Dia 09/06

Os objetivos de hoje são calcular um sistema de redução da movimentação do robô e a esteira que levará os blocos para a parte interna. Para praticidade será separado em tópicos: Redução, Esteiras. Nesta etapa o robô anterior foi completamente desmontado para criar os novos componentes.

Redução
Dois links úteis são A respeito de qual redução escolher explicando um exemplo, e o cálculo completo. Para calcular a redução final pode ser usado Este site que mostra quais reduções podem ser feitas.

Primeiramente deve ser escolhido qual peça Lego vai ser usada como orientação para a construção vide que isto é um protótipo seu comprimento máximo segundo o croqui feito é de 9cm, todo deve estar contido neste espaço.

Esta foto mostra que a peça que pode ser usada pode ter no máximo 10 furos, sendo assim para testes será usado a de 7 furos e se caso necessário outra de mais 2 furos(entre peças não há furo).

Para calcular o peso do robô e assim obter o torque final necessário, foi utilizado como parâmetro o robô anterior, tendo ele o peso de aproximadamente 1,1kg, porém o robô final terá um peso maior, alcançando até 1,5kg, já que terá mais componentes e será maior, podendo alcançar 28cm de comprimento contra 20cm do atual.

Segundo consta na competição a rampa possui 18 graus de inclinação máxima, sendo assim 15N*sin(18)=4,64N.

O motor já possui instalado uma roda de 8 dentes, e supondo utilizar-se uma redução de 5:1 para este cálculo acoplando-a uma engrenagem de 40 dentes.

Não se sabe o fabricante do motor, porém modelos similares como o RC300-FT-08800 possuem velocidade máxima de 6000RPM, porém só será utilizado metade desta rotação, 3000RPM(ou 50RPS, rotações/segundo).

O diâmetro da roda utilizada é de 8,2cm, segundo a Lego 8.16cm, será utilizado o diâmetro máximo.

Para calcular o torque este link é útil Cálculo do torque. Além do método da corda preso ao rotor do motor, também é possível colcocar a versão ainda montada do robô anterior sobre uma rampa, e testar até que inclinação o motor é capaz de subir. Após ele parar de rodar é feito os cálculos para se descobrir o torque máximo gerado para aquela rotação. Por padrão utilizamos apenas 50% da velocidade do motor.

Exemplo de cálculo retirado do primeiro link acima
Analisando o caso, você precisa que um robô de até 1kg siga uma linha e consiga subir uma inclinação de 25° - bem alta por sinal!

1kg, são 10N e a 25° isso gera uma força contrária ao movimento de subida de 4.3N, assim para conseguir subir o robô precisa vencer essa força.

Dado o motor e a roda que você postou temos:

Torque do motor: 0,18Nm Rotação: 320 RPM Diâmetro da roda: 0,032m

Logo a força máxima na banda de rodagem será de 5.625N. Sem entrar no cálculo do atrito, já que depende do material da roda e da superfície de rodagem, a aceleração máxima do robô na subida seria 1.625m/s².

Colocando a rotação máxima dos motores como 200RPM, afinal agora tem carga, temos uma velocidade máxima de 0,1m/s.

Para a medida da inclinação foi utilizado o aplicativo clinometer, disponível na googleplay aqui, e foi utilizado de rampa uma caixa. A 9 graus o robô para de avançar, e quando retorna a 8 graus consegue avançar, isto só com um dos motores, porque há problemas de travamentos nas engrenagens originados por encaixes incorretos, logo a força do motor será calculada a partir de um motor:

11N*sen(9)=1,53N

O motor a 50% possui 1,53N ou 3,06N a 100%. É possível que esse número varie de acordo com o estado da bateria, travamentos no modelo antigo do robô, falta de atrito com a rampa(o robô girava a roda, mas não havia avanço), fios mau conectados, logo a força pode variar de 3,06 até 3,7N. Com dois motores é possível alcançar 7,4N sendo possível subir uma rampa de 42,75 graus! Obviamente teórico, para efeitos práticos manteremos usando 1,53N encontrado.

O robô anterior possui um conjunto de 11 engrenagens que combinadas geram uma redução segundo o site lego gear ratio de 1:374.925, ou de 375 voltas do motor. O torque é a força multiplicado pelo raio da roda de 4,1cm = 6,273N.cm. Com isso os dados que obtemos são:

Diâmetro de roda:8,2cm
Velocidade: 3000RPM
Força:1,53N a 50%
Redução: 1:375
Peso do robô antigo:1,1kg
Peso do novo robô(idealizado):1,5kg
Torque:6,273N.cm

O novo robô de 1,5kg a 18 graus vai possuir um torque necessário para rodar de 4,64N*4,1cm=19,024N.cm! Logo se os dois motores forem acionados a 100% utilizando a mesma redução são capazes de produzir 6,273*2*2=25,092N.cm. Então é mais do que suficiente para esta competição.

Porém, observando a imagem a abaixo deve-se evitar excessos de engrenagens que não estejam sendo utilizadas, a engrenagem que liga a roda por exemplo faz a redução de uma grande para uma menor, e existe na parte lateral duas engrenagens de mesmo tamanho, logo é possível alcançar uma redução semelhante com menos engrenagens!

Dois exemplos abaixo podem ser utilizados:

Relação 1 possui razão 360, Relação 2 possui 333.4, Relação 3 possui 240 e 4 possui 300

Relação 1 com 360 e relação 2 com 333.4, embora não seja necessário visto que o torque é 25% maior, a redução pode ser 25% menor, sendo assim, no mínimo de 281,25, considerando que a potência do motor não varie, as engrenagens não tenham melhoria no engate, e com a redução do número de engrenagens a perda se mantenha. Algo que poderia reduzir para 250 ou 230, algo entre 33,4% e 38,7% menor o torque gerado, mas menor redução então menor torque, o que pode não ser muito interessante caso o robô não ande. Por isso as relações 3 e 4 que são as melhores em quesito velocidade e torque garantidos. E a que será utilizada será a relação 5 ao lado, de 280 que é um resultado ótimo! Aproximada do mínimo 281,25 ela possui a melhor taxa entre torque e velocidade garantidos. do robô anterior para este pode se ter uma melhora na velocidade de até 33%!

Esteira
Em um teste isolado demonstrado nesta foto foi observado que o bloco não subiria pela esteira, pois a mesma não possui uma superfície atritante que force o bloco a ser empurrado, então ou se diminui a inclinação da rampa, ou se instala mais esteiras na parte superior e lateral, além de algumas engrenagens com blocos para “forçar” uma subida com apoio, embora dentro do robô deve haver espaço livre o suficiente para o bloco saltar caso fique preso e não ser destruído.
Então a melhor ideia é apenas colocar na primeira secção aonde possui uma grande inclinação.