Piątka! - Robotyczna ręka: 5 kroków

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

Pewnego dnia, na naszych zajęciach z zakresu inżynierii, postanowiliśmy konstruować złożone maszyny z części VEX. Gdy zaczęliśmy budować mechanizmy, zmagaliśmy się z zarządzaniem wieloma złożonymi komponentami, które trzeba było ze sobą zmontować. Gdyby tylko ktoś mógł nam pomóc…

Dlatego my, trzej uczennice Irvington High School w klasie pani Berbawy, postanowiliśmy zaprojektować i zbudować od podstaw rękę robota! Szacunek finansowy na ten S. I. D. E. wynosi 150 USD. Projekt, udało nam się pozyskać wszystkie potrzebne materiały, pozostając jednocześnie w granicach budżetu. Gotowy produkt składa się z Arduino Mega, mikrokontrolera serwo, który napędza 5 serw, z których każdy jest podłączony do drukowanego w 3D palca, który jest w stanie poruszać się indywidualnie z realistycznymi połączeniami.

Był to bardzo ambitny projekt, biorąc pod uwagę, że wszyscy członkowie zespołu to uczniowie szkół średnich z napiętymi harmonogramami w klasach młodszych i nie mają wcześniejszego doświadczenia w całkowitym projektowaniu projektu opartego na elektronice od podstaw. Chociaż członkowie naszego zespołu mają wcześniejsze doświadczenie w projektowaniu i programowaniu wspomaganym komputerowo, projekt otworzył nam oczy na potencjalne wykorzystanie sprzętu i oprogramowania Arduino w sposób, który może pomóc ludziom w wykonywaniu codziennych zadań.

Modelowanie i projektowanie 3D autorstwa Patricka Ding

Dokumentacja i kodowanie Arduino autorstwa Ashwina Natampalli

Kodowanie Arduino, obwody i instrukcje autorstwa Sandesha Shrestha

Krok 1: CADing

Pierwszym i najtrudniejszym krokiem do tego projektu jest stworzenie modeli 3D dłoni za pomocą palców. Aby to zrobić, użyj Autodesk Inventor lub Autodesk Fusion 360 (użyliśmy tego pierwszego).

Użyj plików części, aby utworzyć indywidualne projekty CAD dla dłoni, segmentów palców, opuszków palców i segmentu małego palca. Zajęło nam to 2-3 rewizje na część, aby praca przegubów i serwomechanizmów była płynna.

Projekt może mieć dowolny rozmiar i kształt, o ile ścieżka sznurka pozwala na płynną obsługę palców i palce nie kolidują ze sobą. Upewnij się również, że palce są w stanie całkowicie zwinąć się w zaciśniętą pięść.

Aby rozwiązać problem interferencji strun i nieefektywnych ścieżek, jak stwierdziliśmy w naszej pierwszej wersji, dodano pętle, prowadnice strun i tunele, aby można było łatwo naciągnąć i poluzować sznurek.

Oto nasze sfinalizowane multiwidoki i pliki CAD.stl dla każdej części.

Krok 2: Drukowanie 3D

Po ukończeniu projektów CAD użyj drukarki 3D, aby je ożywić. Ten etap można powtórzyć wielokrotnie, jeśli tworzony projekt ma pewne problemy.

Aby wydrukować 3D, najpierw wyeksportuj pliki CAD jako pliki STL. Aby to zrobić w programie Autodesk Inventor, kliknij menu rozwijane Plik i wskaż opcję Eksportuj. Z wyskakującej kolumny wybierz Format CAD. Menu Eksploratora plików Windows pozwoli Ci wybrać plik.stl z menu rozwijanego i wybrać lokalizację pliku.

Gdy plik będzie gotowy do zaimportowania do oprogramowania drukarki 3D, skonfiguruj opcje drukowania według własnych upodobań lub postępuj zgodnie z naszą konfiguracją. Oprogramowanie drukarki 3D różni się w zależności od marki, więc zapoznaj się z przewodnikami online lub instrukcją obsługi, aby poruszać się po oprogramowaniu. Do naszej ręki użyliśmy LulzBot Mini ze względu na jego dostępność w naszym ustawieniu klasowym.

Krok 3: Montaż

Gdy wszystkie części zostaną pomyślnie wydrukowane w 3D z usuniętymi tratwami i podporami (jeśli dotyczy), każda część musi zostać przygotowana do rozpoczęcia montażu.

Ponieważ drukarki 3D nie są zbyt precyzyjne i mogą wystąpić drobne niedoskonałości, użyj pilnika lub papieru ściernego lub dremel z przystawką do szlifowania, aby wygładzić niektóre twarze. Aby uzyskać najbardziej płynną pracę połączenia, skoncentruj się na połączeniach i punktach przecięcia, aby wygładzić w celu uzyskania optymalnych połączeń. Czasami tunele strun w segmentach palców i innych częściach mogą się zapadać lub być niedoskonałe. Aby zwalczyć większe rozbieżności, użyj wiertła z wiertłem 3/16 cala do drążenia tuneli.

Aby ułatwić prowadzenie sznurka, złóż każdy palec, poprowadź sznurek przez tunele i zawiąż sznurek na końcach. Przed połączeniem każdego palca z dłonią, przeciągnij sznurek przez pętle prowadzące, jedną przez górny otwór, drugą przez dolną, na dłoni i przymocuj ją do przeciwległych końców szpul dołączonych do serwa. Gdy długości są prawidłowe, połącz palce z dłonią.

Jak pokazano na powyższym rysunku, włóż śruby m4x16 do każdego złącza, aby przytrzymać palec razem. Powtórz każdy proces budowania palca dla wszystkich palców, używając małych segmentów dla małego palca.

Krok 4: Obwody Arduino

Gdy szkielet jest już zmontowany, mięśnie i mózg muszą być teraz zintegrowane. Aby uruchomić wszystkie serwa na raz, musimy użyć sterownika silnika PCA 9685 firmy Adafruit. Ten kontroler wymaga zewnętrznego zasilania w celu zasilania serw. Korzystanie z tego kontrolera i jego zastrzeżonej biblioteki kodowania można znaleźć tutaj.

Podczas podłączania Arduino do kontrolera upewnij się, że nagrywasz wyjścia pinów. Jeśli używasz Arduino Mega, nie będzie to konieczne. Jednak we wszystkich przypadkach upewnij się, że zapisałeś, na których portach sterownika silnika zamontowane są serwa.

Aby sterować serwomechanizmami i ręką za pomocą pilota IR, wystarczy dodać odbiornik podczerwieni i podłączyć zasilanie i uziemienie do Arduino za pomocą przewodu danych do portów cyfrowych. Sprawdź pinout odbiornika podczerwieni, aby upewnić się, że okablowanie jest prawidłowe. Pokazano przykład naszego obwodu.

Aby utworzyć ten obwód, najpierw podłącz każdy serwo do portów 3, 7, 11, 13 i 15 na płycie sterownika silnika serwo. Przymocuj całą płytkę pięcioma szpilkami na dole do płytki stykowej.

Za pomocą kabli połączeniowych podłącz zasilanie 5 V Arduino i uziemienie do jednej szyny zasilającej płytki stykowej (upewnij się, że oznaczyłeś lub zapamiętałeś, która strona ma 5 V z Arduino!). Spowoduje to zasilanie czujnika podczerwieni i sterownika silnika. Podłącz zasilacz 6V do drugiej szyny zasilającej. To zasili serwa.

Umieść wszystkie 3 styki czujnika podczerwieni w płytce stykowej. Podłącz zasilanie i uziemienie do szyny 5 V, a wyjście do pinu cyfrowego 7.

Ponieważ używamy Arduino Mega, porty SDA i SCL na sterowniku silnika zostaną połączone z portami SDA i SCL na Arduino. Porty VCC i uziemienia połączą się z szyną 5V.

Gdy akumulator jest podłączony do własnej szyny zasilającej, użyj kabli rozruchowych i małego płaskiego śrubokręta, aby zabezpieczyć zasilanie serwonapędów przez zielone złącze wejściowe zasilania.

Upewnij się, że wszystkie połączenia są szczelne i ponownie sprawdź wszystkie linie kablowe z podłączonym obwodem TinkerCAD.

Krok 5: Kodowanie

Ostatnim krokiem przed oddaniem tej ręki do użytku jest zakodowanie Arduino. Ponieważ ta ręka korzysta ze sterownika silnika PCA 9685, najpierw musimy zainstalować bibliotekę, co można zrobić w środowisku kodowania Arduino. Po zainstalowaniu zainstaluj również bibliotekę IRremote dla funkcji IR Remote.

W naszym kodzie definicje każdego przycisku na pilocie na podczerwień są pokazane za pomocą 8-cyfrowych kodów. Zostały one znalezione za pomocą programu IRRecord, który drukuje do Serial Monitor 8-cyfrowy kod każdego przycisku.

Dołączony jest zarówno program IRRecord, jak i sfinalizowany program sterowania ręcznego.

Na początku kodu dołącz biblioteki IRremote, Wire i Adafruit_PWMServoDriver.

Następnie użyj wyników IRRecord, aby zdefiniować każdy przycisk pilota na podczerwień. Chociaż nie wszystkie są potrzebne (wystarczy tylko 10), posiadanie wszystkich pozwala na szybką rozbudowę (dodawanie funkcji i wstępnie ustawionych gestów) na przyszłość. Utwórz pwm za pomocą funkcji sterownika serwo i przypisz serwa do pinów na sterowniku silnika. Użyj tych samych wartości SERVOMAX/MIN, jak pokazano. Przypisz pin wejścia cyfrowego czujnika podczerwieni jako 7 i zainicjuj.

Zadeklaruj funkcję konfiguracji z inicjalizacją portu szeregowego z szybkością transmisji 9600. Włącz czujnik podczerwieni i uruchom serwo z częstotliwością serwa 60 Hz.

Na koniec utwórz przełącznik if/else w oparciu o przychodzącą transmisję pilota na podczerwień w funkcji pętli. Następnie utwórz przełącznik/obudowę z obudowami każdego przycisku na pilocie na podczerwień, który będzie używany. Można je zmienić dla preferowanych elementów sterujących. W każdym przypadku wydrukuj przycisk wciśnięty do monitora szeregowego w celu debugowania i użyj pętli for, aby przesunąć serwomechanizm. Po utworzeniu wszystkich przypadków, pamiętaj o wznowieniu działania czujnika podczerwieni dla większej liczby sygnałów przychodzących przed zamknięciem funkcji pętli. Kodowanie serw poprzez płytkę sterownika silnika można znaleźć na stronie