Moslty 3D-tištěná robotická paže napodobující loutkový ovladač: 11 kroků (s obrázky)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-30 08:18

Jsem studentem strojního inženýrství z Indie a toto je můj bakalářský projekt.

Tento projekt je zaměřen na vývoj levné robotické paže, která je většinou 3D tištěná a má 5 DOF s 2prstým chapadlem. Robotické rameno je ovládáno loutkovým ovladačem, což je stolní model robotického ramene se stejnými stupni volnosti, jehož klouby jsou vybaveny senzory. Ruční manipulace s ovladačem způsobí, že robotické rameno bude napodobovat pohyb způsobem master-slave. Systém využívá WiFi modul ESP8266 jako médium pro přenos dat. Rozhraní operátora master-slave poskytuje snadno naučitelnou metodu pro manipulaci s robotickým ramenem. Nodemcu (Esp8266) se používá jako mikrokontrolér.

Cílem tohoto projektu byl vývoj nízkonákladového robota, který lze použít pro vzdělávací účely. Dostupnost takové robotické technologie, která přináší revoluci v moderním světě, je bohužel omezena pouze na určité instituce. Naším cílem je vyvinout a vytvořit tento projekt jako open source, aby jej jednotlivci mohli sami vytvářet, upravovat a prozkoumávat. Jelikož jde o nízkonákladový a plně otevřený zdroj, může to inspirovat spolužáky k učení a prozkoumání této oblasti.

Kamarádi z mého projektu:

• Shubham likhar
• Nikhil Kore
• Palash lonare

Zvláštní poděkování:

• Akash Narkhede
• Ram bokade
• Ankit korde

za pomoc v tomto projektu.

Disclaimer: Nikdy jsem neplánoval psát blog nebo instruktáž o tomto projektu, kvůli kterému nemám dostatek dat pro dokumentaci nyní. Toto úsilí je vynaloženo dlouho po zahájení projektu. Přesto jsem se velmi snažil přinést co nejvíce podrobností aby to bylo srozumitelnější. v některých bodech se vám to může zdát nekompletní … doufám, že to pochopíte:) brzy přidám video z YouTube, které ukazuje jeho funkční a další testovací věci

Krok 1: Jak to tedy funguje?

To je pro mě na tomto projektu to nejzajímavější.

(Netvrdím, že je to efektivní nebo správná metoda, jak to použít pro komerční účely, pouze pro vzdělávací účely)

Možná jste viděli levné roboty se servomotory, které jsou jen pro demonstraci. Na druhé straně existují šikovné roboty krokových motorů s planetovou převodovkou atd. Ale tento robot je mezi nimi rovnováhou.

v čem se tedy liší?

Konstrukce:

Místo použití nižšího výkonu a levného krokového motoru jsem použil stejnosměrné motory, ale jak víme, stejnosměrné motory nemají systém zpětné vazby a nelze je použít přímo pro řízení polohy, zakryl jsem je do servomotorů přidáním potenciometru jako snímače zpětné vazby/polohy.

Pro jednoduchost práce, kterou jsem udělal, jsem demontoval levná 9g serva, která odstranila jeho obvody a nahradila jeho Dc motor stejnosměrným motorem s vysokým točivým momentem a jeho malým hrncem za to, co jsem měl pro robota. To mi umožnilo použít výchozí knihovnu v arduino, nemůžete uvěřit, že hodně zjednodušené kódování!

Pro pohon 12 V stejnosměrného motoru s 5V servo čipem jsem použil modul ovladače motoru L298N, který může pohánět 2 motory současně. Modul má 4 vstupní piny IN1 až IN4, které rozhodují o směru otáčení motoru. Kde IN1 a IN2 odpovídá 1. motoru a IN3, IN4 až 2. motor. Proto jsou výstupní svorky (2) servopohonu (původně k malému stejnosměrnému motoru) připojeny k IN1 a IN2 výstupu modulu L298N, který je připojen k motoru 12V Dc.

Pracovní:

Tímto způsobem, když hřídel motoru není v cílové poloze, potenciometr posílá hodnotu úhlu na servopohon, který přikazuje modulu L298N řídit buď Cw nebo CCW podle pořadí, motor 12V Dc se otáčí podle příkazu přijatého od mikrokontroléru.

Schéma je znázorněno na obrázku (pouze pro 1 motor)

V NAŠEM PŘÍPADĚ JE PŘÍKAZ (SPOLEČNÉ ÚHELOVÉ HODNOTY) ODESLÁN PROSTOROVÝM ŘADIČEM, KTERÝ JE KAŽDÝM SPOLEČNÝM KÓDEM (ESP8266) PŘIPOJENO KAŽDÉMU SPOJENÉMU KÓDU KAŽDÉHO SPOJENÍ PŘIPOJENO KAŽDÉHO SPOJENÍ PŘÍSLUŠENSTVÍ NA 10 ČASŮ. ROBOT SPOJTE SE S KAŽDÝM SPOLEČNÝM MOTOREM SE ZKUSTE OBJEDNAT

Na každém kloubu je potenciometr připojen k kloubovému hřídeli pomocí mechansimu pásu. Když se kloub otáčí, potenciometr se otáčí souběžně a poskytuje zpětnou vazbu o aktuální poloze úhlu spoje (zobrazeno na obrázcích výše)

Krok 2: Použité součásti:

Jak jsem řekl, stále pracuji a zlepšuji to každý den, proto se tyto komponenty mohou v některých budoucích aktualizacích lišit.

mým cílem bylo, aby to bylo co nejhospodárnější, proto jsem použil velmi selektivní komponenty. Toto je seznam hlavních komponent použitých v Arm til date (budu ho v budoucnu aktualizovat)

1. Esp8266 (2x)
2. Dc motory (různé specifikace, točivý moment a rychlosti, 5x)
3. Modul ovladače motoru L298N (2x)
4. Potenciometr (8x)
5. Hliníkový kanál (30x30, 1 metr)
6. různý hardware

Krok 3: Výpočty a návrh ramene

Pro návrh ramene jsem použil software Catia v5. Před zahájením procesu návrhu bylo nejprve vypočítat délky spojů a točivý moment, které musí každý spoj vydržet.

nejprve jsem začal s některými předpoklady, které zahrnují:

1. Maximální užitečné zatížení robota bude 500 g (1,1 lb)
2. celkový dosah robota bude 500 mm
3. Hmotnost robota nepřesáhne 3 kg.

Výpočty délky odkazů

v návaznosti na to jsem vypočítal délku odkazu s odkazem na výzkumný dokument „Design of a Robotic Arm By I. M. H. van Haaren“

I. M. H. van Haaren uvedl vynikající příklad toho, jak určoval délky odkazů pomocí biologické reference, ve které jsou délky hlavních segmentů těla vyjádřeny jako zlomek celkové výšky. Je to znázorněno na obr.

po výpočtech se ukázalo, že jsou délky odkazů

L1 = 274 mm

L2 = 215 mm

L3 = 160 mm

Délka chapadla = 150 mm

Výpočty točivého momentu:

Při výpočtu krouticího momentu jsem použil základní pojmy točivého momentu a momentů aplikované ve strojírenství.

aniž bych se pustil do dynamických výpočtů, kvůli některým kontraindikacím jsem spoléhal pouze na statické výpočty točivého momentu.

existují 2 hlavní hráči s krouticím momentem jako T = FxR, tj. v našem případě zatížení (hmotnost) a délka spoje. Protože délky spojů jsou již určeny, další věcí je zjistit hmotnost součástí. V této fázi jsem si nebyl jistý, jak mohu najít hmotnosti každé součásti, aniž by ji ve skutečnosti měřily.

tyto výpočty jsem tedy provedl v iteracích.

1. Předpokládal jsem hliníkový kanál jako rovnoměrný materiál po celé jeho délce a rozdělil váhu celkem 1 metr peice s délkou peices, které jsem použil.
2. Pokud jde o klouby, předpokládal jsem pro každý kloub určité hodnoty (hmotnost motoru + hmotnost 3D tištěného dílu + ostatní) na základě předpokladu celkové hmotnosti robota.
3. předchozí 2 kroky mi poskytly hodnoty točivého momentu 1. iteračního kloubu. Pro tyto hodnoty jsem našel vhodné motory na internetu spolu s dalšími specifikacemi a hmotnostmi.
4. Ve 2. iteraci jsem použil původní hmotnosti motorů (což jsem zjistil ve 3. kroku) a znovu vypočítal statické momenty pro každý spoj.
5. Pokud by konečné hodnoty točivého momentu v kroku 4 byly vhodné pro motory vybrané v kroku 3, dokončil bych tento motor, jinak opakujte kroky 3 a 4, dokud formulované hodnoty nesplňují skutečné specifikace motoru.

Konstrukce ramene:

To byl nejnudnější úkol celého tohoto projektu a jeho návrh trval téměř měsíc. Způsobem, jakým jsem připojil fotografie CAD modelu. Zanechám odkaz na stažení těchto CAD souborů někde zde:

Krok 4: 3D tisk dílů

Všechny součásti jsou spoje, které jsou 3D vytištěny na tiskárně 99 $ s tiskovou plochou 100x100x100 mm (ano, to je pravda !!)

tiskárna: Easy threed X1

Zahrnul jsem fotky hlavních dílů z kráječe a budu odkazovat na všechny části souboru CAD souboru catfile a také na stl, abyste si mohli stahovat a upravovat, jak chcete.

Krok 5: Sestava ramenního kloubu (kloub J1 a J2)

Základní puls byl vytištěn na jiné tiskárně, protože měl průměr 160 mm. Navrhl jsem spoj bshoulder tak, aby jej bylo možné pohánět (rotace kolem osy z) buď pomocí řemenice nebo pastorkového mechanismu, který můžete vidět na přiložených obrázcích Nahoře je spodní část, kde pasují ložiska, která jsou poté namontována na centrální hřídel na platformu, která je určena k pohybu ramene (nádrž, více v budoucnu).

větší ozubené kolo (na obrázku žluté) je upevněno na hliníkovém kanálu pomocí šroubů s maticemi, kterými prochází ocelový hřídel 8 mm, kolem kterého se pohybuje kloub 2. Převodový poměr v 1. kloubu je 4: 1 a ve druhém kloubu je 3,4: 1

Krok 6: Loket a kloub (kloub J3)

(NĚKTERÉ Z OBRÁZKŮ JSOU PO STAVĚNÍ, POKUD NEMÁM KOMPLETNÍ PROCESNÍ OBRÁZKY)

Loketní kloub následuje jeden po ramenním kloubu. Jedná se o 2dílný kloub, jeden spojuje jeden a druhý spojuje článek 2.

kus 1 má Dc motor s hnacím pastorkem a kus 2 má větší ozubené kolo a dvojici ložisek na podporu hřídele. Převodový poměr je stejný jako u J2, tj. 3,4: 1, ale motor je 12,5 KG-CM 60 ot / min.

Kloub J3 má rozsah pohybu 160 stupňů.

Krok 7: Kloub zápěstí (kloub J4 a J5)

(NĚKTERÉ Z OBRÁZKŮ JSOU PO STAVĚNÍ, POKUD NEMÁM KOMPLETNÍ PROCESNÍ OBRÁZKY)

Po loketním kloubu následuje zápěstní kloub, který se opět skládá ze 2 kusů, jeden na předchozím článku (tj. Článek 2) a jednoho, který se skládá z motoru J5, který otáčí sestavou zápěstí. Převodový poměr je 1,5: 1 a použitý stejnosměrný motor je 10 otáček za minutu 8 kg -CM.

Tento kloub J4 má rozsah otáčení 90 stupňů a J5 má 360 stupňů.

Krok 8: Gripper

Byl to jeden z nejnáročnějších úkolů při navrhování. Byl navržen tak, aby dokázal vybrat většinu předmětů a zachytit většinu věcí kolem nás, jako jsou dveřní západky, kliky, mříže atd.

Jak je znázorněno na obrázku, šroubová ozubená kola připevněná k motorovým pohonům na ozubená kola ve směru nebo proti směru hodinových ručiček, která jsou připojena k prstům, aby je otevřela a zavřela.

Všechny části chapadla jsou zobrazeny na přiloženém obrázku.

Krok 9: Výroba loutkového ovladače pro robotické rameno

Loutkový ovladač je přesně 10krát zmenšená verze skutečné robotické paže. Má 4 potenciometry namontované na 4 kloubech, konkrétně J1, J2, J3, J4 a kloub J5 bude ovládán tlačítkem pro nepřetržité otáčení (Rotace chapadla pro libovolné úkon)

potenciometry snímají úhel otočení kloubů a odesílají tuto hodnotu mezi 1-1023 do Nodemcu, která je převedena zpět na 1-360 a odeslána do jiného Nodemcu přes wifi. Protože ESP8266 má pouze jeden analogový vstup, použil jsem multiplexer 4051.

návod k použití multiplexeru 4051 s esp8266-https://www.instructables.com/id/How-to-Use-Multip…

schematický diagram:

Schematický diagram přidám, jakmile jej dokončím (pokud to někdo potřebuje, naléhavě mě do té doby kontaktujte)

Kód: (také zde zahrnuto)

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

Krok 10: Elektronika

Přikládám obrázky Aktuální práce. Celá elektronika a schematický diagram ještě nejsou kompletní. Budu zveřejňovat aktualizace do té doby zůstanu ve spojení:)

(Poznámka: Tento projekt ještě není dokončen. V budoucnu budu sledovat veškeré aktualizace)

Krok 11: Kódy a schéma na jednom místě

Jakmile dokončím, udělám kompletní schémata robotů a konečný kód!