Ramię robota Moslty wydrukowane w 3D, które naśladuje kontroler lalek: 11 kroków (ze zdjęciami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:27

Jestem studentem inżynierii mechanicznej z Indii i jest to mój projekt licencjacki.

Ten projekt koncentruje się na opracowaniu taniego ramienia robota, które jest w większości drukowane w 3D i ma 5 DOF z chwytakiem dwupalcowym. Ramię robota jest sterowane za pomocą sterownika marionetkowego, który jest stacjonarnym modelem ramienia robota o tych samych stopniach swobody, którego przeguby są wyposażone w czujniki. Ręczne manipulowanie sterownikiem powoduje, że ramię robota naśladuje ruch w sposób master-slave. System wykorzystuje moduł WiFi ESP8266 jako medium transmisji danych. Interfejs operatora master-slave zapewnia łatwą do nauczenia metodę manipulacji ramieniem robota. Nodemcu(Esp8266) jest używany jako mikrokontroler.

Celem projektu było opracowanie niskobudżetowego robota, który może być wykorzystywany w celach edukacyjnych. Niestety, taka technologia robotyczna, która rewolucjonizuje współczesny świat, jest ograniczona tylko do niektórych instytucji. Naszym celem jest rozwijanie i tworzenie tego projektu jako open source, tak aby osoby mogły samodzielnie tworzyć, modyfikować i eksplorować. Będąc tanim i w pełni otwartym źródłem, może to zainspirować kolegów do nauki i odkrywania tej dziedziny.

Moi koledzy z projektu:

• Shubham likhar
• Nikhil Kore
• Palash lonare

Specjalne podziękowania dla:

• Akash Nakhede
• Bokada barana
• Ankit Korde

za pomoc w tym projekcie.

Zastrzeżenie: Nigdy nie planowałem pisać bloga ani instrukcji na temat tego projektu, przez co nie mam wystarczających danych, aby go teraz udokumentować. Ten wysiłek jest podejmowany długo po rozpoczęciu projektu. Mimo to bardzo się starałem, aby dostarczyć jak najwięcej szczegółów aby było bardziej zrozumiałe. W niektórych momentach może się to okazać niekompletne… mam nadzieję, że rozumiesz:) Wkrótce dołączę film z youtube pokazujący jego działanie i inne rzeczy testowe

Krok 1: Jak to działa?

To dla mnie najbardziej ekscytująca rzecz w tym projekcie.

(Nie twierdzę, że jest to skuteczna lub właściwa metoda używania jej do celów komercyjnych, tylko do celów edukacyjnych)

być może widziałeś tanie roboty z serwosilnikami, które służą tylko do demonstracji. Z drugiej strony są drogie roboty z silnikiem krokowym z przekładnią planetarną itp. Ale ten robot jest między nimi równowagą.

więc jak to się różni?

Budowa:

Zamiast używać silnika krokowego o niższej mocy i drogiego, użyłem silników prądu stałego, ale jak wiemy, silniki prądu stałego nie mają systemu sterowania ze sprzężeniem zwrotnym i nie mogą być używane bezpośrednio do sterowania położeniem, zamieniłem je na serwosilniki, dodając potencjometr jako czujnik sprzężenia zwrotnego/pozycji.

Teraz dla uproszczenia pracy, co zrobiłem, zdemontowałem tanie serwa 9g, rozebrałem jego obwody i zastąpiłem jego silnik prądu stałego silnikiem prądu stałego o wysokim momencie obrotowym, a jego mały garnek tym, co miałem dla robota. Dzięki temu mogłem korzystać z domyślnej biblioteki w arduino nie możesz uwierzyć, że bardzo uproszczone kodowanie!

Do napędzania silnika 12 V prądu stałego z układem serwo 5 V użyłem modułu sterownika silnika L298N, który może napędzać 2 silniki jednocześnie. Moduł ma 4 piny wejściowe IN1 do IN4, które decydują o kierunku obrotów silnika. Gdzie IN1 i IN2 odpowiadają pierwszemu silnikowi i IN3, IN4 do drugiego silnika. Stąd zaciski wyjściowe (2) układu serwo (pierwotnie do małego silnika prądu stałego) są podłączone do IN1 i IN2 wyjścia modułu L298N, który jest podłączony do silnika 12 V prądu stałego.

Pracujący:

W ten sposób, gdy wał silnika nie znajduje się w pozycji docelowej, potencjometr wysyła wartość kąta do układu serwomechanizmu, który nakazuje modułowi L298N sterowanie kolejno Cw lub CCW, silnik 12V Dc obraca się zgodnie z poleceniem otrzymanym z mikrokontrolera.

Schemat pokazano na rysunku (tylko dla 1 silnika)

W NASZYM PRZYPADKU ROZKAZ (WARTOŚCI KĄTA WSPÓLNEGO) JEST WYSYŁANY ZA POMOCĄ KONTROLERA LALEK, KTÓRY JEST 10 RAZY SKALOWANYM W DÓŁ KOPII RZECZYWISTEGO ROBOTA I POSIADA POTENCJOMETR PODŁĄCZONY NA KAŻDYM PRZEGUBIE. POPRZEZ NODEMCU (ESP8266) PRZEZ WIFI DO WARTOŚCI ROBOTA. POŁĄCZENIE ROBOTA, KTÓRE KAŻDY SILNIK WSPÓLNY PRÓBUJE ZAJĘĆ

Na każdym przegubie potencjometr jest podłączony do wału przegubowego za pomocą mechanizmu pasowego. Gdy przegub się obraca, potencjometr obraca się odpowiednio i podaje informację zwrotną o aktualnej pozycji kąta przegubu (pokazane na zdjęciach powyżej)

Krok 2: Użyte komponenty:

Jak powiedziałem, nadal pracuję i ulepszam go z dnia na dzień, dlatego te komponenty mogą się różnić w niektórych przyszłych aktualizacjach.

moim celem było uczynienie go tak ekonomicznym, jak to tylko możliwe, dlatego użyłem bardzo selektywnych komponentów. To jest lista głównych komponentów używanych w Arm do daty (będę ją aktualizować w przyszłości)

1. Esp8266 (2x)
2. Silniki prądu stałego (o różnych specyfikacjach Moment obrotowy i prędkości, 5x)
3. Moduł sterownika silnika L298N (2x)
4. Potencjometr (8x)
5. Kanał aluminiowy (30x30, 1 metr)
6. różne sprzęty

Krok 3: Obliczenia i konstrukcja ramienia

Do zaprojektowania ramienia wykorzystałem oprogramowanie catia v5. Przed rozpoczęciem procesu projektowania najpierw obliczyłem długości połączeń i moment obrotowy, jaki musi wytrzymać każde połączenie.

Najpierw zacząłem od kilku założeń, które obejmują:

1. Maksymalna ładowność robota wyniesie 500 gm (1,1 funta)
2. całkowity zasięg robota wyniesie 500 mm
3. Waga robota nie przekroczy 3 kg.

Obliczenia długości łącza

kontynuując to, obliczyłem długość łącza w odniesieniu do artykułu badawczego „Design of a Robotic Arm By IMH van Haaren”

JESTEM H. van Haaren podał doskonały przykład tego, w jaki sposób określił długości połączeń za pomocą odniesienia biologicznego, w którym długości głównych segmentów ciała są wyrażone jako ułamek całkowitej wysokości. Pokazano to na ryc.

po obliczeniach długości linków okazały się

L1=274 mm

L2=215mm

L3=160mm

Długość chwytaka=150mm

Obliczenia momentu obrotowego:

Obliczając moment obrotowy wykorzystałem podstawowe pojęcia dotyczące momentu obrotowego i momentów stosowane w inżynierii.

bez wchodzenia w obliczenia dynamiczne oparłem się tylko na obliczeniach statycznych momentów obrotowych ze względu na pewne ograniczenia.

jest 2 głównych graczy i moment obrotowy jak T=FxR, czyli w naszym przypadku obciążenie (masa) i długość łącza. Ponieważ długości łączy są już określone, następną rzeczą jest ustalenie wagi komponentów. Na tym etapie nie byłem pewien, jak mogę znaleźć wagi każdego składnika bez faktycznego mierzenia go.

więc wykonałem te obliczenia w iteracjach.

1. Aluminiowy kanał przyjąłem jako jednolity materiał na całej jego długości i podzieliłem wagę całości 1 metrowego kawałka z długością kawałków, których zamierzałem użyć.
2. Jeśli chodzi o złącza, przyjąłem określone wartości dla każdego złącza (masa silnika + masa drukowanej części 3D + inne) w oparciu o założenie całkowitej masy robota.
3. poprzednie 2 kroki dały mi wartości momentu obrotowego przegubu 1. iteracji. Dla tych wartości znalazłem odpowiednie silniki w Internecie wraz z innymi specyfikacjami i wagami.
4. W drugiej iteracji użyłem oryginalnych mas silników (o których dowiedziałem się w trzecim kroku) i ponownie obliczyłem statyczne momenty obrotowe dla każdego złącza.
5. Jeśli końcowe wartości momentu obrotowego w kroku 4 były odpowiednie dla silników wybranych w kroku 3, sfinalizowałem, że silnik w przeciwnym razie powtórz kroki 3 i 4, aż sformułowane wartości będą zgodne z rzeczywistymi specyfikacjami silnika.

Konstrukcja ramienia:

To było najbardziej żmudne zadanie całego projektu i prawie miesiąc zajęło jego zaprojektowanie. Przy okazji załączyłem zdjęcia modelu CAD. Link do pobrania tych plików CAD zostawię gdzieś tutaj:

Krok 4: Drukowanie części w 3D

Wszystkie części w większości to połączenia są drukowane w 3D na drukarce 99 $ z obszarem wydruku 100x100x100 mm (tak, to prawda!!)

drukarka: łatwa trójka X1

Dołączyłem zdjęcia głównych części z krajalnicy i połączę się ze wszystkimi plikami CAD z plikami CAD, a także stl, abyś mógł pobierać i edytować, jak chcesz.

Krok 5: Montaż stawu barkowego (złącze J1 i J2)

Koło pasowe podstawy zostało wydrukowane na innej drukarce, ponieważ miało średnicę 160 mm. Przegub barkowy zaprojektowałem tak, aby można go było napędzać (obrót wokół osi z) za pomocą koła pasowego lub mechanizmu zębatkowego, co widać na załączonych zdjęciach powyżej. dolna część to miejsce, w którym pasują łożyska, które następnie są montowane na centralnym wale na platformie, która jest przeznaczona do poruszania ramieniem (zbiornik, więcej o tym w przyszłości).

Większe koło zębate (żółte na zdjęciu) jest zamontowane na aluminiowym kanale za pomocą śrub z nakrętkami, przez które przechodzi stalowy wałek o średnicy 8 mm, wokół którego porusza się przegub 2. Przełożenie przy pierwszym przegubie wynosi 4:1, a przy drugim przegubie 3,4:1

Krok 6: Łokieć i staw (staw J3)

(NIEKTÓRE OBRAZY SĄ PO ZBUDOWANIU, PONIEWAŻ NIE MAM PEŁNYCH OBRAZÓW PROCESU)

Staw łokciowy jest następujący po stawie barkowym. Jest to dwuczęściowy staw, jeden połączony, aby połączyć jeden, a drugi, aby połączyć 2.

element 1 ma silnik prądu stałego z zębnikiem napędowym, a element 2 ma dołączony większy bieg i parę łożysk do podtrzymywania przełożenia wału. Przełożenie jest takie samo jak w przypadku J2 tj. 3,4: 1, ale silnik ma 12,5 KG-CM 60 obr./min.

Przegub J3 ma zakres ruchu 160 stopni.

Krok 7: Staw nadgarstka (staw J4 i J5)

(NIEKTÓRE OBRAZY SĄ PO ZBUDOWANIU, PONIEWAŻ NIE POSIADAM PEŁNYCH OBRAZÓW PROCESU)

Po przegubie łokciowym znajduje się przegub nadgarstka. To znowu składa się z 2 części, jeden na poprzednim łączu (tj. łącznik 2) i jeden składający się z motot J5, który obraca zespół nadgarstka. Przełożenie wynosi 1,5:1, a używany silnik prądu stałego to 10 obr./min 8 KG -CM.

To złącze J4 ma zakres obrotu 90 stopni, a J5 ma 360 stopni.

Krok 8: Chwytak

Było to jedno z najtrudniejszych zadań do zaprojektowania. Został zaprojektowany tak, aby mógł chwytać większość przedmiotów, a także mógł chwytać większość rzeczy wokół nas, takich jak zatrzaski drzwi, klamki, pręty itp.

Jak pokazano na rysunku, koło zębate śrubowe przymocowane do silnika napędza koła zębate zgodnie z ruchem wskazówek zegara lub przeciwnie do ruchu wskazówek zegara, które są połączone z palcami, aby je otwierać i zamykać.

Wszystkie części chwytaka są pokazane na załączonym obrazku.

Krok 9: Tworzenie kontrolera lalek dla ramienia robota

Kontroler lalek jest dokładnie 10-krotnie zmniejszoną wersją rzeczywistego ramienia robota. Posiada 4 potencjometry zamontowane na 4 złączach, mianowicie J1, J2, J3, J4 i złącze J5 będą obsługiwane za pomocą przycisku do ciągłego obracania (obrót chwytaka dla dowolnego operacja)

potencjometry wykrywają kąt obrotu przegubów i wysyłają tę wartość pomiędzy 1-1023 do Nodemcu, która jest konwertowana z powrotem na 1-360 i wysyłana do innego Nodemcu przez wifi. Ponieważ ESP8266 ma tylko jedno wejście analogowe, użyłem multipleksera 4051.

samouczek korzystania z multipleksera 4051 z esp8266 -

schemat:

Dodam schemat jak tylko go skończę (jeśli ktoś potrzebuje pilnie skontaktuj się ze mną do tego czasu)

Kod: (również tutaj zawarty)

drive.google.com/open?id=1fEa7Y0ELsfJY1lHt6JnEj-qa5kQKArVa

Krok 10: Elektronika

Załączam zdjęcia aktualnej pracy. Pełna elektronika i schemat nie są jeszcze gotowe. Aktualizacje opublikuję niedługo do tego czasu pozostanę w kontakcie:)

(Uwaga: ten projekt nie jest jeszcze ukończony. Będę śledzić wszelkie aktualizacje w przyszłości)

Krok 11: Kody i schematy w jednym miejscu

Pełne schematy robota i ostateczny kod, jak tylko go skończę!