Budowa robota TWIN-CATT

Transkrypt

1 2/7 Budowa robota TWIN-CATT Poniższy artykuł opisuję 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. Łukasz Przystalski lukasz@przystalski.pl

2 Spis treści 1. Wstęp Budowa podstawy robota Budowa układu napędowego Obudowa robota Złożenie całościowe Podsumowanie Ł u k a s z P r z y s t a l s k i w w w. p r z y s t a l s k i. p l l u k a s p r z y s t a l s k i. p l Strona 2

3 1. Wstęp Po etapie projektowania modelu robota należy sukcesywnie przejśd 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 uzyskad zamierzony efekt koocowy. Wszystkim przyszłym konstruktorom radzę, aby nigdy nie tracid sensu w to co robimy, ponieważ każda praca nawet ta najdrobniejsza przybliża do kooca prac. 2. Budowa podstawy robota Początek był trudniejszy niż się spodziewano. Okazało się, że założony w projekcie teownik o wymiarach 100 mm x 50 mm i grubości 5 mm nie jest dostępny w hurtowniach metali kolorowych. Jest to element zamawiany na specjalnie życzenie klienta, łatwo zrozumied, 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. Rys.1 Górny kątownik wchodzący w skład modelowego układu teownika Widoczne są odpowiednio przygotowane otwory pod montaż: układu napędowego, śrub utrzymujących napinacze oraz rolki, silnika a także otwory związane z połączeniem obu kątowników. Ł u k a s z P r z y s t a l s k i w w w. p r z y s t a l s k i. p l l u k a s p r z y s t a l s k i. p l Strona 3

4 Rys.2 Dolny kątownik wchodzący w skład teownika Kątowniki posiadają długośd 50 cm, ucięte są pod kątem 45 stopni tak, aby utworzyd odpowiedni kąt natarcia. Termin chod związany z lotnictwem został użyty celowo. W przypadku pojazdu gąsienicowego, ważna jest wartośd 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. Rys.3 Podstawa robota wykonana w całości z aluminium Ł u k a s z P r z y s t a l s k i w w w. p r z y s t a l s k i. p l l u k a s p r z y s t a l s k i. p l Strona 4

5 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 20 mm x 10 mm x 2 mm i długości 25 cm, utrzymują pod kątem 90 stopni oba teowniki. Znajdują się na początku i na koocu płyty podłogowej, tworząc ograniczenie jej powierzchni. Zastosowano je również w celu montażu do nich elementów obudowy robota. Dwa dodatkowe płaskowniki o wymiarach 20 mm x 4 mm i długości 25 cm wzmacniają konstrukcję robota, chronią przed nadmiernym odginaniem. Całośd podstawy waży około 1,2 kg. Pierwsze próby złożenia podstawy wraz z układem napędowym przedstawiono na rysunku 4. Koocowo w podstawie znajduje się ocynkowana płyta w grubości 4 mm, na której mocowane są wszelkie prowadnice układów elektronicznych, akumulatory. Rys.4 Podstawa robota wraz z jednostronnie złożonym układem napędowym 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 100 WAT. 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 obrotowoimpulsowego model RE-20. Wykres charakterystyki zastosowanego silnika przedstawiono na rysunku 5. Ł u k a s z P r z y s t a l s k i w w w. p r z y s t a l s k i. p l l u k a s p r z y s t a l s k i. p l Strona 5

6 Rys.5 Charakterystyka wybranego silnika 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. Ł u k a s z P r z y s t a l s k i w w w. p r z y s t a l s k i. p l l u k a s p r z y s t a l s k i. p l Strona 6

7 Rys.6 Wygląd zastosowanego silnika 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. Ł u k a s z P r z y s t a l s k i w w w. p r z y s t a l s k i. p l l u k a s p r z y s t a l s k i. p l Strona 7

8 Rys.7 Wygląd gotowego silnika z zastosowanymi kołami zębatymi 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 zostad połączone przylegle. Nagwintowanie otworów pozwoliło na ich połączenie. Całośd utrzymywana jest na wałku przy pomocy śruby. Następnie rozpoczęto proces składania w całośd układu gąsienicowego. Wygląd całego układu przedstawiono na rysunku 8. Ł u k a s z P r z y s t a l s k i w w w. p r z y s t a l s k i. p l l u k a s p r z y s t a l s k i. p l Strona 8

9 Rys.8 Wygląd pojedynczego układu napędowego 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 4 mm, kątowniki aluminiowe 20 x 20 x 2 mm, 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. Ł u k a s z P r z y s t a l s k i w w w. p r z y s t a l s k i. p l l u k a s p r z y s t a l s k i. p l Strona 9

10 Efektem tego cała masa położona na obudowę nie opiera się na cienkich kątownikach, lecz bocznych połaciach. Do budowy wykorzystano nitonakrętki oraz śruby M4, aby zapewnid pewnośd połączeo. Rys.9 Widok elementów tworzących trójkątne wypustki 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. Ł u k a s z P r z y s t a l s k i w w w. p r z y s t a l s k i. p l l u k a s p r z y s t a l s k i. p l Strona 10

11 Rys.10 Przedstawienie sposobu mocowania pojedynczego trójkąta 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. Całośd zamyka górna prostokątna pokrywa robota, przymocowana 8 śrubami do kątowników. Wygląd gotowego robota przedstawiono na rysunku 11. Ł u k a s z P r z y s t a l s k i w w w. p r z y s t a l s k i. p l l u k a s p r z y s t a l s k i. p l Strona 11

12 Rys.11 Wygląd gotowego robota, widoczna obudowa, kamera oraz antena Wifi 6. Podsumowanie Budowa robota mobilnego to etap pracochłonny i złożony. Podczas budowy przestrzegano wielu założeo. 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 90 [kg]. 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, Ł u k a s z P r z y s t a l s k i w w w. p r z y s t a l s k i. p l l u k a s p r z y s t a l s k i. p l Strona 12

13 związane z solidności konstrukcji obudowy. Porównanie modelu z układem rzeczywistym przedstawiono na rysunku 12. Rys.12 Porównanie modelu robota z wykonaniem rzeczywistym Widocznym jest spełnienie założeo modelu robota. Właściwy etap budowy trwał około 7 miesięcy. Ł u k a s z P r z y s t a l s k i w w w. p r z y s t a l s k i. p l l u k a s p r z y s t a l s k i. p l Strona 13