Priemyselný robot manipulátor: Môžem robiť všetko a môžem robiť všetko. Urob si sám stolové robotické rameno vyrobené z plexiskla so servopohonmi Materiály a nástroje

Ahojte všetci!
Pred pár rokmi sa na kickstarteri objavil veľmi zaujímavý projekt od uFactory – desktopová robotická ruka uArm. Sľúbili, že časom urobia projekt open source, ale nemohol som čakať a začal som robiť reverzné inžinierstvo z fotografií.
V priebehu rokov som vytvoril štyri verzie mojej vízie tohto manipulátora a nakoniec som vyvinul tento dizajn:
Ide o robotické rameno s integrovaným ovládačom, poháňané piatimi servami. Jeho hlavnou výhodou je, že všetky diely je možné buď zakúpiť, alebo lacno a rýchlo vyrezať z plexiskla laserom.
Keďže som bral open source projekt ako zdroj inšpirácie, zdieľam všetky svoje výsledky v plnom rozsahu. Všetky zdroje si môžete stiahnuť z odkazov na konci článku a ak chcete, zostaviť ten istý (všetky odkazy sú na konci článku).

Ale je jednoduchšie ukázať to raz v akcii, ako dlho hovoriť, čo to je:

Prejdime teda k popisu.
Špecifikácie

1. Výška: 300 mm.
2. Pracovná plocha (s úplne vysunutým ramenom): od 140 mm do 300 mm okolo základne
3. Maximálna nosnosť na dĺžku paže, nie menej ako: 200 g
4. Prúdová spotreba, nie viac: 6A

Chcel by som tiež poznamenať niektoré konštrukčné prvky:

1. Ložiská vo všetkých pohyblivých častiach manipulátora. Celkovo je ich jedenásť: 10 kusov pre 3mm hriadeľ a jeden pre 30mm hriadeľ.
2. Jednoduchá montáž. Veľkú pozornosť som venoval tomu, aby existovala taká postupnosť montáže manipulátora, pri ktorej by bolo mimoriadne pohodlné skrutkovať všetky diely. To bolo obzvlášť ťažké pre výkonné servopohonné jednotky v základni.
3. Všetky výkonné servá sú umiestnené v základni. To znamená, že „dolné“ servá neťahajú „horné“.
4. Vďaka paralelným pántom zostáva nástroj vždy rovnobežný alebo kolmý k zemi.
5. Polohu manipulátora je možné meniť o 90 stupňov.
6. Hotový softvér kompatibilný s Arduino. Správne zostavenú ruku je možné ovládať myšou a pomocou príkladov kódu si môžete vytvoriť vlastné pohybové algoritmy

Popis dizajnu
Všetky časti manipulátora sú vyrezané z plexiskla s hrúbkou 3 a 5 mm:

Venujte pozornosť tomu, ako je otočná základňa zostavená:
Najťažší je uzol v spodnej časti manipulátora. V prvých verziách mi jeho zostavenie dalo veľa úsilia. Spája tri servá a prenáša sily na grip. Časti sa otáčajú okolo kolíka s priemerom 6 mm. Uchopovač je držaný paralelne (alebo kolmo) k pracovnej ploche vďaka prídavným tyčiam:

Manipulátor s nainštalovaným ramenom a lakťom je znázornený na fotografii nižšie. K tomu ešte musíme pridať pazúr a prúty:

Pazúr je tiež namontovaný na ložiskách. Môže sa zmenšiť a otáčať okolo svojej osi:
Pazúrik môže byť inštalovaný vertikálne aj horizontálne:

Všetko je riadené doskou kompatibilnou s Arduino a jej štítom:

Montáž
Zloženie manipulátora bude trvať asi dve hodiny a veľa spojovacích prvkov. Samotný proces montáže som zdokumentoval formou návodu na fotografiách (pozor, premávka!) s podrobným komentárom ku každej operácii. Vyrobil som aj detailný 3D model v jednoduchom a bezplatnom programe SketchUp. Takže si ho môžete kedykoľvek otočiť pred očami a pozrieť sa na zvláštne miesta:


Elektronika a programovanie
Vyrobil som celý štít, na ktorý som okrem servo a napájacích konektorov nainštaloval aj variabilné odpory. Pre uľahčenie ladenia. V skutočnosti stačí pripojiť signály k motorom pomocou kontaktnej dosky. Ale nakoniec som skončil s týmto štítom, ktorý som si (len tak náhodou) objednal z továrne:

Vo všeobecnosti som pre Arduino vytvoril tri rôzne programy. Jeden na ovládanie z počítača, jeden na prácu v demo režime a jeden na ovládanie tlačidiel a premenných rezistorov. Najzaujímavejšia z nich je, samozrejme, prvá. Nebudem tu poskytovať celý kód - je dostupný online.
Na ovládanie je potrebné stiahnuť si program do počítača. Po jej spustení myš prejde do režimu ovládania rukou. Pohyb je zodpovedný za pohyb po XY, koleso mení výšku, LMB/RMB - zachytenie, RMB+koleso - otáčanie manipulátora. A je to vlastne pohodlné. Bolo to vo videu na začiatku článku.
Zdroje projektu

Robotické rameno MeArm je vreckovou verziou priemyselného ramena. MeArm je ľahko zostaviteľný a ovládateľný robot, mechanické rameno. Manipulátor má štyri stupne voľnosti, čo uľahčuje uchopenie a premiestňovanie rôznych malých predmetov.

Tento produkt je prezentovaný ako súprava na montáž. Obsahuje nasledujúce časti:

• sada priehľadných akrylových dielov na zostavenie mechanického manipulátora;
• 4 servá;
• riadiaca doska, na ktorej je umiestnený mikrokontrolér Arduino Pro a grafický displej Nokia 5110;
• doska joysticku obsahujúca dva dvojosové analógové joysticky;
• USB napájací kábel.

Pred montážou mechanického manipulátora je potrebné nakalibrovať servá. Na kalibráciu použijeme ovládač Arduino. Servá pripojíme k doske Arduino (vyžaduje sa externý zdroj 5-6V 2A).

Servo stredné, ľavé, pravé, pazúr; // vytvoríme 4 Servo objekty

Void setup()
{
Serial.begin(9600);
middle.attach(11); // pripojí servo na kolík 11 na otáčanie plošiny
left.attach(10); // pripojí servo na kolík 10 na ľavom ramene
vpravo.pripojit(9); // pripojí servo na kolík 11 na pravom ramene
pazúr.priložiť(6); // pripojí servo na špendlík 6 (zachytenie)
}

void loop()
{
// nastaví polohu serva podľa veľkosti (v stupňoch)
stred.zapis(90);
vľavo.písať(90);
spravne.zapis(90);
pazúr.písať(25);
oneskorenie(300);
}
Pomocou značky urobte čiaru cez telo servomotora a vreteno. Pripojte plastovú kolísku, ktorá je súčasťou súpravy, k servu, ako je znázornené nižšie, pomocou malej skrutky, ktorá je súčasťou montážnej súpravy serva. V tejto polohe ich využijeme pri montáži mechanickej časti MeArm. Dávajte pozor, aby ste nepohli polohou vretena.


Teraz môžete zostaviť mechanický manipulátor.
Vezmite základňu a pripevnite nohy k jej rohom. Potom nainštalujte štyri 20 mm skrutky a naskrutkujte na ne matice (polovica celkovej dĺžky).

Teraz pripevníme centrálne servo dvoma 8 mm skrutkami k malej doske a výslednú konštrukciu pripevníme k základni pomocou 20 mm skrutiek.

Zhromažďujeme ľavú časť konštrukcie.

Zhromažďujeme správnu časť konštrukcie.

Teraz musíte pripojiť ľavú a pravú časť. Najprv idem na dosku adaptéra

Potom doprava a dostaneme

Pripojenie konštrukcie k platforme

A zbierame „pazúry“

Pripájame "pazúry"

Na montáž môžete použiť nasledujúci návod (v angličtine) alebo návod na montáž podobného manipulátora (v ruštine).

Pinout diagram

Teraz môžete začať písať Arduino kód. Na ovládanie manipulátora spolu s možnosťou ovládať ovládanie pomocou joysticku by bolo fajn nasmerovať manipulátor na konkrétny bod v karteziánskych súradniciach (x, y, z). Existuje zodpovedajúca knižnica, ktorú si môžete stiahnuť z github - https://github.com/mimeindustries/MeArm/tree/master/Code/Arduino/BobStonesArduinoCode.
Súradnice sa merajú v mm od stredu otáčania. Východisková poloha je v bode (0, 100, 50), to znamená 100 mm vpredu od základne a 50 mm od zeme.
Príklad použitia knižnice na inštaláciu manipulátora v konkrétnom bode v karteziánskych súradniciach:

#include "meArm.h"
#include

Void setup() (
arm.begin(11, 10, 9, 6);
arm.openGripper();
}

Void loop() (
// hore a doľava
arm.gotoPoint(-80,100,140);
// chytiť
arm.closeGripper();
// dole, ublížiť a správne
arm.gotoPoint(70,200,10);
// uvoľnite zovretie
arm.openGripper();
// návrat do východiskového bodu
arm.gotoPoint(0,100,50);
}

Metódy triedy meArm:

neplatné začať(int pinBase, int pinShoulder, int pinElbow, int pinGripper) - spustite meArm, špecifikujte spojovacie kolíky pre stredné, ľavé, pravé, pazúrové servá. Musí sa zavolať v setup();
neplatné openGripper() - otvorte rukoväť;
neplatné closeGripper() - zachytiť;
neplatné gotoPoint(plávať x, plávať r, plávať z) - presunúť manipulátor do polohy kartézskych súradníc (x, y, z);
plávať getX() - aktuálna súradnica X;
plávať getY() - aktuálna súradnica Y;
plávať getZ() - aktuálna Z súradnica.

Montážna príručka (angličtina)

Najprv sa budú diskutovať o všeobecných otázkach, potom o technických charakteristikách výsledku, detailoch a nakoniec o samotnom procese montáže.

Vo všeobecnosti a všeobecne

Vytvorenie tohto zariadenia ako celku by nemalo spôsobiť žiadne ťažkosti. Bude potrebné dôkladne zvážiť len možnosti mechanických pohybov, ktoré budú z fyzického hľadiska dosť ťažko realizovateľné, aby manipulačné rameno plnilo zadané úlohy.

Technické charakteristiky výsledku

Bude sa brať do úvahy vzorka s parametrami dĺžka/výška/šírka 228/380/160 milimetrov. Hmotnosť vlastnoručne vyrobeného manipulátora bude približne 1 kilogram. Na ovládanie slúži káblové diaľkové ovládanie. Odhadovaný čas montáže, ak máte skúsenosti, je cca 6-8 hodín. Ak tam nie je, potom môže zmontovanie ramena manipulátora trvať dni, týždne a s vedomím aj mesiace. V takýchto prípadoch by ste to mali robiť vlastnými rukami len pre svoj vlastný záujem. Na pohyb komponentov sa používajú komutátorové motory. S dostatočným úsilím môžete vyrobiť zariadenie, ktoré sa bude otáčať o 360 stupňov. Pre uľahčenie práce musíte okrem štandardných nástrojov, ako je spájkovačka a spájka, zásobiť aj:

1. Kliešte s dlhým nosom.
2. Bočné frézy.
3. Krížový skrutkovač.
4. 4 batérie typu D.

Diaľkové ovládanie je možné realizovať pomocou tlačidiel a mikrokontroléra. Ak chcete vyrobiť diaľkové bezdrôtové ovládanie, budete potrebovať aj akčný ovládací prvok v ruke manipulátora. Ako doplnky budú potrebné iba zariadenia (kondenzátory, odpory, tranzistory), ktoré umožnia stabilizáciu obvodu a prenos prúdu požadovanej veľkosti cez neho v správnych časoch.

Malé detaily

Na reguláciu počtu otáčok môžete použiť kolieska adaptéra. Vďaka nim bude pohyb ruky manipulátora plynulý.

Je tiež potrebné zabezpečiť, aby drôty nekomplikovali jeho pohyby. Optimálne by bolo položiť ich vo vnútri konštrukcie. Všetko môžete robiť zvonku, tento prístup ušetrí čas, ale môže potenciálne viesť k ťažkostiam pri presúvaní jednotlivých komponentov alebo celého zariadenia. A teraz: ako vyrobiť manipulátora?

Montáž vo všeobecnosti

Teraz prejdeme priamo k vytvoreniu ramena manipulátora. Začnime od základu. Je potrebné zabezpečiť, aby sa zariadenie dalo otáčať vo všetkých smeroch. Dobrým riešením by bolo umiestniť ho na diskovú platformu, ktorá je poháňaná jediným motorom. Aby sa mohol otáčať v oboch smeroch, existujú dve možnosti:

1. Inštalácia dvoch motorov. Každý z nich bude zodpovedný za otáčanie sa konkrétnym smerom. Keď jeden pracuje, druhý odpočíva.
2. Inštalácia jedného motora s obvodom, ktorý dokáže roztočiť v oboch smeroch.

Ktorú z navrhovaných možností si vyberiete, závisí výlučne od vás. Ďalej sa vytvorí hlavná konštrukcia. Pre pohodlnú prácu sú potrebné dva „kĺby“. Keď je pripevnený k plošine, musí byť schopný nakláňať sa v rôznych smeroch, čo sa dosahuje pomocou motorov umiestnených na jeho základni. Ďalší alebo pár by mal byť umiestnený v ohybe lakťa tak, aby sa časť úchopu mohla pohybovať pozdĺž horizontálnych a vertikálnych línií súradnicového systému. Ďalej, ak chcete získať maximálne možnosti, môžete na zápästie nainštalovať ďalší motor. Ďalej je to najnutnejšie, bez ktorého je manipulačná ruka nemožná. Samotné snímacie zariadenie si budete musieť vyrobiť vlastnými rukami. Tu je veľa možností implementácie. Môžete dať tip na dva najobľúbenejšie:

1. Používajú sa len dva prsty, ktoré súčasne stláčajú a uvoľňujú uchopovaný predmet. Ide o najjednoduchšiu realizáciu, ktorá sa však väčšinou nemôže pochváliť výraznou nosnosťou.
2. Vznikne prototyp ľudskej ruky. Tu je možné použiť jeden motor pre všetky prsty, pomocou ktorého sa bude vykonávať ohýbanie/predlžovanie. Ale dizajn môže byť zložitejší. Ku každému prstu teda môžete pripojiť motor a ovládať ich samostatne.

Ďalej ostáva vyrobiť diaľkové ovládanie, pomocou ktorého sa budú ovplyvňovať jednotlivé motory a tempo ich chodu. A môžete začať experimentovať s robotickým manipulátorom, ktorý ste si sami vyrobili.

Možné schematické znázornenia výsledku

DIY manipulačná ruka poskytuje dostatok príležitostí pre kreativitu. Preto vám predstavujeme niekoľko implementácií, ktoré môžete použiť ako základ pre vytvorenie vlastného zariadenia na podobný účel.

Akýkoľvek prezentovaný obvod manipulátora môže byť vylepšený.

Záver

Dôležité na robotike je, že prakticky neexistuje žiadne obmedzenie funkčného zlepšovania. Preto, ak si budete priať, vytvorenie skutočného umeleckého diela nebude ťažké. Keď už hovoríme o možných spôsoboch ďalšieho zlepšenia, stojí za zmienku žeriav. Výroba takéhoto zariadenia vlastnými rukami nebude zároveň náročná, naučí deti tvorivej práci, vede a dizajnu. A to zase môže mať pozitívny vplyv na ich budúci život. Bude ťažké vyrobiť žeriav vlastnými rukami? Nie je to také problematické, ako by sa na prvý pohľad mohlo zdať. Pokiaľ nestojí za to postarať sa o prítomnosť ďalších malých častí, ako je kábel a kolesá, na ktorých sa bude točiť.

Pripojenie:

Ak ste zostavili časti manipulátora v súlade s pokynmi, môžete začať s montážou elektronického obvodu. Odporúčame pripojiť servá manipulátora k Arduino UNO cez Trerma-Power Shield a ovládať servá pomocou potenciometrov Trema.

• Otočením gombíka prvého potenciometra Trema sa základňa otáča.
• Otočením gombíka druhého potenciometra Trema sa bude otáčať ľavé rameno.
• Otočením tretieho gombíka potenciometra Trema sa bude otáčať pravé rameno.
• Otočením štvrtého gombíka potenciometra Trema sa posunie chápadlo.

Programový kód (náčrt) zabezpečuje ochranu serv, ktorá spočíva v tom, že rozsah ich otáčania je obmedzený intervalom (dvoma uhlami) voľnej hry. Minimálny a maximálny uhol natočenia sú špecifikované ako posledné dva argumenty funkcie map() pre každé servo. A hodnota týchto uhlov sa určuje počas procesu kalibrácie, ktorý je potrebné vykonať pred začatím práce s manipulátorom.

Kód programu:

Ak pred kalibráciou použijete napájanie, manipulátor sa môže začať nevhodne pohybovať! Najprv vykonajte všetky kroky kalibrácie.

#include // Pripojte knižnicu Servo na prácu so servami Servo servo1; //Vyhlási objekt servo1, aby pracoval so základným servopohonom Servo servo2; //Vyhlási objekt servo2, aby pracoval so servom ľavého ramena Servo servo3; //Vyhlásenie objektu servo3, aby pracoval so servom pravého ramena Servo servo4; //Vyhlási objekt servo4, aby pracoval so zachytávacím servom int valR1, valR2, valR3, valR4; //Deklarovanie premenných na uloženie hodnôt potenciometra //Priradenie pinov: const uint8_t pinR1 = A2; // Určte konštantu z výstupného čísla ovládacieho potenciometra. base const uint8_t pinR2 = A3; // Určte konštantu z výstupného čísla ovládacieho potenciometra. ľavé rameno const uint8_t pinR3 = A4; // Určte konštantu z výstupného čísla ovládacieho potenciometra. pravé rameno const uint8_t pinR4 = A5; // Určte konštantu z výstupného čísla ovládacieho potenciometra. capture const uint8_t pinS1 = 10; // Definujte konštantu s číslom pinu základného servopohonu const uint8_t pinS2 = 9; // Definujte konštantu s číslom pinu servopohonu ľavého ramena const uint8_t pinS3 = 8; // Definuj konštantu s číslom pinu servopohonu pravého ramena const uint8_t pinS4 = 7; // Definujte konštantu s číslom pinu zachytávacieho servopohonu void setup())( // Kód funkcie nastavenia sa vykoná raz: Serial.begin(9600); // Spustite prenos údajov do monitora sériového portu servo1.attach (pinS1 // Priraďte servo1 k objektu riadenia servopohonu 1 servo2.attach(pinS2); // Priraďte riadenie servopohonu 2 k objektu servo2 servo3.attach(pinS3); pohon 3 k objektu servo3 servo4.attach(pinS4 // Priradenie riadenia servopohonu 4 objektu servo4 loop())( // Kód funkcie cyklu sa vykonáva nepretržite: valR1=map(analogRead(pinR1)); , 0, 1024, 10, 170 servo1.write(valR1) // Rotácia so základňou Uhly uvedené v tomto riadku: 10 a 170 môže byť potrebné zmeniť (kalibrovať) valR2=map(analogRead(pinR2); 0, 1024, 80, 170 // Ovládanie ľavého ramena Uhly uvedené v tomto riadku: 80 a 170 môže byť potrebné zmeniť (kalibrovať) ) valR3=map(analogRead(pinR3), 0, 1024, 60, 170); ); // Ovládanie pravého ramena Uhly uvedené v tomto riadku: 60 a 170 môže byť potrebné zmeniť (kalibrovať) valR4=map(analogRead(pinR4), 0, 1024, 40, 70); servo4.write(valR4); // Ovládanie snímania Uhly špecifikované v tomto riadku: 40 a 70 možno bude potrebné zmeniť (kalibrovať) Serial.println((String) "A1 = "+valR1+",\t A2 = "+valR2+",\t A3 = "+valR3+", \t A4 = "+valR4); // Zobrazenie rohov na monitore)

Kalibrácia:

Než začnete pracovať s manipulátorom, musíte ho kalibrovať!

Kalibrácia pozostáva zo špecifikácie extrémnych hodnôt uhla natočenia pre každé servo tak, aby diely neprekážali pri ich pohybe.
• Odpojte všetky servá od Trema-Power Shield, nahrajte náčrt a pripojte napájanie.
• Otvorte monitor sériového portu.
• Monitor zobrazí uhly natočenia každého serva (v stupňoch).
• Pripojte prvé servo (ktoré riadi rotáciu základne) na kolík D10.
• Otočením gombíka prvého Trema potenciometra (pin A2) sa otočí prvé servo (pin D10) a monitor zmení aktuálny uhol tohto serva (hodnota: A1 = ...). Krajné polohy prvého serva budú v rozsahu od 10 do 170 stupňov (ako je napísané v prvom riadku kódu slučky). Tento rozsah je možné zmeniť nahradením hodnôt posledných dvoch argumentov funkcie map() v prvom riadku kódu slučky novými. Napríklad nahradenie 170 180 zvýši krajnú polohu serva v danom smere. A nahradením 10 za 20 znížite druhú krajnú polohu toho istého serva.
• Ak ste hodnoty nahradili, musíte znova nahrať náčrt. Teraz sa servo bude otáčať v rámci nových limitov, ktoré určíte.
• Pripojte druhé servo (ktoré ovláda rotáciu ľavého ramena) na kolík D9.
• Otočením gombíka druhého Trema potenciometra (pin A3) sa otočí druhé servo (pin D9) a monitor zmení aktuálny uhol tohto serva (hodnota: A2 = ...). Krajné polohy druhého serva budú v rozsahu od 80 do 170 stupňov (ako je napísané v druhom riadku náčrtu slučky). Tento rozsah sa mení rovnakým spôsobom ako u prvého serva.
• Ak ste hodnoty nahradili, musíte znova nahrať náčrt.
• Pripojte tretie servo (ktoré ovláda rotáciu pravého ramena) na kolík D8. a kalibrujte ho rovnakým spôsobom.
• Pripojte štvrté servo (ovládajúce chápadlo) na kolík D7. a kalibrujte ho rovnakým spôsobom.

Kalibráciu stačí vykonať raz, po zložení manipulátora. Vykonané zmeny (hodnoty limitných uhlov) sa uložia do súboru náčrtu.

Mestská rozpočtová inštitúcia

doplnkové vzdelávanie „Stanica pre mladých technikov“

mesto Kamensk Shakhtinsky

Mestská etapa krajskej súťaže

„Mladí dizajnéri Donu pre tretie tisícročie“

Sekcia "Robotika"

« Rameno manipulátora Arduino"

učiteľ doplnkového vzdelávania

MBU DO "SYUT"

Úvod 3

Výskum a analýza 4

Etapy výroby jednotiek a montáže manipulátora 6

1. Materiály a nástroje 6

   Mechanické súčasti manipulátora 7

   Elektronické plnenie manipulátora 9

Záver 11

Zdroje informácií 12

Dodatok 13

Úvod

Robotický manipulátor je trojrozmerný stroj, ktorý má tri rozmery zodpovedajúce priestoru živej bytosti. V širšom zmysle možno manipulátor definovať ako technický systém, ktorý môže nahradiť človeka alebo mu pomôcť pri plnení rôznych úloh.

V súčasnosti vývoj robotiky nenapreduje, ale beží s predstihom. Len za prvých 10 rokov 21. storočia bolo vynájdených a implementovaných viac ako 1 milión robotov. Najzaujímavejšie však je, že vývoj v tejto oblasti môžu realizovať nielen tímy veľkých korporácií, skupiny vedcov a profesionálnych inžinierov, ale aj bežní školáci po celom svete.

Na štúdium robotiky v škole bolo vyvinutých niekoľko komplexov. Najznámejšie z nich sú:

Robotis Bioloid;

LEGO Mindstorms;

• Arduino.

Konštruktéri Arduino sa tešia veľkému záujmu konštruktérov robotov. Arduino dosky sú rádiový dizajnový kit, veľmi jednoduchý, ale dostatočne funkčný na veľmi rýchle programovanie v jazyku Viring (v skutočnosti C++) a uvádzanie technických nápadov do života.

Ako však ukazuje prax, je to práca mladých odborníkov novej generácie, ktorá nadobúda čoraz väčší praktický význam.

Výučba programovania detí bude vždy dôležitá, pretože rýchly rozvoj robotiky je spojený predovšetkým s rozvojom informačných technológií a komunikačných prostriedkov.

Cieľom projektu je vytvoriť edukačný rádiokonštruktor založený na manipulačnom ramene, ktorý deti hravou formou naučí programovať v prostredí Arduina. Poskytnúť možnosť čo najväčšiemu počtu detí zoznámiť sa s dizajnérskou činnosťou v robotike.

Ciele projektu:

vyvinúť a vybudovať učebné rameno - manipulátor s minimálnymi nákladmi, ktorý nie je horší ako zahraničné analógy;

používať servá ako manipulačné mechanizmy;

ovládať mechanizmy manipulátora pomocou rádiovej súpravy Arduino UNO R 3;

vyvinúť program v programovacom prostredí Arduino na proporcionálne riadenie serv.

Na dosiahnutie stanoveného cieľa a cieľov nášho projektu je potrebné preštudovať typy existujúcich manipulátorov, technickú literatúru na túto tému a hardvérovú a výpočtovú platformu Arduino.

Výskum a analýza

Štúdium.

Priemyselný manipulátor - určený na vykonávanie motorických a riadiacich funkcií vo výrobnom procese, t.j. automatické zariadenie pozostávajúce z manipulátora a preprogramovateľného riadiaceho zariadenia, ktoré generuje riadiace akcie nastavujúce požadované pohyby výkonných orgánov manipulátora. Slúži na presun výrobných predmetov a vykonávanie rôznych technologických operácií.

O
dunivý konštruktér - manipulátor je vybavený robotickým ramenom, ktoré sa stláča a uvoľňuje. S jeho pomocou môžete hrať šach pomocou diaľkového ovládania. Na rozdávanie vizitiek môžete použiť aj robotickú ruku. Pohyby zahŕňajú: zápästie 120°, lakeť 300°, základná rotácia 270°, základný pohyb 180°. Hračka je veľmi dobrá a užitočná, ale jej cena je asi 17 200 rubľov.

Vďaka projektu „uArm“ si každý môže zostaviť vlastného stolného minirobota. „uArm“ je 4-osový manipulátor, miniatúrna verzia priemyselného robota „ABB PalletPack IRB460“ Manipulátor je vybavený mikroprocesorom Atmel a sadou servomotorov, celkové náklady na potrebné diely sú 12 959 rubľov. Projekt uArm vyžaduje aspoň základné programátorské zručnosti a skúsenosti so stavaním Lega. Minirobota je možné naprogramovať na mnoho funkcií: od hrania na hudobný nástroj až po načítanie nejakého zložitého programu. V súčasnosti sa vyvíjajú aplikácie pre iOS a Android, ktoré vám umožnia ovládať „uArm“ zo smartfónu.

Manipulátory "uArm"

Väčšina existujúcich manipulátorov zahŕňa umiestnenie motorov priamo v kĺboch. Toto je v dizajne jednoduchšie, ale ukazuje sa, že motory musia zdvihnúť nielen užitočné zaťaženie, ale aj iné motory.

Analýza.

Ako základ sme vzali manipulátor prezentovaný na webovej stránke Kickstarter, ktorý sa nazýval „uArm“. Výhodou tejto konštrukcie je, že plošina na umiestnenie chápadla je vždy rovnobežná s pracovnou plochou. Ťažké motory sú umiestnené na základni, sily sa prenášajú cez tyče. Výsledkom je, že manipulátor má tri servá (tri stupne voľnosti), ktoré mu umožňujú pohybovať nástrojom pozdĺž všetkých troch osí o 90 stupňov.

Do pohyblivých častí manipulátora sa rozhodli namontovať ložiská. Táto konštrukcia manipulátora má oproti mnohým modelom, ktoré sú momentálne v predaji, množstvo výhod: Celkovo manipulátor používa 11 ložísk: 10 kusov pre hriadeľ 3 mm a jedno pre hriadeľ 30 mm.

Vlastnosti ramena manipulátora:

Výška: 300 mm.

Pracovná plocha (s úplne vysunutým ramenom): od 140 mm do 300 mm okolo základne

Maximálna nosnosť na dĺžku ramena: 200 g

Prúdová spotreba, nie viac: 1A

Jednoduchá montáž. Veľká pozornosť bola venovaná tomu, aby existovala taká postupnosť montáže manipulátora, pri ktorej by bolo mimoriadne pohodlné skrutkovať všetky časti. To bolo obzvlášť ťažké pre výkonné servopohony v základni.

Riadenie je realizované pomocou premenných odporov, proporcionálne riadenie. Môžete navrhnúť ovládanie typu pantografu, ako je to v prípade jadrových vedcov a hrdinu vo veľkom robotovi z filmu „Avatar“, dá sa ovládať aj myšou a pomocou príkladov kódu si môžete vytvoriť svoje vlastné pohybové algoritmy.

Otvorenosť projektu. Každý si môže vyrobiť vlastné náradie (prísavku alebo sponu na ceruzku) a nahrať do ovládača program (náčrt) potrebný na splnenie úlohy.

Etapy výroby komponentov a montáže manipulátora

Materiály a nástroje

Na výrobu ramena manipulátora bol použitý kompozitný panel s hrúbkou 3 mm a 5 mm. Ide o materiál, ktorý pozostáva z dvoch hliníkových plechov s hrúbkou 0,21 mm, spojených vrstvou termoplastického polyméru, má dobrú tuhosť, je ľahký a ľahko sa spracováva. Stiahnuté fotografie manipulátora na internete boli spracované počítačovým programom Inkscape (vektorový grafický editor). Výkresy ramena manipulátora boli nakreslené v programe AutoCAD (trojrozmerný počítačom podporovaný systém navrhovania a kreslenia).

Hotové diely pre manipulátor.

Hotové časti základne manipulátora.

Mechanický obsah manipulátora

Na základňu manipulátora boli použité servá MG-995. Ide o digitálne servá s kovovými prevodmi a guľôčkovými ložiskami, poskytujú silu 4,8 kg/cm, presné polohovanie a prijateľnú rýchlosť. Jeden servopohon váži 55,0 gramov s rozmermi 40,7 x 19,7 x 42,9 mm, napájacie napätie od 4,8 do 7,2 voltov.

Na uchopenie a otáčanie ruky boli použité servá MG-90S. Sú to tiež digitálne servá s kovovými prevodmi a guľôčkovým ložiskom na výstupnom hriadeli poskytujú silu 1,8 kg/cm a presné ovládanie polohy. Jeden servopohon váži 13,4 gramov s rozmermi 22,8 x 12,2 x 28,5 mm, napájacie napätie od 4,8 do 6,0 voltov.

Servopohon MG-995 Servopohon MG90S

Ložisko s rozmermi 30x55x13 slúži na uľahčenie otáčania základne ramena - manipulátora s bremenom.

Montáž ložísk. Zostava otočného zariadenia.

Základ ramena - zostava manipulátora.

Časti na zostavenie chápadla. Zostava uchopovača.

Elektronické plnenie manipulátora

Existuje open source projekt s názvom Arduino. Základom tohto projektu je základný hardvérový modul a program, v ktorom je možné napísať kód pre regulátor v špecializovanom jazyku a ktorý umožňuje pripojiť a naprogramovať tento modul.

Na prácu s manipulátorom sme použili dosku Arduino UNO R 3 a kompatibilnú rozširujúcu dosku na pripojenie serv. Má nainštalovaný 5V stabilizátor pre napájanie serv, PLS kontakty pre pripojenie serv a konektor pre pripojenie variabilných rezistorov. Napájanie je napájané z bloku 9V, 3A.

Riadiaca doska Arduino OSN R 3.

Schéma rozšírenia pre dosku radiča Arduino OSN R 3 bol vypracovaný s prihliadnutím na zadané úlohy.

Schéma rozširujúcej dosky pre regulátor.

Rozširujúca doska pre ovládač.

Dosku Arduino UNO R 3 pripojíme pomocou USB A-B kábla k počítaču, nastavíme potrebné nastavenia v programovacom prostredí a vytvoríme program (náčrt) pre obsluhu serv pomocou knižníc Arduino. Zostavíme (skontrolujeme) náčrt a potom ho načítame do ovládača. Podrobné informácie o práci v prostredí Arduino nájdete na stránke http://edurobots.ru/category/uroki/ (Arduino pre začiatočníkov. Lekcie).

Okno programu s náčrtom.

Záver

Tento model manipulátora sa vyznačuje nízkou cenou v porovnaní s jednoduchou stavebnicou „Duckrobot“, ktorá vykonáva 2 pohyby a stojí 1 102 rubľov, alebo stavebnicou Lego „Policajná stanica“, ktorá stojí 8 429 rubľov. Náš konštruktér vykonáva 5 pohybov a stojí 2384 rubľov.

	Komponenty a materiál	Množstvo
	Servopohon MG-995
	Servopohon MG90S
	Ložisko 30x55x13
	Ložisko 3x8x3
	M3x27 mosadzný stojan samica-samica
	Skrutka M3x10 s bránkou. pod v/v
	Veľkosť kompozitného panelu 0,6m2
	Riadiaca doska Arduino UNO R 3
	Variabilné odpory 100 kom.

Nízka cena prispela k vývoju technického konštruktéra ramena manipulátora, ktorého príklad hravou formou názorne demonštroval princíp činnosti manipulátora a realizáciu zadaných úloh.

Princíp fungovania v programovacom prostredí Arduino sa v testoch osvedčil. Tento spôsob riadenia a výučby programovania hravou formou je nielen možný, ale aj efektívny.

Počiatočný súbor s náčrtom, prevzatý z oficiálnej stránky Arduino a odladený v programovacom prostredí, zaisťuje správnu a spoľahlivú činnosť manipulátora.

V budúcnosti chcem opustiť drahé servá a používať krokové motory, takže sa to bude pohybovať celkom presne a hladko.

Manipulátor je ovládaný pomocou pantografu cez rádiový kanál Bluetooth.

Zdroje informácií

Gololobov N.V. O projekte Arduino pre školákov. Moskva. 2011.

Kurt E. D. Úvod do mikrokontrolérov s prekladom do ruštiny od T. Volkova. 2012.

Belov A.V. Samoinštruktážny manuál pre vývojárov zariadení na mikrokontroléroch AVR. Veda a technika, Petrohrad, 2008.

http://www.customelectronics.ru/robo-ruka-sborka-mehaniki/ pásový manipulátor.

http://robocraft.ru/blog/electronics/660.html manipulátor cez Bluetooth.

http://robocraft.ru/blog/mechanics/583.html odkaz na článok a video.

http://edurobots.ru/category/uroki/ Arduino pre začiatočníkov.

Aplikácia

Nákres základne manipulátora

Výkres ramena a rukoväte manipulátora.