This report comprise a detailed description of project LadyBug, which is a part of the course "Mikrodatorer i produkter" (= Microcontrollers in products) , which is given four times a year at the Royal Institute of Technology in Stockholm. LadyBug is a six-leged mechanical insect that is controlled by an INTEL 80C196KB - microcontroller. The forward movement is accomplished by 4 Nitinol-threads. These threads are activated by 5 batteries of type A20 through transistors controlled by the microcontroller.

LadyBug, which has a maximum velocity of 50cm per minute, is also able to turn and orient itself after an infrared LED. (Placed at a maximum distance of 3 meters.)

The basic principal of the construction consists of three cog-weels mounted on an aluminium beam (se figure.)

The construction is covered by a paper shell, which is painted to make the insect look like a LadyBug.

Sammanfattning

Denna rapport behandlar en omfattande beskrivning av projekt Ladybug. Projektet ingår i kursen Mikrodatorer i Produkter som ges fyra gånger per år vid Kungliga tekniska Högskolan i Stockholm. Ladybug är en hexapod dvs en självgående sexbent mekanisk insekt som kontrolleras av INTELs mikroprocessor 80C196. Den framåtgående rörelsen åstadkoms med hjälp av 4 st nitinoltrådar. Nitinoltrådarna drivs i sin tur av 5 st R6 batterier. Mikrodatorn kontrollerar sedan trådarna genom ett transistor steg. På detta sätt erhålls en förflyttning av Ladybug. Ladybug kan även svänga och även orientera sig efter en infraröd ljuskälla. Den maximala hastigheten ligger på 50 cm per minut. Själva konstruktionen av Ladybug bygger på tre kugghjul som tillsammans med aluminiumbalkar bildar ett skrov. Utanpå allt detta sitter en kaross av målat papper så att Ladybug verkligen skall se ut som en nyckelpiga.

Inledning

Projekt Ladybug ingår i kursen Mikrodatorer i Produkter som ges vid Kungliga Tekniska Högskolan (KTH) i Stockholm. Kursen går ut på att konstruera och bygga en produkt som innehåller en mikrodator. Varje kursstart ges ett tema som studenterna följer. Denna gång var temat: Hexapoder - sexbenta spindlar. Givet i förutsättningarna var även att "spindlarna" skulle drivas av "muskeltrådar" så kallade nitinoltrådar.

Projekt Lady bug går alltså ut på att konstruera en sexbent spindel som helt på egen hand skall kunna förflytta sig. Spindeln eller snarare nyckelpigan kommer att drivas med nitinoltrådar som fungerar ungefär som en muskler. Då tråden värms upp dras den ihop..

I denna rapport finns beskrivningar hur Ladybug fungerar och är uppbyggd. Lite tankegångar och funderingar skall förhoppningsvis ge läsaren ett litet begrepp om projektet. Vidare tar rapporten upp saker som hur de i projektet så centrala Nitinoltrådarna fungerar.

Kravspecifikation

Resultat

Lite längre ned på sidan finns bilder över det slutgiltiga resultatet. Men det som är av största intresse är ju att se på när Ladybug går.

    Push this button to se some action.   

Grundläggande idé

Eftersom nyckelpigan har sex stycken ben gällde det att bestämma sig för en lämplig algoritm att styra förflyttningen med. Snart stod det klart att då Ladybug skulle ta ett steg gällde det att på något sätt lyfta tre ben och dra fram de tre andra och på detta sätt åstadkomma en rörelse framåt. Samtidigt måste de tre lyfta benen att dras tillbaka för att vara redo att ta ett andra steg. Vi ville ju helst ha en kontinuerlig förflyttning. Många saker skulle alltså uppfyllas. Det gällde att ta fram en konstruktion som kunde ordna detta. Efter några dagars testande kom följande idé fram: Ladybug skulle utrustas med tre delkroppar som skulle rotera mot varandra på detta sätt fås det önskade rörelse mönstret. De tre delkropparna lagras på en gemensam stomme för att få stabilitet. Rent praktiskt löstes detta med hjälp av tre kugghjul som rullar mot varandra. Genom att åstadkomma en roterande rörelse på ett av kugghjulen kommer denna rörelse att fortplantas vidare till de två andra och Ladybug får på detta sätt en synkroniserad gång. Alla benen kommer att röra sig på samma gång vilket är fördelaktigt. Ytterligare en fördel med konstruktionen är att det endast behövs fyra stycken muskeltrådar för att driva nyckelpigan framåt. Två trådar som roterar kugghjulen och två trådar som lyfter på tre av benen. Detta är en nödvändighet eftersom benen annars skulle arbeta mot varandra och hexapoden skulle då förbli kvar på stället. Här nedan kommer flera detaljer att tas upp.

Bilden skall symboliera de tre kugghjulen visar hur rörelsen kommer att se ut ovanifrån. Genom att fästa Nitinoltrådar i ett av kugghjulen kommer vi få en roterande rörelse på detta drev och detta kugghjul kommer att överföra kraft till de två andra.

Ladybugs mekaniska uppbyggnad

Muskeltrådarna kan prestera krafter upp till ca 30-40 N vilket inte är speciellt mycket. Detta betyder att konstruktionen inte får vara tung eller trög. För att undvika glapp eftersträvas också styvhet hos konstruktionen. Valet av byggnadsmaterial kom därför att påverkas av ovanstående önskemål. Aluminium och plast visade sig ha bra egenskaper. Bild 2 visar Ladybugs mekaniska uppbyggnad. Nedanstående skiss visar hur Ladybug är konstruerad.

Ladybug är i grunden uppbyggd av 3 st kugghjul i plast. Dessa tre kugghjul sitter lagrade på två gemensamma aluminiumbalkar. En övre u-balk och en undre plattbalk. På varje kugghjul sitter två ben i form av bockad aluminiumplåt. Varje ben har en fot som består av ett plaströr som är fäst i benbalken genom en plastkloss. Se bilagor för mera detaljrika ritningar.

Lyftanordningen

Mittbenen skiljer sig från hörnbenen i och med att dessa ben har nedtryckbara fötter. Detta åstadkoms genom att en aluminiumstång som ligger i mittbenens plaströr. En muskeltråd är fäst i aluminiumstångens överdel och går via ett frihjul till en andra fästpunkten på motsatta benet. Genom att aktivera tråden kommer stången att åka ner en bit. På det andra mittenbenet ser det likadant ut. Bild 3 visar hur det ser ut.

När nitinoltråden blir varm och drar ihop sig trycks benet ner och kommer då att lyfta en sidan på Ladybug. Lyftet gör att de båda hörnbenen på denna sida kommer att tappa kontakten med marken vilket var syftet med lyftet. Samtidigt som benet trycks ned kommer en gummisnudd att spännas (utritad i bild 4). När strömmen i tråden slås av börjar den att svalna och då kommer den upplagrade kraften i gummisnodden att dra upp benet igen. Det krävs ytterligare en detalj för att nyckelpigan skall kunna gå. När ena sidan är lyft så att endast ett ben har kontakt med marken gäller det att mittbenet på andra sidan inte har kontakt med marken. Skulle det ha det kommer steget att utebli eftersom benen kommer att motverka varandra. Därför är mittbenet i viloläget inställt så att det hänger i luften då det inte är nedtryckt. I viloläget är det alltså endast de fyra hörnbenen som har kontakt med marken. Detta är en förutsättning för att kunna styra Ladybug. Mer om detta tas upp under rubriken styrning.

Rörelsen framåt

För att åstadkomma den framåtgående rörelsen är muskeltrådar fästa i främre kugghjulet och är sedan dragna mot nyckelpigans bakdel. Genom att aktivera en muskeltråd i taget kan en roterade rörelse åstadkommas. Samtidigt som den ena muskeltråden dra ihop sig kommer den andra muskeltråden att dras ut och på så sätt laddas upp till nästa steg. Bild 5 visar hur steget går till. Observera att båda trådarna är slaka i viloläget.

Förflyttningen

Styrningen

Ladybug kan svänga genom att göra en sk "bandvagnssväng". Detta går till så att mittbenen inte trycks ner i marken utan förblir hängande. Detta gör nu att Ladybugs fyra st hörnben kommer att ha markkontakt. Genom att aktivera någon av de framåtdrivande nitinoltrådarna kommer benen på ena sidan att dras bakåt och på den andra sidan kommer de att dras framåt. Resultatet av detta blir att Ladybug kommer att vrida sig jämfört med färdriktningen, dvs Ladybug har utfört en sväng. För att Ladybug skall kunna svänga krävs att fötterna kan glida mot marken.

Inställningsmöjligheter

Eftersom nitinoltråden drar ihop sig så relativt lite är Ladybug utrustad med en rad olika inställningsmöjligheter som gör det möjligt att enkelt ställa in förspänningen av nitinoltrådarna och deras infästningspunkter. Detta underlättar även monteringsarbetet som är tillräckligt pilligt och svårt. Det är viktigt att tråden är rätt spänd. Tråden orkar nämligen dra ihop sig mer då den är spänd. Ju högre spänning i tråden desto större kraft orkar den med då den dras ihop. Samtidigt krävs en större kraft att dra ut tråden igen. Detta betyder att den finns en optimal punkt som är svår att hitta. Nitinoltrådarna som sköter rotationen av kugghjulen går att justera i båda ändarna. I ena änden regleras förspänningen av tråden och i den andra regleras infästningspunktens läge dvs det går att ändra den effektiva momentarm som tråden har relativt rotationscentrum på kugghjulet. Bilderna 7 resp 8 visar hur dessa anordningar ser ut.