Chassi de robô 2WD

O que é

O chassi é o corpo do robô—a plataforma plana que transporta todo o resto. Um chassi 2WD (“tração em duas rodas”) acomoda duas rodas motrizes, cada uma em seu motorredutor TT, e uma única rodinha de rolamento livre para equilíbrio. Acrescente uma bateria, uma placa de driver de motor e um controlador, e a plataforma se transforma em um robô que anda para a frente e faz curvas.

Parece a parte sem graça, mas o chassi decide, mesmo sem chamar atenção, como o robô inteiro se comporta: onde fica o peso, como ele gira e de onde os sensores conseguem enxergar.

Como funciona

Uma base 2WD faz a direção por tração diferencial: não há volante, portanto o robô gira ao acionar suas duas rodas em velocidades diferentes. As duas rodas para a frente na mesma velocidade levam o robô em linha reta; desacelerar ou inverter uma delas faz o robô curvar ou girar no lugar. A rodinha livre apenas desliza e mantém a plataforma nivelada—não transmite força motriz nem responde pela direção. A matemática que converte as velocidades das rodas em movimento está na odometria de tração diferencial.

Como as duas rodas motrizes ficam na mesma linha do eixo, o robô gira em torno do ponto central entre elas. Colocar a rodinha atrás e o sensor na frente torna essa rotação previsível.

Quando usar

Um chassi 2WD é a base certa para praticamente qualquer primeiro robô: robôs seguidores de linha, robôs que desviam de obstáculos e robôs de labirinto começam aqui. Ele mantém a parte mecânica simples para que você possa concentrar os esforços na detecção e na malha de controle.

Escolha outra opção quando o robô precisar transportar carga real, subir ou passar por terreno irregular—nesse caso, um chassi 4WD ou com esteiras, usando motorredutores de engrenagem metálica, justifica o custo e a complexidade extras.

Escolha e fixação

• Comece com 2WD, não 4WD. Uma única rodinha evita o raspamento das quatro rodas fixas e torna a virada no lugar mais precisa.
• Mantenha o peso sobre as rodas motrizes. A aderência vem da carga sobre os pneus; um robô pesado na frente faz as rodas patinar. Monte a bateria perto da linha do eixo.
• Mantenha a área frontal livre. Reserve o encaixe frontal para o sensor ultrassônico e seu servomotor, instalados em posição baixa e sem obstruções, para que nada bloqueie o feixe.
• Afaste os cabos das rodas. Prenda os fios dos motores e sensores de modo que não possam se prender a um pneu giratório—uma falha surpreendentemente comum na primeira execução.

A geometria que decide o comportamento do robô

Três medidas do chassi determinam quase tudo sobre como o robô montado se comporta. Meça essas medidas e anote—todo código de navegação precisa delas.

O entre-eixos é a medida que ninguém faz, mas sempre precisa:

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

Para um entre-eixos de 140 mm, uma rotação de 90° faz cada roda percorrer pi × 140 / 4 = 110 mm em direções opostas. Se houver um erro de 10 mm no entre-eixos, todas as curvas terão um erro de 7%—o que parece um controlador mal ajustado, mas na verdade é um problema de medição.

Meça até o centro da região de contato do pneu, não até a parte externa das rodas ou os furos de fixação dos motores. Em uma roda de 65 mm com pneu de 25 mm de largura, isso representa 25 mm de diferença entre as medidas de fora a fora e de centro a centro, e 25 mm em um entre-eixos de 140 mm equivalem a 18%.

Distribuição de peso

A aderência é proporcional à carga sobre os pneus motrizes, e um chassi 2WD distribui essa carga conforme você fixa as peças.

A bateria costuma ser o item único mais pesado, muitas vezes mais pesado do que todo o restante somado, portanto a posição da bateria é a distribuição de peso. Monte-a sobre ou pouco à frente da linha do eixo—à frente, porque a rodinha está atrás, e você quer que a plataforma se apoie nela, em vez de ficar oscilando.

Há uma exceção que vale conhecer. Um robô que precisa empurrar—um minissumo, por exemplo—quer o máximo de peso possível sobre as rodas motrizes, até o ponto em que a rodinha quase não toca o solo. Um robô que precisa seguir uma linha com precisão quer o oposto: estabilidade e previsibilidade, com a matriz de sensores mantida em altura constante, algo que um chassi oscilante não oferece.

Onde montar os sensores

O posicionamento da IMU é o mais sutil. Um acelerômetro montado bem à frente do centro de giro sofre aceleração centrípeta durante uma curva, e um filtro complementar interpretará isso como inclinação. Montá-la sobre a linha do eixo minimiza o efeito.

A altura do sensor ultrassônico importa mais do que o esperado: com um cone cujo ângulo de meia abertura é de 15°, um sensor montado 40 mm acima da plataforma e voltado para a frente começará a enxergar a própria plataforma a cerca de 150 mm de distância—e indicará um obstáculo permanente que é o próprio robô.

O problema da rodinha

A rodinha de rolamento livre é a peça mais barata do chassi e a fonte mais comum de erros de direção aparentemente inexplicáveis.

Uma rodinha giratória precisa girar para assumir a nova direção sempre que o robô muda de sentido e, enquanto faz isso, arrasta lateralmente. Esse arrasto é uma força aplicada a um canto do robô, que o desvia do curso—e acontece a cada mudança de direção, portanto o erro é sistemático, não aleatório. Isso aparece como um robô que segue bem uma linha reta, mas erra as curvas de forma consistente.

Uma rodinha de esfera não tem essa parte giratória e rola em qualquer direção. Ela é pior sobre tapete, onde a esfera afunda, e melhor em pisos lisos.

Duas observações práticas. Uma rodinha, não duas — três pontos de contato definem um plano e sempre são estáveis, enquanto quatro pontos em uma plataforma rígida fazem o chassi tombar. E, se o robô precisar dar ré, uma rodinha giratória precisa virar 180° antes, o que desvia brevemente o robô; robôs que recuam de obstáculos de maneira confiável derivam por esse único motivo.

Armadilhas de montagem

Estes são os problemas que mais consomem tempo na primeira montagem.

Monte os motores antes de qualquer outra coisa. Depois que a plataforma fica cheia, eles são mais difíceis de alcançar, e em quase todos os kits os parafusos ficam presos entre o motor e a plataforma.

Verifique se as rodas estão alinhadas. Uma roda encaixada torta—facilíssimo com o furo em duplo D—gira de forma irregular, o que altera o raio efetivo de rolagem a cada volta. O robô então serpenteia com uma frequência ligada à rotação da roda, como se o controlador estivesse oscilando.

Afaste os cabos das rodas primeiro, não por último. Prenda os cabos com presilhas passando pela grade de fixação da plataforma antes que ela fique lotada. Um fio de motor que alcança um pneu giratório é cortado em segundos, uma das falhas mais comuns na primeira execução.

Mantenha o filme protetor do acrílico até terminar a montagem. Ele risca facilmente e também evita que a furadeira lasque as bordas dos furos de fixação.

Não aperte o acrílico demais. Sob carga, ele trinca ao redor dos furos, especialmente nos suportes dos motores, onde há vibração. Use anilhas de náilon e aperte com a força dos dedos mais um quarto de volta.

Solução de problemas

2WD ou outra opção?

Comece com 2WD, e o motivo é a odometria, não a mecânica. A tração diferencial em duas rodas com uma rodinha livre tem um modelo cinemático limpo: as rodas rolam sem raspar, portanto as contagens dos encoders são convertidas em posição apenas com os erros esperados. Um chassi 4WD com quatro rodas fixas precisa raspar a cada curva, porque as rodas de cada lado percorrem arcos diferentes sendo obrigadas a girar à mesma taxa—portanto sua odometria já fica errada na primeira curva, de uma forma difícil de modelar.

Isso torna o 2WD não apenas o ponto de partida mais simples, mas o correto para aprender: é a disposição em que a odometria de tração diferencial realmente funciona.