Sarkán egyensúlyozó kocka Intelligens termékek elemei Kalapos András G1H5CJ Mechatronikai mérnök Bsc Üdvözlés… A Cubli-ról, egy, a sarkán egyensúlyozó kockáról fogok beszélni. Az előadás 10 (még le kell mérni és ha kell rövidíteni) perces lesz, kérdésekre a végén válaszolok.

Tehát egy kockáról lesz szó… Egy kocka ami képes…

Ami képes egy lapján nyugvó pozícióból az élén egyensúlyozó, majd onnan csúcsán egyensúlyozó pozícióba fellendülni.

A sarkán állva képes ellenállni bizonyos szintű lökéseknek és az alátámasztás megváltozásának, továbbá meghatározott forgást folytatni a sarkán állva. Képzeljetek el egy olyan science fiction épületet ami a sarkán áll és közben forog. A cubli ennek egy alapvető modellje lehet.

Végül, de nem utolsó sorban képes egy meghatározott lapjára érkezni Eddigi tulajdonságait kombinálva, képes egy felület mentén helyváltoztató mozgásra.

Felépítés A következőkben nézzük végig mi is az a mechatronikai rendszer, ami lehetővé teszi a Cubli ezen képességeit! Itt láthatjátok a felépítésének sematikus ábráját, a szenzorokat, az adatokat feldolgozó mikroszámítógépet, és az aktuátorokat. (eközben mutogatva az adott részletekre)

Szenzorok Inertial Measurement Unit (Tehetetlenségi mérőegység) - InvenSense MPU-6050 Giroszkóp Gyorsulásmérő Iránytű MEMS A kocka minen oldalán 1-1 Méri: Dőlés Szöggyorsulás I2C A Cubli 6 db MEMS szenzorból veszi az adatait, ezek mindegyike tartalmaz egy 3 tengelyű gyorsulásmérőt és 3 egy három tengelyű giroszkópot. A kocka minden oldalán találkató egy-egy ilyen egység, a kocka vázának dőlését és szöggyorsulását mérik. Látható, hogy a kocka pozíciójának meghatározása, akár egy ilyen szenzorral is lehetséges lenne (minden egység képes 3 tengely mentén mérni a szöggyorsulást és a dőlést!), a 6 szenzor adatait összesítve viszont jóval pontosabb értékek alapján dolgozhat a szabályozás.

Mikroszámítógép Mikrokontroller STM32 discovery ARM7 Cortex-M4 168MHz Digitális jelfeldolgozás Aktuátor vezérlés Automatizálás STM32 discovery Programozó interfész A Cubli „agya” egy ARM Cortex-M4-es mikrokontroller, 168MHz-es órajellel (viszonyítási alap: előző telefonom, a 2008-as sonny ericcson C902, 170Mhz-es órajelű processzorral rendelkezett) Az M4 processzorok digitális jelfeldolgozásra, aktuátor vezérlésre, automatizálásra dedikált eszközök, tehát még ha az architektúra lehetővé tenné is, nem fogunk rajtuk Assassin's Creed-et játszani, habár egy Doom szintű játékra még akár képes is lehet. A mikrokontroller egy fejlesztői kártyán (development board EZ A MEGFELELŐ FORDÍTÁS?) található meg, ez a kártya magába foglalja a processzort, a működéséhez szükséges alapvető alkatrészeket, áramköröket, továbbá a programozó interfészt is.

Aktuátorok - Reakciókerék A Cubli aktuátorai, un. reakciós kerekek /reakció kerekek – reaction wheel. A hatás-ellenhatás elve alapján működik, képzeljünk el egy műholdat, a műholdra egy motor, annak tengelyére egy viszonylag nehéz kerék van rögzítve. Ha a motor a kereket megforgatja, a kerékre ható nyomaték párja, hatni fog magára a motorra és az ahhoz rögzített műholdra is, agy a műhold forgásba jön. Reakciós kerek segítségével lehetséges a műhold megforgatása csupán elektromos áram felhasználásával. Reakció kerekek működését demonstrálhatjuk, akár úgy is, hogy sarkunkra állva elkezdünk hátra dőlni, karjainkkal reflex szerűen körbe körbe kezdünk kapimpálni, ezzel a megfelelő irányú nyomatékkal hatunk törzsünkre.

Talán 2 éve hallhattatok a Kepler űrtávcső reakciókerekeinek meghibásodásáról. Ugye a Kepler a következő nagy űrtávcső lenne a Hubble után, azonban reakció kereke hiányában nem, képes az égbolt tervezett pontjára ráállni. (Úgy tűnik más ügyes trükkel mégis sikerül egész jól beállítani, de továbbra is komoly probléma a reakció kerekek hiánya)

Kerestem nektek két reakció kerekeket gyártó céget, ha véletlenül műholdat akarnátok építeni. (Ha bárki is szeretne műholdat építeni, akkor a Google ezt a két céget adta ki először kereskedelmi forgalomban kapható reakciókerék gyártóként, őket kell megkeresni. Habár érdemes elgondolkodni, hogy nem kerülhető-e el a mozgó alkatrészeket jelentő reakciókerekek beépítése.)

Reakciókerekek Motorok A kocka 3 oldalán Motorok BLDC 50 W Motor kontroller CANopen protokol A Cubliban három reakciókerék található, 3 lapján 1-1, mindegyik egy-egy 50W-os BLDC motor hajt meg. A egyensúlyozó szabályozás során általában igyekszik a rendszer a reakciókerekek fordulatszámát alacsony értéken tartani…

Fék a reakciókerekekre …ezzel szemben a fellendülés során minél nagyobb fordulatszámra pörgeti fel a reakció kerekeket, ezzel forgási energiát raktároz a rendszer. Ha ekkor hirtelen lefékezzük a kereket, a forgási energia féken keresztül a kocka vázának adódik át, így fel tud lendülni a kocka az élére, csúcsára.

Gyorsán ismétlésként nézzük végig a Cubli alkatrészeit ezeken a képeken. A sárga kerekek értelemszerűen a reakciókerekek, a motorok mögöttük zölddel, a szabályozók sötét kékkel vannak jelölve. A világosabb, türkiz kék lap a mikroszámítógépet tartalmazó NYÁK, a piros lapocskák pedig a szenzorok. Fontos megjegyezni, hogy a Cubli magában foglal egy akkumulátort is, így önálló áramforrással is rendelkezik.

Szabályozás – Modell 4 merev test 3 reakciókerék A váz Nem lineáris rendszer (Munkaponti linearizálás: labilis egyensúlyi helyzet körül) Szabályozás A Cubli több szabályozási algoritmussal is rendelkezik: a fellendüléshez, valamint az egyensúlyozáshoz. A szabályozás alapját képző modellben 4 merev testként kezelik a Cubli-t, a váz és a három kerék. A bal oldali grafikonon láthatjátok a szenzorok által mért szöggyorsulás értékeket, a jobb oldalon pedig a szabályozás által meghatározott, a motorok által elért szögsebességeket.

Végül bemutatok néhány hasonló kísérletet Hasonló kísérletek

M-Blocks Az MIT-n készítették ezeket a kicsi kockákat, melyek mágnesekkel kapcsolódnak egymáshoz és kissé ügyetlen mozgásukat kockánként egy-egy reakciós kerék segítségével érik el. A projekt lényege, „self assembling” robot koncepciója.

Balancing Cube Ez a Cublihoz nagyon hasonló szerkezet, csupán jóval nagyobb, és minden egyes egyensúlyozó egysége tartalmaz egy mikroszámítógépet, így ezek összehangolása külön feladat.

Források Swiss Federal Institute of Technology in Zurich – The Institute for Dynamic Systems and Control  Eidgenössische Technische Hochschule M. Gajamohan, M. Muehlebach, T. Widmer, and R. D'Andrea, The Cubli: A Reaction Wheel-based 3D Inverted Pendulum, in Proc. European Control Conference (Zurich, Switzerland), pp. 268-274, July 2013 M. Muehlebach, G. Mohanarajah, and R. D'Andrea: Nonlinear Analysis and Control of a Reaction Wheel- based 3D Inverted Pendulum, in Proc. Conference on Decision and Control, CDC 2013 (Florence, Italy) http://www.idsc.ethz.ch/Research_DAndrea/Cubli https://www.youtube.com/watch?v=n_6p-1J551Y https://www.youtube.com/watch?v=gbT_XoSIlEo https://www.youtube.com/watch?v=mOqjFa4RskA https://www.youtube.com/watch?v=6aZbJS6LZbs A Cubli-t a Zürichi Szövetségi Műszaki Főiskola Dinamikus Rendszerek és Irányítástechnika intézetében fejlesztették.

Köszönöm a figyelmet! Zárásként, összefoglalásként elmondanám, hogy mi tulajdonképpen a haszna ezeknek a fejlesztéseknek. Amint azt láthattuk a Cubli egy speciális helyváltoztató mozgásra is képes, sőt akár önmagát modulokból összeépítő robotot is építhetünk így, ebben a technológiában egyes kutatók akár mars- és holdjárók egy új generációját látják. És a neked kedves hallgató mi hasznod lehet ebből az előadásból? Mutattam egy érdekes játékszert, mechatronikai eszközt, sőt akár ötletet is nyerhettél még ki nem talált kutatási projektedhez, vagy akár diplomádhoz. Ha voltatok MSZO gólyatáborban, hallhattátok Budai Csabi segway előadását, nekem ahhoz hasonlít a Cubli projekt. Köszönöm a figyelmet!