Construa um robô mini sumo: preensão, cunha e detecção de borda

O que você está construindo

Dois robôs, um anel e nenhum sensor apontado para alguma coisa além do outro e do piso. O que ainda estiver dentro no final vence.

É o objetivo mais simples deste site, mas não é o projeto fácil que parece, porque o sumo é o único robô em que a mecânica decide o resultado e o código só precisa não destruí-la. Todas as outras construções aqui recompensam algoritmos melhores. Esta recompensa uma cunha mais afiada.

Essa inversão vale experimentar uma vez. É também por isso que a ordem de construção abaixo passa o primeiro dia em aritmética e o último em comportamento, o contrário de como a maioria das pessoas começa.

Os três números que decidem tudo

A força de empurrão é 5,9 N, e seus motores poderiam fazer 25 N. Um robô de 500 g com pneus de silicone tem tração limitada por um fator de quatro. A tração não é a restrição e nunca será; portanto, construa até o limite de peso, coloque cada grama sobre as rodas motrizes e destine a capacidade dos motores à relação de transmissão, não à potência.

Uma cunha que levanta 40% do oponente dá 2,3× o empurrão dele. O peso que ela tira dele fica em você, então a razão é (1+f)/(1−f) e cresce muito. Nenhuma outra mudança isolada chega perto.

Você pode rodar a cerca de 0,8 m/s. Não porque os motores acabem, mas porque 25 mm de borda mais 25 ms de latência são todo o espaço de parada que existe. A maioria dos primeiros robôs tem uma relação de transmissão que produz o dobro dessa velocidade e perde para a borda, não para o oponente.

Essas três frases são todo o projeto. Tudo abaixo explica como chegar a elas.

Lista de materiais

O mini sumo tem uma classe formal: área de 10 × 10 cm no início, máximo de 500 g, em um anel de 77 cm com borda branca de 2,5 cm. As regras definem a lista de peças.

Total: aproximadamente US$ 65–90.

Há duas observações que decidem lutas, e não apenas fazem o robô funcionar.

A massa fica sobre as rodas motrizes, até o limite. Força de empurrão é atrito, e atrito é o coeficiente vezes a carga normal. Cada grama que não está sobre um pneu motriz é desperdício, e por isso robôs de sumo chegam a exatamente 500 g e colocam quase toda essa massa em duas rodas.

Os pneus importam mais do que os motores. Um robô que atingiu seu limite de tração não ganha nada com mais torque — as rodas simplesmente giram. Passar de plástico rígido (µ ≈ 0,4) para silicone (µ ≈ 1,2 ou mais) quase triplica a força de empurrão disponível por cinco dólares, algo que nenhuma melhoria de motor iguala.

Ordem de construção

1 — Decida primeiro a massa e os pneus. Eles definem sua força de empurrão antes de existir uma única linha de código. Mire no limite de 500 g, com a massa baixa e sobre as rodas motrizes; use pneus de silicone ou uretano macio, não os que vieram com o kit do chassi. µ 1,2 contra µ 0,7 oferece 72% mais empurrão e custa o preço de um conjunto de rodas.

2 — Escolha a relação de transmissão para obter torque e verifique a corrente de travamento. O sumo vive na extremidade de torque da curva do motor, em torno de 0,8 m/s na roda, e não nos 1,5 que um kit de chassi pressupõe. Depois calcule quanto dois motores consomem quando estão travados — cerca de 3 A — e planeje a bateria para isso, não para a corrente de cruzeiro. Uma luta inteira é um travamento sustentado.

3 — Faça-o parar na borda, sozinho no anel. Este é o marco. Monte sensores de refletância nos dois cantos da frente, tão à frente quanto possível enquanto ainda virem a linha branca, calibrados para o anel real em vez da sua mesa. Dirija em velocidade máxima contra a borda, cinquenta vezes, de todos os ângulos. Até isso ser perfeitamente confiável e repetível, não há motivo para adicionar um oponente — um robô que se expulsa sozinho perde sem nunca ser empurrado.

4 — Leia os sensores de borda a cada passagem do laço. Quatro quintos da sua distância de reação estão esperando a próxima iteração do laço, e uma única leitura de distância bloqueante representa 20 ms de cegueira exatamente no momento errado. Tempo não bloqueante é o aumento de velocidade mais barato disponível.

5 — Adicione detecção do oponente. Um VL53L0X à frente e, opcionalmente, mais dois inclinados para fora a 45°. O feixe estreito importa: um sensor ultrassônico em um anel encontra principalmente o anel.

6 — Escreva o comportamento como estados explícitos. Procurar, avançar, empurrar, recuar, com o reflexo de borda tendo prioridade sobre todos. Este é um exemplo típico para uma máquina de estados finita, porque a verificação da borda precisa rodar em todos os estados e não pode existir nenhum caminho no código em que ela não rode.

7 — Construa a cunha por último e itere nela para sempre. É a parte com maior impacto e a mais fácil de mudar.

O comportamento, em um parágrafo

Comece com uma espera obrigatória — a maioria dos conjuntos de regras exige cinco segundos. Depois, procure: gire no lugar ou faça um pequeno arco até que o sensor frontal informe algo a cerca de 40 cm. Avance com tudo diretamente contra o oponente, com potência máxima. Empurre até que a distância abra (o oponente se moveu) ou você detecte a borda. Recue em qualquer detecção de borda: primeiro, use a marcha à ré no máximo; depois, pare e vire de volta para o centro do anel. Recuar tem prioridade sobre tudo, de qualquer estado, a qualquer momento.

A parte sutil é que empurrar e estar preso parecem idênticos pelo sensor frontal. Se você tiver encoders, velocidade de roda zero com comando na máxima significa travamento; esse é o sinal para recuar e abordar de outro ângulo, em vez de raspar até a bateria acabar.

Observações dos componentes que importam

A ponta da cunha decide as lutas. Chapa fina de aço ou alumínio, desgastada até formar uma aresta e mantida a uma fração de milímetro do piso por algo rígido. Em uma montagem flexível, ela sobe por cima do oponente em vez de passar por baixo, o que inverte o sinal de todo o cálculo de transferência de peso.

Mantenha a frente baixa. A cunha do oponente aplica uma força para cima na sua borda dianteira, e o quanto ela levanta você depende da altura do seu centro de massa acima dela. Robôs altos são virados por robôs que não conseguiriam empurrá-los com mais força.

Não use rodízio se puder evitar. Massa sobre uma roda que rola livre não produz tração. Duas rodas motrizes e um patim de baixo atrito — um botão de PTFE ou a cabeça arredondada de um parafuso — colocam quase toda a massa trabalhando.

Proteja a fiação. Este é o único robô do site que é deliberadamente usado para bater. Tudo o que fica na parte externa leva pancada; tudo o que fica em um conector se solta.

Redutores metálicos. Conjuntos de engrenagens de plástico perdem os dentes em um robô cuja condição normal de operação é o travamento, e um redutor danificado no meio de uma luta é indistinguível de uma bateria morta.

Como fica um bom resultado

O tempo de reação da borda é o número que ganha ou perde lutas, e ele tem um efeito maior do que a força de empurrão. A borda branca do anel tem 2,5 cm de largura. Um robô que viaja a 0,5 m/s cruza essa borda em 50 ms — então uma reação de 100 ms significa que o robô já está fora antes de terminar de decidir que deve parar.

Esse orçamento se divide em tempo de leitura do sensor, período do laço e distância de frenagem. Os três podem ser atacados: consulte os sensores de borda muito mais vezes do que tudo o mais, mantenha o laço de controle apertado e freie em vez de rolar livremente — colocar o motor em curto através da ponte H faz o robô parar muito mais rápido do que apenas remover a alimentação.

Vale expressar o limite de tração como aritmética. Com 500 g em duas rodas motrizes e pneus de silicone com µ = 1,4:

força máxima de empurrão = 0.5 kg x 9.81 x 1.4 = 6.9 N

Além disso, as rodas giram independentemente do torque do motor — e é por isso que um robô de sumo é um problema de tração vestindo a roupa de um problema de motor.

Quando algo dá errado

Seis dessas oito situações são falhas mecânicas ou de detecção, a mesma distribuição que o micromouse mostra e pelo mesmo motivo: o algoritmo é a parte pequena.

Se quiser a geometria de detecção e parada sem a disputa de braços mecânicos, o simulador de desvio de obstáculos executa a mesma aritmética de distância de parada com um sensor frontal, e o robô com desvio de obstáculos é a construção mais simples que compartilha a maior parte destes componentes. Para a teoria da tração por baixo de tudo, o caminho de controle de motores começa no dimensionamento e termina na odometria.