Motion: Aandrijving
Zoals ik het nu bekijk heb je in feite twee mogelijkheden voor een aandrijving. De eerste is met actuators en de tweede met motoren. De actuators kunnen zelf worden gemaakt of kant en klaar worden gekocht. In beide gevallen zal gekeken moeten gaan worden naar zowel de lift snelheid (mm/sec) als kracht die de actuator maximaal aan kan (vaak uitgedrukt in N (Newton) waarbij 10 Newton nagenoeg overeenkomt met 1 kg).
Doordat vaak gebruik wordt gemaakt van een centraal opgestelde kruiskoppeling, zal die het grootste gedeelte van het gewicht gaan dragen en dient een actuator alleen een gedeelte van het gewicht te gaan verplaatsen. Hierdoor is de kracht van zo’n actuator niet meer zo heel erg belangrijk. Deze actuator heeft bijvoorbeeld een lift van 150mm, een snelheid van 34mm/sec en een kracht van 400N (40 kg).
Het voordeel van een dergelijke actuator is dat deze vrij simpel aan/op een houten constructie kan worden bevestigd. Bij zelfbouw actuators wordt over het algemeen gebruik gemaakt van speciale aluminium profielen en die zijn over het algemeen niet eenvoudig aan een stuk hout vast te maken. Ook is uit een aantal video’s gebleken dat deze redelijk wat geluid maken, iets wat van de kant en klaar gekochte actuators niet bekend is.
Rolstoel motoren
Een andere optie is om van motoren gebruik te gaan maken. Vaak worden hiervoor ruitenwisser motoren of motoren voor rolstoelen gebruikt. Vooral deze laatste zijn aanmerkelijk krachtiger (250 Watt bij 24 volt) en kunnen dus grotere liftwaarden halen. Er moet dan nog wel zelf voor een geschikte overbrenging worden gezorgd, maar ook daarvoor is voldoende verkrijgbaar.
Voor de aansturing van de motoren zijn in eerste instantie een Arduino UNO nodig en verder per motor een IBT2 motorregelaar, een hall effect potmeter van 10k ohm met 10 slagen en een voeding van 24 volt en minimaal 300 Watt om voldoende vermogen te hebben om de motoren aan te kunnen sturen. Een IBT2 kan maximaal 43 ampère aan en heeft een voedingsspanning van 19-27 volt nodig.
De motor samen met de potmeter fungeert als een servo, deze wordt vanaf de Arduino UNO vanaf een PWM poort aangestuurd. Dit is eenvoudig aan te sturen als het een normale servo betreft maar met een combinatie van motor en potmeter moet dit zelf nog worden gecoördineerd. Dit zou je natuurlijk zelf kunnen gaan doen en dan heb je zelf alle controle daarover, maar je zou ook kunnen gaan kiezen voor een oplossing via SMC3.
Dit is een kant en klare Arduino UNO code welke speciaal voor deze toepassing is gemaakt. Deze software werkt samen met een setup pakket (dat aangeschaft moet worden). Hiermee kan alles helemaal naar de eigen smaak worden ingesteld. Maar bij alle video’s die ik tot nog toe heb gezien, vond ik de bewegingen nogal schokkerig. Dit is met race simulaties misschien nog wel te accepteren, maar bij vliegen is dat toch totaal anders, op ongelukkige landingen na natuurlijk.
Misschien is het “leuk” om eens zelf eens te gaan kijken in hoeverre het in eerste instantie lukt om een gewone servo zo ver te krijgen dat deze een (miniatuur) platform goed kan aansturen en, als dat eenmaal naar behoren werkt, te gaan kijken in hoeverre het mogelijk is om de motor / potmeter combinatie ook goed aan het werk te krijgen. Als dat allemaal lukt heb ik zelf in de hand hoe soepel het platform zou kunnen gaan bewegen en dat nog gratis ook.
Buiten de 5 volt stroomvoorziening heeft een IBT2 vier aansluitingen nodig. Twee als PWM ingang, die de rechtsom en linksom uitslag aangeven, en twee aansluitingen die deze richting aan- of uitzetten. Er mag er maar één tegelijk actief zijn. De terugmelding van de stand van de motor gebeurt door een op de as aangesloten potmeter. Door de stand van deze potmeter te vergelijken met de opgegeven PWM uitslag, kan worden bepaald of de motor al op de gewenste plaats is aangekomen.
Op de uitgang van een IBT2 wordt de 24 volt voeding aangesloten welke via twee andere aansluitingen naar de motor worden geleid. Afhankelijk van de waarden op de ingang van de IBT2 (PWM ingang en activering van de betreffende uitgang) zal de richting van de motor op de twee uitgangsaansluitingen worden omgepoold.
Nu dit bekend is, is ook de totale werking beter te verklaren. De snelheid van de motor wordt totaal niet geregeld, die draait steeds op dezelfde snelheid en wordt alleen aan- of uitgezet. Dit zou dus het schokkerige verstellen van het platform op diverse video’s kunnen verklaren. De motor komt niet langzaam op gang of stopt langzaam, maar zal steeds op maximum snelheid van de ene stand naar de andere gaan bewegen. Dit zal vermoedelijk bij een servo ook het geval zijn.
Lift hoogte
Maar hoe lang moet nu de arm op die motor gaan worden, met andere woorden hoe groot moet de lift hoogte zijn? Hiervoor moet eerst worden berekend wat de afstand tussen het centrale draaipunt en het aaangrijpingspunt van de arm gaat zijn. Er wordt uitgegaan van een standaard plaat multiplex van 610 mm breed. De helft hiervan is dan 305 mm, maar dat is naar de buitenkant van de constructie en daar gaat het aanknopingspunt niet zitten, die komt binnen de constructie zodat je je er niet aan kan stoten of open halen.
De constructie wordt gemaakt van balkjes van 44 mm breed, dan blijft er dus 261 mm over. Maar het aangrijpingspunt zit niet direct tegen het balkje aan maar een klein stukje er vanaf. Aangezien we die draaipunten nog niet hebben, is het even schatten hoe dik die zijn. Laten we voor het gemak dit even op 11 mm stellen, dan blijft er dus 250 mm over tussen het centrale draaipunt en dit aangrijpingspunt.
Tot nog toe ben ik uitgegaan van een maximale hellingshoek van 15°. Als deze inderdaad wordt aangehouden, dan kan de lifthoogte berekend worden via de tangens van 15° (0.267949) en de berekende afstand van 250 mm. De lifthoogte wordt dan 67 mm (0.267949 * 250). Om een dergelijke hoek te kunnen testen kan een van de stoelen van de eethoek scheef worden opgesteld. De afstand tussen de poten is 380 mm en volgens dezelfde berekening komt dit neer op een hoogte van 101.8 mm, afgerond 10 cm.
Dit is uitgetest met plankjes van 20 mm dik. Vijf van die plankjes blijken oncomfortabel teveel te zijn. Een betere hoogte zit ergens tussen drie en vier van die plankjes in, dus zeg maar 7 cm. Dit komt bij het platform neer op een afstand van 46 mm wat weer terug te rekenen is naar een hellingshoek van 10°.
Aangrijpingspunten
Bij een 2DoF constructie regel je de pitch en de roll, dus de bewegingen voor- en achterover en van links naar rechts. Dit zou het handigst zijn als je één aandrijving aan de voor of achterkant zou hebben en één aan een van de zijkanten. Maar dan kan je wel “problemen”krijgen met de plaatsing van de resterende componenten, die kan je dan niet meer achterop het platform kwijt omdat daar dan al een van de motoren zit.
Het alternatief is om één aandrijving aan iedere kant van de constructie te zetten waarbij de aangrijpingspunten even ver voor het centrale draaipunt komen te liggen als deze er naast komen te liggen. Dus zeg maar even voor het gemak 250 mm voor het centrale draaipunt (dat zich onder of vlak voor het zitvlak bevindt). Mocht dit in de praktijk niet haalbaar zijn (ruimtegebrek), dan er ook voor worden gekozen om deze aangrijpingspunten achter het centrale aangrijpingspunt te gaan plaatsen. Dit zal echter wel in het programma voor de Arduino UNO moeten worden doorberekend.
De motoren komen in beide gevallen in de lengterichting van het platform te liggen met daarachter de bijbehorende voeding. Aan de achterkant komen dan de resterende componenten zoals Arduino UNO, beide IBT2’s, koelventilators en de stroomvoorziening voor de elektronica en voedingen. Deze zijn dan eenvoudig bereikbaar voor onderhoud. Als de aandrijving aan de achterkant moet gaan komen, dan moeten de voedingen en de motoren van plaats gaan wisselen.