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2010年10月16日 (土)

回路が悪いのかも

昨日のつくばチャレンジの公開走行実験で、何人かの先生方からロボットの足回りについてアドバイスを頂きました。そこで今日は、そもそも今使っているモータとバッテリで、十分なトルクがでるのか実験してみることにしました。

【実験方法】 

  • 7.2Vのニッケル水素電池パックとDCモータ(Maxon RE35)を直接配線して、水平な床上でロボットがばねを引っ張る力を計測する。

【準備】 

  • ばねばかりがないので、適当な固めのつるまきばねで代用することにしました。
  • 1kgのおもりを使ってあらかじめバネ定数を計測しておきます。錘が無い状態のばねの長さは5.4cm、1kgのおもりをつけるとばねの長さが 12.8cmになりました。
  • したがって、バネ定数Kは、K=1.0 /(12.8 - 5.4) = 0.14 [kgf/cm] です。

【実験結果】

  • バッテリ容量が 2200mAh のバッテリパック1本を直接配線した場合、ロボットが引っ張ったときのばねの長さL1は 28 cm でした。
  • しがたって、引っ張る力F1は、F1= K * L1 = 0.14 * 28 = 3.92 [kgf] です。
  • 同様に、バッテリ容量 5000mAh のバッテリパック1本を直接配線した場合、ばねの長さL2 は31cmでした。
  • したがって、引っ張る力F2は、F2 = K * L2 = 0.14 * 31 = 4.48 [kgf] です。

【考察】

  • ロボットの全備重量を 8.0kg 、坂の角度を15°と仮定したとき、タイヤの変形や転がり抵抗を無視すると、ロボットが坂を登るのに必要な力は、8.0 * sin(15°) = 2.07 [kgf] です。
  • 転がり抵抗は、ロボットに取り付けたつるまきばねを水平に引っ張って、ロボットが動き出すときのばねの長さで代用できます。ばねの長さがL3 = 12.5[cm]でロボットが動き始めたので、転がり抵抗 F3 は F3 = K * L3 = 0.14 * 12.5 = 1.75 [kgf] です。
  • したがって、転がり抵抗を含めた登坂に必要な力は、F = 2.07 + 1.75 = 3.82 [kgf]です。
  • ということは、容量 2200mAhのバッテリで15°の坂を登るのはなんとかギリギリセーフになるかどうかの瀬戸際くらいだと思います。
  • 5000mAhの電池を使った場合はマージンが 4.48 - 3.82 = 0.66 [kgf] 分だけ大きくなるので、多少余裕を持って坂を登れそうです。
  • 転がり抵抗が意外と大きいことがわかりました。もう少し幅が狭く、直径が大きく、ソリッドなタイヤに交換すれば、転がり抵抗を低減できて、もっとスムーズに走れるでしょう。

【結論】

  • 現在のモータとバッテリで、理論的には15°の坂を登れる。
  • タイヤを交換して転がり抵抗を減らすと、もっと楽に坂を登れるようになる。

今回は、坂を登るのに必要となるトルクを今のモータとバッテリが賄えるのかどうか知ることを主眼に置いたため、走行速度に関しては完全に無視しています。とりあえず、今回の実験結果から考えると、バッテリとモータはシロで、制御回路が悪いか、制御方法が悪いかのどちらかに原因がありそうです。

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