Estou construindo um cortador de grama autônomo e cortar grama é mais difícil do que você pensa

Meu gramado coberto de mato apresenta desafios que estou cansado de enfrentar sozinho. Hora de envolver um robô.

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O gramado é uma coisa curiosa, e o conceito moderno como o conhecemos se desenvolveu de forma tão ampla e distribuída que cobrir sua história aqui seria um artigo à parte. Independentemente disso, faz parte de praticamente todos os quintais suburbanos, e manter um gramado limpo é a chave para manter as áreas do quintal bonitas e utilizáveis. As condições brutais da Austrália me deixaram cansado da rotina, no entanto, e eu já tive o suficiente; é hora de pedir ajuda robótica.

Qualquer pessoa sã, cansada de cortar a grama, compraria um cortador de grama autônomo pronto para uso e acabaria com ele. No entanto, se você já teve alguma experiência com o hardware ou seus primos aspiradores, saberá que seu desempenho geralmente deixa a desejar. Além disso, eu também sou uma espécie de roboticista e prefiro muito mais construir meu próprio hardware. Dessa forma, quando for uma droga, pelo menos tenho alguém para culpar - assim como a oportunidade de fazer algo a respeito.

Se você gosta de cortadores de grama robóticos, assista junto com a construção abaixo!

Rise of the Machines

Acontece que estou morando com um robô recentemente desempregado que está procurando uma nova missão na vida. Eu criei o SOLARBOI durante um período de 2016 a 2021. Originalmente projetado com o objetivo de explorar o outback australiano, ele é equipado com uma conexão de dados de celular 4G, grandes antenas e um painel solar para energia. Ele é capaz de vagar por dias, cobrando do sol e dirigindo na calada da noite. Isto é, quando ele não está preso em valas, resgatado por taberneiros ou, durante uma infeliz desventura, tendo sua caixa de câmbio quebrada.

O projeto SOLARBOI foi, de certa forma, gerado pela minha imaginação quando criança. Eu adorava carros controlados por rádio e já tinha visto um controlado por computador. No entanto, o problema era que você não podia dirigir o carro além de sua linha de visão; assim que o carro saiu da sala, você não tinha ideia de para onde estava indo. Na época, imaginei que uma câmera resolveria esse problema, permitindo que você explorasse com o carro RC. Claro, isso era difícil com a tecnologia dos anos 90.

Avancei várias décadas e percebi que, com o benefício de uma conexão de dados 4G e uma pequena câmera, agora era possível construir um robô que pudesse percorrer o mundo enquanto você assistia seu progresso por meio de um feed de vídeo em streaming pela Internet . Adicione um painel solar e agora você tem um robô que pode, em teoria, vagar infinitamente onde quer que haja um sinal de dados 4G e luz solar suficiente.

Eu, portanto, incumbi SOLARBOI do desafio de percorrer cidades do interior da Austrália, onde imaginei que ele obteria energia solar abundante e teria menos probabilidade de ser perturbado em comparação com uma área de pedestres com tráfego intenso em uma cidade ou nos subúrbios . Consegui executar várias missões ao longo de alguns anos, muitas vezes enviando SOLARBOI por alguns dias de cada vez e vagando o mais longe possível antes de ficar preso, quebrar alguma coisa ou simplesmente bater nas bordas da cobertura da rede de telefonia móvel.

Foi muito divertido e SOLARBOI rapidamente conquistou muitos fãs, alguns dos quais contribuíram com seus próprios conhecimentos técnicos para o projeto. No entanto, depois de um tempo, tive que encerrar suas missões para minha própria sanidade. Desenvolver e melhorar o robô estava se tornando um trabalho de tempo integral. Pior ainda, deixar um robô sozinho no outback o dia todo era incrivelmente estressante; as missões duravam até altas horas da madrugada e eu passava a maior parte do dia seguinte em pânico, pensando que seria roubado, destruído ou simplesmente não conseguiria acordar. Nós nos divertimos, mas depois de muitas missões emocionantes, era hora de nos aposentar.

Ao longo do projeto, porém, desenvolvi o SOLARBOI em uma plataforma (relativamente) confiável, capaz de se locomover em superfícies seladas e esfregar com desenvoltura, mesmo que ele seja construído sobre a casca surrada e cansada de um velho quatro carro RadioShack RC com tração nas rodas. Um dia, ele construirá um irmão em um chassi muito mais capaz, mas isso ainda me deixaria com um robô inteiro sem nada para fazer. Mas agora que SOLARBOI foi aposentado do serviço ativo no outback, ele assumirá um novo emprego - como Mowerboi.

A ideia é simples: coloque uma lâmina de corte em Mowerboi e programe-o para seguir os pontos de referência do GPS para que ele possa aparar a grama com mais regularidade do que eu gostaria. É um trabalho importante; deixar a grama ficar muito longa tende a resultar em um gramado irregular e inconsistente que deixa muito espaço para a invasão de ervas daninhas. Na Austrália, onde ervas daninhas como o bindi espalham espinhos incrivelmente dolorosos e crescem em um ritmo furioso, manter um gramado forte é vital para o conforto em casa. Esses espinhos chegam a todos os lugares.

Eu já codifiquei a autonomia básica no Mowerboi, então ele é capaz de ir de um ponto de referência do GPS para outro. No entanto, não há código para evitar obstáculos e, para operações em escala de jardas, o GPS padrão não é bom o suficiente. Com precisão de apenas alguns metros, é virtualmente impossível impedir que nosso amigo robô bata em cercas de vez em quando. No entanto, tenho alguns planos para resolver esse problema e acho que posso fazê-lo zumbir pelo quintal sem muitos problemas.

Em vez disso, minha preocupação inicial é cortar a própria grama. Assim, tive que descobrir como construir a parte do cortador do meu cortador autônomo. Nesse ínterim, posso dirigir o robô manualmente pelo gramado por meio de um computador de maneira semelhante a um carro de controle de rádio enquanto testo meu aparelho de cortar grama.

Hora de construir

Existem duas maneiras de criar algo novo. Você pode fazer algumas suposições em sua cabeça, fazer alguns esboços e simplesmente construir o que acha que funcionará. Então, você descobre o que não funciona e itera a partir daí. Como alternativa, você pode gastar muito tempo obtendo informações científicas sobre as coisas, executando modelos e cálculos e tentando descobrir tudo no papel antes de começar. Para grandes projetos que ultrapassam os limites da engenharia, como se você estivesse construindo o SR-71 Blackbird, isso é uma necessidade. Simplesmente não é prático apenas "tentar" construí-lo e ver o que acontece. No entanto, para um pequeno projeto de cortador de grama, a abordagem "construa e veja" é perfeita e, o mais importante, mais divertida.

Quando pensei em cortar a grama em pequena escala, meu primeiro pensamento foi para cortadores de grama - ou aparadores de linha na linguagem americana. Estes conseguem cortar a relva com um pouco de linha de plástico, girando a uma velocidade suficientemente grande para obrigar a linha a ficar rígida.

Eu presumi que poderia obter resultados igualmente bons imprimindo em 3D uma lâmina de plástico simples de cinco polegadas de diâmetro e colocando-a em um motor na frente do meu robô. No banco, essa configuração teve um desempenho admirável, girando a saudáveis ​​11.000 rpm e cortando a grama muito bem.

No entanto, quando testado em campo, os resultados foram menos positivos. Minha grama é muito grossa e muito alta, com até trinta centímetros de altura nas piores partes. Além disso, Mowerboi avança rapidamente, rápido demais para que a lâmina acompanhe o corte da grama. Obviamente, ter um cortador de grama que mantenha a grama aparada regularmente reduzirá esse problema, mas eu também quero um cortador de grama que possa lidar com trabalhos difíceis.

De qualquer forma, quando confrontado com muita grama alta e espessa, o motor CC escovado de 80 voltas que usei simplesmente ficou sobrecarregado e não tinha o torque para passar. Assim, comecei a imprimir em 3D uma lâmina de plástico "mais afiada" que chegava a um ponto mais fino, e a encaixei em um motor de tamanho 540 de 35 voltas mais potente e tentei novamente. A menor contagem de voltas do motor significa que ele consome muito mais corrente, mas também é mais potente e mais capaz de cortar a grama.

Finalmente, algum sucesso! A lâmina foi capaz de cortar, fazendo a grama voar. A cabeça do cortador ainda ficava presa e parava se eu batesse de frente no material mais grosso, mas era mais do que capaz de aparar um gramado no tamanho certo. Claro, a lâmina de cinco polegadas levaria muito tempo, e provavelmente várias passagens, para cortar todo o gramado. Mas quando um robô está fazendo o trabalho, quem se importa se demora um pouco mais para terminar?

Eu até experimentei uma atualização adicional, produzindo um de seis polegadas de aparência média completo com lâminas de aparador de carpete de metal aparafusadas. Era ainda mais capaz de cortar a vegetação, como esperado. No entanto, eu estava um pouco preocupado em ter lâminas de metal e parafusos pesados ​​girando em alta velocidade perto de mim mesmo, macio e carnudo. Temendo por minha própria segurança, decidi que deveria projetar uma cobertura de segurança para me proteger caso a lâmina se desintegrasse ou se soltasse durante o uso.

O Mowerboi não é de forma alguma uma máquina de comer grama esguia e mesquinha. A lâmina relativamente estreita de seis polegadas de largura não corta uma faixa enorme na grama e leva várias passagens para que a grama seja cortada corretamente no tamanho. No entanto, funciona; este é o produto viável mínimo da Mowerboi, com capacidade suficiente para realizar um trabalho básico de corte. Se eu pegasse esta plataforma e adicionasse automação, ela provavelmente poderia manter o gramado cortado no tamanho certo fazendo duas ou três passadas por semana, mesmo que não pudesse lidar com o matagal de selva que tenho agora.

Indo longe demais

Naturalmente, eu queria mais. Mais desempenho, mais poder de corte, mais tudo. Meu pensamento era que, se eu tivesse mais potência, cortar a grama levaria menos tempo para ser concluído. Comecei a adquirir um motor de 14 voltas e tamanho 550 muito mais robusto para a cabeça de corte. Eu já havia encontrado alguns ganhos adicionando potência à cabeça de corte, então imaginei que mais é sempre melhor.

Também descobri que, mesmo que eu dirigisse no ritmo mais lento viável do robô, Mowerboi ainda estava se movendo muito rápido para o cabeçote de corte e acabaria sendo retardado e parado pela grama excessivamente espessa. Eu precisava fazer Mowerboi engatinhar. Assim, comecei a construir uma caixa de engrenagens "rastejante" de baixo alcance que permitiria ao robô rastejar lentamente pelo quintal, cortando a grama em um ritmo mais lento.

Projetar minha primeira caixa de engrenagens impressa em 3D foi muito divertido. O design deste velho carro RadioShack RC não deixou muito espaço, mas consegui espremer uma redução extra de 2,75:1 em cima do degrau de 10:1 da caixa de transferência padrão, reduzindo a proporção total para 27,5:1. O novo trem de engrenagens reduziria a velocidade máxima pela metade, mas este robô já é muito mais rápido do que deveria ser. Em vez disso, a ideia é trocar essa velocidade por um torque extremamente necessário.

Após umas boas 10 horas desmontando e remontando o robô com sua nova caixa de engrenagens, sem contar as boas 15 a 20 horas de tempo de design e impressão, eu estava pronto para testar. Eu mal conseguia conter minha empolgação e, ao fazê-lo, cometi um erro estúpido. Não tive tempo de terminar a cobertura protetora da cabeça de corte, mas imaginei que um pequeno teste não seria muito arriscado.

De qualquer forma, ao ligar o robô, fiquei muito feliz ao vê-lo rastejar em um ritmo absolutamente glacial; minha caixa de câmbio estava funcionando! É certo que estava muito alto porque minhas impressões 3D eram ruins e minha montagem ainda pior, mas estava funcionando! Então liguei o motor do cortador de grama.

Levou menos de um segundo para que um estalo anunciasse que a lâmina do cortador havia sofrido uma desmontagem rápida e não programada. Ouvi um ping uma fração de segundo depois, quando algo atingiu a lateral do galpão. Uma rápida varredura e revista de minhas áreas vitais parecia indicar que eu não estava com hemorragia, então desliguei rapidamente o robô e reservei um momento para apreciar minha boa sorte e me castigar por não tomar as devidas precauções de segurança. Ao pegar um atalho, quase acabei com uma lâmina de cortador de grama no pescoço.

Este é um bom momento para reiterar que não segui minhas próprias regras e não estava criando protótipos de maneira segura. Tive sorte, mas é um erro que você não deve cometer. Sempre tome as devidas precauções de segurança! No meu caso, eu deveria ter esperado até terminar de construir uma mortalha de segurança e atualizar meu próprio EPI para incluir uma proteção facial completa, em vez dos simples óculos de segurança que deixavam o resto do meu rosto totalmente desprotegido.

Parece que o ruído extra do novo cabeçote de corte foi suficiente para destruir meu design de lâmina impresso em 3D; um tanto surpreendente, visto que estava girando em algum lugar perto de 15.000 rpm com o motor maior. As lâminas foram arrancadas do cubo e lançadas no jardim em grande velocidade. Uma busca intensiva revelou apenas um pequeno pedaço da lâmina enterrado na grama; nenhum sinal das peças que atingiram o galpão de forma audível.

Meu novo design de caixa de câmbio enfrentou problemas semelhantes; depois de apenas alguns metros de corrida, meu trem de engrenagens composto de várias partes se desfez porque eu esqueci tolamente de colar a engrenagem depois de um ajuste de teste. Remontar a caixa de engrenagens corretamente apenas fez com que ela falhasse novamente, com as engrenagens desta vez se dividindo ao longo das linhas de camada. Muito frustrante! Mas durante os 30 segundos inteiros que a caixa de câmbio manteve unida, o cortador foi impressionantemente lento com toneladas de torque da roda - exatamente como eu pretendia que fosse.

Lições aprendidas. Hora de reconstruir

Independentemente disso, comecei a reconstruir a caixa de engrenagens e a cabeça de corte de Mowerboi com pressa, pois já estava muito viciado no projeto a essa altura. Desenhei e imprimi em 3D um design de caixa de engrenagens mais robusto, montei uma cobertura de segurança para me proteger e voltei a usar uma lâmina de corte totalmente em plástico mais segura. Com uma montagem mais forte para a cabeça de corte instalada, ainda consegui usar o motor de 14 voltas mais potente sem que o conjunto se desfizesse.

Percebi, também, que Mowerboi não foi muito bem servido por seu esquema de pintura de camuflagem do outback, destinado a escondê-lo de humanos curiosos em suas aventuras. No mínimo, armado com uma lâmina cortante, era mais seguro deixá-lo bem visível ao trabalhar no quintal. Eu também percebi que a grama da cabeça do cortador estava se espalhando por todo o chassi.

O caminho a seguir era óbvio - Mowerboi precisava de um kit de corpo de drogas. No que diz respeito ao design, usei caminhões pesados ​​de mineração como guia, dando a Mowerboi laterais inclinadas, um grande painel de logotipo e grandes listras pretas na lateral. Por que listras, você pergunta? Eles são fáceis de desenhar, é por isso! Quando se trata de cores, no entanto, o mundo da deriva foi minha inspiração, e Mowerboi obteve uma paleta de cores inspirada no famoso S13 de Naoki Nakamura. Sim, estamos falando de amarelo fluorescente com rodas rosa choque escaldante, e eu não poderia estar mais apaixonado pelo design.

Investi dezenas de horas durante um período de duas semanas no esforço de reconstrução, desde o design, impressão 3D, pintura e remontagem. Depois desse longo trabalho árduo, levei Mowerboi para o quintal mais uma vez para um pouco de hack and slash, resultando em meu mano parecendo fresco como o inferno. Ele ainda não é o cortador mais afiado, e a grama grossa leva várias passagens para diminuir o tamanho. A nova caixa de câmbio é uma melhoria, embora ainda não seja perfeita. Desta vez, ele se manteve unido por meia hora inteira, mas começou a mastigar-se em pedaços quando tentei reverter. De volta à prancheta nesse.

Os desafios permanecem, é claro. No geral, porém, Mowerboi se tornou um robô de aparência doentia com presença séria no gramado, e ele fará grandes coisas assim que puder navegar por conta própria.

Olhando para o futuro

Tenho certeza de que permitir que Mowerboi ande em uma fração do ritmo de caminhada melhora a qualidade do corte, pois a grama mais longa não sobrecarrega mais e retarda a lâmina de corte . O design da minha caixa de câmbio ajudou nessa área, mas ainda é muito fraco para uso prolongado. Tenho mais algum desenvolvimento a fazer nesta área, seja fortalecendo o design ou seguindo outro caminho, instalando um motor de torque no conjunto de engrenagens padrão.

Também estou gostando da cabeça de corte toda em plástico, mesmo que não corte tão bem quanto a versão equipada com lâmina. No entanto, se eu puder encontrar uma maneira de integrar com segurança as lâminas de metal sem que o conjunto se quebre em alta velocidade, posso instituir tal atualização.

Também estou ansioso para começar a mexer no código para permitir a operação autônoma. Com alguns bits de GPS em ordem e meu código Python já mostrando alguma promessa, estou bastante convencido de que posso fazer Mowerboi rodar pelo jardim como se ele fosse o dono do lugar.

Na verdade, estou superconfiante de que, com alguns mods, eu poderia ter um cortador de grama movido a energia solar realmente incrível até o final do ano. Mowerboi vai acordar algumas vezes por semana para aparar o gramado e passar o resto do tempo tomando sol no quintal para coletar aqueles deliciosos e suculentos elétrons. Parece uma boa vida, e estou ansioso para vivê-la com ele. Até então, porém, ainda há muita engenharia a fazer!

Tem uma dica? Informe o autor: lewin@thedrive.com.

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