Dokumentacja. Model trójwymiarowy robota Robuter w programie AutoDesk Inventor

Transkrypt

1 Projekt Projekt zespołowy Dokumentacja Model trójwymiarowy robota Robuter w programie AutoDesk Inventor Prowadzący: Dr inż. Krzysztof Arent Wojciech Domski Rafał Jaworski Michalina Kotyla Damian Kowalski Jakub Polański Dawid Rolla Radosław Tomaszewski Damian Trzeciak maja 2012

2 Spis treści 1 Wstęp 2 2 Układ napędowy Koła Wykaz elementów Zdjęcia elementów Silnik elektryczny i jego części Wykaz elementów Zdjęcia elementów Łoże mocowania silników Wykaz elementów Zdjęcia elementów Gotowy zespół silnika Panel górny Złącza Płyta montażowa Rama Koła Samonastawne Panel czołowy 14 6 Panel tylny 16 7 Panel czołowy - dolna cześć Opis elementów Moduł podzespołów elektronicznych Wykaz elementów Elementy mechaniczne Elektronika Zasilanie Wózki akumulatorowe i akumulatory Ładowarka Panele boczne Sensory Podsumowanie 29 1

3 1 Wstęp Niniejsza dokumentacja w szczegółowy sposób opisuje trójwymiarowy model robota Robuter sporządzony w programie AutoDesk Inventor. Dokument został podzielony na sekcje opisujące poszczególne podzespoły robota mobilnego. Każda z sekcji zawiera opis działania poszczególnego podzespołu w robocie. 2 Układ napędowy 2.1 Koła Przedstawione na zdjęciach poniżej koła to jedyne elementy napędowe robota Robuter. Rozwiązanie sterowania robotem za pomocą pary ustawionych naprzeciwko siebie kół oraz pary kół samonastawnych świadczy o przynależności układu napędowego do klasy (2,0). Koła przytwierdzone są za pomocą 4 śrub do części napędzającej silnika elektrycznego Wykaz elementów 9a - Koło napędowe tylne Zdjęcia elementów Rysunek 1: Koło napędowe 2

4 2.2 Silnik elektryczny i jego części Rysunek 2: Koło napędowe - model 3D Silniki elektryczne to jedyne elementy realizujące zadanie lokomocji robota. Sterowanie różnicowe silnikami kół napędowych oraz obecność kół samonastawnych wpływa na możliwość wykonywania obrotów w miejscu i realizacji precyzyjnych trajektorii ruchu. Poszczególne elementy układu silnika spełniają swoje charakterystyczne zadania, jednakże najważniejszy pozostaje układ enkoderów, informujących o bieżącej pozycji i pozwalających na precyzyjne sterowanie robotem poprzez elektroniczne układy sterowania Wykaz elementów 9b - Silnik elektryczny 9c - Sprzęgło mechaniczne 9d - Sprzęgło elektryczne 9e - Enkoder Zdjęcia elementów Rysunek 3: Silnik elektryczny - miejsce montażu kół 3

5 Rysunek 4: Silnik elektryczny - rzut boczny Rysunek 5: Silnik elektryczny - widok od strony złącza enkoderów Rysunek 6: Silnik elektryczny - model 3D 4

6 2.3 Łoże mocowania silników Jest to ważny element konstrukcyjny układu sterowania robota. Zapewnia stabilne mocowanie silnika i jednocześnie pozwala na jego prosty demontaż np. w celach serwisowych. Łoże przytwierdzone jest do ramy głównej robota za pomocą śrub. Tak samo zamocowany jest silnik. Złącza znajdujące się na spodzie łoża pozwalają na połączenie układu sterowania znajdującego się w komputerze robota wraz z układem wykonawczym w postaci silnika Wykaz elementów 9f - Złącze enkoderów dla silnika 9g - Łoże mocowania silnika Zdjęcia elementów Rysunek 7: Łoże mocowania silników Rysunek 8: Łoże mocowania silników - model 3D 5

7 2.4 Gotowy zespół silnika 3 Panel górny Rysunek 9: Gotowy zespół silnika wraz z kołem napędowym Rysunek 10: Panel górny, do niego montowana płyta montażowa Panel górny - główna część obudowy robota. Do niej można zamontować płytę montażową. Do płyty montażowej można przymocować dodatkowe elementy rozszerzające możliwości robota. 6

8 3.1 Złącza Rysunek 11: Złącza 3.2 Płyta montażowa Rysunek 12: Płyta montażowa - widok góry 7

9 Rysunek 13: Płyta montażowa - widok spodu 4 Rama Wykonana z frezowanego aluminiowego bloku jest głównym elementem robota. Można ją porównać do ludzkiego szkieletu. To do niej przytwierdzone są elementy wykonawcze (napędy) oraz mózg (komputer sterujący wraz z czujnikami). Na ramę robota Robuter składają się elementy przedstawione na zdjęciach 14 i 18 oraz zamieszczone w tabel nr 4. Lp. Nazwa elementu 1 rama górna (zdj. nr 14 rys. nr 15) 2 rama boczna (zdj. nr 14 rys. nr 16 ) 3 płyta podwoziowa (zdj.nr 14 i 18 rys. nr 17) 4 tuleja silników (zdj. nr 14 i 18 rys. nr 19) 5 gródź (zdj. nr 14 i 18) 6 kaseta komputera pokładowego (zdj. nr 18) 8

10 Rysunek 14: Podwozie i szkielet robota - widok aksonometryczny z przodu Rysunek 15: Szkielet robota - odwzorowanie ramy górnej 9

11 Rysunek 16: Szkielet robota - odwzorowanie ramy bocznej Rysunek 17: Podwozie robota - odwzorowanie płyty dolnej 10

12 Rysunek 18: Podwozie robota - widok z dołu 11

13 Rysunek 19: Podwozie robota - odwzorowanie tulei silników Rama górna oraz boczne wykonane są z wyfrezowanych sztab duraluminiowych połączonych ze sobą przy pomocy śrub pod klucz wpustowy. Otwory w ramie mają na celu zmniejszenie jej wagi przy zachowaniu dobrej nośności ramy. Płyta dolna będąca łożem dla akumulatorów powstała w procesie gięcia blachy stalowej, która po bokach została wzmocniona żebrami (element widoczny pomiędzy strzałkami 2 i 3 na zdjęciu 18). Leży ona w otworach ram bocznych do których jest przykręcona śrubami. Panele boczne wraz z czujnikami połączone są przy pomocy dystansów wygiętych w kształt litery C z ramą boczną i pokrywą górną. W tylnej części pomiędzy ramami bocznymi została umieszczona tuleja. Wykonana prawdopodobnie przez odlew. W niej mocowane są silniki napędowe. W tylnej części robota również pomiędzy ramami bocznymi a powyżej tulei silników znajduję się kaseta komputera pokładowego wykonana z wygiętej w kształt prostopadłościanu blachy aluminiowej. Zamontowana jest w niej cała elektronika robota. Pomiędzy kasetą komputera pokładowego a przestrzenią akumulatorową jest zamontowana płyta nawiercana (gródź) która oddziela elementy elektroniczne od wózków akumulatorowych. Do górnej części ramy przykręcone są panele czołowy i tylny. Obudowa i płyta montażowa jest nałożona na górną część ramy i przykręcona do niej śrubami. 4.1 Koła Samonastawne Koła zamocowane na trzpieniu w taki sposób aby środek obrotu koła (w okół osi pionowej) nie znajdował się nad punktem styku koła z powierzchnią. Wyposażone są w dwa łożyska (prawdopodobnie toczne i ślizgowe) jedno z nich pozwala na obrót koła w płaszczyźnie poziomej - zapewnia ruch robota. Drugie łożysko jest zamocowane w uchwycie, który przykręcony jest do ramy pojazdu. Element ten pozwala na swobodny obrót koła w osi pionowej a tym samym zmianę kierunku toczenia się koła. Same koła wykonane są z twardego tworzywa sztucznego. Powierzchnia styku koła z nawierzchnią jest wyprofilowana w taki sposób (wycinek okręgu) aby stykały się one jak najmniejszą powierzchnią z podłożem. W skład typowego koła samonastawnego (zdjęcie 20) wchodzą: 1. Oś obrotu pionowa 2. Łożysko poziome (ustalenie kierunku ruchu) 3. Uchwyt koła 4. Koło obrotowe 5. Oś obrotu - pozioma 6. Łożysko koła 12

14 Rysunek 20: Koło samonastawne przymocowane do podwozia robota 13

15 Rysunek 21: Koło samonastawne - odwzorowanie 5 Panel czołowy Numery zaznaczone na zdjęciach elementów odpowiadają opisowi znajdującym się poniżej 14

16 1. Zaślepka 2. Sensor 15

17 6 Panel tylny 3. Panel kontrolny 16

18 7 Panel czołowy - dolna cześć 17

19 4. Zawias 5. Zatrzask dolny 7.1 Opis elementów Na załączonych zdjęciach możemy zauważyć wiarygodny model pokrywy przedniej i tylnej robota Robuter w programie Autodesk Inventor. Obie pokrywy posiadają skomplikowaną konstrukcję geometryczna liczne frezowania, zaokrąglenia oraz elementy charakteryzujące wizualnie wygląd robota. Przednia oraz tylna pokrywa posiadają miejsca w których zamontowane sa sensory robota oraz wolne przestrzenie zakryte zaślepkami z możliwością montażu większej ich ilości. Tylna pokrywa posiada dodatkowy panel sterowniczy z dwoma złączami, diodami LED oraz przełącznikiem. Stabilność pokryw zapewnia zaczep typu pull down catch montowany na dole pokrywy oraz jego uchwyt zaczepiony w dolnej części robota. 8 Moduł podzespołów elektronicznych Moduły podzespołów elektronicznych pozwalają na sterowanie robotem. Dzięki zastosowanej elektronice możliwe jest planowanie ruchu, komunikacja z zewnętrznym komputerem, sterowanie silnikami, a także zbieranie informacji z sensorów. Najważniejszym elementem jest główny moduł MAIN CPU, pozostałe moduły mają na celu umozliwić jego pracę. 8.1 Wykaz elementów 10a POWER BOARDS 10b 4-AXIS INTERFACE RSVME OR BOARD 10c U.S CPU 10d MAIN CPU 10e SERIAL LINE PANEL 18

20 10f 12VDC/2A CONVENTER 10g 5VDC/8A CONVENTER 10h AVAILABLE FOR 5VDC/8A CONVENTER EXTENSION 10i ULTRASONIC BUS HEADER BOARD 10j SECURITY BOARD 10k GNIZADO 10l OBUDOWA ELEKTRONIKI 1 10m OBUDOWA ELEKTRONIKI 2 10n PŁYTA TYLNIA 10o WENTYLATOR 10p OBUDOWA ELEKTRONIKI 3 10r UCHWYT MODUŁU Rysunek 22: Elektronika - schemat 19

21 Rysunek 23: Moduły elektroniczne Rysunek 24: Moduły elektroniczne 20

22 8.2 Elementy mechaniczne Rysunek 25: Moduł podzespołów elektroniki - wizualizacja Rysunek 26: Część mechaniczna modułu elektroniki - wizualizacja Do konstrukcji mechanicznej modułu podzespołów elektroniki zaliczyć można elementy: 10k, 10l, 10m, 10n, 10o, 10p, 10r. Element 10m stanowi główną obudowę układu. Wewnątrz niego znajdują się wszystkie pozostałe podzespoły. Posiada on odpowiednio rozmieszczone otwory, dzięki którym przykręcany jest do ramy Robutera. Zadaniem płyty tylniej (10n) jest odseparowanie modułów elektroniki od reszty robota. Stanowi ona zabezpieczenie przed uszkodzeniami mechanicznymi. W płycie nawierconych jest 66 otwórów ułatwiających wentylację grzejącego się układu. Posiada ona również wycięcia pozwalające na wyprowadzenie na zewnątrz okablowania. 21

23 Rysunek 27: Płyta tylnia - wizualizacja Rysunek 28: 10l, 10p (zbliżenie) - wizualizacja Elementy 10l i 10p są kolejnymi elementami obudowy. Są one widoczne na rysunku 26 oraz w zbliżeniu na rysunku 28. Są to pionowe ramy posiadające wiele nawierconych otworów. Otwory czołowe pozwalają na przykręcenie przedniej części modułów elektronicznych. Dzięki otworom bocznym możliwe jest umiejscownienie uchwytów elektroniki (10r). Liczba otworów jest nadmiarowa, co poozwala na umiejscownienie modułów na dowolnej wysokości. Uchwyty elektroniki (10r) widoczne są na rysunku 26. Przymocowane są one do elementów 10l i 10p. Na całej długości posiadają zagłębienie, w którym umieszczane są płyty drukowane poszczególnych modułów. Pozwala to na stabilne zamocowanie płyty bez konieczności przykręcania jej do obudowy. 22

24 Rysunek 29: Gniazdo - wizualizacja Gniazdo (Rysunek 29) umiejscowione jest na dolnej części zewnętrznej obudowy. Od wewnątrz podłączone są do niego odpowiednie układy. Gniazdo to daje możliwość podłączenia kabla sterującego silnikami. Oczywistą rolą wentylatora (10o) jest chłodzenie nagrzewających się układów elektronicznych. Dzięki licznym nawierceniom w płycie tylniej i zbudowaniu modułów jedynie z płyt drukowanych przymocowanych do paneli czołowych możliwa jest swobodna cyrkulacja powietrza wewnątrz obudowy i jego wymiana z chłodniejszym powietrzem zewnętrznym. Rysunek 30: Moduły elektroniki - wizualizacja Mechaniczna strona modułów elektroniki widoczna jest na rysunku 30. Wszystkie moduły składają się z paneli czołowych (widocznych na rysunkach 23 i 24) oraz przymocowanych do nich płyt drukowanych lub zabudowanych układów. Moduły 10a, 10b, 10c, 10d, 10e, 10i oraz 10j składają się z panelu czołowego z odpowiednimi otworami, przez które mamy dostęp do zamontowanych na płytach drukowanych gniazd, diod i przycisków. Elektronika w modułach 10f, 10g i 10h jest zabudowana wewnątrz identycznych, czarnych osłon. Osłony te posiadają specjalne wypustki, które wprowadzane są w uchwyty modułów (10r) i pełnią funkcję stabilizacyjną. W przypadku modułów opartych na płycie rozwiązanie to nie jest potrzebne, gdyż sama płyta trzymana jest przez uchwyty. Wszystkie moduły mają z tyłu gniazda pozwalające na podłączanie przewodów. 23

25 8.3 Elektronika Zadaniem modułów elektroniki jest całkowite sterowanie platformą mobilną Robuter. Moduł 10a odpowiedzialny jest za zasilanie robota. Współpracuje on zatem z modułami 10f, 10g oraz 10h, których zadaniem jest konwercja napięcia i natężenia prądu (do 12VDC/2A i 5VDC/8A). Moduły 10c i 10d zawierają układy procesorowe, z czego moduł 10g jest głównym procesorem w Robuterze. Elementy 10b i 10e umożliwiają komunikację szeregową, oraz zawierają 4-osiowy interfejs RSVME lub Moduł 10i odpowiedzialny jest za przetwarzanie sygnałów pochodzących z sonarów ultrzadźwiękowych. Moduł 10j zawiera układy zabezpieczające całą elektronikę robota. 9 Zasilanie 9.1 Wózki akumulatorowe i akumulatory Wózek stanowi podwozie dla dwóch akumulatorów służących do zasilania Robutera, robot wymaga czterech takich akumulatorów więc pod obudową robota kryją się dwa takie wózki. Wózek wykonany jest z giętej oraz spawanej blachy, z otworami w ścianach przedniej i tylnej wykonanymi w celu zmniejszenia wagi wózka. Do ścian bocznych przykręcone są plastikowe uchwyty pozwalające na wygodne podniesienie wózka. U dołu wózka do blachy przykręcone są śrubami cztery łożyska kulowe pełniące funkcję kół. Z przodu i tyłu wózka, w dolnej części znajdują się styki elektryczne służące do stworzenia obwodu elektrycznego między wózlami oraz elektryką Robutera. Lp. Nazwa elementu 1 Akumulator (zdj. nr 31 rys. nr 34 ) 2 Elektrody akumulatora (zdj. nr 31 rys. nr 34 ) 3 Wózek akumulatorowy (zdj.nr 32 rys. nr 34 i 35) 4 Uchwyt wózka (zdj. nr 32 rys. nr 34 i 35) 5 Styki (gniazdo męskie) (zdj. nr 33 rys. nr 35 ) 6 Styki (gniazdo żeńskie) (zdj. nr 33 rys. nr 35) 7 Łożyska służące za wózki akumulatora (zdj. nr 33) rys. nr 35 8 Okablowanie Rysunek 31: Wózek akumulatorowy i akumulatory - widok z góry 24

26 Rysunek 32: Wózek akumulatora - widok z boku Rysunek 33: Wózek akumulatora - widok z dołu 25

27 Rysunek 34: Odwzorowanie - akumulator na wózku, widok ukośny 9.2 Ładowarka Rysunek 35: Odwzorowanie - wózek akumulatora - widok z dołu Ładowarka oraz drzwiczki są wykonane z giętej blachy, połączne ze sobą za pomocą zawiasów. W drzwiczkach znajduje się mechanizm zamykający. Wewnątrz ładowarki znajduje się płyta na której zamontowany jest transformator oraz inne elementy elektroniczne. Lp. Nazwa elementu 1 Drzwiczki ładowarki (zdj. nr 36 rys. nr 37 i 38 ) 2 Obudowa ładowarki (zdj. nr 36 rys. nr 37 i 38 ) 3 Elektronika (zdj.nr 36 rys. nr 37) 26

28 Rysunek 36: Ładowarka Rysunek 37: Odwzorowanie - ładowarka wnętrze 27

29 Rysunek 38: Odwzorowanie - ładowarka z zewnątrz 10 Panele boczne Rysunek 39: Panele boczne z czujnikami i dystansami Na rysunku 39 zaznaczone są trzy elementy: 1. dystanse, element z grubościennej blachy, przewiercony w dwóch miejscach i zagięty, podtrzymują ona panele boczne, 2. panel boczny, element z ciękościennej blachy, na której zostały umieszczone otwory na czujniki i śruby mocujące, pomalowany na czarno, w ROBUTERZE znajdują się dwa takie elementu, po obu jego stronach, są wykonane estetycznie ponieważ wchodzą w skład karoserii, 28

30 3. sensory, więcej o sensorach w podpunkcie Sensory Ogólne umiejscowienie przykładowych sensorów zamieszczone jest na rysunku 39 pod numerem 3. Są to sensory akustyczne - ultradźwiękowe, pozwalające na określenie odległości między nimi a przeszkodą. Na ROBUTERZE jest 9 takich czujników. 12 Podsumowanie Niniejsza dokumentacja tylko w niewielkim stopniu ukazuje ogrom pracy poświęcony na budowę modelu 3D. Stworzony model robota Robuter może posłużyć jako pomoc dydaktyczna na zajęciach laboratoryjnych. W łatwy sposób można pokazać co znajduje się wewnątrz robota. W przejrzysty sposób elementy funkcjonalne pojazdu mobilnego zostały podzielone na sekcje. Wraz, z krótkim opisem osoba czytająca niniejszą dokumentację jest w stanie zaznajomić się z konstrukcją mechaniczną robota mobilnego. 29