Difference between revisions of "TiltOne"

Revision as of 11:35, 9 March 2010

TiltOne is a two-wheels balancing robot that can keep itself in equilibrium while moving around. It's a bigger version of Tilty - our first balancing robot - as it is designed to be able to carry a quite high payload (up to 50kg) travelling at speeds of about 1.5m/s.

Mechanical project

As the robot needs to keep the wheel axis just under it's center of mass to mantain the unstable equilibrium point, it's inertia should be high in the upper part of the frame and low at the wheel level, allowing the base to move while the center of mass holds - ideally - it's position. For this reason the batteries, that are the heavier component of the robot, are mounted at the top of the frame.

A preview of the robot structure was realized using Google Sketchup 6, giving a first idea about it's dimensions and components placement Media:Tiltone_2_-_completo.zip.

The mechanical project was then realized using Rinoceros 4.0 CAD. Apart from the robot frame, particular attention was dedicated to the design of the transmission and the wheel hub, that allow to use standard cross-bike wheels Media:Tiltone_3_Rhinoceros.zip.

The robot frame is built using standard aluminium profiles ([Item]) to allow future modifications and provide simple solutions to attach auxiliar devices.

TiltOne: il progetto

Forti dell'esperienza accumulata costruendo Tilty abbiamo deciso di progettare TiltOne affinche' la struttura fosse il piu' semplice possibile, cosi' da rendere poco problematiche le eventuali future modifiche. Per la costruzione del telaio abbiamo scelto di utilizzare dei profilati di alluminio standard ([Item]), facilmente reperibili anche in futuro, che permettono di aggiungere e togliere elementi alla struttura con estrema facilità, grazie alla modularità dei profilati e alla quantità di accessori disponibili

Il progetto di massima e' stato realizzato con Google SketchUp 6, per avere in tempi rapidi una vista d'insieme che ci permettesse di scegliere le dimensioni del robot. In allegato, il progetto realizzato con SketchUp: Media:Tiltone_2_-_completo.zip

Progetto di massima di TiltOne (realizzato con Google SketchUp), con ruote di supporto alzate:

Progetto di massima di TiltOne (realizzato con Google SketchUp), con ruote di supporto a terra:

Stabilite le dimensioni del robot e scelti i profilati da utilizzare, abbiamo disegnato con maggior precisione il telaio, utilizzando Rhinoceros 4. In particolare e' stata curata la parte meccanica: trasmissione, ruote, asse e supporto asse, posizionamento dei motori. In allegato il progetto realizzato con Rhinoceros: Media:Tiltone_3_Rhinoceros.zip

Vista d'insieme di TiltOne (progetto realizzato con Rhinoceros),:

Telaio

I profilati in grigio scuro saranno fissati con giunti di testa, non mobili (saranno in sostanza gli 8 che chiudono esternamente lo spazio per i motori). Tutti gli altri saranno fissati con le squadre per permetterne lo spostamento andando a variare la posizione del baricentro.

Vista laterale del telaio, con quote:

Nota: i due traversini alla base sono lungi 30cm (invece che 26cm)

Vista frontale del telaio, con quote:

Vista dall'alto del telaio, con quote:

Meccanica

La progettazione delle parti meccaniche aveva come obiettivo la costruzione di una struttura molto solida con l'uso di materiale il piu' possibile standard (e quindi facilmente reperibile in futuro). Ci siamo prefissi come traguardo la possibilità di trasportare circa 40kg di strumentazione, in aggiunta al peso del robot e delle batterie, per un peso stimato complessivo di circa 80kg.

Motori

La scelta dei motori è ricaduta sui prodotti Maxon Motor, coi quali abbiamo già confidenza avendoli utilizzati in altri progetti. Si tratta di motori DC con riduzione planetaria ed encoder ottico, che associano potenze elevate ad ingombri contenuti ed estrema precisione.

Al fine di dimensionare i motori abbiamo realizzato un modello di massima in Matlab, rappresentando in Simulink le relazioni che caratterizzano la dinamica di un pendolo inverso. Al modello del sistema fisico e' quindi stato applicato un semplice controllore PID, tarato affinche' garantisse prestazioni sufficientemente soddisfacenti senza requisiti di coppia troppo elevati.

Trasmissione

Ruote

Pensando con Riccardo alla soluzione per utilizzare normalissime ruote da bicicletta senza pezzi troppo custom, siamo giunti ad una soluzione che, a noi, pare la piu' semplice: invece che insistere nel cercare di rendere solidale il mozzo alla ruota, cosi' da metterlo sui cuscinetti e avere la puleggia (e la cinghia) interna al telaio, si puo' mantenere il mozzo fisso, "saldato" al telaio, esattamente come nelle normali biciclette (il mozzo e' fisso, i cuscinetti sono tra il mozzo e il pignone della ruota). Cio' che servire sarebbe quindi soltanto la puleggia a cui collegare la cinghia (che resterebbe esterna al telaio) fatta ad-hoc in modo da utilizzare lo stesso sistema di aggancio alla ruota che usano gli ingranaggi della bicicletta (quindi la "zigrinatura" su cui si infilano gli ingranaggi). Utilizzando ruote da BMX non c'e' il sistema di ruota libera, per cui la puleggia su cui poggia la cinghia sarebbe solidale al cerchio in entrambi i versi di rotazione.

Mozzo ruote

Disegni di massima con quote

Per completezza, qui uno spaccato di come dovrebbe esser fatto il mozzo di una ruota da bicicletta (notare il sistema di aggancio degli ingranaggi al mozzo): http://www.technical-illustrations.co.uk/bike-project.html

Particolare della trasmissione: