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

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 11:57

Po viac ako ročnom štúdiu, prototypoch a rôznych poruchách sa mi podarilo postaviť železo / hliníkový robot so 6 stupňami voľnosti ovládanými krokovými motormi.

Najťažší bol návrh, pretože som chcel dosiahnuť 3 základné ciele:

• Nízke náklady na realizáciu
• Jednoduchá montáž aj s malým vybavením
• Dobrá presnosť pri pohybe

3D model som s Rhinom navrhol niekoľkokrát, kým (podľa mňa) nenastane dobrý kompromis, ktorý spĺňa tieto 3 požiadavky.

Nie som inžinier a pred týmto projektom som nemal žiadne skúsenosti s robotikou, takže skúsenejší človek ako ja mohol nájsť chyby v dizajne toho, čo som urobil, ale stále môžem povedať, že som spokojný s konečným výsledkom, ktorý som dosiahol.

Zásoby

pre viac informácií navštívte môj osobný blog

Krok 1: Návrh CAD

Predtým, ako som prišiel k finálnemu modelu, som navrhol najmenej 8 rôznych prototypov s rôznymi prenosovými systémami, ale žiadny nedokázal splniť vyššie uvedené 3 požiadavky.

Spojením mechanických riešení všetkých vyrobených prototypov (a tiež prijatím niektorých kompromisov) vyšiel konečný model. Nepočítal som hodiny, ktoré som strávil pred CAD, ale môžem vás uistiť, že ich bolo naozaj veľa.

Jeden aspekt, ktorý je potrebné mať na pamäti vo fáze návrhu, je ten, že aj jeden gram pridaný na koniec zápästia robota sa vynásobí na úkor odporu krútiaceho momentu motorov v základni, a preto sa zvyšuje hmotnosť a tým viac motorov musí byť vypočítaná tak, aby vydržala úsilie.

Aby som „pomohol“motorom vydržať napätie, použil som plynové piesty 250N a 150N.

Myslel som na zníženie nákladov vytvorením robota s laserom rezanými železnými platňami (C40) a hliníkom s hrúbkou od 2, 3, 5, 10 mm; laserové rezanie je oveľa lacnejšie ako 3D frézovanie kovov.

Po navrhnutí každého jednotlivého komponentu som urobil tvary kusov v.dxf a poslal som ich do rezného centra. Všetky ostatné súčiastky som vyrobil sám na sústruhu.

Krok 2: Príprava a montáž

Konečne je čas si zašpiniť ruky (to mi ide najlepšie)…

Fáza výstavby si vyžiadala mnoho hodín práce na príprave dielov, ručnom zakladaní otvorov, spojov, závitov a sústružení nábojov. Skutočnosť, že som navrhol každý jeden komponent tak, aby dokázal pracovať iba s niekoľkými pracovnými nástrojmi, ma priviedla k tomu, že nemám žiadne veľké prekvapenia ani mechanické problémy.

Najdôležitejšou vecou nie je ponáhľať sa dokončiť veci, ale byť svedomitý a sledovať každý jeden riadok projektu, improvizácia v tejto fáze nikdy nevedie k dobrým výsledkom.

Realizácia ložiskových sedadiel je mimoriadne dôležitá, pretože každý kĺb na nich spočíva a dokonca aj malá niekoľkopercentná hra môže ohroziť úspech projektu.

Zistil som, že musím prerobiť čapy, pretože sústruhom som odstránil asi o 5 centov menší ako nosný otvor a keď som sa ho pokúsil namontovať, hra bola strašne zrejmá.

Na prípravu všetkých kúskov som použil tieto nástroje:

• vŕtací lis
• mlynček / dremel
• brúsny kameň
• manuálny súbor
• sústruh
• Anglické kľúče

Chápem, že nie každý môže mať doma sústruh a v takom prípade bude potrebné kusy odovzdať do špecializovaného centra.

Kusy som navrhol na rezanie laserom s o niečo hojnejšími spojmi, aby som ich mohol zdokonaliť ručne, pretože laser, nech je akokoľvek presný, vytvára kužeľovitý rez a je dôležité s ním počítať.

Ručná práca so súborom každý spoj, ktorý som urobil, aby sa vytvorilo veľmi presné spojenie medzi časťami.

Dokonca aj otvory v ložiskových sedadlách, ktoré som urobil, som zmenšil a potom som ich ručne vystružoval pomocou dremelu a veľa (ale naozaj veľa) trpezlivosti.

Všetky vlákna, ktoré som ručne vyrobil na vŕtačke, pretože sa dosiahne maximálna kolmosť medzi nástrojom a kusom. Po príprave každého kusu prišiel dlho očakávaný okamih pravdy, montáž celého robota. S prekvapením som zistil, že každý kus so správnymi toleranciami do seba presne zapadá.

Robot je teraz zmontovaný

Predtým, ako urobím čokoľvek iné, som radšej vykonal niekoľko pohybových skúšok, aby som sa uistil, že motory boli správne navrhnuté. Ak zistím nejaké problémy s motormi, najmä s ich uťahovacím momentom, budem nútený prerobiť značnú časť projektu.

Po namontovaní 6 motorov som teda vzal ťažkého robota do svojho podkrovného laboratória, aby ho predložil prvým testom.

Krok 3: Testy prvého pohybu

Po dokončení mechanickej časti robota som rýchlo zostavil elektroniku a pripojil iba káble 6 motorov. Výsledky testu boli veľmi pozitívne, kĺby sa dobre pohybujú a vo vopred stanovených uhloch som objavil niekoľko ľahko vyriešiteľných problémov.

Prvý problém sa týka kĺbu č. 3, čo pri maximálnom vysunutí príliš zaťažilo pás a niekedy spôsobilo stratu krokov. Riešenie tohto problému ma priviedlo k rôznym argumentom, ktoré uvidíme v nasledujúcom kroku.

Druhý problém sa týka kĺbu č. 4, riešenie krútenia pásu nebolo príliš spoľahlivé a generovalo problémy. Medzitým železné časti robota začali vytvárať malé hrdzavé body, takže s príležitosťou na vyriešenie problémov som využil aj príležitosť namaľovať ho.

Krok 4: Maľovanie a spätná montáž

Nemám veľmi rád fázu maľovania, ale v tomto prípade som povinný to urobiť, pretože to milujem ešte menej.

Na žehličku som najskôr položil základný náter, ktorý slúži ako pozadie pre červenú fluo farbu.

Krok 5: Oprava chyby N.1

Po výsledkoch testu som musel urobiť niekoľko zmien, aby som zlepšil presnosť robota. Prvá úprava sa týka kĺbu č. 3, najmä keď bol v najnepriaznivejšom stave, ktorý spôsobil nadmernú trakciu pásu a v dôsledku toho bol motor vždy pod stres. Riešením bolo pomôcť pôsobením sily v rozpore so smerom otáčania.

Celé noci som premýšľal nad tým, čo by mohlo byť najlepším riešením bez toho, aby som musel všetko robiť znova. Pôvodne som uvažoval o použití veľkej torznej pružiny, ale pri pohľade na internet som nenašiel nič uspokojivé, a tak som sa rozhodol pre plynový piest (ako som už navrhol pre kĺb č. 2), ale stále som sa musel rozhodnúť, kam ho umiestniť, pretože som nemal dostatok miesta.

Keď som sa trochu vzdal estetiky, rozhodol som sa, že najlepšie miesto na umiestnenie piestu je bok.

Urobil som výpočty potrebného výkonu piestu vzhľadom na bod, kde musel vyvinúť silu, a potom som na ebay objednal 150 N piest dlhý 340 mm, potom som navrhol nové podpery, aby ho bolo možné opraviť.

Krok 6: Oprava chyby N.2

Druhá zmena sa týka kĺbu č. 4, kde som pôvodne plánoval prenos so skrúteným remeňom, ale uvedomil som si, že medzery sú zmenšené a remeň nefunguje tak, ako sa očakávalo.

Rozhodol som sa úplne prerobiť celý kĺb navrhnutím ramien tak, aby bol motor prijatý paralelne vzhľadom na ne. S touto novou úpravou teraz pás funguje správne a je tiež jednoduchšie ho napnúť, pretože som navrhol systém kľúčov na ľahké napnutie pásu.

Krok 7: Elektronika

Riadiaca elektronika motora je rovnaká ako u klasického 3-osého CNC s tým rozdielom, že sú k dispozícii ďalšie 3 ovládače a ďalšie 3 motory. Celú logiku riadenia osí vypočítava aplikácia, elektronika má jedinú úlohu obdržania pokynov o tom, o koľko stupňov sa budú musieť motory otáčať, aby kĺb nedosiahol požadovanú polohu.

Časti, ktoré tvoria elektroniku, sú:

• Arduino Mega
• n. 6 ovládač DM542T
• n. 4 Relè
• n. 1 24V napájací zdroj
• n. 2 elektromagnetické ventily (pre pneumatickú svorku)

Na Arduino som načítal skicu, ktorá sa zaoberá súčasným riadením pohybov motorov, ako sú zrýchlenie, spomalenie, rýchlosť, kroky a maximálne limity, a je naprogramovaný tak, aby prijímal príkazy, ktoré sa majú vykonávať cez sériový port (USB).

V porovnaní s profesionálnymi pohybovými ovládačmi, ktoré môžu stáť až niekoľko tisíc eur, sa Arduino svojim malým spôsobom bráni príliš zjavne príliš zložitými operáciami, ktoré nie je schopný zvládnuť, ako napríklad viacvláknový, užitočný najmä vtedy, keď musíte spravovať viac motorov súčasne.

Krok 8: Úvahy o softvéri

Každý robot má svoj vlastný tvar a rôzne uhly pohybu a kinematika je pre každého z nich odlišná. Momentálne na spustenie testov používam softvér Chrisa Annina (www.anninrobotics.com), ale matematika napísaná pre jeho robota sa mi úplne nehodí, v skutočnosti niektoré oblasti pracovnej oblasti, na ktoré nemôžem dosiahnuť pretože výpočty rohov nie sú úplné.

Annin softvér je teraz vhodný na experimentovanie, ale budem musieť začať premýšľať o napísaní vlastného softvéru, ktorý by 100% zodpovedal fyzike môjho robota. Už som začal robiť nejaké testy pomocou programu Blender a písať časť Pythonu z pohybového ovládača a zdá sa to ako dobré riešenie, existuje niekoľko aspektov, ktoré je potrebné vyvinúť, ale táto kombinácia (Blender + Ptyhon) sa veľmi ľahko implementuje, obzvlášť je jednoduchá plánovať a simulovať pohyby bez toho, aby ste mali robota pred sebou.

Krok 9: Pneumatická svorka

Aby som mohol do robota odvážať predmety, vybavil som ho pneumatickou svorkou.

Osobne nemám rád kliešte so servom, nedávajú mi veľkú dôveru v tesnenie, takže som si myslel, že pneumatický kliešť špeciálne upravujúci tlak môže uspokojiť všetky potreby.

Štvorhrannými hliníkovými profilmi som upravil svorku tak, aby brala malé aj veľké predmety.

Neskôr, keď si nájdem čas, zhromaždím všetky informácie o projekte, aby som si ich mohol stiahnuť.

Dúfam, že sa vám tento návod páčil.