[Mechanika] Mechanika robota humanoidalnego

[mog123]

W poprzednim artykule, wspominałem o wytycznych odnośnie rozmiaru humanoida, wyborze serw i zasilania, w tym chciałbym całkowicie skupić się na możliwych strukturach mechanicznych takiego robota. Chciałbym pokazać zalety i wady poszczególnych rozwiązań i omówić przykładowe konstrukcje, na deser dorzucę ciekawą paczkę zdjęć i filmików konstrukcji, które uznałem za godne uznania, wszystko w miarę przyzwoicie posegregowane. Zachęcam do lektury!

1. Montowanie serw

Od montażu serw poniekąd zależy struktura naszego robota, zależnie od wybranej metody nasz robot może być odrobinę większy lub mniejszy i może charakteryzować się mniejszym chwianiem i drganiami.

1.1. Uchwyty

Każde serwo posiada 2 uchwyty na wysokości 3/4 jego długości. W uchwytach tych są otwory na montaż śrub. Od nas zależy, jak zamontujemy serwo do szkieletu. Jest wiele różnych sposobów na wykorzystanie tych uchwytów. Można serwo dodatkowo zabudować blaszkami z nawierconymi otworami, dzięki czemu nie niszczymy serwa i mamy stosunkowo dużą stabilność montażu. Wadą tej metody jest znacznie zwiększona waga całej konstrukcji. Przykładowo posiadając 15 serw w naszym robocie, chcąc zabudować każde, należy liczyć się z wagą całej zabudowy (od 10 do 20 g) plus waga śrubek. Jak łatwo można policzyć, będzie to lekko od 200 do 400 g i więcej. Wygląda to mniej-więcej tak:

1.2 Zabudowanie modyfikowanego serwa

Zmodyfikowanie serwa wymaga odcięcia jego uchwytów, dzięki czemu nie dość że zyskujemy odrobinę na wadze, to jeszcze serwo staje się sześcianem o wygodnych wymiarach (nie posiada żadnych wypustek), co pozwoli na jego łatwe ułożenie w konstrukcji. wadą tej metody jest konieczność dokładnego zmierzenia serwa oraz wykonanie elementów ściśle przylegających do jego obudowy tak by serwo w czasie ruchu nie drgało i nie obijało się wewnątrz zabudowy(aby łatwo je zabudować).

1.3. Specjalne obudowy.

W Japonii najczęściej używane są serwa z od razu odciętymi uchwytami i nawierconymi otworami na śruby. Jest to rozwiązanie niezwykle wygodne, ponieważ waga serwa nie jest powiększana przez żadne zabudowy, a konstrukcja montowana śrubkami wkręcanymi do otworów serw jest niezwykle sztywna i wytrzymała. Na pochwałę zasługują tutaj producenci serw: V-Stone oraz JR-Propo. Ich serwa łączą w sobie wszystkie zalety, minimalizując wady. Przykładowy wygląd takiego serwa:

2. Montaż ramion.

Po wyborze serw przychodzi czas na powiązanie ich z ramionami zaprojektowanego robota. Podczas gdy montaż do obudowy serwa jest już nam znany to wciąż pozostaje montaż do wału serwa. Tutaj z pomocą przychodzą producenci serw i nie tylko.

2.1. Orczyki.

Do każdego zakupionego serwa dodawane są orczyki - najczęściej plastikowe. Nakładane są one na zębaty wał serwa. Dzięki różnym kształtom i ilościom otworów łatwo można dostosować je do naszych projektów. Najczęściej wykorzystywane orczyki to koła bądź "plusy" - posiadają równo rozmieszczone otwory i optymalne wymiary. Ze względu na fakt iż plastik nie jest zbyt wytrzymały – orczyki przy dużych obciążeniach się odginają a czasem nawet pękają to warto zastanowić się nad inwestycją w orczyki aluminiowe - kupione raz mogą być wykorzystywane przy kolejnych projektach, dodatkowo posiadają nagwintowane otwory, dzięki czemu nie stosujemy nakrętek po drugiej stronie orczyka. Tak wygląda orczyk plastikowy, oraz orczyk aluminiowy zamontowany już w serwie z przykręconym ramieniem:

Zdawać by się mogło że to wszystko, serwo zamontowane, konstrukcja złożona i czas na programowanie - nic bardziej błędnego. Gdybyśmy rzeczywiście tak złożyli naszego robota to by był kłopot. Po paru krokach cała konstrukcja pod wpływem naprężeń by się niesamowicie wyginała i łamała. Należy montować ramiona po obu stronach. Ponieważ orczyk jest tylko po jednej stronie, to radzić sobie musimy sami.

2.2. Łożyska.

Łożysko jest świetnym sposobem na zamontowanie ramiona po przeciwnej stronie orczyka. Polecam tutaj szczególnie łożyska z fleszą - małym kołnierzykiem pozwalającym na zahaczenie go. Łożyska mają ogromną zaletę - duży ślizg, dzięki czemu nie stawia ono oporów a cały ruch wykonywany jest przez wał serwa. Jednak przy budowie humanoida każdy szczegół jest ważny i w tej zalecie można dostrzec się wad. Pierwszą z nich jest cena, drugą - ich waga. Przykładowo, wrzucenie 20 łożysk do projektu to koszt około 50 złotych, co jak później się okaże - buduje niepotrzebnie cenę projektu. Przyjmując że każde łożysko użyte w projekcie waży średnio 5g - z miejsca waga robota rośnie o 100g! Oczywiście obliczenia są szacunkowe - ale już po moich obawach widać o ile szczegółów należy zadbać.

2.3. Tuleje

Jeżeli nie chcemy korzystać z łożysk - co jest całkowicie zrozumiałe, pozostają tuleje. Są to małe tunele z fleszą lub bez, umożliwiające obrót ramienia na ich zewnętrznej powierzchni. Warunkiem stosowania tulei jest dobre(czyt. ciasne) dopasowanie ich do otworów ramion. Montaż na wcisk jest najlepszy - tuleja z czasem sama się rozrusza i nie będzie stawiała oporów, a sztywność którą zapewnia - zachowamy. Zaletą tulei jest niska cena i waga - nylonowe czy plastykowe są najlepsze. paczuszka 50 sztuk kosztuje ~10 zł. Tak wygląda poprawny montaż przeciwnej strony ramienia przy użyciu tulei:

3.Struktury mechaniczne.

Humanoidy to w większości konstrukcja mechaniczna – definiuje ona jego zakres ruchów, wygląd, wagę, szybkość itp. Chciałem dlatego przedstawić parę typów konstrukcji oraz elementów pomocniczych. Przedstawię własne oznaczenia przyjęte ze względu na ilość serw w kończynach.

3.1. Mechanika nóg.

3.1.1. 5-Servo serial link.

Jest to najbardziej podstawowy typ konstrukcji mechanicznej – wszystkie hobbistyczne humanoidy na początku rozwoju tej dziedziny, zbudowane były w oparciu o tą strukturę. Zakłada ona 5 serw na nogę – 2 serwa na „pitch & roll” w kostce, 2 serwa na „pitch & roll” w biodrze i 1 serwo „pitch” w kolanie. Ale, co z „yaw” - nie ma żadnego? Jak robot w takim razie skręca?

Wykorzystuje swoją śliską podeszwę do obrócenia się wokół jednej nogi.

Załóżmy, że chcemy skręcić w lewo. Należy zatrzymać robota – on, stojąc na lewej nodze, prawą nogą musi wykonywać kroki w przód, dzięki czemu odpycha się, tworząc ruch obrotowy wokół nieruchomej nogi. Analogicznie postępujemy w przeciwną stronę.

Niestety uwidacznia się wada tego typu struktury – robot musi stać w miejscu by się obrócić. Ulepszeniem tej struktury jest 6SSL. Przykładowy wygląd struktury 5SSL:

3.1.2. 6-Servo serial link.

Jak wspomniałem, struktura 6SSL to ulepszenie 5SSL polegające na dodaniu do biodra możliwości ruchu na osi YAW. Dzięki temu robot, by skręcić, nie musi stawać w miejscu – zyskuje na dynamice i zwinności np. w walce. Dodatkowe serwo nie musi być silne, ponieważ środek ciężkości jest blisko osi obrotu. Tym samym ramię obrotu jest minimalne, a moment maksymalny. Ważne jest natomiast usztywnienie odległości między orczykiem zamontowanym do biodra a serwem poruszającym tym orczykiem, ponieważ najdrobniejsze luzy powodują chybotanie i mniej stabilny chód. Usztywnienia dokonuje się za pomocą tulejek lub podkładek.

Przykładowy wygląd struktury 6SSL(Zauważcie różne umieszczenie serw w biodrze odpowiedzialnych za pitch&roll):

3.1.3. 7-Servo serial link.

Ponieważ chód robota jest w dużej mierze uzależniony od prędkości zginania nogi w „kolanie”, powstała więc struktura 7SSL. Zakłada ona dodanie kolejnego serwa „pitch” do „kolana”. Stosując dodatkowe serwo zmniejszamy czas zginania kolana aż dwukrotnie (przy założeniu ,że oba serwa w kolanie są tych samych parametrów). Ponieważ odrobinę skraca nam się odległość od pierwszego serwa do środka ciężkości robota, to dodatkowo zyskujemy trochę na momencie w kolanie.

Przy zastosowaniu tej struktury Takeshi Maeda zbudował Omnizero2 – pierwszego robota hobbystycznego,który zaprezentował bieg i podskoki. Po lewej SubZero - jeden z pierwszych robotów Takeshi'ego Maeda, obok - jego słynny OmniZero.2

3.1.4. 4-Servo parallel link.

Czas omówić zagadnienie struktur o równoległym łączeniu serw. Serwa w przeciwieństwie do łączenia szeregowego, nie są łączone jeden na drugim jak wąż. Zamiast tego wykorzystuje się elementy mechaniczne (lub kolejne serwa) do ograniczenia ich ruchu, tak by obrót nie odbywał się na początku ramienia (orczyk), a raczej na jego końcu (tuleja/łożysko). Struktura 4SPL jest najprostszą ze struktur równoległych, a dzięki temu zastosowaniu jednego serwa mniej – najtańsza!

Wykorzystując o 1 serwo mniej na nodze na nogę, nie tylko oszczędzamy na kupnie serwa, ale także na wadze - ~50g/noga czyli 100g. To naprawdę dużo. Wykorzystanie łączenia równoległego zapewnia stabilne ruchy (kompletne wyeliminowanie drgań i niestabilności nóg), a także zmniejsza inercję, co w efekcie daje stabilny chód. Ma to jednak swoja wadę – robot nie ma osi obrotu „pitch” w kostce, ani w biodrze. Przez to nie może się schylać, a chodzenie po równi pochyłej jest utrudnione. Wstawanie robota jest niezgrabne, ponieważ musi maksymalnie podkurczyć nogi i odpychać się od ziemi rękoma. Niemniej jednak, sposób ten działa, a roboty z tą strukturą są aktualnie na topie. Przykładowy wygląd tej struktury - widać zasadę zginania nóg.

3.1.5. 5/6/7-Servo Parallel link.

Aby zmniejszyć obciążenie serwa w strukturze parallel link, możemy równolegle dołączyć kolejne serwo i połączyć je kablem typu „Y”, dzięki czemu zyskujemy dodatkowy moment (praktycznie zwiększamy go dwuktrotnie), a to powoduje rozkładanie równomierne obciążenia, serwa pracuja na większej prędkości. Struktura nazywa się 5/6SPL, ponieważ możemy dodać serwo do samej kostki, do biodra lub do obu. Dzięki zastosowaniu struktury równoległej (porusza się tak samo, jak równoległe do niego przyłączone) i kabla typu „Y”, nie musimy używać dodatkowego kanału serwokontrolera. Jest to modyfikacja czysto mechaniczna. Dodatkowo możemy rozszerzyć strukturą do 7SPL, dodając serwo do obrotu w osi„YAW' w biodrze. Przykłady konstrukcyjne:

3.1.6. 6-Servo Mixed

Jest to struktura, na którą wpadł twórca robota „IGNIS” - polega na wykorzystaniu zalet struktury równoległej (stabilny chód, sztywna konstrukcja) i szeregowej (obrót w osi „pitch”). Serwa potrzebne do zginania kolana, umieścił w nim – jedno na udo i jedno na piszczel (jak w strukturze równoległej 4SPL). Całą tą konstrukcję umieścił na elemencie bezpośrednio montowanym na orczyku serwa odpowiedzialnego za obrót w osi „pitch” kostki i biodra. Zyskując tym samym możliwość obrotu stopy i biodra w dowolnym kierunku. Jest to rozwiązanie bardzo przypominające strukturę znajdującą się w ludzkim szkielecie.

3.2. Mechanika rąk.

Umownie przyjęło się stosować 3 serwa na rękę – oczywiście można więcej (chwytaki, melissa hand itp.), ale do podstawowego humanoida wystarczy „bark” złożony z „pitch & roll” i „łokieć” - „roll”. Zapewnimy dzięki temu minimalistyczny, ale pełny ruch ramion naszego robota. Niżej przedstawiam kilka rozwiązań wykorzystanych w humanoidach.

3.2.1. Melissa Hand

Fajną sprawą w ramach chwytaka jest „melissa hand” - jest to miniaturowa replika ludzkiej ręki. Wymaga ona zrobienia 15 przegubów łączonych teleskopami (z zegarków) lub śrubkami. W przeguby wsuwane jest plastikowe „ścięgno” z paska do zamykania woreczków (na zdjęciu poniżej). Następnie ścięgna te są łączone bezpośrednio z dłonią zamontowaną na orczyku, którego ruch powoduje zamykanie i otwieranie dłoni.

4. Przykładowe konstrukcje, dodatki.

4.1. Przykładowe konstrukcje

4.1.1. RB-1000 & RB-2000

Jedne z pierwszych komercyjnych konstrukcji. Produkowane przez JRPropo prezentując przyzwoity poziom dla początkujących hobbystów, dzięki strukturze modułowej pozostawiają spore pole do popisu (możliwość dodania chwytaka, zwiększenie ilości serw, gotowe czujniki, moduły sterujące itp). RB-1000 i RB-2000 bazują na strukturze 5SSL, podstawowy komplet zawiera 15 serw RBS5801. Konstrukcja bardzo popularna w Japonii. RB-2000 dodatkowo ma możliwość rozbudowania o oś YAW w tułowiu. Zaletą tych robotów jest możliwość natychmiastowego "zanurzenia" się w robotyce amatorskiej bez większej wiedzy i konieczności projektowania. Serwa zawarte w zestawie pozwalają na wykorzystanie w późniejszych projektach, tak samo jak zaawansowany serwokontroler VSRC003 z sekwenserem i softem PC.

4.1.2. Seria OmniZero

Seria robotów spod skrzydeł Takeshi'ego Maeda, bardzo długa była moją ulubioną. Dopracowanie i możliwości tych konstrukcji bardzo długo zostawiały resztę w tyle. Konstrukcje cechuje mała waga(za sprawą karbonu i ABS), szybkie i potężne serwa, duża estetyka (osobne tory na przewody, formowane z ABS elementy), świetny soft(kinematyka odwrotna, prawdziwy bieg, podskoki, obsługa kamery). Z czasem rozwoju zawodów, konstruktor również się rozwijał i jego konstrukcje pięły się w górę, rosnąc w oczach. Między OmniZero.1 a OmniZero.9 jest ponad metr różnicy! Poniżej mała galeria i filmy:

https://www.youtube.com/watch?v=JVldQVjOEwU

blog autora: http://www.1mm.jp/m/robo.html

4.1.3. HammerHead

HammerHead pojawił się znikąd. Ale jego twórca od samego początku wiedział że startuje po złoto. Niski środek ciężkości, mała waga, daleki(ale regulaminowy) zasięg ramion powoduje że jest świetny w walce. Konstruktor korzysta ze znanego wszystkim serwokontrolera VSRC003, sterowanego przy użyciu bezprzewodowego kontrolera Playstation. Serwa użyte w HammerHead'zie to potężne DSR8901 oraz HSR-5990TG. Wystarczy zobaczyć go w akcji żeby wiedzieć że z nim nie ma żartów. Niżej galeria i filmik z turnieju w którym HammerHead brał udział.

blog autora: http://blogs.yahoo.co.jp/skyflysandai/

4.1.4. DIY Bipedal

Jest to robot może niektórym znany z LMR, pierwsze co rzuca się w oczy - przecież to biped! Czemu go umieszczam? Żeby pokazać że tanio, a można! Zacięcie tego autora z Hong-Kongu, który wszystko wykonał o własnych siłach jest ogromne i zasługuje na pochwałę. Popularne MG995 przerobił na cyfrowe, wykorzystując projekt OpenServo, o którym już wspominałem. Konstrukcja mechaniczna wykonana całkowicie z kształtek aluminiowych, wszystko to zasilane akumulatorem Li-Po 7,4V. Wykorzystał darmowy soft i korzystając z PyODE (Python Open Dynamic Engine) wykonał symulator swojego robota i zoptymalizował jego chód z początkowych 6s/krok do 0,55s/krok! Poniżej mała galeria i filmy:

blog autora: http://hk.myblog.yahoo.com/jw!afd6dGGRHBRkp2laqwk198fg

Strona robota na LMR: http://letsmakerobots.com/node/2423

4.1.5. IGNIS

IGNIS, podobnie jak HammerHead, wziął się znikąd. Jego twórca bazował na gotowej konstrukcji V-Stone - Robovie X. Na początku wymieniał poszczególne elementy, potem przeprojektował całego robota, uzyskując niesamowity efekt. IGNIS'a charakteryzuje wspaniały płynny chód, który zawdzięcza dopracowanej mechanice. Połączenie Serial i Parallel link okazało się strzałem w dziesiątkę. Zachęcam do obejrzenia paru zdjęć i film znajdujący się poniżej:

blog autora: http://snjrobots.dtiblog.com/

4.2. Dodatki.

Dodatkowo dorzucam obiecaną paczkę zdjęć i filmów, których podgląd widać na zdjęciach poniżej. Oprócz szczegółowych zdjęć z mechaniką robotów i filmów pokazujących ich działanie, znajdziecie tam też katalogi producentów i inne. Gdy czytacie ten artykuł to archiwum ciągle się ładuje na zewnętrzny serwer, linki zostaną umieszczone możliwie jak najszybciej po ich załadowaniu. Zebranie tego wszystkiego zabrało mi bardzo dużo czasu - były to godziny szukania po Japońskich stronach, mam nadzieję że okaże się pomocne. Przykładowe galerie:

Na zakończenie chciałbym podziękować za przebrnięcie przez tą sporą lekturę - mam nadzieję że się podobało. Na dniach pojawi się artykuł o serwokontrolerze i sterowaniu robotem humanoidalnym.

[ Dodano: 27-09-2011, 21:17 ]

Jakby ktoś chciał zbudować sobie melissa hand, to polecam to do poczytania:

http://robosavvy.com/forum/viewtopic.php?t=5873

http://robosavvy.com/forum/viewtopic.php?t=4192

http://robosavvy.com/forum/viewtopic.php?t=4400

[mog123]

część 1 i 2 archiwum ze zdjęciami i filmami (z 6):

http://www.megaupload.com/?d=TAOO8PF7

http://www.megaupload.com/?d=7860LWK0

3 i 4:

http://www.megaupload.com/?d=EGAO92TQ

http://www.megaupload.com/?d=Y407T45K

edit: 5 i 6:

http://www.megaupload.com/?d=GZT9PU5F

http://www.megaupload.com/?d=FDNK7PBZ

[einstein-robot]

Również ciekawy materiał.Myślę,że 3częś tego artykułu będzie również ciekawa.

[anton753159]

Można prosić o re-up galerii?(ach to FBI...)

[mog123]

oczywiście zrobię re-up, ale to jakoś w weekend. Mam nadzieję że wytrzymasz

[kamil-s]

Ja też bym prosił o re-up galerii.

I jestem jeszcze ciekawy tych tulejek - łożyska już wykluczyłem.

Czy chodzi tu o takie nylonowe rurki w kształcie kapelusza i do środka śruba?

Jeżeli tak to jak zmieścić główkę/nakrętkę śrubki pomiędzy serwem a obudowaniem serwa, zakładając oczywiście że obudowanie wpasowana jest w serwo na styk.

Męczę się z tym jakiś czas, pomysły zakładały od wycięcia dziury w serwie po wlutowanie rurek aluminiowych co by było cięższe od łożysk Pozostaje jeszcze obudowanie serwa oraz zewnętrzne obudowanie obudowania. Ale poplątane

[mog123]

Odnośnie połączenia:

http://imgur.com/k7tg4

ja używam tulejek: TDYS3/7 z TME które przyciąłem na odpowiednią długość.

Re-up galerii, jak będę miał czas, obiecuję że go zrobię, bo to pare godzin upowania.

Pozdrawiam

__________

Komentarz dodany przez: Treker

__________

Komentarz dodany przez: mog123

Nie umieściłem pliku graficznego.

[Mechano]

Sory za wielki odkop ale mam pytanie. Czy wiesz może jakie serwo zostały użyte w robocie IGNIS i OmniZero.9?