Semestrální projekt z předmětu BROB B15. (S11.) Robotický skokan

Transkript

1 Semestrální projekt z předmětu B15. (S11.) Robotický skokan Vedoucí práce: Ing. Lukáš Kopečný Ph.D. Autoři práce: Radek Hlavatý Lucie Byrtusová Radim Karniš Prohlašujeme, že jsme studenti UAMT VUT FEKT BRNO 2018

2 Obsah Zadání... 3 Prerekvizity...3 Rešerše... 3 Částečně ozubené kolo...3 Parrot MiniDrone Jumping Sumo...4 Vypracování... 4 Princip...5 Konstrukce...5 Program...7 Závěr D tisk...8 Úskalí projektu...8 Návrh řešení...8 Příloha 1: Specifikace... 9 DC motor...9 LiPol baterie...9 Arduino NANO Ostatní komponenty Příloha 2: Modely Sestava Noha Spodní díl na upevnění nohou Vrchní díl na uložení nohou Špulka Torso Seznam obrázků Seznam příloh Odkazy

3 Zadání Navrhněte konstrukci skákajícího robotu využívajícího akumulované energie pro skok do výše cca 1 m. Realizujte prototyp robotu. Prerekvizity invence, 3D tisk, znalost fyziky, konstruování Rešerše Po prvotních rešerších se jako vhodné jevily tři způsoby provedení výskoku. Níže jsou blíže rozebrány dva z nich. Třetí, námi zvolené provedení, je rozebráno v kapitole Vypracování. Částečně ozubené kolo Tento mechanismus spočívá v částečně ozubeném kole (viz. Obrázek 1), kdy jeho otáčením jedním směrem dochází k akumulaci mechanické energie v pružině mechanismu. V momentě, kdy je ozubené kolo v pozici kde končí ozubení, dojde k uvolnění navíjecího aparátu a k vymrštění. Pro naše účely bychom byli limitování velikostí částečně ozubeného kola, což by limitovalo volbu množství akumulované energie a tím i výšky požadovaného skoku. Obrázek 1: Mechanismus částečně ozubeného kola aplikovaný ve zbrani 3

4 Parrot MiniDrone Jumping Sumo V případě tohoto dronu dochází při přípravě na skok ke stlačování pružin otáčením spirální schránky. Při otáčení jede po vnitřním obvodu schránky hliníkové rameno do bodu, kdy zapadne do výřezu ve schránce. V této fázi je robot připraven k výskoku. Na povel uživatele se schránka natočí ještě o něco více a rameno vyskakuje ze zarážky. Sestavení skokana založeného na tomto principu jsme zvažovali seriózněji. Opět bychom však nebyli schopni volit výšku skoku. Rovněž by bylo náročné transformovat sestavu do svislé polohy, jelikož jsme zamýšleli stojatou konstrukci bez použití kol. Obrázek 2: Mechanismus výskoku robota Parrot Jumping Sumo Vypracování Další projekt, který odpovídal našim představám a kterým jsme se ve výsledku rozhodli inspirovat, je Jumping-Crawling Robot s regulovatelnou výškou skoku. Robot v podobě brouka se dokáže sám přemístit a je rovněž schopen se sám převrátit pomocí krovek v případě, že dopadne na záda. Samotný princip bude vysvětlen na našem vlastním projektu. 4

5 Obrázek 3: JumpRoach o hmotnosti 59,4g v nataženém a uvolněném stavu Princip Základním principem je akumulace mechanické energie v gumičkách nohy. Navíjení zajišťujeme DC motorem s převodovkou značky Pololu (převod 1000:1; napájecí napětí až 6V (parametry motoru viz. příloha Specifikace)). Mezi špulkou a motorem se nachází mechanismus tvořený třemi ozubenými kolečky. První kolečko je skrz spojku napojeno na motor, osa druhého kolečka nese špulku a třetí kolečko slouží k uvolnění nataženého vlasce. Při spuštění motoru zapadá třetí odklonné kolečko (planeta) mezi ostatní dvě a vytváří převodovou soustavu, skrz kterou navíjíme vlasec na špulku. Prostor pro pohyb osy odklonného kolečka je značně omezen. V momentě, kdy je zastaveno navíjení a otočena rotace motoru, odsune motor kolečko odklonné. V tento okamžik mizí síla působící proti síle natažení gumiček a dochází k výskoku robota. Převodní soustava je znázorněna na obrázku 4. Obrázek 4: Znázornění principu uvolnění navinutí Konstrukce Celá konstrukce robota byla navržena v CAD programu SolidWorks a vytisknuta na 3D tiskárně. Modely jednotlivých částí skokana a jejich rozměry jsou uvedeny v příloze Modely. Skokan se skládá ze 5

6 spodního upevňovacího dílu, ve kterém je upevněn jeden konec natahovacího vlasce. V základně je osičkami ukotven skákací modul diamantové struktury, jehož klouby jsou inspirovány lidským kolenem pro maximální rozsah ohybu. Modul je z druhé strany upevněn do vrchního upevňovacího dílu, na kterém sedí torso robota. Pro svázání noh byl použit rybářský vlasec a kloub byl ošetřen proti prokluzu zvýšením tření povrchu nalepením zdravotního tejpu. K uložení mechanické energie pro výskok jsme se rozhodli pro použití elastických gumiček, které sice disponují nižší energetickou kapacitou než kovové pružinky, ale požadují méně síly na natažení, mají malou hysterezi a pro naše účely jsou plně postačující. Váha kompletní konstrukce činí 110 g. Obrázek 5: Model celé sestavy robotického skokana Obrázek 6: Sestava robota v nataženém stavu 6

7 Program DC motor je ovládán mikrokontrolerem Arduino Nano. Níže je uveden kód v programovacím jazyce Wiring. Doba navíjení je nastavena na 13,8s. Obrázek 7: Kód v jazyce Wiring pro řízení motoru 7

8 Závěr Naším úkolem bylo provést rešerši různých mechanismů výskoku a sestavit robota, který by byl schopen vyskočit do výšky jeden metr. Vzhledem ke snaze snížit náklady jsme se rozhodli pro nákup součástek z Asie. To bohužel znamenalo výraznou časovou prodlevu v našem projektování, což je částečnou příčinou našeho neúspěchu uvést skokana do plně funkčního stavu. 3D tisk Prohloubili jsme své znalosti navrhování modelů v prostředí SolidWorks. Ke vší smůle jsme si ověřili skutečnost, že i dobře navržený model může měnit své rozměry na základě kvality materiálu a kalibrace 3D tiskárny. Tisk proběhl na tiskárnách Anet A8 a Tevo Tarantula. Všechny díly jsou vyhotoveny z materiálu PLA. Rovněž jsme v prostředí SolidWorks vytvořili pohybovou studii znázorňující celý proces navíjení až po výskok robota. Úskalí projektu První větší problém nastal při modelování vrchního dílu robota, ve kterém je uložena převodní soustava. Rozměry umístění jednotlivých koleček bylo nutno stanovit experimentálně. I přesto jsme byli schopni upravit již první výtisk do použitelného stavu. Dalším a bohužel fatálním problémem pro skokana bylo zprovoznění převodového systému. Při stavu, kdy není zatížena osička se špulkou, je mechanismus funkční a odklonné kolečko plní svou úlohu. V reálném stavu se zatíženou osičkou jsme narazili na skutečnost, že v okamžiku otočení chodu motoru, kdy by mělo dojít k odstrčení kolečka, zůstává kolečko vztaženo do systému silou natažených gumiček a místo k náhlému uvolnění dochází pouze ke zpětnému odvíjení. Návrh řešení Řešením zmíněných problémů je zaměřit se na přesnost výtisku a robustnost převodní soustavy. 8

9 Příloha 1: Specifikace DC motor Rozměry 10 x 12 x 29.5 (+9 mm hřídel) Váha 10.5 g Průměr hřídele 3 mm 2 Převodový poměr :1 Rychlost volného běhu při 6 V 32 otáček/min Proud volného běhu při 6 V 120 ma Stall current při 6 V 1600 ma 3 Stall torgue při 6 V 125 oz*in 3 LiPol baterie Obrázek 8: Rozměry DC motoru Rozměry 4 x 30 x 35 mm Napětí 3.7 V Objem 400 mah Váha 10 g 9

10 Arduino NANO Rozměry Váha Provozní napětí Vstupní napětí DC proud I/O pinů Taktovací frekvence 18.5 x 43 mm 5.6 g 5 V 6-20 V 40 ma 16 MHz Ostatní komponenty osičky spojka Ozubená kolečka odklonné kolečka motoru a hřídele délka Průměr Váha 1 osičky Průměr Délka Váha 60 mm 2 mm 1.5 g 12 mm 20 mm 6 g Počet zubů 14 Průměr 8 mm Modul 0.5 Počet zubů 16 Průměr 9 mm Modul

11 Příloha 2: Modely Sestava Obrázek 9: Model plné sestavy 11

12 Noha Obrázek 10: Model nohy 12

13 Spodní díl na upevnění nohou Obrázek 11: Model spodního dílu pro upevnění nohou 13

14 Vrchní díl na uložení nohou Obrázek 12: Model vrchního dílu pro upevnění nohou 14

15 Špulka Obrázek 13: Model špulky 15

16 Torso Obrázek 14: Model dílu torsa 16

17 Seznam obrázků Obrázek 1: Mechanismus částečně ozubeného kola aplikovaný ve zbrani... 3 Obrázek 2: Mechanismus výskoku robota Parrot Jumping Sumo... 4 Obrázek 3: JumpRoach o hmotnosti 59,4g v nataženém a uvolněném stavu... 5 Obrázek 4: Znázornění principu uvolnění navinutí... 5 Obrázek 7: Kód v jazyce Wiring pro řízení motoru... 7 Obrázek 8: Rozměry DC motoru... 9 Obrázek 9: Model plné sestavy Obrázek 10: Model nohy Obrázek 11: Model spodního dílu pro upevnění nohou Obrázek 12: Model vrchního dílu pro upevnění nohou Obrázek 13: Model špulky Obrázek 14: Model dílu torsa Seznam příloh Příloha 1: Specifikace 9 Příloha 2: Modely.11 Odkazy 17