KARAT Software
Google překladač: English Deutsch

Exkluzivní partner sekce

Siemens
Bentley
Soutěž - reproduktory Trust
Gopas - ManDay.it

GOPAS - CAD kurzy

Více kurzů

StreamTech.tv

streamtech tv-logo

CAD + čtyři nohy + lokomotion = Youpy

Tags: CAD | Mechatronika

Robot Youpy patří mezí kráčející mobilní servisní roboty, přičemž využívá lokomoci pomocí čtyř nohou. Jeho konstrukce vychází z biologické inspirace čtyřnohými živočichy. Jeho nohy jsou tvořeny dvěma rovinnými kloubovými rotačními vazbami. Protože každá noha je řízena samostatně, má výborné předpoklady pro pohyb v členitém terénu. V článku je popsán jeho vývoj a návrhy pro další směřování jeho vývoje. Původní návrh a uskutečnění myšlenky do 3D probíhalo samozřejmě za pomoci CADu. V tomto případě byl použit CAD systém Solid EDGE.

Princip pohybu robota

Hlavní funkcí robota je pohyb v členitém terénu za účelem plnění manipulačních prací apod. Konstrukce robota vychází z uspořádání naznačeného na kinematickém schématu, přičemž jednotlivé nohy jsou dvěma rovinnými klouby. Při návrhu kinematiky nohou byly využity čtyřkloubové rovinné mechanismy, které se vyznačují několika výhodami vyplývajícími z jejich konstrukce [1].
 
Obr. 1 Kinematické schéma uspořádání nohou robota Youpy

Konstrukční řešení robota

Na základě analýz byl vybrán jako akční člen polohový servomechanismus typu GWS S03N (maximální točivý moment 0,24 Nm, maximální rychlost otáčení 0,23 sec/60°). Jde o servomechanismus využívaný zejména v RC modelech pro polohování mechanismů. Rozsah úhlového natočení je 180°. Zadávání žádané hodnoty úhlu natočení je realizováno pomocí šířkovo-impulzně modulovaného signálu obvykle používaného u těchto typů zařízení.

Obr. 2 Dva pohledy na 3D model robota
 
Obr. 2 Dva pohledy na 3D model robota

Rám konstrukce je tvořen základovými deskami, ke kterým jsou připevněny servomechanismy pro natáčení kyčelních kloubů. Samotný kyčelní kloub je tvořen rovinným kloubem realizovaným přímo mezi kryty polohových servomechanismů určených pro pohon kyčelního a kolenního kloubu. Hnací rotační účinek kyčelního polohového servomechanismu je z výstupního hřídele servomechanismu dále přenášen pomocí pákového (klikového) mechanismu, který spolu s bederním kloubem tvoří nepravidelný čtyřkloubový mechanismus. Tento mechanismus vznikl jako modifikace původní myšlenky paralelogramu.

Obr. 3 Čtyřkloubový mechanismus nohou
 
Obr. 3 Čtyřkloubový mechanismus nohou

Na 3D modelu robota byly simulovány pohybové trajektorie jednotlivých kloubů a byly ověřeny jednotlivé stavy, při nichž by mohlo docházet k nežádoucím interferencím. Tento návrh byl následně realizován v podobě funkčního modelu.
 
Obr. 4 Youpy jako nosič kamery
 
Obr. 4 Youpy jako nosič kamery

Řízení pohybu robota

Řízení pohybu robota kráčejícího pomocí čtyř nohou je náročnější než u robotů se šesti a více nohami. Robot v této konfiguraci nemá přirozenou stabilitu, jako mají roboty s více nohami. Tento typ pohybu musí být realizován tak, aby se při vlastním pohybu přesouvalo těžiště a robot si zachovával stabilitu. Při každé fázi pohybu musí stát robot minimálně na třech nohách, přičemž jeho těžiště musí být uvnitř trojúhelníku, který opisují kontaktní body těchto tří nohou s podložkou. Čtvrtá noha přitom musí realizovat přesun do nové polohy. Takto postupně dojde k přesunu všech čtyř noh, a tedy i celého robota. Cyklickým opakováním této sekvence je možné dosáhnout výsledného pohybu v žádaném směru.
Pro testování algoritmu lokomoce byl experimentálně použit jednočipový mikropočítač Basic Stamp 2. Při těchto experimentech byl mikropočítač a zdroj energie umístěn mimo robota a řídící signály a energie byly distribuovány pomocí kabelů.

Obr. 5 Řešení jednotlivých částí „kloubů mechanismu“
 
Obr. 5 Řešení jednotlivých částí „kloubů mechanismu“

Maximální rychlost pohybu robota po rovinném povrchu, která byla dosažena, byla 0,025 m/s. Mikropočítač realizoval taktování pohybu na základě zvoleného algoritmu a informaci o úhlu natočení jednotlivých kloubů. Tyto doby trvání pohybů budou závislé na zatížení jednotlivých akčních členů a velikosti napájecího napětí energetického zdroje.

Účel, očekávání, vývoj

Tento robot byl vyvinut jako didaktická pomůcka pro výuku předmětů na cvičeních ve studijních programech Mechatronika a Všeobecné strojírenství. Z tohoto důvodu byly při jeho realizaci použity transparentní materiály.
Kráčející robot disponuje osmi nezávisle řízenými stupni volnosti (tj. osmi akčními členy), což způsobuje komplikovanější algoritmus pohybu. Oproti kolečkovým robotům však tento způsob pohybu umožňuje překonávat členitý terén (relativně vysoké překážky, prohlubeniny, strmé svahy apod.). Protože dochází k neustálému rozjezdu a brzdění pohybů použitých akčních členů, je tento pohyb oproti kolové lokomoci energeticky náročnější.
 
Obr. 6 Pohledy na praktickou realizaci robota YoupyObr. 6 Pohled na praktickou realizaci robota Youpy

Všechny popsané výhody a nevýhody vyplývají z konstrukční povahy noh. Jde o soustavy několika kinematických dvojic, které jsou samostatně řízeny během jednoho kroku. Proto jsou kráčející mobilní roboty oproti kolovým mnohem náročnější ve všech fázích vývoje projektu. Většina zkonstruovaných robotů jsou pouze laboratorní exempláře určené pro didaktické účely. Jen nepatrné procento najde uplatnění i v praktických aplikacích. Náš Youpy však bude po akademické půdě kráčet dále. Vpřed ho bude hnát další vývoj a následné vylepšení.

Literatura

  1. LORKO, J.: Návrh didaktického modelu štvornohého robota. Diplomová práca. TU SjF KAMaM, Košice 2007
  2. FEDORKO, G.–MOLNÁR, V.–MADÁČ, K.: Základy aplikácie Pro/Engineer v technickej konštrukcii. 1. vyd. Košice: TU, 2006. 95 s. ISBN 80-8073-478-X
  3. BARANOVÁ, E.–STANOVÁ, E.: Trajektória bodu pri niektorých zložených pohyboch. In: Informatika a algoritmy 2002, Informatech, 2002, Prešov, s. 288–293. ISBN 80-88941-21-0
  4. VÁCLAV, Š.–POKORNÝ, P.–ÁČOVÁ, M.: Principle of mechanical structures assembly. In: ICPM 2007. IV. International Congress on Precision Machining 2007, Kielce, Poland, 2007. ISBN 978-83-88906-91-6
  5. VÁCLAV, Š.–PETERKA, J.–POKORNÝ, P.: The assembly as system. In: Scientific Bulletin. Vol. XXI, International Multidisciplinary Conference. 7th. Baia Mare 2007, Romania, ISSN 1224-3264
Článek byl vypracován v rámci řešení projektů VEGA 1/0201/08 „Výskum štruktúr a správania sa modulov mechatronickej mobilnej technickej sústavy na úrovni orgánov a stavebných prvkov za účelom zlepšenia vlastností mobilnej technickej sústavy“ a VEGA 1/4164/07 „Výskum špecifických problémov pri meraní dĺžok a bilancovaní neistôt merania“.
Autoři pracují na Strojnické fakultě TU v Košicích.
e-mail: cad@ccb.cz
 
 

Mohlo by vás zajímat:
 

Přidat komentář

Bezpečnostní kód
Obnovit