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在你一直在寻找的机器人内部:拆卸Sphero BB-8玩具

通过李Teschler|2015年12月21日

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李兰特斯克勒
执行编辑

BB-8

我们还做了一段关于拆除的视频,点击这里。

你可以说至少有一件事关于最近发布的电影,星球大战:力量唤醒.它激发了一个非常酷的玩具BB-8的灵感,BB-8是以同名电影中的一个机器人命名的。BB-8是由Sphero公司制造的。它的设计与该公司生产的另外两款玩具Sphero和Sphero 2很相似。最明显的区别是在BB-8滚动时漂浮在其顶部的可移动头部。

玩具的力学坐在相对较厚的(八分之一英寸)的聚碳酸酯球体中,我们用桌子锯攻击。内部,主要结构是透明的塑料框架,可容纳电路板,两个电动机和两个锂电池,充电线圈和坐在框架上的塑料桅杆。塑料桅杆拿着几个吸引BB-8的头部的磁铁,让它保持在玩具卷中。桅杆是弹簧加载的单独件,以保持其压在球体的内表面上。

BB-8组装

BB-8框架的视图显示了包含两个磁铁的桅杆,使机器人的顶部保持在位。

由于塑料框架底部的一对小型直流刷电机,玩具能够根据命令滚动。它们就在无线充电线圈的上方,当BB-8放在充电底座上时,无线充电线圈可以让BB-8充电。

汽车来自中国公司,称为标准电机。他们没什么特别的。它们是称为130系列的东西,是一种广泛用于玩具的类型。在BB-8中使用的特定电动机具有碳刷和比某种类型的130个电动机更强大的磁铁,也许是玩具具有足够的扭矩,以使其自身旋转的额外负荷滚动。

应用程序屏幕

BB-8智能手机应用程序可以显示Droid,倾斜和行驶的距离的路径等。

每个电机驱动位于球体内表面的塑料轮。驱动机构由两个档位组成,两个齿轮在较小的电动机齿轮和车轮上更大的齿轮之间的比率约为4.3:1。因此,从动轮的速度通过相同的比率减小,而其扭矩同样增加。

BB-8由智能手机应用程序控制。操作人员使用虚拟操纵杆,在玩具电路板上闪烁的led灯告诉BB-8哪个方向是“前进”后,将BB-8发送到选定的方向。BB-8应用程序还有一个“巡逻”模式,在这个模式下,它会四处游荡,直到遇到障碍物,同时还会传回它的位置,奇怪的是,它的内部温度也会传回来。当它在巡逻模式中碰到什么东西时,玩具对自己的处境有足够的了解,可以稍微后退,并尝试稍微不同的方向。

mag编码器

一个130系列电机的视图显示了其磁编码器和其中一个齿轮。霍尔效应传感器驻留在编码器后面的电路板上,并且不可见。

这种控制运动的秘密始于伺服控制电机。两个电机都是伺服控制的提示是在电机轴上可见的小轮子。这些显然是磁编码器车轮包含交替磁区域。交流磁信号被一对霍尔效应传感器拾取,在电机轴上的一块小电路板上可见。

大厅传感器的反馈可能形成某种速度或位置循环。没有办法知道其速度或位置是否反馈,即BB-8使用,但我们认为速度读数可能足以让机器人执行的运动类型。

速度环

简单速度回路的原理。

通过速度反馈,处理器告诉电机在给定方向上以一定的速度旋转;编码器反馈电机的真实速度,通过简单地计算经过霍尔传感器的磁场面积来测量。那么指令速度和真实速度之间的差就是驱动电机的错误信号。同样,编码器反馈可以作为BB-8位置的测量,只需让处理器计数来自霍尔传感器的脉冲。

从编码器的反馈可以告诉BB-8何时碰到某些东西以及移动的快速。在巡逻模式下,BB-8击中墙壁。当BB-8撞到墙壁上时,电机在机器人不移动时,电机没有足够的扭矩旋转轮子。在这种情况下,处理器将发出速度命令,但是编码器信号或缺少它们,将显示机器人不会移动。处理器将使用该信息来反转至少一个电机并尝试远离障碍物。它将以类似的方式使用编码器反馈来尝试和找到远离障碍物的路径。

电路板上还有一个陀螺仪/加速度计传感器,可能会在让BB-8远离障碍方面发挥作用。在你用来运行BB-8的智能手机应用程序上,有一个模式可以读取机器人的加速度和路径。你们在这里看到的是陀螺仪/加速度计的输出它产生了一个响应加速度的输出或者它所在电路板的旋转。

电路板组件

PCB和分隔符

PCB和框架的顶部表面,在这里保持隔膜,它和锂电池之间。

陀螺仪是主电路板上的芯片之一,通过四个电连接器插入塑料框架。这块电路板安装在两块3.7 v、350毫安的锂电池上,这两块电池来自一家名为Full River的中国公司。电池上有一个薄的塑料盖,把它们和电路板分开。

董事会本身有两面的组成部分,但很难判断它是否超过两层。两个led和八个集成电路(包括陀螺传感器)位于顶部。

五个集成电路有识别标记,但不幸的是陀螺仪是其中一个没有。所以我们在猜测是谁制造的,是什么类型的。但一个16针SOIC上的标记与模拟设备公司(Analog Devices)制造的传感器上的一些标记相似,所以传感器可能是这些设备的某种变体。

带注释的电路板

PCB顶部表面的视图。

有趣的是,这款智能手机应用程序还能读取机器人体内的温度。这听起来有点奇怪:毕竟,为什么普通玩具用户会关心机器人的温度呢?但是温度传感器可能有一个合理的解释。为了提高陀螺仪的整体精度,对陀螺仪进行温度校准是一种常用的方法。可能温度传感器在那里的真正原因是为了防止陀螺仪输出随温度漂移。但是BB-8的设计者可能已经想到,既然他们无论如何都要在里面放一个温度探测器,为什么不在手机应用程序上读取它的输出呢?

所以我们的猜测是,温度传感器真正安装用于补偿目的,用于陀螺或其他一些组件。在另一种双用的情况下,传感器位于探头的末端,从电路板上伸出。我们的猜测是探头体作为蓝牙通信的天线加倍,回到智能手机。

这就引出了我们可以从标记中识别出的五个芯片。主处理器是ST Micro的ARM Cortex-M4。这是一个72-MHz的32位设备。还有一个512千比特的串行EEPROM也是由ST Micro制造的。华泰电池充电芯片负责对这两颗锂离子电池进行无线充电。还有一款来自CSR(现在是高通的一部分)的蓝牙智能芯片。智能蓝牙是一种低功耗版本的蓝牙,很多电池驱动的设备都开始使用它。还有一个来自联合技术公司的芯片保持着双运放。

充电线圈

在框架底部的充电线圈和两个锂电池的视图。驱动系的两个齿轮可以在电机轴和驱动轮上看到。

还剩两枚未确认的筹码。但是我们可以很好地猜测它们的作用是什么。板上有两个led,根据BB-8正在做什么发出蓝光或红光。因此,很可能其中一种神秘芯片在产生驱动led所需的恒流源方面发挥了作用。

为了弄清楚最后一块神秘芯片可能扮演的角色,我们需要知道ST Micro的BB-8处理器并不包含任何用于驱动电机或处理伺服回路的特殊电路。这让我们得出结论,最后一个神秘的芯片可能与驱动两个电机有关,关闭磁编码器周围的反馈回路,并在必要时逆转电机以使BB-8远离障碍物。

这样,董事会上又多了两个值得评论的组件。它们都是来自中国JKE的16 mhz和8 mhz晶体振荡器。16兆赫晶体似乎是为蓝牙智能芯片和可能的外部时钟为ARM处理器。

另一块水晶的作用有点神秘,至少对我们来说是这样。

最后,关于电路板本身的一个说明。两边都是白色,而不是传统的绿色。顶部的白色表面可能是为了更好地反射来自两个led的光。但PCB底部表面的白色原因是任何人的猜测。

《华盛顿邮报》在你一直在寻找的机器人内部:
撕裂了Sphero BB-8玩具
第一次出现在模拟集成电路提示.


提交:模拟集成电路提示那•专家见解


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