2WD-robotchassis

Wat het is

Het chassis is het lichaam van de robot: de vlakke basis die al het andere draagt. Een 2WD-chassis (“tweewielaandrijving”) heeft twee aangedreven wielen, elk op een eigen TT-tandwielmotor, en één vrij zwenkwiel voor balans. Voeg een accu, een driverbord en een besturingseenheid toe en de basis wordt een robot die vooruit kan rijden en kan draaien.

Het klinkt misschien als het saaiste onderdeel, maar het chassis bepaalt stilletjes hoe de hele robot werkt: waar het gewicht zit, hoe hij draait en waar de sensoren zicht op hebben.

Hoe het werkt

Een 2WD-basis stuurt met differentiaalaandrijving: er is geen stuurwiel, dus de robot draait doordat de twee wielen met verschillende snelheden draaien. Als beide wielen even snel vooruit draaien, rijdt de robot recht; als je één wiel vertraagt of laat terugdraaien, maakt de robot een bocht of draait hij op de plaats. Het vrije zwenkwiel glijdt alleen mee en houdt de basis horizontaal; het draagt niet aan en stuurt niet. De wiskunde waarmee je wielsnelheden omzet in beweging staat in differentiaalaandrijving en odometrie.

Omdat de twee aangedreven wielen op dezelfde aslijn staan, draait de robot om het middelpunt tussen de wielen. Met het zwenkwiel achterin en de sensor vooraan is dat draaipunt voorspelbaar.

Wanneer je het gebruikt

Een 2WD-chassis is de juiste basis voor vrijwel elke eerste robot: lijnvolgers, robots met obstakelvermijding en doolhofrobots beginnen allemaal hier. De mechaniek blijft eenvoudig, zodat je je energie kunt besteden aan detectie en de regellus.

Kies iets anders wanneer de robot gewicht moet dragen, klimmen of over oneven terrein rijdt. Dan rechtvaardigt een 4WD- of rupschassis met metalen tandwielmotoren de extra kosten en complexiteit.

Kiezen en monteren

• Begin met 2WD in plaats van 4WD. Eén zwenkwiel voorkomt het zijwaarts schuiven van vier vaste wielen en maakt draaien op de plaats netjes.
• Houd het gewicht boven de aangedreven wielen. Grip ontstaat door belasting op de banden; bij een zware voorkant slippen de wielen. Monteer de accu vlak bij de aslijn.
• Houd het voorste vak vrij. Reserveer de voorste sleuf voor de ultrasone sensor en de servomotor, laag en vrij van obstakels zodat niets de bundel blokkeert.
• Leg kabels uit de buurt van de wielen. Leid motor- en sensorkabels zo dat ze niet in een draaiende band komen; dit is een verrassend veelvoorkomende fout bij de eerste test.

De geometrie die bepaalt hoe je robot werkt

Drie maten op een chassis bepalen vrijwel alles over het gedrag van de voltooide robot. Meet ze en schrijf ze op: elke navigatorcode heeft ze nodig.

De wielbasis is de maat die mensen bijna nooit meten en altijd nodig hebben:

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

Bij een wielbasis van 140 mm betekent een draai van 90° dat elk wiel pi × 140 / 4 = 110 mm in tegengestelde richting aflegt. Een fout van 10 mm in de wielbasis veroorzaakt bij elke bocht een fout van 7%. Dat lijkt op een slecht afgestelde regelaar, maar is in feite een meetfout.

Meet tot het midden van het raakvlak van de band, niet tot buitenkant van de wielen of de montagegaten van de motor. Bij een wiel van 65 mm met een band van 25 mm breed is dat 25 mm verschil tussen buitenkant-buiten en midden-midden; 25 mm op een wielbasis van 140 mm is 18%.

Gewichtsverdeling

Grip is evenredig met de belasting op de aangedreven banden, en een 2WD-chassis verdeelt die belasting door de montagepositie van de onderdelen.

De accu is meestal het zwaarste losse onderdeel en vaak zwaarder dan al het andere samen. Daarom bepaalt de positie van de accu de gewichtsverdeling. Monteer hem boven of net vóór de aslijn. Kies net vóór, want het zwenkwiel zit achterin en je wilt dat de basis op het zwenkwiel rust in plaats van heen en weer te kantelen.

Er is één uitzondering die je moet kennen. Een robot die moet duwen, zoals een mini-sumo-robot, wil zoveel mogelijk gewicht op de aandrijfwielen, totdat het zwenkwiel de grond bijna niet meer raakt. Een robot die een lijn nauwkeurig moet volgen wil het tegenovergestelde: een stabiele, voorspelbare opstelling met de sensorarray op een constante hoogte. Dat biedt een kantelend chassis niet.

Waar je de sensoren monteert

De plaatsing van de IMU is de subtiele keuze. Een accelerometer die ruim vóór het draaipunt is geplaatst, ondervindt tijdens een bocht centripetale versnelling. Een complementair filter zal die interpreteren als kanteling. Montage boven de aslijn beperkt dat effect.

De hoogte van de ultrasone sensor is belangrijker dan je verwacht: met een kegel met een halve hoek van 15° detecteert een sensor op 40 mm boven het chassis en naar voren gericht vanaf ongeveer 150 mm afstand het chassis zelf. Hij meldt dan een blijvend obstakel: je eigen robot.

Het probleem met het zwenkwiel

Het vrije zwenkwiel is het goedkoopste onderdeel van het chassis en de meest voorkomende bron van raadselachtige besturingsfouten.

Een zwenkwiel moet meedraaien naar de nieuwe richting wanneer de robot van richting verandert. Tijdens die beweging schuift het zijwaarts. Die kracht werkt op één hoekpunt van de robot en trekt hem van zijn koers. Dit gebeurt bij elke richtingsverandering, dus de fout is systematisch in plaats van willekeurig. Je ziet dit als een robot die recht rijdt maar consequent te kort of te ver langs een bocht neemt.

Een kogelwiel heeft geen zwenkmechanisme en rolt eenvoudig in elke richting. Op tapijt presteert het minder goed, omdat de bol erin zakt; op een gladde vloer werkt het beter.

Twee praktische punten. Eén zwenkwiel, niet twee: drie contactpunten bepalen een vlak en zijn altijd stabiel, terwijl vier punten op een starre basis gaan wiebelen. Als de robot moet achteruitrijden, moet een zwenkwiel eerst 180° draaien, waardoor de robot kortstondig van koers verandert. Daarom wijken robots die van obstakels achteruit rijken consequent uit.

Valkuilen bij het monteren

Dit zijn de punten waarvan de eerste bouw het meeste tijd kost.

Monteer eerst de motoren. Ze zijn lastig te bereiken zodra de basis vol staat, en bij de meeste kits zitten de montageschroeven vast tussen de motor en de basis.

Controleer of de wielen haaks staan. Een scheef geduwd wiel, wat met een dubbel-D-boring zeer gemakkelijk gebeurt, wiebelt. Daardoor verandert het effectieve rolradius tijdens elke omwenteling. De robot slingert vervolgens met een frequentie die aan de wielomwenteling is gekoppeld en lijkt dan een trillende regelaar.

Leg kabels vóór montage uit de buurt van de wielen. Voer ze door het montageraster van de basis voordat die vol zit. Een motorader die een draaiende band raakt, is binnen seconden beschadigd en is een van de meest voorkomende fouten bij de eerste test.

Laat de beschermfolie op het acryl zitten tot de montage is voltooid. Acryl krast snel, en de folie voorkomt ook dat de boor de randen van de montagegaten afbreekt.

Draai acryl niet te vast. Het kan rond gaten onder belasting barsten, vooral bij de motorhouders waar de vibratie het grootst is. Gebruik nylonringen en draai de schroeven handvast plus een kwart slag.

Problemen oplossen

2WD of iets anders?

Begin met 2WD, en de reden is odometrie, niet mechaniek. Een differentiaalaandrijving op twee wielen met één vrij zwenkwiel heeft een schoon kinematisch model: de wielen rollen zonder te schuiven, zodat encoderpulsen met alleen de verwachte fouten naar een pose worden omgerekend. Een 4WD-chassis met vier vaste wielen moet bij elke bocht schuiven, omdat de wielen aan elke kant verschillende bogen volgen terwijl ze tot dezelfde snelheid worden gedwongen. De odometrie is daardoor vanaf de eerste bocht fout en op een lastig te modelleren manier.

Daarmee is 2WD niet alleen het eenvoudigste startpunt, maar ook het juiste om te leren: het is de indeling waarin differentiaalaandrijving en odometrie daadwerkelijk werken.