Stroj na triedenie skrutiek: 7 krokov (s obrázkami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 11:59

Jedného dňa som v laboratóriu (FabLab Moskva) videl svojho kolegu zaneprázdneného triedením plnej škatule so skrutkami, maticami, krúžkami a iným hardvérom. Zastavil som vedľa neho, chvíľu som to sledoval a povedal: „Pre stroj by to bola perfektná práca.“Po letmom pohľade na google som zistil, že už existujú rôzne dômyselné mechanické systémy, ale nedokázali vyriešiť náš problém, pretože v našej krabici je široká škála dielov. Robiť niečo čisto mechanické by bolo dosť komplikované. Ďalším dobrým dôvodom na prechod na „robotickejší“systém bol ten, že by to vyžadovalo všetky technické oblasti, ktoré mám rád: strojové videnie, robotické ramená a elektromechanické aktuátory!

Tento stroj vyberá skrutky a umiestňuje ich do rôznych škatúľ. Skladá sa z robotického ramena, ktoré ovláda elektromagnet, priesvitný pracovný stôl nad svetlami a kameru na vrchu. Po roztiahnutí niektorých skrutiek a matíc na pracovný stôl sa zapnú svetlá a urobí sa obrázok. Algoritmus zisťuje tvary súčiastok a vracia ich polohy. Nakoniec rameno s elektromagnetom umiestňuje diely jeden po druhom do požadovaných boxov.

Tento projekt je stále vo vývoji, ale teraz dosahujem slušné výsledky, o ktoré sa s vami chcem podeliť.

Krok 1: Nástroje a materiál

Nástroje

• Laserová rezačka
• Uhlová brúska
• Pílka na drevo
• Skrutkovač
• Svorky (čím viac, tým lepšie)
• Horúca lepiaca pištoľ

Materiál

• Preglejka 3 mm (1 m2)
• Preglejka 6 mm (300 x 200 mm)
• Biely priesvitný plast 4 mm (500 x 250 mm)
• Počítač (pokúšam sa prejsť na malinový pi)
• Webová kamera (Logitech HD T20p, každý by mal pracovať)
• Arduino so 4 výstupmi PWM / analogWrite (tri servá a cievka elektromagnetu) (používam ProTrinket 5V)
• Prototypová doska
• Elektronický drôt (2 m)
• Spínací tranzistor (akýkoľvek tranzistor, ktorý môže poháňať 2W cievku) (mám S8050)
• Dióda (Schottky je lepšia)
• 2 odpory (100Ω, 330Ω)
• Napájanie 5V, 2A
• Servo mikro (šírka 13, dĺžka 29 mm)
• 2 servá štandard (šírka 20, dĺžka 38 mm)
• Lepidlo na drevo
• 4 kovový roh so skrutkami (voliteľné)
• Drevená tyč (30 x 20 x 2400)
• Horúce lepidlo
• Smaltovaný medený drôt (0,2, 0,3 mm, priemer 5 m) (starý transformátor?)
• Mäkká žehlička (16 x 25 x 4 mm)
• 3 žiarovky s objímkou
• Spojovací pásik (230 V, 6 prvkov)
• Elektrický vodič so zásuvkou (230 V) (2 m)
• Ložisko 625ZZ (vnútorný priemer 5 mm, vonkajší priemer 16 mm, výška 5 mm)
• Ložisko 608ZZ (vnútorný priemer 8 mm, vonkajší priemer 22 mm, výška 7 mm)
• Ložisko rb-lyn-317 (vnútorný priemer 3 mm, vonkajší priemer 8 mm, výška 4 mm)
• Ozubený remeň GT2 (rozstup 2 mm, šírka 6 mm, 650 mm)
• Skrutka M5 x 35
• Skrutka M8 x 40
• 8 skrutiek M3 x 15
• 4 skrutky M4 x 60
• 6 skrutiek do dreva 2 x 8 mm
• Skrutka M3 x 10
• Modul reléovej dosky (priamo ovládateľný ovládačom)

Krok 2: Vytvorte svetelný box

Svetelný box má štyri hlavné časti a niektoré vzpery. Stiahnite tieto diely a prilepte ich okrem priesvitného plastu. Začal som s dreveným polovičným kotúčom a zakrivenou stenou. Počas sušenia musíte okolo disku udržať stenu utiahnutú. Na zaistenie polovičného kotúča a zakrivenej steny som použil svorky. Potom nejaká páska udržiava stenu okolo polovičného disku. Za druhé som prilepil ráfik, aby vydržal priesvitný pracovný stôl. Nakoniec je k plochej stene pridaný pravý (drevený) (vnútorný) a kovový (vonkajší) okraj.

Akonáhle je krabica dokončená, stačí pridať žiarovky a prepojiť drôt a zásuvku s konektorovou lištou. Odrežte kábel 230 V tam, kde je to pre vás výhodné, a vložte reléový modul. Relé (230V!) Som z bezpečnostných dôvodov uzavrel do drevenej škatule.

Krok 3: Vytvorte robotické rameno

Stiahnite diely a nakrájajte ich. Na zaistenie pásu na servomotore som použil kúsky kancelárskych sponiek. Dva diely pásov som pribil na servomotor a pridal som trochu lepidla, aby som sa uistil, že sa nič nehýbe.

Na lineárne vertikálne vedenie musí byť piest brúsený, aby sa zabránilo zablokovaniu. Musí plynulo kĺzať. Hneď po zostavení je možné výšku nastaviť odrezaním vedenia v požadovanej dĺžke. Udržujte ho však čo najdlhšie, aby ste predišli prílišnému stredovému zámku. Piest je jednoducho prilepený k ramennému boxu.

Ložiská sú uzavreté vo vnútri kladiek. Jedna kladka je vyrobená z dvoch vrstiev preglejky. Tieto dve vrstvy sa nemusia navzájom dotýkať, takže namiesto ich lepenia ich prilepte k príslušnej doske ramena. Dosky horného a dolného ramena sú udržiavané štyrmi skrutkami a maticami M3 x 15. Prvá os (veľká) je jednoducho skrutka M8 x 40 a druhá (malá) skrutka M5 x 35. Matice používajte ako rozpery a uzamykateľné časti ramien.

Krok 4: Vyrobte elektromagnet

Elektromagnet je jednoducho jadro z mäkkého železa a okolo je obalený smaltovaným drôtom. Mäkké železné jadro vedie magnetické pole na požadovanom mieste. Toto magnetické pole (je proporcionálne) vytvára prúd v smaltovanom drôte. Čím viac zákrut urobíte, tým viac magnetického poľa máte. Navrhol som žehličku v tvare U, aby sa magnetické pole sústredilo do blízkosti zachytených skrutiek a zvýšila sa sila predpätia.

Vystrihnite tvar U do kúska mäkkej žehličky (výška: 25 mm, šírka: 15 mm, prierez železa: 5 x 4 mm). Pred navinutím drôtu okolo žehličky v tvare U je veľmi dôležité odstrániť ostré hrany. Dávajte pozor, aby ste udržali rovnaký smer vinutia (obzvlášť keď skočíte na druhú stranu, musíte zmeniť smer otáčania z vášho pohľadu, ale rovnaký smer ponecháte z pohľadu železa v tvare písmena U) (https://en.wikipedia.org/wiki/Right-hand_rule) Pred rozvetvením cievky do obvodu skontrolujte odpor cievky multimetrom a vypočítajte prúd podľa Ohmovho zákona (U = RI). Na svojej cievke mám viac ako 200 závitov. Navrhujem, aby ste navíjali, kým v tvare U nebudete mať priestor iba 2 mm.

Bol vyrobený drevený držiak a žehlička v tvare U bola zaistená horúcim lepidlom. Dve štrbiny umožňujú zaistiť drôt na oboch koncoch. Nakoniec sú na drevený držiak pribité dva čapy. Vytvárajú spojenie medzi smaltovaným medeným drôtom a elektronickým vodičom. Aby sa zabránilo poškodeniu cievky, pridal som vrstvu horúceho lepidla okolo cievky. Na poslednom obrázku môžete pozorovať drevenú časť, ktorá zatvára žehličku v tvare U. Jeho funkciou je zabrániť uviaznutiu akýchkoľvek skrutiek vo vnútri žehličky v tvare U.

Smaltovaný drôtený plášť bol prevzatý z rozbitého transformátora. Ak to urobíte, skontrolujte, či nie je drôt zlomený alebo či v použitej časti nie sú skraty. Odstráňte pásku z feromagnetického jadra. Rezačkou jeden po druhom oddeľte všetky železné plátky. Potom odstráňte pásku z cievky a nakoniec odmotajte smaltovaný drôtený debnár. Použité je sekundárne vinutie (cievka veľkého priemeru) (vstup transformátora 230V, výstup 5V-1A).

Krok 5: Vytvorte obvod

Na prototypovej doske som postavil schému vyššie. Na spínanie elektromagnetickej cievky bol použitý bipolárny tranzistor (S8050). Skontrolujte, či váš tranzistor zvládne prúd vypočítaný v predchádzajúcom kroku. V tejto situácii je pravdepodobne vhodnejší MOSFET, ale vzal som to, čo som mal po ruke (a chcel som nízky odpor). Nastavte dva odpory na váš tranzistor.

V schéme vyššie sú ikony VCC a GND pripojené k + a - môjho napájacieho zdroja. Servomotory majú tri vodiče: signál, VCC a GND. K regulátoru je pripojený iba signálny vodič, ostatné sú pripojené k zdroju napájania. Ovládač je napájaný káblom programátora.

Krok 6: Kód

V neposlednom rade: Kód. Nájdete ho tu:

Existuje jeden program pre ovládač (typ arduino) a ďalší, ktorý beží na počítači (dúfajme, že čoskoro na maline). Kód na ovládači je zodpovedný za plánovanie trajektórie a kód na počítači vykoná spracovanie obrazu a odošle výslednú pozíciu do ovládača. Spracovanie obrazu je založené na OpenCV.

Program počítača

Program nasníma fotografiu pomocou webovej kamery a svetiel, detekuje priesvitný stred a polomer pracovného stola a opraví prípadné otočenie obrazu. Z týchto hodnôt program vypočíta polohu robota (Poznáme polohu robota podľa platne). Program používa na detekciu skrutiek a skrutiek funkciu detektora blokov OpenCV. Rôzne typy blobov sa filtrujú pomocou dostupných parametrov (plocha, farba, kruhovitosť, konvexita, zotrvačnosť), aby sa vybral požadovaný komponent. Výsledkom detektora blob je poloha (v pixeloch) vybratých blob. Potom funkcia transformuje tieto polohy pixelov do milimetrových polôh v súradnicovom systéme ramena (ortogonálne). Iná funkcia vypočítava požadovanú polohu každého spojenia ramien, aby bol elektromagnet v požadovanej polohe. Výsledok pozostáva z troch uhlov, ktoré sa nakoniec odošlú do regulátora.

Program ovládača

Tento program prijíma uhly spojenia a pohybuje časťami ramena, aby dosiahli tieto uhly. Najprv vypočíta maximálnu rýchlosť každého spoja, aby sa pohyb vykonal v rovnakom časovom intervale. Potom skontroluje, či sú tieto najvyššie rýchlosti niekedy dosiahnuté, v tomto prípade bude pohyb nasledovať tri fázy: zrýchlenie, konštantná rýchlosť a spomalenie. Ak nie je dosiahnutá maximálna rýchlosť, bude tento krok nasledovať iba v dvoch fázach: zrýchlenie a spomalenie. Počíta sa aj moment, v ktorom musí prejsť z jednej fázy do druhej. Nakoniec sa ťah vykoná: V pravidelných intervaloch sa vypočítajú a odošlú nové skutočné uhly. Ak je čas prejsť do fázy vnorenia, vykonávanie pokračuje do ďalšej fázy.

Krok 7: Posledné dotyky

Rám

Bol pridaný rámček na držanie fotoaparátu. Rozhodol som sa ho vyrobiť z dreva, pretože je lacný, ľahko sa s ním pracuje, ľahko sa hľadá, je šetrný k životnému prostrediu, má príjemný tvar a zostáva v štýle, s ktorým som začínal. Vykonajte obrazový test s fotoaparátom, aby ste rozhodli, aká výška je potrebná. Uistite sa, že je aj tuhý a pevný, pretože som si všimol, že výsledná poloha je veľmi citlivá na akékoľvek pohyby kamery (prinajmenšom predtým, ako som pridal funkciu automatickej detekcie pracovného stola). Kamera musí byť umiestnená v strede pracovného stolu a v mojom prípade 520 mm od priesvitného bieleho povrchu.

Krabice

Ako vidíte na obrázku, pohyblivé úložné boxy sú na plochej časti pracovného stola. Môžete vyrobiť toľko boxov, koľko je potrebné, ale pri mojom skutočnom nastavení je priestor dosť obmedzený. Napriek tomu mám nápady, ako tento bod zlepšiť (porovnaj budúce zlepšenia).

Budúce vylepšenia

• V súčasnej dobe je rozvodový remeň uzavretý drevenou časťou, ale toto riešenie obmedzuje oblasť, do ktorej môže rameno dosiahnuť. Potrebujem pridať väčší priestor medzi veľkým servom a osou ramena alebo vytvoriť menší zatvárací systém.
• Krabice sú pozdĺž plochého okraja pracovného stola, keby som to dal pozdĺž okraja polkruhu, mal by som oveľa viac priestoru na pridanie políčok a zoradenie mnohých typov komponentov.
• Teraz na triedenie častí stačí filter na detekciu blobov, ale keďže chcem zvýšiť počet políčok, budem potrebovať zvýšenie selektivity. Z tohto dôvodu vyskúšam rôzne metódy rozpoznávania.
• Teraz používané servomotory nemajú dostatočný dosah na to, aby sa dostali na všetok pracovný stôl s polovičným diskom. Potrebujem vymeniť servá alebo zmeniť redukčný faktor medzi rôznymi kladkami.
• Niektoré problémy sa vyskytujú pomerne často, takže prioritou je zlepšenie spoľahlivosti. Na to musím klasifikovať typ problémov a sústrediť sa na tie pravdepodobnejšie. To je už to, čo som urobil s malým kúskom dreva, ktorý zatvára žehličku v tvare U a algoritmus centra automatickej detekcie, ale teraz sa problémy začínajú komplikovanejšie riešiť.
• Vytvorte PCB pre regulátor a elektronický obvod.
• Migrovaním kódu na Raspberry pi získate samostatnú stanicu

Druhá cena v organizačnej súťaži