Τι είναι ένα σφαιρικό ρομπότ; 9 Απαντήσεις που πρέπει να γνωρίζετε

Σφαιρικό ρομπότ | Σφαιρικό ρολό ρολό

Σφαιρικός ορισμός ρομπότ

Ένας σφαιρικός Ρομπότ ή Spherical Rolling Robot, αλλιώς ονομάζεται σφαιρικό κινητό ρομπότ, είναι ένα ρομπότ σε σχήμα μπάλας που είναι κινητό με σφαιρικό εξωτερικό σχήμα. Ένα σφαιρικό ρομπότ περιλαμβάνει ένα σφαιρικό κέλυφος σχήματος που χρησιμεύει ως το σώμα του ρομπότ και μια εσωτερική μονάδα οδήγησης γενικά γνωστή ως Robot's IDU που του επιτρέπει να οδηγεί. Η περιστροφή των επιφανειών είναι ο τρόπος με τον οποίο πετούν τα περισσότερα σφαιρικά κινητά ρομπότ.

Η κυλιόμενη κίνηση επιτυγχάνεται συνήθως μετακινώντας το κέντρο μάζας του ρομπότ (δηλαδή ένα σύστημα με εκκρεμές), αλλά και άλλοι μηχανισμοί οδήγησης είναι επίσης δυνατοί. Αν και, σε ένα ευρύτερο πλαίσιο, ένα σφαιρικό σύστημα συντεταγμένων σε ένα σταθερό ρομπότ, περιέχει αρθρώσεις τύπου 2-περιστροφικών και 1-πρισματικών (παράδειγμα: Stanford Arm).

Το σφαιρικό κέλυφος είναι γενικά κατασκευασμένο από συμπαγές διαφανές πλαστικό, αδιαφανές ή εύκαμπτο υλικό για μοναδικούς μηχανισμούς κίνησης και άλλες ειδικές εφαρμογές, αυτό το σφαιρικό κέλυφος θα σφραγίσει το ρομπότ από το εξωτερικό περιβάλλον. Υπάρχουν επαναδιαμορφώσιμα σφαιρικά ρομπότ που μπορούν να μετατρέψουν την σφαιρική επιφάνεια σε διάφορες διαμορφώσεις και να εκτελέσουν εργασίες εκτός από την κύλιση.

Τα σφαιρικά ρομπότ μπορούν να είναι αυτόνομα ή να ελέγχονται εξ αποστάσεως (teleoperated), λόγω της κινητικότητας και της κλειστής δομής του σφαιρικού σώματος, σχεδόν όλα τα σφαιρικά ρομπότ χρησιμοποίησαν ασύρματες τηλεπικοινωνίες μεταξύ της εσωτερικής μονάδας κίνησης και της εξωτερικής μονάδας ελέγχου (σύστημα πλοήγησης). Το μεγαλύτερο μέρος της ισχύος αυτών των ρομπότ προέρχεται από μια μπαταρία μέσα στο ρομπότ, αλλά αρκετά σφαιρικά ρομπότ χρησιμοποιούν ηλιακά κύτταρα. Τα σφαιρικά κινητά ρομπότ ταξινομούνται σύμφωνα με την εφαρμογή τους ή τον μηχανισμό κίνησης.

Σφαιρικός σχεδιασμός ρομπότ

Τα αντικείμενα σε σχήμα μπάλας έχουν απίστευτη ευελιξία, κάτι που αξίζει να εξερευνήσετε την πρόοδο του σφαιρικού ρομπότ σχέδια. Ένα άλλο σημαντικό όφελος αυτών των ρομποτικών είναι η ικανότητά τους να αντέχουν σε σκληρά περιβαλλοντικά περιβάλλοντα.

Η βασική ιδέα του συστήματος κίνησης ρομπότ και της αρχικής αρχιτεκτονικής φαίνεται παρακάτω. Ένας θόλος στεγάζει τα εσωτερικά στοιχεία του ρομπότ μέσα σε αυτό (1). Η βάση (2) χρησιμεύει ως βάση για όλα τα μηχανικά δομικά στοιχεία. Δύο κινητήρες DC παρέχουν μηχανισμό κίνησης με τροχούς (6) τοποθετημένους στις πλευρές της πλατφόρμας και σε επαφή με τη σφαίρα.

Ο κύλινδρος (3) έχει δύο βαθμούς ελευθερίας και μπορεί ελεύθερα να κινείται γύρω από την εσωτερική επιφάνεια της σφαίρας και ο κύλινδρος και η βάση συνδέονται με έναν άξονα (4), ο οποίος διατηρεί όλα τα εξαρτήματα στη θέση τους. Το ελατήριο (5) στη μέση του άξονα διασφαλίζει ότι ο κύλινδρος και οι τροχοί του ρομπότ δεν σπάνε ποτέ σε επαφή με την εσωτερική επιφάνεια της σφαίρας.

Το κέντρο λειτουργίας, οι μηχανισμοί ελέγχου, οι κινητήρες και οι μπαταρίες βρίσκονται στο πλαίσιο. Αυτό επικεντρώνεται στη μάζα του ρομπότ, μαζί με το κέντρο μάζας της κατασκευής. Ο προσανατολισμός των εσωτερικών στοιχείων σε σχέση με τη σφαίρα μπορεί να αλλάξει χρησιμοποιώντας την τρέχουσα διαμόρφωση. Περίπου την ίδια στιγμή, η κατεύθυνση του κέντρου μάζας μετατοπίζεται, προκαλώντας τη μετατόπιση του σφαιροειδούς.

Η αλληλεπίδραση μεταξύ των επιμέρους ενοτήτων απεικονίζεται στο παρακάτω διάγραμμα:

Σφαιρικές διαμορφώσεις ρομπότ

Διαμόρφωση εσωτερικού καλαθιού

Ένα τετράτροχο ή τρίτροχο καλάθι είναι τοποθετημένο μέσα σε μια σφαίρα σε σχήμα μπάλας χάμστερ. Αλλαγές στην ταχύτητα του προσανατολισμού των τροχών μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν για την οδήγηση. Αυτή η λύση είναι συγκριτικά εύκολη αν και περιλαμβάνει ομοιόμορφη σφαίρα. Επιπλέον, οι τροχοί μπορεί να χάσουν την επαφή με την εσωτερική επιφάνεια της σφαίρας λόγω της διακοπής της κίνησης.

Διαμόρφωση με εσωτερικό καλάθι, άξονα και κύλινδρο

Οι τροχοί του καροτσιού παραμένουν σε επαφή με την εσωτερική επιφάνεια της σφαίρας χάρη στον συνδυασμό άξονα, ελατηρίου και κυλίνδρου και για τη μετά την εξισορρόπηση δομή, επιτρέποντας στον αριθμό των τροχών να περιορίζεται σε δύο. Το Omnibola, ένα πολύ γνωστό ρομπότ, έχει μια ανεστραμμένη διαμόρφωση με τους δίσκους στην κορυφή του σφαιροειδούς.

Διαμόρφωση εκκρεμούς με άξονα

Μια διάταξη εκκρεμούς απαιτεί έναν άξονα για τη σύνδεση της σφαίρας με την εσωτερική κατασκευή. Ο άξονας παρέχει μια σταθερή βάση για το εκκρεμές, το οποίο μπορεί να μετατοπίσει το κέντρο μάζας και να παράγει τόσο περιστροφή όσο και κλίση της σφαίρας. Αυτή η προσέγγιση περιορίζει τη σταθερότητα του ρομπότ και ο εσωτερικός άξονας περιορίζει την ικανότητα περιστροφής της σφαίρας.

Διαμόρφωση σχεδίασης με βάση το σφόνδυλο

Για περιορισμένο χρονικό διάστημα, ένας τροχός ορμής ή αντίδρασης χρησιμοποιείται για την κλίση του εσωτερικού εκκρεμούς ή την αύξηση της ροπής της σφαίρας. Τα συστήματα ελέγχου Momentum Gyroscope (CMG) χρησιμοποιούνται για την περιστροφή μεγάλων δορυφόρων ή διαστημικών σταθμών σε πιο περίπλοκα σχέδια.

Πολλαπλή διαμόρφωση σχεδιασμού αλλαγής μαζών

Μια σειρά ενεργοποιητών χρησιμοποιείται για την προώθηση πολλαπλών σχεδίων αλλαγής μάζας. Η διαμόρφωση που παρουσιάζεται εδώ χρησιμοποιείται για την ακριβή θέση του κέντρου μάζας εντός της σφαίρας, αλλά η παραγωγή κίνησης είναι περίπλοκη και αναποτελεσματική λόγω πολλών ενεργοποιητών λειτουργούν συνεχώς.

Διαμόρφωση ρομπότ με αιολική ενέργεια

Οι φιλικές προς το περιβάλλον κατασκευές περιορίζονται ρητά μόνο σε συγκεκριμένες χρήσεις. Αυτό το μηχάνημα που μπορεί να ανακατευθύνει την εξωτερική δύναμη και να χρησιμοποιήσει για ρομποτική εφαρμογή ελέγχου. Ο άνεμος θα διατηρήσει την ερευνητική ιδέα του ρομπότ εξερεύνησης του Άρη που φαίνεται παρακάτω, αλλά η κατεύθυνση ταξιδιού δεν μπορεί να αντιταχθεί στην κίνηση του ανέμου.

Διαμόρφωση υποβρύχιου ρομπότ

Ένα άλλο παράδειγμα κατασκευής που χρειάζεται ένα μοναδικό περιβάλλον λειτουργία είναι ένα υποβρύχιο ρομπότ. Ένα σφαιρικό ρομπότ που πλοηγείται μέσα στις σωληνώσεις συστημάτων ψύξης πυρηνικών αντιδραστήρων χρησιμοποιώντας εσωτερικές βαλβίδες και αντλίες δημιουργήθηκε για να ανιχνεύει διαρροή και διάβρωση τοξικού υλικού.

Διαμόρφωση παραμόρφωσης αμαξώματος

Το καλώδιο κράματος μορφής μνήμης (SMA) είναι ένα ελαφρύ υλικό που, όταν θερμαίνεται, επιστρέφει στο αρχικό του σχήμα. Ένα σφαιρικό ρομπότ κατασκευασμένο από αυτό το υλικό έχει μεγάλη σταθερότητα, αλλά ο προσανατολισμός του είναι απρόβλεπτα ακανόνιστος και δύσκολος στη διαχείριση.

MorpHex - ένας συνδυασμός σφαιρικών ρομπότ και εξαπόδων

Το MorpHex είναι ένα ρομπότ σε σχήμα μπάλας με πολλά πόδια στο σώμα του και μπορούν να συναρμολογηθούν σε μια μπάλα. Τα πόδια του ρομπότ μπορούν επίσης να οδηγούν και να περιστρέφονται παρά την κυκλική του μορφή. Η κίνηση περιορίζεται στη λειτουργία σε σχήμα μπάλας λόγω της περίπλοκης δομής της λύσης και της ασυνήθιστης θέσης των ποδιών του ρομπότ. Επιπλέον, μια τέτοια δομή είναι ευάλωτη σε αντίξοες καιρικές συνθήκες.

Σε σύγκριση με όλες τις εναλλακτικές λύσεις που αναφέρθηκαν προηγουμένως, η αρχιτεκτονική που είναι χτισμένη σε ένα εσωτερικό καροτσάκι με άξονα και κύλινδρο έχει τη μεγαλύτερη σταθερότητα από την άποψη της πολυπλοκότητας της κίνησης.

Έλεγχος σφαιρικού ρολού ρομπότ

Σκεφτείτε ένα τρισδιάστατο εκκρεμές που αναρτάται στη μέση μιας σφαίρας για ένα σφαιρικό ρομπότ χειρός. Υπάρχουν τρεις τυπικές μέθοδοι ελέγχου για μια τέτοια συσκευή:

  1. Ελέγξτε με τάση τροφοδοσίας στον κινητήρα.
  2. Έλεγχος με την ταχύτητα περιστροφής του κινητήρα.
  3. Έλεγχος με τη ροπή του κινητήρα.

Δεν απαιτείται συσκευή στήριξης για τον έλεγχο της τάσης τροφοδοσίας. Χωρίς καμία επεξεργασία, η τάση του κινητήρα είναι το χαμηλότερο επίπεδο παροχής. Από την άλλη πλευρά, οι άλλες δύο μέθοδοι απαιτούν τη χρήση συγκεκριμένων υποστηρικτικών δομών. Ακόμα κι αν οι παράμετροι περιστροφής δεν μετρώνται, η περιστροφή της σφαίρας μπορεί να είναι σταθερή. Ως αποτέλεσμα, αρκεί η συγκέντρωση στη ρύθμιση του εκκρεμούς ή του κινητήρα σχετικά με τη σφαίρα.

Φάκελος εργασίας σφαιρικού ρομπότ

Τα πολικά ρομπότ έχουν έναν συνδυασμένο γραμμικό σύνδεσμο και δύο περιστροφικούς συνδέσμους και έναν περιστρεφόμενο σύνδεσμο, και έναν βραχίονα προσαρτημένο σε μια ρομποτική βάση. Οι άξονες κατασκευάζουν ένα σφαιρικό φάκελο εργασίας και ένα σύστημα πολικών συντεταγμένων και είναι επίσης γνωστά ως σφαιρικά ρομπότ. Ο φάκελος εργασίας αυτής της διαμόρφωσης σαρώνει έναν τόμο μεταξύ δύο ατελών σφαιρών. Η αρχιτεκτονική περιορίζει φυσικά τη γωνιακή περιστροφή των κατακόρυφων και οριζόντιων επιπέδων. Αυτοί οι περιορισμοί δημιουργούν τις κωνικές νεκρές περιοχές πάνω και κάτω από τη δομή του ρομπότ.

Παράδειγμα σφαιρικού ρομπότ | Κινητό σφαιρικό ρομπότ

Ελπίζουν να ενσωματώσουν σε αυτό ένα GPS για να ακολουθήσει συγκεκριμένες διαδρομές για περιπολία και να ενσωματώσει αισθητήρες ραντάρ για να βοηθήσει στην κίνηση των εμποδίων και απαιτείται να χρησιμοποιήσει το GPS σε αυτό, έτσι ώστε να μπορεί να περιπολεί σε προκαθορισμένες διαδρομές, καθώς και αισθητήρες ραντάρ για να το βοηθήσει αποφύγετε εμπόδια.

Σε τι χρησιμοποιείται ένα σφαιρικό ρομπότ; | Σφαιρικές εφαρμογές ρομπότ

Αυτός ο τύπος ρομπότ χρησιμοποιείται για σκοπούς παρατήρησης, εφαρμογή ελέγχου, υδρόβια και πλανητική εξερεύνηση, αναδημιουργία, παιδική εκπαίδευση και διασκεδαστικό σκοπό κ.λπ. Οι εφαρμογές σφαιρικών ρομπότ μπορούν να παρατηρηθούν σε αμφίβια ρομπότ που λειτουργούν τόσο στο έδαφος όσο και στο νερό.

Το ευρύ κοινό θα αγοράσει εμπορικά σφαιρικά ρομπότ. Το GroundBot, το Roball και το QueBall είναι μερικά από τα πιο πρόσφατα εμπορικά παιχνίδια και το Sphero's BB-8, το οποίο βασίζεται στον χαρακτήρα ρομπότ με το ίδιο όνομα που εμφανίζεται στην ταινία του 2015 Star Wars: The Force Awakens και η Samsung Ballie είναι ένα προσωπικό ρομπότ που φαίνεται σαν μια σφαιρική κυλώντας μπάλα του τένις και παρουσιάζεται στο Samsung CES2020.

Σύμφωνα με τον Sajid Sadi, αντιπρόεδρο της ερευνητικής ομάδας της Samsung, η κινητικότητα του Ballie της επιτρέπει να αντιδρά σε ένα άτομο ανεξάρτητα από το πού βρίσκεται. Οι γονείς μπορεί να ζητήσουν από την Ballie να ελέγξει με τα παιδιά τους για να δει αν έχουν τελειώσει την εργασία τους ή για να παρακολουθεί ποιες τηλεοπτικές εκπομπές και ταινίες παρακολουθούν.

Μερικές άλλες βασικές εφαρμογές σφαιρικών ρομπότ παρατίθενται επίσης παρακάτω:

  1. Χειρισμός εργαλειομηχανών
  2. Spot συγκόλλησης
  3. Λειτουργίες συναρμολόγησης
  4. Μηχανές κοπής
  5. Χύτευση
  6. Συγκόλληση αερίου
  7. Ζωγραφική
  8. Συγκόλληση με τόξο

Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα σφαιρικών ρομπότ

Πλεονεκτήματα

Σφαιρικός Τα ρομπότ πιστεύεται ότι έχουν πολλά πλεονεκτήματα, συμπεριλαμβανομένης της κίνησης χαμηλής τριβής, των περιορισμένων χώρων, της πτήσης πανκατευθυντικής κατεύθυνσης χωρίς ποτέ ανατροπή και ούτω καθεξής. Λόγω αυτών των πλεονεκτημάτων, τα σφαιρικά ρομπότ είναι πιο βιώσιμα από τα συμβατικά κινητά ρομπότ. Τα οφέλη ενός σφαιρικού ρομπότ είναι πολλά και η αρχιτεκτονική του είναι απλή.

Οι αισθητήρες και τα όργανα που περικλείονται μέσα στη σφαίρα προστατεύονται καλά. Το Rotundus είναι πολύ ελαφρύ, ζυγίζει περίπου 25 κιλά, αλλά το πλεονέκτημα βάρους επιδεινώνεται όταν καλύπτεται το rotundus. Ως αποτέλεσμα, έχει χαμηλή πυκνότητα και μπορεί να επιπλέει. Ως αποτέλεσμα, μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε δρόμο, εκτός δρόμου, ακόμη και σε νερό.

Η σφράγιση του bot έχει πρόσθετα οφέλη πέρα ​​από το να του επιτρέπει να έχει χαμηλή πυκνότητα ώστε να μπορεί να επιπλέει. σημαίνει επίσης ότι δεν μπαίνει άμμος μέσα για να προκαλέσει προβλήματα με τους κινητήρες και άλλα εξαρτήματα. Οι ηλεκτρικοί σπινθήρες (εάν υπάρχουν) στο εσωτερικό συχνά σφραγίζονται, καθιστώντας το πολύτιμο ρομπότ σε καταστάσεις διαρροής αερίου. Η φύση του ρομπότ το καθιστά επίσης πολύ ήσυχο χειριστή.

Μειονεκτήματα

Το σφαιρικό ρομπότ έχει χαμηλότερο προφίλ από άλλα εμπορικά ρομπότ, ένα από τα κύρια μειονεκτήματα. Ο φάκελος εργασίας του ρομπότ είναι επίσης περιορισμένος λόγω της έλλειψης γραμμικού ενεργοποιητή από τον άξονα Ζ.

Πώς να φτιάξετε ένα σφαιρικό ρομπότ;

Η διαδικασία κατασκευής ενός τυπικού σφαιρικού διαμόρφωση ρομπότ παρατίθεται παρακάτω.

  1. Συνδυάστε το σύστημα κίνησης.
  2. Προετοιμάστε τους κινητήρες και τις συνδέσεις, δίνοντας ιδιαίτερη προσοχή στον ήχο και τις αρνητικές πτυχές. Ενώ μπορεί να συγκολλήσετε καλώδια απευθείας στον κινητήρα και το ESC, οι σύνδεσμοι το καθιστούν πολύ πιο απλό μακροπρόθεσμα.
  3. Τοποθετήστε το γρανάζι βιδώνοντας τον προσαρμογέα του κινητήριου τροχού στο γρανάζι και το διανομέα με το κοχλιωτό κοχλία (με τη φλάντζα γραναζιού από κάτω).
  4. Ελέγξτε τον προσανατολισμό των τροχών. Εφόσον οι τροχοί δεν είναι συμμετρικοί, μπορούν να τοποθετηθούν με δύο διαφορετικούς τρόπους. Στο ένα πόδι, υπάρχουν κορυφογραμμές και ένα μικρότερο κωνικό. Οι κορυφογραμμές στις ακτίνες μπορεί να στραφούν προς τα έξω.
  5. Τοποθετήστε το σταθερό γρανάζι στον τροχό και μετά το άλλο μισό του προσαρμογέα τροχού και μετά βιδώστε το με ασφάλεια.
  6. Τοποθετήστε τον πλανητικό κινητήρα στον κινητήρα. Βεβαιωθείτε ότι η βάση είναι υπό γωνία έτσι ώστε καθώς οι βίδες περιστρέφονται, πέφτουν στη βάση.
  7. Ο άξονας μετάδοσης είναι προσαρτημένος. Βεβαιωθείτε ότι ο σύνδεσμος ωθείται όσο το δυνατόν περισσότερο στον κινητήρα και ότι ο άξονας ωθείται όσο το δυνατόν περισσότερο (αυτό θα έχει ως αποτέλεσμα το σωστό μήκος αργότερα). Βεβαιωθείτε ότι οι σύνδεσμοι είναι σφιγμένοι έτσι ώστε οι εξάγωνες βίδες να είναι τοποθετημένες στην ομαλή πλευρά του άξονα.
  8. Τοποθετήστε τον κινητήρα.
  9. Με τη φλάντζα στο εξωτερικό του καναλιού, τοποθετήστε το ρουλεμάν στην άνω οπή του συγκροτήματος κινητήρα και αυτό το ρουλεμάν έχει στριμώξει μεταξύ του μέσου και του αρμού που το συγκρατεί στη θέση του. Οι βίδες ασφαλίζουν σταθερά κάθε στοιχείο έως ότου ο σύνδεσμος είναι στο ίδιο επίπεδο με το κανάλι.
  10. Τοποθετήστε τα έδρανα στις αρθρώσεις. Σε κάθε άξονα, προσθέστε ένα διαχωριστικό. Τοποθετήστε το γρανάζι γραναζιού. Βεβαιωθείτε ότι όλα πατημένα στενά στον άξονα αλλά όχι τόσο σφιχτά που δημιουργείται τριβή.
  11. Συναρμολογήστε το συγκρότημα του τροχού και τοποθετήστε το στον πάνω άξονα. Βεβαιωθείτε ότι οι σταθερές βίδες είναι βιδωμένες στις λείες πλευρές του άξονα.
  12. Συνδεθείτε στο κύριο σώμα. Συνδέστε τα ESC και ρυθμίστε τη διανομή ισχύος. Ο δέκτης, ο αναμίκτης, ο πυκνωτής και το έρμα πρέπει να τοποθετηθούν.
  13. Κόψτε έναν κύκλο για την κορυφή της σφαίρας και κολλήστε τις γλωττίδες πάνω της.

Διαβάστε επίσης: