tachi-proto-3-62

Project Tachikoma, prototype III ontwerp vorderingen en referentie informatie

So far the third prototype iteration has been progressing forward. In this article an overview will be given of several design aspects and the ideas and considerations behind them. Multiple images are included to illustrate the initial concept, an in between variant or iteration and the end design for which was settled. For those interested, at the end of this article a website resource list for ideas, parts and information has been included that have been used during this whole project.

First a collection of images showing the whole robot, taken at different times during the design. As an indication of the scale, there is also an image which includes a standard sized soda can.

Design considerations and discoveries

Designing a robot that equals the Tachikoma both functionally and cosmetically is very iterative process, where functionality, required parts, placing parts, and sculpting the shapes have to be repeatedly reconsidered and imagined. This can be a wonderful creative experience but also a frustrating one at times.

An important aspect is the movement possibilities of the legs, they have to be able to walk, requiring substantial freedom of movement and position themselves for driving. The placement of the servo motors in the housing and being able to mount them correctly is a key aspect in this regard. The shapes of the legs, the round center part of the body and the pod cabin at the back are rather complex on the Tachikoma, something that has to be incorporated in the robot design. Fitting model scale wheels have also been found (link).

Below, several images made during the design process.

Belt versus worm gear driven wheels

For driving the four wheels individually both a belt and a worm gear solution were considered. Each having their own advantages and disadvantages. Other possibilities were to only drive 2 of the 4 wheels or an alternative drive system through the use of bevel gears, the only advantages of these solutions were smaller space utilization.

The parts for the belt drive are relatively easy to come by, with minimal needs for custom modification. A continuous rotation servo that had been used for the first and second prototype could be reused for this purpose. One of the big disadvantages become apparent when the belt drive was modeled in the 3D design and proved to take up lots of space which then had to be removed from the leg shape in case a large turning angle was desired.

The worm gear design has the big advantage that the wheels are mechanically blocked when not being driven by the motor. This will be of great benefit when the robot is walking, as was noticed with the second prototype where the wheels kept rotating during walking. The mechanical solution also reduces any electrical braking needs, saving on battery power. The worm gear has a minimal gearing ratio of 1:20, this will mean that the speed will be reduced and the torque will be increased a factor 20. Due to these ratios it was needed to consider the usage of gear motors instead of servos, as these will provide higher speeds at lower torque that, when using the worm gear still amount to sufficient torque and velocity. To control the 4 gear motors an Arduino compatible motor controller is also needed.

For the hobbyist a great number of (gear)motors are available, each having their own torque, speed, current usage and power specifications. The choice was made to go for a gear motor from the Pololu Micro metal gear motor serie (Link for overview table). Attention had to paid especially to the maximum stall current, as different motor controllers have different maximum achievable current limits.

The maximum achievable velocity can be calculated using the following equation.

1 / 20 * RPM / 60 * wheel_diameter * 3.14 = v [m/s]

1 / 20 is due to the (minimum) 1:20 worm gear ratio.

The wheel diameter is entered in meters.

Hieruit bleek dat de snelheid met de gekozen motor 10:1 Micro Metal Gearmotor (link) met 2200 RPM en wiel diameter van 0.031 meter rond de 0.18 m/s ligt. Dit is ongeveer gelijk aan de maximale snelheid van het tweede prototype, dat voor test doeleinde nooit sneller heeft gereden dan 70% van de maximale snelheid.

Onderstaand een aantal afbeeldingen waarbij de verschillende aandrijf ontwerpen te zien zijn.

Below, several images to illustrate the different drive design solutions incorporated in the robot body.

Distance sensors

Bij het tweede prototype is gebruikt gemaakt van de sharp distance sensors (3cm-40cm, Sharp GP2D120XJ00F). Dit is een eenvoudige, goedkope sensor met een prettig minimale meet afstand van enkele centimeters. Helaas bleek dat ondanks de stabiele meting die de sensor afgaf deze in weinig gevallen overeenkwam met de echte afstand. In een meetopstelling is met diverse weerstanden, condensatoren en wiskundige formules nog getracht er iets van te maken, met teleurstellend resultaat. Op diverse fora is er ook veel over te vinden (link). Ook worden deze sensoren niet meer geproduceerd door de fabrikant, maar zijn nog wel grootschalig op voorraad bij diverse leveranciers.

Voor prototype twee is de Maxbotic LV-EZ1 ultrasoon afstand sensor (link) ook getest, deze sensor is duurder, heeft een groter minimaal meetbereik van 15 cm ten op zichtte van 3 cm maar geeft met een resolutie van 1 cm altijd correct de afstand weer. Deze betrouwbaarheid zal voor het derde prototype erg goed zijn, er zullen dan ook 3 tot 5 van deze sensors gebruikt worden.

Onderstaand een aantal afbeeldingen van hoe deze sensor in het ontwerp van de behuizing verwerkt is.

Steering and wheel angle positions

Tijdens het ontwerpen van het voet gedeelte was het nodig om te bepalen hoe ver de wielen eventueel zouden draaien. Gezien de impact hiervan op de stuur hoeken die mogelijk zijn. Het ontwerp van de Tachikoma heeft de eigenaardigheid dat de voorste benen “standaard” onder een hoek van 20 graden naar voren staan en de achterste benen op 45 graden naar achter, respectievelijk staan de wielen in hun “rechte” positie ook in deze hoek ten opzichte van de rest van de robot.

Om dus recht te kunnen rijden zullen de achterste wielen minimaal 45 moeten draaien en de voorste 20 graden. De volgende website was handig voor een aantal initiële ideeën omtrent stuur mogelijkheden voor robots: http://www.beam-wiki.org/wiki/Steering_Techniques. Gewenst is om de robot zo’n klein mogelijke stuur radius te laten rijden en krab bewegingen te kunnen laten maken. Dit zou meerdere vormen van stuur en regel gedrag mogelijk maken.

Voor een zo klein mogelijke bocht is gekeken naar een Ackerman opstelling en anti parallel sturen. De volgende drie stuur mogelijkheden zijn bekeken:

  1. Standaard Ackerman, de voorste twee wielen gestuurd, de achterste wielen “recht”. Om dit te realiseren dienen de achterste wielen 45 graden te draaien en de voorste wielen 20 graden om recht naar voren te staan. Voor de voorste wielen komt hier dan een extra 20 graden bij voor de hoeveelheid gewenste stuur radius. De draaicirkel wordt hiermee 573 mm. Deze is dan gerekend vanaf het middelpunt tussen de twee achterste wielen.
  2. Anti-parallel, zowel de twee voorste als achterste wielen sturen. Dit vereist een behoorlijk stuur hoek voor de achterste wielen vanuit hun standaard positie, bij ongeveer 65 to 70 werd de draaicirkel interessant klein. Doordat het aangrijpingspunt nu in het midden van het ronde gedeelte van de Tachikoma ligt zal dit er ook visueel aantrekkelijker uitzien. De draaicirkel wordt hiermee 334 mm. Voor deze mogelijkheid is dan ook gekozen.
  3. Anti-parallel met verschoven stuur punt. Een alternatief van punt twee, waarbij het draai aangrijpingspunt op de robot naar achteren verschoven is. Dit om te bekijken of hierdoor de benodigde stuur hoek eventueel gereduceerd kon worden, dit was minimaal dus niet lucratief.
Onderstaand een aantal afbeeldingen waarbij de verschillende stuur hoeken en dimensies te zien zijn. Daaruit volgde het fysieke ontwerp met stuur mogelijkheid van +/- 72 graden. Ook het wisselen naar wielen met een iets kleinere diameter had hier impact op.

Electrical design

Betreft het elektrisch ontwerp is er voornamelijk het een en ander toegevoegd. LEDs, een motor controller en meer afstand sensoren. De module die voorheen gebruikt werd voor het geluid, de Adafruit Audio shield zal niet gebruikt worden. In combinatie met de Arduino microcontroller neemt deze een te groot deel geheugen in beslag, waardoor er geen ruimte meer is voor het loop en rij programma. Voor ogen ligt nu de MP3 trigger, welke via elektrische signalen op een specifieke poort MP3 bestanden van een SD kaart kan afspelen.

Op het oog hebbende elektronica:

References

For those interested, below an overview of used sources for information and web stores where 90% of all parts are coming from. Given the currently limited fabrication possibilities at home most of the time off the shelf products are used.

Webshops for ordering parts.

Webshops for both information and an indication of part availability.

3D models and existing ISO/ANSI/DIN parts lists of various mechanical parts.

Leave a Reply