Wprowadzenie do manipulatorów: 8 kroków (ze zdjęciami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:30

Stworzenie odpowiedniego manipulatora do wyzwania to jedna z najtrudniejszych części FIRST Robotics Competition (FRC). W ciągu czterech lat moich studiów zawsze była to największa porażka mojego zespołu. Choć wyzwanie gry w FRC zmienia się z roku na rok, często pojawiają się zadania podobne do tych z lat poprzednich. Na przykład gra z 2012 roku, Rebound Rumble, zawierała wyraźne elementy gry z 2001 roku, Diabolical Dynamics, oraz gry z 2006 roku, Aim High. Z tego powodu warto zapoznać się z podstawowymi konstrukcjami manipulatorów stosowanymi w poprzednich grach. Ten samouczek zawiera przegląd manipulatorów powszechnie używanych w zawodach FIRST Robotics Competition (FRC). W każdym kroku zostanie omówiony ogólny typ manipulatora i zostaną podane przykłady implementacji manipulatora. Ten samouczek został wykonany w ramach programu Autodesk FIRST High School Intern. Wymagania wstępne: Chęć nauki Źródło zdjęcia:

Krok 1: Ogólne wytyczne

Zanim przejdę do nakrętek i śrub różnych manipulatorów, chciałem przedstawić kilka ogólnych wskazówek, które pomogą Ci wybrać i zaprojektować manipulator. Po pierwsze, niech strategia kieruje projektem Twojego manipulatora, a nie odwrotnie. Oznacza to, że twój manipulator powinien spełniać wymagania projektowe, na które zdecydował się twój zespół, tworząc strategię, zamiast tworzyć strategię opartą na manipulatorze, który skleiłeś. Po drugie, projektuj w granicach swoich zespołów. Jeśli wiesz, że po prostu nie masz zasobów, aby zbudować bardzo skomplikowany manipulator, który Twoim zdaniem zdominuje każdy aspekt gry, nie rób tego! Wybierz prostszy, który możesz zbudować i który naprawdę dobrze spełni jedną rolę. Nie bój się jednak zmuszać swojego zespołu do przekraczania swoich ograniczeń. Na przykład, mój zespół zmusił się do zbudowania bota treningowego w zeszłym roku i okazało się to naprawdę korzystne. Po trzecie, zawsze miej aktywną kontrolę nad grą. Na przykład, jeśli piłka musi zostać przetransportowana przez robota, zrób to za pomocą przenośnika, a nie rampy. Jeśli nie kontrolujesz aktywnie elementu gry, nieuchronnie się zatnie lub wypadnie z twojego manipulatora. Wreszcie, prototypowanie i iteracyjne opracowywanie są kluczem do zbudowania udanego manipulatora. Zacznij od prototypu, a następnie ulepszaj go iteracyjnie, aż będziesz gotowy do zbudowania ostatecznej wersji. Nawet wtedy szukaj ulepszeń, które sprawią, że będzie lepiej. Źródło zdjęcia:

Krok 2: Ramiona

Ramiona są jednym z najczęstszych manipulatorów stosowanych w FRC. Ogólnie rzecz biorąc, są one używane w połączeniu z efektorem końcowym do kontrolowania elementu gry. Dwa popularne typy to ramiona pojedyncze i wieloprzegubowe. Chociaż ramiona z wieloma przegubami są w stanie sięgać dalej i mogą mieć większą kontrolę nad orientacją efektora końcowego, są również znacznie bardziej złożone. Z drugiej strony, pojedyncze ramiona przegubowe mają zaletę prostoty. Jedną wspólną konstrukcją używaną do ramion jest 4-prętowe lub równoległe połączenie. Takie połączenie pokazano na trzecim zdjęciu. Główną cechą tej konstrukcji jest to, że efektor końcowy jest utrzymywany w stałej orientacji. Wskazówki dotyczące projektowania ramion:

• Zwracaj uwagę na wagę – może sprawić, że ramię będzie wolne, a nawet zawiedzie
• Używaj lekkich materiałów, takich jak okrągła lub prostokątna rura i blacha
• Użyj czujników, takich jak wyłączniki krańcowe i potencjometry, aby uprościć sterowanie ramieniem
• Zrównoważ ramię sprężynami, amortyzatorami gazowymi lub ciężarem, aby je ustabilizować i zmniejszyć obciążenie silników

Kredyty fotograficzne: https://www.chiefdelphi.com/media/photos/36687https://www.thunderchickens.org/index.php?option=com_content&view=category&layout=blog&id=30&Itemid=41https://www.chiefdelphi.com /media/zdjęcia/27982

Krok 3: Windy

Podobnie jak ramiona, windy są używane z efektorem końcowym do kontrolowania elementu gry. Są one zwykle podnoszone przez nawijanie kabla na bęben. Chociaż konieczne jest tylko podniesienie windy, mądrze jest dołączyć kabel powrotny, który może ciągnąć windę w dół, aby zapobiec zakleszczeniu. Istnieją dwa główne style prowadzenia kabla tak, aby unosiło windę: olinowanie ciągłe i olinowanie kaskadowe. Windy z olinowaniem ciągłym (pokazane na drugim zdjęciu) mają jeden ciągły kabel od wciągarki do jej ostatniego stopnia. Gdy kabel jest wciągany, etap 3 jest pierwszym, który porusza się w górę i ostatnim, który porusza się w dół po zwolnieniu kabla. Dwie zalety tej konstrukcji to to, że kabel wznosi się z tą samą prędkością, z jaką spada, co oznacza, że kabel powrotny można umieścić na tym samym bębnie, a napięcie w kablu jest niskie. Jego główną wadą jest to, że jego środkowe sekcje są bardziej podatne na zacinanie. Windy z olinowaniem kaskadowym (pokazane na trzecim zdjęciu) posiadają indywidualne kable łączące każdy stopień windy. Powoduje to, że wszystkie stopnie unoszą się jednocześnie podczas wciągania liny. Jednak każdy kabel powrotny musi mieć inną prędkość niż wciągarka główna, którą można obsługiwać za pomocą bębnów o różnych średnicach. Podczas gdy środkowe sekcje windy kaskadowej są mniej podatne na zakleszczanie się, naprężenie kabli niższego stopnia jest znacznie wyższe niż w windzie z ciągłym olinowaniem. Chociaż windy i ramiona są podobne, istnieje kilka ważnych różnic. Windy są zwykle bardziej skomplikowane i cięższe niż ramiona z pojedynczym przegubem. Ponadto windy zwykle poruszają się pionowo i nie są w stanie dotrzeć poza obwód robota. Nie zmieniają one jednak środka ciężkości robota w trakcie ruchu, a ich położenie można precyzyjnie kontrolować dzięki odpowiedniemu wykorzystaniu czujników i programowaniu. Zasadniczo każdy ma swoje zalety i wady, pozostawiając decyzję o użyciu zespołom. Inną opcją jest połączenie tych dwóch opcji poprzez umieszczenie ramienia na ostatnim stopniu windy, czego przykład pokazano na czwartym obrazku. Kredyty fotograficzne:

Krok 4: Chwytaki

W FRC jest tyle różnych rodzajów chwytaków, ile jest zespołów. Pazury służą do bezpośredniego kontrolowania i manipulowania pionkiem. Przydają się w latach, w których jest niewiele elementów do gry, z których tylko jeden może być kontrolowany na raz. Dwa główne style to pazury pasywne i pazury rolkowe. Pazury pasywne polegają na tym, że ich palce są odpowiednio ustawione, aby chwycić przedmiot, podczas gdy pazury rolkowe wykorzystują koła lub rolki do aktywnego wciągania. Poniższa lista różnych chwytaków odpowiada powyższym obrazom:

• Chwytak pneumatyczny z dwoma palcami
• Dwupalcowy liniowy chwytak pneumatyczny
• Chwytak pneumatyczny z trzema palcami
• Zmotoryzowany chwytak
• Chwytak pneumatyczny
• Podstawowy pazur rolkowy
• Zawiasowy pazur rolkowy

Na koniec kilka wskazówek dotyczących projektowania chwytaków:

• Upewnij się, że chwytak wywiera wystarczającą siłę, aby utrzymać się na elemencie gry
• Spraw, aby chwytak chwytał i szybko puszczał przedmioty
• Ułatw sterowanie za pomocą czujników do automatyzacji podstawowych operacji

Kredyty fotograficzne:

Krok 5: Odbiór i transport piłek

Chociaż chwytaki są przydatne do manipulowania pojedynczymi obiektami, które mogą mieć nietypowy kształt, często gry FRC obejmują kilka piłek. Dwie umiejętności, które są powszechnie wymagane w tych grach, to zbieranie piłek i transportowanie ich w robocie. Najskuteczniejsza metoda zbierania piłek zmienia się z roku na rok w zależności od zasad. W grze Rebound Rumble z 2012 roku zespoły mogły mieć wyrostki, które wykraczały poza ich robota. Wiele zespołów zdecydowało, że korzystne byłoby posiadanie opuszczanych systemów zbierania piłek, co zaowocowało wyrostkami, które wykorzystywały rolki do wrzucania piłek do pojedynczego wlotu lub nad zderzakami i do robota. Kilka przykładów tych robotów widać na zdjęciach od pierwszego do trzeciego. W grze Lunacy z 2009 roku zespoły nie mogły mieć manipulatorów, które wykraczały poza obwód kadru. Jeśli chcieli zbierać piłki z podłogi, musieli mieć otwór z przodu robota, aby to zrobić. Doprowadziło to również do powstania wielu robotów o szerokiej podstawie, ponieważ umożliwia to większe otwarcie dla kulek. Niektóre przykłady tych robotów są widoczne na zdjęciach czwartym i piątym. Istnieje kilka możliwych sposobów transportowania piłek po ich zebraniu przez robota, ale najczęstszym jest użycie pasów poliuretanowych. Pasy poliuretanowe (znane również jako polycord) są pasami o regulowanej długości i są powszechnie stosowane w przenośnikach i przenoszeniu mocy przy niskim obciążeniu. Każdy z robotów przedstawionych powyżej wykorzystuje do pewnego stopnia polikord. Ostatnie zdjęcie przedstawia bardziej szczegółowo polikord. Kredyty fotograficzne: https://www.simbotics.org/media/photos/2012-first-championship/4636https://www.chiefdelphi.com/media/photos/37879https://www.chiefdelphi.com/media/photos /37487https://www.chiefdelphi.com/media/photos/33027https://www.chiefdelphi.com/media/photos/33838https://www.made-from-india.com/showroom/chetna-engineering/gallery.html

Krok 6: Strzelanie

Kolejnym powszechnym zadaniem w FRC jest przeniesienie piłki z robota w niedostępne w inny sposób miejsce. Wymaga to wystrzelenia piłki, zwykle za pomocą katapulty lub strzelca kołowego podobnego do maszyny do rzucania w baseball. Najczęstszym rozwiązaniem tego wyzwania jest dociśnięcie piłki do kręcącego się koła, co przyspiesza ją na tyle, aby wystrzelić ją na znaczną odległość. Dwie główne odmiany tego projektu to strzelanki jedno- i dwukołowe. Strzelanki jednokołowe są proste i często powodują dużą rotację wsteczną piłki. Prędkość wylotowa kuli jest w przybliżeniu równa ½ prędkości powierzchniowej koła. Strzelanki dwukołowe są bardziej skomplikowane mechanicznie, ale mogą napędzać piłkę dalej. Dzieje się tak, ponieważ prędkość wylotowa kuli jest w przybliżeniu równa prędkości powierzchniowej koła. Pierwsze dwa zdjęcia pokazują kilka przykładów strzelanek. Jak wiele zespołów nauczyło się w 2012 roku, kluczem do zbudowania celnej strzelanki jest ścisła kontrola jak największej liczby zmiennych. Obejmują one kontrolowanie prędkości koła, kąt odrzutu, prędkość piłek wpadających do strzelca, orientację strzelca względem jego systemu podawania oraz poślizg piłek na powierzchni koła i maski. Katapulty są znacznie rzadsze w strzelankach, ponieważ nie są w stanie strzelać bardzo szybko. Ich główną zaletą jest jednak to, że potrafią być celniejsze od tradycyjnych strzelanek. Katapulty są zwykle napędzane pneumatyką lub sprężynami. Ostatnie zdjęcie przedstawia zespół, który w zeszłym roku użył pneumatyki do zasilania katapulty. Zdjęcia: https://www.chiefdelphi.com/media/photos/37418https://gallery.raiderrobotix.org/2012-Championships/2012ChampDSP/IMG_3448https://www.teamxbot.org/index.php?option=com_content&view =&id artykułu=47&id produktu=55

Krok 7: Wyciągarki

Wciągarki mają wiele możliwych zastosowań w FRC i dlatego można je znaleźć jako elementy większych manipulatorów. Dwa z ich najczęstszych zastosowań to magazynowanie energii dla większego mechanizmu i podnoszenie całego robota. Kiedy są używane do ładowania urządzenia magazynującego energię, wciągarki są zwykle zaprojektowane tak, aby działały tylko w jednym kierunku, z zwolnieniem, które umożliwia swobodne obracanie się, uwalniając w ten sposób zmagazynowaną energię. Zdjęcie wyciągarki zaprojektowanej do tego celu jest pokazane na pierwszym zdjęciu. Innym zastosowaniem wciągarki jest podnoszenie robota. W takim przypadku zwykle nie wystarczy mieć osobną skrzynię biegów dedykowaną do zadania, co powoduje, że zespoły budują skrzynię biegów z przystawką odbioru mocy, która jest w stanie przekierować moc z układu napędowego do oddzielnego mechanizmu. Choć jest to tylko sposób napędzania wyciągarki, postanowiłem pokazać jej przykład na drugim zdjęciu, ponieważ jest to ciekawy mechanizm. Kredyty fotograficzne:

Krok 8: Wniosek

Jak już zauważyłeś, istnieje wiele różnych możliwych konstrukcji manipulatorów, które można wykorzystać w zawodach FIRST Robotics Competition. Przy tak wielu zespołach pracujących nad rozwiązywaniem wyzwań, z których każdy ma swoje własne doświadczenie, oczywiście tak się stanie. Uświadomienie sobie tego, co zostało zrobione wcześniej, może zaoszczędzić cenny czas dzięki wykorzystaniu poprzednich manipulatorów jako punktów odniesienia zarówno dla prototypów zespołu, jak i ostatecznych projektów. Uważaj jednak również, aby poprzednie projekty nie ograniczały Twojego myślenia. Jeśli po otrzymaniu wyzwania od razu wybierzesz stary projekt do wykorzystania, być może przeoczyłeś lepsze rozwiązanie. Ponadto czasami przeważają najbardziej kreatywne, dziwaczne rozwiązania, które są specjalnie dostosowane do wyzwania. Na przykład przedstawiony na zdjęciu manipulator bardzo różnił się od większości z roku, w którym był używany, ale odniósł duży sukces. Jeśli pamiętasz to i ogólne wskazówki, które zasugerowałem na początku, będziesz już na dobrej drodze do stworzenia skutecznego manipulatora. Dziękuję Andy'emu Bakerowi z AndyMark za publiczne udostępnienie swojej prezentacji na temat manipulatorów. Wiele zdjęć w tym samouczku pochodzi z tego. Źródło zdjęcia: