Robotické rameno s uchopovačom: 9 krokov (s obrázkami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 11:55

Zber citrónovníkov je považovaný za náročnú prácu, kvôli veľkej veľkosti stromov a tiež kvôli horúcemu podnebiu v oblastiach, kde sú vysadené citrónové stromy. Preto potrebujeme niečo iné, čo by pomohlo pracovníkom v poľnohospodárstve ľahšie dokončiť prácu. Takže sme prišli s nápadom uľahčiť im prácu, robotické rameno s chápadlom, ktoré vyberá citrón zo stromu. Rameno je dlhé asi 50 cm. Princíp práce je jednoduchý: robotovi dáme polohu, potom pôjde na správne miesto a ak je tam citrón, jeho chápadlo odreže stopku a súčasne uchopí citrón. Potom sa citrón uvoľní na zem a robot sa vráti do svojej pôvodnej polohy. Na začiatku sa môže zdať, že projekt je zložitý a ťažko realizovateľný. Nie je to však také zložité, napriek tomu to chcelo veľa tvrdej práce a dobré plánovanie. Len treba postaviť jednu vec nad druhú. Na začiatku sme čelili problémom kvôli situácii s covid-19 a práci na diaľku, ale potom sme to urobili a bolo to úžasné.

Tento inštruktážny sprievodca vás prevedie procesom vytvorenia robotickej ruky s drapákom. Projekt bol navrhnutý a vyrobený ako súčasť nášho projektu Bruface Mechatronics; prácu vo fablabskom Bruseli vykonali:

-Hussein Moslimani

-Inès Castillo Fernandez

-Jayesh Jagadesh Deshmukhe

-Raphaël Boitte

Krok 1: Požadované schopnosti

Tu je niekoľko zručností, ktoré musíte mať na vykonanie tohto projektu:

-Základy elektroniky

-Základné znalosti o mikrokontroléroch.

-Kódovanie v jazyku C (Arduino).

-Je zvyknutý na softvér CAD, ako napríklad SolidWorks alebo AutoCAD.

-laserové rezanie

-3D tlač

Mali by ste mať tiež trpezlivosť a dostatok voľného času, taktiež vám odporúčame pracovať v tíme ako my, všetko bude jednoduchšie.

Krok 2: Návrh CAD

Po vyskúšaní rôznych vzoriek sme sa nakoniec rozhodli navrhnúť robota tak, ako je to znázornené na obrázkoch, pričom rameno má 2 stupne voľnosti. Motory sú s hriadeľom každého ramena spojené kladkami a remeňmi. Použitie kladiek má mnoho výhod, jednou z najdôležitejších je zvýšenie krútiaceho momentu. Prvý remeničný remen prvého ramena má prevodový pomer 2 a druhý prevodový pomer 1,5.

Náročnou súčasťou projektu bol obmedzený čas vo Fablabe. Väčšina návrhov bola teda upravená tak, aby boli diely rezané laserom, a niektoré spojovacie časti boli vytlačené 3D. Tu nájdete priložený návrh CAD.

Krok 3: Zoznam použitých komponentov

Tu sú komponenty, ktoré sme použili v našom projekte:

I) Elektronické súčiastky:

-Arduino Uno: Jedná sa o dosku mikrokontroléra so 14 digitálnymi vstupnými/výstupnými kolíkmi (z ktorých 6 je možné použiť ako výstupy PWM), 6 analógových vstupov, kremenný kryštál 16 MHz, pripojenie USB, napájací konektor, záhlavie ICSP, a tlačidlo reset. Tento typ mikrokontroléra sme použili, pretože sa ľahko používa a dokáže vykonať požadovanú prácu.

-Dva veľký servomotor (MG996R): je servomechanizmus s uzavretou slučkou, ktorý na základe polohy a spätnej väzby riadi svoj pohyb a konečnú polohu. Používa sa na otáčanie ramien Má dobrý krútiaci moment, až 11 kg/cm, a vďaka zníženiu krútiaceho momentu, ktoré robia kladky a pás, môžeme dosiahnuť vyšší krútiaci moment, ktorý je viac než dostatočný na to, aby držal ramená. A skutočnosť, že nepotrebujeme viac ako 180 stupňov rotácií, sa tento motor veľmi dobre používa.

-Jedno malé servo (E3003): je servomechanizmus s uzavretou slučkou, ktorý pomocou spätnej väzby polohy riadi svoj pohyb a konečnú polohu. Tento motor sa používa na ovládanie chápadla, má krútiaci moment 2,5 kg/cm a používa sa na krájanie a uchopovanie citrónu.

-Napájanie jednosmerným prúdom: Tento typ napájania bol k dispozícii vo fablabe, a pretože sa náš motor nepohybuje po zemi, napájací zdroj sa nemusí navzájom lepiť. Hlavnou výhodou tohto zdroja napájania je, že môžeme nastaviť výstupné napätie a prúd, ako sa nám páči, takže nie je potrebný regulátor napätia. Ak tento typ napájacích zdrojov nie je k dispozícii, ale je drahý. Lacnou alternatívou k získaniu potrebného napätia je použiť držiak batérie 8xAA spojený s regulátorom napätia, ako napríklad „MF-6402402“, ktorý je meničom jednosmerného prúdu na jednosmerný prúd. Ich cena je uvedená aj v zozname komponentov.

-Breadboard: plastová doska slúžiaca na uchytenie elektronických súčiastok. Tiež na pripojenie elektroniky k napájaciemu zdroju.

-Drôty: Slúžia na pripojenie elektronických komponentov k doštičke.

-Tlačidlo: používa sa ako tlačidlo štart, takže keď ho stlačíme, robot funguje.

-Ultrazvukový senzor: Používa sa na meranie vzdialenosti, generuje vysokofrekvenčný zvuk a vypočítava časový interval medzi odoslaním signálu a príjmom ozveny. Slúži na zistenie, či citrón držal chápadlo alebo skĺzne.

II) Ďalšie komponenty:

-Plast pre 3D tlač

-3 mm drevené dosky na rezanie laserom

-Kovový hriadeľ

-Čepele

-Mäkký materiál: Je prilepený na obe strany chápadla, takže chápadlo pri rezaní stláča vetvu citrónu.

-Skrutky

-Pás na pripojenie kladiek, štandardný remeň 365 T5

-8 mm kruhové ložiská, vonkajší priemer je 22 mm.

Krok 4: 3D tlač a laserové rezanie

Vďaka laserovým rezacím a 3D tlačiarenským strojom, ktoré nájdete vo Fablabe, staviame diely, ktoré potrebujeme pre svojho robota.

I- Diely, ktoré sme museli rezať laserom, sú:

-Základňa robota

-Podpora motora prvého ramena

-Podpora prvej ruky

-Dosky z 2 ramien

-Základňa chápadla

-Spojenie medzi chápadlom a ramenom.

-Dve strany chápadla

-Podporuje ložiská, aby sa zaistilo, že nekĺzajú alebo sa nepohybujú zo svojej polohy, všetky uloženia ložísk sú z dvoch vrstiev 3 mm+4 mm, pretože hrúbka ložiska bola 7 mm.

Poznámka: Na niektoré malé časti, ktoré je potrebné rezať laserom, budete potrebovať malý 4 mm list dreva. V návrhu CAD nájdete aj hrúbku 6 mm alebo akúkoľvek inú hrúbku, ktorá je násobkom 3, potom potrebujete viac vrstiev laserom rezaných dielov na 3 mm, to znamená, že ak je hrúbka 6 mm, potom potrebujete 2 vrstvy Po 3 mm.

II- Časti, ktoré sme museli vytlačiť 3D:

-Štyri kladky: slúžia na pripojenie každého motora k ramenu, za ktoré je zodpovedný.

-Podpora motora druhého ramena

-podpora ložiska na základe, ktoré je upevnené pod pásom, aby naň pôsobilo silou a zvýšilo napätie. S ložiskom je spojený pomocou okrúhleho kovového hriadeľa.

-Dve obdĺžnikové platne pre chápadlo sú nasadené na mäkký materiál, aby vetva dobre držala a mala trenie, aby vetva nekĺzala.

-Štvorcový hriadeľ s 8 mm okrúhlym otvorom na spojenie dosiek prvého ramena a do otvoru bolo vložiť 8 mm kovový hriadeľ, aby bol celý hriadeľ pevný a zvládol celkový krútiaci moment. Okrúhle kovové hriadele boli spojené s ložiskami a obidvomi stranami ramena, aby sa dokončila rotačná časť.

-Šesťhranný hriadeľ s 8 mm okrúhlym otvorom z rovnakého dôvodu ako štvorcový hriadeľ

-Svorky, ktoré dobre podoprú kladky a platne každého ramena na svojich miestach.

Na troch obrázkoch CAD môžete dobre pochopiť, ako je systém zostavený a ako sú hriadele prepojené a podporované. Môžete vidieť, ako sú štvorcové a šesťhranné hriadele spojené s ramenom a ako sú spojené s podperami pomocou kovového hriadeľa. Na týchto obrázkoch je uvedená celá zostava.

Krok 5: Mechanická montáž

Zostavenie celého robota má 3 hlavné kroky, ktoré je potrebné vysvetliť, najskôr zostavíme základňu a prvé rameno, potom druhé rameno k prvému a nakoniec chápadlo k druhému ramenu.

Montáž základne a prvého ramena:

Najprv musí používateľ samostatne zostaviť nasledujúce diely:

-Dve strany kĺbov s ložiskami vo vnútri.

-Podpera motora pomocou motora a malej kladky.

-Symetrická podpora pre malú kladku.

-Čtvercový hriadeľ, veľká kladka, rameno a svorky.

-„Napínacie“ložisko podopiera nosnú dosku. Potom pridajte ložisko a hriadeľ.

Teraz je každá podzostava na mieste, aby bola navzájom prepojená.

Poznámka: Aby sme zaistili napätie v požadovanom páse, je možné nastaviť polohu motora na základe toho máme predĺžený otvor, aby bolo možné vzdialenosť medzi kladkami zväčšiť alebo zmenšiť, a keď skontrolujeme, či je napätie je dobré, pripevníme motor k základni pomocou skrutiek a dobre ho upevníme. Okrem toho bolo ložisko upevnené na základe v mieste, kde vyvíja silu na remeň na zvýšenie napätia, takže keď sa pás pohybuje, ložisko sa otáča a nedochádza k problémom s trením.

Montáž druhého ramena k prvému:

Časti je potrebné zostaviť samostatne:

-Pravé rameno s motorom, jeho podperou, kladkou a tiež s ložiskom a jeho podpornými časťami. Rovnako ako v predchádzajúcej časti je tiež nasadená skrutka na upevnenie remenice k hriadeľu.

-Ľavá ruka s dvoma ložiskami a ich podperami.

-Veľkú kladku je možné posúvať na šesťhrannom hriadeli aj na horných ramenách a svorky sú navrhnuté tak, aby fixovali svoju polohu.

Potom máme druhé rameno pripravené na to, aby bolo umiestnené vo svojej polohe, motor druhého ramena je umiestnený na prvom, jeho poloha je tiež nastaviteľná, aby sa dosiahlo dokonalé napätie a zabránilo sa skĺznutiu pásu, potom sa motor zafixuje pomocou pás v tejto polohe.

Zostava uchopovača:

Montáž tohto chápadla je jednoduchá a rýchla. Pokiaľ ide o predchádzajúcu zostavu, diely je možné zostaviť samostatne pred pripevnením k plnému ramenu:

-Pohyblivú čeľusť pripevnite k hriadeľu motora pomocou plastovej časti, ktorá je súčasťou motora.

-Skrutkujte motor na podperu.

-Naskrutkujte podperu senzora do držiaka chápadla.

-Senzor umiestnite na jeho podporu.

-Nasaďte mäkký materiál na chápadlo a pripevnite naň 3D vytlačenú časť

Uchopovač sa dá ľahko namontovať na druhé rameno, iba časť laserového rezača podopiera základňu chápadla za rameno.

Najdôležitejšie bolo doladenie čepelí na vrchu paže a v akej vzdialenosti sa lopatky nachádzali mimo chápadla, takže sa to robilo metódou pokusov a omylov, kým sa nedostaneme na najefektívnejšie miesto, kde sa môžeme pre čepele dostať uchopenie musí prebiehať takmer súčasne.

Krok 6: Pripojenie elektronických komponentov

V tomto obvode máme tri servomotory, jeden ultrazvukový senzor, jedno tlačidlo, Arduino a napájací zdroj.

Výstup napájania je možné nastaviť tak, ako chceme, a pretože všetky serva a ultrazvuk pracujú na 5 voltoch, nie je potrebný regulátor napätia, môžeme regulovať iba výstup zdroja na 5 V.

Každé servo musí byť pripojené k Vcc (+5 V), uzemneniu a signálu. Ultrazvukový senzor má 4 piny, jeden je pripojený na Vcc, jeden na zem a ďalšie dva piny sú spúšťacie a ozvučné piny, musia byť pripojené k digitálnym kolíkom. Tlačidlo je spojené so zemou a digitálnym kolíkom.

Pokiaľ ide o Arduino, musí hovoriť o svojom napájaní zo zdroja energie, nemôže napájať z prenosného počítača alebo z kábla, mal by mať rovnakú zem ako elektronické zariadenia, ktoré sú k nemu pripojené.

!!DÔLEŽITÉ POZNÁMKY!!:

- Na Vin by ste mali pridať prevodník energie a napájanie 7V.

-Uistite sa, že pri tomto pripojení by ste mali odpojiť port Arduino z počítača, aby ste ho napálili, inak by ste ako vstup nemali používať výstupný kolík 5V.

Krok 7: Arduino kód a vývojový diagram

Cieľom tohto robotického ramena s chápadlom je zozbierať citrón a dať ho niekam inam, takže keď je robot zapnutý, musíme stlačiť tlačidlo štart a potom prejde do určitej polohy, kde sa citrón nachádza, ak uchopí citrón, chápadlo prejde do konečnej polohy, aby dal citrón na svoje miesto, vybrali sme konečnú polohu na horizontálnej úrovni, kde je potrebný krútiaci moment maximálny, aby sme dokázali, že chápadlo je dostatočne silné.

Ako môže robot dosiahnuť citrón:

V projekte, ktorý sme urobili, jednoducho požiadame robota, aby posunul ramená do určitej polohy, kam vložíme citrón. Existuje aj iný spôsob, ako to urobiť. Na pohyb ramena môžete použiť inverznú kinematiku tak, že mu zadáte súradnice (x, y) citrónu a vypočíta, koľko sa musí každý motor otočiť, aby sa uchopovač dostal k citrónu.. Kde stav = 0 je, keď nie je stlačené štartovacie tlačidlo, takže rameno je v počiatočnej polohe a robot sa nehýbe, zatiaľ čo stav = 1 je, keď stlačíme štartovacie tlačidlo a robot sa spustí.

Inverzná kinematika:

Na obrázkoch je príklad výpočtu inverznej kinematiky, môžete vidieť tri náčrty, jeden pre počiatočnú polohu a ďalšie dva pre konečnú polohu. Ako teda vidíte, pre konečnú pozíciu- bez ohľadu na to, kde je- existujú dve možnosti, lakťom hore a lakťom dole, môžete si vybrať, čo chcete.

Vezmite si lakeť ako príklad, aby sa robot presťahoval do svojej polohy, je potrebné vypočítať dva uhly, theta1 a theta2, na obrázkoch tiež vidíte kroky a rovnice na výpočet theta1 a theta2.

Všimnite si toho, že ak sa prekážka nachádza vo vzdialenosti menšej ako 10 cm, potom je citrón uchopený a držaný chápadlom, nakoniec ho musíme doručiť do konečnej polohy.

Krok 8: Spustenie robota

Po všetkom, čo sme urobili predtým, tu sú videá z práce robota, pričom senzor, tlačidlo a všetko ostatné funguje tak, ako by malo. Tiež sme urobili test trepania robota, aby sme sa uistili, že je stabilný a zapojenie je v poriadku.

Krok 9: Záver

Tento projekt nám priniesol dobré skúsenosti s riešením takýchto projektov. Tento robot však môže byť upravený a môže mať ďalšie pridané hodnoty, ako je detekcia predmetov na detekciu citrónu alebo možno tretí stupeň voľnosti, aby sa mohol pohybovať medzi stromami. Tiež ho môžeme ovládať pomocou mobilnej aplikácie alebo klávesnice, takže ho môžeme presúvať, ako chceme. Dúfame, že sa vám náš projekt páči a špeciálne poďakovanie supervízorom vo Fablabe, že nám pomohli.