Auswahl der Komponenten zur Konstruktion des Follow-Trolleys und Planung des Rahmendesigns
Einführung
Im ersten Teil haben wir Jetson Nano, verschiedene KI-Modelle zur Personenverfolgung, betrachtet und ein Modell demonstriert, das eine Person in einer Szene erfolgreich verfolgt. Wir werden in diesem Beitrag die Auswahl der Systemkomponenten behandeln und über das Rahmendesign nachdenken.
Designüberlegungen
Bevor wir uns mit der Auswahl von Komponenten befassten, wurde eine Liste der Merkmale besprochen, über die der Trolley verfügen sollte – einschließlich Näherungssensoren vorn und hinten, um einen sicheren Abstand zu den Objekten einzuhalten, eine Stapelleuchte zur Statusanzeige, ein Satz von Displays, die für die Anzeige eines Gesichts geeignet sind (das Aufstehen des Roboters muss schön sein!) und den Betriebsstatus des Roboters.
Der Trolley war so groß, dass er für die Beförderung von ungefähr zwei vollen Einkaufstaschen geeignet war. Eine vorläufige Google-Suche ergab nicht viele nützliche Informationen, sodass wir uns entschieden haben, eine zu messen – eine Lidl-Tasche ist ungefähr 440 mm lang und breit, wenn sie flach ist. Diese Maße verringern sich, wenn sie geöffnet und mit Artikeln gefüllt wird.
The trolley needs some form of propulsion and so a suitable battery, motors and wheels will need to be found. To be able to do this, we had to take into account the average walking speed of a human, which is around 3.1mph — we aimed for the robot to be able to at least achieve this speed or quicker.
Der Trolley benötigt eine Art Antrieb, sodass eine geeignete Batterie, Motoren und Räder gefunden werden müssen. Um dies tun zu können, mussten wir die durchschnittliche Gehgeschwindigkeit eines Menschen berücksichtigen, die etwa 49,8 km/h (3,1 Meilen pro Stunde) beträgt. Wir wollten, dass der Roboter zumindest diese Geschwindigkeit oder eine schnellere erreichen kann.
Wir haben uns dafür entschieden, den Rahmen um die Aluminium-Extrusion mit einer Größe von 20 x 20 mm für die einfache und schnelle Montage sowie für die Vielseitigkeit, die durch die Verwendung von Extrusionsprofilen angeboten wird, zu entwerfen.
Die Interaktion mit dem Trolley zur Einrichtung der Personennachverfolgung erfolgt über WiFi, was die Verwendung mit einem Laptop oder Smartphone ermöglicht, sodass wir auch einen WiFi-Dongle integrieren mussten, da der Jetson Nano keine integrierte WiFi-Komponente enthält.
Die Batteriespannung wird durch die Betriebsspannung des Motors vorgegeben, sodass wir die Auswahl einer geeigneten Lösung bis zuletzt offen gelassen haben. Andere Stromversorgungen an Bord wurden dann ausgewählt, um die Batteriespannung zu verarbeiten und geeignete Schienen wie 5 V für die Stromversorgung des Jetson Nano bereitzustellen.
Auswahl der Komponenten
Wir begannen damit, den RS-Katalog zu durchsuchen, um geeignete Räder zu finden. Es gibt eine große Auswahl, und wir haben begonnen, diese zu einzugrenzen, indem wir Raddurchmesser zwischen 125–400 mm mit einem Bohrungsdurchmesser von 8–13 mm auswählten. Die Beschränkung des Raddurchmessers auf mehr als 125 mm bedeutet, dass wir einen langsamen gelenkten Motor verwenden können, um die gleiche Drehzahl im Vergleich zu einem kleineren Rad zu erreichen.
Es wurde ein geeignetes Gummirad (253–5429) mit einem Durchmesser von 160 mm und einer einfachen Bohrung von 12 mm gewählt. Wir haben ein Rad ohne Lager gewählt, da dieses vom Motor angetrieben wird.
Mit einem ausgewählten Rad wurde die minimale Motordrehzahl berechnet, die mindestens 49,8 km/h (3,1 Meilen pro Stunde) erreichen würde. Wir haben einen Online-Rechner verwendet, um dies herauszufinden, und das Ergebnis war ein Minimum von 165 U/min für ein Rad mit einem Durchmesser von 160 mm.
Ein Motor (773-6905) wurde ausgewählt, der die Kriterien erfüllt. Dies führte zufällig zu 24 V. Da wir uns noch nicht mit dem Rest des elektrischen Systems auseinandergesetzt hatten, war dies kein Problem. Der gewählte Motor hat auch ein großes Drehmoment, 1,6 Nm, um genau zu sein, was mehr als genug sein sollte, um einen voll beladenen Trolley zu fahren. Einige Elektro-Rollstuhlmotoren besitzen Drehmomente von nur 1,8 Nm, können jedoch dennoch das kombinierte Gewicht von Person und Rollstuhl mit Leichtigkeit bewegen.
Nun, da die Motorauswahl erledigt war, gingen wir auf die Suche nach einem geeigneten Controller. Mit dem Motor, der mit 24 V läuft, liefern zwei 12-V-Batterien die Stromversorgung, d. h. wir können eine Spannungsänderung von bis zu 27,4 V realisieren, wenn die Batterien vollständig geladen sind. Ein Motorsteuergerät muss dies aufnehmen können, sodass es ratsam wäre, einen Spannungsspitzenraum zu hinterlassen.
Wir haben uns schließlich auf den Controller Electromen EM174 (510-1209) eingestellt, der mit einer 12–32-V-Versorgung betrieben werden kann und kontinuierlich bis zu 8 A liefert – ausreichend für unsere Motoren. Der Vorteil dieses Controllers ist die Möglichkeit, eine Strombegrenzung, einen Drehzahlsteuerungseingang von 0–5 V oder 0–10 V und einen separaten Richtungssteuerungseingang einzustellen, d. h. dieser sollte leicht durch den Jetson Nano gesteuert werden.
Zwei IFM-Ultraschall-Näherungssensoren (123-2440) wurden für die Montage an der Vorderseite und der Rückseite als weitere Schutzvorrichtung ausgewählt, um zu verhindern, dass der Trolley in Personen und den Bediener hineinfährt. Diese haben einen Erfassungsbereich von 60–800 mm, der für unsere Bedürfnisse ausreicht.
Da das elektrische System mit 24 V betrieben wird, wurden zwei 12-V-(12 Ah)-SLA-Batterien (843-1314) ausgewählt. Sie stelle eine ideale Lösung dar, da sie robust und leicht zu laden sind, jedoch genügend Strom liefern können, um beide Motoren mit Leichtigkeit zu betreiben. Das Gewicht sollte auch dazu beitragen, den Schwerpunkt des Trolleys niedrig zu halten, um Probleme wie z. B. die Instabilität des Roboters bei vollständiger Belastung zu vermeiden.
Um den Status des Trolleys anzuzeigen, wurde eine AUER Signal-Stapelleuchte (135-0688) mit drei Elementen ausgewählt. Wir haben uns entschieden, nicht mehr als drei Leuchten zu verwenden, da ein WiFi-Hotspot für die Roboter-Statusüberwachung bereitgestellt wird.
Das Design
Nachdem alle Komponenten ausgewählt waren, begannen wir mit dem mechanischen Design für den Trolley. Die Größen basierten auf den Messungen einer durchschnittlichen Einkaufstasche, von der zuvor ausgegangen wurde und die dann verdoppelt wurde, um die Maße von zwei Taschen zu haben.
Ursprünglich war unser Plan, ein Extrusionsprofil mit der Größe 20 x 20 mm zu verwenden, was das Gewicht des Trolleys reduziert hätte. Wir haben die Größe jedoch auf 30 x 30 mm geändert – hauptsächlich aus Gründen der Festigkeit, um zu verhindern, dass sich das Chassis biegt.
Da dies fast 1.000 mm lang und 500 mm breit war, haben wir uns für eine Aufrundung auf diese Maße entschieden. Es wurde eine Höhe von 600 mm beschlossen, die in einen 250-mm-Abschnitt für die Steuerungen und Batterien unter dem Trolley unterteilt wurde, und einen 350-mm-Oberabschnitt, um einen Korb für die Einkaufstaschen zu bilden.
Zuerst begannen wir mit der Modellierung des gesamten Trolley-Rahmens, indem wir die von Rexroth bereitgestellte Aluminium-Extrusions-STEP-File auf die richtigen Längen trimmen. Dieser wurde dann mit allen Eckanschlüssen und Winkelhalterungen montiert.
Dann wurde eine Grundplatte modelliert, die den Boden des Korbbereichs bildet – dies ist eine einfache Aufgabe, da es sich um eine Platte mit den Abmessungen des Trolleys (1.000 x 500 mm) handelt, mit den Ecken, die für die aufrechten Extrusionsabschnitte ausgeschrägt sind.
Die Motormontagehalterung wurde als nächstes entwickelt, was zu der Erkenntnis führte, dass der Motor die Ausgangswellenrichtung nicht umgedreht haben kann. Dies ist leicht unbequem, da dies bedeutet, dass die Motorbaugruppe auf der linken Seite in die entgegengesetzte Richtung gerichtet ist. Um dies zu beheben, wird der Motor mit der entgegengesetzten Polarität verdrahtet, sodass sich beide in die gleiche Richtung drehen.
Die meisten Hersteller von Industriekomponenten wie größere Motoren, Getriebe, Lager, Extrusionssysteme usw. bieten CAD-Dateien in Standardformaten, um den Entwurfsprozess zu erleichtern. Einige erfordern möglicherweise eine Registrierung, wie in diesem Fall Mini-Motor, andere jedoch nicht, wie Rexroth. Oft gibt es auch andere Online-Quellen für CAD-Dateien wie Traceparts, die über einen Online-Katalog mit Komponenten verfügen, die von RS verkauft werden.
Wir waren dabei, die Bestellung für die meisten Komponenten aufzugeben, die für den Aufbau des Trolleys erforderlich waren. Viel Aluminium-Extrusion – fast 12 Meter rund und 6 Meter quadratisch – wurde ebenfalls bestellt, zusammen mit Eckteilen, Eckversteifungen und -abdeckungen zum Schutz vor scharfen Kanten und zur Verbesserung des Aussehens.
Nächste Schritte
In diesem Beitrag haben wir uns einige der Designüberlegungen für den Nvidia Jetson Nano-betriebenen Follow-Trolley angeschaut, eine Vielzahl von Komponenten ausgewählt, um die mechanischen, elektrischen und Steuerungssysteme aufzubauen, und dann mit der Arbeit am mechanischen Design des Trolleys begonnen.
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