Moslty 3D tlačené robotické rameno, ktoré napodobňuje bábkový ovládač: 11 krokov (s obrázkami)

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

Som študent strojného inžinierstva z Indie a toto je môj bakalársky projekt.

Tento projekt je zameraný na vývoj lacného robotického ramena, ktoré je väčšinou 3D tlačené a má 5 DOF s 2prstovým chápadlom. Robotické rameno sa ovláda pomocou bábkového ovládača, ktorý je stolným modelom robotického ramena s rovnakými stupňami voľnosti a ktorého kĺby sú vybavené snímačmi. Ručná manipulácia s ovládačom spôsobuje, že robotické rameno napodobňuje pohyb spôsobom master-slave. Systém používa WiFi modul ESP8266 ako médium na prenos údajov. Rozhranie operátora master-slave poskytuje ľahko osvojiteľnú metódu manipulácie s robotickým ramenom. Nodemcu (Esp8266) sa používa ako mikrokontrolér.

Cieľom tohto projektu bol vývoj nízkonákladového robota, ktorý možno použiť na vzdelávacie účely. Prístup k takej robotickej technológii, ktorá predstavuje revolúciu v modernom svete, je bohužiaľ obmedzený iba na určité inštitúcie. Našim cieľom je vyvinúť a urobiť tento projekt open source, aby ho jednotlivci mohli sami vytvárať, upravovať a skúmať. Keďže ide o nízkonákladový a plne otvorený zdroj, môže to inšpirovať spolužiakov k učeniu sa a preskúmaniu tejto oblasti.

Moji partneri z projektu:

• Shubham likhar
• Nikhil Kore
• Palash lonare

Špeciálna vďaka:

• Akash Narkhede
• Ram bokade
• Ankit korde

za pomoc v tomto projekte.

Disclaimer: Nikdy som neplánoval napísať blog alebo inštruktáž o tomto projekte, kvôli čomu nemám dostatok údajov na to, aby som to teraz zdokumentoval. Toto úsilie je vynaložené dlho po spustení projektu. Napriek tomu som sa veľmi snažil priniesť čo najviac podrobností aby to bolo zrozumiteľnejšie. v niektorých bodoch sa vám to môže zdať nekompletné … dúfam, že to pochopíte:) čoskoro vložím video z YouTube, ktoré ukazuje jeho funkčné a ďalšie testovacie položky

Krok 1: Ako to teda funguje?

To je pre mňa na tomto projekte to najvzrušujúcejšie.

(Netvrdím, že je to efektívna alebo správna metóda na použitie na komerčné účely, iba na vzdelávacie účely)

možno ste už videli lacné roboty so servomotormi, ktoré slúžia len na ukážku. Na druhej strane existujú útulné krokové motorové roboty s planétovou prevodovkou atď. Ale tento robot medzi nimi predstavuje rovnováhu.

v čom sa teda líši?

Konštrukcia:

Namiesto použitia krokového motora s nižším výkonom a nízkymi nákladmi som použil motory na jednosmerný prúd, ale ako vieme, motory na jednosmerný prúd nemajú systém riadenia spätnej väzby a nemožno ich použiť priamo na riadenie polohy, zakryl som ich do servomotorov pridaním potenciometra ako snímača spätnej väzby/polohy.

Teraz, kvôli jednoduchosti práce, som urobil demontáž lacných 9g serva, ktoré odstránili obvody a nahradil jej Dc motor jednosmerným motorom s vysokým krútiacim momentom a malým hrncom za to, čo som mal pre robota. Vďaka tomu som mohol použiť predvolenú knižnicu v arduino, nemôžete uveriť, že veľa zjednodušeného kódovania!

Na pohon motora 12V Dc s 5V servo čipom som použil modul ovládača motora L298N, ktorý môže poháňať 2 motory súčasne. Modul má 4 vstupné kolíky IN1 až IN4, ktoré určujú smer otáčania motora. Kde IN1 a IN2 zodpovedá prvému motoru a IN3, IN4 až 2. motor. Preto sú výstupné svorky (2) servopohonu (pôvodne k malému jednosmernému motoru) pripojené k IN1 a IN2 výstupu modulu L298N, z ktorého je spojený s motorom 12V Dc.

Práca:

Týmto spôsobom, keď hriadeľ motora nie je v cieľovej polohe, potenciometer pošle hodnotu uhla na servopohon, ktorý prikáže modulu L298N, aby poháňal buď Cw alebo CCW podľa poradia prijatého od mikrokontroléra.

Schéma je znázornená na obrázku (iba pre 1 motor)

V NAŠOM PRÍPADE JE PRIHLÁŠENÉ (SPOLOČNÉ ÚHELOVÉ HODNOTY) POSLANÝM OVLÁDAČOM LÍSTKOV, KTORÉHO JE KAŽDÉHO SPOLOČNÉHO SPOJOVAČA KAŽDÉHO SPOJENÉHO SPOJOVACIEHO SPOJOVACIEHO SPOJOVACIEHO SYSTÉMU (10 %), KAŽDÝ SPOJENÝ KÓPIU SKUTOČNÉHO ROBOTA. ROBOT SPOJTE SA S KAŽDÝM SPOLOČNÝM MOTOROM SA SKÚSTE OBJEDNAŤ

V každom kĺbe je potenciometer pripojený k kĺbovému hriadeľu pomocou pásového pulzného mechansimu. Keď sa kĺb otáča, potenciometer sa otáča zodpovedajúcim spôsobom a poskytuje spätnú väzbu o aktuálnej polohe uhla kĺbu (zobrazené na obrázkoch vyššie)

Krok 2: Použité komponenty:

Ako som povedal, stále pracujem a zlepšujem to zo dňa na deň, preto sa tieto komponenty môžu v niektorých budúcich aktualizáciách líšiť.

mojim cieľom bolo, aby bol čo najhospodárnejší, a preto som použil veľmi selektívne komponenty. Toto je zoznam hlavných komponentov použitých v Arm til date (v budúcnosti ho budem aktualizovať)

1. Esp8266 (2x)
2. Motory na jednosmerný prúd (rôznych špecifikácií, krútiaci moment a rýchlosti, 5x)
3. Modul ovládača motora L298N (2x)
4. Potenciometer (8x)
5. Hliníkový kanál (30x30, 1 meter)
6. rôzny hardvér

Krok 3: Výpočty a návrh ramena

Na návrh ramena som použil softvér catia v5. Pred začatím procesu návrhu bolo najskôr vypočítať dĺžky spojov a krútiaci moment, ktoré musí každý kĺb vydržať.

Najprv som začal s niekoľkými predpokladmi, ktoré zahŕňajú:

1. Maximálne užitočné zaťaženie robota bude 500 g (1,1 libry)
2. celkový dosah robota bude 500 mm
3. Hmotnosť robota nepresiahne 3 kg.

Výpočty dĺžky odkazov

v nadväznosti na to som vypočítal dĺžku odkazu s odkazom na výskumný dokument „Dizajn robotického ramena od I. M. H. van Haarena“

I. M. H. van Haaren uviedol vynikajúci príklad toho, ako určil dĺžky článkov pomocou biologického odkazu, v ktorom sú dĺžky hlavných segmentov tela vyjadrené ako zlomok celkovej výšky. Je to znázornené na obr.

po výpočtoch sa ukázali dĺžky odkazov

L1 = 274 mm

L2 = 215 mm

L3 = 160 mm

Dĺžka uchopovača = 150 mm

Výpočty krútiaceho momentu:

Pri výpočte krútiaceho momentu som použil základné pojmy točivého momentu a momentov aplikované v strojárstve.

bez toho, aby som sa pustil do dynamických výpočtov, som kvôli niektorým kontraindikáciám spoliehal iba na výpočty statického krútiaceho momentu.

K dispozícii sú 2 hlavní hráči s krútiacim momentom ako T = FxR, tj v našom prípade zaťaženie (hmotnosť) a dĺžka článku. Keďže dĺžky článkov sú už určené, ďalšou vecou je zistiť hmotnosť komponentov. V tejto fáze som si nebol istý, ako môžem nájsť hmotnosti každého komponentu bez toho, aby ste ho v skutočnosti merali.

Tieto výpočty som teda urobil v iteráciách.

1. Hliníkový kanál som predpokladal ako rovnomerný materiál po celej jeho dĺžke a rozdelený na hmotnosť celkom 1 meter kociek s dĺžkou kociek, ktoré sa chystám použiť.
2. Pokiaľ ide o kĺby, predpokladal som pre každý kĺb určité hodnoty (hmotnosť motora + hmotnosť 3D tlačenej časti + ostatné) na základe predpokladu celkovej hmotnosti robota.
3. predchádzajúce 2 kroky mi poskytli hodnoty krútiaceho momentu prvého iteračného kĺbu. Pre tieto hodnoty som našiel vhodné motory na internete spolu s ďalšími špecifikáciami a hmotnosťami.
4. V 2. iterácii som použil pôvodné hmotnosti motorov (ktoré som zistil v 3. kroku) a znova som vypočítal statické momenty pre každý kĺb.
5. Ak boli konečné hodnoty krútiaceho momentu v kroku 4 vhodné pre motory vybrané v kroku 3, dokončil by sa tento motor, inak krok 3 a 4 opakujte, kým formulované hodnoty nespĺňajú aktuálne špecifikácie motora.

Konštrukcia ramena:

Toto bola najnudnejšia úloha celého tohto projektu a jeho návrh trval takmer mesiac. Podľa spôsobu, akým som priložil fotografie modelu CAD. Zanechám odkaz na stiahnutie týchto súborov CAD niekde tu:

Krok 4: 3D tlač dielov

Všetky diely, ktoré sú spojmi, sú 3D tlačené na tlačiarni s cenou 99 USD s tlačovou plochou 100 x 100 x 100 mm (áno, to je pravda !!)

tlačiareň: Easy threed X1

Zahrnul som fotografie hlavných dielov z krájača a prepojím všetky súbory catfile súborov CAD a stl, aby ste si ich mohli sťahovať a upravovať, ako chcete.

Krok 5: Zostava ramenného kĺbu (kĺb J1 a J2)

Základný pulz bol vytlačený na inej tlačiarni, pretože mal priemer 160 mm. Kĺbový ramenný spoj som navrhol tak, aby ho bolo možné poháňať (rotácia okolo osi z) buď pomocou remenice alebo mechanizmu pastorka, ktorý môžete vidieť na priložených obrázkoch vyššie. V spodnej časti sú umiestnené ložiská, ktoré sú potom namontované na centrálnom hriadeli na plošinu určenú na pohyb ramena (nádrž, v budúcnosti viac).

Väčší prevod (žltý na obrázku) je namontovaný na hliníkovom kanáli pomocou skrutiek s maticou, cez ktoré prechádza 8 mm oceľový hriadeľ, okolo ktorého sa pohybuje kĺb 2. Prevodový pomer v prvom kĺbe je 4: 1 a v druhom kĺbe je 3,4: 1

Krok 6: lakeť a kĺb (kĺb J3)

(NIEKTORÉ OBRAZY SÚ PO POSTAVENÍ, AKO NEMÁM KOMPLETNÉ PROCESNÉ SNÍMKY)

Lakťový kĺb nasleduje po ramennom kĺbe. Jedná sa o 2 -dielny kĺb, jeden je spojený jedným a druhý spojom 2.

kus 1 má motor Dc s hnacím pastorkom a kus 2 má k nemu pripevnené väčšie ozubené koleso a pár ložísk na uloženie hriadeľa. Prevodový pomer je rovnaký ako u J2, tj. 3,4: 1, ale motor je 12,5 KG-CM 60 ot / min.

Kĺb J3 má rozsah pohybu 160 stupňov.

Krok 7: Kĺbový zápästie (kĺb J4 a J5)

(NIEKTORÉ OBRAZY SÚ PO POSTAVENÍ, AKO NEMÁM KOMPLETNÉ PROCESNÉ SNÍMKY)

Potom, čo je lakťovým kĺbom zápästný kĺb. Ten sa opäť skladá z 2 kusov, jeden na predchádzajúcom článku (tj. Článok 2) a jeden pozostávajúci z mototu J5, ktorý otáča zostavou zápästia. Prevodový pomer je 1,5: 1 a použitý motor Dc je 10 otáčok za minútu 8 kg -CM.

Tento kĺb J4 má rozsah otáčania 90 stupňov a J5 má stupeň 360.

Krok 8: Chápadlo

Bola to jedna z najťažších úloh na navrhnutie. Bola navrhnutá tak, aby dokázala vybrať väčšinu predmetov a uchytiť väčšinu vecí okolo nás, ako sú západky dverí, kľučky, tyče atď.

Ako je znázornené na obrázku, špirálové ozubené koleso pripevnené k motorovým pohonom na ozubené kolesá v smere alebo proti smeru hodinových ručičiek, ktoré sú spojené s prstami na ich otváranie a zatváranie.

Všetky časti chápadla sú zobrazené na priloženom obrázku.

Krok 9: Výroba bábkového ovládača pre robotické rameno

Bábkový ovládač je presne 10 -krát zmenšenou verziou skutočného robotického ramena. Má 4 potenciometre namontované na 4 kĺboch, konkrétne J1, J2, J3, J4 a kĺb J5 sa bude ovládať tlačidlom na nepretržité otáčanie (otáčanie chápadla pre akékoľvek operácia)

potenciometre snímajú uhol natočenia kĺbov a odosielajú túto hodnotu medzi 1-1023 do Nodemcu, ktorá je prevedená späť na 1-360 a odoslaná na iný Nodemcu cez wifi. Pretože ESP8266 má iba jeden analógový vstup, použil som multiplexor 4051.

návod na používanie multiplexora 4051 s esp8266-https://www.instructables.com/id/How-to-Use-Multip…

schematický diagram:

Schematický diagram pridám hneď, ako ho dokončím (ak by to niekto potreboval súrne, dovtedy ma kontaktujte)

Kód: (tiež zahrnuté tu)

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

Krok 10: Elektronika

Prikladám obrázky z aktuálnej práce. Kompletná elektronika a schematický diagram ešte nie sú dokončené. Aktualizácie zverejním čoskoro, potom zostanete v spojení:)

(Poznámka: Tento projekt ešte nie je dokončený. V budúcnosti budem sledovať všetky aktualizácie)

Krok 11: Kódy a schéma na jednom mieste

Hneď ako to dokončím, spracujem úplné schémy robota a konečný kód!