Einführung in Manipulatoren: 8 Schritte (mit Bildern)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-01-30 07:18

Den richtigen Manipulator für eine Herausforderung zu entwickeln, ist einer der schwierigsten Teile des FIRST Robotics Competition (FRC). In meinen vier Studienjahren war das immer der größte Schwachpunkt meines Teams. Obwohl sich die Spielherausforderung in FRC von Jahr zu Jahr ändert, gibt es oft Aufgaben, die denen aus den Vorjahren ähneln. Zum Beispiel enthielt das Spiel Rebound Rumble von 2012 klare Elemente des Spiels von 2001, Diabolical Dynamics, und des Spiels von 2006, Aim High. Aus diesem Grund ist es von Vorteil, mit den grundlegenden Manipulator-Designs vertraut zu sein, die in früheren Spielen verwendet wurden. Dieses Tutorial bietet einen Überblick über Manipulatoren, die häufig im FIRST Robotics Competition (FRC) verwendet werden. Jeder Schritt wird einen allgemeinen Manipulatortyp diskutieren und Beispiele von Implementierungen des Manipulators bereitstellen. Dieses Tutorial wurde im Rahmen des Autodesk FIRST High School Intern-Programms erstellt. Voraussetzungen: Bereitschaft zum Lernen Photo Credit:https://www.andymark.com/Presentations-Education-s/194.htm

Schritt 1: Allgemeine Richtlinien

Bevor ich mich mit den Grundlagen verschiedener Manipulatoren befasse, möchte ich einige allgemeine Richtlinien zur Verfügung stellen, die Ihnen bei der Auswahl und Gestaltung eines Manipulators helfen. Lassen Sie zunächst Ihr Manipulator-Design von der Strategie bestimmen und nicht umgekehrt. Das bedeutet, dass Ihr Manipulator die Designanforderungen erfüllen sollte, die Ihr Team bei der Entwicklung einer Strategie festgelegt hat, anstatt eine Strategie zu entwickeln, die auf dem Manipulator basiert, den Sie zusammenschustern. Zweitens: Gestalten Sie innerhalb der Grenzen Ihres Teams. Wenn Sie wissen, dass Sie einfach nicht die Ressourcen haben, um den superkomplizierten Manipulator zu bauen, von dem Sie glauben, dass er jeden Aspekt des Spiels dominieren wird, tun Sie es nicht! Entscheiden Sie sich für die einfachere, die Sie bauen können und die eine Rolle wirklich gut erfüllen wird. Scheuen Sie sich aber auch nicht, Ihr Team dazu zu bringen, Ihre Grenzen zu überwinden. Zum Beispiel hat sich mein Team im letzten Jahr dazu gedrängt, einen Übungsbot zu entwickeln, und es hat sich letztendlich als sehr nützlich erwiesen. Drittens haben Sie immer die aktive Kontrolle über das Spielstück. Wenn beispielsweise ein Ball durch Ihren Roboter transportiert werden muss, tun Sie dies mit einem Förderband und nicht mit einer Rampe. Wenn Sie das Spielstück nicht aktiv steuern, klemmt es unweigerlich oder fällt aus Ihrem Manipulator. Schließlich sind Prototyping und iterative Entwicklung der Schlüssel zum Aufbau eines erfolgreichen Manipulators. Beginnen Sie mit einem Prototyp und verbessern Sie ihn dann iterativ, bis Sie bereit sind, eine endgültige Version zu erstellen. Suchen Sie selbst dann nach Verbesserungen, die es besser machen. Bildnachweis:

Schritt 2: Arme

Arme sind einer der am häufigsten verwendeten Manipulatoren in FRC. Im Allgemeinen werden sie in Verbindung mit einem Endeffektor verwendet, um das Spielstück zu steuern. Die beiden gängigen Typen sind ein- und mehrgelenkige Arme. Während mehrgelenkige Arme in der Lage sind, weiter zu reichen und die Ausrichtung des Endeffektors besser kontrollieren zu können, sind sie auch viel komplexer. Andererseits haben eingelenkige Arme den Vorteil der Einfachheit. Eine übliche Konstruktion für Arme ist ein 4-Stab- oder Parallelgestänge. Eine solche Verknüpfung ist im dritten Bild gezeigt. Das Hauptmerkmal dieser Konstruktion besteht darin, dass der Endeffektor in einer konstanten Ausrichtung gehalten wird. Tipps zur Armgestaltung:

• Achten Sie auf das Gewicht – kann dazu führen, dass der Arm langsam wird oder sogar versagt
• Verwenden Sie leichte Materialien wie Rund- oder Rechteckrohre und Bleche
• Verwenden Sie Sensoren wie Endschalter und Potentiometer, um die Steuerung des Arms zu vereinfachen
• Ausgleichen Sie den Arm mit Federn, Gasdruckdämpfern oder Gewichten, um ihn zu stabilisieren und die Belastung der Motoren zu reduzieren

Bildnachweis: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

Schritt 3: Aufzüge

Wie Arme werden Aufzüge mit einem Endeffektor verwendet, um das Spielstück zu steuern. Sie werden normalerweise durch Aufwickeln von Kabeln auf eine Trommel angehoben. Obwohl es nur notwendig ist, den Aufzug nach oben zu ziehen, ist es ratsam, ein Rückholkabel einzuschließen, das den Aufzug nach unten ziehen kann, um ein Blockieren zu verhindern. Es gibt zwei Hauptarten, das Kabel so zu verlegen, dass es das Höhenruder anhebt: kontinuierliches Rigging und kaskadierendes Rigging. Aufzüge mit durchgehender Takelage (im zweiten Bild gezeigt) haben ein durchgehendes Kabel von der Winde bis zur letzten Stufe. Beim Einziehen des Kabels bewegt sich Stufe 3 als erstes nach oben und als letztes nach unten, wenn das Kabel losgelassen wird. Zwei Vorteile dieser Konstruktion sind, dass das Seil mit der gleichen Geschwindigkeit nach oben geht wie nach unten, was bedeutet, dass ein Rückseil auf derselben Trommel platziert werden kann und dass die Spannung im Seil gering ist. Sein Hauptnachteil ist, dass seine Mittelteile anfälliger für Verklemmen sind. Aufzüge mit kaskadierendem Rigging (im dritten Bild gezeigt) haben einzelne Kabel, die jede Stufe des Aufzugs verbinden. Dies führt dazu, dass alle Stufen beim Einziehen des Seils gleichzeitig steigen. Allerdings muss jedes Rückseil eine andere Geschwindigkeit haben als die Hauptwinde, was durch den Einsatz von Trommeln mit unterschiedlichen Durchmessern gehandhabt werden kann. Während die Mittelteile eines kaskadierten Aufzugs weniger anfällig für Verklemmungen sind, ist die Spannung an den unteren Stufenseilen viel höher als bei einem Aufzug mit durchgehendem Rigging. Obwohl Aufzüge und Arme ähnlich sind, gibt es einige wichtige Unterschiede. Aufzüge sind in der Regel komplizierter und schwerer als einarmige Arme. Darüber hinaus bewegen sich Aufzüge normalerweise vertikal und können nicht außerhalb des Umkreises des Roboters gelangen. Sie verändern jedoch den Schwerpunkt des Roboters während der Bewegung nicht und ihre Position kann durch den richtigen Einsatz von Sensoren und Programmierung präzise gesteuert werden. Im Wesentlichen hat jeder seine eigenen Vor- und Nachteile, so dass die Entscheidung, welche verwendet werden soll, den Teams überlassen wird. Eine andere Möglichkeit besteht darin, diese beiden Optionen zu kombinieren, indem ein Arm auf der letzten Stufe eines Aufzugs platziert wird, ein Beispiel dafür ist im vierten Bild gezeigt. Bildnachweis:https://www.chiefdelphi.com/media/photos/36604https://www.andymark.com/Presentations-Education-s/194.htmhttps://2012.team254.com/first/robots/

Schritt 4: Greifer

Es gibt in FRC ungefähr so viele verschiedene Arten von Greifern wie Teams. Klauen werden verwendet, um das Spielstück direkt zu steuern und zu manipulieren. Sie sind in Jahren nützlich, in denen es nur wenige Spielfiguren gibt, von denen jeweils nur eine gesteuert werden kann. Die beiden Hauptarten sind passive Klauen und Rollenklauen. Passive Klauen sind darauf angewiesen, dass ihre Finger richtig positioniert sind, um das Spielstück zu greifen, während Rollenklauen Räder oder Rollen verwenden, um es aktiv einzuziehen. Die folgende Liste der verschiedenen Greifer entspricht den obigen Bildern:

• Pneumatischer Zweifingergreifer
• Linearer pneumatischer Zweifingergreifer
• Linearer pneumatischer Dreifingergreifer
• Motorisierter Greifer
• Pneumatischer Greifer
• Grundrollenklaue
• Aufklappbare Rollenklaue

Abschließend noch einige Tipps zur Greiferauslegung:

• Stellen Sie sicher, dass Ihr Greifer genügend Kraft aufbringt, um sich am Spielstück festzuhalten
• Bringen Sie Ihren Greifer zum schnellen Greifen und Loslassen von Gegenständen
• Erleichtern Sie die Steuerung, indem Sie Sensoren verwenden, um grundlegende Vorgänge zu automatisieren

Bildnachweise:https://www.andymark.com/Presentations-Education-s/194.htmhttps://www.chiefdelphi.com/media/photos/36671https://www.chiefdelphi.com/media/photos/36522

Schritt 5: Ballsammlung und -transport

Während Greifer nützlich sind, um einzelne Objekte zu manipulieren, die ungewöhnlich geformt sein können, beinhalten FRC-Spiele oft einen Haufen Bälle. Zwei Fähigkeiten, die in diesen Spielen häufig benötigt werden, sind das Sammeln von Bällen und deren Transport innerhalb eines Roboters. Die effektivste Methode zum Sammeln von Bällen ändert sich von Jahr zu Jahr je nach den Regeln. Im Spiel Rebound Rumble von 2012 durften die Teams Anhängsel haben, die über ihren Roboter hinausgingen. Viele Teams entschieden, dass Drop-Down-Ballsammelsysteme von Vorteil wären, was zu Anhängseln führte, die die Bälle mit Rollen in eine einzelne Aufnahme oder über ihre Stoßfänger und in ihren Roboter schleusten. Mehrere Beispiele dieser Roboter sind in den Bildern eins bis drei zu sehen. Im Spiel Lunacy von 2009 durften Teams keine Manipulatoren haben, die sich über ihren Rahmenumfang hinaus erstreckten. Wenn sie Bälle vom Boden sammeln wollten, mussten sie dafür eine Öffnung in der Vorderseite ihres Roboters haben. Dies führte auch zu vielen Robotern mit breiter Basis, da es eine größere Öffnung für das Eindringen von Bällen ermöglicht. Einige Beispiele dieser Roboter sind in den Bildern vier und fünf zu sehen. Es gibt mehrere Möglichkeiten, Bälle zu transportieren, sobald sie von einem Roboter gesammelt wurden, aber die gebräuchlichste ist die Verwendung von Polyurethanbändern. Polyurethanriemen (auch als Polycord bekannt) sind längenverstellbare Riemen und werden häufig für Förderbänder und Kraftübertragung mit geringer Last verwendet. Jeder einzelne der oben abgebildeten Roboter verwendet zu einem gewissen Grad Polycord. Das letzte Bild zeigt Polycord detaillierter. Bildnachweis:https://www.simbotics.org/media/photos/2012-first-championship/4636https://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

Schritt 6: Schießen

Einen Ball von einem Roboter an einen ansonsten unzugänglichen Ort zu bringen, ist eine weitere häufige Aufgabe in FRC. Dies erfordert das Abschießen des Balls, normalerweise mit einem Katapult oder einem Shooter mit Rädern, ähnlich einer Baseball-Werfermaschine. Die häufigste Lösung für diese Herausforderung besteht darin, den Ball gegen ein sich drehendes Rad zu drücken, das ihn genug beschleunigt, um ihn über eine beträchtliche Distanz zu schleudern. Die beiden Hauptvarianten dieses Designs sind ein- und zweirädrige Shooter. Einrad-Shooter sind einfach und neigen dazu, dem Ball viel Backspin zu verleihen. Die Austrittsgeschwindigkeit der Kugel entspricht ungefähr der Hälfte der Oberflächengeschwindigkeit des Rades. Doppelrad-Shooter sind mechanisch komplizierter, können den Ball jedoch weiter vorantreiben. Dies liegt daran, dass die Austrittsgeschwindigkeit der Kugel ungefähr gleich der Oberflächengeschwindigkeit des Rades ist. Die ersten beiden Bilder zeigen einige Beispiele von Schützen. Wie viele Teams im Jahr 2012 gelernt haben, liegt der Schlüssel zum Aufbau eines präzisen Schützen darin, so viele der beteiligten Variablen wie möglich genau zu kontrollieren. Dazu gehören die Steuerung der Radgeschwindigkeit, des Abschusswinkels, der Geschwindigkeit der in den Schützen eintretenden Bälle, die Ausrichtung des Schützen relativ zu seinem Zuführsystem und das Gleiten der Kugel gegen die Rad- und Haubenoberfläche. Katapulte sind in Schießspielen viel seltener, da sie nicht sehr schnell feuern können. Ihr Hauptvorteil besteht jedoch darin, dass sie genauer sein können als herkömmliche Schützen. Katapulte werden normalerweise durch Pneumatik oder Federn angetrieben. Das letzte Bild zeigt ein Team, das im vergangenen Jahr Pneumatik verwendet hat, um ein Katapult anzutreiben. Bildnachweis:https://www.chiefdelphi.com/media/photos/37418https://gallery.raiderrobotix.org/2012-Championships/2012ChampDSP/IMG_3448https://www.teamxbot.org/index.php?option=com_content&view =artikel&id=47&Itemid=55

Schritt 7: Winden

Winden haben mehrere Einsatzmöglichkeiten in FRC und werden daher als Elemente größerer Manipulatoren gefunden. Zwei ihrer häufigsten Anwendungen sind das Speichern von Energie für einen größeren Mechanismus und das Anheben eines ganzen Roboters. Wenn sie zum Laden eines Energiespeichers verwendet werden, sind Winden normalerweise so konstruiert, dass sie nur in eine Richtung arbeiten, mit einer Freigabe, die es ihnen ermöglicht, sich frei zu drehen und so die gespeicherte Energie freizugeben. Ein Bild einer dafür ausgelegten Winde ist im ersten Bild zu sehen. Eine andere Verwendung für eine Winde ist das Heben eines Roboters. In diesem Fall reicht es in der Regel nicht aus, ein separates Getriebe für die Aufgabe zu haben, sodass die Teams ein Nebenantriebsgetriebe bauen, das in der Lage ist, die Kraft vom Antriebsstrang auf einen separaten Mechanismus umzuleiten. Obwohl es nur eine Möglichkeit ist, eine Winde anzutreiben, habe ich mich entschieden, ein Beispiel für eine im zweiten Bild zu zeigen, weil es ein interessanter Mechanismus ist. Bildnachweis:

Schritt 8: Fazit

Wie Sie bereits gesehen haben, gibt es viele verschiedene mögliche Manipulatordesigns, die im FIRST Robotics Competition verwendet werden können. Bei so vielen Teams, die an der Lösung der Herausforderungen arbeiten, jedes mit seinem eigenen Hintergrund, wird dies natürlich passieren. Wenn Sie wissen, was zuvor getan wurde, können Sie wertvolle Zeit sparen, indem Sie frühere Manipulatoren als Grundlage für die Prototypen und endgültigen Designs Ihres Teams verwenden. Achten Sie jedoch auch darauf, dass Sie sich von früheren Designs nicht in Ihrem Denken einschränken lassen. Wenn Sie nach Erhalt der Herausforderung sofort ein altes Design auswählen, übersehen Sie möglicherweise eine bessere Lösung. Darüber hinaus setzen sich am Ende manchmal die kreativsten, ausgefallensten Lösungen durch, die speziell auf eine Herausforderung zugeschnitten sind. Der abgebildete Manipulator unterschied sich beispielsweise stark von den meisten aus dem Jahr, in dem er verwendet wurde, war aber sehr erfolgreich. Wenn Sie sich an diese und die allgemeinen Tipps erinnern, die ich zu Beginn vorgeschlagen habe, sind Sie bereits auf dem besten Weg, einen erfolgreichen Manipulator zu erstellen. Vielen Dank an Andy Baker von AndyMark für die Veröffentlichung seiner Präsentation über Manipulatoren. Viele der Bilder in diesem Tutorial stammen von ihm. Bildnachweis: