Кейс марсохода RoboTeam Twente: как CubeMars обеспечивает движение по сложному рельефу

Создание марсохода для передвижения по сложному рельефу

Марсоход — одно из характерных применений мобильной робототехники. В отличие от обычных мобильных роботов, которые преимущественно работают на ровных поверхностях, марсоходы должны справляться со сложными условиями окружающей среды, такими как неровный рельеф, мягкий грунт, россыпи камней и склоны. Робот должен не только обладать достаточной тяговой силой, но и сохранять управляемость во время движения, учитывая при этом общую массу транспортного средства, доступное пространство для конструкции и требования к интеграции системы.

RoboTeam Twente — междисциплинарная студенческая команда по робототехнике из Нидерландов, участники которой представляют Университет Твенте (University of Twente) и Университет прикладных наук Саксиона (Saxion University of Applied Sciences). Команда занимается разработкой робототехнических систем, охватывающей несколько направлений, включая механическое проектирование, электронные системы, встроенные системы управления, разработку программного обеспечения и искусственный интеллект.

В проекте марсохода RoboTeam Twente команда использовала шестиколёсную приводную конфигурацию, в которой каждое колесо оснащено отдельным электродвигателем. В частности, CubeMars AK70-10 KV100 установлен внутри ступицы колеса и выполняет функцию колёсного приводного актуатора, обеспечивая тесную интеграцию приводного узла с конструкцией колеса.

В подобных проектах приводная система — это не просто вопрос выбора отдельного компонента. Характеристики двигателя и актуатора влияют на мощность, передаваемую колёсам, реакцию робота на команды движения и механическую компоновку всего шасси.

Поэтому поиск баланса между выходными характеристиками привода, динамикой реакции на команды движения и интеграцией системы является важным аспектом проектирования приводной системы марсохода.

Проблемы приводной системы: необходимость сочетать мощность и управляемость

В процессе разработки марсохода приводная система должна обеспечивать работу в различных режимах движения.

1. Сложный рельеф требует достаточного выходного крутящего момента

При движении робота по склонам, мягкому грунту или каменистой поверхности колёсам необходимо преодолевать сопротивление грунта и изменения нагрузки, вызванные уклоном. Если приводная система не способна обеспечить достаточный крутящий момент на колёсах, роботу может быть трудно поддерживать заданный режим движения.

Поэтому при выборе приводного актуатора недостаточно учитывать только скорость или габариты двигателя. Необходимо также оценивать, каким образом редуктор преобразует выходные характеристики двигателя в крутящий момент, необходимый на колёсах.

Крутящий момент на колёсах является важным показателем тяговых возможностей, однако сам по себе он не определяет способность марсохода преодолевать подъёмы и препятствия. Такие факторы, как радиус колёс, общая масса транспортного средства, сцепление с грунтом, конструкция шасси и распределение нагрузки, также влияют на проходимость робота по сложному рельефу.

2. Динамика реакции на команды влияет на манёвренность робота

Марсоход не всегда движется с одинаковой скоростью. При изменении скорости движения, смене направления или выполнении точных манёвров приводная система должна своевременно реагировать на управляющие команды.

Передаточное отношение редуктора — один из ключевых факторов, влияющих на выходную скорость и крутящий момент актуатора. Более высокое передаточное отношение, как правило, обеспечивает большее увеличение крутящего момента, но снижает выходную скорость, тогда как более низкое передаточное отношение обычно позволяет получить более высокую выходную скорость.

Это означает, что при проектировании приводной системы необходимо учитывать реальные требования робота к движению, а не исходить из предположения, что более высокое передаточное отношение всегда лучше. Рабочая точка двигателя, КПД передачи и параметры управления также влияют на фактические выходные характеристики актуатора.

3. Ограниченное пространство усложняет интеграцию системы

В шасси мобильного робота необходимо предусмотреть место для колёс, подвески, аккумулятора, контроллера и другого целевого оборудования. Если двигатель, редуктор, энкодер и драйвер необходимо устанавливать и согласовывать по отдельности, механическая компоновка и электрическая интеграция могут стать более сложными.

Для команд разработчиков робототехнических систем, которым необходимо одновременно работать над механической конструкцией, электронными системами и программным управлением, степень интеграции актуатора также является важным фактором при оценке приводного решения.

Приводное решение CubeMars: AK70-10 KV100 и привод, установленный в ступице колеса

Для мобильного робота с шестиколёсным приводом при выборе актуатора необходимо комплексно учитывать выходной крутящий момент, скорость, монтажные размеры и интерфейсы управления. CubeMars AK70-10 KV100 оснащён планетарным редуктором с передаточным отношением 10:1 и объединяет ключевые компоненты, такие как двигатель, драйвер и энкодер. Это решение можно рассматривать при проектировании механической компоновки и интеграции системы управления приводом робота.

Передаточное отношение определяет важный компромисс между выходной скоростью и увеличением крутящего момента, а интегрированная конструкция позволяет упростить установку и согласование некоторых компонентов. Оба аспекта заслуживают особого внимания при проектировании привода, установленного в ступице колеса, где пространство ограничено.

Однако пригодность актуатора для конкретной платформы марсохода необходимо комплексно оценивать с учётом общей массы транспортного средства, радиуса колёс, целевой скорости движения, условий рельефа и требований к отводу тепла при непрерывной работе.

1. AK70-10 KV100: передаточное отношение 10:1 и привод, установленный в ступице колеса

В презентации проекта RoboTeam Twente CubeMars AK70-10 KV100 представлен в качестве приводного узла колеса марсохода RoboTeam Twente и установлен внутри ступицы колеса. Такая компоновка объединяет приводной актуатор с конструкцией колеса и служит практическим примером для проектирования шасси и интеграции приводной системы.

Согласно официальным техническим характеристикам CubeMars, основные параметры AK70-10 KV100 следующие:

AK70-10 KV100 использует планетарный редуктор с передаточным отношением 10:1 и объединяет ключевые компоненты, такие как двигатель, драйвер и энкодер, в одном приводном актуаторе. Для команд разработчиков мобильных роботов такой подход к интеграции помогает проектировать приводную систему, исходя из относительно чётко определённых габаритов, монтажных интерфейсов и интерфейсов управления.

В конструкции привода, установленного в ступице колеса, актуатор должен обеспечивать достаточный выходной крутящий момент, а также соответствовать требованиям к целевой скорости движения, монтажному пространству и непрерывной работе. Более низкое передаточное отношение обычно позволяет получить более высокую выходную скорость, но обеспечивает относительно меньшее увеличение крутящего момента. Поэтому по-прежнему необходима комплексная оценка с учётом размеров колёс, нагрузки на транспортное средство и фактических условий рельефа.

Кроме того, номинальный и пиковый крутящий момент актуатора не равнозначны способности транспортного средства преодолевать подъёмы и препятствия. Возможность длительной выдачи мощности, допустимая продолжительность работы с пиковым крутящим моментом, КПД передачи, условия отвода тепла и сцепление с грунтом должны учитываться при проектировании и испытаниях.

Почему стоит обратить внимание на интегрированные актуаторы?

Помимо выходных характеристик, связанных с различными передаточными отношениями, интеграция актуатора — ещё один аспект проекта RoboTeam Twente, заслуживающий внимания.

CubeMars AK70-10 KV100 объединяет ключевые компоненты, включая двигатель, редуктор, драйвер и энкодер, в одном корпусе. По сравнению с подходом, при котором несколько компонентов выбираются и устанавливаются отдельно, интегрированное решение позволяет упростить некоторые задачи механического монтажа и согласования системы.

Для команд разработчиков робототехнических систем такой подход к проектированию представляет интерес по нескольким причинам.

1. Упрощение механической компоновки приводной системы

Внешние габариты актуатора, монтажные интерфейсы и конструкция выходного узла непосредственно влияют на проектирование шасси. В проекте RoboTeam Twente AK70-10 KV100 установлен внутри ступицы колеса, поэтому размеры приводного узла и степень его конструктивной интеграции напрямую влияют на компоновку ступицы.

Использование интегрированного актуатора позволяет разработчикам проектировать конструкцию с учётом относительно чётко определённых габаритов и монтажных интерфейсов, сокращая объём работ по компоновке отдельных компонентов.

2. Обеспечение согласованной разработки механической части и системы управления

При разработке приводной системы робота необходимо одновременно решать вопросы механического монтажа, конфигурации электропитания, интерфейсов связи, способов управления и сигналов обратной связи. Предварительное уточнение интерфейсов и возможностей управления актуатором помогает командам, отвечающим за механику, электронику и программное обеспечение, согласованно выполнять интеграцию на основе одного приводного решения.

Это не означает, что интегрированный актуатор позволяет отказаться от настройки и испытаний системы. Электропитание, ограничения тока, протоколы связи, параметры управления и тепловой режим по-прежнему необходимо проверять в соответствии с документацией изделия и требованиями всего транспортного средства.

3. Гибкость конфигурации для различных требований к движению

RoboTeam Twente использовала шестиколёсную приводную конфигурацию, в которой каждое колесо оснащено отдельным электродвигателем. Такая конструкция требует учитывать не только выходные возможности каждого актуатора, но и конфигурацию связи, калибровку параметров и согласованное управление несколькими приводными узлами.

В видеопрезентации проекта команда демонстрирует процесс назначения индивидуальных идентификаторов (ID) двигателям, их подключения к системе управления через общую шину связи, а также переход от калибровки одного двигателя к согласованному запуску всех шести колёс.

Эти примеры показывают, что применение интегрированных актуаторов связано не только с механическим монтажом, но и с настройкой связи, интерфейсами управления, интеграцией и наладкой всей роботизированной платформы.

Какие выводы можно сделать из примера RoboTeam Twente?

Проект RoboTeam Twente демонстрирует применение компактных интегрированных актуаторов на мобильной платформе с шестью колёсами и предлагает несколько полезных ориентиров для выбора приводов в других проектах мобильной робототехники.

1. Оценивать монтажное пространство с учётом конструкции колёс и шасси

Помимо внешнего диаметра актуатора, необходимо учитывать его осевую длину, монтажные интерфейсы, прокладку кабелей и пространство для технического обслуживания. На многоколёсных платформах размеры и масса каждого приводного узла также влияют на компоновку всего транспортного средства.

Поэтому выбор актуатора должен основываться на комплексном проектировании с учётом ступицы колеса, конструкции подвески и пространства шасси, а не только на внешнем диаметре актуатора.

2. Рассчитывать требования к выходным характеристикам на колёсах с учётом реальных условий эксплуатации

Масса транспортного средства, радиус колёс, уклон, сопротивление грунта и требования к преодолению препятствий влияют на необходимый крутящий момент. Пиковые кратковременные нагрузки и требования к непрерывной работе следует оценивать отдельно, предусматривая соответствующий запас для реальных условий эксплуатации.

Номинальный и пиковый крутящий момент необходимо оценивать раздельно, одновременно учитывая возможность длительной выдачи мощности, КПД передачи и условия отвода тепла. Технические характеристики изделия служат лишь отправной точкой при выборе актуатора и не могут заменить проверку характеристик всей роботизированной платформы.

3. Сбалансировать передаточное отношение и целевую скорость движения

Более высокое передаточное отношение помогает получить высокий крутящий момент на низких скоростях, но также ограничивает выходную скорость. При выборе необходимо выполнять расчёты и проверки с учётом целевой скорости движения, крутящего момента на колёсах и динамики реакции системы.

Для мобильных роботов оптимальное передаточное отношение не обязательно должно быть максимально высоким или максимально низким. Оно должно обеспечивать подходящий баланс между тяговой силой, максимальной скоростью и динамикой движения с учётом конкретной задачи.

4. Заранее спланировать систему управления

Для платформ с шестью или более приводными узлами необходимо проверить интерфейсы связи, режимы управления, данные обратной связи и конфигурацию электропитания, а также заранее спланировать идентификаторы двигателей, подключения к шине и процедуры наладки.

При согласованной работе нескольких приводных узлов также необходимо учитывать нагрузку на канал связи, управление командами и механизмы обработки неисправностей. Для роботов, рассчитанных на длительную работу, следует дополнительно проверять повышение температуры, эффективность отвода тепла и характеристики непрерывной выдачи мощности.

Окончательный выбор приводного актуатора должен основываться на требованиях ко всему транспортному средству. Только испытания прототипа, включающие проверку крутящего момента, скорости, повышения температуры, стабильности связи и фактической проходимости по различным типам рельефа, позволяют определить, подходит ли приводное решение для целевого применения.

Заключение

Проект марсохода RoboTeam Twente демонстрирует важность приводной системы при разработке мобильных роботов для передвижения по сложному рельефу. От компактной компоновки привода внутри ступиц колёс до независимого привода и согласованного управления всеми шестью колёсами — каждое решение при проектировании приводной системы необходимо оценивать с учётом реальных задач робота.

В этом проекте CubeMars AK70-10 KV100 используется в качестве приводного актуатора, установленного в ступице колеса марсохода. Он оснащён планетарным редуктором с передаточным отношением 10:1 и объединяет ключевые компоненты, включая двигатель, драйвер и 14-битный энкодер, в одном корпусе. Его номинальный крутящий момент составляет 8.3 N·m, а пиковый крутящий момент — приблизительно 24.8 N·m, что предоставляет конкретные технические параметры для оценки компактных приводных решений с установкой в ступице колеса.

Для проектов марсоходов и других мобильных робототехнических платформ выбор подходящего приводного решения не сводится к выбору двигателя с впечатляющими характеристиками. Выходные характеристики актуатора должны соответствовать нагрузке на транспортное средство, параметрам колёс, целям движения и системе управления. Кроме того, при комплексном проектировании и проверке необходимо учитывать монтажное пространство, условия электропитания, управление тепловым режимом, возможности связи и характеристики непрерывной работы.

На примере проекта RoboTeam Twente разработчики робототехнических систем могут лучше понять, как оценивать выходные характеристики и способы интеграции актуаторов исходя из практических требований применения, одновременно учитывая мощность привода, механическую компоновку и требования к управлению несколькими двигателями. Интегрированные актуаторы серии CubeMars AK предоставляют решения, которые можно рассматривать при проектировании приводов роботов, однако конкретную модель следует выбирать в соответствии с условиями эксплуатации проекта и официальными техническими характеристиками.

Если вы разрабатываете марсоход, мобильного робота для передвижения по бездорожью или другую роботизированную платформу, требующую компактной приводной системы, вы можете подробнее ознакомиться с актуаторами серии CubeMars AK и подобрать приводное решение, соответствующее требованиям вашего проекта к нагрузке, скорости и управлению.