Hands on Ground Robot y Drone Design Series Parte I: Mecánica y ruedas

Hands on Ground Robot y Drone Design Series Parte I: Mecánica y ruedas

  • Robotica
  • marzo 1, 2022
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Fuente: https://www.subt-explorer.com/post/fall-2020-update

Esta es una nueva serie que trata sobre el diseño detallado de varios robots. Primero, veamos el diseño de dos robots diferentes usados ​​para el Desafío Subterráneo de DARPA. Ambos robots están diseñados para operar en entornos subterráneos complejos, incluidas cuevas, minas y entornos urbanos. Ambos robots presentados provienen del equipo Explorer de la Universidad Carnegie Mellon. Mientras escribo estas publicaciones, este fue un esfuerzo de equipo que requirió de muchas personas para tener éxito. (Si alguien en Team Explorer está leyendo esto, gracias por todo, todos ustedes son geniales).

Estas publicaciones omiten el paso de requisitos del sistema del proceso de diseño. Puede encontrar más información sobre la definición de los requisitos del sistema aquí.

SubT Ground UGV y DS Drone ImageTeam Explorer R1 Ground Robot y DS Drone [Source]

Robot de tierra R3 (UGV)

Se han desarrollado tres vehículos terrestres para el desafío SubT, todos los cuales comparten un diseño similar. Los robots terrestres se conocían con el apodo de R#, donde # es el orden en que los instalamos. La principal diferencia entre las tres versiones es

R1 – Chasis estático, por lo que el chasis tiene una adaptación mínima al suelo cuando se conduce sobre obstáculos y superficies irregulares. R1 originalmente tenía la intención de tener un mecanismo de diferenciación de cumplimiento, pero se omitió de esta primera versión debido a limitaciones de tiempo. R1 se muestra arriba.

R2 – Cuenta con el mecanismo de diferenciación y fue construido como se planeó originalmente.

R3 – Es casi idéntico al R2, pero más pequeño. Este robot fue construido para navegar por áreas más pequeñas y también poder subir y bajar escaleras. También utiliza diferentes motores para impulsar las ruedas.

dron ds

El diseño original de drones utilizado por Team Explorer se llamó Drones D1, D2etc. Esto eliminó una combinación de UGV + Drone a través de designaciones comunes como, por ejemplo, R2D2. Al principio, el equipo cambió a un diseño de dron más pequeño, denominado DS1, DS2etc donde SD Corto para dron pequeño.

La publicación de diseño de drones se divide en dos secciones. El primero es sobre la plataforma real del dron y el segundo es sobre la carga útil que se encuentra en la parte superior del dron.

Mecánica y Ruedas

Decisión del tamaño del robot

Ahora que tenemos la lista de requisitos del sistema, comencemos a diseñar la estructura mecánica del robot. En este caso, decidimos que lo mejor sería un robot con ruedas. Queríamos que las ruedas fueran lo más grandes posible para ayudar a superar obstáculos, pero también necesitábamos mantener nuestros sensores en la parte superior del vehículo sobre las ruedas y encajar en aberturas de 1 x 1 metro. Estos requisitos determinan el tamaño máximo del robot así como el tamaño máximo de las ruedas.

Las dimensiones finales de los primeros dos vehículos (R1 y R2) fueron aproximadamente (L x W x H) 1,2 x 0,8 x 0,8 metros (3,9 x 2,6 x 2,6 pies). El tercer vehículo más pequeño medía aproximadamente 1 por 0,6 m (3,2 por 1,9 pies) y estaba diseñado para pasar por aberturas de 0,7 por 0,7 m.

enfoque de control

También tuvimos que determinar nuestro estilo de conducción desde el principio. ¿Queremos ruedas o cadenas? ¿Queremos dirigir con dirección Ackerman, bogie basculante, minicargador, etc.?

Consulte aquí para obtener más detalles sobre la selección de la dirección.

Elegimos tracción en las cuatro ruedas con dirección compacta por sus controles fáciles y la capacidad de girar en el lugar (giros puntuales). Al comienzo de la competencia no nos enfocamos en subir escaleras, lo que puede haber cambiado algunas de nuestras decisiones de diseño.

suspensión

El siguiente paso fue determinar el tipo de suspensión. Se necesita una suspensión para que las cuatro ruedas tengan contacto con el suelo. Si el robot tuviera un marco fijo estático, solo tres de las ruedas podrían tocar el suelo cuando se encuentran en superficies irregulares. Esto reduciría nuestra estabilidad y tracción.

Decidimos desde el principio que queríamos una suspensión pasiva porque simplemente no teníamos ningún componente activo. Para una suspensión pasiva, observamos diferentes tipos de promedios corporales. Teníamos dos opciones, de pivote frontal o de lado a lado.

La imagen de la izquierda muestra un enfoque de pivote frontal. La imagen de la derecha muestra un método de diferenciación de lado a lado.

Optamos por el método de pivote delantero, pero optamos por hacer que el punto de pivote estuviera más o menos centrado en el vehículo. Esto nos permitió poner toda la electrónica en la parte delantera y las baterías en la parte trasera. En nuestra opinión, el método Front Pivot sería más adecuado para subir escaleras y sortear obstáculos en terreno llano. También es importante que este enfoque facilitó el transporte de un dron en el vehículo terrestre.

diseño de chasis

En este punto comenzamos a construir el chasis. Este fue un paso importante que nos permitió estimar el peso total para especificar el tren motriz. Las ideas para el chasis iban desde la construcción 80/20 hasta la construcción de un marco de aluminio y la carga de componentes en un chasis sólido soldado. Elegimos usar un chasis de acero tubular soldado para mayor resistencia. Necesitábamos un robot que pudiera sobrevivir a todo lo que le hacíamos pasar. Esta resultó ser una sabia decisión cuando el robot se estrelló o cayó por un precipicio. La desventaja del acero era el aumento de masa.

Para el punto de apoyo encontramos un gran rodamiento de rodillos cruzados que podíamos usar para unir las dos cajas de acero. El gran orificio central era útil para pasar alambres/cables para baterías, motores, etc.

Parte del diseño del chasis también fue determinar dónde montar todos los componentes. Tener las baterías (recuadros verdes en la imagen de arriba) en la parte trasera nos ayuda a superar obstáculos. Otros objetivos eran mantener la distancia al suelo lo más alta posible y mantener el centro de gravedad (CG) lo más bajo posible. Dado que estos son objetivos en competencia, parte del proceso de diseño fue encontrar un término medio.

Para mantener la modularidad para el servicio, cada módulo de ruedas tenía el controlador del motor, el motor, la caja de engranajes y el bloque de cojinetes como una unidad sólida que podía intercambiarse entre robots en caso de que surgieran problemas. Esto también permitió que la mayor parte del cableado fuera parte de este bloque. Los únicos cables que debían conectarse a cada uno de los módulos del robot eran los de alimentación, comunicación CAN y la línea de parada de emergencia; todos estaban listos para conectarse.

Para los componentes electrónicos de R1 y R2, construimos una caja de componentes electrónicos que estaba separada del robot y que podía retirarse del robot si fuera necesario. Con R3, integramos la electrónica en el propio robot. Este enfoque modular fue muy útil cuando tuvimos que realizar trabajos posteriores de soldadura en el chasis para realizar modificaciones. La desventaja del enfoque modular de la electrónica era que trabajar en la caja electrónica era más difícil que en el R3 abierto. El tiempo de fabricación y cableado de las cajas electrónicas R1/R2 también fue considerablemente más largo que el de la electrónica R3 abierta. También tuvimos varios errores durante la prueba relacionados con las conexiones de las cajas electrónicas.

diseño de rueda

Debatimos mucho sobre qué tipo de rueda usar, después de todo, usamos ruedas de motocicleta porque son fáciles de obtener y ensamblar. El diámetro de rueda que queríamos también se adaptaba muy bien a las ruedas de motocicleta. Para obtener una mejor tracción y la capacidad de superar obstáculos, nos gustaron las llantas más anchas.

R1 y R2 tenían un diámetro de rueda de 0,55 m, R3 tenía un diámetro de rueda de 0,38 m, lo que daba a R1 y R2 una distancia al suelo de 0,2 my R3 una distancia al suelo de 0,12 m.

Los cubos de las ruedas eran una historia diferente. Encontramos llantas de metal sólido en las que tuvimos que tallar grandes cantidades de metal para equilibrar la fuerza y ​​el peso.

Los robots R1 y R2 pesaban alrededor de 180 kg*, las ruedas eran significativamente más pesadas para un vehículo. Así que pusimos un poco de presión en las ruedas para evitar que se cayeran, pero tratamos de mantener la presión baja para aumentar la adaptación de las ruedas al suelo. Este método agregó muy poco cumplimiento, intentamos quitar parte del caucho de las paredes laterales, pero no pudimos encontrar un término medio entre limitar la desviación de la rueda durante los giros puntuales y aumentar el cumplimiento del fondo.

También nos preocupaba cómo golpearían los neumáticos de la bicicleta al girar y si arrancaríamos las ruedas de las llantas. Para contrarrestar esto, construimos un sistema beadlock en cada una de las ruedas. El beadlock era un segmento curvo unido en varios lugares para sujetar el neumático a la llanta. Nunca hemos tenido una rueda separada de la llanta, por lo que nuestro enfoque definitivamente funcionó, pero fue una molestia instalarla.

*R3 pesaba unos 90 kg (200 lbs). Intentamos usar diferentes ruedas y rieles para que R3 subiera bien las escaleras. Esa historia, sin embargo, da para otro post…

Las llantas negras eran de metal sólido en el que mecanizamos las cuñas para hacerlas más livianas. Los 3 postes de metal en estas cuñas son los tensores de talón. También puede ver la tuerca almenada y el pasador que sujetan la rueda al eje. Esta imagen es de R2, puede ver el espacio entre la parte delantera y trasera del robot donde está el punto de pivote.

Selección de tren motriz

Ahora que tenemos una estimación de masa y los requisitos del sistema para la velocidad y el despeje de obstáculos, podemos comenzar a especificar el tren motriz. La otra información que necesitábamos y tuvimos que discutir con el equipo eléctrico fue el voltaje de la batería. Los diferentes voltajes de bus afectan en gran medida a los motores disponibles para una velocidad y par dados. Hemos elegido una tensión de bus nominal de 51,2V. Esto presentaba un problema ya que era muy difícil encontrar las velocidades/pares deseados a este voltaje. Finalmente nos decidimos por un motor + caja de cambios de 400w 1/2hp de Oriental Motors con una caja de cambios paralela 100:1 que nos permite conducir a una velocidad máxima de 2,5 m/s.

Los números de pieza del motor y la transmisión en R1 y R2 eran BLVM640N-GFS + GFS6G100FR.

Los números de parte del motor y la transmisión en el R3 más pequeño eran Maxon EC 90 Flat + GP81A.

Próximos pasos

Ahora que conocemos la mecánica del robot, podemos comenzar a construirlo. En la próxima publicación veremos la electrónica y el control del motor. Si bien la naturaleza del blog hace parecer que este diseño es un proceso en serie, en realidad muchas cosas suceden en paralelo. Mientras que el equipo mecánico diseña el chasis, el equipo eléctrico localiza los componentes eléctricos necesarios para que el mecánico sepa lo que debe ensamblarse.

También es importante trabajar con el equipo eléctrico para determinar la ruta de los cables mientras se desarrolla el chasis.


Nota del editor: Esta publicación se fusionó con las publicaciones Hands On Ground Robot & Drone Design Series y Mechanical & Wheels – Hands On Ground Robot Design.


Robots para especialistas en robótica David Kohanbash es ingeniero en robótica con sede en Pittsburgh, Pensilvania, EE. UU. Le encanta construir, jugar y trabajar con robots.

Robots para especialistas en robótica David Kohanbash es ingeniero en robótica con sede en Pittsburgh, Pensilvania, EE. UU. Le encanta construir, jugar y trabajar con robots.

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