Конструкторские решения в робототехнике

Хорошая прошивка не спасёт робота, у которого гнётся рама и люфтит редуктор. Здесь собраны механические решения, которые встречаются почти в каждом проекте.

1. Шасси: какие бывают и как выбрать

Для первого робота почти всегда правильный ответ — дифференциальное шасси: два мотор-редуктора с энкодерами и опорный шарик.

2. Сколько нужно момента: считаем мотор

Чтобы робот массой m разгонялся с ускорением a и въезжал на уклон под углом α, суммарная сила на колёсах:

F = m · (a + g·sin α) + F_качения,   F_качения ≈ μ_к · m · g · cos α  (μ_к ≈ 0,01–0,05)

Момент на одно колесо радиуса r при n ведущих колёсах: M = F · r / n.

Пример. Робот 2 кг, колёса радиусом 3,5 см, два ведущих, хотим ускорение 0,5 м/с² и уклон 10°:

F = 2 · (0,5 + 9,81 · 0,174) + 0,03 · 2 · 9,81 ≈ 2 · 2,2 + 0,6 ≈ 5,0 Н
M = 5,0 · 0,035 / 2 ≈ 0,088 Н·м ≈ 0,9 кгс·см на колесо

Берём мотор с запасом в 2–3 раза: моменты в каталогах указаны в режиме остановки (stall), а в рабочей точке мотор должен выдавать не больше 20–30% от момента остановки, иначе быстро перегреется. Скорость: v = ω · r; при 200 об/мин и r = 3,5 см это 200 · 2π / 60 · 0,035 ≈ 0,73 м/с.

3. Передачи: шестерни, ремни, винты

Зубчатые передачи

Передаточное число i = zведомой / zведущей: во сколько раз уменьшается скорость и (за вычетом потерь) увеличивается момент. Шестерня на 60 зубьев, которую крутит шестерня на 12 зубьев, — i = 5.

• Цилиндрические прямозубые — простые, но шумят и имеют люфт.
• Косозубые и шевронные — зубья входят в зацепление постепенно: тише и плавнее. Шевронные (ёлочка) ещё и гасят осевую силу — их удобно печатать на 3D-принтере.
• Планетарный редуктор — большое передаточное число в маленьком соосном корпусе. Стоит почти во всех серьёзных моторах-редукторах.
• Червячная передача — i = 20–100 в одной ступени и самоторможение: груз не может провернуть червяк обратно. Подъёмники, шлагбаумы, суставы, которые должны держать положение без тока.
• Волновая (harmonic drive) — гибкое зубчатое колесо внутри жёсткого: огромное передаточное число почти без люфта. Стоит в суставах промышленных и человекоподобных роботов. Есть печатные версии.
• Циклоидальный редуктор — диск с «лепестками» катится по кольцу штифтов. Выдерживает удары, почти нет люфта, хорошо печатается.

Ремни

Зубчатый ремень GT2 — стандарт 3D-принтеров. Тихий, без люфта при правильном натяжении, передаёт движение на расстояние. Нужен натяжитель. Шкив на 20 зубьев GT2 (шаг 2 мм) за оборот перемещает ремень на 40 мм.

Винтовые передачи

Превращают вращение в линейное движение. Трапецеидальный винт T8 с шагом 8 мм (четырёхзаходный, 2 мм на заход) за оборот сдвигает гайку на 8 мм. Шариковинтовая пара (ШВП) — почти без трения и люфта, но дороже. Винт с маленьким шагом, как и червяк, сам держит нагрузку.

4. Подшипники и валы

• Нельзя вешать колесо прямо на вал мотора-редуктора, если на него приходится заметный вес: подшипники редуктора на это не рассчитаны. Правильно — отдельный вал в двух подшипниках, а мотор передаёт только крутящий момент.
• Шарикоподшипники: 608 (8×22×7, из роликов для скейта), 625 (5×16×5), 623 (3×10×4) — дешёвые и везде есть. Два подшипника на вал, разнесённые как можно дальше друг от друга: так вал не перекашивается.
• Линейные подшипники (LM8UU) на калёных валах или рельсовые направляющие MGN12 — для прямолинейного движения.
• Упорные подшипники — для осевой нагрузки: поворотная платформа, основание манипулятора.
• Передача момента с вала на ступицу: лыска на валу + стопорный винт, шпонка, шлицы. На печатных деталях — шестигранник: шестигранная гайка или вал, вклеенный в шестигранное гнездо.

5. Крепёж

• Стандарт любительской робототехники — метрический крепёж M3 (а также M2, M2.5 для электроники, M4–M5 для силовых узлов). Винты с внутренним шестигранником (DIN 912) — удобно затягивать в тесных местах.
• От вибрации гайки откручиваются: самоконтрящиеся гайки с нейлоновым кольцом, резьбовой фиксатор средней прочности (синий), пружинные шайбы.
• Резьба в пластике: закладная латунная втулка (heat-set insert), впаянная паяльником, держит в разы лучше, чем резьба, нарезанная винтом в пластике. Альтернатива — карман под шестигранную гайку.
• Алюминиевый профиль 2020 (20×20 мм с пазом) и Т-гайки — быстрый жёсткий каркас без сварки.
• Принцип одного типа винта: если весь робот собран на M3 одной длины или двух, сборка и ремонт занимают минуты, а не часы.

6. Жёсткость и материалы

Жёсткость балки на изгиб пропорциональна кубу её высоты (момент инерции сечения прямоугольника I = b·h³/12). Пластина 3 мм, поставленная на ребро высотой 30 мм, жёстче лежащей плашмя в сотни раз. Отсюда главные приёмы:

• Рёбра жёсткости и отбортовки вместо утолщения всей детали.
• Замкнутые профили (труба, короб) намного жёстче на кручение, чем открытые (уголок, швеллер).
• Треугольники: рамная конструкция, раскосы. Прямоугольник складывается в параллелограмм, треугольник — нет.
• Нагрузку лучше передавать на растяжение и сжатие, а не на изгиб.

7. Допуски и посадки

Деталь никогда не получается ровно того размера, что в чертеже. Поэтому конструктор задаёт, как должны сопрягаться детали:

• С зазором — вал свободно вращается в отверстии.
• Переходная — деталь вставляется с усилием рук и сидит без люфта.
• С натягом — запрессовка: подшипник в корпус, штифт в отверстие.

Для 3D-печати рабочие ориентиры: подвижная посадка — зазор 0,3–0,4 мм на диаметр, плотная — 0,1–0,15 мм, подшипник в корпус — отверстие на 0,05–0,15 мм больше наружного диаметра (подбирается тестовой печатью на конкретном принтере).

8. Центр масс и устойчивость

• Самое тяжёлое — аккумулятор — ставят как можно ниже и ближе к центру между колёсами.
• Робот устойчив, пока проекция центра масс находится внутри опорного многоугольника (фигуры, образованной точками касания с полом). При торможении и на уклоне проекция смещается — запас нужен с учётом этого.
• Манипулятор с грузом в вытянутом положении может опрокинуть лёгкое шасси. Проверяйте худший случай: рука вытянута вбок, груз максимальный.
• Балансирующий робот (как гироскутер) специально держит центр масс высоко: высокий «маятник» падает медленнее, и его проще удерживать.

9. Манипуляторы и захваты

• Самые тяжёлые приводы ставят у основания, а не на конце руки: каждый грамм на конце умножается на длину рычага. Для этого делают передачу движения тягами или ремнями от моторов у основания.
• Параллелограммный механизм сохраняет ориентацию захвата при движении плеча — так устроены многие настольные манипуляторы и настольные лампы.
• Расчёт момента в плече: M = mгруза·g·L + mруки·g·L/2 в горизонтальном положении. Груз 200 г на руке 20 см — уже 0,39 Н·м только от груза.
• Компенсация веса пружиной или противовесом позволяет поставить мотор слабее: он тратит силы только на разгон, а не на удержание.
• Захваты: параллельные губки на винте или рейке, пальцы на тросиках (как сухожилия), вакуумная присоска, мягкие захваты из TPU, которые обхватывают предмет любой формы.

Математика положения руки — в статье про обратную кинематику.

10. Как проектировать в CAD

1. Начинайте с компоновки: расставьте простыми блоками аккумулятор, моторы, плату, датчики. Только потом рисуйте корпус вокруг них.
2. Скачайте готовые модели покупных компонентов (моторы, подшипники, платы) — у производителей и на GrabCAD они есть почти всегда.
3. Параметрическое моделирование: размеры в переменных (диаметр подшипника, зазор, толщина стенки). Поменяли подшипник — модель перестроилась сама.
4. Оставляйте доступ: к винтам — отвёртке, к разъёмам — пальцам, к аккумулятору — без разборки половины робота.
5. Продумайте прокладку проводов заранее: каналы, отверстия, петли на подвижных узлах, чтобы провод не переламывался.
6. Программы: Fusion (бесплатно для личного использования), Onshape (в браузере), FreeCAD (открытый), КОМПАС-3D (учебная версия), SolidWorks (промышленный стандарт).