DIY Robot Arm 6 Axis (with Stepper Motors): 9 Steps (with Pictures)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-30 08:21

Po více než ročním studiu, prototypech a různých poruchách se mi podařilo postavit robot železo / hliník se 6 stupni volnosti ovládanými krokovými motory.

Nejtěžší byl návrh, protože jsem chtěl dosáhnout 3 základních cílů:

• Nízké náklady na realizaci
• Snadná montáž i s malým vybavením
• Dobrá přesnost při pohybu

3D model jsem navrhl s Rhinem několikrát, dokud (podle mého názoru) nedojde k dobrému kompromisu, který splňuje 3 požadavky.

Nejsem inženýr a před tímto projektem jsem neměl žádné zkušenosti s robotikou, takže člověk, který je zkušenější než já, by mohl najít nedostatky v designu toho, co jsem udělal, ale stále mohu říci, že jsem s konečným výsledkem, kterého jsem dosáhl, spokojen.

Zásoby

pro více informací navštivte můj osobní blog

Krok 1: CAD design

Než jsme dorazili ke konečnému modelu, navrhl jsem nejméně 8 různých prototypů s různými přenosovými systémy, ale žádný nemohl splnit 3 výše popsané požadavky.

Spojením mechanických řešení všech vyrobených prototypů (a také přijetím některých kompromisů) vyšel konečný model. Nepočítal jsem hodiny, které jsem strávil před CAD, ale mohu vás ujistit, že jich bylo opravdu mnoho.

Jeden aspekt, který je třeba mít na paměti ve fázi návrhu, je ten, že i jeden gram přidaný na konec zápěstí robota se znásobí na úkor odporu točivého momentu motorů na základně, a proto se přidá větší hmotnost a tím více motorů musí být vypočítán, aby vydržel úsilí.

Abych „pomohl“motorům odolat stresu, použil jsem plynové písty 250N a 150N.

Přemýšlel jsem o snížení nákladů vytvořením robota s laserem řezanými železnými deskami (C40) a hliníkem o tloušťkách od 2, 3, 5, 10 mm; řezání laserem je mnohem levnější než 3D frézování kovů.

Po návrhu každé jednotlivé součásti jsem vytvořil tvary kusů v.dxf a poslal je do řezacího centra. Všechny ostatní součásti jsem vyrobil sám na soustruhu.

Krok 2: Příprava a montáž

Konečně je čas si umazat ruce (to mi jde nejlépe)…

Fáze výstavby si vyžádala mnoho hodin práce na přípravě kusů, ručním vyplňování otvorů, spojů, závitů a soustružení nábojů. Skutečnost, že jsem navrhl každou jednotlivou součást, abych mohl pracovat jen s několika pracovními nástroji, mě vedla k tomu, že nemám žádné velké překvapení ani mechanické problémy.

Nejdůležitější věcí není spěchat s dokončováním věcí, ale být skeptický a sledovat každý jednotlivý řádek projektu, improvizace v této fázi nikdy nevede k dobrým výsledkům.

Realizace ložiskových sedadel je nesmírně důležitá, protože každý kloub na nich spočívá a i malá hra několika procent by mohla ohrozit úspěch projektu.

Zjistil jsem, že musím kolíky předělat, protože u soustruhu jsem odstranil asi o 5 centů menší než nosný otvor a když jsem se ho pokusil namontovat, byla hra monstrózně zřejmá.

K přípravě všech kusů jsem použil tyto nástroje:

• vrtací lis
• mlýnek / dremel
• brus
• manuální soubor
• soustruh
• Anglické klíče

Chápu, že ne každý může mít doma soustruh a v tomto případě bude nutné kusy zprovoznit specializovanému centru.

Navrhl jsem kousky, které mají být řezány laserem, s mírně hojnějšími klouby, abych je mohl zdokonalit ručně, protože laser, jakkoli je přesný, vytváří kuželovitý řez a je důležité to zvážit.

Ruční práce se souborem každý spoj, který jsem vytvořil, abych vytvořil velmi přesné spojení mezi díly.

Dokonce i otvory v ložiskových sedadlech, které jsem udělal, byly menší a pak je vyřezávaly ručně dremelem a spoustou (ale opravdu spoustou) trpělivosti.

Všechny nitě, které jsem vyrobil ručně na vrtačce, protože je dosaženo maximální kolmosti mezi nástrojem a kusem. Po přípravě každého kusu přišel dlouho očekávaný okamžik pravdy, shromáždění celého robota. Překvapilo mě, když jsem zjistil, že každý kus přesně zapadá do druhého se správnými tolerancemi.

Robot je nyní sestaven

Než jsem udělal cokoli jiného, dal jsem přednost provedení některých pohybových testů, abych se ujistil, že motory byly správně navrženy, pokud zjistím nějaké problémy s motory, zejména s jejich utahovacím momentem, budu nucen předělat značnou část projektu.

Po namontování 6 motorů jsem tedy vzal těžkého robota do své podkrovní laboratoře, abych jej podrobil prvním testům.

Krok 3: První pohybové testy

Po dokončení mechanické části robota jsem rychle sestavil elektroniku a připojil pouze kabely 6 motorů. Výsledky testů byly velmi pozitivní, klouby se dobře pohybovaly a v předem stanovených úhlech jsem objevil pár snadno řešitelných problémů.

První problém se týká kloubu č. 3, který při maximálním prodloužení příliš přetěžoval pás a někdy způsoboval ztrátu kroků. Řešení tohoto problému mě přivedlo k různým argumentům, které uvidíme v dalším kroku.

Druhý problém se týká kloubu č. 4, řešení torze pásu nebylo příliš spolehlivé a generovalo problémy. Mezitím železné části robota začaly vytvářet malé body rzi, takže s možností vyřešit problémy jsem také využil příležitosti a namaloval ho.

Krok 4: Malování a zpětná montáž

Nemám moc rád fázi malování, ale v tomto případě jsem povinen to udělat, protože to miluji ještě méně.

Na žehličku jsem dal nejprve primer, který slouží jako pozadí pro červenou fluo barvu.

Krok 5: Oprava chyby N.1

Po výsledcích testu jsem musel provést nějaké změny, abych zlepšil přesnost robota. První úprava se týká kloubu č. 3, zejména když byl v nejnepříznivějším stavu vyvíjen nadměrný tah pásu a v důsledku toho byl motor vždy pod stres. Řešením bylo pomoci působením síly proti směru otáčení.

Celé noci jsem přemýšlel o tom, co by mohlo být nejlepším řešením, aniž bych musel všechno dělat znovu. Zpočátku jsem uvažoval o použití velké torzní pružiny, ale při hledání online jsem nenašel nic uspokojivého, takže jsem se rozhodl pro plynový píst (jak jsem již navrhl pro kloub č. 2), ale stále jsem se musel rozhodnout, kam jej umístit, protože jsem neměl dost místa.

Vzdal jsem se trochu estetiky a rozhodl jsem se, že nejlepší místo pro umístění pístu je na boku.

Provedl jsem výpočty potřebného výkonu pístu s ohledem na bod, kde musel vyvinout sílu, a poté jsem na ebay objednal 150 N píst dlouhý 340 mm, poté jsem navrhl nové podpěry, aby je bylo možné opravit.

Krok 6: Oprava chyby N.2

Druhá změna se týká kloubu č. 4 kde jsem původně plánoval přenos se zkrouceným řemenem, ale uvědomil jsem si, že mezery byly zmenšeny a řemen nefungoval tak, jak se očekávalo.

Rozhodl jsem se kompletně předělat celý kloub tím, že jsem navrhl ramena tak, aby přijímaly motor v paralelním směru vzhledem k nim. Díky této nové úpravě nyní řemen funguje správně a je také snazší jej napnout, protože jsem navrhl klíčový systém pro snadné napnutí řemene.

Krok 7: Elektronika

Řídicí elektronika motoru je stejná jako u klasického 3osého CNC s tím rozdílem, že pro správu jsou k dispozici další 3 ovladače a další 3 motory. Logiku ovládání všech os vypočítává aplikace, elektronika má jediný úkol přijímání pokynů o tom, o kolik stupňů se budou muset motory otáčet, aby kloub nedosáhl požadované polohy.

Elektronické součásti tvoří:

• Arduino Mega
• n. 6 ovladač DM542T
• n. 4 Relè
• n. 1 24V napájecí zdroj
• n. 2 elektromagnetické ventily (pro pneumatickou svorku)

Na Arduino jsem nahrál skicu, která se zabývá souběžným řízením pohybů motorů, jako je zrychlení, zpomalení, rychlost, kroky a maximální limity, a je naprogramován tak, aby přijímal příkazy, které mají být provedeny přes sériový port (USB).

Ve srovnání s profesionálními pohybovými ovladači, které mohou stát až několik tisíc eur, se Arduino svým malým způsobem brání příliš zjevně příliš složitým operacím, které není schopen spravovat, jako je například vícevláknový užitečný zejména tehdy, když musíte spravovat více motorů současně.

Krok 8: Aspekty softwaru

Každý robot má svůj vlastní tvar a různé úhly pohybu a kinematika je pro každého z nich odlišná. V tuto chvíli pro spuštění testů používám software Chris Annin (www.anninrobotics.com), ale matematika napsaná pro jeho robota se nehodí přesně k mému, ve skutečnosti některé oblasti pracovní oblasti, na které nemohu dosáhnout protože výpočty rohů nejsou úplné.

Annin software je nyní vhodný pro experimentování, ale budu muset začít přemýšlet o psaní vlastního softwaru, který by 100% odpovídal fyzice mého robota. Už jsem začal dělat nějaké testy pomocí Blenderu a psát Pythonovou část pohybového ovladače a zdá se to jako dobré řešení, existuje několik aspektů, které je třeba vyvinout, ale toto kombo (Blender + Ptyhon) se velmi snadno implementuje, zvláště je snadné plánovat a simulovat pohyby, aniž byste měli robota před sebou.

Krok 9: Pneumatická svorka

Abych mohl robotovi odnést předměty, vybavil jsem ho pneumatickou svorkou.

Osobně nemám rád kleště se servy, nedávají mi velkou důvěru v těsnění, takže jsem si myslel, že pneumatický kleště specificky upravující tlak by mohl uspokojit všechny potřeby.

U hranatých hliníkových profilů jsem upravil svorku tak, aby brala malé i velké předměty.

Později, když si najdu čas, shromáždím všechny informace o projektu, abych si je mohl stáhnout.

Doufám, že se vám tento návod líbil.