Telaio robotico 2WD

Che cos’è

Il telaio è il corpo del robot: la piattaforma piatta che trasporta tutto il resto. Un telaio 2WD (trazione a due ruote) monta due ruote motrici, ciascuna sul proprio motore con ingranaggi TT, e un solo caster a rotolamento libero per l’equilibrio. Aggiungi una batteria, una scheda driver e un controllore, e la piattaforma diventa un robot che può avanzare e ruotare.

Sembra la parte noiosa, ma il telaio decide silenziosamente il comportamento dell’intero robot: dove si trova il peso, come ruota e da dove possono vedere i sensori.

Come funziona

Una base 2WD sterza mediante la trazione differenziale: non c’è un volante, quindi il robot ruota facendo girare le due ruote a velocità diverse. Entrambe in avanti alla stessa velocità fanno procedere il robot in linea retta; rallentando o invertendo una ruota, il robot curva o ruota sul posto. Il caster libero scorre e mantiene la piattaforma in piano: non trasmette trazione e non sterza. La matematica che converte le velocità delle ruote in movimento è illustrata nell’odometria a trazione differenziale.

Poiché le due ruote motrici si trovano sulla stessa linea dell’asse, il robot ruota attorno al punto centrale tra loro. Collocando il caster sul retro e il sensore sul fronte, rendi prevedibile questo punto di rotazione.

Quando usarlo

Un telaio 2WD è la base giusta per praticamente ogni primo robot: inseguitori di linea, robot che evitano ostacoli e robot per labirinti partono tutti da qui. Mantiene la meccanica essenziale, così puoi dedicare il tuo impegno ai sensori e al ciclo di controllo.

Scegli altro quando il robot deve trasportare un peso reale, salire o superare terreni irregolari: in quel caso un telaio 4WD o a cingoli con motori a ingranaggi metallici giustifica il costo e la complessità aggiuntivi.

Scelta e montaggio

• Scegli 2WD invece di 4WD per iniziare. Un caster evita lo strisciamento di quattro ruote fisse e rende pulita la sterzata con rotazione sul posto.
• Mantieni il peso sulle ruote motrici. L’aderenza dipende dal carico sui pneumatici; un robot pesante sul fronte fa slittare le ruote. Monta la batteria vicino alla linea dell’asse.
• Lascia libero il vano anteriore. Riserva lo slot anteriore al sensore ultrasonico e al suo servomotore, in basso e senza ostacoli, così nulla blocca il fascio.
• Porta i cavi lontano dalle ruote. Sistema i fili del motore e del sensore in modo che non possano impigliarsi in un pneumatico in rotazione: è un guasto sorprendentemente comune alla prima prova.

La geometria che decide il comportamento del robot

Tre misure del telaio determinano quasi tutto il modo in cui il robot finito si muove. Misura le tue e annotale: ogni parte del codice di navigazione ne ha bisogno.

L’interasse è la misura che nessuno misura e che serve sempre:

turn rate (rad/s) = (v_right - v_left) / wheelbase
distance per pivot degree = pi x wheelbase / 360

Per un interasse di 140 mm, una rotazione di 90° significa che ogni ruota percorre pi × 140 / 4 = 110 mm in direzioni opposte. Se sbagli l’interasse di 10 mm, ogni curva sbaglia del 7%: sembra un controllore regolato male, ma in realtà è un problema di metro a nastro.

Misura fino al centro del contatto del pneumatico, non fino al bordo esterno delle ruote o ai fori di montaggio dei motori. Su una ruota da 65 mm con un pneumatico largo 25 mm, tra il valore da bordo esterno a bordo esterno e quello da centro a centro ci sono 25 mm di differenza, e 25 mm su un interasse di 140 mm sono il 18%.

Distribuzione del peso

L’aderenza è proporzionale al carico sui pneumatici motrici, e un telaio 2WD distribuisce quel carico in base a dove fissa i componenti.

La batteria è di solito il singolo componente più pesante, spesso più di tutti gli altri messi insieme, quindi dove si trova la batteria è la distribuzione del peso. Montala sopra o appena davanti alla linea dell’asse: davanti, perché il caster è dietro e vuoi che la piattaforma appoggi sul caster anziché restare in bilico.

C’è un’eccezione che vale la pena conoscere. Un robot che deve spingere — un mini sumo, per esempio — vuole il massimo peso possibile sulle ruote motrici, fino al punto in cui il caster appena appoggia. Un robot che deve seguire una linea con precisione vuole il contrario: stabilità e prevedibilità, con l’array di sensori mantenuto a un’altezza costante, cosa che un telaio in bilico non può fare.

Dove montare i sensori

La posizione dell’IMU è quella sottile. Un accelerometro montato molto avanti rispetto al centro di rotazione subisce un’accelerazione centripeta durante una curva, e un filtro complementare la interpreterà come un’inclinazione. Montarlo sulla linea dell’asse riduce al minimo l’effetto.

L’altezza del sensore ultrasonico conta più del previsto: con un cono a semiangolo di 15°, un sensore montato a 40 mm sopra la piattaforma e rivolto in avanti inizia a vedere la piattaforma stessa a circa 150 mm di distanza, segnalando un ostacolo permanente che è il tuo stesso robot.

Il problema del caster

Il caster a rotolamento libero è la parte più economica del telaio e la causa più comune di misteriosi errori di sterzata.

Un caster girevole deve ruotare per assumere la nuova direzione ogni volta che il robot cambia direzione e, mentre lo fa, striscia lateralmente. Questo attrito esercita una forza su un angolo del robot e lo devia dal percorso: poiché accade a ogni cambio di direzione, l’errore è sistematico anziché casuale. Si manifesta come un robot che segue bene una linea retta ma sbaglia sempre le curve.

Un caster a sfera non ha un perno girevole e rotola semplicemente in qualsiasi direzione. È peggiore sui tappeti, dove la sfera affonda, e migliore sui pavimenti lisci.

Due note pratiche. Un caster, non due: tre punti di contatto definiscono un piano e sono sempre stabili, mentre quattro punti su una piattaforma rigida fanno oscillare il telaio. E se il robot deve invertire, un caster girevole deve prima capovolgersi di 180°, deviando brevemente il robot: i robot che arretano per allontanarsi dagli ostacoli tendono a deviare per questo motivo.

Trappole durante il montaggio

Queste sono quelle che costano più tempo alla prima costruzione.

Monta i motori prima di ogni altra cosa. Dopo che la piattaforma è montata, i motori sono difficili da raggiungere e, nella maggior parte dei kit, le viti di montaggio dei motori restano intrappolate tra motore e piattaforma.

Controlla che le ruote siano squadrate. Una ruota montata storta, operazione molto facile con il foro double-D, oscilla e cambia di conseguenza il raggio di rotolamento effettivo a ogni giro. Il robot poi serpenta con una frequenza legata alla rotazione delle ruote, sembrando un controllore oscillante.

Porta i cavi lontano dalle ruote per primi, non per ultimi. Fai passare le fasce attraverso la griglia di montaggio della piattaforma prima che si riempia. Un filo del motore che raggiunge un pneumatico in rotazione viene spellato in pochi secondi ed è uno dei guasti più comuni alla prima prova.

Lascia la pellicola protettiva sull’acrilico finché il montaggio non è terminato. Si graffia facilmente e la pellicola impedisce anche al trapano di scheggiare i bordi dei fori di montaggio.

Non serrare eccessivamente l’acrilico. Sotto carico si rompe attorno ai fori, in particolare sui supporti dei motori, dove le vibrazioni sono maggiori. Usa rondelle in nylon e serraggio a mano più un quarto di giro.

Risoluzione dei problemi

2WD o qualcos’altro?

Inizia con il 2WD: il motivo è l’odometria, non la meccanica. Una trazione differenziale a due ruote con un caster libero ha un modello cinematico pulito: le ruote rotolano senza strisciare, quindi le conteggi degli encoder si convertono in una posa con soli gli errori previsti. Un telaio 4WD con quattro ruote fisse deve strisciare a ogni curva, perché le ruote di ciascun lato percorrono archi diversi pur ruotando alla stessa velocità: la sua odometria è quindi sbagliata dalla prima curva, in un modo difficile da modellare.

Questo rende il 2WD non solo il punto di partenza più semplice, ma quello corretto per imparare: è la configurazione su cui l’odometria a trazione differenziale funziona davvero.