Введение в манипуляторы: 8 шагов (с изображениями)

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:51

Создание подходящего манипулятора для решения задач - одна из самых сложных частей конкурса FIRST Robotics Competition (FRC). За четыре года моей учебы это всегда было самым большим недостатком моей команды. Хотя игровые задачи в FRC меняются из года в год, часто встречаются задачи, похожие на те, что были в предыдущие годы. Например, игра 2012 года, Rebound Rumble, содержала четкие элементы игры 2001 года, Diabolical Dynamics, и игры 2006 года, Aim High. По этой причине полезно знать основные конструкции манипуляторов, которые использовались в предыдущих играх. В этом руководстве будет представлен обзор манипуляторов, обычно используемых в FIRST Robotics Competition (FRC). На каждом шаге обсуждается общий тип манипулятора и приводятся примеры его реализации. Это руководство создано в рамках программы Autodesk FIRST High School Intern. Необходимые условия: готовность учиться. Фото:

Шаг 1. Общие рекомендации

Прежде чем я перейду к основам различных манипуляторов, я хотел бы дать некоторые общие рекомендации, которые помогут вам выбрать и спроектировать манипулятор. Во-первых, позвольте стратегии управлять дизайном вашего манипулятора, а не наоборот. Это означает, что ваш манипулятор должен соответствовать требованиям к дизайну, которые ваша команда определила при формировании стратегии, а не формировать стратегию, основанную на манипуляторе, который вы создаете вместе. Во-вторых, проектируйте в пределах возможностей вашей команды. Если вы знаете, что у вас просто нет ресурсов для создания сверхсложного манипулятора, который, по вашему мнению, будет доминировать во всех аспектах игры, не делайте этого! Выбирайте более простой вариант, который вы можете построить, и который отлично справится с одной ролью. Однако не бойтесь подталкивать свою команду к преодолению ваших ограничений. Например, в прошлом году моя команда подтолкнула себя к созданию тренировочного бота, и это оказалось действительно полезным. В-третьих, всегда имейте активный контроль над игровым элементом. Например, если мяч необходимо транспортировать через вашего робота, сделайте это с помощью конвейера, а не пандуса. Если вы не будете активно управлять игровым элементом, он неизбежно заклинит или выпадет из вашего манипулятора. Наконец, создание прототипа и итеративная разработка являются ключом к созданию успешного манипулятора. Начните с прототипа, а затем последовательно улучшайте его, пока не будете готовы создать финальную версию. Даже в этом случае ищите улучшения, которые сделают его лучше. Фото:

Шаг 2: руки

Оружие - один из самых распространенных манипуляторов, используемых в FRC. Как правило, они используются вместе с концевым эффектором для управления игрой. Два распространенных типа - это одинарные и многосуставные рычаги. Хотя многосуставные рычаги могут дотягиваться дальше и лучше контролировать ориентацию концевого эффектора, они также намного сложнее. С другой стороны, одинарные шарнирные руки имеют преимущество простоты. Одна из распространенных конструкций, используемых для рычагов, представляет собой 4-стержневую или параллельную связь. Такая связь показана на третьем рисунке. Основная особенность этой конструкции заключается в том, что концевой эффектор удерживается в постоянной ориентации. Советы по дизайну руки:

• Обратите внимание на вес - рука может работать медленно или даже не работать
• Используйте легкие материалы, такие как круглые или прямоугольные трубы и листовой металл.
• Используйте датчики, такие как концевые выключатели и потенциометры, чтобы упростить управление рычагом.
• Уравновесить рычаг пружинами, газовыми амортизаторами или грузом, чтобы стабилизировать его и снизить нагрузку на двигатели.

Фото: 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 / photos / 27982

Шаг 3: лифты

Как и руки, подъемники используются с концевым эффектором для управления игровым элементом. Их обычно поднимают наматыванием троса на барабан. Хотя необходимо только подтянуть лифт вверх, целесообразно включить обратный кабель, который может тянуть лифт вниз, чтобы предотвратить заклинивание. Существует два основных стиля прокладки кабеля для подъема лифта: непрерывный такелаж и каскадный такелаж. Лифты со сплошным такелажем (показаны на втором рисунке) имеют один сплошной трос от лебедки до ее последней ступени. По мере протягивания троса этап 3 первым поднимается вверх и последним опускается при отпускании троса. Два преимущества этой конструкции заключаются в том, что трос поднимается с той же скоростью, что и опускается, а это означает, что обратный трос может быть помещен на тот же барабан, и что натяжение троса низкое. Его главный недостаток в том, что его средние части более подвержены заклиниванию. Лифты с каскадным такелажем (показаны на третьем рисунке) имеют отдельные кабели, соединяющие каждую ступень лифта. Это приводит к тому, что все ступени поднимаются одновременно по мере затягивания троса. Однако любой обратный трос должен иметь скорость, отличную от скорости основной лебедки, с которой можно перемещаться, используя барабаны разного диаметра. В то время как средние секции каскадного лифта менее восприимчивы к заклиниванию, натяжение тросов нижней ступени намного выше, чем в лифте с непрерывной такелажной системой. Хотя подъемники и кронштейны похожи, есть несколько важных различий. Лифты имеют тенденцию быть более сложными и тяжелыми, чем одинарные шарнирные рычаги. Кроме того, лифты обычно перемещаются вертикально и не могут выйти за пределы периметра робота. Однако они не изменяют центр тяжести робота во время движения, и их положение можно точно контролировать с помощью надлежащего использования датчиков и программирования. По сути, у каждого из них есть свои преимущества и недостатки, решение о которых остается за командами. Другой вариант - объединить эти два варианта, поместив руку на последнюю ступень лифта, пример которой показан на четвертом рисунке. Фото:

Шаг 4: Захваты

В FRC есть примерно столько же различных видов захватов, сколько и команд. Когти используются для непосредственного управления и манипулирования игровым элементом. Они полезны в годы, когда есть несколько игровых элементов, только один из которых можно контролировать одновременно. Два основных стиля - пассивные когти и роликовые когти. Пассивные когти полагаются на то, что их пальцы правильно расположены для захвата игрового предмета, в то время как роликовые когти используют колеса или ролики, чтобы активно втягивать его. Следующий список различных захватов соответствует рисункам выше:

• Пневматический захват с двумя пальцами
• Двухпальцевый линейный пневматический захват
• Трехпальцевый линейный пневматический захват
• Моторизованный захват
• Пневматический захват
• Базовый роликовый коготь
• Шарнирно-роликовая клешня

Напоследок несколько советов по конструкции захвата:

• Убедитесь, что ваш захват прилагает достаточно усилий, чтобы держаться за пульт.
• Заставьте захват быстро хвататься за предметы и отпускать их
• Упростите управление, используя датчики для автоматизации основных операций

Фото: https://www.andymark.com/Presentations-Education-s/194.htm

Шаг 5: Сбор и транспортировка мяча

Хотя захваты полезны для манипулирования отдельными объектами, которые могут иметь необычную форму, часто в играх FRC используется связка шаров. В этих играх обычно требуются две возможности: сбор мячей и их транспортировка внутри робота. Самый эффективный метод сбора шаров меняется из года в год в зависимости от правил. В игре Rebound Rumble 2012 года командам было разрешено иметь придатки, выходящие за пределы их робота. Многие команды решили, что наличие систем сбора падающих мячей было бы выгодным, что привело к появлению придатков, которые использовали ролики, чтобы направлять шары в одно приемное отверстие или через их бамперы в их робота. Несколько примеров этих роботов показаны на рисунках с первого по третий. В игре Lunacy 2009 года командам не разрешалось иметь манипуляторы, выходящие за пределы периметра их фрейма. Если они хотели собирать шары с пола, они должны были иметь для этого отверстие в передней части робота. Это также привело к появлению многих роботов с широким основанием, потому что это обеспечивает большее отверстие для входа мячей. Некоторые примеры этих роботов показаны на рисунках 4 и 5. Существует несколько возможных способов транспортировки мячей после того, как они будут собраны роботом, но наиболее распространенным является использование полиуретановых ремней. Полиуретановые ремни (также известные как поликорд) представляют собой ремни регулируемой длины и обычно используются для конвейеров и передачи энергии с малой нагрузкой. Каждый из роботов, изображенных выше, в той или иной степени использует поликорд. На последней картинке поликорд показан более подробно. Фото: https://www.simbotics.org/media/photos/2012-first-championship/4636 https://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

Шаг 6: стрельба

Доставить мяч от робота в другое недоступное место - еще одна распространенная задача в FRC. Это требует запуска мяча, обычно с помощью катапульты или стрелка на колесах, аналогичных бейсбольной машине для подачи. Наиболее распространенное решение этой проблемы - прижать мяч к вращающемуся колесу, которое ускоряет его достаточно, чтобы запустить на значительное расстояние. Двумя основными вариациями этой конструкции являются одно- и двухколесные стрелки. Стрелки с одним колесом просты и часто перекручивают мяч. Выходная скорость шара примерно равна ½ поверхностной скорости колеса. Стрелки с двумя колесами сложнее механически, но могут продвигать мяч дальше. Это связано с тем, что выходная скорость шара примерно равна скорости вращения колеса. На первых двух картинках показаны примеры стрелков. Как многие команды узнали в 2012 году, ключом к созданию точного стрелка является жесткий контроль как можно большего количества переменных. К ним относятся управление скоростью колеса, углом запуска, скоростью попадания шаров в стрелка, ориентацией стрелка относительно его системы подачи и проскальзыванием мяча относительно колеса и поверхности кожуха. Катапульты гораздо реже используются в стрелялках, потому что они не могут стрелять очень быстро. Однако их главное преимущество в том, что они могут быть более точными, чем традиционные стрелки. Катапульты обычно приводятся в действие пневматикой или пружинами. На последнем снимке команда, использовавшая пневматику для привода катапульты в прошлом году. Фото: https://www.chiefdelphi.com/media/photos/37418https://gallery.raiderrobotix.org/2012-Cha Championships/2012ChampDSP/IMG_3448https://www.teamxbot.org/index.php? Option = com_content & view = article & id = 47 & Itemid = 55

Шаг 7: лебедки

Лебедки имеют множество возможных применений в FRC и, следовательно, являются элементами более крупных манипуляторов. Двумя наиболее распространенными их применениями являются накопление энергии для более крупного механизма и подъем всего робота. При использовании для загрузки устройства накопления энергии лебедки обычно предназначены для работы только в одном направлении, с расцеплением, которое позволяет ему свободно вращаться, высвобождая таким образом накопленную энергию. Изображение лебедки, предназначенной для этого, показано на первом рисунке. Еще одно применение лебедки - подъем робота. В этом случае, как правило, недостаточно иметь отдельную коробку передач, предназначенную для этой задачи, что заставляет команды создавать коробку передач отбора мощности, которая способна перенаправлять мощность от трансмиссии к отдельному механизму. Хотя это всего лишь способ управления лебедкой, я решил показать пример на второй картинке, потому что это интересный механизм. Фото:

Шаг 8: Заключение

Как вы уже начали видеть, существует множество различных возможных конструкций манипуляторов, которые можно использовать в FIRST Robotics Competition. С таким количеством команд, работающих над решением проблем, каждая со своим опытом, это, конечно, обязательно произойдет. Осведомленность о том, что было сделано ранее, может сэкономить ваше драгоценное время за счет использования предыдущих манипуляторов в качестве основы как для прототипов, так и для окончательных проектов вашей команды. Однако также будьте осторожны, чтобы предыдущие разработки не ограничивали ваше мышление. Если, получив задание, вы сразу же выбираете старый дизайн, возможно, вы упускаете из виду лучшее решение. Кроме того, иногда в конечном итоге преобладают самые креативные, диковинные решения, специально разработанные для решения конкретной задачи. Например, изображенный манипулятор сильно отличался от манипулятора того года, в котором он использовался, но оказался весьма успешным. Если вы помните это и общие советы, которые я предложил в начале, вы уже будете на правильном пути к созданию успешного манипулятора. Спасибо Энди Бейкеру из AndyMark за то, что его презентация о манипуляторах стала общедоступной. Многие изображения в этом уроке взяты из него. Фото: