Projekty robotów: Budowa robota mobilnego TWIN-CATT / cz.2 z 7

Łukasz Przystalski
www.przystalski.pl

Artykuł jest drugim z serii siedmiu opracowań dotyczących projektu robota, które ukażą się w portalu Robotyka.com – jako wynik współpracy z Łukaszem Przystalskim, autorem projektu robota TWIN-CATT.

Poniższy artykuł opisuje skomplikowany etap budowy robota mobilnego TWIN-CATT. Koncepcja oraz model trójwymiarowy został przedstawiony w poprzednim artykule. Etap budowy dotyczy nie tylko złożenia całości mechanicznej, ale także rozwiązania problemu sposobu łączenia ze sobą elementów. Ciekawym zagadnieniem jest sposób rozwiązania układu napędowego robota.

Spis treści:

1. Wstęp
2. Budowa podstawy robota
3. Budowa układu napędowego
4. Obudowa robota
5. Złożenie całościowe
6. Podsumowanie

1. Wstęp

Po etapie projektowania modelu robota należy sukcesywnie przejść do etapu wykonania go w rzeczywistości. Model pomógł w eliminacji podstawowych błędów takich jak nachodzących na siebie obiektów. W procesie projektowania te sprawy wychodzą na jaw dopiero w połączeniu wielu elementów całościowo. Posiadając teoretycznie prawidłowe plany budowy, nastąpił moment zakupu kształtowników aluminiowych oraz ich przekształcenie. Proces składania całościowego był procesem długim oraz kosztownym. Często pojawiały się obawy czy uda się uzyskać zamierzony efekt końcowy. Wszystkim przyszłym konstruktorom radzę, aby nigdy nie tracić sensu w to co robimy, ponieważ każda praca – nawet ta najdrobniejsza przybliża do końca prac.

2. Budowa podstawy robota

Początek był trudniejszy niż się spodziewano. Okazało się, że założony w projekcie teownik o wymiarach 100mm x 50mm i grubości 5mm nie jest dostępny w hurtowniach metali kolorowych. Jest to element zamawiany na specjalnie życzenie klienta, łatwo zrozumieć, że to życzenie jest równe odpowiedniej cenie tego kształtownika. Rozwiązaniem problemu była pewna ugoda. Do budowy teownika użyto dwóch kątowników o wymiarach 50 mm x 50 mm i grubości 3 mm, które połączono ze sobą jedną stroną. Wygląd górnego kątownika przedstawiono na rysunku 1. Wygląd drugiego kątownika przedstawiono na rysunku 2.

Widoczne są odpowiednio przygotowane otwory pod montaż: układu napędowego, śrub utrzymujących napinacze oraz rolki, silnika a także otwory związane z połączeniem obu kątowników.

Kątowniki posiadają długość 50 cm, ucięte są pod kątem 45 stopni tak, aby utworzyć odpowiedni kąt natarcia. Termin choć związany z lotnictwem został użyty celowo. W przypadku pojazdu gąsienicowego, ważna jest wartość kąta pomiędzy powierzchnią ziemi, a płaszczyzną gąsienicy na jej początku. Od tego kąta zależy jak układ radzi sobie z pokonywaniem przeszkód. Biorąc pod uwagę zastosowany pasek zębaty, wybrano kąt 45 stopni jako optymalny. Złożenie podstawy robota przedstawiono na rysunku 3.

Podstawa robota – konstrukcja nośna złożona jest z dwóch "teowników". Połączone są ze sobą przy pomocy śrub M6. Zastosowano podkładki sprężyste – wachlarzowo uzębione w celu zapobiegnięcia rozkręcaniu się śrub podczas jazdy robota. Dwa kątowniki o wymiarze 20mm x 10mm x 2mm i długości 25cm, utrzymują pod kątem 90 stopni oba teowniki. Znajdują się na początku i na końcu płyty podłogowej, tworząc ograniczenie jej powierzchni. Zastosowano je również w celu montażu do nich elementów obudowy robota. Dwa dodatkowe płaskowniki o wymiarach 20mm x 4 mm i długości 25cm wzmacniają konstrukcję robota, chronią przed nadmiernym odginaniem. Całość podstawy waży około 1,2kg. Pierwsze próby złożenia podstawy wraz z układem napędowym przedstawiono na rysunku 4. Końcowo w podstawie znajduje się ocynkowana płyta w grubości 4mm, na której mocowane są wszelkie prowadnice układów elektronicznych, akumulatory.

3. Budowa układu napędowego

Głównym elementem układu napędowego jest silnik prądu stałego z magnesami trwałymi. Z powodu dostępności użyto silnika marki DunkerMotoren GR63X55 o mocy 100W. Silnik posiada budowę modułową, posiada wyprowadzony wał z frontu gdzie zamocowano przekładnię ślimakową 1:10 . Na tylnim wyprowadzeniu wału zamocowano tarczę wchodzącą w skład przetwornika obrotowo-impulsowego model RE-20. Wykres charakterystyki zastosowanego silnika przedstawiono na rysunku 5.

Wybrany silnika posiada moment znamionowy równy 27 Ncm przy prędkości obrotowej równej 3450 obrotów na minutę. Pobierany prąd w trybie pracy znamionowej – z założonym obciążeniem wynosi 3 A. Waga jednego silnika wynosi 1700 gramów, wszystkie podane parametry odnoszą się do temperatury silnika równej 20 stopni Celsjusza. Wygląd silnika przedstawiono na rysunku 6.

Na wyjściowym wale przekładni zastosowana dodatkowy wałek. Umożliwia on montaż kół zębatych służących do napędzania pasków wchodzących w skład układu gąsienicowego. Projekt wałka został przedstawiony w artykule pierwszym. Na wałku zastosowano dodatkowe wkręcane śruby w kierunku średnicy wałka. Pozwalają na zaklinowanie wałków względem siebie. Silnik z zamocowanymi koła zębatymi przedstawiono na rysunku 7.

Użyte koła zębate pochodzą z układu rozrządu stosowanego w samochodach osobowym. Precyzując pochodzą z rozrządu silników Diesla stosowanych w autach: Audi 80, VW Golf 2, VW Passat. Koła zostały odpowiednio podtoczone tak aby mogły zostać połączone przylegle. Nagwintowanie otworów pozwoliło na ich połączenie. Całość utrzymywana jest na wałku przy pomocy śruby.

Następnie rozpoczęto proces składania w całość układu gąsienicowego. Wygląd całego układu przedstawiono na rysunku 8.

Właściwy układ napędowy składa się z opisanego silnika wraz z kołami zębatymi, pięcioma rolkami wykonanymi z poliamidu oraz czterema napinaczami również zaczerpniętymi z układu rozrządu samochodowego. Widoczne są także trójkątne elementy utrzymujące śruby w odpowiednim położeniu, zapobiegając wykrzywianiu się.

4. Obudowa robota

Podstawą obudowy jest prostopadłościenny "pojemnik" zawierający wszelką elektronikę, akumulatory, router WiFi, przewody i silniki. Zaprojektowano dodatkowe trójkątne elementy o szerokości 7 cm, które nadały bardziej skomplikowanego kształtu, oraz częściowo chronią robota przed uderzeniami w przeszkodę pionową. Jednocześnie nie przeszkadzają w pokonywaniu przeszkód przez gąsienicowy układ napędowy. Dodatkowo utworzyły specjalne gniazdo, do montażu kamer.

Konstrukcję obudowy oparto tylko o 4 rodzaje elementów. Blachę aluminiową o grubości 4mm, kątowniki aluminiowe 20x20x2mm, nitonakrętki M4 o kołnierzu redukowanym typu RH-A, oraz śruby z gniazdem sześciokątnym M4 z łbem stożkowym. Kątowniki wybrano celowo o mniejszej grubości, ponieważ konstrukcja utrzymującą w prawidłowej pozycji połacie obudowy nie stanowi konstrukcji nośnej. Blacha aluminiowa o grubości 4 mm stanowi solidną obudowę. Wygląd wyciętych elementów tworzących trójkątne elementy obudowy przedstawiono na rysunku 9. Zastosowano układanie blachy na zakładkę, oraz mocowanie bocznych elementów obudowy do podstawy robota. Efektem tego cała masa położona na obudowę nie opiera się na cienkich kątownikach, lecz bocznych połaciach. Do budowy wykorzystano nitonakrętki oraz śruby M4, aby zapewnić pewność połączeń.

Na obudowę składa się: 45 elementów aluminiowych, w składzie 17 elementów wykonanych z blachy oraz 28 elementów wykonanych z kątownika. Liczba wykorzystanych nitonakrętek równa liczbie śrub wynosi 53. Wykonanie pojedynczego trójkątnego segmentu przedstawiono na rysunku 10.

5. Złożenie całościowe

Po wycięciu i odpowiednim spasowaniu elementów rozpoczęto montowanie krok po kroku elementów obudowy. Zaczęto od wystających trójkątnych elementów ochronnych. Następnie zamontowano czołowe płyty, do których mocowane są kamery. Następnie przygotowano boczne elementu obudowy o niestandardowym wyglądzie. Spowodowane jest to, wchodzącymi w skład układu napędowego szpilkami utrzymującymi napinacze, oraz miejscem zamocowania głównego wałka napędzającego koła zębate. Całość zamyka górna prostokątna pokrywa robota, przymocowana 8 śrubami do kątowników. Wygląd gotowego robota przedstawiono na rysunku 11.

6. Podsumowanie

Budowa robota mobilnego to etap pracochłonny i złożony. Podczas budowy przestrzegano wielu założeń. Dbano o wykorzystanie materiałów lekkich, szczególnie stopów aluminium. Opracowany model pozwolił na rozpoczęcie procesu realizacja kolejnych komponentów wchodzących w skład robota. Proces wykonawczy rozpoczęto od zbudowania podstawy robota. Podstawa pozwalała na zamocowanie silników wchodzących w skład układu napędowego. Następnie skupiono uwagę na przełożenie napędu, toczenie wałków, dobór średnic szpil utrzymujących rolki oraz napinacze. Zastosowano dodatkowe wsporniki na planie trójkąta wzmacniające konstrukcję układu napędowego, chroniąc go przed uginaniem.

Ostatnią fazą realizacji mechanicznej była budowa obudowy robota, chroniąca przed warunkami atmosferycznymi oraz uderzeniami delikatne układy elektroniczne.

Pierwsze testy potwierdziły założenia projektowe. Na robota postawiono człowieka o masie 90kg. Obudowa nie uległa uszkodzeniu. Następnie rozpędzono robota do połowy prędkości maksymalnej i uderzono w pionową betonową ścianę. Robot wyszedł z próby bez szwanku. Podczas inspekcji podwozi samochodów terenowych, mimo iż kilkukrotnie zahaczono o najniższe elementy podwozia, obudowa nie uległa uszkodzeniu, elementy mocujące nie uległy ścięciu. Potwierdza to założenia, związane z solidnością konstrukcji obudowy. Porównanie modelu z układem rzeczywistym przedstawiono na rysunku 12.

Widocznym jest spełnienie założeń modelu robota. Właściwy etap budowy trwał około 7 miesięcy.

Łukasz Przystalski
tel. 517-19-20-90
lukasz@przystalski.pl
www.przystalski.pl
gg: 1248364

Źródło: Copyright by Łukasz Przystalski. Kopiowanie treści tylko za formalną zgodą autora.