Anatomia RobotaRobotyka

Mechanika

Materiały

Roboty mogą być wykonane z niemal wszystkiego. Środowisko i misja robota często stanowią poważne ograniczenia dotyczące materiałów, z których można korzystać. Siły Powietrzne mają nadzieję zrobić motyle robotów do rozpoznania. Chociaż prawdą jest, że większość samochodów jest zrobiona ze stali, wątpię, by stalowy motyl znalazł się daleko. Wiele różnych materiałów jest dostępnych dla nowego projektu robota i przy wyborze materiałów należy wziąć pod uwagę wiele czynników:

WYTRZYMAŁOŚĆ DO MASY

O ile robot mobilny nie może być użyty w zapasach sumo lub bardzo silnych wiatrach, rozsądnie jest utrzymać wagę na niskim poziomie. Jednym ze sposobów osiągnięcia tego jest zminimalizowanie zarówno ilości, jak i gęstości materiałów budowlanych. Musimy znać wytrzymałość materiału przed zminimalizowaniem użytej ilości. Golenie materiału poza członkami struktury może być ryzykowną grą. Wymaga zaawansowanej znajomości inżynierii budowlanej i symulacji. Zbieranie materiału, który nie jest bardzo gęsty, jest nieco prostsze. Kluczowym parametrem, który należy przyjrzeć, jest stosunek siły do masy. Materiały, które są bardzo wytrzymałe na swoją wagę, pomagają utrzymać ciężar robota w dół. Wybór takich materiałów jest nieco skomplikowany przez fakt, że pewne rodzaje wytrzymałości zależą od kształtu i formacji użytego materiału. Na przykład dobrze złożona struktura kartonowa może wytrzymać o wiele więcej niż jeden kawałek tektury.

OBRÓBKA I FORMOWANIE

Dobrze nie jest mieć bardzo mocnego materiału, jeśli nie można uformować kształtu wymaganego dla robota.

Metale

W większości miast łatwo jest znaleźć sklep metalurgiczny. Co więcej, metale nie są trudne pracować z domem; po prostu upewnij się, że przestrzegane są wszystkie środki ostrożności. Bardzo twarde metale są trudne w użyciu, ponieważ wymagają (drogich) narzędzi, które są jeszcze trudniejsze. Narzędzia diamentowe (i inne) są dostępne do takich prac.

Tworzywa sztuczne

Tworzywa sztuczne mogą być formowane, topione i zmieniane przez maszynę, aby zmienić ich kształt. Formy są generalnie drogie w budowie. Formowanie próżniowe jest rozsądną alternatywą do wytwarzania cienkich arkuszy plastiku do wymaganych kształtów. Tworzywa sztuczne mogą być poddawane obróbce mechanicznej, nawet w domu, ale materiał ma tendencję do zanieczyszczania narzędzi.

Kompozyty

Kompozyty mogą być używane podobnie jak włókno szklane. Mogą być trudne do kontrolowania, ale oferują bardzo dobrą wytrzymałość na swoją wagę. Metal, drewno i tworzywa sztuczne są stosunkowo dobrze znanymi materiałami. Z drugiej strony, kompozyty są nowsze i dopiero trafiają do produktów konsumenckich, takich jak rowery. Materiały te są zbudowane bardzo podobnie do włókna szklanego. Włókna w postaci tkanych mat są impregnowane materiałem wypełniającym, który wzmacnia włókna. Wytrzymałość jest w dużej mierze w kierunku włókien, a nie w poprzek włókien. Należy zatem zachować ostrożność przy projektowaniu i rozmieszczeniu włókien w obudowie robota. Używane powszechnie włókna obejmują szkło, włókna węglowe i włókna z tworzyw sztucznych. Istnieje wiele różnych materiałów żywicznych, takich jak żywica epoksydowa i poliuretan. Materiały wypełniające, takie jak krótkie włókna szklane, są również dostępne, aby wzmocnić żywicę.

Drewno

Drewno jest łatwe w obróbce, ale niezbyt mocne. Uważaj na termity!



Większość kosztów materiałów będzie związana z kosztami obróbki. Materiały, z wyjątkiem w przypadku bardzo twardych metali i specjalnych kompozytów nie kosztuje to aż tyle.

DOSTĘPNOŚĆ

Metale, drewno i tworzywa sztuczne są stosunkowo łatwe do zdobycia. Materiały kompozytowe nie jest trudno znaleźć. Większość z tych materiałów można kupić w preformowanych kształtach, takich jak rury, arkusze, kulki i tak dalej. Rozważ rozpoczęcie projektowania z wykorzystaniem wstępnie uformowanych części; mogą zaoferować wielką siłę i dokładność.

SIŁA

Materiały mają kilka różnych cech, które określają ich wytrzymałość przy różnych rodzajach obciążeń.

Rozciąganie

Jest to przybliżona miara wytrzymałości materiału podczas rozciągania (jak struna). Szklane i kompozytowe materiały doskonale się w tym wyróżniają.

Kompresja

Jest to miara tego, jak dobrze materiał może utrzymać ciężar na nim spoczywający (jak słupek). Metale przodują w tym.

Zginanie

Jest to miara odkształcenia materiału przy bocznym nacisku. W niektórych projektach materiał nie może się w ogóle zginać. W innych projektach materiał musi się wygiąć (jak drzewo wytrzymuje silny wiatr). W związku z tym, niepowodzenie może nastąpić przez nadmierne zginanie, przez łamanie i przez niepowodzenie powrotu do pierwotnego kształtu. Wszystkie wymienione materiały mogą być używane (według odpowiedniego projektu), aby spełnić wymagania dotyczące zginania lub nie gięcia.

Szok

Jest to miara zdolności materiału do przetrwania nagłego szoku. Wstrząsy powodują gwałtowny wzrost ciśnienia na materiale i promieniowanie fal uderzeniowych w sposób, który powolny, stały nacisk nie ma.

Przetarcie

Jest to miara zdolności do wytrzymania wielokrotnego pocierania i używania. Niektóre materiały w ogóle się nie przecierają. Inni będą nie tylko ścierać, ale i zrzucać szkodliwe cząstki.

Pełzanie

Materiały podlegające stałemu naciskowi będą dawać z czasem więcej lub pełzanie. Tworzywa sztuczne, zaczynające swoją żywotność jako ciecze, podlegają pełzaniu. Z tego samego powodu, niektóre metale mogą się trochę podrażnić. Tylko upewnij się, że tolerancje robota będą utrzymane w miarę upływu czasu w obliczu pełzania. Jakie materiały powinny być użyte w robocie? Wszystkie wyżej wymienione czynniki muszą być wzięte pod uwagę, ale oto kilka wskazówek na podstawie aplikacji:

•  Projekt domowy Jeśli robot jest projektem domowym, aluminium nie jest złym wyborem. Jest tani, łatwy w zakupie, lekki, łatwy do zmienienia przez maszynę i stosunkowo mocny.
•  Podłoga przemysłowa Jeśli robot jest przeznaczony do użytku przemysłowego, należy wziąć pod uwagę jego trwałość. Jeśli wielkość produkcji jest wystarczająco wysoka, należy wziąć pod uwagę tworzywa sztuczne.
•  Konsument Jeśli robot jest przeznaczony do komercyjnej wersji, należy wziąć pod uwagę tworzywa sztuczne.
•  Przestrzeń Jeśli pieniądze są mniejszym problemem niż masa i wytrzymałość, należy rozważyć bardziej egzotyczne metale, takie jak tytan i kompozyty. Wiele nowych zagadnień wchodzi w grę dla robotów kosmicznych, które muszą stawić czoła ciężkim siłom G, ekstremalnym zakresom temperatury, próżni, promieniowaniu itd.

Niektóre przestrogi

Wybór materiałów może powodować inne problemy. Kilka z nich wymieniono w poniższych sekcjach.

KOROZJA GALWANICZNA METALI DIAMENTOWYCH

Nigdy nie jest dobrym pomysłem umieszczanie niepodobnych metali w robocie, przynajmniej nie wtedy, gdy stykają się ze sobą. Działanie na poziomie atomowym może ustawiać prądy i powodować korozję. Jest to szczególny problem w środowisku morskim, gdzie sole mogą dostać się do metalowego złącza. Nie zapominaj, że należy również uwzględnić elementy złączne. Jeśli konieczne jest zastosowanie różnych metali, należy rozważyć zastosowanie metalowego poszycia, aby zmniejszyć ten efekt.

ZMĘCZENIE

Większość materiałów ulega zniszczeniu, gdy są zgięte lub w inny sposób zdeformowane. Nawet jeśli powrócą do pierwotnego kształtu, uszkodzenie nadal istnieje. Przy wielokrotnym zginaniu materiał ostatecznie ustąpi i zawodzi. Podczas projektowania robota oceniaj wszystkie powtarzające się operacje. Upewnij się, że żaden z materiałów nie będzie narażony na stres poza ich granicami zmęczenia. Konsultuj firmy specjalizujące się w materiałach wymagających gięcia.

KOROZJA

W kilku miejscach mówiliśmy już pokrótce o korozji, w tym w części 4. Materiały można platerować plastikiem lub pokrywać innymi metalami, aby zmniejszyć szybkość korozji. Jeśli korozja jest silną możliwością, należy rozważyć użycie materiałów, które nie będą korodować.

SMAROWANIE I BRUD

Ruchome części, zwłaszcza łożyska, czasami wymagają smarowania. Pamiętaj tylko, że podstawową funkcją oleju i smaru jest rozmazywanie wszystkiego! Nagromadzenie smaru i brudu może wywołać wiele problemów.

•  Problemy z elektrycznością Smary mogą pokrywać styki elektryczne i izolować je od styku łączącego. Tego rodzaju awarie są powszechne.
•  Zanieczyszczenia Smary zatrzymują brud, powodując dodatkowe tarcie i powolne działanie. W końcu brud przesypuje pozytywne efekty smaru. Jeśli robot nie może być serwisowany, staje się to poważnym problemem.

W projekcie robota spróbuj znaleźć uszczelnione łożyska i inne ruchome części, które nie wymagają smarów. Jeśli musisz użyć smaru, znajdź taki, który trochę poskromi. Grafit i teflon są możliwościami, ale każdy ma swoje wady.

TOLERANCJE

W większości projektów mechanicznych części muszą pasować do siebie w sposób czysty. Ponadto części muszą nadal pasować, gdy robot się starzeje. Jednym z najtrudniejszych zadań w budowie robota jest jego dźwięk. Części, które wyginają się i wkręcają, mogą spowodować gwałtowne pogorszenie konstrukcji. Takie awarie mechaniczne są prawdopodobnie najgorszym problemem, który nęka projekty robotów. Oto mały przykład podstępu, który może pomóc. Rozważmy trzyczęściowy robot z częściami A, B i C. Załóżmy również, że wszystkie elementy złączne mają pewną grę, która z biegiem czasu rośnie. Nazwijmy typową grę T milimetrów; niezamierzony ruch, który może wystąpić z powodu niedokładnych tolerancji mechanicznych. Innym powszechnym określeniem jest niechlujstwo, chociaż podejrzewam, że robot byłby obrażony. Chociaż jest to nadmierne uproszczenie (i jeden wymiar), może być użyte do zilustrowania projektu tolerancji. Oto dwa sposoby budowania projektu w tych warunkach.

•  Zła konstrukcja Zły projekt będzie wiązał od A do B, a od B do C. Część C będzie się poruszać w odniesieniu do części A z ruchami, które mogą być sumą dwóch pozostałych tolerancji lub 2T. Pozostałe dwie pary przesuną się odpowiednio w granicach tolerancji T.
•  Dobry projekt Dobry projekt obejmowałby od A do B, B do C i od A do C. Zmniejszenie w systemie będzie ograniczone do mniej więcej T, a nie 2T.

Ogólnie rzecz biorąc, rozważ posiadanie centralnego, sztywnego podwozia, które ustawia tolerancje dla wszystkich gier w obrębie robota. Staraj się unikać gromadzenia gry w projekcie. Ta rada dotyczyłoby wszystkich projektów robotów oprócz wyjątkowych projektów, które w rzeczywistości zależą od elastyczności projektu.

Mechanika statyczna

Mówiliśmy już o takich tematach jak kompresja, wytrzymałość na rozciąganie, twardość, zginanie i materiały. Pochodzenie mechanicznych właściwości statycznych materiałów kształtowanych (takich jak wytrzymałość na ściskanie, wytrzymałość na rozciąganie, elastyczność itp.) Jest poza tym tekstem, ale nie oznacza to, że projekt musi być wykonywany na ślepo. W przypadku zastosowania wstępnie uformowanych materiałów producent powinien mieć możliwość określenia tych właściwości dla części, o których mowa. Jeśli producent nie może, należy rozważyć znalezienie innego producenta. Parametry, o których mowa, nie są trudne do obliczenia ani zmierzenia empirycznie, ale inżynier musi dysponować odpowiednimi narzędziami i wiedzą. Jeśli wytrzymałość na rozciąganie lub wytrzymałość na ściskanie elementu konstrukcyjnego musi zostać obliczona, rozważ znalezienie konsultanta ME w celu wykonania pracy. Inną opcją byłoby znaleźć podobną część mniej więcej tego samego kształtu i ekstrapolować parametry. Oto jeden przykład. Załóżmy, że chcesz poznać wytrzymałość na ściskanie belki w kształcie litery L wykonanej z określonego rodzaju tworzywa sztucznego. Jeśli producent określił już wytrzymałość na ściskanie pojedynczej płyty materiału o tej samej grubości, masz wystarczającą ilość informacji do oszacowania. Po prostu dodaj razem wytrzymałość na ściskanie dwóch płaskich części belki L. To oszacowanie wytrzymałości na ściskanie dla belki L będzie prawdopodobnie niskie, ale to dobrze.

Dynamiczna mechanika

Dziedzina dynamiki jest ogromna i skomplikowana. Nawet bez komplikacji relatywistycznych ruchów fizyka i matematyka są trudne i wykraczają poza zakres tego tekstu. Jednak kilka przydatnych wskazówek musi zostać przekazanych dalej.

OBLICZENIA ENERGII

Przydatne jest oszacowanie energii wymaganej do poruszania części w obrębie robota. Obliczenia wymagane do wykonania tych oszacowań różnią się w zależności od rodzaju zastosowanych ruchów. Zastanów się nad rowerem. Ile energii potrzeba, aby przyspieszyć rower do stałej prędkości? Załóżmy, że: Podwozie roweru, bez kół, ma masę W1. Każde koło ma masę W2 i ma promień R. Rower przyspieszy do prędkości V. Energia masy poruszającej się w linii prostej jest:

0,5 x m x v2 ,

gdzie m to masa, v prędkość. Zauważ podobieństwo do słynnego wzoru Einsteina E = mc2 ! Teraz, gdyby koła się nie obracały, energia byłoby:

E = 0,5 x (W1 + W2 + W2) x V2,

Ale opony rzeczywiście obracają się i zawierają również energię. Energia w masie ograniczone do obracania się wokół punktu centralnego to

E = 0,5 x m x r2 x (dθ/dt)2

gdzie m jest masą, r jest promieniem obrotu, a θ jest położeniem kątowym wirującej masy. Jest to najlepsze równanie do pomiaru energii, ale jest łatwiejszy sposób. Gdyby cała waga opony W1 znajdowała się na krawędzi (promień r), wówczas każda cząstka opony poruszałaby się z prędkością V. Energia rotacyjna każdej opony byłaby

E = 0,5 x W2 xV2

Z praktycznego punktu widzenia nie cała masa opony znajduje się na obręczy. Część masy znajduje się w szprychach. W przypadku roweru, poprzednie równanie jest dobrym, ostrożnym oszacowaniem, ale w przypadku kół w kształcie krążka hokejowego znaczna masa będzie występować na wewnętrznej stronie koła, bliżej osi. Energia obrotowa koła byłaby niższa niż poprzednia liczba. Obliczenie odpowiedniej liczby zajęłoby trochę rachunku. Jednak szacowanie liczby można wykonać w łatwiejszy sposób. Energia obracającej się cząsteczki masy rośnie jako r2, ale liczba takich cząstek rośnie wraz z obwodem ruchu, gdy wzrasta r. Rachunek pokazuje energię rosnącą jako r3. Jeśli chcemy oszacować energię rolniczą w kole, chcemy znaleźć r1 takie, że r13? 0,5 r3. Promień ten, r1, okazuje się być około 80 procent r. Chociaż zewnętrzna strona koła może poruszać się z prędkością V, średnia część koła przy promieniu r1 porusza się na 8x V. Zatem dobrym pierwszym przybliżeniem energii obrotowej w stałym kole rdzenia byłoby

E = 0,5 x W2 x(0,8 x V)2 = 0,32 x W2 x V2

To spowodowałoby, że całkowita energia w rowerze między dwoma następującymi energiami:

•  Wysoka ocena To oszacowanie zakłada, że cała masa koła znajduje się na krawędzi w pobliżu obręczy:



•  Niskie oszacowanie To oszacowanie zakłada, że cała masa koła jest równomiernie rozłożona w całym kole:



Nie zapominaj, że przekazywanie energii do części w robocie nie może być wykonane wydajnie. Równania te są tylko teoretyczne i służą do oszacowania tylko energii w ruchomych częściach. Energia potrzebna do przyspieszenia części do prędkości, o których mowa, będzie większa niż oszacowanie.

NATURALNE CZĘSTOTLIWOŚCI

W poprzedniej części omówiliśmy naturalne wibracje. Wszystkie struktury mechaniczne będą wibrują z łatwością na określonych "naturalnych" częstotliwościach. Materiały i struktura przyczyniają się do tego rodzaju luki. W najgorszym przypadku robot może się otrząsnąć. W najlepszym przypadku robot może hałasować podczas ruchu. Najlepszym sposobem na wyeliminowanie tego problemu jest zróżnicowanie projektu w taki sposób, aby wibracje w zespole były mniej prawdopodobne. Zauważ, że rozwiązania tłumienia drgań są w dużym stopniu takie same, jak dodanie tarcia do naszego systemu sterowania drugiego rzędu.

TRANSFER CIEPŁA

Musi powstać kilka krótkich notatek na temat wymiany ciepła. Często ciepło musi zostać usunięte ze składnika. Radiatory, na przykład, usuwają ciepło z układów scalonych, takich jak mikroprocesory. Chociaż przenoszenie ciepła jest problemem ogólnym, w naszym przykładzie możemy użyć procesora i radiatora bez utraty ogólności. Ciepło przepływa z procesora, przez radiator i do otaczającego powietrza. Każdy komponent ma dobrze określoną impedancję termiczną, którą można wykorzystać do pomiaru jego skuteczności. Niska impedancja termiczna oznacza, że komponent może efektywniej przenosić ciepło. Oto, jak wykonywane są obliczenia. Załóżmy, że procesor rozprasza 20 watów, że otaczające powietrze ma 25 stopni Celsjusza, a impedancja cieplna radiatora to 2 stopnie Celsjusza na wat. Procesor wzrośnie do temperatury

25 + 2 x 20 = 65 stopni Celsjusza

Temperatura może być zbyt wysoka dla procesora. Jeśli tak jest, obniżyć temperatura otaczającego powietrza, uzyskaj radiator o niższej impedancji termicznej lub znajdź procesor o niższej energii.