זרוע רובוטית מודפסת תלת-ממדית המחקה בקר בובות: 11 שלבים (עם תמונות)

2024 מְחַבֵּר: John Day | [email protected]. שונה לאחרונה: 2024-01-30 09:11

אני סטודנט להנדסת מכונות מהודו וזהו פרויקט התואר הראשון שלי.

פרויקט זה מתמקד בפיתוח זרוע רובוטית בעלות נמוכה אשר לרוב מודפסת בתלת מימד ויש לה 5 DOFs עם אחיזת 2 אצבעות. הזרוע הרובוטית נשלטת באמצעות בקר בובות המהווה דגם שולחני של הזרוע הרובוטית בעלת אותן דרגות חופש שמפרקיה מצוידים בחיישנים. מניפולציה של הבקר ביד גורמת לזרוע הרובוטית לחקות את התנועה באופן אמן-עבד.. המערכת משתמשת במודול WiFi ESP8266 כמדיום העברת נתונים. ממשק מפעיל האב-עבד מספק שיטה קלה ללמידה למניפולציה של זרועות רובוטיות. Nodemcu (Esp8266) משמש כמיקרו -בקר.

המטרה מאחורי הפרויקט הזה הייתה פיתוח רובוט בעלות נמוכה שיכול לשמש למטרות חינוכיות. למרבה הצער, הנגישות של טכנולוגיה רובוטית שכזו שחוללת מהפכה בעולם המודרני מוגבלת למוסדות מסוימים בלבד. אנו שואפים לפתח ולהפוך את הפרויקט לקוד פתוח כך שאנשים יכולים ליצור, לשנות ולחקור אותו בעצמם. מכיוון שהוא בעלות נמוכה ומקור פתוח לחלוטין, הדבר עשוי לעורר סטודנטים אחרים ללמוד ולחקור את התחום הזה.

חברי הפרויקט שלי:

• שובם ליכר
• ניקהיל קור
• פאלש לונאר

תודה מיוחדת ל:

• אקש נרקידה
• ראם בוקדה
• אנקיט קורדה

על עזרתם בפרויקט זה.

כתב ויתור: מעולם לא תכננתי לכתוב בלוג או להדריך על הפרויקט הזה שבגללו אין לי מספיק נתונים לתיעודו כעת. מאמץ זה נעשה זמן רב לאחר תחילת הפרויקט. ובכל זאת השתדלתי מאוד להביא כמה שיותר פרטים כדי שיהיה יותר מובן. אתה עלול למצוא את זה כשלב בנקודות מסוימות … מקווה שאתה מבין:) אני אכלול סרטון יוטיוב שמציג את עבודתו ודברי בדיקה אחרים בקרוב

שלב 1: אז איך זה עובד?

זה הדבר הכי מרגש בעיני בפרויקט הזה.

(אני לא טוען שזה יעיל או שיטה נכונה להשתמש בו למטרות מסחריות זה למטרות חינוכיות בלבד)

אולי ראית רובוטים זולים עם מנועי סרוו שמיועדים רק להפחתה. מצד שני ישנם רובוטים מנועים צעדיים עם תיבת הילוכים פלנטרית וכו 'אבל הרובוט הזה הוא איזון ביניהם.

אז איך זה שונה?

בְּנִיָה:

במקום להשתמש בהספק נמוך יותר ובמנוע צעד בעלות גבוהה השתמשתי במנועי DC אך כידוע אין במנועי DC יש מערכת בקרת משוב ואי אפשר להשתמש בהם ישירות לבקרת מיקום, הפכתי אותם למנועי סרוו על ידי הוספת פוטנציומטר כחיישן משוב/מיקום.

עכשיו לפשטות העבודה מה שעשיתי, פירקתי סרוו זולים של 9 גרם והוציא את המעגל והחלפתי את מנוע ה- DC שלו במנוע DC בעל מומנט גבוה והסיר הקטן שלו עם מה שיש לי עבור הרובוט. פעולה זו אפשרה לי להשתמש בספריית ברירת המחדל ב- arduino אתה לא יכול להאמין שקידוד פשוט מאוד!

לנהיגה של מנוע 12V DC עם שבב סרוו 5V השתמשתי במודול נהג מנוע L298N שיכול להניע 2 מנועים בו זמנית. המודול כולל 4 סיכות קלט IN1 עד IN4 המחליט את כיוון סיבוב המנוע. כאשר IN1 ו- IN2 תואם את המנוע הראשון ו- IN3, מנוע IN4 עד מנוע 2. מכאן כי מסופי היציאה (2) של שבב סרוו (במקור למנוע DC קטן) מחוברים ל- IN1 ו- IN2 של פלט המודול L298N אשר מחובר למנוע 12V DC.

עובד:

בדרך זו כאשר פיר המנוע אינו נמצא בפוטנציומטר מיקום היעד שלח ערך זווית לשבב סרוו אשר מצווה על מודול L298N להניע Cw או CCW בתורו 12V DC מנוע הופך לפי הפקודה שהתקבלה מהמיקרו -בקר.

סכמטי מוצג באיור (רק עבור מנוע אחד)

בפקודת המקרה שלנו (ערכי זוויות משותפים) נשלח דרך בקרת הגורים, אשר בה 10 פעמים מוקטן מוקטן של רובוט בפועל ויש לו פוטנציומטרים המחוברים בכל אחד מהשני) בכל מקום רובוט המשותף שאליו כל מנוע משותף מנסה לאסוף

בכל מפרק מחובר פוטנציומטר לפיר המפרק באמצעות מכאני פולמי חגורה. כאשר המפרק מסתובב הפוטנציומטר מסתובב בהתאם ונותן משוב על המיקום הנוכחי של זווית המפרק (מוצג בתמונות למעלה)

שלב 2: רכיבים בשימוש:

כפי שאמרתי אני עדיין עובד ומשפר אותו מיום ליום, לכן רכיבים אלה עשויים להשתנות בכמה עדכונים עתידיים.

המטרה שלי הייתה להפוך אותו לחסכוני ככל האפשר ומכאן שהשתמשתי ברכיבים סלקטיביים מאוד. זוהי רשימת הרכיבים העיקריים המשמשים את תאריך הזרוע עד (אני אמשיך לעדכן אותו בעתיד)

1. Esp8266 (2x)
2. מנועי DC (במפרטים משתנים מומנט ומהירויות, 5x)
3. מודול נהג מנוע L298N (2x)
4. פוטנציומטר (8x)
5. תעלת אלומיניום (30x30, 1 מטר)
6. חומרה שונות

שלב 3: חישובים ועיצוב זרוע

לצורך עיצוב הזרוע השתמשתי בתוכנת catia v5. לפני תחילת תהליך העיצוב הדבר הראשון היה לחשב את אורכי הקישור והמומנט שכל מפרק צריך לקיים.

ראשית התחלתי בכמה הנחות הכוללות:

1. המטען המרבי של הרובוט יהיה 500 גרם (1.1 ליברות)
2. טווח ההגעה הכולל של הרובוט יהיה 500 מ"מ
3. משקל הרובוט לא יעלה על 3 ק"ג.

חישובי אורך הקישור

בהמשך לכך חישבתי את אורך הקישור בהתייחס למאמר המחקר "עיצוב זרוע רובוטית מאת I. M. H. van Haaren"

I. M. H. ואן הארן נתן דוגמה מצוינת לאופן בו הוא קבע את אורכי הקישור באמצעות הפניה ביולוגית שבה אורכי פלחי הגוף העיקריים באים לידי ביטוי כשבריר מהגובה הכולל. זה מוצג באיור.

לאחר חישובים אורכי הקישור יצאו להיות

L1 = 274 מ מ

L2 = 215 מ מ

L3 = 160 מ מ

אורך תפס = 150 מ מ

חישובי מומנט:

בחישוב מומנט השתמשתי במושגים בסיסיים של טורק ורגעים המיושמים בהנדסה.

מבלי להיכנס לחישובים דינאמיים נשענתי רק על חישובי מומנט סטטי עקב כמה מגבלות.

ישנם 2 שחקנים מרכזיים שאני מומנט כמו T = FxR כלומר במקרה שלנו עומס (מסה) ואורך הקישור. כמו שאורכי הקישור כבר נקבעים הדבר הבא הוא לברר משקל של רכיבים. בשלב זה לא הייתי בטוח איך אני יכול למצוא את המשקל של כל רכיב מבלי למדוד אותו בפועל.

אז, עשיתי את החישובים האלה באיטרציות.

1. הנחתי שתעלת אלומיניום כחומר אחיד לכל אורכו וחילקתי את המשקל הכולל של פיסה של מטר אחד באורך הפאיפס שאני הולכת להשתמש בו.
2. באשר למפרקים, הנחתי ערכים מסוימים עבור כל מפרק (משקל מוטורי + משקל חלק מודפס בתלת מימד + אחר) בהתבסס על הנחת משקל רובוט כולל.
3. 2 שלבים קודמים נתנו לי ערכי מומנט משותפים של איטרציה. לערכים אלה גיליתי מנועים מתאימים באינטרנט יחד עם מפרטים ומשקלים אחרים.
4. באיטרציה השנייה השתמשתי במשקלים מקוריים של מנועים (שגיליתי בשלב השלישי) ושוב חישבתי את המומנטים הסטטיים של כל מפרק.
5. אם ערכי המומנט הסופיים בשלב 4 היו מתאימים למנועים שנבחרו בשלב 3, סיימתי כי המנוע חזר על שלב 3 ו -4 עד שהערכים שנוסחו יעמדו במפרט המנוע בפועל.

עיצוב זרוע:

זו הייתה המשימה הכי מסודרת של כל הפרויקט הזה וכמעט לקח חודש לעצב אותו. אגב צירפתי תמונות של דגם CAD. אשאיר קישור להורדת קבצי CAD איפשהו כאן:

שלב 4: הדפסת תלת מימד של החלקים

כל החלקים הם המפרקים המודפסים בתלת מימד במדפסת 99 $ עם אזור הדפסה בגודל 100x100x100 מ מ (כן זה נכון !!)

מדפסת: Easy threed X1

צירפתי תמונות של חלקים עיקריים מהפרוסה ואני אקשר לכל קובץ ה- CAD של קובץ ה- CAD וכן ל- stl, כך שתוכל להוריד ולערוך כרצונך.

שלב 5: הרכבה משותפת של כתף (J1 ו- J2 משותפת)

הבסיס הבסיסי הודפס במדפסת אחרת מכיוון שקוטרו היה 160 מ מ. עיצבתי את המפרק bshoulder כך שניתן יהיה להניע אותו (סיבוב בערך z -axis) עם פעימת חגורה או מנגנון סיבוב הילוכים שתוכלו לראות בתמונות כלולות למעלה. החלק התחתון הוא המקום שבו מיסבים מתאימים ולאחר מכן מותקנים על פיר מרכזי על פלטפורמה שנועדה להזיז את הזרוע (טנק, עוד מזה בעתיד).

ההילוך הגדול יותר (צהוב בתמונה) מותקן על תעלת אלומיניום עם ברגי אגוזים שדרכם עובר פיר פלדה 8 מ מ שאליו נעה המפרק 2. יחס ההילוך במפרק הראשון הוא 4: 1 וזה של המפרק השני הוא 3.4: 1

שלב 6: מרפק ומפרק (מפרק J3)

(כמה מהתמונות נבנות לאחר שבנין אין לי תמונות תהליך מלאות)

מפרק המרפק הוא עוקב אחר מפרק הכתף. זהו מפרק בן 2 חלקים, אחד מחובר לקישור אחד ושני לקישור 2.

לחלק 1 יש מנוע DC עם סיבוב נהיגה ולחלק 2 יש ציוד גדול יותר המחובר אליו וזוג מיסבים לתמיכה בפיר. יחס ההילוכים זהה לזה של J2 כלומר 3.4: 1 אבל המנוע הוא 12.5 קג"מ-ס"מ 60 סל"ד.

למפרק J3 יש טווח תנועה של 160 מעלות.

שלב 7: מפרק פרק כף היד (J4 ו- J5 משותף)

(כמה מהתמונות נבנות לאחר שבנין אין לי תמונות תהליך מלאות)

לאחר מפרק המרפק הוא מפרק פרק כף היד. זה שוב מורכב משני חלקים אחד בקישור הקודם (כלומר קישור 2) ואחד המורכב ממוט J5 שמסובב את מכלול פרק כף היד. יחס ההילוך הוא 1.5: 1 ומנוע Dc המשמש הוא 10 סל"ד 8 ק"ג -ס"מ.

ל- J4 המשותף הזה יש טווח סיבוב של 90 מעלות ול- J5 360 מעלות.

שלב 8: גריפר

זו הייתה אחת המשימות הקשות ביותר לעיצוב. היא תוכננה כך שתוכל לבחור את רוב האובייקטים כמו גם להתמודד עם רוב הדברים מסביבנו כמו תפס לדלתות, ידיות, מוטות וכו '.

כפי שמוצג בתמונה הילוך סליל המחובר למנוע מניע להילוכים בכיוון השעון או נגד כיוון השעון המחוברים לאצבעות כדי לפתוח ולסגור אותם.

כל חלקי הגריפר מוצגים בתמונה המצורפת.

שלב 9: הכנת בקר בובות לזרוע רובוטית

בקר הבובות הוא הגירסה המדויקת פי 10 של הזרוע הרובוטית בפועל. יש לה 4 פוטנציומטרים המותקנים על 4 מפרקים כלומר, J1, J2, J3, J4 ו- Joint J5 יופעלו עם כפתור לחיצה לסיבוב רציף (סיבוב הלוח לכל פעולה)

פוטנציומטרים חשים את זווית הסיבוב של המפרקים ושולחים ערך זה בין 1-1023 ל- Nodemcu המומר חזרה ל- 1-360 ונשלח ל- Nodemcu אחר דרך wifi. מכיוון של- ESP8266 יש רק קלט אנלוגי אחד השתמשתי במכפיל 4051.

הדרכה לשימוש מרבב 4051 עם esp8266-https://www.instructables.com/id/How-to-Use-Multip…

תרשים סכמטי:

אני אוסיף תרשים סכמטי ברגע שאסיים אותו (אם מישהו צריך את זה פנה אלי בדחיפות עד אז)

קוד: (כלול גם כאן)

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

שלב 10: אלקטרוניקה

אני מצרף תמונות של העבודה הנוכחית. האלקטרוניקה המלאה והתרשים הסכימטי עדיין לא הושלמו. אפרסם עדכונים בקרוב עד אז תישאר מחובר:)

(הערה: הפרויקט עדיין לא הושלם. אני אעקוב אחר עדכונים בעתיד)

שלב 11: קודים וסכימה במקום אחד

אני אעשה סכמות רובוט וקוד סופי ברגע שאסיים אותו!