Ramię robota z chwytakiem: 9 kroków (ze zdjęciami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:26

Zbieranie drzewek cytrynowych jest uważane za ciężką pracę, ze względu na duże rozmiary drzew, a także ze względu na gorący klimat regionów, w których sadzone są drzewa cytrynowe. Dlatego potrzebujemy czegoś innego, aby pomóc robotnikom rolnym w łatwiejszym wykonywaniu ich pracy. Wpadliśmy więc na pomysł, aby ułatwić im pracę – ramię robota z chwytakiem, który zbiera cytrynę z drzewa. Ramię ma około 50 cm długości. Zasada działania jest prosta: nadajemy pozycję robotowi, wtedy pójdzie on we właściwe miejsce, a jeśli jest cytryna to jego chwytak odetnie szypułkę i jednocześnie chwyci cytrynę. Następnie cytryna zostanie wypuszczona na ziemię, a robot wróci do swojej początkowej pozycji. Na początku projekt może wydawać się skomplikowany i trudny do wykonania. Nie jest to jednak aż tak skomplikowane, ale wymagało dużo ciężkiej pracy i dobrego planowania. Trzeba tylko zbudować jedną rzecz nad drugą. Na początku mieliśmy pewne problemy związane z sytuacją covid-19 i pracą zdalną, ale potem to zrobiliśmy i to było niesamowite.

Ta instrukcja ma poprowadzić Cię przez proces tworzenia ramienia robota z chwytakiem. Projekt został zaprojektowany i skonstruowany w ramach naszego projektu Bruface Mechatronics; prace wykonali w Fablab Brussels:

-Hussein Moslimani

-Inès Castillo Fernandez

– Jayesh Jagadesh Deshmukhe

-Raphaël Boitte

Krok 1: Wymagane umiejętności

Oto kilka umiejętności, które musisz posiadać, aby wykonać ten projekt:

-Podstawy elektroniki

-Podstawowa znajomość mikrokontrolerów.

-Kodowanie w języku C (Arduino).

-Przyzwyczaj się do oprogramowania CAD, takiego jak SolidWorks lub AutoCAD.

-Cięcie laserowe

-drukowanie 3d

Trzeba też mieć cierpliwość i hojną ilość wolnego czasu, również radzimy pracować w zespole tak jak my, wszystko będzie łatwiejsze.

Krok 2: Projektowanie CAD

Po wypróbowaniu różnych próbek w końcu zdecydowaliśmy się zaprojektować robota tak, jak pokazano na rysunkach, ramię ma 2 stopnie swobody. Silniki są połączone z wałem każdego ramienia za pomocą kół pasowych i pasów. Istnieje wiele zalet stosowania kół pasowych, jedną z najważniejszych jest zwiększenie momentu obrotowego. Pierwszy pas koła pasowego pierwszego ramienia ma przełożenie 2, a drugi ma przełożenie 1,5.

Trudną częścią projektu był ograniczony czas w Fablabie. Tak więc większość projektów została dostosowana do części wycinanych laserowo, a tylko niektóre części łączące zostały wydrukowane w 3D. Tutaj znajdziesz załączony projekt CAD.

Krok 3: Lista użytych komponentów

Oto komponenty, których użyliśmy w naszym projekcie:

I) Komponenty elektroniczne:

-Arduino Uno: Jest to płytka mikrokontrolera z 14 cyfrowymi pinami wejścia/wyjścia (z czego 6 może być używanych jako wyjścia PWM), 6 wejściami analogowymi, kwarcem 16 MHz, złączem USB, gniazdem zasilania, nagłówkiem ICSP, i przycisk resetowania. Użyliśmy tego typu mikrokontrolera, ponieważ jest łatwy w użyciu i może wykonać wymaganą pracę.

-Dwa duże serwomotory (MG996R): to serwomechanizm z zamkniętą pętlą, który wykorzystuje sprzężenie zwrotne położenia do sterowania ruchem i położeniem końcowym. Służy do obracania ramion. Ma dobry moment obrotowy, do 11kg/cm, a dzięki redukcji momentu obrotowego dokonywanej przez koła pasowe i pasek możemy osiągnąć wyższy moment obrotowy, który jest więcej niż wystarczający do trzymania ramion. A fakt, że nie potrzebujemy więcej niż 180 stopni obrotów, ten silnik jest bardzo dobry w użyciu.

-Jeden mały serwo (E3003): to serwomechanizm z zamkniętą pętlą, który wykorzystuje sprzężenie zwrotne położenia do sterowania ruchem i położeniem końcowym. Ten silnik służy do sterowania chwytakiem, ma moment obrotowy 2,5 kg/cm i służy do cięcia i chwytania cytryny.

-Zasilanie DC: Ten rodzaj zasilania był dostępny w fablabie, a ponieważ nasz silnik nie porusza się po ziemi, więc zasilacz nie musi być sklejany ze sobą. Główną zaletą tego zasilacza jest to, że możemy dowolnie regulować napięcie wyjściowe i prąd, więc nie ma potrzeby stosowania regulatora napięcia. Jeśli tego typu zasilacze nie są dostępne, ale są drogie. Tanią alternatywą byłoby użycie uchwytu na baterie 8xAA, połączonego z regulatorem napięcia takim jak 'MF-6402402', który jest konwerterem DC na DC, aby uzyskać potrzebne napięcie. Ich cena podana jest również w zestawieniu komponentów.

-Płytka do krojenia chleba: Plastikowa tablica do przechowywania elementów elektronicznych. Również do podłączenia elektroniki do zasilania.

-Przewody: Służy do łączenia elementów elektronicznych z płytką stykową.

-Przycisk: Jest używany jako przycisk startowy, więc gdy go naciśniemy, robot działa.

-Czujnik ultradźwiękowy: służy do pomiaru odległości, generuje dźwięk o wysokiej częstotliwości i oblicza odstęp czasowy między wysłaniem sygnału a odbiorem echa. Służy do wykrywania, czy cytryna została przytrzymana przez chwytak lub czy się ześlizguje.

II) Inne składniki:

-Plastik do drukowania 3d

-3mm arkusze drewna do cięcia laserowego

-Metaliczny wałek

-Ostrza

-Miękki materiał: jest przyklejony z obu stron chwytaka, dzięki czemu chwytak ściska gałązkę cytryny podczas jej cięcia.

-Śruby

-Pas do łączenia kół pasowych, standardowy pasek 365 T5

-8mm łożyska okrągłe, średnica zewnętrzna to 22mm.

Krok 4: Druk 3D i cięcie laserowe

Dzięki maszynom do cięcia laserowego i druku 3d, które znajdują się w Fablabie, budujemy części potrzebne do naszego robota.

I- Części, które musieliśmy wyciąć laserem to:

-Podstawa robota

-Wsporniki dla silnika pierwszego ramienia

-Wsporniki pierwszego ramienia

-Płyty 2 ramion

-Podstawa chwytaka

-Połączenie chwytaka z ramieniem.

-Dwie strony chwytaka

-Wsporniki łożysk, aby upewnić się, że się nie ślizgają lub nie przesuwają z ich pozycji, wszystkie pasowania łożysk są dwuwarstwowe 3 mm + 4 mm, ponieważ grubość łożyska wynosiła 7 mm.

Uwaga: będziesz potrzebować małego arkusza drewna o grubości 4 mm, na niektóre małe części, które muszą być wycięte laserem. Ponadto w projekcie CAD znajdziesz grubość 6 mm lub dowolną inną grubość, która jest wielokrotnością 3, wtedy potrzebujesz wielu warstw wycinanych laserowo części o grubości 3 mm, to znaczy, jeśli jest grubość 6 mm, potrzebujesz 2 warstw 3mm każdy.

II- Części, które musieliśmy wydrukować w 3D:

-Cztery krążki: służą do połączenia każdego silnika z ramieniem, za którego ruch odpowiada.

-Wsparcie silnika drugiego ramienia

-wspornik łożyska na podstawie, który jest mocowany pod pasem, aby wywrzeć na nie siłę i zwiększyć napięcie. Jest połączony z łożyskiem za pomocą okrągłego metalowego wału.

-Dwie prostokątne płytki do chwytaka są umieszczone na miękkim materiale, aby dobrze trzymać gałąź i mieć tarcie, aby gałąź się nie ślizgała.

- Kwadratowy wałek z okrągłym otworem 8mm, do połączenia płyt pierwszego ramienia, a otwór miał wstawić metalowy wałek 8mm, aby cały wałek był mocny i mógł wytrzymać całkowity moment obrotowy. Okrągłe metalowe wały zostały połączone z łożyskami i po obu stronach ramienia, aby uzupełnić część obrotową.

- Sześciokątny wałek z okrągłym otworem 8 mm z tego samego powodu, co wał kwadratowy;

-Zaciski podtrzymujące bloczki i płyty każdego ramienia dobrze na swoich miejscach.

Na trzech rysunkach CAD można dobrze zrozumieć, w jaki sposób system jest zmontowany oraz w jaki sposób wały są połączone i podparte. Możesz zobaczyć, jak kwadratowe i sześciokątne wałki są połączone z ramieniem i jak są połączone z podporami za pomocą metalowego wałka. Na tych rysunkach podano cały zespół.

Krok 5: Montaż mechaniczny

Montaż całego robota składa się z 3 głównych kroków, które należy wyjaśnić, najpierw montujemy podstawę i pierwsze ramię, następnie drugie ramię do pierwszego, a na końcu chwytak do drugiego ramienia.

Montaż podstawy i pierwszego ramienia:

Najpierw użytkownik musi osobno złożyć następujące części:

-Dwie strony przegubów z łożyskami wewnątrz.

-Wsparcie silnika z silnikiem i małym kołem pasowym.

-Symetryczna podpora małego koła pasowego.

- Kwadratowy wał, duże koło pasowe, ramię i zaciski.

- Łożysko „napinające” podtrzymuje płytę nośną. Następnie dodajemy łożysko i wałek.

Teraz każdy podzespół jest gotowy do połączenia.

Uwaga: aby mieć pewność, że otrzymamy naciąg w pasie jakiego chcemy, położenie silnika na podstawie można regulować, mamy wydłużony otwór, aby można było zwiększyć lub zmniejszyć odległość między kołami i gdy sprawdzamy, czy napięcie jest dobre, mocujemy silnik do podstawy za pomocą śrub i dobrze go mocujemy. Oprócz tego łożysko zostało zamocowane na podłożu w miejscu, w którym wywiera siłę na pasek, aby zwiększyć napięcie, dzięki czemu podczas ruchu paska łożysko się obraca i nie ma problemów z tarciem.

Montaż drugiego ramienia do pierwszego:

Części należy zmontować osobno:

- Prawe ramię z silnikiem, jego wspornikiem, kołem pasowym oraz łożyskiem i jego częściami wspornikowymi. Wkręcona jest również śruba do mocowania koła pasowego do wału, jak w poprzednim rozdziale.

-Lewe ramię z dwoma łożyskami i ich podporami.

- Duże koło pasowe można przesuwać na sześciokątnym wale, jak również na ramionach górnych, a zaciski służą do ustalania ich pozycji.

Następnie mamy drugie ramię gotowe do ustawienia w swojej pozycji, silnik drugiego ramienia jest umieszczony na pierwszym, jego położenie również można regulować, aby uzyskać idealne napięcie i uniknąć ślizgania się paska, następnie silnik jest mocowany za pomocą pas w tej pozycji.

Montaż chwytaka:

Montaż tego chwytaka jest łatwy i szybki. Podobnie jak w przypadku poprzedniego montażu, części można zmontować samodzielnie przed przymocowaniem do pełnego ramienia:

- Przymocuj ruchomą szczękę do wału silnika za pomocą plastikowej części dołączonej do silnika.

-Przykręć silnik do wspornika.

-Przykręć wspornik czujnika do wspornika chwytaka.

-Umieść czujnik we wsporniku.

-Nałóż miękki materiał na chwytak i przymocuj nad nim wydrukowaną część 3d

Chwytak można łatwo zamontować na drugim ramieniu, tylko część wycinana laserowo podtrzymuje podstawę chwytaka za ramię.

Najważniejszą rzeczą było dostrojenie ostrzy na górze ramienia i w jakiej odległości ostrza znajdują się na zewnątrz chwytaka, więc robiono to metodą prób i błędów, aż dotrzemy do najbardziej wydajnego miejsca, jakie możemy uzyskać dla ostrzy, gdzie cięcie i chwytanie musi nastąpić niemal w tym samym czasie.

Krok 6: Podłączanie komponentów elektronicznych

W tym obwodzie mamy trzy serwosilniki, jeden czujnik ultradźwiękowy, jeden przycisk, Arduino i zasilacz.

Moc wyjściową można regulować tak, jak chcemy, a ponieważ wszystkie serwa i ultradźwięki pracują na 5 V, więc nie ma potrzeby stosowania regulatora napięcia, możemy jedynie regulować moc wyjściową zasilacza na 5 V.

Każde serwo musi być podłączone do Vcc(+5V), masy i sygnału. Czujnik ultradźwiękowy ma 4 piny, jeden jest podłączony do Vcc, jeden do masy, a pozostałe dwa piny to piny wyzwalające i echo, muszą być podłączone do pinów cyfrowych. Przycisk jest podłączony do masy i do pinu cyfrowego.

W przypadku Arduino musi on komunikować się ze źródłem zasilania, nie może zasilać z laptopa ani kabla, powinien mieć to samo uziemienie, co podłączone do niego elementy elektroniczne.

!!WAŻNE NOTATKI!!:

- Powinieneś dodać konwerter zasilania i zasilanie Vin z 7V.

-Upewnij się, że przy tym połączeniu należy usunąć port Arduino z komputera, aby go wypalić, w przeciwnym razie nie należy używać pinu wyjściowego 5 V jako wejścia.

Krok 7: Kod Arduino i schemat blokowy

Celem tego robota ramienia z chwytakiem jest zebranie cytryny i umieszczenie jej w innym miejscu, więc gdy robot jest włączony, musimy nacisnąć przycisk start, a następnie przechodzi do określonej pozycji, w której znajduje się cytryna, jeśli chwyta cytrynę, chwytak ustawi się w końcowej pozycji, aby umieścić cytrynę na swoim miejscu, wybraliśmy końcową pozycję na poziomie poziomym, gdzie wymagany moment obrotowy jest maksymalny, aby udowodnić, że chwytak jest wystarczająco mocny.

Jak robot może dotrzeć do cytryny:

W naszym projekcie po prostu prosimy robota o przesunięcie ramion do określonej pozycji, w której kładziemy cytrynę. Cóż, jest inny sposób, aby to zrobić, możesz użyć kinematyki odwrotnej do poruszania ramieniem, podając mu współrzędne (x, y) cytryny, i obliczy, o ile każdy silnik musi się obrócić, aby chwytak dotarł do cytryny. Gdzie stan=0 oznacza, że przycisk start nie jest wciśnięty, więc ramię znajduje się w pozycji początkowej i robot się nie porusza, natomiast stan=1 oznacza, że naciśniemy przycisk start i robot się uruchomi.

Kinematyka odwrotna:

Na rysunkach jest przykład obliczenia kinematyki odwrotnej, można zobaczyć trzy szkice, jeden dla pozycji początkowej, a pozostałe dwa dla pozycji końcowej. Jak więc widzisz, na końcową pozycję – nieważne gdzie jest – są dwie możliwości, łokieć w górę i łokieć w dół, możesz wybrać, co chcesz.

Weźmy jako przykład łokieć do góry, aby robot przemieścił się do swojej pozycji, należy obliczyć dwa kąty, theta1 i theta2, na rysunkach również widać kroki i równania do obliczenia theta1 i theta2.

Zwróć uwagę, że jeśli przeszkoda znajduje się w odległości mniejszej niż 10 cm, to cytryna jest chwytana i przytrzymywana przez chwytak, w końcu musimy dostarczyć ją do ostatecznej pozycji.

Krok 8: Uruchamianie robota

Po tym wszystkim, co zrobiliśmy wcześniej, oto filmy z robotem pracującym, z czujnikiem, przyciskiem i wszystkim innym działającym tak, jak powinien. Przeprowadziliśmy również test wstrząsania robota, aby upewnić się, że jest stabilny, a okablowanie jest dobre.

Krok 9: Wniosek

Ten projekt dał nam dobre doświadczenie w radzeniu sobie z takimi projektami. Jednak tego robota można zmodyfikować i mieć kilka dodatkowych wartości, takich jak wykrywanie obiektów w celu wykrycia cytryny lub może trzeci stopień swobody, aby mógł poruszać się między drzewami. Możemy też sprawić, by był kontrolowany przez aplikację mobilną lub przez klawiaturę, więc poruszamy nim jak chcemy. Mamy nadzieję, że podoba Ci się nasz projekt i specjalne podziękowania dla przełożonych Fablabu za pomoc.