Rozbor řešení grantového projektu a celkové shrnutí Mobile robot

Marek Votroubek | Monika Svědirohová ČVUT Media Lab Rozbor řešení grantového projektu a celkové shrnutí Název projektu: Mobile robot for rough terrain / 6IXTEN Robot Řešitelé: Za Fakultu strojní: Marek Votroubek Za Fakultu elektrotechnickou: Monika Svědirohová Marek Votroubek | Monika Svědirohová ČÁST PRVNÍ Rozbor řešení za FS Cíle definované v mechanické části byly splněny. V rámci řešení mechatronické části projektu byl navržen a zkonstruován inovativní systém zavěšení kol s řídicím systémem. Postup je vypsán vždy zvlášť ke každému bodu původního plánu řešení. 1) Rešerše a porovnání existujících řešení. Stávajících řešení podvozků určených pro průchod terénem jsou zpravidla 2 typy. Prvním případem jsou pásová vozidla, která mají velkou spotřebu energie na ujetou vzdálenost z důvodu velkého tření způsobeného deformací pásu. Druhým typem jsou kolové podvozky, které mají vysokou energetickou efektivitu, ale jejich průchodnost není tak dobrá, ačkoliv jsou doplněny o „standardní tlumící systém (znám např. z osobních automobilů) s velkou světlou výškou [1]. Obr. 1,2: Ukázky kolových podvozků pro roboty. Obr. 3,4: Ukázky robotů s pásovým pohonem. 2) Ideový návrh podvozku se speciálním zavěšením kol Byla vypracována idea kolového podvozku, doplněná řiditelným zavěšením kol na poloosách tak, aby se poloosy mohly řídit ve směru nahoru a dolů (jako např. u klasického automobilu) ale také vpřed a vzad. Touto kombinací je možné dosáhnout polohování kol do přesné polohy podle typu a tvaru terénu. Zároveň je na koncích těchto poloos ještě pasivní mechanická soustava, která se maximálně přizpůsobuje terénu a udržuje kontakt všech kol s povrchem. [1] světlá výška je nejmenší vzdálenost mezi povrchem a podvozkem v nezatíženém stavu Marek Votroubek | Monika Svědirohová 3) Experimentální ověření navrhovaného řešení na zkušebním modelu (Lego, Fischer Technik, Item). Ověření proběhlo na stavebnici Lego, ale z důvodu malé tuhosti byla experimentální konstrukce realizována pomocí české stavebnice Merkur. Ukázalo se, že konstrukce prostorového paralelogramu [2] (který je základem každé poloosy) vyžaduje velmi specifický přístup k řešení, protože možnost aktivního řízení může v určitých polohách kolidovat. Z hlediska statické určitosti, které dosahuje hexagonální paralelogram, jsme museli tuto konstrukci modifikovat tak, aby byla středově souměrná a zároveň zachovala zmíněnou statickou určitost. Výsledkem řešení byla vlastní konstrukce paralelogramu se základnami ve tvaru čtverce, doplněnou o jednu vnitřní osu zamezující nežádoucí axiální rotaci poloosy. Taková platforma by byla dostatečně tuhá, a zároveň by vyhovovala všem požadavkům na řízení pohybu hydraulickými válci. Volba hydraulických válců pro řízení poloos má několik výhod oproti řízení klasickými motory: a)
b)
c)
d)
Jejich výsuv lze přesně řídit pomocí enkodérů a v každé poloze mají takřka nulovou vůli. Nevyžadují převodové ústrojí a složité uložení celého mechanického systému. Stačí jedno (resp. 2) centrální čerpadlo(a) a sada řízených ventilů pro komplexní ovládání. Lze je umístit přímo na poloosu, nezabírají místo na podvozkové části určené pro napájení, elektroniku a vnímání. e) Mají lepší poměr hmotnost/ vyvinutelná síla. 4) Konstrukce a návrh v systému AutoDesk Inventor (SolidWorks, SolidEdge), výkresová dokumentace pro výrobu. Z hlediska zkušeností s 3D programy byl pro konstrukci byl zvolen Autodesk Inventor 2011. Byla vytvořena výkresová dokumentace pro výrobu, včetně G‐kódů[3] pro CNC obráběcí stoj. Ukázky výkresů: Obr 5: Sestava podvozkové platformy [2] prostorový paralelogram udržuje proti sobě 2 různé předměty (roviny) vždy rovnoběžně. [3] G‐kód je sekvence příkazů pro CNC obráběcí stroj, zahrnující všechny nezbytné instrukce pro obrobení dané komponenty. Marek Votroubek | Monika Svědirohová Obr 6: Výkresy součástek tlumící a hnací soustavy Obr 7: Návrh řízené poloosy Marek Votroubek | Monika Svědirohová Ukázka vytváření trajektorií pro CNC stroj Obr. 8 Návrh obrábění v Solidworks Obr. 9 G‐kód a MACH3 CNC controller Marek Votroubek | Monika Svědirohová 5) Výroba a montáž. a) Materiál Pro výrobu celé podvozkové platformy byla zvolena lehká slitina hliníku AlMgSi0,5. Vyhovuje v daném měřítku všem pevnostním požadavkům (potřebná pevnost v ohybu a krutu) díky příměsi křemíku se dobře obrábí (tvoří souvislou třísku) a je dobře svařitelný. Dutý profil s čtvercovým průřezem na rám, čtvercový plný profil na systém pasivního tlumení, které vyžaduje přesné uložení os. Pro tyče poloos byl zvolen uhlíkový kompozit, který je nejen velmi lehký, ale také pohlcuje vibrace, což je na systému poloos žádoucí. Osy tlumících platforem jsou z válcované oceli 11 600, další rotační komponenty z hliníku s výše uvedenými charakteristikami. b) Komerční výrobky pro konstrukci Jako klouby se dvěma stupni volnosti, určené pro pohyblivost poloos byly zvoleny kardanové závěsy. Z hlediska úspor financí a vysoké pevnosti jsme zakoupili komerční klouby ve velikosti 1/4“. Použití valivých ložisek jen pro pasivní tlumící systém (cca 100 ks) by bylo velmi pracné na implementaci do mechanického systému, proto jsme aplikovali kluzná pouzdra pro bezúdržbové uložení. Výrazně se tak odlehčila konstrukce a usnadnila výroba některých komponent (zmíněná pouzdra se pouze nalisují do vyvrtané díry s přesností IT9 nebo lepší, vnitřní průměr díry pouzdra je pak v toleranci H7). Tlumiče a kola jsou komerční a používají se pro RC modely aut v měřítku 1/10 – 1/12. Pohony jsou řešeny synchronními řemeny v nejmenší velikosti, zn. XXL. (rozteč zubů je 0,625mm, šířka řemenu je 12mm). Řemenice jsou odlehčeny zúžením střední části kola, navrtáním děr a vytvořením věnce. Spojení s hřídelemi je realizováno anaerobním lepidlem. c) Spoje Rám je spojen pomocí tupými svary pomocí TIG svařování v CO ochranné atmosféře. Ostatní spoje jsou realizovány pomocí šroubů s válcovou hlavou. Šroubová spojení jsou opatřena samojistnými maticemi. 6) Oživení a zkušební testy v součinnosti s FEL. Oživení mechanických částí probíhalo postupně po celou dobu trvání projektu. Mohly tak být postupně odstraňovány chyby v softwaru, a vylepšování konstrukce pro daný účel (podrobnosti ohledně softwaru a hardwaru níže). Marek Votroubek | Monika Svědirohová 7) Prezentace výsledků. a) Závěr Prezentace výsledků představenstvu ČVUT MediaLab proběhla 22. 11. 2011 v hotelu Christie, Vladislavova 20, 110 00 Praha 1. Získali jsme ocenění nejlépe odprezentovaného projektu. Další oficiální prezentace plánujeme až po úplném dokončení projektu, kdy budeme moci předvést všechny plánované funkce. b) Inovace Inovativní řešení spočívá v řešení tlumícího systému. Jedná se systém 3 sad pružin, které se navzájem deformují podle toho, jakým terénem robot projíždí, a tím dynamicky mění vlastnosti podvozku. Umožňují kolům se co nejlépe přizpůsobit povrchu: při výjezdu je přední kolo na každé poloose tlačeno směrem vzhůru a má tendenci přejet překážku. Při sjezdu je nejvíce zatěžováno zadní kolo, přední kolo má možnost se dostat až pod zadní kolo a stále udržovat kontakt s povrchem. Systémy kol jsou tlumeny také při nárazu zepředu, což se velmi hodí při prudkých sjezdech, kde by „klasická“ řešení tlumícího systému byla neaktivní. Obr. 10,11: Inovativní řešení tlumícího systému. Těžiště Kvůli žádoucí stabilitě robota při tzv. „chůzi“ (synchronizovanému pohybu poloos připomínají chůzi) byl navržen podvozek se 16 koly. Na obrázku je vidět nutná poloha těžiště. Pokud tomu tak je, robot může zvednout kteroukoliv poloosu (resp. Kterékoliv protilehlé poloosy), a nebude se kácet. Obr. 12: Žádoucí poloha těžiště v půdorysu Marek Votroubek | Monika Svědirohová ČÁST DRUHÁ Rozbor řešení za FEL 1) Popis elektronické části: Elektronika robotu byla navržena tak, aby tvořila komplexní systém, sestávající z řady vzájemně propojených modulů. Nadřazený systém (řídící deska s mikroprocesorem ATmega 128) bude spravovat datovou sběrnici uvnitř robotu, dávat povely subsystémům, číst senzorická data a ty předzpracovávat pro řídící počítač. Z pohledu řídicího počítače (notebook) se celý robot tváří jako samostatná periferie. Notebook se systémem ROS (robotický operační systém) se tedy musí starat pouze o vysokoúrovňové úkoly, jako například plánování trasy, zpracování obrazu či vyhodnocování dat. Tato hierarchie umožňuje poslat například příkaz "posun o tři metry tímto směrem" bez nutnosti starat se o způsob jak provést natočení nebo nastavení motoru, neboť tyto úkony jsou skryty uvnitř jednotlivých subsystémů. 2) Řízení poloos Každá poloosa je řízena vlastním mikroprocesorem ATmega8, což zjednodušuje správu a kontrolu. Tento mikroprocesor má za úkol nastavování motorů, vyčítání odometrie a její předzpracování pro řídící desku. Což je vidět na blokovém schématu: Obr. 13: Rozložení desek Marek Votroubek | Monika Svědirohová Ukázka DPS řídící desky: Obr. 14: DPS řídicí deska Jedná se o dvouvrstvou desku navrženou v programu OrCad tak, aby byly splněny prostorové i výkonové nároky robota. 3) Hierarchie systémů Nejvýše postaveným systémem je řídící počítač (netbook) se systémem ROS, robotický operační systém je nově vznikající platforma, která slouží pro usnadnění vývoje robotických aplikací. Její hlavní výhodou jsou standardizované rozhraní pro komunikaci mezi moduly. Moduly představují nezávislé programy s definovanými vstupními a výstupními událostmi. Událost je třeba zpracování orometrie a její zanesení do map. Na následujícím blokovém schématu můžeme vidět ukázku komunikace robotu s jednotlivými subsystémy. Obr. 15: Komunikace se systémem ROS Marek Votroubek | Monika Svědirohová 4) Komunikace Komunikace probíhá převážně po sběrnici I2C. Což je komunikace typu master‐slave, jednotlivé moduly se připojují paralelně a sdílí signální vodiče SDA (datový vodič) a SCL (hodiny). Komunikace probíhá takto: řídící deska (master) se zeptá senzoru jak daleko je překážka, senzor vyhodnotí vzdálenost a pošle ji řídící desce, ta vyhodnotí, jestli je dál než bezpečnostní práh a pokud ano pošle informaci řídicímu systému Ros, který ji následně zpracuje. Pokud je překážka blíž než je daný práh, řídící deska okamžitě vyšle všem motorům příkaz STOP bez ohledu na řídicí systém. Ten jen dostane informaci, že robot zastavil z důvodu překážky od daného čidla a má za úkol situaci vyřešit. 5) Senzory Na detekci vzdálenosti byla vybrána ultrazvuková čidla, která měří vzdálenost na principu časové odezvy na vyslaný zvukový impuls při konstantní rychlosti šíření zvuku a ne pomocí měření intenzity, mají vynikající schopnost potlačení pozadí. Téměř všechny materiály, které odrážejí zvuk, lze detekovat bez ohledu na jejich barvu. Lze je použít bez problému na průhledné materiály a tenké fólie. 6) Závěr V rámci první části projektu bylo navrženo řešení řídící části včetně řídící elektroniky tak, aby bylo přenositelné na jakoukoliv platformu, byla zajištěna bezpečnost a rychlá reakce na změnu situace. Byla využita nově vznikající a velice rozšířená platforma, která se stává základem většiny robotů. Dále byla provedena rešerše a porovnání jednotlivých čidel, které jsou na trhu. Vybrána ultrazvuková čidla a 3D senzor s gyroskopem, akcelometrem a kompasem, který bude využit v další části projektu při navigaci a překonávání obtížného terénu.