Achtergrond
Elektromagnetisch lobben en schieten
29 april 2009
In het derde deel van de serie over Tech United komt het schopmechanisme aan bod. Robotvoetbal kent een keur aan schopmechanismes, van simpelweg hard tegen de bal aan rijden in de small size league tot de – tot nog toe – zwakke pogingen van de humanoids om de bal weg te trappen met een mechanisch been. Bij de midsize league moet een dedicated mechanisme het werk doen. Hier zijn in de loop der tijd verschillende methodes voor bedacht, zoals directe motortjes, pneumatiek, veermechanismes en elektromagnetische solenoïdes.
Het TU Eindhoven-team Tech United gebruikte in het begin eveneens een pneumatisch systeem, maar stapte al snel over op een elektromagnetische spoel. ‘Dat pneumatische systeem werkte gewoon met luchtdrukventielen. Je gooide het ventiel open en dan schoot ie’, vertelt Ruud Tilburgs, die als afstudeeropdracht het huidige schotmechanisme ontwierp. Tot afgelopen zomer was hij in dienst van de TUE om verder te bouwen aan de Tech United-robots.
Het nadeel van het pneumatische systeem was dat de robots er weliswaar flinke trappen mee konden uitdelen, maar dat de kracht en richting altijd hetzelfde waren. ‘Terwijl je uiteindelijk naar teamspel toe wilt’, vertelt Tilburgs. ‘Dus naast een gewoon schot ook passen en een lobschot geven en afhankelijk van waar je staat met een bepaalde snelheid schieten.’
Met het huidige elektromagnetische systeem kan dat wel. Het bestaat uit een elektromagnetische spoel, waar een metalen plunjer in ligt. Op het moment dat er een stroom door de spoel loopt, trekt het opgewekte elektromagnetische veld het metalen gedeelte van de plunjer naar binnen.
Het schopmechanisme kan op twee manieren schieten: recht of in een boogje. Het is daarvoor uitgerust met twee verschillende ‘benen’: een vlak metalen plaatje of eentje met een voetje eraan. Deze zijn met een scharnier opgehangen voor de plunjer.
De truc is nu dat het metalen plaatje vrij tussen de twee poten van het mechanisme met het voetje heen kan zwaaien. Als de plunjer alleen tegen het metalen plaatje stoot, rolt de bal rechtuit, anders wordt de bal opgelepeld. Het kiezen van de stand gaat via een T-stuk aan het uiteinde van de plunjer. ‘Die ligt gewoon los in de solenoïde en die kun je met een motortje kantelen’, legt Tilburgs uit. In horizontale stand beukt de plunjer tegen de benen van het mechanisme met het voetje aan, maar in verticale stand schiet die er tussendoor en beroert alleen het metalen plaatje.’ Met name voor doelpogingen is het interessant om met een boogje te schieten: een hoge bal is voor de robotkeeper veel lastiger tegen te houden.
Tien seconden
Tilburgs begon in de zomer van 2006 met het werk aan het nieuwe mechanisme. ‘Er was al een kleine voorstudie gedaan van hoe er bij Robocup wordt geschoten. Daaruit was naar voren gekomen dat zo’n schietspoel eigenlijk ideaal zou zijn. De hoeveelheid stroom of de tijd dat die stroom door de spoel loopt, die kun je heel goed gedoseerd regelen en daardoor je schotkracht instellen.’
Het team had nog geen ervaring met solenoïdes, dus begon Tilburgs met een rechttoe rechtaan prototype dat los op het veld stond. ‘Gewoon, eens kijken wat zo’n ding kan. Dat bleek toch wel erg goed te werken’, zegt hij. De knoop om een versie voor in de robots te bouwen, was toen snel doorgehakt, maar het systeem moest wel flink op dieet. ‘Die eerste versie woog zo’n tien, elf kilo. Dat is nogal zwaar voor zo’n robot. Het geheel was ook een stuk groter dan wat we nu hebben.’
Dus werd het tijd voor de modelstudies: ‘Ik heb toen een theoretisch model opgesteld van de schietspoel en alles wat daarbij komt kijken, met alle parameters als lengte, dikte, aantal windingen en dergelijke. Daar ben ik naar het wiskundige optimum gaan zoeken.’ Het resultaat was een flinke gewichtsreductie tot zes kilo en een klein beetje meer schopkracht.
Voor een goede trap tegen de bal is het nodig om in één keer een grote stroom door de spoel te sturen. Dat gaat via een condensator. ‘We gebruiken een stroomomvormer om de 24 volt van de batterijen om te vormen naar 350 volt. Daarmee laden we langzaam de condensator op’, legt Tilburgs uit. Via een elektronische schakelaar kan dit in één keer naar de stroomspoel worden gestuurd. ‘Een vol schot betekent dat je de condensator in 18 milliseconden leegtrekt. Dan is ook die plunjer op zijn einde en is die stroom effectief gebruikt. Als je minder hard wilt schieten, zet je de stroom korter aan.’ Al met al vraagt een schot behoorlijk wat energie. Toch valt het verbruik van zo nu en dan een schot in het niet bij het totale verbruik van de robot.
De robot moet wel weer zijn condensator opladen voordat hij de bal opnieuw kan wegspelen. Een volledige laadcyclus kost een dikke tien seconden. Meestal zal dit minder zijn, omdat de robot vaak niet volledig uithaalt. Tilburgs: ‘De ervaring leert ook dat als je de bal met vol vermogen wegschiet, je dan niet weer binnen tien seconden aan een nieuw schot toe bent.’
Tijdens Hightech Mechatronica 2009 geeft het Tech United-team lezingen over het schopmechanisme, de robotvisie en de balhantering.