- Předmět
- ZP8 — Návrh mechatronického systému, Ústav konstruování FSI VUT
- Tým
- 5 lidí, tým č. 02
- Role
- Vedoucí týmu
- Software
- InventorSolidWorksPTC MathcadExcel
- Řízení
- 2× ESP32 (C++)
- Etapy
- PDR → CDR → FAR, jaro 2026
- Výsledek
- 1. místo z pěti týmů
Úvod
V předmětu ZP8 na Ústavu konstruování FSI VUT jsme v pětičlenných týmech stavěli zmenšeninu výtahu. Kabina o hmotnosti 2,5 kg jezdí po dráze delší než 130 cm a naviják ji tahá na laně rychlostí 0,2 m/s. Naším úkolem bylo navrhnout, co ji zachrání, když se lano přetrhne: aktivní brzdu, pasivní brzdu a tlumič na dně šachty.
Při zkouškách vyučující za jízdy přestřihne lano. Brzda musí zabrat nejpozději při rychlosti o 30 % vyšší, než je nominální, a kabinu zastavit s přetížením nejvýš 2 g. Při výpadku proudu musí systém sám přejít do bezpečného stavu. A když kabina spadne z tak malé výšky, že rychlost na brzdu nestačí, musí ji zachytit tlumič.
Projekt se vedl jako skutečná zakázka ve třech etapách: předběžný návrh (PDR), detailní návrh (CDR) a akceptační zkoušky (FAR). Každá končila technickou zprávou, ve které muselo být každé rozhodnutí podložené výpočtem.
Kabinu navíjejí dva krokové motory NEMA přes řemenový převod na buben. Ovládá se tlačítky nahoru, dolů, stop, zapnout a uvolnit brzdu. Řízení obstarávají dvě ESP32, které jsme si dokoupili: jedna u pohonu, druhá v kabině, a komunikují spolu přes Bluetooth.
V kabině je na jedné straně aktivní a na druhé pasivní brzda. Dvě a dvě jsme nedělali schválně, kvůli synchronizaci a jednodušší konstrukci kabiny. Pád pozná akcelerometr MPU-6050 spolu s ultrazvukovým měřičem vzdálenosti. Aktivní brzda je dřevěný blok s nalepenou gumou na pohybovém šroubu: servo šroubem pootočí a blok se přitlačí k hliníkovému profilu.
Pasivní brzda funguje obráceně. Silnou předepnutou pružinu drží západka a tu drží solenoid, dokud je pod proudem. Jakmile proud vypadne, západka povolí a pružina přirazí pogumovaný blok k profilu. Bezpečný stav tedy není režim, do kterého se systém přepíná, ale stav, do kterého sám spadne.
Na pád z malé výšky je pod kabinou blok polyuretanové pěny a na dně šachty nůžkový mechanismus s pružinou. Výpočty v Mathcadu daly aktivaci brzdy při 0,26 m/s a brzdné zpomalení 1,8 g, tedy pod limitem 2 g.
Celý projekt jsem vedl jako vedoucí týmu.
Galerie
01Konstrukce výtahu — návrh a postavený prototyp
02Kabina s brzdami, elektronikou a energetickým řetězem
03Elektronika v kabině: ESP32, měnič napětí a relé
04Aktivní brzda: servo otočí pohybovým šroubem a přitlačí pogumovaný blok k profilu
05Pasivní brzda: západku předepnuté pružiny drží solenoid, bez proudu povolí
06Energetický řetěz vede kabely ke kabině po celé dráze
07Navíjecí ústrojí — dva krokové motory navíjejí lano na buben a zvedají kabinu. Motory sedí v tištěných skříních a točí bubnem přes ozubený řemen
08Nůžkový tlumič na dně šachty s ultrazvukovým senzorem
09Schéma mechatronického systému z předběžného návrhu — pohon, senzorika, řízení a obě větve brzdy pohromadě
10Přetížení a tažná síla v laně při testu aktivní brzdy. Vlevo jeden průběh se všemi třemi fázemi — klidná jízda, uvolnění háku a sevření brzdy se špičkou 3,09 g. Vpravo porovnání všech brzdných testů proti limitu 2 g
11Ladění a měření hodnot z akcelerometru
12Testování funkcí brzd
V pohybu
Výsledek
Brzdy zastavily kabinu ve všech zkouškách: pád při jízdě nahoru i dolů, výpadek napájení, navlhčené profily i s 2 a 4 kg závaží navíc. Z pěti týmů jsme skončili první a limity jsme splnili nejlépe na aktivní brzdě, pasivní brzdě i na tlumiči.
Bez chyb to nebylo. Ráno v den zkoušek se nám spálila jedna ESP32. Náhradu jsme sehnali včas, ale ve spěchu jsme nezkontrolovali kalibraci aktivní brzdy. Při prázdné kabině proto přetížení vyskočilo na 3,09 g místo vypočtených 1,8 g. S 2 kg navíc už brzda zastavila při 1,64 g, tedy v limitu. Po oficiálních zkouškách jsme brzdu zkalibrovali a kontrolní měření už odpovídalo modelu.
Nejvíc mě projekt naučil o vedení lidí. Zorganizovat i pětičlenný tým není jednoduché, ani když se znáte. Každá část musí mít jasné hranice a termíny, nejde nechat každému volnou ruku. Gantt a milníky nejsou byrokracie, ale způsob, jak si každý uvědomí, co a kdy má dodat.
Kam to směřuje
Nástroje domluvit hned na začátku. Na přání našeho modeláře jsme pracovali v Inventoru, i když většina týmu uměla líp SolidWorks. Když bylo potřeba něco rychle dodělat, vznikalo to v SolidWorksu a pak se to složitě převádělo a skládalo do sestavy z Inventoru.
Mít náhradní elektroniku a před zkouškami vždy znovu zkontrolovat kalibraci. Do další iterace jsme doporučili ještě pružnou podložku v brzdovém mechanismu, která by ztlumila ráz při sevření, a záložní ESP32.
Parametry
- místo z pěti týmů
- g — s 2 kg navíc, pod limitem 2 g
- kg navíc a kabina pořád zastavila
- ms — reakce na volný pád
- Kabina
- 2,5 kg ± 0,5 kg, dráha přes 130 cm
- Pohon
- 2× krokový motor NEMA, řemenový převod na buben
- Řízení
- 2× ESP32 na pájivém poli, propojené přes Bluetooth
- Detekce pádu
- Akcelerometr MPU-6050 + ultrazvukový měřič vzdálenosti
- Aktivní brzda
- Servo a pohybový šroub M6, pogumovaný blok
- Pasivní brzda
- Předepnutá pružina, západku drží solenoid
- Tlumení
- Nůžkový mechanismus s pružinou na dně, PU pěna pod kabinou
- Nominální rychlost
- 0,2 m/s ± 0,05
- Aktivace brzdy
- 0,26 m/s (+30 %)
- Brzdné zpomalení (model)
- 1,8 g
- Limit přetížení
- 2 g
- Měření při zkouškách
- Silomer v laně + tříosý akcelerometr
Co mě to naučilo
01
Brzda, která nepotřebuje proud
Aktivní brzda je jen tak spolehlivá jako elektronika, která ji ovládá. Pasivní je proto postavená obráceně: pružina je trvale předepnutá a solenoid ji drží jen pod proudem. Když proud zmizí, brzda sevře sama. Při zkouškách jsme to ověřili odpojením napájení.
02
Spálená ESP32 v den zkoušek
Ráno před zkouškami odešla jedna ze dvou ESP32. Náhradu jsme sehnali a zkoušky stihli, ale ve spěchu jsme zapomněli zkontrolovat kalibraci aktivní brzdy. Právě ta stála za přetížením 3,09 g u prázdné kabiny.
03
Model počítal s rovnoměrným brzděním
Výpočet předpokládal stálé zpomalení. Měření ukázalo krátký ostrý ráz, po kterém brzda po profilu částečně prokluzuje. Na navlhčených profilech byla špička nižší, 1,78 g, ale brzdná dráha delší.
04
Dva programy v jednom týmu
Model vznikal v Inventoru, ale většina týmu byla rychlejší v SolidWorksu. Díly dodělané na poslední chvíli jsme pak museli převádět a skládat zpátky do sestavy. Příště nástroj domluvím hned na začátku.