Projekty robotów: Pomysł oraz model 3D gąsienicowego robota mobilnego TWIN-CATT / cz.1 z 7

Łukasz Przystalski
www.przystalski.pl

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

Poniższy artykuł opisuje koncepcję budowy oraz zaprojektowanie modelu trójwymiarowego inspekcyjnego robota mobilnego o nazwie TWIN-CATT. Nazwa robota pochodzi od dwóch angielskich słów – TWIN (ang. bliźniak, podwójny) oraz CATERPILLAR – oznaczającego gąsienicę. Nazwa prawidłowo odzwierciedla wygląd robota. Model robota wykonano w oprogramowaniu Autodesk Inventor 2011.

Spis treści:
1. Wstęp
2. Założenia
3. Modele elementów składowych
a. Model silnika DunkerMotoren
b. Model napinacza
c. Model paska rozrządu
d. Model rolki
e. Teownik w podstawie
f. Koło zębate oraz wałek
4. Rozwiązanie układu napędowego
5. Model podstawy robota
6. Zamknięcie robota w obudowie
7. Podsumowanie

1. Wstęp
Pomysł budowy robota pojawił się już bardzo dawno. Na pewno wpłynęła na niego fascynacja robotyką mobilną oraz rozwój związany z wybranym kierunkiem studiów. Konkretny pomysł polegał na budowie inspekcyjnego robota mobilnego. Robot powinien posiadać odpowiednią wytrzymałość, prezencję oraz wskazywać na inżynierskie umiejętności budującego go zespołu. Pierwsze koncepcje powstały na papierze, lecz jak wiadomo – papier przyjmie wszystko. Rysunki weryfikowano, lecz był to proces utrudniony. Należało użyć oprogramowania, które pozwoliło by fizycznie zweryfikować poprawność konstrukcji oraz w sposób przejrzysty umożliwić wgląd osób trzecich, takich jak tokarz, mechanik. Zdecydowano się na użycie oprogramowania Autodesk Inventor 2011. Oprogramowanie to dostępne jest legalnie dla studentów uczelni technicznych w wersji edukacyjnej. Oferuje szerokie możliwości budowy modelu, jego analizy i opisu.

2. Założenia
Przed podjęciem jakichkolwiek prac projektowych a tym bardziej wykonawczych, należy sprecyzować zadania oraz wymogi stawiane robotowi.

Założono:
> wykorzystanie posiadanych napędów – silników prądu stałego marki Dunkermotoren,
> zastosowanie w układzie napędowych materiałów dostępnych na rynku wtórnym – w tym szczególnie elementów pochodzących z samochodów (napinacze),
> wykorzystanie gąsienicowego układu napędowego z powodu dużej pewności ruchowej,
> prześwit rozumiany jako wysokość płyty podłogowej od powierzchni terenu wynoszący w granicach 8-10 cm,
> waga robota powinna być mniejsza niż 50 kg,
> solidna budowa,
> odporność na uderzenia,
> instalacja układu wizyjnego,
> stosunek rozmiarów robota podobny do standardu rozmiarów kartek A4, A3,
> wysokość robota nie przekraczająca 25 cm,
> wykorzystanie do sterowania technologii bezprzewodowych,
> modułowość elektroniki, łatwa i szybka wymiana w razie awarii,

W procesie projektowania oraz wykonywania elementów powyższe założenia stanowiły myśl przewodnią.

3. Modele elementów składowych
a. Model silnika DunkerMotoren
Do budowy robota wykorzystano silnik prądu stałego TYP GR63X25 marki Dunkermotoren wraz z przekładnią ślimakową. Wykonany model podczas złożenia daje możliwość sprawdzenia czy silnik pasuje w zaprojektowane otwory mocujące. Model przedstawiono na rysunku 1 (grafika 1). Silnik składa się z części głównej, przekładni ślimakowej wraz z wałkiem wyjściowym, oraz przetwornikiem obrotowo-impulsowym zamieszczonym na tylnym wyprowadzeniu wałka wirnika.
b. Model napinacza
Napinacz ma za zadania usunięcia niedokładności wykonawczej, poprzez zmianę środka otworu mocującego. Jego model został jednak uproszczony do otworu na środku napinacza. Napinacz przedstawiono na rysunku 2 (grafika 1). Napinacz posiada zewnętrzne krawędzie brzegowe, pomagające ustawić pasek na odpowiednim torze.
c. Model paska rozrządu
W projekcie robota wykorzystano jednostronnie zębaty pasek pochodzący od rozrządu samochodów osobowych z silnikiem Diesla. Pasek ma szerokość 3 cm. W celach utworzenia jego modelu wykorzystano gotową bibliotekę elementów Content Center, którą posiada Autodesk Inventor 2011. Pozwoliło to zredukować czas, stracony na dokładny model. Pasek w odpowiednim wygięciu przedstawiono na rysunku 3 (grafika 2).
d. Model rolki
Rolka stanowi element podporowy na całej długości paska. Zaprojektowany model przedstawiono na rysunku 4 (grafika 2). Rolka posiada dodatkowy obustronny kołnierz, chroniący pasek przed ześlizgiwaniem się. Zaprojektowany model rolki został wykonany przed tokarza z materiału o handlowej nazwie poliamid.
e. Teownik w podstawie
Głównym elementem utrzymującym wszystkie części jest teownik. Przedstawiono go na rysunku 5 (grafika 3). Teownik wykonany jest z aluminium. Posiada wymiary 100x50x550 mm. W projekcie uwzględniono miejsce otworów mocujących. Widoczne są również otwory montażowe dla głównej podpory silnika czyli przekładni.
f. Koło zębate oraz wałek
Istotnym elementem z punktu widzenia przeniesienia napędu na pasek jest koło zębate. Wykorzystano części pochodzące z silnika samochodu osobowego, a dokładniej układu rozrządu. Model koła zaprezentowano na rysunku 6 (grafika 3). Koło zębate musiało również zostać zmodyfikowane przez tokarza. Ciekawym aspektem jest to, że wewnątrz koła znajduje się stożek o bardzo małym kącie nachylenia. Powoduje to, dobre pasowanie na zaprojektowanym wałku. W celu sprzęgnięcia wałka z kołem zaprojektowano dodatkowym wałek przedstawiony na rysunku 7 (grafika 4). Wałek stanowi połączenie pomiędzy kołem zębatym oraz wałkiem wychodzącym z przekładni ślimakowej silnika. Został wykonany przez tokarza.

4. Rozwiązanie układu napędowego
Model poszczególnych elementów składa się w większą całość, zwaną gąsienicowym układem napędowym. Rozwiązanie to przedstawiono na rysunku 8 (grafika 4). Układ napędowy składa się z jednego silnika połączonego przez przekładnię ślimakową oraz wałek sprzęgający z dwoma kołami zębatymi. Zdecydowano się na zastosowanie dwóch pasków, aby zwiększyć powierzchnię styku z podłożem oraz zwiększyć niezawodność układu. Układ czterech napinaczy dba o prawidłowe ustawienie pasków względem kół zębatych. Zastosowano pięć rolek w celu prawidłowego naprężenia paska, zadbanie o maksymalne przeniesienie mocy napędowej. Rolki w dolnej części zwiększają prześwit oraz zapewniają nie zawieszanie się konstrukcji na pokonywanych przeszkodach.

5. Model podstawy robota
Posiadając układ napędowy zaprojektowano płytę podłogową, a także kątowniki i płaskowniki wspólnie tworzące podstawę robota. Podstawa robota musi prawidłowo utrzymywać układy napędowe względem siebie. Na jej powierzchni mocowana będzie elektronika sterująca, akumulatory oraz późniejszy szkielet obudowy robota. Złożony układ przedstawiono na rysunku 9 (grafika 5). Podstawa składa się z dwóch układów napędowych, płyty podłogowej, kątowników oraz płaskowników znajdujących się pod spodem płyty podłogowej. Całość utrzymywana jest przez śruby M6.

6. Zamknięcie robota w obudowie
Szkielet obudowy robota został przedstawiony na rysunku 10 (grafika 5). Podstawowym wykorzystanym elementem jest kątownik o wymiarach 20×20 mm. Połączono go tak, aby tworzył konstrukcję, do której zostanie przymocowana blacha aluminiowa, tworząca właściwą obudowę robota. Gotowy projekt obudowy przedstawiono na rysunku 11 (grafika 6).

Wykonanie modelu umożliwiło weryfikację pierwszych założeń związanych z samymi rozmiarami robota. Poglądowe wymiary główne przedstawiono na rysunku 12 (grafika 6).

Robot ma wysokość 212 mm. Jego obudowa ma długość 630 mm, szerokość 450 mm. Widoczna na rysunku antena oraz kamery zainstalowano w celu dokładniejszej wizualizacji robota. Antena jest obrotowa, dlatego nie uwzględniono jej w wysokości robota.

7. Podsumowanie
Projekt oraz budowa robota mobilnego to złożony proces. Aby sprawdzić słuszność założeń oraz wyeliminować wady konstruktorskie, należy używać złożonych narzędzi wspomagających. W przypadku projektu inspekcyjnego robota mobilnego TWIN-CATT użyto oprogramowania Autodesk Inventor 2011. Sama firma Autodesk trafnie opisuje swój produkt. “Produkty CAD 3D Autodesk Inventor zawierają pełny i elastyczny zestaw oprogramowania do projektowania elementów mechanicznych 3D, symulowania produktów, tworzenia narzędzi i prezentacji projektów. Program Inventor rozszerza możliwości projektowania 3D o cyfrowe prototypowanie, umożliwiając tworzenie dokładnego modelu trójwymiarowego, który ułatwia projektowanie, wizualizowanie i symulowanie produktów przed ich wykonaniem. Cyfrowe prototypowanie przy użyciu programu Inventor pomaga projektować lepsze produkty, zmniejszać koszty projektowe i szybciej wprowadzać produkty na rynek”.

Oto film przedstawiający model w pełnej okazałości:
[FILM]lWjirbIBj5I[/FILM]

W modelu robota przestrzegano wszystkich założeń projektowych, co pozwoliło na jego prawidłowe wykonanie. Nietypowe rozwiązanie układu napędowego spowodowane było chęcią zastosowania posiadanych elementów składowych. Stanowi to kompromis ekonomiczny. Należy zdać sobie sprawę z tego, iż koszt paska dwustronnie zębatego jest sześciokrotnie większy od zastosowanego jednostronnie zębatego. Model stanowi bazę do wykonania rzeczywistego prototypu robota. Proces ten opisano w artykule drugim z przedstawianej serii. Zapraszam do dalszego śledzenia etapu projektu i budowy inspekcyjnego robota mobilnego.

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.