Estoy construyendo una cortadora de césped autónoma y cortar el césped es más difícil de lo que piensas

Mi césped descuidado plantea desafíos que estoy harto de enfrentar solo. Es hora de involucrar a un robot.

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El césped es algo curioso, y el concepto moderno tal como lo conocemos se desarrolló de una manera tan amplia y distribuida que cubrir su historia aquí sería un artículo en sí mismo. De todos modos, es parte de prácticamente todos los jardines suburbanos, y mantener un césped limpio es clave para mantener las áreas del jardín bonitas y utilizables. Sin embargo, las condiciones brutales de Australia me han dejado cansado de la rutina y ya he tenido suficiente; es hora de conseguir ayuda robótica.

Cualquier persona en su sano juicio que esté harta de cortar el césped simplemente compraría una cortadora de césped autónoma lista para usar y terminaría con ella. Sin embargo, si ha tenido alguna experiencia con el hardware o sus primos aspiradores, sabrá que su rendimiento a menudo deja algo que desear. Además, yo también soy algo así como un experto en robótica y prefiero construir mi propio hardware. De esa manera, cuando apesta, al menos tengo a alguien a quien culpar, así como la oportunidad de hacer algo al respecto.

Si te gustan las cortadoras de césped robóticas, ¡observa la construcción a continuación!

Rise of the Machines

Da la casualidad de que he estado viviendo con un robot recientemente desempleado que ha estado buscando una nueva misión en la vida. Creé SOLARBOI durante un período de 2016 a 2021. Originalmente diseñado con el objetivo de explorar el interior de Australia, está equipado con una conexión de datos móviles 4G, grandes antenas y un panel solar para la energía. Es capaz de vagar durante días, cargando desde el sol y conduciendo en la oscuridad de la noche. Es decir, cuando no se queda atascado en zanjas, rescatado por taberneros o, durante una desafortunada desgracia, su caja de cambios se cae a pedazos.

El proyecto SOLARBOI surgió, en cierto modo, de mi imaginación cuando era niño. Me encantaban los coches de radiocontrol y una vez había visto uno controlado por ordenador. Sin embargo, el problema era que no podía conducir el automóvil más allá de su línea de visión; una vez que el auto salía de la habitación, no tenías idea de hacia dónde se dirigía. En ese momento pensé que una cámara resolvería ese problema, permitiéndote explorar con el auto RC. Por supuesto, tal cosa era difícil con la tecnología de la década de 1990.

Avance rápido varias décadas y me di cuenta de que con el beneficio de una conexión de datos 4G y una cámara pequeña, ahora era posible construir un robot que pudiera recorrer el mundo mientras observaba su progreso a través de una transmisión de video por Internet. . Agregue un panel solar y ahora tiene un robot que, en teoría, puede deambular sin fin donde haya una señal de datos 4G y suficiente luz solar.

Por lo tanto, encargué a SOLARBOI el desafío de recorrer las ciudades rurales australianas, donde pensé que obtendría abundante energía solar y sería menos probable que lo molestaran en comparación con una zona peatonal muy transitada en una ciudad o en los suburbios. . Pude ejecutar varias misiones durante un período de un par de años, a menudo enviando SOLARBOI durante unos días a la vez y deambulando lo más lejos posible antes de que nos atascáramos, rompiéramos algo o simplemente tropezáramos con los bordes de la cobertura. de la red de telefonía móvil.

Fue muy divertido, y SOLARBOI rápidamente ganó muchos admiradores, algunos de los cuales contribuyeron con su propia experiencia técnica al proyecto. Sin embargo, después de un tiempo, tuve que terminar sus misiones por mi propia cordura. Desarrollar y mejorar el robot se estaba convirtiendo en un trabajo de tiempo completo. Peor aún, dejar un robot desatendido en el interior todo el día era increíblemente estresante; las misiones duraban mucho hasta altas horas de la madrugada, y luego pasaba la mayor parte del día siguiente aterrorizado de que lo robaran, lo destruyeran o simplemente no me despertara. Nos divertimos, pero después de muchas misiones emocionantes, llegó el momento de retirarse.

A lo largo del proyecto, sin embargo, desarrollé SOLARBOI hasta convertirlo en una plataforma (relativamente) confiable, capaz de moverse sobre superficies selladas y fregar con aplomo, incluso si está construido sobre el armazón maltratado y desgastado de un viejo cuatro -coche RadioShack RC con tracción en las ruedas. Un día, construirá un hermano en un chasis mucho más capaz, pero eso aún me dejaría con un robot completo sin nada que hacer. Pero ahora que SOLARBOI se retiró del servicio activo en el interior, asumirá un nuevo trabajo, como Mowerboi.

La idea es simple: equipe a Mowerboi con una cuchilla de corte y prográmelo para que siga los puntos de referencia del GPS para que pueda cortar el césped con más frecuencia de lo que me gustaría. Es un trabajo importante; dejar que el césped se alargue demasiado tiende a dar lugar a un césped desigual e irregular que deja mucho espacio para que la maleza invada. En Australia, donde las malas hierbas como bindi esparcen espinas increíblemente dolorosas y crecen a un ritmo vertiginoso, mantener un césped fuerte es vital para la comodidad en el hogar. Esas espinas llegan a todas partes.

Ya he codificado la autonomía básica en Mowerboi, por lo que es capaz de dirigirse de un punto de ruta GPS a otro. Sin embargo, no hay un código para evitar obstáculos y, para operaciones a escala de jardín, el GPS estándar no es lo suficientemente bueno. Con una precisión de solo unos pocos metros, es prácticamente imposible evitar que nuestro amigo robot golpee las vallas de vez en cuando. Sin embargo, tengo algunos planes para abordar ese problema, y ​​creo que puedo hacer que ande zumbando por el patio sin demasiados problemas.

En cambio, mi preocupación inicial es cortar el césped. Por lo tanto, tuve que descubrir cómo construir la parte del cortacésped de mi cortacésped autónomo. Mientras tanto, puedo conducir el robot manualmente por el césped a través de una computadora de manera similar a un automóvil de control por radio mientras pruebo mi aparato para cortar césped.

Es hora de construir

Hay dos formas de diseñar algo nuevo. Puede hacer algunas conjeturas en su cabeza, hacer un par de bocetos y simplemente construir lo que cree que funcionará. Luego, descubre lo que no funciona e itera desde allí. Alternativamente, puede dedicar una gran cantidad de tiempo a ser científico acerca de las cosas, ejecutar modelos y cálculos, y tratar de resolverlo todo en papel antes de comenzar. Para grandes proyectos que superan los límites de la ingeniería, como si está construyendo el SR-71 Blackbird, esto es una necesidad. Simplemente no es práctico "intentar" construirlo y ver qué sucede. Sin embargo, para un pequeño proyecto de cortacésped, el enfoque de "construir y ver" es perfecto y, lo que es más importante, más divertido.

Cuando pensé en cortar el césped a pequeña escala, lo primero que pensé fue en cortadoras de césped, o recortadoras de línea en el lenguaje estadounidense. Éstos consiguen cortar la hierba con un poco de hilo de plástico, girando a una velocidad lo suficientemente grande como para obligar a que el hilo se vuelva rígido.

Supuse que podría lograr resultados igualmente buenos imprimiendo en 3D una hoja de plástico simple de cinco pulgadas de diámetro y colocándola en un motor en la parte delantera de mi robot. En el banco, esta configuración se desempeñó admirablemente, girando a unas saludables 11,000 rpm y cortando el césped bastante bien.

Sin embargo, cuando se probó en el campo, los resultados fueron menos positivos. Mi césped es muy espeso y muy alto, hasta un pie de altura en las peores partes. Además, Mowerboi avanza con bastante rapidez, demasiado rápido para que la hoja siga cortando el césped. Obviamente, tener una cortadora de césped robótica que mantenga el césped cortado regularmente reducirá este problema, pero quiero una cortadora de césped robótica que también pueda manejar los trabajos difíciles.

En cualquier caso, cuando me enfrenté a una gran cantidad de césped alto y espeso, el motor de corriente continua con escobillas de 80 vueltas que usé simplemente se desbordó y no tenía el torque para impulsarlo. Por lo tanto, me puse a imprimir en 3D una cuchilla de plástico "más afilada" que llegó a un punto más fino, la ajusté a un motor más potente de 35 vueltas y tamaño 540 y lo intenté de nuevo. El número de vueltas más bajo en el motor significa que consume mucha más corriente, pero también es más potente y más capaz de atravesar el césped.

¡Por fin, algo de éxito! La hoja fue capaz de cortar, enviando la hierba por los aires. El cabezal de corte aún se engancharía y se detendría si chocara de frente con la materia más gruesa, pero era más que capaz de recortar un césped a su tamaño. Claro, la hoja de cinco pulgadas tomaría mucho tiempo, y probablemente varias pasadas, para cortar todo el césped. Pero cuando un robot está haciendo el trabajo, ¿a quién le importa si tarda un poco más en terminar?

Incluso experimenté con una mejora adicional, produciendo un modelo de seis pulgadas de apariencia mezquina completo con cuchillas metálicas para cortar alfombras atornilladas. Era aún más capaz de cortar la vegetación, como se esperaba. Sin embargo, estaba un poco preocupado por tener cuchillas de metal y pernos pesados ​​girando a una velocidad tan alta cerca de mi propio cuerpo suave y carnoso. Temiendo por mi propia seguridad, decidí que debería diseñar una cubierta de seguridad para protegerme en caso de que la hoja se desintegre o se suelte mientras la uso.

Mowerboi no es de ninguna manera una máquina devoradora de césped esbelta y mala todavía. La hoja relativamente angosta de seis pulgadas de ancho no corta una gran franja a través del césped, y se necesitan varias pasadas para cortar el césped correctamente al tamaño adecuado. Sin embargo, funciona; este es el producto mínimo viable de Mowerboi, que tiene la capacidad suficiente para realizar un trabajo de corte básico. Si tomara esta plataforma y agregara automatización, probablemente podría mantener el césped cortado a su tamaño haciendo dos o tres pasadas por semana, incluso si no puede manejar la maleza de la jungla cubierta de maleza que tengo ahora.

Ir demasiado lejos

Naturalmente, quería más. Más rendimiento, más potencia de corte, más de todo. Pensé que si tuviera más potencia, me llevaría menos tiempo cortar el césped. Me dispuse a adquirir un motor mucho más potente de 14 vueltas y tamaño 550 para el cabezal de corte. Ya había encontrado algunas ganancias al agregar potencia al cabezal de corte, así que pensé que más es siempre mejor.

También descubrí que incluso si conducía al ritmo viable más lento del robot, Mowerboi todavía se movía demasiado rápido para el cabezal de corte y terminaba siendo ralentizado y detenido por la hierba excesivamente espesa. Necesitaba hacer que Mowerboi gateara. Por lo tanto, me dispuse a construir una caja de cambios "sobre orugas" de rango bajo que permitiera al robot arrastrarse lentamente por el jardín, cortando el césped a un ritmo más pausado.

Diseñar mi primera caja de cambios impresa en 3D fue muy divertido. El diseño de este viejo auto RadioShack RC no dejaba mucho espacio, pero logré exprimir una reducción adicional de 2,75:1 además del paso hacia abajo de 10:1 de la caja de transferencia estándar, lo que redujo la relación total a 27,5:1. El nuevo tren de engranajes reduciría la velocidad máxima a más de la mitad, pero este robot ya es mucho más rápido de lo que debe ser. En cambio, la idea es cambiar esa velocidad por un par de torsión muy necesario.

Después de unas buenas 10 horas de desmontar y volver a montar el robot con su nueva caja de engranajes, sin contar las buenas 15 a 20 horas de tiempo de diseño e impresión, estaba listo para probar. Apenas podía contener mi emoción y, al hacerlo, cometí un error bastante estúpido. No había tenido tiempo de terminar la cubierta protectora del cabezal de corte, pero pensé que una pequeña prueba no sería demasiado arriesgada.

En cualquier caso, mientras encendía el robot, me alegró mucho ver que se arrastraba a un ritmo absolutamente glacial; mi caja de cambios estaba funcionando! Es cierto que fue muy ruidoso ya que mis impresiones 3D eran deficientes y mi ensamblaje aún peor, ¡pero estaba funcionando! Luego encendí el motor del cortacésped.

Pasó menos de un segundo antes de que un chasquido anunciara que la cuchilla del cortacésped se había desmontado de forma rápida e imprevista. Escuché un ping una fracción de segundo después cuando algo golpeó el costado del cobertizo. Un escaneo rápido y un cacheo de mis áreas vitales parecían indicar que no estaba sangrando, así que apagué rápidamente el robot y me tomé un momento para apreciar mi buena suerte y reprenderme por no tomar las precauciones de seguridad adecuadas. Al tomar un atajo, casi termino con una cuchilla de podadora en el cuello.

Este es un buen momento para reiterar que no me apegué a mis propias reglas y que no estaba creando prototipos de manera segura. Tuve suerte, pero es un error que no debes cometer. ¡Siempre tome las precauciones de seguridad adecuadas! En mi caso, debería haber esperado hasta que terminé de construir una cubierta de seguridad y actualicé mi propio PPE para incluir un protector facial completo en lugar de las simples gafas de seguridad que dejaban el resto de mi rostro completamente desprotegido.

Parece que el gruñido adicional del nuevo cabezal de corte fue suficiente para destrozar mi diseño de cuchilla impreso en 3D; algo sorprendente, dado que estaba girando en algún lugar cerca de 15,000 rpm con el motor más grande. Las cuchillas habían sido cortadas del eje y arrojadas al jardín a gran velocidad. Una búsqueda intensiva arrojó solo un pequeño trozo de la hoja enterrado en la hierba; no se encontraron señales de las piezas que golpearon audiblemente el cobertizo.

Mi nuevo diseño de caja de cambios enfrentó problemas similares; después de unos pocos metros de carrera, mi tren de engranajes compuesto de varias partes se desmoronó porque tontamente olvidé pegar el engranaje después de una prueba de ajuste. Reensamblar correctamente la caja de cambios solo hizo que fallara nuevamente, y esta vez los engranajes se dividieron a lo largo de las líneas de las capas. ¡Lo más frustrante! Pero durante los 30 segundos completos que la caja de cambios se mantuvo unida, el cortacésped fue impresionantemente lento con toneladas de torsión en las ruedas, tal como yo lo había previsto.

Lecciones aprendidas. Es hora de reconstruir

A pesar de todo, me puse a reconstruir la caja de cambios y el cabezal de corte de Mowerboi a toda prisa, ya que en ese momento estaba muy enganchado al proyecto. Diseñé e imprimí en 3D un diseño de caja de cambios más robusto, preparé una cubierta de seguridad para protegerme y volví a usar una cuchilla de corte totalmente de plástico más segura. Con un montaje más fuerte para el cabezal de corte instalado, aún podía usar el motor de 14 vueltas más potente sin que el ensamblaje se desmoronara.

También me di cuenta de que Mowerboi no estaba realmente bien atendido por su esquema de pintura de camuflaje interior, destinado a ocultarlo de los humanos curiosos en sus aventuras. En todo caso, armado con una hoja de corte, era más seguro tenerlo muy visible cuando trabajaba en el jardín. También me di cuenta de que la hierba del cabezal de corte estaba cubriendo todo el chasis.

El camino a seguir era obvio: Mowerboi necesitaba un excelente kit de carrocería. En lo que respecta al diseño, tomé como guía los camiones pesados ​​de minería, dándole a Mowerboi lados inclinados, un gran panel con el logotipo y grandes franjas negras en los costados. ¿Por qué rayas, preguntas? ¡Son fáciles de dibujar, por eso! Sin embargo, cuando se trataba de colores, el mundo de la deriva fue mi inspiración, y Mowerboi obtuvo una paleta de colores invertida inspirada en el famoso S13 de Naoki Nakamura. Sí, estamos hablando de amarillo flúor con llantas de color rosa intenso, y no podría estar más enamorado del diseño.

Invertí decenas de horas durante un período de dos semanas en el esfuerzo de reconstrucción, desde el diseño, la impresión 3D hasta la pintura y el montaje. Después de ese largo trabajo, llevé a Mowerboi al patio trasero una vez más para un poco de hack and slash, lo que resultó en que mi homie se viera fresco como el infierno. Todavía no es el cortador más afilado, y la hierba espesa requiere varias pasadas para reducir su tamaño. La nueva caja de cambios es una mejora, aunque todavía no es perfecta. Se mantuvo unido durante media hora completa esta vez, pero comenzó a masticarse en pedazos cuando traté de retroceder. De vuelta al tablero de dibujo en eso.

Los desafíos persisten, por supuesto. Sin embargo, en general, Mowerboi se ha convertido en un robot de aspecto enfermizo con una presencia seria en el césped, y hará grandes cosas una vez que pueda navegar por su cuenta.

Mirando hacia el futuro

Estoy seguro de que permitir que Mowerboi avance a una fracción del ritmo de una caminata está mejorando la calidad del corte, ya que la hierba más larga ya no abruma ni ralentiza la hoja de corte. . El diseño de mi caja de cambios ha ayudado en esta área, pero aún es demasiado débil para un uso prolongado. Tengo más desarrollo que hacer en esta área, ya sea fortaleciendo el diseño o tomando otra ruta instalando un motor Torquier en el juego de engranajes original.

También me gusta el cabezal de corte totalmente de plástico, incluso si no corta tan bien como la versión equipada con navaja. Sin embargo, si puedo encontrar una manera de integrar de forma segura las cuchillas de metal sin que el conjunto se rompa a alta velocidad, puedo instituir dicha actualización.

También estoy ansioso por comenzar a jugar con el código para habilitar la operación autónoma. Con algunos bits de GPS en orden y mi código de Python que ya se muestra prometedor, estoy bastante convencido de que puedo hacer que Mowerboi se mueva por el jardín como si fuera el dueño del lugar.

De hecho, estoy muy seguro de que, con algunas modificaciones, podría tener una cortadora de césped con energía solar realmente increíble para fin de año. Mowerboi se despierta un par de veces a la semana para recortar el césped y pasar el resto de su tiempo tomando el sol en el jardín para recolectar esos jugosos y deliciosos electrones. Suena como una buena vida, y espero vivirla con él. Sin embargo, hasta entonces, ¡queda mucha ingeniería por hacer!

¿Tienes un consejo? Informe al autor: lewin@thedrive.com.

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