Транслируем искусство через робототехнику09.04.2021 10:47

Мы, студенты столичного университета, очень хотели привлечь внимание нашего руководства кафедры. Проблему необходимо было решать кардинально и бесповоротно. Внутривузовские проекты не дали бы необходимого эффекта, поэтому на собрании сообщества было принято решение устроить акцию и раскрасить самый центр города Москвы — Чистые пруды.

Так как бегать с кисточками на морозе звучало не сильно заманчиво, мы решили поручить эту задачу роботу. Как говорится, готовь сани летом… Конечно, никто их не приготовил, но и собирать платформу робота с нуля никто не собирался. Предложили переоборудовать один из существующих проектов под это дело.

Big Fucking Printer

Складской робот с mecanum колёсами — вот наш избранник. Первая проблема была в этих самых колёсах, они совершенно не подошли для езды по снегу, да и клиренс оказался маленьким. Вообще, к роботу-маляру требований значительно больше, чем к грузовой платформе. За месяц с хвостиком перед командой стояло огромное количество задач.

• Разработать систему разметки поля

• Придумать маркер для нанесения краски на огромную площадь

• Переделать всю электронику робота, не кататься же на бееедуине, верно? Никто ведь так не делает, правда?

• Разработать стек навигации для робота

• Написать пару* строк кода

Ну что, строим?

Конечно же нет, ведь нужно выбрать из чего, как и сколько это будет стоить. Для решения вопроса с навигацией мы потратили не мало времени и ни одно копьё было сломано. SLAM отвергли наши программисты-питонисты-(дата сатанисты). Инерциальный датчик отвергли программисты-электронщики. А вот езда по тросу понравилась всем. Еще были такие варианты: расставить лазеры, расставить метки, использовать энкодеры на колёсах, лазерная рулетка,  GPS и много всего другого. Размер нашего «холста»: 40×50 метров. Для определения текущего положения робота с точность до 1 см использовалась связка энкодера и инфракрасного датчика расстояния. При помощи ввёртышей и талрепов натягивается трос каждые 5 метров. На роботе устанавливается каретка с энкодером, ее отклонение фиксирует датчик расстояния. Трос проходит через энкодер и при смещении робота относительно троса, смещается и каретка. Конструкция хоть и простая, но на таких расстояниях крайне эффективная.

Допустим мы знаем наше положение на поле, но чем и как мы будем рисовать? А почему бы не использовать готовые решения? Итак, мы обзавелись обычным аэрографом, компрессором с ресивером и огромной направляющей из алюминия длинной в 5 метров. Каждые 10 сантиметров робот останавливается, аэрограф совершает поступательное движение по рельсе и наносит часть изображения. Для приведения аэрографа в движение к нему прикрутили мотор с шестерней, а на рельсе установили зубчатую рейку, бережно отфрезерованную из обрезков фанеры.

Теперь-то строим?

Почти. Моделируем. Связка SolidWorks и Fusion 360, запихнутая в Gazebo — это отдельный способ извращений, но команда состоит из творческих людей с различными взглядами на жизнь. Так или иначе, лучший файлообменник — телеграмм соединяет сердца инженеров. Модель робота была кропотливо разработана в CAD системах (а с нашим бюджетом мы не могли позволить купить лишних запчастей) и протестирована в симуляторе, ведь пруды чистые, а не черновые.

Итого, детали в пути, и мы приступаем к проектированию плат и написанию кода. Робототехников хлебом не корми, дай на питончике, да на плюсах покодить,  а вот — держи. Собственно мозгами робота стали Raspberry Pi,  STM32-Discovery и несколько плат с камушками серии STM32F1. Их связь осуществляется через UART. Для питания сего изобретения были выбраны литиевые аккумуляторы в сборке 12s8p, переваренные из батареи Tesla и два 12-вольтовых гелиевых аккумулятора. В качестве движителей общим решением были избраны моторы Nema-23 с планетарными редукторами 1:4. Дешёвые драйверы двигателей TB6600 расплавились при первом включении, пришлось срочно искать замену — DM860H.

Когда все детали приехали, а мы уже порядком подустали, стало ясно, что времени осталось мало, скоро весна, а пруд превратится в шугу. Реализовать задуманное планировалось ещё до новогодних праздников, но сессия в университете вмешалась и поломала весь тайм-менеджмент, а еще оставила без стипендии. Правильно, зачем же робототехнику материальные блага, достаточно духовной пищи.

Полевые испытания

Тем временем, работа по конструированию, сборке и программированию подходила к концу.  Для испытаний оставалось зарядить аккумуляторы, смазать втулки, залить код и озаботится выбором краски. Первые испытания было решено провести в хоккейной коробке.

После пар мы бросились собираться. Оказалось, что про краску все забыли, а единственная субстанция под рукой, имеющая хоть какой-то оттенок, оказалась гуашь. «Ладно, и так сойдет…» — посчитали мы. Коктейль состоял из литра воды с пачкой гуаши, а также туда отправилось пол-литра медицинского спирта. 

Первые испытания боевого робота показали, что гуашь не видна даже в такой большой концентрации на снегу после распыления, а гелиевые аккумуляторы не обеспечивали необходимый ток для работы компрессора. Из плюсов: мы провели калибровку датчика расстояния (ошибка не более 5 см на 5 м).

Вторые испытания также не увенчались успехом. Для прижима краскопульта мы хотели использовать шаговый двигатель Nema-17 с трапецеидальной винт-гайкой, установленные на корпус робота, и тормозным тросом от велосипеда длиной 3 м для передачи усилия. Решение спорное, но мы не хотели вешать такую тяжелую конструкцию на каретку. Так вот, это не сработало и пришлось переместить весь блок системы прижима на печатающую голову.

Финальный эксперимент?

Чтобы управа района одобрила покраску Чистых Прудов, нам было необходимо продемонстрировать работоспособность робота. Итак, в последний раз мы отправляемся в хоккейную коробку. Что по изменениям? К краскопульту добавили шторки, чтобы краска не летела во все стороны, а также не намерзала на винтовой передаче. Добавили систему подачи краски в ресивер краскопульта. В качестве краски использовали колер, разбавленный спиртом. Как вы понимаете, спирта было потрачено много. Гелиевые аккумуляторы дополнились сборкой 4s8p из тех же аккумуляторов Tesla, которые Panasonic.

Рисовать решили логотип YouTube-канала «Техникум», они ездили с нами на испытания, поэтому мы захотели их отблагодарить.  Окраска квадрата 5×5 м заняла около 30 минут. На удивление, первый видимый результат получился удовлетворительным.

Ало, пустите на пруд?

Работа над проектом затянулась на 3 месяца. Последние испытания мы провели 18 марта, когда на улице температура стала колебаться около нуля. Нам вежливо предложили отказаться от этой идеи. Да, мы не успели довести дело до финальной точки в этом году. В следующем году мы постараемся все же выехать в центр города и провести нашу акцию. А пока, можете посмотреть результат работы в нашем инстаграм-аккаунте:  artbot.moscow 

P.S.

Сейчас мы продолжаем совершенствовать робота. Первоочередная задача — перенос стека навигации на aruco метки, чтобы робота можно было использовать в помещениях. 17 апреля в университете науки и технологий НИТУ «МИСиС» пройдёт день открытых дверей. Мы будем рисовать логотип университета в центральном лобби, фотоотчёт будет в инсте.