Předmět: Základy robotiky (BROB) Název projektu: S9. Plovoucí robot

Transkript

1 Vysoké učení technické v Brně Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Předmět: Základy robotiky (BROB) Název projektu: S9. Plovoucí robot Autoři: Baštán Ondřej, ID: , studijní skupina B2AMT/01 Benešl Tomáš, ID: , studijní skupina B2AMT/01 Daniel Martin, ID: , studijní skupina B2AMT/01 Zindulka Vojtěch, ID:155266, studijní skupina B2AMT/07 Vedoucí projektu: Ing. Lukáš Kopečný, Ph.D. Akademický rok: 2013/2014

2 Obsah Seznam obrázků Zadání Výběr typu konstrukce Lodní trup Plochý člun Katamarán Konstrukční řešení Prvotní návrh Konečný vzhled robotu Volba materiálu Části robotu Baterie Lodní pohon Motor Regulátor Ovládání Konstrukce pohonu Technické údaje Technické údaje motoru Technické údaje regulátoru Technický výkres motoru a turbíny Závěr

3 Seznam obrázků Obr. 1 3D návrh robotu v programu SolidWorks...4 Obr. 2 Pohled na robota shora...5 Obr. 3 Pohled na robota ze strany...5 Obr. 4 Pohled na robota z čela...6 Obr. 5 Vysílačka...8 Obr. 6 Přijímač...8 Obr. 7 Motor FOX 2213/ Obr. 8 Obousměrný regulátor otáček EMAX ESC 45A CAR Obr. 9 Výkres motoru

4 1 Zadání Navrhněte vzhled, konstrukci a pohon plovoucího robotu schopného nést zavěšené senzory kvality vodního prostředí. Realizujte prototyp. Následně zadání doplněno o rozměry sondy a její hmotnost (hmotnost: 5 kg, rozměry sondy - průměr 120 mm, délka 500 mm). 2 Výběr typu konstrukce Realizaci robota lze provést několika konstrukčními způsoby. Naším problémem bylo rozhodnout, který z nich vybereme a zrealizujeme. Rozhodovali jsme se mezi třemi konstrukcemi: - lodní trup - plochý člun - katamarán 2.1 Lodní trup Lodní trup patřil mezi méně pravděpodobné řešení již od začátku. Důvodem byl hlavně požadavek na schopnost snadného manévrování s robotem. I případné umístění a spouštění sondy by bylo nešťastné. Pohon jsme uvažovali motorem poháněný lodní šroub, který by ale nezvládal prudké změny směru, proto jsme toto řešení zavrhnuli. 2.2 Plochý člun O plochém člunu jsme přemýšleli více. Základem by byla deska, na které by byla přidělána řídící elektronika, baterie a sonda. Robot by byl poháněn pomocí motoru, na kterém by byla připevněna vrtule. Směr pohybu by se měnil pomocí klapek, které by byly umístěny za vrtulí. Výhodou této konstrukce by byla schopnost měnit rychle směr a i docela přesná kontrola pozice. Největší nevýhodou by bylo umístění sondy a její spouštění. Protože kdybychom ji umístili na kraj člunu, tak bychom museli vymyslet systém protizávaží, aby se nám člun nepřevažoval, ani když bude sonda vytažena, ani když bude spuštěna, proto jsme toto řešení zavrhnuli. 2.3 Katamarán Nakonec jsme se rozhodli pro konstrukci katamaránu, který bude poháněn dvěma motory s lodními šrouby. Pohon lodními šrouby jsme zvolili, protože se nám zdál nejefektivnější a nejlepší pohon, který máme k dispozici. Sondu jsme umístili doprostřed, takže stabilita robotu nebude nijak ovlivněna a sonda se dá efektivně vytáhnout do dostatečné výšky, takže při přemisťování nebude částečně ponořena. 3

5 3 Konstrukční řešení 3.1 Prvotní návrh Obr. 1 3D návrh robotu v programu SolidWorks Sonda na obrázku není zakreslena, protože nebyla přímo součástí projektu. V případě dalšího používání a rozšiřování robota lze jednoduše dodělat konstrukce, která danou sondu bude držet. Dále na modelu není zřejmé umístění motorů, ke kterému jsme se rozhodli později, tzn. zavěšení pod jednotlivé plováky. 4

6 3.2 Konečný vzhled robotu Obr. 2 Pohled na robota shora Obr. 3 Pohled na robota ze strany 5

7 Obr. 4 Pohled na robota z čela 3.3 Volba materiálu Stavebním materiálem robotu jsme zvolili plastové vodovodní trubky. To hned z několika důvodů: hmotnost pro robota jsme potřebovali co nejmenší hmotnost vlastní konstrukce, aby robot byl schopný bez problému unést sebe a zároveň sondu. snadná údržba není potřeba, aby byl robot po použití nějak speciálně sušen, případně vysušován. Tím se také prodlužuje životnost konstrukce robota, oproti materiálu, který by mohl podléhat korozi, nebo se nějak jinak poškozovat dlouhodobým ponořením. vodotěsnost není zapotřebí vymýšlet speciální těsnění, příp. spojování různých dílů, aby se tam nedostala voda, protože existuje mnoho druhů součástí, určených přímo na tento materiál. cena, odolnost proti nárazům 6

8 4 Části robotu 4.1 Baterie Abychom nemuseli kupovat nové baterie, tak nám byly dány ze skladu robotického týmů VUT. Maximální napájecí napětí motoru je 11.1V, proto jsme se rozhodli pro PCW 4,0/3,5B SC K4800 SDH 20C / 3S pro každý motor (vybíjení 11,1V/96,0 A nabíjeni max. 12,6V / 4,8A). 4.2 Lodní pohon Pro lodní pohon jsme zvolili dvojici lodních šroubů, dvojici z důvodu katamaránové konstrukce. Při použití pouze jednoho lodního šroubu a tedy jednoho motoru by nastalo mnoho komplikací: umístění - musel by být umístěn mezi plováky a mohlo by docházet ke kolizím s měřící sondou velikost lodního šroubu - průměr největšího lodní šroub s nejlepším poměrem cena/výkon/dostupnost je 65 mm dostatečně výkonná řídící jednotka (její cena by razantně zasáhla do rozpočtu). Lodní šroub byl zvolen z důvodu jednoduchosti a efektivity, ovšem lodní šroub jako takový má velké výkonové ztráty. Pro co nejvyšší zvýšení efektivity v rámci možností jsme zvolili jeho umístění do trubky, vznikla jakási turbína dýza. 4.3 Motor Motor byl použit střídavý s rotačním pláštěm tzv.: brushless outrunner, zvláště z důvodu vysoké efektivity a výkonu a to již od nízkých otáček. Výhodou těchto motorů je jejich schopnost pracovat i při úplném ponoření do vody či podobných kapalin. 4.4 Regulátor Zakoupili jsme obousměrné regulátory otáček EMAX ESC 45A CAR, které nám budou zaručovat ovládání motorů. Obousměrný regulátor jsme zvolili, jelikož u námi vytvořeného robota je velmi důležité co nejstabilnější udržení polohy. Daný typ regulátoru jsme vybrali z důvodu omezených financí. 4.5 Ovládání Komunikovat s robotem budeme prostřednictvím klasické modelářské R/C soupravy, jelikož dálkové ovládání není v současném stavu prioritní. V našem případě, se bude jednat o Optic 6, jedná se o šesti kanálovou počítačovou soupravu pracující na frekvenci 2.4GHz. 7

9 Obr. 5 Vysílačka Obr. 6 Přijímač 5 Konstrukce pohonu Hlavní část turbíny je tvořena pláštěm, tj.: částí vodovodního potrubí o průměru 40 mm, zakončené na obou koncích zátkami. V čelní zátce se nachází střídavý motor s rotačním pláštěm FOX 2213/20, který je přišroubovaný v hrníčku zvláště vyrobeném pro tento účel. Celé je to potom zasunuté do klasické trubkové zátky, v níž je zašroubovaná vývodka s vloženou trubičkou, jejímž středem jsou vedeny napájecí vodiče motoru. Koncovou zátkou, taktéž vyrobenou zvláště, je středem vedena hřídel, zakončená závitem M4 a na něm našroubovaným lodním šroubem Graupner o průměru 65 mm (největší běžně dostupný lodní šroub s pravotočivým i levotočivým uspořádáním listů). Hřídel je na obou koncích zátky těsněna ó-kroužkem přitlačovaným podložkou. Z vnitřní strany je na hřídeli vložen a zajištěn jeden ze dvou dílů kardanové spojky, druhý díl je vložen na hřídeli motoru. Kardanové spojky jsou použity z důvodu jednoduchosti spojení obou zátek (motor a lodní šroub), dále z důvodu částečné 8

10 nesouososti obou hřídelí a zvláště z možnosti jednoduché demontáže a případné opravy. Čelní zátka je těsněna vodovodním těsněním, koncová zátka je těsněna ó-kroužkem. Lodní šroub je zakryt částí vodovodního potrubí o průměru 75 mm, sloužící k usměrnění toku vody okolo listů. Dané potrubí je spojeno s tělem turbíny pomocí trojice šroubů, přičemž jeden z nich slouží k upevnění celé soustavy k jednomu z plováku. 6 Technické údaje 6.1 Technické údaje motoru Průměr [mm] 28 Délka [mm] 32 Hmotnost [g] 55 Průměr hřídele [mm] 3 Napájení [V] Otáčky na Volt [ot./min/v] 1080 Výkon [W] 180 Proud naprázdno [ma] 950 Max. špičkový proud [A] 17 Vnitřní odpor [mω] 93 Počet závitů 20 Počet pólů 14 Časování [ ] Regulátor 25 9

11 Obr. 7 Motor FOX 2213/ Technické údaje regulátoru Maximální trvalý proud 45A Typ a počet článků aku LiPo /NiMh 2-3/4-12 BEC Hmotnost Rozměry 2A/5V 50g 45 x 32 x 20 mm pozn. BEC(battery eliminator circuit) - vytváří stabilizované napětí (5V) pro napájení přijímače a servomotorů v modelu proto odpadá nutnost použít zvláštní akumulátor. Obr. 8 Obousměrný regulátor otáček EMAX ESC 45A CAR 10

12 7 Technický výkres motoru a turbíny Obr. 9 Výkres motoru Podrobný výkres v původní velikosti je přiložen v souboru Výkres motoru.pdf. 8 Závěr Seznámili jsme se s problematikou plovoucích robotů. Při shromažďování informací o této problematice, jsme zjistili, že zde mnoho robotů neexistuje. Je zde pouze pár amatérských řešení. To nám poskytlo prostor pro naše nápady a kreativitu. Již od začátku jsme věděli, k jakému řešeni se chceme dostat. Během konstrukce se vyskytl jeden nebo dva problémy, které se nám podařily vyřešit. Po vyrobení jsme robota odzkoušeli, zda je schopen plavby. 11