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Mechatronics Technologies and Principles

Machine Design and Engineering
Engineering Applications and Design

Mechatronics, technologies, principles, and analysis or complex electro-mechanical systems.
Thaddeus Hughes
e.t. al Caleb Hagner
118 Pages

Open: Mechatronics, technologies, principles, and analysis or complex electro-mechanical systems Manual
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Mechatronics is an amalgam of “mechanisms” and “electronics”: systems that contain both mechanical and electrical components. It’s a field that spans nearly every industry, so any one source (even this one) will not be complete with all the information you need. But this may be a good jumping off point. I’m writing this generally towards those in a competitive robotics environment, so will use many examples from there, but you soon find that those same technologies that shoot foam balls into goals can be used anywhere from assembly lines to emergency medical equipment or racecars.

Mechatronics, technologies, principles, and analysis or complex electro-mechanical systems

This document is not intended to be all-encompassing. In reality, it’s just an outline; a map. We live in an era where information is readily available on demand. This document really doesn’t contain anything new. Its goal is to show you a plethora of things that exist in a breadth-first fashion before you dive down a particular rabbit hole. There are a few places where I’ll dive deeper because I feel it’s relevant to show you some of the nuances you should be aware of. By and large, my goal isn’t to drill home every single thing because I’ll fail at that and fail you in the process. Someone will come up with something new, or improve something discussed here, and this information will become outdated. I’ll try to keep it up to date... but I will definitely fail!

TOC

1 Introduction 5
2 Physics & Terminology 6
2.1 Stresses and Deformations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.2 Directions and Coordinate Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.3 Basic Dynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.4 Basic Electronics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
3 Construction 10
3.1 Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
3.1.1 Stress-Strain Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
3.1.2 Hardness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
3.1.3 Thermal Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
3.1.4 Other Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
3.1.5 Material Comparisons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
3.2 Form Factors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
3.2.1 Cast from Ingot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
3.2.2 Billet and Plate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
3.2.3 Extrusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
3.2.4 Welded / DOM Tubing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
3.2.5 Sheet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3.3 Manufacturing Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3.3.1 Hot Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3.3.2 Machining . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3.3.3 Broaching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.3.4 Path Cutting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.3.5 Sheet Forming . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.3.6 Welding and Brazing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.3.7 3D Printing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.4 Fasteners . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.4.1 Pins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.4.2 Threads . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.4.3 Rivets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.4.4 Shaft Retention . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.4.5 Adhesives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.4.6 Panel Fasteners . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.4.7 The Zip Tie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.5 Fabrication Paradigms / Traditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.5.1 The 80/20 Tradition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.5.2 The Sheet metal Tradition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.5.3 The Fingerjointed Plate Tradition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.5.4 The Bracket and Tube Tradition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.5.5 The Spaceframe Tradition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
4 Complex Components
4.1 Axial Power Transmission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
4.1.1 Shafts, Hubs, and Interfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
4.1.2 Bearings, Bushings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
4.1.3 Drive Couplings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
4.2 Nonaxial Power Transmission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
4.2.1 Rope and Pulleys . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
4.2.2 Gears . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
4.2.3 Roller Chain and Sprockets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
4.2.4 Belts, Pulleys . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.3 Lead Screws . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
4.4 Energy Storage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
4.4.1 Springs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
4.4.2 Flywheels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.5 Wheels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
4.5.1 Hard Wheels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
4.5.2 Soft Wheels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
4.5.3 Casters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.5.4 Omni Wheels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.6 Engagement and Disengagement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.6.1 Ratchets and Brakes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.6.2 Clutches and PTOs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
5 Pneumatics 57
5.1 Pneumatic Anatomy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
5.2 Compressors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
5.3 Pneumatic Cylinders . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
5.4 Basic Cylinder Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
6 Motors 61
6.1 DC Motors: Brushed and Brushless . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
6.2 Empirical DC Motor Behavior . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
6.3 Comparing Motor Types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
7 Electrical 67
7.1 Power Electronics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
7.1.1 Batteries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
7.1.2 Regulators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
7.1.3 Breakers and Fuses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
7.1.4 Wires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
7.2 Sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
7.2.1 On/Off Position Sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
7.2.2 Variable Position Sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
7.2.3 Vision . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
7.2.4 Inertial Measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
7.3 Terminals and Connectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
7.4 Communication Protocols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
7.4.1 Dumb signals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
7.4.2 Serial links . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
7.4.3 Bus signals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
8 Basic Systems 77
8.1 Grabbing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
8.1.1 Jaws . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
8.1.2 Latches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
8.1.3 Beater bars . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
8.1.4 Side wheels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
8.1.5 Centering intakes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
8.1.6 Scoops . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
8.1.7 Vacuums . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
8.2 Indexers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
8.2.1 Gravity Hoppers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
8.2.2 Conveyors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
8.2.3 Rotary Hoppers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
8.2.4 Agitated Hoppers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
8.3 Connected Motion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
8.3.1 Elevators, Cascade and Continuous . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
8.3.2 Gantries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
8.3.3 Scissor Lifts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
8.3.4 Parallel 4 Bar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
8.3.5 Pivoting Arms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
8.3.6 Virtual 4 Bar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
8.3.7 2N Bar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
8.3.8 Double Reverse 4 Bar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
8.3.9 Compound Arms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
8.3.10 Parallel Manipulators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
8.3.11 Counterbalancing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
8.4 Shooters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
8.4.1 Flywheel-Based Shooter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
8.4.2 Catapults and Punches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
8.4.3 Cannons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
8.5 Drivetrains . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
8.5.1 Car Steering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
8.5.2 Differential Drives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
8.5.3 Omnidrives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
8.5.4 Transformers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
8.5.5 Fully-Steered Wheel Drives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
8.5.6 Addons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
9 High-Level Design Principles 98
9.1 Designing a Project . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
9.2 Designing Metrics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
9.3 Design for Testing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
9.4 Pick the Right Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
10 Low-Level Design Principles 102
10.1 Load paths . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
10.2 Axial Versus Bending . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
10.3 Big Sections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
10.4 Minimize, Centralize, and Lower Mass . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
10.5 Spread the Base . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
10.6 Abbe Error . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
10.7 Tolerance Stacking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
10.8 Loosening . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
10.9 Poka-Yoke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
10.10 Design for Manufacture, Assembly, Service, and Tuning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
11 Choosing Motors and Gear Ratios 109
11.1 What Do Gears Really Do? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
11.2 Developing a Generalized Mechanism Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
11.2.1 The Simple Flywheel Case . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
11.2.2 The Full-Blown Calculus Approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
11.2.3 A Brute-Force Approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
11.3 Using the Simulations: Analysis/Optimization Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113

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