Вал двигателя как колесо робота

Двигатели для робота входят в состав приводов. Мы узнали о робототехнике в целом на шаге первом. На втором шаге решили, какого робота мы будем делать. Нам нужно установить приводы, которые заставят робота двигаться.

Выбор двигателя для робота напрямую зависит от задач, которые должен выполнять робот. Двигатель (мотор) может входить в состав привода или отдельно быть приводом.

Что такое привод?

Привод может быть определен как устройство, которое преобразует энергию (в робототехнике это, как правило, электрическая энергия) в физические движения.

Подавляющее большинство приводов производят либо вращательное или линейное движение. Например, мотор — это тип привода. Правильный выбор приводов для вашего робота требует понимание того, что приводы доступны. Возможно, немного фантазии, и немного математики и физики.Приводы вращения — это тип приводов преобразования электрической энергии во вращательное движение.

Двигатель переменного тока

Двигатель переменного тока (AC) редко используется в мобильных роботах. В первую очередь потому, что большинство из них рассчитаны на питание постоянным током (DC) от батареи.

Вал двигателя как колесо робота мотор переменного тока AC

Двигатели переменного тока используются в основном в промышленных помещениях , где требуется очень высокий крутящий момент. Прежде всего там, где моторы подключены к электросети.

Двигатели постоянного тока

Двигатели постоянного тока MotorDC моторы имеют разнообразные формы и размеры. Хотя большинство из них цилиндрические. Они имеют выходной вал, который вращается на высоких скоростях, обычно в 5 000 до 10 000 оборотов в минуту. Хотя двигатели постоянного тока очень быстро вращаются, большинство из них не очень мощные. Такие двигатели для робота имеют низкий крутящий момент.

Вал двигателя как колесо робота

Для того, чтобы снизить скорость и увеличить крутящий момент, могут быть добавлены редукторы. Чтобы установить двигатель на робота, нужно закрепить корпус двигателя на раме робота. По этой причине двигатели для робота часто имеют монтажные отверстия, которые обычно располагаются на лицевой стороне двигателя. Следовательно, они могут быть установлены перпендикулярно к поверхности.

Двигатели постоянного тока могут работать по часовой стрелке (CW) и против вращения часовой стрелки. Угловое движение вала может быть измерено с помощью энкодеров или потенциометров.

Мотор редуктор постоянного тока

Это двигатель постоянного тока в сочетании с коробкой передач. Она работает, чтобы уменьшить скорость двигателя и увеличить крутящий момент.

Например, двигатель постоянного тока вращается со скоростью 10000 оборотов в минуту и достигает 0.001 Н*м крутящего момента. Если добавить понижающую передачу 100:1 (сто к одному) мы снизим скорость в 100 раз.

В результате 10000 / 100 = 100 об / мин и увеличим крутящий момент в 100 раз (0.001 х 100 = 0.1 Н*м).

Вал двигателя как колесо робота мотор редуктор постоянного тока DC

Основные виды понижающих передач это:

зубчатая передача
ременная
планетарная
червячная

Червячная передача позволяет получить очень высокое передаточное число с помощью всего одного этап. И также не дает выходному валу двигаться, если двигатель не работает.

Серводвигатель

Тип используемого вами двигателя зависит от типа движения, которое вы хотите.

R / C или хобби сервомотор

Часто сервомоторы этого типа могут поворачиваться на угол до 180 градусов. Они поворачиваются на определенный угол поворота. И часто используются в более дорогих моделях дистанционного управления средствами для управления или контроля полета.

Вал двигателя как колесо робота хобби сервомотор

Теперь они используются в различных приложениях. Цены на эти сервоприводы значительно сократилось, и разнообразие (разные размеры, технологии и сила) увеличилось.

Общим фактором для большинства сервоприводов заключается в том, что большинство использует только поворот около 180 градусов.

R / C сервомотор включает в себя двигатель постоянного тока, редуктор, электронику и роторный потенциометр, который и измеряет угол

Электроника и потенциометр работают синхронно, чтобы управлять двигателем и останавливать выходной вал по заданному углу. Эти моторы обычно имеют три провода: земля, напряжение В, и управляющий импульс.

Управляющий импульс, как правило, снимается с регулятора мотора сервопривода. Хобби сервомотор — это новый тип сервопривода. Он предполагает непрерывное вращение и обратную связь по положению.

Все сервоприводы могут вращаться как вправо, так и влево.

Промышленные серводвигатели

Промышленный серводвигатель с приводом управляется иначе, чем хобби мотор и чаще встречаются на очень больших машинах. Промышленный сервомотор обычно трехфазный и состоит из двигателя переменного тока, редуктора и энкодера. Установленный энкодер обеспечивает обратную связь по угловому положению и скорости.

Вал двигателя как колесо робота промышленный сервомотор

Эти моторы редко используются в мобильных роботах из-за их веса, размеров, стоимости и сложности. Вы можете увидеть промышленные серводвигатели на мощный промышленных манипуляторах. Возможно их использование на очень больших роботизированных автомобилях.

Шаговые двигатели

Шаговый двигатель вращается на определенные “ступени” (на самом деле, конкретные градусы). Число ступеней и размер шага зависит от нескольких факторов. Большинство шаговых двигателей не включает в себя передачи. Так как это двигатели постоянного тока и вращающий момент низок.

Вал двигателя как колесо робота шаговый двигатель

Правильно настроенный шаговый двигатель может вращаться вправо и влево и может быть установлен в требуемое угловое положение. Есть однополярные и биполярные типы шаговых двигателей. Одним заметным недостатком шаговых двигателей является то, что если мотор не работает, трудно быть уверенным в угле пуска двигателя.

Если добавить передачу, то шаговый двигатель имеет тот же самый эффект, как и добавление передачи на двигатель постоянного тока: Он увеличивает крутящий момент и снижает угловую скорость. Поскольку скорость уменьшается на передаточное отношение, то размер шага также уменьшается на тот же фактор.

Линейные приводы

Линейный привод производит линейное движение (движение вдоль одной прямой линии) и имеют три основные отличительные механические характеристики.

Минимальное и максимальное расстояние, на которое стержень может сдвинуть вал (в мм или дюймах)
Их сила (в кг или фунты)
Их скорость (в м/с или дюйм/с)

DC Линейный Привод

Линейный DC привод часто состоит из двигателя постоянного тока, подключенного к червячной передаче. Когда двигатель вращается, то крепление на винте будет либо ближе или дальше от двигателя. По существу червячная передача преобразует вращательное движение в линейное движение.

Вал двигателя как колесо робота линейный привод

Некоторые линейные приводы постоянного тока включают в себя линейный потенциометр, который обеспечивает линейную обратную связь.

Для того, чтобы остановить привод от полного разрушения, многие производители включают концевые выключатели на обоих концах. Как правило, для отключения электропитания привода при нажатии на них.

Линейные приводы постоянного тока бывают в самых разнообразных размеров и типов.

Соленоиды

Соленоид состоит из катушки намотанной вокруг подвижного сердечника. Когда катушка находится под напряжением, сердечник отталкивается от магнитного поля и производит движения в одном направлении. Несколько катушек или некоторые механические механизмы потребуются для того, чтобы обеспечить движение в двух направлениях.

Вал двигателя как колесо робота соленоид

Соленоиды обычно очень маленькие, но их скорость очень большая. Сила зависит в основном от размера катушки и от того какой силы ток идет через него. Этот тип привода используется в клапанах или системах фиксации. В таких системах, как правило, нет обратной связи по положению (сердечник либо полностью убирается или полностью выдвинут).

Пневматические и гидравлические приводы

Пневматические и гидравлические приводы с помощью воздуха или жидкости (например воды или масла), служат для того чтобы двигаться линейно. Эти типы приводов могут иметь очень длинный ход, большую мощность и высокую скорость.

Вал двигателя как колесо робота пневматический или гидравлический привод

Для того чтобы эксплуатироваться они требуют использование жидкости компрессора. Это делает их более сложными в эксплуатации, чем обычные электрические приводы. Они имеют большую мощность, скорости и, как правило, большой размер. И в первую очередь используются в промышленном оборудовании.

Выбор привода

Важно отметить, что постоянно появляются новые и инновационные технологии, и нет ничего постоянного. Также обратите внимание, что один привод может выполнять очень разные задачи в разных условиях. Например, с различной механикой. Привод, который производит линейное движение, может быть использован для поворота объекта и назад (как у автомобильных щеток для очистки стекла).

Роботы с колесами или гусеницами

Приводные двигатели для робота должны перемещать вес всего робота и, скорее всего, потребуется понижающая передача. Большинство роботов используют притормаживание колесами одного борта. В то время как автомобили или грузовики, как правило, используют рулевое управление.

Вал двигателя как колесо робота роботизированная платформа на колесах

Если вы выберете бортовой поворот, то DC моторы с редуктором являются идеальным выбором для роботов с колесами или гусеницами. Ведь они обеспечивают непрерывное вращение, и могут иметь необязательную обратную связь по положению с помощью оптических энкодеров. Их очень легко программировать и использовать.

Если вы хотите использовать рулевое управление, то вам понадобится один приводной двигатель и один двигатель, чтобы управлять передними колесами. Поворот ограничен определенным углом и можно применить R / C сервомотор.

Робот манипулятор

Мотор используется, чтобы поднять или повернуть тяжелый вес. Подъем веса требует значительно больше энергии, чем перемещение веса на плоской поверхности. Скорость должна быть принесена в жертву для того, чтобы получить крутящий момент.

робот манипулятор

Поэтому лучше всего использовать редуктор с высоким передаточным отношением и мощный двигатель постоянного тока или линейного привода DC. Можно рассмотреть возможность использования системы (либо червячных передач, или струбцин). Что предотвращает груз от падения в случае потери управления.

Сервоприводы двигателей

Используются если диапазон ограничен до 180 градусов и крутящий момент не является существенным. Р/С мотора сервопривода идеально подходит для таких задач. Серводвигатели предлагаются с различными крутящими моментами и размерами и обеспечивают угловые обратной связи по положению.

Лучше использовать потенциометр, и некоторые специализированные оптические энкодеры. Р/С сервоприводы используются все больше и больше для создания небольших шагающих роботов.

Шаговые двигатели

Используются, когда угол поворота должен быть очень точными. Шаговые двигатели для робота в сочетании с контроллером шагового электродвигателя могут дать очень точное угловое движение.

Иногда предпочтительнее серводвигатели, поскольку они обеспечивают непрерывное вращение. Однако, некоторые профессиональные цифровые серводвигатели используют оптические энкодеры.

В результате они обладают очень высокой точностью.

Линейные приводы

Линейные приводы являются лучшими для перемещения объектов и расположения их по прямой линии. Они отличаются разнообразием размеров и конфигураций. Для очень быстрого движения можно рассматривать пневматику или соленоиды. Для очень высоких мощностей можно рассматривать линейные приводы постоянного тока и также гидравлику.

Практический пример

В уроке 1 мы определили цель нашего проекта, чтобы понять какого типа мобильного робота можно сконструировать при небольшом бюджете.
В уроке 2 мы решили, что мы хотели небольшую платформу на колесах. Во-первых, давайте определим тип привода, который потребуется для создания робота.

Для этого нужно ответить на пять вопросов:

Это привод используется для перемещения колесного робота?Да. Нужен мотор-редуктор с управлением при помощи притормаживания одного борта. Это означает, что каждое колесо будет нужно оснастить собственным мотором.
Двигатели для робота используются, чтобы поднять или повернуть тяжелый вес?Нет, настольная платформа не должна быть тяжелой.
Диапазон движения ограничивается на 180 градусов?Нет, колеса могут постоянно вращаться.
Угол должны быть точными?Нет, наш робот не требует позиционной обратной связи.
Это движение по прямой?Нет, поскольку мы хотим, чтобы робот вращаться и двигаться во всех направлениях.

Большой мотор Lego EV3

Всем этим требованиям соответствует большой мотор из базового набора LEGO MINDSTORMS Education EV3.

Технические характеристики большого мотора EV3

Расчет параметров двигателей колесного робота | РОБОТОША

Как выбрать подходящие двигатели для колесного робота? Ответить точно на этот вопрос в начале конструирования робота непросто. Для этого нужно знать вес робота, а он еще не построен. Однако, технические характеристики и размеры двигателей значительно влияют на окончательные параметры мобильного робота. Для того, чтобы получить полную информацию, необходимо учесть вращающий момент, скорость и мощность. Для колесного робота также необходимо подобрать диаметр колес и определить правильное передаточное число зубчатой передачи для расчета скорости его движения.

Крутящий момент

Крутящий момент двигателя — это сила, с которой он воздействует на вращаемую ось. Для того, чтобы робот мог двигаться, необходимо, чтобы эта сила превышала вес робота (выражаемый в Н/м).

Некоторые употребляют вместо понятия крутящий момент, термин вращающий момент. По сути это одно и то же. И то и другое являются моментами, просто в технике крутящий момент — это нагрузка на колесе, а вращающий момент — нагрузка в технической науке под названием «Сопротивление материалов».

Рассмотрим сильно упрощенную идеализированную модель колесного робота.

Вал двигателя как колесо робота

Упрощенная модель колесного робота

В нашем случае, вес робота равен 1кг, и мы хотим добиться максимальной скорости его движения 1м/с при радиусе колеса равном 20мм.
При движении по прямой на расстояние 1м, рассчитаем ускорение, необходимое для достижения скорости в 1м/с.

*** QuickLaTeX cannot compile formula:
[v^2 = v_0^2 + 2ad]
*** Error message:
Cannot connect to QuickLaTeX server: SSL certificate problem: certificate has expired
Please make sure your server/PHP settings allow HTTP requests to external resources («allow_url_fopen», etc.)
These links might help in finding solution:
http://wordpress.org/extend/plugins/core-control/
http://wordpress.org/support/topic/an-unexpected-http-error-occurred-during-the-api-request-on-wordpress-3?replies=37

где

*** QuickLaTeX cannot compile formula:
d
*** Error message:
Cannot connect to QuickLaTeX server: SSL certificate problem: certificate has expired
Please make sure your server/PHP settings allow HTTP requests to external resources («allow_url_fopen», etc.)
These links might help in finding solution:
http://wordpress.org/extend/plugins/core-control/
http://wordpress.org/support/topic/an-unexpected-http-error-occurred-during-the-api-request-on-wordpress-3?replies=37 — расстояние, пройденное роботом,*** QuickLaTeX cannot compile formula:
v_0

*** Error message:
Cannot connect to QuickLaTeX server: SSL certificate problem: certificate has expired
Please make sure your server/PHP settings allow HTTP requests to external resources («allow_url_fopen», etc.)
These links might help in finding solution:
http://wordpress.org/extend/plugins/core-control/
http://wordpress.org/support/topic/an-unexpected-http-error-occurred-during-the-api-request-on-wordpress-3?replies=37 — его начальная скорость (стартуем с места, поэтому*** QuickLaTeX cannot compile formula:
v_0 = 0

*** QuickLaTeX cannot compile formula:
[a = frac{v^2-v_0^2}{2d}]
*** Error message:
Cannot connect to QuickLaTeX server: SSL certificate problem: certificate has expired
Please make sure your server/PHP settings allow HTTP requests to external resources («allow_url_fopen», etc.)
These links might help in finding solution:
http://wordpress.org/extend/plugins/core-control/
http://wordpress.org/support/topic/an-unexpected-http-error-occurred-during-the-api-request-on-wordpress-3?replies=37

где

*** QuickLaTeX cannot compile formula:
v
*** Error message:
Cannot connect to QuickLaTeX server: SSL certificate problem: certificate has expired
Please make sure your server/PHP settings allow HTTP requests to external resources («allow_url_fopen», etc.)
These links might help in finding solution:
http://wordpress.org/extend/plugins/core-control/
http://wordpress.org/support/topic/an-unexpected-http-error-occurred-during-the-api-request-on-wordpress-3?replies=37 — скорость робота,*** QuickLaTeX cannot compile formula:
a

-его ускорение.
Подставим значения, принятые в нашей модели, получим

*** QuickLaTeX cannot compile formula:
a = frac{1^2 — 0^2}{2} = 0.5
*** Error message:
Cannot connect to QuickLaTeX server: SSL certificate problem: certificate has expired
Please make sure your server/PHP settings allow HTTP requests to external resources («allow_url_fopen», etc.)
These links might help in finding solution:
http://wordpress.org/extend/plugins/core-control/
http://wordpress.org/support/topic/an-unexpected-http-error-occurred-during-the-api-request-on-wordpress-3?replies=37

м/с2
Вращающий момент, который необходим для перемещения робота и получения им ускорения, необходимого для достижения максимальной скорости рассчитывается следующим образом:

*** QuickLaTeX cannot compile formula:
[M = Jalpha]
*** Error message:
Cannot connect to QuickLaTeX server: SSL certificate problem: certificate has expired
Please make sure your server/PHP settings allow HTTP requests to external resources («allow_url_fopen», etc.)
These links might help in finding solution:
http://wordpress.org/extend/plugins/core-control/
http://wordpress.org/support/topic/an-unexpected-http-error-occurred-during-the-api-request-on-wordpress-3?replies=37

При

*** QuickLaTeX cannot compile formula:
J = frac{m g r^2}{2}
*** Error message:
Cannot connect to QuickLaTeX server: SSL certificate problem: certificate has expired
Please make sure your server/PHP settings allow HTTP requests to external resources («allow_url_fopen», etc.)
These links might help in finding solution:
http://wordpress.org/extend/plugins/core-control/
http://wordpress.org/support/topic/an-unexpected-http-error-occurred-during-the-api-request-on-wordpress-3?replies=37 — момент инерции и*** QuickLaTeX cannot compile formula:
alpha = frac{a}{r}

— угловое ускорение, получим

*** QuickLaTeX cannot compile formula:
[M = frac{m g r a}{2}]
*** Error message:
Cannot connect to QuickLaTeX server: SSL certificate problem: certificate has expired
Please make sure your server/PHP settings allow HTTP requests to external resources («allow_url_fopen», etc.)
These links might help in finding solution:
http://wordpress.org/extend/plugins/core-control/
http://wordpress.org/support/topic/an-unexpected-http-error-occurred-during-the-api-request-on-wordpress-3?replies=37

Здесь

*** QuickLaTeX cannot compile formula:
g = 9.80665
*** Error message:
Cannot connect to QuickLaTeX server: SSL certificate problem: certificate has expired
Please make sure your server/PHP settings allow HTTP requests to external resources («allow_url_fopen», etc.)
These links might help in finding solution:
http://wordpress.org/extend/plugins/core-control/
http://wordpress.org/support/topic/an-unexpected-http-error-occurred-during-the-api-request-on-wordpress-3?replies=37м/с2 — ускорение свободного падения (округлим его до 10),*** QuickLaTeX cannot compile formula:
r

*** Error message:
Cannot connect to QuickLaTeX server: SSL certificate problem: certificate has expired
Please make sure your server/PHP settings allow HTTP requests to external resources («allow_url_fopen», etc.)
These links might help in finding solution:
http://wordpress.org/extend/plugins/core-control/
http://wordpress.org/support/topic/an-unexpected-http-error-occurred-during-the-api-request-on-wordpress-3?replies=37 — радиус колеса,*** QuickLaTeX cannot compile formula:
m

— масса всего робота
Подставив значения, получим

*** QuickLaTeX cannot compile formula:
M = frac{1 imes 10 imes 0.02 imes 0.5}{2} = 50
*** Error message:
Cannot connect to QuickLaTeX server: SSL certificate problem: certificate has expired
Please make sure your server/PHP settings allow HTTP requests to external resources («allow_url_fopen», etc.)
These links might help in finding solution:
http://wordpress.org/extend/plugins/core-control/
http://wordpress.org/support/topic/an-unexpected-http-error-occurred-during-the-api-request-on-wordpress-3?replies=37

мН·м

Для перевода величины, выраженной в Н·м в кг·см нужно учесть, что 1Н = 0.102 кг и 1м = 100 см. Поэтому 50 мН·м = 50 · 0.102 : 1000 * 100 = 0.51 кг · см.

Полученный крутящий момент распределяется между двумя двигателями робота и его еще нужно поделить на передаточное число используемой зубчатой передачи (подробнее про зубчатые передачи можно почитать здесь).

Мощность

Для расчета максимальной мощности двигателей нам понадобится частота вращения, которая выражается в оборотах в минуту

*** QuickLaTeX cannot compile formula:

u
*** Error message:
Cannot connect to QuickLaTeX server: SSL certificate problem: certificate has expired
Please make sure your server/PHP settings allow HTTP requests to external resources («allow_url_fopen», etc.)
These links might help in finding solution:
http://wordpress.org/extend/plugins/core-control/
http://wordpress.org/support/topic/an-unexpected-http-error-occurred-during-the-api-request-on-wordpress-3?replies=37(об/мин) =*** QuickLaTeX cannot compile formula:
frac{60 omega}{2 pi r}

или в радианах в секунду

*** QuickLaTeX cannot compile formula:

u
*** Error message:
Cannot connect to QuickLaTeX server: SSL certificate problem: certificate has expired
Please make sure your server/PHP settings allow HTTP requests to external resources («allow_url_fopen», etc.)
These links might help in finding solution:
http://wordpress.org/extend/plugins/core-control/
http://wordpress.org/support/topic/an-unexpected-http-error-occurred-during-the-api-request-on-wordpress-3?replies=37(рад/с) =*** QuickLaTeX cannot compile formula:
frac{omega}{r}

через круговую частоту

*** QuickLaTeX cannot compile formula:
omega
*** Error message:
Cannot connect to QuickLaTeX server: SSL certificate problem: certificate has expired
Please make sure your server/PHP settings allow HTTP requests to external resources («allow_url_fopen», etc.)
These links might help in finding solution:
http://wordpress.org/extend/plugins/core-control/
http://wordpress.org/support/topic/an-unexpected-http-error-occurred-during-the-api-request-on-wordpress-3?replies=37

Подставив радиус колеса, получим

*** QuickLaTeX cannot compile formula:

u = frac{1}{0.02}=50
*** Error message:
Cannot connect to QuickLaTeX server: SSL certificate problem: certificate has expired
Please make sure your server/PHP settings allow HTTP requests to external resources («allow_url_fopen», etc.)
These links might help in finding solution:
http://wordpress.org/extend/plugins/core-control/
http://wordpress.org/support/topic/an-unexpected-http-error-occurred-during-the-api-request-on-wordpress-3?replies=37

рад/с
или

*** QuickLaTeX cannot compile formula:

u = frac{60 imes 1}{2 pi imes 0.02} = 477
*** Error message:
Cannot connect to QuickLaTeX server: SSL certificate problem: certificate has expired
Please make sure your server/PHP settings allow HTTP requests to external resources («allow_url_fopen», etc.)
These links might help in finding solution:
http://wordpress.org/extend/plugins/core-control/
http://wordpress.org/support/topic/an-unexpected-http-error-occurred-during-the-api-request-on-wordpress-3?replies=37

об/мин.
Мощность двигателей пропорциональна крутящему моменту и частоте вращения:

*** QuickLaTeX cannot compile formula:
[P = M imes
u]
*** Error message:
Cannot connect to QuickLaTeX server: SSL certificate problem: certificate has expired
Please make sure your server/PHP settings allow HTTP requests to external resources («allow_url_fopen», etc.)
These links might help in finding solution:
http://wordpress.org/extend/plugins/core-control/
http://wordpress.org/support/topic/an-unexpected-http-error-occurred-during-the-api-request-on-wordpress-3?replies=37

Подставив сюда формулы для крутящего момента и частоты, получим:

*** QuickLaTeX cannot compile formula:
[P = frac{m g r a}{2} imes frac{omega}{r} = frac{m g omega a}{2}]
*** Error message:
Cannot connect to QuickLaTeX server: SSL certificate problem: certificate has expired
Please make sure your server/PHP settings allow HTTP requests to external resources («allow_url_fopen», etc.)
These links might help in finding solution:
http://wordpress.org/extend/plugins/core-control/
http://wordpress.org/support/topic/an-unexpected-http-error-occurred-during-the-api-request-on-wordpress-3?replies=37

Используя собственные значения, получим

*** QuickLaTeX cannot compile formula:
P = frac{1 imes 10 imes 1 imes 0.2}{2} = 2.5
*** Error message:
Cannot connect to QuickLaTeX server: SSL certificate problem: certificate has expired
Please make sure your server/PHP settings allow HTTP requests to external resources («allow_url_fopen», etc.)
These links might help in finding solution:
http://wordpress.org/extend/plugins/core-control/
http://wordpress.org/support/topic/an-unexpected-http-error-occurred-during-the-api-request-on-wordpress-3?replies=37

Вт
Опять же, мы получили суммарную мощность для всех двигателей, в нашем случае двигателя два, поэтому необходимо разделить результат на два и, как и в случае с расчетом крутящего момента, если используются зубчатые передачи, разделить на передаточное число зубчатых передач.

Обратите внимание, что мы рассчитали механическую мощность вырабатываемую двигателями, а не электрическую мощность, которую они потребляют. Необходимо учитывать КПД двигателей, который будет отличаться в зависимости от модели двигателя. Выбирать нужно двигатели, естественно, с бóльшим КПД.

Для обеспечения оптимальных характеристик лучше использовать двигатели с запасом по мощности, как минимум в два раза.

Для нашего примера двухколесного робота, с использованием передаточного числа равного 10, характеристики устанавливаемых двигателей должны быть следующими:

частота вращения — 477 · 10 ≈ 5000$ об/мин
вращающий момент — 50 мН·м/10 = 5 мН·м
электрическая мощность — 5 Вт (я взял КПД равный 90%)

Как сделать робота на ROS своими руками. Часть 1: шасси и бортовая электроника

Главная Проекты Как сделать робота на ROS своими руками. Часть 1: шасси и бортовая электроника

Максим Данилин, 20.07.2021

Привет!

В этой статье мы на подробном примере расскажем о том, как построить настоящего робота целиком на инфракструктуре ROS. Это будет наш первый простой робот со своей операционной системой и первый опыт работы с ROS.

Далее мы постараемся пошагово и как можно подробнее рассказать вам о процессе проектирования, конструирования и программирования робота, а также расскажем, с каким трудностями и проблемами мы столкнулись.

Содержание

Создание свеого робота — это не самая сложная, но и не тривиальная задача. Она требует опредёленных навыков хотя бы на минимальном уровне:

Работа с OS Linux.
Твердотельное 3D-моделирование.
Программирование на С++ или Python.
Навыки 3D-печати.

Также вам понадобится персональный компьютер под управлением OS Linux, Windows и локальная сеть Wi-Fi.

Все исходники — как конструкторские САПР-файлы, так и исходный код — мы разместили в GitHub-репозитории https://github.com/amperka/abot.

Постройка робота начинается с идеи. Прежде чем бежать собирать своего робота, вам нужно ответить для себя на следующие вопросы:

Как должен выглядеть мой робот?
Из каких частей/сегментов будет состоять мой робот?
Что должен делать мой робот и как?

Все промышленные роботы создаются с какой-либо целью. Люди стремится облегчить себе жизнь, переложив часть своих задач на роботов.

Машины могут выполнять тяжелую физическую работу: например, как сварочные роботы-манипуляторы или транспортные роботы на автоматизированных складах-хранилищах.

Или же роботы могут взяться за опасные для человека задачи: например, обезвредить бомбу вместо сапёра, работать в завалах или токсичных и ядовитых средах. А такие вещи, как робот-пылесос и беспилотный транспорт избавляют человека от рутинных задач для экономии времени.

Назначение робота практически полностью определяет его внешний вид, конструкцию и программу. Обычно робот, созданный для конкнретных задач в одной области, не способен работать в какой-либо другой. Цель создания нашего робота будет скорее обучающей и развлекательной, нежели практической.

Мы попробуем создать «офисного питомца» — робота, который будет жить с нами в офисе и передвигаться туда, куда мы ему скажем. При этом робот должен будет самостоятельно ориентироваться в помещении. Кажется, что навигация в офисе — это лёгкая задача, однако это совсем не так. Мы планируем постепенно добавлять нашему роботу новые функции, но начнём именно с этой конкретной задачи.

Поскольку мы решили, что наш робот не стационарный (как робот-манипулятор), а мобильный, то ему сперва понадобится какое-то подвижное шасси.

Рассмотрим разные типы приводов мобильных роботов и выясним, какую механику они используют. Затем, сравнивая все плюсы и минусы, выберем привод для нашего робота.

Роботы могут передвигаться в 2D- или 3D-пространстве. Очевидно, что только летающие роботы способны маневрировать во всех плоскостях, и они чрезвычано сложны. Например, летающие дроны ориентируются в помещении или на местности, используя трёхмерные камеры глубины. Постройка такого робота потребует сложнейшего железа и программного обеспечения, поэтому летающего дрона мы не рассматриваем.

Если роботу нужно передвигаться только в двухмерном пространстве, всё становится уже проще. Мы можем рассмотреть движение робота как движение материальной точки в плоскости (X, Y) в прямоугольной или Декартовой системе координат (X, Y, Z).

Движение робота в плоскости может быть голономным (Holonomic) или неголономным (Non-holonomic). Что это значит? При голономном движении робот способен свободно двигаться по любому вектору XY, не меняя при этом своей ориентации. При неголономном движении робот может передвигаться только в нескольких ограниченных направлениях.

Принцип и реализация колеса Mecanum — Русские Блоги

Всенаправленное движение часто является обязательной особенностью в соревновательных роботах и специальных типах роботов. «Всенаправленное движение» означает, что вы можете выполнять любое направление перемещения при вращении в плоскости. Для достижения всенаправленного движения обычные роботы используют два специальных колеса: «Omni Wheel» или «Mecanum Wheel».

Всенаправленное колесо:

Колесо мекана：

Общая черта всенаправленных колес и колес меканума состоит в том, что они состоят из двух основных частей: ступицы колеса и ролика. Ступица является основной опорой корпуса всего колеса, а ролик представляет собой барабан, установленный на ступице.

Ось ступицы всенаправленного колеса и ось ролика перпендикулярны друг другу, а ось ступицы колеса Mecanum и ось ролика находятся под углом 45 °.

Теоретически, этот угол может быть любым, и разные колеса могут быть выполнены в соответствии с разными углами, но эти два наиболее часто используются.

Всенаправленные колеса и колеса Mecanum (в дальнейшем именуемые «колеса Mai») имеют различия в структуре, механических характеристиках и кинематических характеристиках. Основной причиной является то, что вал ступицы и вал ролика Разные углы. После анализа разница между кинематическими и механическими характеристиками этих двух элементов может быть отражена в следующей таблице.

Процесс расчета выглядит следующим образом. Для справки Сюэба может щелкнуть, чтобы открыть большую картинку для расчета:

В последние годы применение колес пшеницы постепенно расширяется, особенно в таких соревнованиях роботов, как Robocon и FRC. Это потому, что колеса Mecanum могут быть установлены на взаимно параллельных валах, как традиционные колеса.

Если вы хотите использовать всенаправленные колеса для выполнения аналогичных функций, угол между несколькими осями ступиц должен составлять 60 °, 90 ° или 120 °, что более проблематично при изготовлении и изготовлении.

Поэтому многие промышленные всенаправленные мобильные платформы используют колеса Mecanum вместо всенаправленных колес, такие как этот отечественный вилочный погрузчик:Всенаправленная мобильная платформа Колесный погрузчик Mecanum

Другая причина может заключаться в том, что форма пшеничного колеса намного холоднее, чем всенаправленное колесо, и кажется, что оно неясно …

Действительно, многие люди будут удивлены, увидев впервые вращающееся колесо пшеницы. Следующее видео наглядно иллюстрирует направление вращения колеса, когда шасси колеса пшеницы перемещается и вращается.

Как работает Mecanum Wheel-Online Play-Youku, Видео HD Онлайн Смотретьhttp://v.youku.com/v_show/id_XMTM2MDk4MzYyMA==.html

Способ установки пшеничного колеса

Пшеничные колеса обычно используются в группах по четыре, два колеса для левшей и два колеса для правшей. Колесо для левой руки и колесо для правой руки являются киральными симметричными, разница показана на рисунке ниже.

Существуют различные способы установки, которые в основном делятся на: X-квадрат (X-квадрат), X-прямоугольник (X-прямоугольник), O-квадрат (O-квадрат), O-прямоугольник (O-прямоугольник). Среди них X и O представляют фигуру, образованную роликами в контакте с землей четырех колес, квадрат и прямоугольник относятся к форме, заключенной в точках контакта четырех колес с землей.

Х- площадь: Крутящий момент, создаваемый вращением колеса, будет проходить в одной и той же точке, поэтому ось вращения не может активно вращаться, а угол оси вращения не может активно поддерживаться. Этот метод установки используется редко.
Прямоугольная Х-: Вращение колеса может генерировать вращающий момент оси вращения, но плечо вращающего момента обычно короче. Этот тип установки встречается редко.
O- площадь: Четыре колеса расположены на четырех вершинах квадрата, и нет проблем с перемещением и вращением. Ограниченный формой и размерами корпуса робота, этот метод установки идеален, но его можно встретить, но не обязательно.
Прямоугольная О-Вращение колеса может генерировать крутящий момент вращения оси рыскания, и силовой рычаг крутящего момента вращения также является относительно длинным. Это самый распространенный способ установки.

Прямая и обратная кинематическая модель колесного шасси пшеницы

Взяв в качестве примера установку прямоугольного сечения, позиции посадки четырех колес образуют прямоугольник.

Передняя кинематическая модель получит ряд формул, которые позволяют нам рассчитывать состояние движения шасси по скорости четырех колес, а формула, полученная обратной кинематической моделью, основана на шасси. Состояние движения решает скорость четырех колес.

Следует отметить, что движение шасси может быть описано тремя независимыми переменными: перемещение по оси X, перемещение по оси Y и вращение по оси рыскания, а скорость четырех колес пшеницы также обеспечивается четырьмя независимыми двигателями.

Следовательно, между разумными скоростями четырех колес пшеницы существует определенное соотношение ограничений: обратная кинематика может получить уникальное решение, в то время как уравнения в положительной кинематике, которые не соответствуют этому отношению ограничения, не будут иметь решения.

Сначала попытайтесь построить модель обратной кинематики. Поскольку математическая модель шасси колес пшеницы более сложна, мы сделаем это в четыре этапа:
① Опишите движение шасси в трех независимых переменных для описания;
② В соответствии с результатом первого шага рассчитать скорость положения оси каждого колеса;
③ В соответствии с результатом второго шага рассчитайте скорость каждого катка, который контактирует с землей;
④ В соответствии с результатом третьей части вычислите истинную скорость колеса.
Во-первых, декомпозиция движения шасси
Мы знаем, что движение твердого тела в плоскости можно разложить на три независимых компонента: перемещение по оси X, перемещение по оси Y и вращение по оси рыскания. Как показано на рисунке ниже, движение шасси также можно разбить на три величины:
представляет скорость движения по оси X, то есть направление влево-вправо, а вправо определяется как положительное;
представляет скорость движения по оси Y, то есть направление вперед-назад, а направление вперед определяется как положительное;
представляет угловую скорость вращения оси рыскания, которая определяется как положительная против часовой стрелки.
Вышеприведенные три величины обычно рассматриваются как скорость геометрического центра четырех колес (пересечение диагоналей прямоугольника).
Во-вторых, рассчитать скорость вращения центра колеса
Определение:
Вектор от геометрического центра к оси колеса;
Вектор скорости оси колеса;
Ось колеса перпендикулярна оси колеса.Компонент скорости в направлении (то есть тангенциальном направлении);
Тогда вы можете рассчитать:
Рассчитайте компоненты осей X и Y соответственно:
Точно так же вы можете рассчитать скорость трех других осей колес.
В-третьих, рассчитать скорость катка

В зависимости от скорости оси колеса скорость в направлении ролика может быть разложена.И скорость перпендикулярна направлению ролика, средиМожно игнорировать (задумчивый вопрос: почему можно игнорировать вертикальную скорость?), И

гдеЯвляется ли единичный вектор вдоль направления ролика.
В-четвертых, рассчитать скорость колеса
Расчет скорости вращения ролика и скорости вращения колеса прост:
В соответствии с рисунком вышеиОпределение
Комбинируя вышеперечисленные четыре шага, можно рассчитать скорость четырех колес на основе состояния движения шасси:
Вышеприведенные уравнения являются моделью обратной кинематики шасси O-прямоугольного колеса пшеницы, и модель положительной кинематики может быть решена непосредственно на основе трех уравнений в модели обратной кинематики. Повторить

Еще один способ расчета

Хотя вывод «традиционного» является строгим, он все же довольно утомителен. Вот простой метод расчета обратной кинематики.

Мы знаем, что всенаправленное движущееся шасси является чисто линейной системой, и движение твердого тела может быть линейно разделено на три компонента.

Тогда вам нужно только вычислить скорость четырех колес, когда шасси пшеничного колеса имеет «перемещение по оси X», «перемещение по оси Y» и «вращение вокруг геометрического центра». Скорость вращения четырех колес необходима для синтеза движения «перемещение + вращение».

Для этих трех простых движений скорость четырех колес может быть получена с помощью простого теста или толкания шасси, чтобы наблюдать явление.

Когда шасси перемещается вдоль оси X:
Когда шасси перемещается вдоль оси Y:
Когда шасси вращается вокруг геометрического центра:

Если добавить три приведенных выше уравнения, то результатом будет именно тот результат, который рассчитывается по «традиционному» методу.Этот метод расчета подходит не только для O-прямоугольного шасси пшеничного колеса, но также для любого типа всенаправленного шасси робота.