Plácnutí! - Robotická ruka: 5 kroků

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

Jednoho dne jsme se ve třídě Principles of Engineering pustili do konstrukce složených strojů z VEX dílů. Když jsme začali budovat mechanismy, snažili jsme se spravovat více složitých komponent, které bylo potřeba sestavit dohromady. Kéž by nám někdo pomohl…

Proto jsme se tři studenti irvingtonské střední školy ve třídě paní Berbawyové rozhodli navrhnout a postavit robotickou ruku od nuly! S finančním odhadem 150 USD na tento S. I. D. E. Projektu, byli jsme schopni získat veškerý potřebný materiál a přitom zůstat pod rozpočtem. Hotový výrobek se skládá z Arduino Mega, servomikrořadiče, který pohání 5 serv, z nichž každé je připojeno k 3D tištěnému prstu, který se dokáže pohybovat jednotlivě s realistickými klouby.

Jednalo se o velmi ambiciózní projekt, vzhledem k tomu, že všichni členové týmu jsou studenti středních škol s nabitými plány ročníků juniorů a nemají žádné předchozí zkušenosti s kompletním navrhováním projektu založeného na elektronice od základů. Zatímco členové našeho týmu mají předchozí zkušenosti s návrhem a programováním s podporou počítače, projekt nám otevřel oči pro potenciální využití hardwaru a softwaru Arduino způsobem, který by lidem pomohl splnit jejich každodenní úkoly.

3D modelování a design od Patricka Dinga

Dokumentace a kódování Arduina od Ashwina Natampalliho

Arduino kódování, obvody a instrukce od Sandesh Shrestha

Krok 1: CADING

Prvním a nejtěžším krokem tohoto projektu je vytvoření 3D modelů ruky pomocí prstů. K tomu použijte Autodesk Inventor nebo Autodesk Fusion 360 (Použili jsme první).

Pomocí souborů dílů vytvořte individuální CAD pro segment dlaně, prstů, konečků prstů a malíčku prstů. To nám zabralo 2-3 revize na díl, aby chod kloubů a serva byl plynulý.

Provedení může mít libovolnou velikost a tvar, pokud dráha struny umožňuje plynulý provoz prstů a prsty do sebe nekolidují. Rovněž zajistěte, aby se prsty mohly plně zhroutit za zavřenou pěst.

Abychom vyřešili problém s interferencemi řetězců a neefektivními cestami, jak jsme zjistili v naší první verzi, byly přidány smyčky, vodítka řetězců a tunely, aby bylo možné řetězec snadno vytáhnout a uvolnit.

Zde jsou naše finální multiviewy a.stl CAD soubory pro každou součást.

Krok 2: 3D tisk

Po dokončení CAD použijte 3D tiskárnu k jejich oživení. Tuto fázi lze opakovat vícekrát, pokud design, který vytvoříte, má nějaké problémy.

Chcete -li tisknout 3D, nejprve exportujte soubory CAD jako soubory STL. Chcete -li to provést v aplikaci Autodesk Inventor, klikněte na rozevírací nabídku Soubor a najeďte myší na Exportovat. Ve vyskakovacím sloupci vyberte Formát CAD. Nabídka Průzkumníka souborů systému Windows vám umožní vybrat soubor.stl z rozevírací nabídky a vybrat umístění souboru.

Jakmile je soubor připraven k importu do softwaru 3D tiskárny, nakonfigurujte možnosti tisku podle svých představ nebo se řiďte naší konfigurací. Software 3D tiskárny se u jednotlivých značek liší, proto se v jejich softwaru orientujte v online průvodcích nebo manuálu. Pro naši ruku jsme použili LulzBot Mini kvůli jeho dostupnosti v našem třídním prostředí.

Krok 3: Sestavení

Jakmile jsou všechny díly úspěšně vytištěny 3D s odstraněnými vory a podpěrami (je -li k dispozici), pak musí být každá součást připravena na zahájení montáže.

Vzhledem k tomu, že 3D tiskárny nejsou příliš přesné a mohou se vyskytnout malé nedokonalosti, vyhlaďte určité tváře pilníkem nebo brusným papírem nebo dremelem s brusným nástavcem. Chcete -li dosáhnout co nejhladší operace spojů, zaměřte se na klouby a body průsečíků, abyste dosáhli optimálního spojení. Někdy se mohou strunové tunely v prstových segmentech a jiných částech propadnout nebo být nedokonalé. Chcete -li bojovat proti zásadním nesrovnalostem, použijte k vyvrtání tunelů vrták s vrtákem 3/16 palce.

Pro nejsnazší směrování strun sestavte každý prst, veďte strunu tunely a na koncích ji zavažte. Před spojením každého prstu s dlaní provlékněte provázek vodícími smyčkami, jedním horním otvorem a druhým spodkem, na dlani a připevněte jej k opačným koncům cívek, které jsou součástí serva. Jakmile jsou délky správné, spojte prsty s dlaní.

Jak je znázorněno na obrázku výše, vložte šrouby m4x16 do každého spoje, aby držely prst pohromadě. Opakujte každý proces vytváření prstů pro všechny prsty pomocí segmentů malíček pro malíček.

Krok 4: Obvody Arduino

Když je kostra sestavena, musí být nyní integrovány svaly a mozek. Abychom mohli spustit všechna serva najednou, musíme použít ovladač motoru PCA 9685 od společnosti Adafruit. Tento ovladač vyžaduje externí napájení pro napájení serv. Pomocí tohoto ovladače a jeho vlastní kódovací knihovny najdete zde.

Při zapojování Arduina do ovladače zajistěte, abyste zaznamenali pinové výstupy. Pokud používáte Arduino Mega, nebude to nutné. Ve všech případech se však ujistěte, že jste zaznamenali, na kterých portech na ovladači motoru jsou namontována serva.

Chcete -li ovládat serva a ruku pomocí IR dálkového ovladače, jednoduše přidejte IR přijímač a připojte napájení a uzemnění k Arduinu pomocí datového kabelu k digitálním portům. Zkontrolujte vývod svého IR přijímače a zkontrolujte správné zapojení. Je ukázán příklad našeho obvodu.

Chcete -li vytvořit tento obvod, nejprve připojte každé servo k portům 3, 7, 11, 13 a 15 na desce řadiče servomotoru. Připevněte celou desku s pěti kolíky ve spodní části k prkénku.

Pomocí propojovacích kabelů připojte 5V napájení a uzemnění Arduina k jedné napájecí liště prkénka (nezapomeňte označit nebo si pamatovat, na které straně je 5V od Arduina!). Tím se napájí infračervený senzor a ovladač motoru. Připojte 6V napájecí zdroj k druhé napájecí liště. To bude napájet serva.

Umístěte všechny 3 piny infračerveného senzoru do prkénka. Připojte napájení a zem k 5V kolejnici a výstup k digitálnímu pinu 7.

Protože používáme Arduino Mega, porty SDA a SCL na ovladači motoru budou propojeny s porty SDA a SCL na Arduinu. Porty VCC a uzemnění se připojí k 5V kolejnici.

Když je baterie připojena k vlastní napájecí liště, použijte propojovací kabely a malý plochý šroubovák k zajištění napájení servomotorů prostřednictvím zeleného vstupního konektoru napájení.

Zajistěte těsnost všech připojení a znovu zkontrolujte všechna kabelová vedení s připojeným obvodem TinkerCAD.

Krok 5: Kódování

Posledním krokem před uvedením této ruky do provozu je kódování Arduina. Protože tato ruka používá ovladač motoru PCA 9685, musíme nejprve nainstalovat knihovnu, což lze provést v prostředí Arduino Coding Environment. Po instalaci také nainstalujte knihovnu IRremote pro funkci IR Remote.

V našem kódu jsou definice každého tlačítka na IR dálkovém ovladači zobrazeny s 8místnými kódy. Ty byly nalezeny pomocí programu IRRecord, který vytiskne na sériový monitor 8místný kód každého tlačítka.

V příloze je jak program IRRecord, tak finalizovaný program ručního ovládání.

Na začátku kódu zahrňte knihovny IRremote, Wire a Adafruit_PWMServoDriver.

Poté pomocí zjištění IRRecord definujte jednotlivá tlačítka IR dálkového ovladače. I když nejsou všechny nutné (je potřeba pouze 10), všechny umožňují rychlé rozšíření (přidávání funkcí a přednastavená gesta) do budoucna. Vytvořte PWM pomocí funkce ovladače servo a přiřaďte serva ke kolíkům na ovladači motoru. Použijte stejné hodnoty SERVOMAX/MIN jako na obrázku. Přiřaďte pin digitálního vstupu infračerveného senzoru jako 7 a inicializujte.

Deklarujte funkci nastavení inicializací Serial s přenosovou rychlostí 9600. Povolte IR senzor a spusťte servo s frekvencí serva 60 Hz.

Nakonec vytvořte přepínač if/else na základě příchozího přenosu IR dálkového ovladače ve funkci smyčky. Poté vytvořte přepínač/pouzdro s pouzdry jednotlivých tlačítek na IR dálkovém ovladači, které budou použity. Ty lze u vámi preferovaných ovládacích prvků změnit. Pro každý případ vytiskněte tlačítko stisknuté na sériovém monitoru pro ladění a pomocí smyčky for přesuňte servo. Po vytvoření všech případů nezapomeňte před uzavřením funkce smyčky obnovit IR senzor pro více příchozích signálů. Kódování serv přes desku řadiče motoru najdete na