Project Tachikoma, prototype III ontwerp vorderingen en referentie informatie

Inmiddels is het derde prototype, qua ontwerp flink gevorderd. In dit artikel een overzicht van diverse ontwerp aspecten en de verschillende overwegingen die daar aan vooraf zijn gegaan. Tussendoor zijn verschillende afbeeldingen te zien ter illustratie van concept, tussen en eind fases van ontwerp gedeeltes. Aan het eind bevind zich voor de geïnteresseerde een lijst met diverse winkels en websites die gebruikt zijn en worden voor het ontwerp, referentie, informatie en de benodigde onderdelen.

Allereerst een verzameling afbeeldingen van de gehele robot. Ter indicatie van de schaal is er ook een afbeelding opgenomen met een standaard formaat frisdrank blikje.
 

Ontwerp overwegingen en tegengekomen zaken

Het ontwerpen van een robot die sterk overeenkomt met een Tachikoma qua functionaliteit en uiterlijk is een zeer iteratief proces, waarbij functionaliteit, benodigde onderdelen, plaatsing van onderdelen en vormgeving herhaaldelijk herzien en bedacht worden. Dit is een geweldige creatieve ervaring en soms ook een frustrerende.

Een belangrijk aspect is het kunnen laten bewegen van de benen, zodoende dat er gereden en gelopen kan worden binnen een ruime set vrijheidsgraden. De plaatsing van de servo’s in de behuizing en ook het kunnen vastmaken van deze is hierbij key. De vormgeving van de benen, het midden gedeelte van het lichaam en de cabine aan de achterkant hebben bij de Tachikoma een mooie ronde vorm welke ook weer terug dient te komen in het robot ontwerp. Bijpassende wielen zijn ook gevonden (link).

Onderstaand een aantal afbeeldingen ten tijde van diverse ontwerp iteraties.

Riem versus worm wiel aandrijving

Voor de aandrijving van de vier wielen is gekeken naar een riem aandrijving en een tandwiel overbrenging, specifiek door middel van een worm wiel. Met ieder hun eigen voor en nadelen. Overige mogelijkheden waren een combinatie van maar 2 van de 4 wielen die aangedreven zouden worden, een ander alternatief voor de aandrijving was eventueel met kegeltandwielen, dit levert echter voornamelijk alleen ruimte besparing op.

De riem aandrijving componenten zijn eenvoudig te krijgen, met minimale benodige bewerkingen. Een continuous rotation servo die al in het eerste en tweede prototype gebruikt is kan hier eenvoudig voor hergebruikt worden. Een van de nadelen bleek in het 3D ontwerp dat het veel ruimte in beslag ging nemen en ten koste ging van het been gedeelte indien er veel draaibeweging nodig was.

De worm wiel aandrijving heeft als groot voordeel dat de wielen geblokkeerd zijn zolang deze niet worden aangedreven. Dit zal veel helpen bij het lopen van de robot, bij het tweede prototype bleek al gauw dat de wielen niet genoeg rem kracht hadden om stil te blijven staan. Nu wordt dit mechanisch gedaan en kost het ook geen elektrische energie. Het worm wiel heeft een minimale tandwiel overbrenging van 1:20, dit betekend dat de snelheid 20 maal kleiner wordt en de kracht 20 maal groter. Door deze verhouding was het nodig om over te stappen naar het gebruik van gelijkstroom motoren met een hoge standaard snelheid en een hoeveelheid kracht die beide omgerekend nog steeds afdoende zijn voor de gewenste snelheden/acceleratie. Om de 4 motoren te kunnen aansturen is ook een motor controller nodig.

Voor de hobbyist zijn er een groot aantal motoren beschikbaar met diverse verhoudingen, snelheden, stroom verbruik en vermogen. De keuze viel uiteindelijk op een motor uit de Pololu Micro metal gearmotor serie (Overzicht tabel). Er moest wel gelet worden op de maximale stilstand stroom, gezien verschillende motor controllers verschillende maximale toelatbare stroom hoeveelheden hebben.

De maximaal te behalen snelheid is te berekenen met de volgende formule.

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

1 / 20 is vanwege de 1:20 wormwiel verhouding.

De wiel diameter is ingevuld 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.

Afstand sensoren

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.

Sturen en wiel standen

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.
 

Elektrisch ontwerp

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:

Referenties

Ter interesse, onderstaand een overzicht van gebruikte informatie bronnen en webwinkels waar 90% van alle onderdelen vandaan komen. Gezien de beperkte machinale mogelijkheden wordt er zo veel mogelijk gebruik gemaakt van “off the shelf” producten.

Webshops voor het bestellen van onderdelen.

Webshops voor zowel informatie als mede beschikbare onderdelen.

3D modellen en bestaande ISO/ANSI/DIN onderdelen lijsten van diverse mechanische componenten.

Leave a Reply