Transformer–rekonfigurovatelný mobilní robot Wheeking 1

Tags: CAD | Mechatronika

Jak probíhal vývoj konstrukce robota

Rekonfigurovatelný mobilní robot, který byl řešen v rámci diplomové práce na Katedře aplikované mechaniky a mechatroniky na Technické univerzitě v Košicích, se skládá z rámu a karosérie, ke kterým jsou bederními klouby připevněny nohy. Noha se skládá z horní a dolní části, které jsou navzájem spojeny kolenním kloubem. Polohovými servomechanismy poháněná kola jsou umístěna na konci spodních částí nohou, které jsou během režimu s kolovým podvozkem podklopené pod spodní plochou karosérie. Jakmile dojde k transformaci na kráčející podvozek, nohy se vyklopí a namísto běhounové části kol bude robot stát na bočních stranách kol, plnících funkci chodidel.

Po analýze současného stavu řešené problematiky bylo nutné provést návrh v rané fázi konstrukčního procesu (obr. 1). Postupovalo se podle etap návrhu mechatronického výrobku, počínaje stručným popisem a ideovým modelem problémové oblasti, přes znalostní modely vlastností a popis logického chování, až po principiální návrh v podobě 3D modelu s podporou CAD [1, 2, 3].

Po analýze nápadu v rané fázi konstrukčního návrhu následovaly různé výpočty, přičemž se začalo geometrickými výpočty karosérie a nohou. Vypočítaly se jednotlivé objemy, z nich hmotnosti s úvahou, že na výrobu dílců bude použit polykarbonát Lexan ISO 178, a z vypočtených hmotností se určily tíhové síly. Z hmotností a objemů jednotlivých dílců byl určen výsledný objem a výsledná hmotnost robota. Na bázi těchto hodnot se přistoupilo k dimenzování pohybového mechanismu robota včetně pohonů. Tyto výpočty byly nezbytné pro určení požadovaných krouticích momentů v jednotlivých kloubech, na bázi kterých byl zvolen servomechanismus HS-55 s krouticím momentem 1,1 kg/cm. Při výpočtu kolového podvozku bylo třeba vypočítat řadu jízdních odporů, tj. valivý odpor, odpor stoupání, zrychlení a odpor při překonávání překážky. Jejich součtem byla stanovena hnací síla, jejímž použitím bylo možné vypočítat rychlost a zrychlení při průjezdu dráhy 1 m a také čas, za který se daná dráha vykoná. Použitím Denavit Hartenbergerovy věty se přistoupilo ke kinematickému rozboru kráčejícího podvozku, přičemž analýza byla provedena na čtvrtině modelu robota kvůli symetrii pohybového mechanismu (nohou). Byly určeny složky polohového vektoru, jejichž derivací lze dospět k rychlosti a zrychlení koncového bodu, tj. kola vzhledem k těžišti [1].

Návrh a analýza mobility robota s podporou CAD

Následovala analýza mobility, která byla provedena na počítačovém CAD modelu vytvořeném v programovém prostředí SolidWorks 2009, přičemž se zkoumala lokomoce kolového podvozku (obr. 2), rekonfigurace (obr. 3) a kráčejícího podvozku (obr. 4).

Rekonfigurace modelu se uskutečňuje vysunutím podklopených nohou zpod karosérie, a to takovým způsobem, že bederní a kolenní kloub se natáčejí a tím pádem se karosérie zvedá od země. Kola se také překlápějí z běhounové části na boční disky, které plní funkci chodidel. Když robot stojí na zemi, následuje postupné natočení nohou ve směru pohybu. Chůze byla simulována na bázi biologického vzoru větších savců, u nichž nejprve provede krok pravá (levá) přední noha, za ní následuje pravá (levá) zadní, zatímco se chodidla levých (pravých) nohou dotýkají země a tělo se mírně posouvá vpřed, s ním i levá (pravá) stehna. Když se kroky pravých (levých) nohou provedou, jsou na řadě levé (pravé) nohy. To se děje dokola a „transformer" se plynule pohybuje dopředu s mírným kývavým pohybem těla kvůli udržení těžiště v těžiskové oblasti. Podobnou kinematiku pohybového ústrojí má například slon [1].

Zrození prototypu robota

Po virtuálním návrhu a ověření požadovaných funkcí robota v prostředí CAD systému následovala praktická realizace navrženého robota (obr. 5, 6, 7, 8), přičemž bylo nutno nejprve upravit čtyři servomechanismy kol pro kontinuální rotaci nahrazením potenciometrického snímače polohy napěťovým děličem. Následně byl vytvořen kyčelní kloub pomocí spojení dvou servomechanismů. Z polykarbonátu se vyrobily jednotlivé díly, které se poté smontovaly a vytvořily tak úplnou konstrukci robota. Důležitým krokem bylo zhotovení plošného spoje řídícího modulu, který obsahuje patici pro mikropočítač Basic Atom Pro 28-M a další podpůrné obvody.

Po zkonstruování mechanických částí robota, instalaci pohonů, zapojení elektroniky a naprogramování mikropočítače se přistoupilo k odzkoušení robota (obr. 5, 8). Je třeba dodat, že se to konalo v interiéru, jak se uvažovalo i ve výpočtech. Režim kolového podvozku je zřejmý z obr. 5.

Dále se zčásti řešila rekonfigurace z kolového režimu na režim chůze. Prvním krokem transformace z kolového na kráčející podvozek bylo natočení kyčelního kloubu ve směru pohybu, tj. o 90° z důvodu uvolnění servopohonů kolenního kloubu z parkovací zarážky a jeho současné narovnání. Analogicky byla vyzkoušena i zpětná transformace kráčejícího podvozku na kolový, která se uskutečnila zvednutím nohy, přičemž dolní část nohy byla kolmá na horní, a jejím následným podklopením pod karosérii. Následně se odzkoušelo zapadnutí kolenního kloubu do parkovacích zarážek [1] pro kolový provoz.

Naplnění cíle

Prototyp robota Wheeking 1 byl analyzován zejména z hlediska vytvoření funkčního rekonfigurovatelného podvozku, který by měl být schopen překonat překážky větší, než je průměr kola. Cílem tohoto snažení bylo hlavně ověřit použitelnost takového přístupu rekonfigurace robota. Realizace projektu prokázala, že je to možné. V tomto stadiu může náš „transformer" posloužit jako didaktická pomůcka. Na jeho nasazení mimo „akademickou půdu" bude třeba provést ještě mnoho nám již známých zdokonalení. Náš robot se už umí postavit „z prachu země" ze svých kol na vlastní nohy a naopak. Ale směle vykročit do světa se ještě neodváží. Čeká nás ještě mnoho úsilí a tvrdé práce, než ho vyšleme na první velkou misi do přírody, kde si bude umět poradit i se složitějšími překážkami. K tomu budeme potřebovat ještě hodně nápadů, trpělivosti a prostředků na realizaci. Důležitá je chuť do života. A ta je na obou stranách, na té naší lidské i na té „umělé robotické".

Článek byl vypracován s podporou projektu VEGA 1/0201/08 „Výskum štruktúr a správania sa modulov mechatronickej mobilnej technickej sústavy na úrovni orgánov a stavebných prvkov za účelom zlepšenia vlastnosti mobilnej technickej sústavy" a VEGA 1/0464/09 „Výskum mechatronických sústav imitujúcich lokomóciu hada v obmedzenom a premenlivom priestore".

Literatura

[1] Surovec, R.: Návrh rekonfigurovateľného mobilného robota. Diplomová práce, SjF TU Košice 2010.

[2] Kelemen, M.: Komponenty a moduly mechatronických systémov. Dočasná vysokoškolská učebnice, TU-SjF. Košice 2004. ISBN 80-8073-212-4.

[3] Shakeri, A.: A methodology for development of mechatronic systems. Ph.D. thesis. Norwegian University of Science and Technology. 1998. ISBN 82-471-0340-0.

[4] Fabianová, J. – Janeková, J.: Implementácia PLM systémov, jej prínosy a riziká. In: Transfer inovácií: 9/2006. – Košice: TU-SjF, 2006 (CD-ROM). – ISBN 80-8073-701-0.

[5] Kelemenová, T. – Henriczyová, T.: Metrotomografia – nástroj na meranie rozmerov tvarovo zložitých súčiastok. In: AT&P Journal. – ISSN 1336-233X. – Č. 9 (2009).