S4: Estructuras mecánicas (III)
- Tiempo: 2h
- Fecha: Lunes, 08 de Noviembre de 2021
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Objetivos de la sesión:
- Entender el funcionamiento de las 4 ruedas básicas
- Estudiar el movimiento de los robots de tipo diferencial
- Consteucción de robots diferenciales de 3 ruedas
- Introducción
- Tipos de ruedas
- Configuraciones de robots con ruedas
- Robots de tipo diferencial
- Tiempo de Proyecto
- ¡A practicar!
- Autor
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- Créditos
- Enlaces
Dentro de los robots móviles terrestres distinguimos entre los robots bioinspirados, que utilizan efectores que emulan a los de los animales (Ej. Patas) y Robots móviles con Ruedas
Las ruedas son un invento humano y NO se encuentran en la naturaleza. Ofrecen un rendimiento altísimo cuando el terreno es plano y duro. Por eso utilizamos carreteras asfaltadas para los coches y railes para los trenes
Las ruedas se usan en prácticamente todos los robots que tienen que realizar sus funciones en interiores (Casas, hospitales, museos...)
En esta sesión estudiaremos las ruedas y las configuraciones típicas que se suelen usar. Nos centraremos específicamente en los robots diferenciles, por su fácil construcción y gran maniobrabilidad
Las ruedas se clasifican en 4 tipos principales
La rueda estándar tiene dos grados de libertad. Uno es el principal: La rotación alrededor de su eje de giro. El otro es pivotaje de la rueda sobre el punto de contacto con el suelo. Es el grado de libertad que permite orientar la rueda hacia otra direccion para que los vehículos puedan girar. Piensa en la rueda estándar como la rueda delantera de las bicicletas o patines: puede rodar, y la puedes cambiar de orientación con el manillar
Este es un dibujo genérico de una rueda estándar
La ruda está formada por 3 partes:
- Chásis de la rued: es toda la parte circular
- El eje de la rueda: Eje que atraviesa el chásis, aldedor del cual la rueda rota
- Soporte del eje: Pieza donde está situado el eje principal, y que lo mantiene en su sitio
Ambos grados de libertar pueden estar actuados o no, así como restringidos o no.
Las ruedas locas tiene 2 grados de libertad. Son muy parecidas a las ruedas estándares, pero el eje del segundo grado de libertad no pasa por el centro de la rueda, sino que está desplazado una distancia
Esta rueda típicamente se usa sin actuar sus grados de libertad, para tener un tercer punto de apoyo en los robots. Son las ruedas típicas que encontramos en las sillas de oficina con ruedas, los carritos de la compra, etc...
Son como las ruedas estándares, pero tienen unos rodillos locos que hacen que la fricción en el sentido lateral sea muy bajo, por lo que se pueden desplazar lateralmente además de hacia adelante y atrás
Se pueden mover también en ambas direcciones: adelante-atrás y adelante-atrás. No necesitan un eje para establecer la dirección de movimeinto (igual que las omnidireccionales). Pueden ser activas o pasivas, pero típicamente se usan pasivas para tener un tercer punto de apoyo
Para diseñar un robot móvil una primera decisión a tomer es el número de ruedas a usar y de qué tipo. Esto lo obtenemos según el tipo de estabilidad requerida, la maniobrabilidad y la controlabilidad
Según la estabilidad los robots los clasificamos en dos categorías:
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Robots estáticamente estables: Su centro de gravedad recae siempre dentro de la proyección del polígono de apoyo en el suelo, por lo que aunque no tengan alimentación no se caen. Estos robots son más sencillos de controlar
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Robots dinámicamente estables: El centro de gravedad no está dentro de la proyección del polígono de apoyo, y por tanto hay que forzarlo aplicando fuerzas externas. Hay que utilizar un sistema de control para "guardar el equilibrio"
Los robots con 1 rueda NO son estáticamente estables: si quitamos la alimentación, se caerán, ya que sólo tienen un punto de apoyo. Para lograr que no se caigan tienen que tener un sistema de contrl para guardar el equilibrio. Son dinámicamente estables
Una configución posible sería utilizar una rueda estándar motriz, a la que se le añade un motor para convertirla también en rueda de dirección. Un motor hace que avance adelante/atrás, y el otro cambia la dirección de la rueda. Esto debe funcionar superpuesto al sistema de equilibrio
Otra posibilidad sería usando una rueda esférica activa, en la que podemos establecer el movimiento adelante/atras, izquierda/derecha, así como cualquier de sus combinaciones para que se mueve en cualquier dirección. Esta configuración también es dinámicamente estable
Las configuraciones de 2 ruedas NO son dinámicamente estables. Una muy típica es la usada en los Patines o bicis. La rueda trasera es la que realiza la tracción mientras que la rueda delantera es la de dirección
Otra configuración es utilizar dos ruedas motrices en paralelo. Variando las velocidades de estas ruedas logramos que el robot cambie su dirección. Este tipo de tracción se denomina tracción diferencial, y se utiliza muchísimo en robótica
Todas las configuraciones de 3 ruedas son Estáticamente estables. La configuración más importante es la primera: formada por dos ruedas estándares de tracción (Tracción diferencial) y un tercer punto de apoyo para tener la estabilidad: una rueda loca o esférica pasivas
La segunda configuración está formada por dos ruedas motrices que giran a la misma velocidad porque están unidas por un eje. La rueda delantera es la que se usa de dirección (aunque NO es motriz)
La tercera configuracińo es muy parecida, pero ahora tanto la tracción como la dirección se encuentra en la rueda delantera. Las dos ruedas traseras son pasivas
La cuerta configuración está formada por 3 ruedas omnidireccionales colocadas formando ángulos de 120 grados entre ellas. Esta configuración permite que el robot se puede mover en cualquier dirección, y con cualquier orientación
La primera configuración es la utilizada en los coches: dos ruedas motrices unidas por un eje y dos ruedas de dirección, también unidas por un eje. El eje de unión tiene que tener un diferencial para evitar que las ruedas derrapen (ya que en las curvas la rueda exterior tiene que poder girar más rápidamente que la interior)
La configuración dos se corresponde con un robot de tracción diferencial pero más estable que el de 3 ruedas: Dispone de 2 ruedas esféricas o locas pasivas para tener 4 puntos de contacto con el suelo
LA tercera configuración está formada por 4 ruedas omnidireccionales actuadas, que permiten al robot moverse en cualquier dirección y con cualquier orientación
Los robots que tienen una configuración de tracción diferencial se llaman robots de tipo diferencial. La configuración diferencial mínima (estáticamente estable) es la que tiene dos ruedas motrices y una rueda local (o esférica) pasiva. En la mayoría de robots educativos las ruedas motrices están en la parte delante y la rueda loca en la trasera
Estos robots tiene una maniobrabilidad muy buena y el control es muy sencillo. El robot se mueve en línea recta (adelante o hacia atrás) si las velocidades angulares de las ruedas motrices son iguales. Si una rueda tiene una velocidad menor que la otra, el robot realiza un arco hacia la rueda de menor velocidad
En el caso extremo, cuando las velocidades anguales son iguales pero de signo contrario, el robot rota sobre sí mismo, cambiando su orientación (pero sin desplazarse)
Es la diferencia de las velocidades de las ruedas lo que determina la trayectoria que sigue el robot en un instante. Por eso se denominan robots diferenciales
La mayoría de robots educativos son de tipo diferencial porque son muy fáciles de construir y de controlar. Los elementos necesarios para su diseño y construcción son:
- Dos ruedas estándares motrices, que van acopladas directamente a los motores
- Una rueda loca o esférica pasiva, que sirve de punto de apoyo para mantener la estabilidad
- Un chásis, donde se sitúan los dos motores, la rueda loca, la electrónica y las baterías
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Servos de Rotación continua. Muy compactos, fáciles de montar en el chásis y de acoplar a las ruedas. Control por velocidad (PWM específico del servo)
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Motores paso a paso. Control por posición. Permiten un control muy fino de la posición y orientación del robot, usando controladores sencillos en bucle abierto
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Motores de CC con Reductora. Control por velocidad (PWM)
Un diseño muy sencillo es el de los robots diferenciales con chásis plano. Permite su construcción cortando el chasis directamente sobre el material: Madera, metacrilato o incluso cartón. El corte se puede hacer manualmente o con cortadora láser. También se fabrican muy bien con impresoras 3D
El chásis tiene vaciados y taladros, para acoplar los motores y la rueda loca. En este ejemplo se han usado motores CC, que normalmente son cilíndricos. Se han hecho dos alojamientos rectangulares para colocar los motores, que luego se fijan mediante bridas. Las ruedas se acoplan a los ejes de los motores por presión (aunque podría ser también con prisioneros)
En la parte trasera está atornillada la rueda esférica
Para acoplar de manera más robusta los motores o servos se utilizan alojamientos específicos en 3D, con la huella del componente
Ej. Robot Beetle, Renacuajo, Miniskybot
Los servos de rotación continua nos permiten hacer robots pequeños y muy compactos por dos motivos:
- Los servos son compactos y se acoplan muy bien al resto de elementos
- Los propios servos se pueden unir formando ellos mismos el chásis
Esta es la estructura utilizada en los Robots Miniskybot 0.1 y Icebot 1.0
Una manera muy buena de construir las ruedas es mediante Impresión 3D. El diseño básico es un cilindro aplanado, en el que se hace un hueco para el alojamiento de la corona del servo, que se atornilla directamente. La rueda se encaja directamente en el eje del servo
La parte del neumático se implementa con una junta tórica de goma. Se imprime la rueda y luego se coloca la junta, quedando una rueda muy compácta, barata y fácil de usar
Esta es la rueda utilizada en el robot Renacuajo
Puedes encontrar más diseños en la página índice de la Biblioteca de piezas para Printbots
- Microbot Tritt (Año 1996). Uno de los primeros robots móviles educativos en España. Servos trucados
- Skybot (2004). Piezas cortadas por láser. Servos Trucados
- Miniskybot) (2010). El primer printbot móvil (Robot imprimible) del mundo. Fabricado con impresora 3D libre y que permitió su Telecopia. Servos Trucados
- Icebot. Printbot mínimo. Objetivo de diseño inicial: no usar tornillos para que sea fácil de montar para niños. Estructura super simplificada para entender los principios básicos de los robots diferenciales. Es el robot utilizado en Los tutoriales de FPGAs libres para Makers
- Escornabot. Motores Paso a paso
- Diseña tu propia rueda para utilizarla con un servo de rotacion continua o algún motor en concreto
- Guías de diseño:
- La rueda es un Cuerpo. Diséñala usando el banco de trabajo Part design
- Para generar el hueco para la junta tórica diseña un sketch con la sección de revolución de la rueda
- Al elemento base generado mediante revolución añade los vaciados, taladros y huecos necesarios
- Diseña tu propio chásis básico, para practicar
- Guías de diseño:
- Empieza haciendo un chásis plano. Sobre ella sitúa los alojamientos para los motores y la rueda loca
- Si usas servos, crea algunas piezas de acople en L que vayan amarradas al propio chais y al servo
- Juan González-Gómez (Obijuan)
- Rueda omnidireccional en Freecad. Por Gustavo Segura