Mechaniczna strona łazika marsjańskiego Scorpio X

Projekt Scorpio to projekt Koła Naukowego Pojazdów Niekonwencjonalnych, działającego przy Wydziale Mechanicznym Politechniki Wrocławskiej. Istniejemy od 2009 roku i zbudowaliśmy dotychczas 6 łazików marsjańskich. Mamy na swoim koncie wiele sukcesów na prestiżowych międzynarodowych zawodach.

Scorpio X to nasza ostatnia konstrukcja, zaprojektowana na zawody łazików marsjańskich University Rover Challenge 2017, które odbywają się w Stanach Zjednoczonych na terenie symulowanej bazy marsjańskiej MDRS. Miejsce zmagań zespołów zostało wybrane nieprzypadkowo – to pustynia piaszczysto-żwirowa z nieliczną roślinnością i temperaturą osiągającą nawet 50 stopni Celsjusza.

Projektowanie takiego robota zajmuje naszemu zespołowi mechaników od kilku do kilkunastu tygodni. Postaramy się jak najlepiej przedstawić konstrukcję Scorpio X w poniższym artykule.

Kilka słów o zawieszeniu….

Łaziki marsjańskie, które obecnie znajdują się na czerwonym globie, jak „Opportunity” czy też „Curiosity” korzystają z zawieszenia znanego pod nazwą rocker-bogie. Na czym polega to zawieszenie? Lewe i prawe koła łazika połączone przez drążek różnicowy, pozostają w kontakcie z podłożem, nawet wtedy, gdy jedno z kół pokonuje głaz wielkości koła. W praktyce – jeżeli wychylimy np. przednie prawe koło o kąt α w górę, to przednie lewe koło wychyli się o taki sam kąt w dół. Pozwala to robot na pokonywanie przeszkód do wspomnianej wcześniej wysokości równej średnicy koła.

W przypadku łazika Scorpio ważnym jest, aby zredukować do minimum wagę konstrukcji. W związku z tym zastosowaliśmy zredukowane zawieszenie typu rocker-bogie. Ilość kół została zmniejszona z 6 do 4, a wahacze zostały połączone ze sobą za pomocą belki dyferencyjnej. Główną część zawieszenia stanowi rama wykonana z aluminium – lekkiego i jednocześnie bardzo wytrzymałego materiału, stosowanego również w lotnictwie. Rama została zaprojektowana w taki sposób, aby środek ciężkości wypadał jak najbliżej osi obrotu ramy względem wahaczy. W ramie umieściliśmy puszkę wykonana z cienkiej blachy aluminiowej, która chroni elektronikę robota przed niekorzystnymi warunkami zewnętrznymi – jak na przykład zanieczyszczeniami.

Do ramy zostały przymocowane elementy zawieszenia – oba wahacze oraz belka dyferencyjna, która łączy się z ramieniem wahacza za pomocą połączenia przegubowego. Wahacze są swoim lustrzanym odbiciem i składają się z wałka łączącego je z ramą, ramienia wahacza, lizaków oraz tulei łączącej koło z lizakami.

Wałek został wykonany z aluminium 7075. Jest to gatunek, który łatwo poddaje się obróbce skrawaniem. Podobnie jak belka, został on ułożyskowany dwukrotnie, tym razem tylko za pomocą łożysk ślizgowych. Ramię wahacza jest to kwadratowy profil aluminiowy, do którego końców przymocowane zostały dwa elementy frezowane odpowiadające za połącznie ramienia z lizakami. Materiał, z którego wykonane są lizaki to poliamid. To tworzywo sztuczne o podwyższonej odporności mechanicznej.

Nasz łazik ma napęd na cztery kola, a każde koło jest zasilane przez osobny silnik BLDC 240 watów. Dzięki temu zapewniliśmy wystarczająca moc, by móc pokonać nawet najbardziej wymagający teren oraz przeszkody, takie jak dziury i strome podejścia. Wspomniane silniki są dedykowane do rowerów elektrycznych i cechują się nieruchomą piastą oraz ruchomą obudową, do której przymocowane zostały felgi. Felgi zostały wytoczone według naszego projektu z poliamidowej rury o średnicy początkowej 130mm. Poliamid świetnie sprawdza się w naszej konstrukcji, ponieważ jest to materiał lekki, ale jednocześnie niezwykle wytrzymały.

Na felgi nałożyliśmy opony uszyte z Cordury, czyli materiału wysoce odpornego na ścieranie oraz przetarcie. Materiał ten stosuje się na plecaki, namioty, czy też ubrania wojskowe. W tym roku zdecydowaliśmy się na wypełnienie piankowe, to znaczy użyliśmy pociętej pianki z materaca. Jest to nasze autorskie rozwiązanie. Jako że w naszym robocie nie ma sprężyn, pianka (ponieważ jest bardzo elastyczna) służy jako amortyzacja. Dodatkowo pod wpływem masy łazika po najechaniu na przeszkodę pianka odkształca się i zwiększa powierzchnię styku z podłożem, co skutkuje lepszą przyczepnością.

Największe zalety? Nasze zawieszenie jest w stanie sprostać ciężkim warunkom terenowym, takim jak:

– spadek z wysokości 1 metra,
– 45-stopniowy podjazd,
– duże przeszkody terenowe.

Modułowa budowa kluczem do sukcesu

Scorpio posiada modułową budowę. To znaczy, że możemy zmieniać konfigurację naszego robota w zależności od potrzeb. W przedniej części ramy znajduje się wzmocnienie, do którego mocowane są dodatkowe moduły, takie jak manipulator czy wiertło.

Manipulator to robotyczne ramię pozwalające na dokonanie szeregu czynności, takich jak odkręcanie zaworów, przenoszenie rzeczy czy też wpisywanie na klawiaturze. Nasz manipulator posiada 6 stopni swobody, co oznacza, że może poruszać się oraz obracać w każdej płaszczyźnie. Wraz z algorytmem kinematyki odwrotej pozwala na dowolne manipulowanie ramieniem w obszarze jego pola roboczego bez zmieniania pozycji łazika. Dzięki niemu jesteśmy w stanie sięgnąć praktycznie wszędzie. Robotyczne ramię wykonane zostało, tak jak w przypadku zawieszenia, w większości z aluminium. Jedynie osie obrotów poszczególnych przegubów zostały wykonane ze stali.

Zmiana położenia w pierwszych dwóch stopniach odbywa się za pomocą silników, które sprzężone zostały z przekładnią. Kolejne dwa stopnie poruszają się dzięki elektrycznym siłownikom liniowym o skoku 200 mm. Za dwa ostatnie stopnie odpowiadają silniki z wbudowaną przekładnią. Obrót każdego stopnia jest kontrolowany przez enkoder absolutny.

Chwytak składa się z aluminiowych elementów giętych. Za ścisk końcówki chwytaka odpowiada silnik połączony ze śrubą trapezową dwustronną za pomocą przekładni pasowej. Elementy chwytaka zostały wykonane w technologii druku 3D wzmocnionego włóknem węglowym. Metoda ta polega na zatopieniu w osnowie ciągłego włókna węglowego, dzięki czemu uzyskujemy większą wytrzymałość oraz sztywność takiego elementu.

Podsumowanie

Roboty budowane przez zespoły studenckie muszą zmierzyć się podczas zawodów z podobnymi zadaniami, jakie stoją przez prawdziwymi łazikami, eksplorującymi inne planety. Dużym utrudnieniem są dodatkowe warunki, stawiane przez organizatorów: masa nieprzekraczająca 50 kg oraz koszt poniżej 17 5000 $. Zaprojektowanie i wykonanie lekkiej, ale wytrzymałej konstrukcji przy takim budżecie to nie lada wyzwanie dla każdego inżyniera.

Projektowaniem łazików zajmujemy się od 2009 r. Lata doświadczeń pozwalają nam na doskonalenie naszych umiejętności konstruktorskich i coraz śmielsze testowanie nowych materiałów oraz rozwiązań. Kto wie, może kiedyś będziemy współtworzyć prawdziwą misję, mającą na celu wysłanie łazika na Marsa?

 

Artykuł został opublikowany w Magazynie Popularnonaukowym eXperyment.