Robotické rameno s chapadlem: 9 kroků (s obrázky)

2025 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2025-01-13 06:57

Sklizeň citrónovníků je považována za těžkou práci, kvůli velké velikosti stromů a také kvůli horkému podnebí regionů, kde jsou vysazeny citroníky. Proto potřebujeme něco jiného, co pomůže zemědělským pracovníkům snáze dokončit jejich práci. Takže jsme přišli s nápadem usnadnit jim práci, robotickou paží s chapadlem, která sbírá citron ze stromu. Rameno je asi 50 cm dlouhé. Princip práce je jednoduchý: dáme pozici robotovi, pak půjde na správné místo, a pokud je tam citron, jeho chapadlo seřízne stopku a současně uchopí citron. Poté bude citron vypuštěn na zem a robot se vrátí do své původní polohy. Zpočátku se projekt může zdát složitý a těžko proveditelný. Není to však tak složité, přesto to vyžadovalo hodně tvrdé práce a dobré plánování. Jen je potřeba postavit jednu věc nad druhou. Na začátku jsme čelili problémům kvůli situaci covid-19 a práci na dálku, ale pak jsme to udělali a bylo to úžasné.

Tento Instructable si klade za cíl vás provést procesem vytvoření robotické paže s drapákem. Projekt byl navržen a zkonstruován jako součást našeho projektu Bruface Mechatronics; práce byla provedena ve Fablabu v Bruselu:

-Hussein Moslimani

-Inès Castillo Fernandez

-Jayesh Jagadesh Deshmukhe

-Raphaël Boitte

Krok 1: Požadované dovednosti

Zde je tedy několik dovedností, které musíte mít k provedení tohoto projektu:

-Základy elektroniky

-Základní znalost mikrořadičů.

-Kódování v jazyce C (Arduino).

-Je zvyklý na CAD software, jako je SolidWorks nebo AutoCAD.

-Laserové řezání

-3D tisk

Měli byste mít také trpělivost a dostatek volného času, také vám doporučujeme pracovat v týmu jako my, vše bude jednodušší.

Krok 2: CAD design

Po vyzkoušení různých vzorků jsme se nakonec rozhodli navrhnout robota, jak je znázorněno na obrázcích, rameno má 2 stupně volnosti. Motory jsou s hřídelí každého ramene spojeny kladkami a řemeny. Použití kladek má mnoho výhod, jednou z nejdůležitějších je zvýšení točivého momentu. První řemenice prvního ramene má převodový poměr 2 a druhý řemen má převodový poměr 1,5.

Těžkou částí projektu byl omezený čas ve společnosti Fablab. Většina návrhů byla tedy upravena tak, aby šlo o díly řezané laserem, a jen některé spojovací části byly vytištěny 3D. Zde naleznete přiložený CAD design.

Krok 3: Seznam použitých komponent

Zde jsou komponenty, které jsme použili v našem projektu:

I) Elektronické součásti:

-Arduino Uno: Jedná se o desku mikrokontroléru se 14 digitálními vstupními/výstupními piny (z nichž 6 lze použít jako výstupy PWM), 6 analogových vstupů, křemenný krystal 16 MHz, připojení USB, napájecí konektor, záhlaví ICSP, a tlačítko reset. Tento typ mikrořadiče jsme použili, protože se snadno používá a dokáže provést požadovanou práci.

-Dvě velký servomotor (MG996R): je servomechanismus s uzavřenou smyčkou, který pomocí zpětné vazby polohy řídí svůj pohyb a konečnou polohu. Používá se k otáčení ramen Má dobrý točivý moment, až 11 kg/cm, a díky snížení točivého momentu prováděného kladkami a řemenem můžeme dosáhnout vyššího točivého momentu, který je více než dost na to, aby držel paže. A skutečnost, že nepotřebujeme více než 180 stupňů otáčení, je tento motor velmi dobře použitelný.

-Jedno malé servo (E3003): je servomechanismus s uzavřenou smyčkou, který pomocí zpětné vazby polohy řídí svůj pohyb a konečnou polohu. Tento motor se používá k ovládání chapadla, má točivý moment 2,5 kg/cm a používá se k řezání a chytání citronu.

-DC napájecí zdroj: Tento typ napájecího zdroje byl k dispozici ve fablabu, a protože se náš motor nepohybuje po zemi, napájecí zdroj se nemusí navzájem lepit. Hlavní výhodou tohoto napájecího zdroje je, že můžeme upravit výstupní napětí a proud, jak chceme, takže není třeba regulátor napětí. Pokud tento typ napájecích zdrojů není k dispozici, ale je drahý. Levnou alternativou by k získání potřebného napětí bylo použít držák baterie 8xAA spojený s regulátorem napětí, jako je 'MF-6402402', který je měničem stejnosměrného napětí. Jejich cena je uvedena také v seznamu komponent.

-Breadboard: Plastová deska sloužící k uložení elektronických součástek. Také pro připojení elektroniky k napájecímu zdroji.

-Dráty: Používá se k připojení elektronických součástek k prkénku.

-Tlačítko: Používá se jako startovací tlačítko, takže když ho stiskneme, robot funguje.

-Ultrazvukový senzor: Používá se k měření vzdálenosti, generuje vysokofrekvenční zvuk a vypočítává časový interval mezi odesláním signálu a příjmem ozvěny. Slouží k detekci, zda byl citron držen chapadlem, nebo klouže.

II) Další součásti:

-Plast pro 3D tisk

-3 mm dřevěné plechy pro řezání laserem

-Kovový hřídel

-Čepele

-Měkký materiál: Je přilepený na obě strany chapadla, takže chapač při řezání komprimuje větvičku citronu.

-Šrouby

-Pás pro připojení řemenic, standardní řemen 365 T5

-8 mm kruhová ložiska, vnější průměr je 22 mm.

Krok 4: 3D tisk a laserové řezání

Díky laserovým řezacím a 3D tiskovým strojům, které najdete ve Fablabu, stavíme díly, které potřebujeme pro svého robota.

I- Díly, které jsme museli řezat laserem, jsou:

-Základna robota

-Podporuje motor prvního ramene

-Podpora první paže

-Desky 2 ramen

-Základna chapadla

-Spojení mezi chapadlem a paží.

-Dvě strany chapadla

-Podporuje ložiska, aby se zajistilo, že neklouzají nebo se nepohybují ze své polohy, všechny uložení ložisek jsou ze dvou vrstev 3 mm+4 mm, protože tloušťka ložiska byla 7 mm.

Poznámka: budete potřebovat malý 4mm list dřeva, u některých malých dílů, které je třeba řezat laserem. V návrhu CAD najdete také tloušťku 6 mm nebo jakoukoli jinou tloušťku, která je násobkem 3, pak potřebujete více vrstev dílů řezaných laserem na 3 mm, tj. Pokud je tloušťka 6 mm, pak potřebujete 2 vrstvy 3 mm každý.

II- Díly, které jsme museli 3D tisknout:

-Čtyři kladky: slouží k připojení každého motoru k rameni, které je zodpovědné za pohyb.

-Podpora motoru druhého ramene

-podpora ložiska na základě, které je upevněno pod pásem, aby na něj působilo silou a zvýšilo napětí. K ložisku je připojen pomocí kulatého kovového hřídele.

-Dvě obdélníkové desky pro chapadlo jsou navlečeny na měkký materiál, aby dobře držely větev a měly tření, aby větev neklouzala.

-Čtvercový hřídel s 8mm kulatým otvorem, pro připojení desek prvního ramene, a otvor měl vložit 8mm kovový hřídel, aby byl celý hřídel pevný a zvládl celkový točivý moment. Kruhové kovové hřídele byly spojeny s ložisky a oběma stranami ramene, aby se dokončila rotační část.

-Šestihranný hřídel s 8 mm kulatým otvorem ze stejného důvodu jako čtvercový hřídel

-Svorky, které dobře podepírají kladky a lamely každé paže na svých místech.

Na třech obrázcích CAD můžete dobře pochopit, jak je systém sestaven a jak jsou hřídele spojeny a podporovány. Můžete vidět, jak jsou čtvercové a šestihranné hřídele spojeny s ramenem a jak jsou spojeny s podpěrami pomocí kovového hřídele. Celá sestava je uvedena na těchto obrázcích.

Krok 5: Mechanická montáž

Sestavení celého robota má 3 hlavní kroky, které je třeba vysvětlit, nejprve sestavíme základnu a první rameno, poté druhé rameno do prvního a nakonec chapadlo do druhého ramene.

Montáž základny a prvního ramene:

Nejprve musí uživatel samostatně sestavit následující díly:

-Dvě strany kloubů s ložisky uvnitř.

-Podpěra motoru s motorem a malá kladka.

-Symetrická podpora pro malou kladku.

-Čtvercový hřídel, velká kladka, rameno a svorky.

-Ložisko „napínání“nese opěrnou desku. Poté přidejte ložisko a hřídel.

Nyní je každá podsestava na místě, aby byla spojena dohromady.

Poznámka: Abychom zajistili napětí v požadovaném pásu, je možné upravit polohu motoru na základě, máme prodloužený otvor, takže vzdálenost mezi kladkami lze zvětšit nebo zmenšit a když zkontrolujeme, že napětí je dobré, připevníme motor k základně pomocí šroubů a dobře jej upevníme. Kromě toho bylo ložisko upevněno na základně v místě, kde působí na řemen silou ke zvýšení napětí, takže když se řemen pohybuje, ložisko se otáčí a nedochází k žádnému tření.

Montáž druhého ramene k prvnímu:

Díly je třeba smontovat samostatně:

-Pravá ruka s motorem, jeho oporou, kladkou a také s ložiskem a jeho podpůrnými částmi. Stejně jako v předchozí části je také vložen šroub pro upevnění řemenice k hřídeli.

-Levá ruka se dvěma ložisky a jejich podpěrami.

-Velkou kladku lze nasunout na šestihranný hřídel i na horní ramena a svorky jsou určeny k fixaci jejich polohy.

Poté máme druhé rameno připravené k umístění do své polohy, motor druhého ramene je umístěn na prvním, jeho poloha je také nastavitelná, aby se dosáhlo dokonalého napětí a zabránilo se sklouznutí pásu, poté je motor fixován pás v této poloze.

Montáž chapadla:

Montáž tohoto chapadla je snadná a rychlá. Stejně jako u předchozí sestavy lze díly před montáží na plnou paži sestavit samostatně:

-Připojte pohyblivou čelist k hřídeli motoru pomocí plastové části, která je součástí motoru.

-Přišroubujte motor k podpěře.

-Zašroubujte držák senzoru do držáku chapadla.

-Umístěte senzor na jeho podporu.

-Nasaďte měkký materiál na chapadlo a připevněte na něj 3D tištěnou část

Uchopovač lze snadno namontovat na druhé rameno, pouze část laserového řezače podepírá základnu chapadla ramenem.

Nejdůležitější bylo vyladění čepelí v horní části paže a v jaké vzdálenosti se čepele nacházely mimo chapadlo, takže se to dělo metodou pokusů a omylů, dokud se nedostaneme na nejefektivnější místo, kde se můžeme dostat pro čepele, kde řezání a uchopení musí probíhat téměř ve stejnou dobu.

Krok 6: Připojení elektronických součástek

V tomto obvodu máme tři servomotory, jeden ultrazvukový senzor, jedno tlačítko, Arduino a napájecí zdroj.

Výstup napájecího zdroje lze nastavit, jak chceme, a protože všechna serva a ultrazvuk pracují na 5 voltech, takže není potřeba regulátor napětí, můžeme regulovat pouze výstup napájecího zdroje na 5 V.

Každé servo musí být připojeno k Vcc (+5V), uzemnění a signálu. Ultrazvukový senzor má 4 piny, jeden je připojen k Vcc, jeden pro zem a další dva piny jsou spouštěcí a echo piny, musí být připojeny k digitálním pinům. Tlačítko je připojeno k zemi a k digitálnímu kolíku.

Pro Arduino musí mluvit o své energii ze zdroje energie, nemůže napájet z notebooku nebo kabelu, mělo by mít stejné uzemnění jako k němu připojené elektronické součástky.

!!DŮLEŽITÉ POZNÁMKY!!:

- Měli byste přidat měnič výkonu a napájení Vin se 7V.

-Ujistěte se, že s tímto připojením byste měli z počítače odebrat port Arduino, abyste jej vypálili, jinak byste jako vstup nepoužívali výstupní kolík 5V.

Krok 7: Arduino kód a vývojový diagram

Cílem této robotické paže s chapadlem je posbírat citron a dát ho někam jinam, takže když je robot zapnutý, musíme stisknout tlačítko start a poté přejde do určité polohy, kde se citron nachází, pokud uchopí citron, uchopovač přejde do konečné polohy, aby citron umístil na své místo, vybrali jsme konečnou polohu na horizontální úrovni, kde je potřebný točivý moment maximální, abychom dokázali, že chapadlo je dostatečně silné.

Jak může robot dosáhnout citronu:

V projektu, který jsme udělali, jednoduše požádáme robota, aby přesunul paže do určité polohy, kam jsme dali citron. Existuje jiný způsob, jak to udělat, můžete použít inverzní kinematiku k pohybu paže tím, že jí zadáte souřadnice (x, y) citronu, a vypočítá, jak moc se musí každý motor otáčet, aby chapadlo dosáhlo citronu. Kde stav = 0 je, když není stisknuto tlačítko start, takže paže je v počáteční poloze a robot se nehýbe, zatímco stav = 1 je, když stiskneme tlačítko start a robot se spustí.

Inverzní kinematika:

Na obrázcích je příklad výpočtu inverzní kinematiky, můžete vidět tři náčrty, jeden pro počáteční polohu a další dva pro konečnou polohu. Takže jak vidíte, pro konečnou polohu- bez ohledu na to, kde je- existují dvě možnosti, loket nahoru a loket dolů, můžete si vybrat, co chcete.

Vezměme si jako příklad loket, aby se robot přesunul do své polohy, je třeba vypočítat dva úhly, theta1 a theta2, na obrázcích také vidíte kroky a rovnice pro výpočet theta1 a theta2.

Všimněte si, že pokud je překážka nalezena ve vzdálenosti menší než 10 cm, pak je citron uchopen a držen chapadlem, nakonec ho musíme doručit do konečné polohy.

Krok 8: Spuštění robota

Po tom všem, co jsme dělali dříve, zde jsou videa z práce robota, se senzorem, tlačítkem a vším, co funguje tak, jak má. Provedli jsme také test třepání na robotu, abychom se ujistili, že je stabilní a že je dobré zapojení.

Krok 9: Závěr

Tento projekt nám poskytl dobré zkušenosti při řešení takových projektů. Přesto lze tento robot upravit a mít další přidané hodnoty, jako je detekce objektů k detekci citronu nebo třeba třetí stupeň volnosti, aby se mohl pohybovat mezi stromy. Také ji můžeme ovládat pomocí mobilní aplikace nebo klávesnice, takže ji můžeme přesouvat, jak chceme. Doufáme, že se vám náš projekt líbí, a zvláštní poděkování vedoucím ve společnosti Fablab za pomoc.