备”。
  • 现在点击“蓝牙:鼠标,键盘,笔或其他类型的蓝牙设备”。
  • 单击“添加设备”屏幕中的“HC-06”(照片5)。
  • 询问时输入密码1234(照片6)。
  • 等待“准备就绪”消息(照片7)
  • 蓝牙LED将继续闪烁。

通过蓝牙控制绘图仪

  • 双击“左键单击”“CoolTermWin”中的文件“CoolTerm.exe”。
  • 左键单击“连接”…蓝牙LED应停止闪烁。
  • 如果没有,则蓝牙模块使用不同的COM端口…我的使用COM8。
  • 要更改COM端口,请单击“连接|选项|重新扫描串行端口”。
  • 建立连接后,蓝牙LED将停止闪烁。
  • 点击“保存”并将更新的设置保存到“default.stc”
  • 输入“menu”…按“enter”键时会出现一个菜单
  • 试验选项…它们应该像使用USB电缆一样工作。

将g代码文件发送到绘图仪

  • 将附加的“square.gcode”文件复制到“CoolTermWin”文件夹中。
  • 将文件重命名为“square.gcode.txt”或“square.txt” [1]
  • 运行“CoolTerm” [2]
  • 单击“连接|发送文本文件”,然后选择文件“square.txt”
  • 点击“打开”,您的绘图仪应该开始工作。
  • 当进度条达到100%时,绘图结束

[1]

“CoolTerm”没有“显示所有文件”选项…它只显示具有它支持的文件扩展名的文件。最简单的解决方案是在g代码文件中添加.txt扩展名。

[2]

“CoolTerm”在启动时使用“default.stc”文件中的设置。“打开”和“保存”菜单允许您在需要更改COM端口设置时更新“default.stc”文件。

第9步:总结

这个绘图仪的特点:

  • 一个小脚印
  • 不受限制的纸张尺寸(在合理范围内)
  • 每毫米精度22步
  • 蓝牙操作

可以使用Android手机或平板电脑控制绘图仪。执行此操作的说明在我的instructable https://www.instructables.com/id/CNC-Graphics-Tab中给出

每个28BYJ-48步进电机内的64:1塑料齿轮引入了少量的“间隙”。直接驱动步进电机应消除这种反弹,但需要备用电机控制器,更高容量的电池和一些次要的代码更改。

与具有固定导轨的传统XY绘图仪不同,此绘图仪的准确性依赖于:

  • 所有车轮都有相同的直径
  • 所有车轮保持与表面接触
  • 所有滚筒都可以自由工

考虑到这些机械要求,这些图非常好。

没试过……用“grippo”(用于户外碗)或精细砂砾涂上轮子可以防止轮子在光面纸上滑动。

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