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Vecchio 01-09-2009, 05:14 PM
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predefinito [BEAM] - Mini Sumo Beam 1/3

Un Robot da Mini Sumo in tecnologia BEAM espandibile: realizzazione pratica.
di Luigi Carnevale





Le gare di Mini Sumo stanno ottenendo un enorme quanto inaspettato successo in tutto il mondo, anche nel nostro Paese questa disciplina sta diventando sempre piu’ popolare. Moltissime persone si stanno avvicinando al mondo della Robotica proprio grazie al Mini Sumo. Questo mese realizzeremo un piccolo Robot in tecnologia BEAM regolamentare, avremo, in questo modo, la possibilita’ di partecipare alle gare di Mini Sumo.

Cosa e’ il Mini Sumo?


Il Mini Sumo e’ una competizione tra Robot, come nel vero Sumo, i due Robot cercano di spingere l’avversario fuori dal ring (Dohyo); il primo che tocca il pavimento fuori dal ring ha perso. Tutti i match si basano sulla meglio di tre rounds, e’ sufficiente, qundi, vincere due rounds per aggiudicarsi il match.
Il Mini Sumo fu creato da Bill Harrison nel 1990 come imitazione, su piccola scala, del popolare evento giapponese: il Robot Sumo. In Giappone due Robots da 3Kg, non piu’grandi di 20 x 20 cm cercano di spingere l’avversario fuori dal ring di 154cm di diametro in un match di tre minuti di durata massima.
Harrison volle creare un evento che seguisse le stesse regole ma con dimensioni inferiori allo scopo di rendere piu’ facile partecipare alle gare ed iniziare a conoscere il mondo dei Robots. Lo scopo primario era di avere delle gare dove poter partecipare con semplici ed economici Robots senza dover essere esperti per costruirli. Harrison passo’ molti anni a girare l’America recandosi a diversi eventi di robotica aiutando gli addetti ad organizzare gare di Mini Sumo. Il risultato e’ stato incredibile, oggi il Mini Sumo e’ uno degli eventi piu’ popolari del mondo!
Le regole del gioco sono abbastanza semplici e ricalcano le regole del Sumo giapponese le principali differenze sono nelle dimensioni dei Robot che devono poter entrare, all’inizio del match, in una scatola quadrata di 10 cm di lato e non devono superare i 500grammi di peso. Dal momento che non esistono restrizioni per quanto riguarda l’altezza, i Robot possono espandersi oltre le dimensioni iniziali per mezzo di strutture amovibili che all’inizio del match vengono azionate. Tutti i Robot devono iniziare a muoversi non prima di 5 secondi dal via, questo ritardo e’ necessario per consentire ai proprietari di allontanarsi dal ring per evitare di essere intercettati dai sensori.



FIGURA 1: Il Ring da MiniSumo



FIGURA 2: Il nostro SumoBeamBot alle prese con il famigerato e dotatissimo Mark III.

Il Ring da MiniSumo e’ un disco di 77cm di diametro di 2.5cm di spessore ed e’ nero opaco. C’e una banda di colore bianco lucido di 2.5cm sul perimetro del disco, serve ai Robot, dotati di sensori riflettenti, per capire dove finisce il Ring ed evitare di cadere perdendo il Round. Ci sono due righe parallele, di colore marrone opaco, al centro del Ring che servono per determinare la posizione iniziale di partenza.
Il Ring puo’ essere costruito di qualsiasi materiale, purche’ sia rigido e idoneo allo scopo.
Il Round inizia con i due Robot posizionati dietro le linee di partenza, non devono essere faccia a faccia, quando l’arbitro da il via gli operatori devono azionare i Robots ed allontanarsi dal Ring. I Robots devono rimanere immobili per 5 secondi. Dopo questo intervallo i Robots devono cercare di spingere l’avversario fuori dal Ring, il primo che ci riesce ha vinto il Round. Si passa quindi al secondo Round ed eventualmente al terzo, il Robot che vince due Rounds ha vinto il Match.
C’e’ un limite di tempo sulla durata dell’intero Match il quale non deve superare i 3 minuti per il totale dei 3 Rounds.
Per maggiori informazioni consiglio di visitare il sito ufficiale di MiniSumo del Northwest Robot Sumo Tournament (www.nwrst.com).
La sfida

Di fronte ad un contesto di Sumo Robots superaccessoriati, controllati da uno o addirittura molti Microcontrollori, dotati di sensori a ultrasuoni, infrarossi, di rotazione ed encoder; alcuni utilizzano addirittura sensori di accelerazione! Dicevamo: di fronte ad un simile panorama, puo’ un Sumo Robot costruito in tecnologia BEAM competere con questi titani? Potra’ la semplicita’ e la robustezza circuitale dei BEAM, nonche’ il loro comportamento rapido ed istintivo sconfiggere la fredda logica e la velocita’ di pensiero degli avversari cervelloni? Abbiamo intenzione di scoprirlo ed e’ proprio per questo che abbiamo ideato il SumoBeamBot!


Il Progetto

Alla base del progetto c’era l’intenzione di creare un Robot semplice ed economico, che richiedesse l’uso di strumenti comuni ed alla portata di tutti, che fosse facilmente espandibile e versatile ma soprattutto che fosse regolamentare ed in grado di gareggiare con avversari blasonati come il Mark III.
Per la struttura del telaio e’ stato scelto il Lexan trasparente da 4mm di spessore, e un materiale rigidissimo (e’ antiproiettile!!) facilmente lavorabile: si taglia con l’archetto da traforo e si puo’ facilmente forare con una punta da trapano per metallo o legno; in piu’ puo’ essere anche piegato a freddo o a caldo. E’ stato scelto uno spessore abbastanza elevato per poter permettere incollaggi a 90° senza ausilio di squadre e simili, si incolla facilmente con del collante cianoacrilico (attack) e risulta molto tenace. Inoltre esteticamente e’ molto bello e tecnologico.
Per la motorizzazione la scelta e’ andata sui classici servi R/C modificati per rotazione continua. Era necessario un propulsore compatto e facilmente ancorabile, nonche’ potente ed economico, i servi R/C sono senz’altro la scelta ottimale. Un altro punto a favore dei servi e’ la possibilita’ di essere pilotati usando la loro circuiteria interna, quindi ad impulsi da 1.0 a 2.0 ms , oppure togliendola, sono pilotabili come dei comuni motori CC, utilizzando degli appositi circuiti integrati o, come nel nostro caso, dei microrele’. Un ulteriore punto a favore dei servi R/C e’ la reperibilita’ di apposite ruote di circa 65mm di diametro che sono dotate di una banda in gomma con un’ottima aderenza, esistono anche delle bande in urtano che quasi si incollano al Ring, ottenendo, in questo modo, una trazione eccellente.
Nel nostro caso abbiamo deciso di usare i servi trasparenti della Solarbotics, sia per motivi estetici, che per motivi tecnici: questi servi sono molto potenti e sono modificabili in pochi minuti, sono gia’ privi dell’elettronica e quindi costano abbastanza poco rispetto alle prestazioni. Inoltre la Solarobotics ha recentemente realizzato un circuito di potenza, dotato di un integrato L293, che alloggia perfettamente dentro l’involucro di questi servi (oltre che nei Futaba 3003) e’ dotato di LED che si illuminano a seconda della rotazione del motore, creando un effetto molto coreografico. Con questi circuiti di potenza i servi sono pilotabili anche tramite Microcontrollore, in continuo ed in PWM.
Per quanto riguarda l’alimentazione si e’ scelto di alimentare il tutto con un pacco batteria al NiCd da 3 celle ovvero 3.6Volts che quando le batterie sono cariche oltrepassano leggermente i 4Volts con una corrente di 600mA, sono ricaricabili e quindi ecologiche. Sotto la ‘pancia’ del Robot ne entrano 2 collegabili in parallelo ed in serie, molto interessante quest’ultima soluzione per la realizzazione di un circuito di Boost che presenteremo in un articolo successivo, per il momento la seconda batteria potra’ essere collegata in parallelo per garantire una maggiore durata e potenza.
La parte ‘sensoriale’ per questa parte del progetto e’ relativa soltanto ai sensori del bordo (edge sensors) ed e’ stata affidata ad una coppia di infallibili Fairchild QRB1134 questi sensori oltre ad essere eccellenti sono anche abbastanza economici, e’ difficile scegliere qualcos’altro!
Per la costruzione del circuito ho deciso di usare un socket da 40 pin a ‘tulipano’ ovvero dotato di pin torniti che permettono l’inserzione dei componenti senza necessariamente saldarli, e’ molto comodo nella fase sperimentale e di ottimizzazione. Per il circuito dei sensori di bordo (edge sensors), e’ stato usato un socket da 18 pin simile al precedente, questo si va ad incastonare perfettamente all’altro formando un circuito relativamente complesso e molto bello esteticamente (BEAM = Estetica!).

Il Circuito elettronico

Come per altri BEAM, il funzionamento di questo circuito e’ abbastanza semplice. Riferendovi alla figura 3° provate a capire il funzionamento.
All’accensione del Robot, questo comincia a camminare perche’ i contatti NC dei rele’ alimentano i motori. Appena arriva uno stimolo da uno dei sensori, i transistor TR1 e TR2 vanno in conduzione attivando i rispettivi rele’ che invertono la rotazione dei motori. I transistor rimangono in conduzione per tutto il tempo di scarica dei condensatori C1 e C2 che e’ diverso per via del consumo dei LED pertanto un condensatore si scarichera’ prima dell’altro provocando la rotazione del Robot. Appena scarico anche l’altro condensatore il Robot riprendera’ la sua marcia rettilinea. Regolando i Trimmer R1 e R2 potrete variare il tempo di scarica dei condensatori e quindi il comportamento del Robot. Se invece lo stimolo viene applicato su un sensore laterale, usato per individuare l’avversario e puntarlo, andra’ in conduzione soltanto uno dei transistor, grazie ai diodi D1 e D4, provocando la rotazione immediata del Robot nella direzione del sensore che ha rilevato la presenza.
I transistor TR2 e TR4 servono unicamente per invertire il segnale proveniente dai sensori QRB1134 mentre le resistenze R2 e R5 servono da pull-up all’uscita dei sensori, i condensatori C2 e C4 sono usati come filtri per evitare interferenze e false letture dei sensori. Le resistenze R3 e R6 servono per adattare la corrente di alimentazione del sensore al giusto valore.
Semplice vero?



FIGURA 3a: Lo schema elettrico e la lista dei componenti.



Realizzazione del telaio

Basandovi sui semplici disegni dei vari particolari che compongono il telaio, disegnate, a mano o con qualche software per PC, su un foglio di carta i particolari affiancati allo scopo di ridurre il numero dei tagli e lo sfrido di materiale. Ritagliate i contorni del foglio ed incollatelo, usando della colla stick, sul foglio di Lexan da tagliare. Attendere qualche minuto per far asciugare la colla.



FIGURA 4: La benna



FIGURA 5: Il laterale: ne occorrono 2 pezzi (destro e sinistro)



FIGURA 6: Il telaio inferiore.




FIGURA 7: Il telaio superiore.

Utilizzando un archetto da traforo, ritagliate attentamente seguendo le linee dei disegni, cercate di essere piu’ precisi che sia possibile, non abbiate fretta di finire. Una volta tagliati i particolari, servitevi di carta vetrata per rifinire i bordi, bagnate la carta per ottenere una superficie migliore. Ponete un foglio di carta vetrata, opportunamente bagnato, su una superficie piana e rigida (marmo, vetro) prendete il pezzo da rifinire e passatelo avanti e indietro sulla carta fino ad ottenere una superficie perfettamente levigata. Usare inizialmente una grana abbastanza grossa e finite con una piu’ fine. Per gli spazi piu’ difficili potete incollare con del cianoacrilico un pezzo di carta vetrata ad un listello di Lexan avanzato, in questo modo avrete fabbricato una lima, molto comoda per andare negli spazi scomodi.
Non dimenticate la foratura dei particolari, potete utilizzare il disegno che avevate incollato in precedenza, quindi, prima di toglierlo, eseguite i fori.
Potete passare ora all’assemblaggio del telaio.




FIGURA 8: Ecco i particolari pronti per essere assemblati




FIGURA 9: Un dettaglio dei distanziali da 25mm - 3MA che sono stati usati nel SumoBeamBot

Saranno utilizzati dei distanziali metallici Maschio/Femmina da 25mm-3MA con delle viti e degli altri distanziali Femmina/Femmina da 5mm-3MA. Naturalmente potrete utilizzare anche soluzioni diverse.
Procediamo con il fissaggio delle 4 colonnine utilizzando le 4 viti come rappresentato nella figura.




Figura 10: Fissaggio delle 4 colonnine al telaio inferiore

Posizionare ora il telaio superiore avendo l’accortezza di non serrare i piccoli distanziali superiori, e’ sufficiente avvitarli appena.




FIGURA 11: Posizionamento del telaio superiore

E’ ora il momento di fissare i laterali, per questa operazione consiglio di mettere un sottile strato di colla cianoacrilico lungo il bordo del telaio inferiore, in modo da fissare permanentemente i laterali al telaio e aumentarne la rigidita’. Fate bene attenzione che i laterali hanno un verso, riferitevi alla figura 5: e’ rappresentato il laterale destro ponendo il Robot con la benna a destra, l’altro laterale va messo specularmene. Se fate un po’ di attenzione non e’ difficile, al limite fate delle prove montando provvisoriamente i servi e le ruote, in questo modo sara’ evidente il verso da seguire.
Dopo aver incollato i laterali, a colla ben asciutta, potete serrare i distanziali piccoli. Gia’ dovreste rendervi conto della solidita’ e della leggerezza di questa struttura.




FIGURA 12: Incollaggio dei laterali.

I servi possono essere fissati con delle viti e quindi dei dadi, oppure con delle fascette di nylon. Io ho optato per la seconda soluzione in quanto ritengo che le fascette diano sufficiente rigidita’ e sicurezza, essendo piu’ comode da mettere ed eventualmente togliere, sono senz’altro la scelta giusta. Procediamo quindi al posizionamento di 4 fascette seguendo la figura. Fate attenzione al tipo di servo che utilizzate, se non hanno gli occhielli aperti dovrete provvedere a fare un taglio oppure dovrete infilare le fascette prima nel servo e poi nel telaio.




FIGURA 13: Il posizionamento delle fascette in attesa dei servi.

Prima di poter installare i servi, questi devono essere modificati, ora andremo ad illustrare come si modificano i servi trasparenti (SBGM4) della Solarbotics, per la modifica degli altri rimando al sito www.robot-italy.com o altre numerose risorse presenti in Rete. Questi servi vengono forniti con un asse aggiuntivo compatibile con i servi Futaba, dovremo utilizzare questo per la compatibilita’ con le ruote, inoltre, dal momento che dobbiamo aprire il servo, ho provveduto ad installare 3 condensatori per ridurre le interferenze con il circuito, sebbene da un lato i BEAM siano poco sensibili a queste interferenze, dall’altro e’ comunque buona cosa filtrare il piu’ possibile i motori, non si sa mai quali saranno le future espansioni di questo Robot. Sono sufficienti dei piccoli condensatori ceramici o multistrato nel range da 0.01uF a 0.1uF, quelli piccoli vanno messi tra un polo del motore e lo chassis e quello eventualmente piu’ grande direttamente in parallelo col motore.
Procediamo quindi allo smontaggio del servo.




FIGURA 14: Ecco il servo SBGM4 della Solarbotics con l’asse/ingranaggio di riserva fornito in dotazione




FIGURA 15: Il servo smontato.

L’asse aggiuntivo deve essere opportunamente modificato per la rotazione continua, va pertanto rimossa l’aletta che blocca il movimento. Potete usare delle tronchesine o un taglierino, mi raccomando di pulire perfettamente l’asse dai residui dell’aletta altrimenti il servo non fara’ la rotazione completa, provare a farlo girare prima di richiuderlo.





FIGURA 16: L’operazione di taglio dell’aletta di blocco della rotazione.




FIGURA 17: Installazione dei 3 condensatori per ridurre le interferenze generate dalle spazzole del motore.

Terminate queste operazioni potete richiudere i servi e passare all’installazione sul Robot. Installate i servi, facendo attenzione al verso: i fili vanno verso la parte posteriore, serrate bene le fascette ed i servi saranno perfettamente saldi al telaio.




FIGURA 18: Fissaggio dei servi tramite le 4 fascette di nylon.

Una volta fissati i servi potete fissare, senza ulteriore indugio, la benna, utilizzando sempre le fascette di nylon, ancorate alle colonnine anteriori. Un sistema rapido e pulito che consente lo smontaggio della benna in qualsiasi momento ed in pochi secondi. Serrate bene le fascette facendo attenzione che la benna sia posizionata all’interno degli appositi alloggi.




FIGURA 19: Fissaggio della benna al telaio tramite 2 fascette di nylon.

Possiamo passare al fissaggio dei sensori del bordo QRB1134, utilizzate delle grandi rondelle nella parte esterna per ancorarvi alla grande scanalatura. La particolare forma dei sensori ne permette la regolazione in senso verticale, la scanalatura sulla benna, in senso orizzontale; in questo modo potete regolare accuratamente in tutte le direzioni i sensori. Tenete presente che la distanza ottimale di rilevamento, specificata dal costruttore, e’ di 5 mm.




FIGURA 20: Installazione dei sensori del bordo, QRB1134.

E’ il momento di fissare il pacco batteria. Applicare una banda di biadesivo sul corpo della batteria. Consiglio vivamente di usare biadesivo di ottima qualita’, possibilmente di marca 3M, e’ un po’ costoso ma e’ nettamente superiore a qualsiasi altro.




FIGURA 21: Applicare il biadesivo sul pacco batteria.

Fissare il pacco batteria sotto al Robot avendo cura di posizionarlo il piu’ avanti possibile, sia per questioni di baricentro (il peso deve essere piu’ avanti ed in basso possibile per migliorare la trazione) sia per consentire la futura installazione di un secondo pacco batteria. Installare momentaneamente le ruote per controllare che il pacco batteria permetta comunque alle ruote una buona trazione.




FIGURA 22: Fissaggio del pacco batteria sotto al Robot




FIGURA 23: Controllare che l’altezza del pacco batteria consenta una buona trazione alle ruote.

Per poter spegnere il Robot avremo bisogno di un interruttore, ho pensato di inserirlo dietro alla ruota destra, e’ un posto che altrimenti rimarrebbe inutilizzato. Praticare un foro da circa 5mm (dipende dal tipo di interruttore) e serrare l’interruttore con l’apposito dado fornito.




FIGURA 24: Installazione e fissaggio dell’interruttore.

Con la meccanica abbiamo momentaneamente terminato, mettetela al sicuro da qualche parte, dopo ci servira’. Dobbiamo costruire la parte elettronica per completare il nostro SumoBot.

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