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»: 40x50 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 5см на 5м).

Фото с первых тестов

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 3м 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 5x5м 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 

Мы, робот и Грант Гастин

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.