Robotska ruka sa hvataljkom: 9 koraka (sa slikama)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja promjena: 2024-01-30 09:31

Berba stabala limuna smatra se teškim radom, zbog velike veličine stabala, a također i zbog vruće klime regija u kojima se sadi limunovo drveće. Zato nam treba još nešto kako bismo pomogli poljoprivrednim radnicima da lakše završe svoj posao. Pa smo došli na ideju da im olakšamo posao, robotsku ruku s hvataljkom koja bere limun sa stabla. Ruka je duga oko 50 cm. Princip rada je jednostavan: robotu dajemo položaj, tada će otići na pravo mjesto, a ako postoji limun, njegov hvatač će rezati stabljiku i uhvatiti limun u isto vrijeme. Zatim će se limun osloboditi na tlu, a robot će se vratiti u početni položaj. U početku bi se projekt mogao činiti složenim i teškim za izvođenje. Međutim, to nije tako složeno, ali ipak je trebalo puno napornog rada i dobrog planiranja. Treba samo graditi jedno nad drugim. U početku smo se suočavali s nekim problemima zbog situacije s COVID-19 i rada na daljinu, ali onda smo to učinili, i to je bilo nevjerojatno.

Ovaj Instructable ima za cilj voditi vas kroz proces stvaranja robotske ruke s hvataljkom. Projekt je osmišljen i projektiran kao dio našeg projekta Bruface Mechatronics; posao su u Fablabu u Bruxellesu izvršili:

-Husein Moslimani

-Inès Castillo Fernandez

-Jayesh Jagadesh Deshmukhe

-Raphaël Boitte

Korak 1: Potrebne vještine

Dakle, evo nekoliko vještina koje morate imati da biste mogli izvesti ovaj projekt:

-Osnove elektronike

-Osnovno poznavanje mikrokontrolera.

-Kodiranje na jeziku C (Arduino).

-Naviknite se na CAD softver, kao što su SolidWorks ili AutoCAD.

-Lasersko rezanje

-3D ispis

Također biste trebali imati strpljenja i izdašne količine slobodnog vremena. Također vam savjetujemo da radite u timu kao i mi, sve će biti lakše.

Korak 2: CAD dizajn

Nakon isprobavanja različitih uzoraka, konačno smo odlučili dizajnirati robota kako je prikazano na slikama, ruka je 2 stupnja slobode. Motori su remenicama i remenima povezani s osovinom svake ruke. Mnogo je prednosti korištenja remenica, a jedna od najvažnijih je povećanje okretnog momenta. Prvi remen remenice prve ruke ima prijenosni omjer 2, a drugi prijenosni omjer 1,5.

Težak dio projekta bilo je ograničeno vrijeme u Fablabu. Dakle, većina dizajna prilagođena je laserski izrezanim dijelovima, a samo su neki spojni dijelovi 3D ispisani. Ovdje možete pronaći CAD dizajn u privitku.

Korak 3: Popis korištenih komponenti

Evo komponenti koje smo koristili u našem projektu:

I) Elektroničke komponente:

-Arduino Uno: Ovo je ploča mikrokontrolera sa 14 digitalnih ulazno/izlaznih pinova (od kojih se 6 može koristiti kao PWM izlaz), 6 analognih ulaza, kvarcni kristal od 16 MHz, USB priključak, utičnica za napajanje, ICSP zaglavlje, i gumb za resetiranje. Koristili smo ovu vrstu mikrokontrolera jer je jednostavan za korištenje i može obaviti posao koji je potreban.

-Dva velika servo motora (MG996R): je servomehanizam zatvorene petlje koji koristi povratnu informaciju o položaju za upravljanje svojim kretanjem i konačnim položajem. Koristi se za rotiranje ruku. Ima dobar okretni moment, do 11 kg/cm, a zahvaljujući smanjenju zakretnog momenta pomoću remenica i remena, možemo postići veći okretni moment koji je više nego dovoljan za držanje ruku. A činjenica da nam ne treba više od 180 stupnjeva rotacije, ovaj je motor vrlo dobar za korištenje.

-Jedan mali servo (E3003): je servomehanizam zatvorene petlje koji koristi povratnu informaciju o položaju za upravljanje svojim kretanjem i konačnim položajem. Ovaj motor služi za upravljanje hvataljkom, ima okretni moment 2,5 kg/cm, a koristi se za rezanje i hvatanje limuna.

-DC napajanje: Ova vrsta napajanja je bila dostupna u fablabu, a budući da se naš motor ne kreće po tlu, napajanje ne mora biti zalijepljeno jedno za drugo. Glavna prednost ovog izvora napajanja je ta što možemo podesiti izlazni napon i struju kako želimo, pa nema potrebe za regulatorom napona. Ako ova vrsta napajanja nije dostupna, ali je skupa. Jeftina alternativa ovome bila bi upotreba držača baterije 8xAA, zajedno s regulatorom napona kao što je 'MF-6402402' koji je pretvarač istosmjernog u dc, kako biste dobili potrebni napon. Njihova cijena je također prikazana na popisu komponenti.

-Medica: Plastična ploča koja služi za držanje elektroničkih komponenti. Također, za spajanje elektronike na izvor napajanja.

-Žice: Koristi se za spajanje elektroničkih komponenti na matičnu ploču.

-Pritisni gumb: Koristi se kao gumb za pokretanje, pa kad ga pritisnemo, robot radi.

-Ultrazvučni senzor: Koristi se za mjerenje udaljenosti, stvara visokofrekventni zvuk i izračunava vremenski interval između slanja signala i primanja odjeka. Koristi se za otkrivanje je li limun držao hvataljka ili klizi.

II) Ostale komponente:

-Plastika za 3D ispis

-3 mm drveni limovi za lasersko rezanje

-Metalna osovina

-Oštrice

-Mekani materijal: Zalijepljen je s obje strane hvataljke, pa hvataljka stisne grančicu limuna tijekom rezanja.

-Vijaci

-Remen za spajanje remenica, standardni 365 T5 remen

-8mm kružni ležajevi, vanjski promjer je 22mm.

Korak 4: 3D ispis i lasersko rezanje

Zahvaljujući strojevima za lasersko rezanje i 3D ispis koji se nalaze u Fablabu, izrađujemo dijelove koji su nam potrebni za robota.

I- Dijelovi koje smo morali laserski rezati su:

-Baza robota

-Podrške za motor prve ruke

-Podrške prve ruke

-Pločice 2 kraka

-Baza hvataljke

-Povezivanje između hvataljke i ruke.

-Dvije strane hvataljke

-Podrške za ležajeve, kako bi se osiguralo da ne klize ili se pomaknu sa svog položaja, svi ležajevi su u dva sloja 3 mm+4 mm, budući da je debljina ležaja bila 7 mm.

Napomena: trebat će vam mali list drva od 4 mm, za neke male dijelove koje je potrebno laserski rezati. Također, u CAD dizajnu ćete pronaći debljinu od 6 mm ili bilo koju drugu debljinu koja je višestruka od 3, tada vam je potrebno više slojeva laserski izrezanih dijelova na 3 mm, odnosno ako postoji debljina 6 mm, onda su vam potrebna 2 sloja 3 mm svaki.

II- Dijelovi koje smo morali 3D ispisati:

-Četiri remenice: koriste se za povezivanje svakog motora s rukom koju je odgovoran za pomicanje.

-Podrška motora drugog kraka

-oslonac za ležaj na osnovi, koja je učvršćena ispod pojasa kako bi na njega djelovala sila i povećala napetost. Spojen je na ležaj pomoću okrugle metalne osovine.

-Dvije pravokutne ploče za hvataljku stavljaju se na mekani materijal kako bi dobro držale granu i imale trenje kako grana ne bi skliznula.

-Kvadratna osovina s okruglom rupom od 8 mm, za spajanje ploča prvog kraka, a rupa je trebala umetnuti metalnu osovinu od 8 mm kako bi cijela osovina bila jaka i mogla podnijeti ukupni okretni moment. Okrugle metalne osovine spojene su s ležajevima i s obje strane ruke kako bi dovršile rotacijski dio.

-Osovina šesterokutnog oblika s okruglom rupom od 8 mm iz istog razloga kao i kvadratna osovina

-Stege za dobro podupiranje remenica i ploča svake ruke na svojim mjestima.

Na tri slike CAD -a možete dobro razumjeti kako je sustav sastavljen, te kako su osovine spojene i podržane. Možete vidjeti kako su kvadratne i šesterokutne osovine spojene s krakom i kako su spojene na nosače pomoću metalne osovine. Cijeli sklop dat je na ovim slikama.

Korak 5: Strojni sklop

Sklapanje cijelog robota ima 3 glavna koraka koja se moraju objasniti. Prvo sastavljamo osnovu i prvu ruku, zatim drugu ruku do prve, i na kraju hvataljku do druge ruke.

Sastavljanje baze i prve ruke:

Prvo, korisnik mora zasebno sastaviti sljedeće dijelove:

-Dvije strane zglobova s ležajevima unutra.

-Podrška motora s motorom i male remenice.

-Simetrična potpora za mali remenica.

-Kvadratno vratilo, velika remenica, ruka i stezaljke.

-Ležaj za "zatezanje" podržava noseću ploču. Zatim se dodaje ležaj i vratilo.

Sada je svaki podsklop na mjestu za međusobno povezivanje.

Napomena: kako bismo bili sigurni da smo dobili zatezanje u remenu koji želimo, položaj motora na osnovi se može prilagoditi, imamo izduženu rupu tako da se udaljenost između remenica može povećati ili smanjiti i kada provjerimo da li je napetost je dobra, pričvršćujemo motor vijcima na bazu i dobro ga učvršćujemo. Osim toga, ležaj je pričvršćen na podlogu na mjestu gdje vrši pritisak na remen za povećanje napetosti, pa se pri kretanju remena ležaj okreće i nema problema s trenjem.

Sklapanje drugog kraka na prvi:

Dijelovi se moraju sastaviti odvojeno:

-Desna ruka s motorom, osloncem, remenicom, kao i s ležajem i potpornim dijelovima. Također se stavlja vijak za pričvršćivanje remenice na vratilo kao u prethodnom odjeljku.

-Lijeva ruka s dva ležaja i njihovim nosačima.

-Velika remenica može se kliziti po šesterokutnoj osovini kao i nadlakticama, a stezaljke su oblikovane tako da fiksiraju njihov položaj.

Zatim imamo drugu ruku spremnu za postavljanje u svoj položaj, motor druge ruke postavljen je na prvu, njen položaj je također podesiv kako bi se postigla savršena napetost i izbjeglo klizanje remena, tada se motor fiksira pomoću remen na ovom položaju.

Sastav hvataljke:

Montaža ove hvataljke je jednostavna i brza. Što se tiče prethodne montaže, dijelovi se mogu sastaviti sami prije pričvršćivanja na puni krak:

-Pričvrstite pomičnu čeljust na osovinu motora, uz pomoć plastičnog dijela koji dolazi s motorom.

-Zavijte motor do oslonca.

-Uvrnite oslonac senzora u oslonac hvataljke.

-Stavite senzor u nosač.

-Stavite mekani materijal na hvataljku i pričvrstite 3D ispisani dio preko njih

Hvataljka se može lako montirati na drugu ruku, samo dio laserskog rezača podržava bazu hvataljke za ruku.

Najvažnije je bilo ugađanje oštrica na vrhu ruke i na kojoj udaljenosti su oštrice izvan hvataljke, pa je to učinjeno pokušajem i pogreškom sve dok ne dođemo do najučinkovitijeg mjesta koje možemo dobiti za oštrice gdje hvatanje se mora dogoditi gotovo u isto vrijeme.

Korak 6: Spajanje elektroničkih komponenti

U ovom krugu imamo tri servo motora, jedan ultrazvučni senzor, jedno dugme, Arduino i izvor napajanja.

Izlaz napajanja može se prilagoditi kako želimo, a budući da svi servo upravljači i ultrazvuk rade na 5 Volti, pa nema potrebe za regulatorom napona, možemo samo regulirati izlaz napajanja na 5V.

Svaki servo mora biti spojen na Vcc (+5V), uzemljenje i signal. Ultrazvučni senzor ima 4 pina, jedan je spojen na Vcc, jedan za uzemljenje, a druga dva pina su okidač i eho pinovi, moraju biti spojeni na digitalne pinove. Tipkalo je spojeno na masu i na digitalni pin.

Za Arduino, on mora govoriti o svom napajanju iz izvora napajanja, ne može se napajati iz prijenosnog računala ili njegovog kabela, trebao bi imati isto uzemljenje kao i elektroničke komponente povezane s njim.

!!VAŽNE BILJEŠKE!!:

- Trebali biste dodati pretvarač snage i napajanje Vin -u sa 7V.

-Molimo vas da pri ovoj vezi uklonite Arduino port s računala kako biste ga snimili, inače ne biste trebali koristiti 5V izlazni pin kao ulaz.

Korak 7: Arduino kod i dijagram toka

Cilj ove robotske ruke s hvataljkom je prikupiti limun i staviti ga negdje drugdje, pa kad je robot uključen, moramo pritisnuti gumb za pokretanje i tada odlazi na određeno mjesto gdje se limun nalazi, ako hvata limun, hvataljka će otići u konačni položaj kako bi limun stavila na svoje mjesto, odabrali smo konačni položaj na vodoravnoj razini, gdje je zakretni moment najveći, kako bismo dokazali da je hvataljka dovoljno jaka.

Kako robot može doći do limuna:

U projektu koji smo napravili jednostavno tražimo od robota da pomakne ruke u određeni položaj u koji smo stavili limun. Pa, postoji još jedan način za to, možete koristiti obrnutu kinematiku za pomicanje ruke, dajući joj (x, y) koordinate limuna, i izračunava koliko se svaki motor mora okretati tako da hvataljka dosegne limun. Gdje je stanje = 0 kada se gumb za pokretanje ne pritisne pa je ruka u početnom položaju i robot se ne pomiče, dok je stanje = 1 kada pritisnemo gumb za pokretanje i robot se pokrene.

Inverzna kinematika:

Na slikama postoji primjer izračuna inverzne kinematike, možete vidjeti tri skice, jednu za početni položaj, a druge dvije za konačni položaj. Dakle, kao što vidite, za konačni položaj- bez obzira gdje se nalazio- postoje dvije mogućnosti, lakat gore i lakat prema dolje, možete izabrati što god želite.

Uzmimo lakat gore kao primjer, da bi se robot pomaknuo u svoj položaj, moraju se izračunati dva kuta, theta1 i theta2, na slikama također vidite korake i jednadžbe za izračun theta1 i theta2.

Imajte na umu da, ako se prepreka pronađe na udaljenosti manjoj od 10 cm, tada se limun hvata i drži hvataljkom, na kraju ga moramo isporučiti u konačni položaj.

Korak 8: Pokretanje robota

Nakon svega što smo već radili, evo videozapisa kako robot radi, sa senzorom, gumbom i svime što radi kako treba. Na robotu smo također proveli test drmanja kako bismo bili sigurni da je stabilan i da je ožičenje dobro.

Korak 9: Zaključak

Ovaj projekt nam je dao dobro iskustvo u bavljenju takvim projektima. Ipak, ovaj se robot može izmijeniti i imati još neke dodatne vrijednosti, poput otkrivanja objekata za otkrivanje limuna, ili možda treći stupanj slobode kako bi se mogao kretati između stabala. Također, možemo ga kontrolirati pomoću mobilne aplikacije ili tipkovnice pa ga premještamo kako želimo. Nadamo se da vam se sviđa naš projekt i posebnu zahvalu nadzornicima u Fablabu koji su nam pomogli.