Inleiding tot manipulatoren: 8 stappen (met afbeeldingen)

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-30 11:16

Het creëren van de juiste manipulator voor een uitdaging is een van de moeilijkste onderdelen van de FIRST Robotics Competition (FRC). In mijn vier jaar als student was het altijd het grootste falen van mijn team. Hoewel de speluitdaging in FRC van jaar tot jaar verandert, zijn er vaak taken die vergelijkbaar zijn met die van voorgaande jaren. Het spel uit 2012, Rebound Rumble, had bijvoorbeeld duidelijke elementen van het spel uit 2001, Diabolical Dynamics, en van het spel uit 2006, Aim High. Om deze reden is het nuttig om bekend te zijn met de basisontwerpen van manipulatoren die in eerdere games zijn gebruikt. Deze tutorial geeft een overzicht van manipulatoren die veel worden gebruikt in de FIRST Robotics Competition (FRC). Elke stap zal een algemeen type manipulator bespreken en voorbeelden geven van implementaties van de manipulator. Deze tutorial is gemaakt via het Autodesk FIRST High School Intern-programma. Vereisten: Een bereidheid om te leren Photo Credit:

Stap 1: Algemene richtlijnen

Voordat ik inga op de moeren en bouten van verschillende manipulatoren, wilde ik enkele algemene richtlijnen geven die u zullen helpen bij het kiezen en ontwerpen van een manipulator. Laat eerst de strategie uw manipulatorontwerp bepalen, niet andersom. Wat dit betekent is dat uw manipulator moet voldoen aan de ontwerpvereisten die uw team heeft bepaald bij het vormen van een strategie, in plaats van een strategie te vormen op basis van de manipulator die u in elkaar hebt geflanst. Ten tweede: ontwerp binnen de grenzen van uw teams. Als je weet dat je gewoon niet de middelen hebt om de supergecompliceerde manipulator te bouwen waarvan je denkt dat hij elk aspect van het spel zal domineren, doe het dan niet! Ga voor de eenvoudigere die je kunt bouwen en die één rol heel goed zal vervullen. Wees echter ook niet bang om je team te pushen om je grenzen te overschrijden. Mijn team heeft ons bijvoorbeeld het afgelopen jaar gepusht om een oefenbot te bouwen, en het bleek echt nuttig te zijn. Ten derde, heb altijd actieve controle over het speelstuk. Als een bal bijvoorbeeld door uw robot moet worden getransporteerd, doe dit dan met een transportband, niet met een helling. Als je het speelstuk niet actief bestuurt, zal het onvermijdelijk vastlopen of uit je manipulator vallen. Ten slotte zijn prototyping en iteratieve ontwikkeling de sleutel tot het bouwen van een succesvolle manipulator. Begin met een prototype en verbeter het vervolgens iteratief totdat u klaar bent om een definitieve versie te bouwen. Zoek zelfs dan naar verbeteringen die het beter maken. Fotocredits:

Stap 2: Armen

Armen zijn een van de meest voorkomende manipulatoren die in FRC worden gebruikt. Over het algemeen worden ze gebruikt in combinatie met een eindeffector om het speelstuk te besturen. De twee meest voorkomende typen zijn enkelvoudige en meervoudig scharnierende armen. Hoewel armen met meerdere gewrichten verder kunnen reiken en meer controle kunnen hebben over de oriëntatie van de eindeffector, zijn ze ook veel complexer. Aan de andere kant hebben enkel scharnierende armen het voordeel van eenvoud. Een veelgebruikt ontwerp dat voor armen wordt gebruikt, is een 4 bar of parallelle koppeling. Een dergelijke koppeling wordt getoond in de derde afbeelding. Het belangrijkste kenmerk van dit ontwerp is dat de eindeffector in een constante richting wordt gehouden. Tips voor armontwerp:

• Let op het gewicht - kan ervoor zorgen dat de arm traag is of zelfs faalt
• Gebruik lichte materialen zoals ronde of rechthoekige buizen en plaatstaal
• Gebruik sensoren zoals eindschakelaars en potentiometers om de bediening van de arm te vereenvoudigen
• Breng de arm in evenwicht met veren, gasschokken of gewicht om hem te stabiliseren en de belasting op motoren te verminderen

Fotocredits: 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/foto's/27982

Stap 3: Liften

Net als armen worden liften gebruikt met een eindeffector om het speelstuk te besturen. Ze worden meestal opgeheven door kabel op een trommel te wikkelen. Hoewel het alleen nodig is om de lift omhoog te trekken, is het verstandig om een retourkabel mee te nemen die de lift naar beneden kan trekken om vastlopen te voorkomen. Er zijn twee hoofdstijlen voor het leggen van de kabel zodat deze de lift omhoog brengt: continue rigging en trapsgewijze rigging. Liften met doorlopende tuigage (getoond in de tweede afbeelding) hebben één doorlopende kabel van de lier naar de laatste trap. Terwijl de kabel naar binnen wordt getrokken, gaat fase 3 als eerste omhoog en als laatste naar beneden wanneer de kabel wordt losgelaten. Twee voordelen van dit ontwerp zijn dat de kabel met dezelfde snelheid omhoog gaat als naar beneden, waardoor een retourkabel op dezelfde trommel kan worden geplaatst en dat de spanning in de kabel laag is. Het grootste nadeel is dat de middensecties gevoeliger zijn voor vastlopen. Liften met trapsgewijze tuigage (getoond in de derde afbeelding) hebben individuele kabels die elke trap van de lift verbinden. Dit heeft tot gevolg dat alle trappen gelijktijdig stijgen als de kabel wordt ingetrokken. Elke retourkabel moet echter een andere snelheid hebben dan de hoofdlier, die kan worden gehanteerd door trommels met verschillende diameters te gebruiken. Terwijl de middelste secties van een trapsgewijze lift minder gevoelig zijn voor vastlopen, is de spanning op de onderste trapkabels veel hoger dan in een lift met continue tuigage. Hoewel liften en armen vergelijkbaar zijn, zijn er enkele belangrijke verschillen. Liften zijn doorgaans ingewikkelder en zwaarder dan enkelvoudig scharnierende armen. Bovendien bewegen liften meestal verticaal en kunnen ze niet buiten de omtrek van de robot komen. Ze veranderen echter het zwaartepunt van de robot niet terwijl ze bewegen, en hun positie kan nauwkeurig worden gecontroleerd met het juiste gebruik van sensoren en programmering. In wezen heeft elk zijn eigen voor- en nadelen, waarbij de beslissing om te gebruiken aan teams wordt overgelaten. Een andere optie is om deze twee opties te combineren door een arm op de laatste trap van een lift te plaatsen, waarvan een voorbeeld wordt getoond in de vierde afbeelding. Fotocredits:

Stap 4: Grijpers

Er zijn ongeveer net zoveel verschillende soorten grijpers in FRC als er teams zijn. Klauwen worden gebruikt om het speelstuk direct te besturen en te manipuleren. Ze zijn nuttig in jaren waarin er weinig speelstukken zijn, waarvan er slechts één tegelijk kan worden bestuurd. De twee belangrijkste stijlen zijn passieve klauwen en rolklauwen. Passieve klauwen vertrouwen erop dat hun vingers goed gepositioneerd zijn om het speelstuk vast te pakken, terwijl rolklauwen wielen of rollen gebruiken om het actief naar binnen te trekken. De volgende lijst met verschillende grijpers komt overeen met de afbeeldingen hierboven:

• Pneumatische grijper met twee vingers:
• Lineaire pneumatische grijper met twee vingers:
• Drievingerige lineaire pneumatische grijper:
• Gemotoriseerde grijper
• Pneumatische grijper
• Basis rolklauw
• Scharnierende rolklauw

Tot slot enkele tips voor het ontwerpen van grijpers:

• Zorg ervoor dat uw grijper voldoende kracht uitoefent om het spelstuk vast te houden
• Laat uw grijper voorwerpen snel vastgrijpen en loslaten
• Maak het gemakkelijk te bedienen door sensoren te gebruiken om basishandelingen te automatiseren

Fotocredits:

Stap 5: Ballen verzamelen en vervoeren

Hoewel grijpers handig zijn voor het manipuleren van afzonderlijke objecten met een ongebruikelijke vorm, bevatten FRC-spellen vaak een stel ballen. Twee mogelijkheden die vaak nodig zijn in deze spellen zijn het verzamelen van ballen en het transporteren ervan in een robot. De meest effectieve methode om ballen te verzamelen, verandert van jaar tot jaar, afhankelijk van de regels. In de game van 2012, Rebound Rumble, mochten teams appendages hebben die verder reikten dan hun robot. Veel teams besloten dat het voordelig zou zijn om balverzamelsystemen te hebben, wat resulteerde in appendages die rollers gebruikten om de ballen in een enkele inlaat of over hun bumpers en in hun robot te leiden. Verschillende voorbeelden van deze robots zijn te zien in afbeeldingen één tot en met drie. In het spel Lunacy uit 2009, mochten teams geen manipulatoren hebben die buiten hun frameomtrek reikten. Als ze ballen van de vloer wilden verzamelen, moesten ze daarvoor een opening aan de voorkant van hun robot hebben. Dit leidde ook tot veel robots met een brede basis omdat het een grotere opening mogelijk maakt voor ballen om binnen te komen. Enkele voorbeelden van deze robots zijn te zien op foto's vier en vijf. Er zijn verschillende manieren om ballen te vervoeren zodra ze door een robot zijn verzameld, maar de meest voorkomende is het gebruik van polyurethaanbanden. Polyurethaan banden (ook bekend als polycord) zijn in lengte verstelbare banden en worden vaak gebruikt voor transportbanden en krachtoverbrenging bij lage belasting. Elk van de hierboven afgebeelde robots maakt tot op zekere hoogte gebruik van polycord. De laatste foto toont polycord in meer detail. Fotocredits: 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

Stap 6: schieten

Een bal van een robot naar een anders ontoegankelijke locatie brengen is een andere veelvoorkomende taak in FRC. Dit vereist het lanceren van de bal, meestal met behulp van een katapult of een schietmachine op wielen, vergelijkbaar met een honkbalwerpmachine. De meest gebruikelijke oplossing voor deze uitdaging is om de bal samen te drukken tegen een draaiend wiel, dat hem voldoende versnelt om hem over een aanzienlijke afstand te lanceren. De twee belangrijkste variaties van dit ontwerp zijn schieters met één en twee wielen. Eenwielige shooters zijn eenvoudig en hebben de neiging om veel backspin op de bal te geven. De uitgangssnelheid van de bal is ongeveer gelijk aan ½ van de oppervlaktesnelheid van het wiel. Dubbelwielige shooters zijn mechanisch ingewikkelder, maar kunnen de bal verder voortstuwen. Dit komt omdat de uitgangssnelheid van de bal ongeveer gelijk is aan de oppervlaktesnelheid van het wiel. De eerste twee foto's tonen enkele voorbeelden van schutters. Zoals veel teams in 2012 leerden, is de sleutel tot het bouwen van een nauwkeurige shooter om zoveel mogelijk van de betrokken variabelen nauwkeurig te beheersen. Deze omvatten het regelen van de wielsnelheid, de lanceerhoek, de snelheid van de ballen die de schutter binnenkomen, de oriëntatie van de schutter ten opzichte van het invoersysteem en het wegglijden van de bal tegen het wiel en het oppervlak van de kap. Katapulten komen veel minder vaak voor in schietspellen omdat ze niet erg snel kunnen vuren. Hun belangrijkste voordeel is echter dat ze nauwkeuriger kunnen zijn dan traditionele schutters. Katapulten worden meestal aangedreven door pneumatiek of veren. De laatste foto is van een team dat het afgelopen jaar pneumatiek heeft gebruikt om een katapult aan te drijven. Fotocredits: https://www.chiefdelphi.com/media/photos/37418https://gallery.raiderrobotix.org/2012-Championships/2012ChampDSP/IMG_3448https://www.teamxbot.org/index.php?option=com_content&view =artikel&id=47&Itemid=55

Stap 7: Lieren

Lieren hebben meerdere mogelijke toepassingen in FRC en worden daarom gevonden als elementen van grotere manipulatoren. Twee van hun meest voorkomende toepassingen zijn het opslaan van energie voor een groter mechanisme en voor het optillen van een hele robot. Wanneer lieren worden gebruikt om een energieopslagapparaat te laden, zijn ze meestal ontworpen om slechts in één richting te werken, met een ontgrendeling waardoor deze vrij kan draaien, waardoor de opgeslagen energie vrijkomt. Een afbeelding van een lier die is ontworpen om dit te doen, wordt getoond in de eerste afbeelding. Een ander gebruik van een lier is het optillen van een robot. In dit geval is het meestal niet voldoende om een aparte versnellingsbak voor de taak te hebben, waardoor teams een PTO-versnellingsbak bouwen die het vermogen van de aandrijflijn naar een afzonderlijk mechanisme kan leiden. Hoewel het slechts een manier is om een lier aan te drijven, heb ik besloten om op de tweede foto een voorbeeld van een lier te laten zien omdat het een interessant mechanisme is. Fotocredits:

Stap 8: Conclusie

Zoals je bent gaan zien, zijn er veel verschillende mogelijke manipulatorontwerpen die kunnen worden gebruikt in de FIRST Robotics Competition. Met zoveel teams die werken aan het oplossen van de uitdagingen, elk met hun eigen achtergrond, is dit natuurlijk onvermijdelijk. Als u zich bewust wordt van wat er eerder is gedaan, kunt u kostbare tijd besparen door eerdere manipulatoren te gebruiken als basislijnen voor zowel de prototypes van uw team als de definitieve ontwerpen. Zorg er echter ook voor dat eerdere ontwerpen uw denken niet beperken. Als je bij het ontvangen van de uitdaging meteen een oud ontwerp kiest om te gebruiken, zie je misschien een betere oplossing over het hoofd. Daarnaast prevaleren soms de meest creatieve, bizarre oplossingen die specifiek zijn toegesneden op een uitdaging. De afgebeelde manipulator was bijvoorbeeld heel anders dan de meeste uit het jaar waarin hij werd gebruikt, maar was zeer succesvol. Als je je dit herinnert en de algemene tips die ik in het begin heb voorgesteld, ben je al goed op weg om een succesvolle manipulator te creëren. Dank aan Andy Baker van AndyMark voor het openbaar maken van zijn presentatie over manipulatoren. Veel van de afbeeldingen in deze tutorial zijn hiervan afkomstig. Fotocredits: