Robotic Arm With Gripper: 9 βήματα (με εικόνες)

2024 Συγγραφέας: John Day | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2024-01-30 08:31

Η συγκομιδή λεμονιών θεωρείται σκληρή δουλειά, λόγω του μεγάλου μεγέθους των δέντρων και επίσης λόγω του θερμού κλίματος των περιοχών όπου φυτεύονται λεμονιές. Γι 'αυτό χρειαζόμαστε κάτι άλλο για να βοηθήσουμε τους εργαζόμενους στη γεωργία να ολοκληρώσουν πιο εύκολα τη δουλειά τους. Έτσι, βρήκαμε μια ιδέα να διευκολύνουμε τη δουλειά τους, ένα ρομποτικό χέρι με πιατάκι που μαζεύει το λεμόνι από το δέντρο. Ο βραχίονας έχει μήκος περίπου 50 εκατοστά. Η αρχή λειτουργίας είναι απλή: δίνουμε μια θέση στο ρομπότ, τότε θα πάει στο σωστό μέρος και αν υπάρχει λεμόνι, η λαβή του θα κόψει τον μίσχο και θα πιάσει το λεμόνι ταυτόχρονα. Στη συνέχεια, το λεμόνι θα απελευθερωθεί στο έδαφος και το ρομπότ θα επιστρέψει στην αρχική του θέση. Στην αρχή, το έργο μπορεί να φαίνεται περίπλοκο και δύσκολο να γίνει. Ωστόσο, δεν είναι τόσο πολύπλοκο, αλλά χρειαζόταν πολλή δουλειά και καλός προγραμματισμός. Απλά πρέπει να χτιστεί το ένα πάνω στο άλλο. Στην αρχή, αντιμετωπίσαμε ορισμένα προβλήματα λόγω της κατάστασης του Covid-19 και της εργασίας από απόσταση, αλλά στη συνέχεια το κάναμε και ήταν εκπληκτικό.

Αυτό το Instructable στοχεύει να σας καθοδηγήσει στη διαδικασία δημιουργίας ενός ρομποτικού βραχίονα με αρπαχτή. Το έργο σχεδιάστηκε και σχεδιάστηκε ως μέρος του έργου μας Bruface Mechatronics. η εργασία έγινε στο Fablab Brussels από:

-Hussein Moslimani

-Inès Castillo Fernandez

-Jayesh Jagadesh Deshmukhe

-Raphaël Boitte

Βήμα 1: Απαιτούμενες δεξιότητες

Λοιπόν, εδώ είναι μερικές δεξιότητες που πρέπει να έχετε για να κάνετε αυτό το έργο:

-Βασικές αρχές ηλεκτρονικών

-Βασικές γνώσεις μικροελεγκτών.

-Κωδικοποίηση σε γλώσσα C (Arduino).

-Έχετε συνηθίσει στο λογισμικό CAD, όπως το SolidWorks ή το AutoCAD.

-Κοπή λέιζερ

-Τρισδιάστατη εκτύπωση

Θα πρέπει επίσης να έχετε υπομονή και έναν γενναιόδωρο ελεύθερο χρόνο, επίσης σας συμβουλεύουμε να εργαστείτε σε μια ομάδα όπως κάναμε, όλα θα είναι ευκολότερα.

Βήμα 2: Σχεδιασμός CAD

Αφού δοκιμάσαμε διαφορετικά δείγματα, αποφασίσαμε τελικά να σχεδιάσουμε το ρομπότ όπως φαίνεται στις εικόνες, ο βραχίονας έχει 2 βαθμούς ελευθερίας. Οι κινητήρες συνδέονται με τον άξονα κάθε βραχίονα με τροχαλίες και ιμάντες. Υπάρχουν πολλά πλεονεκτήματα από τη χρήση τροχαλιών, ένα από τα πιο σημαντικά είναι η αύξηση της ροπής. Ο πρώτος ιμάντας τροχαλίας του πρώτου βραχίονα έχει σχέση μετάδοσης 2 και ο δεύτερος έχει σχέση μετάδοσης 1,5.

Το δύσκολο κομμάτι για το έργο ήταν ο περιορισμένος χρόνος στο Fablab. Έτσι, τα περισσότερα σχέδια προσαρμόστηκαν για να είναι τμήματα κομμένα με λέιζερ και μόνο μερικά συνδετικά μέρη εκτυπώθηκαν 3D. Εδώ μπορείτε να βρείτε το συνημμένο σχέδιο CAD.

Βήμα 3: Λίστα στοιχείων που χρησιμοποιούνται

Ακολουθούν τα στοιχεία που χρησιμοποιήσαμε στο έργο μας:

Ι) Ηλεκτρονικά εξαρτήματα:

-Arduino Uno: Πρόκειται για μια πλακέτα μικροελεγκτή με 14 ψηφιακές ακίδες εισόδου/εξόδου (εκ των οποίων οι 6 μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως έξοδοι PWM), 6 αναλογικές είσοδοι, ένα κρύσταλλο χαλαζία 16 MHz, σύνδεση USB, πρίζα, κεφαλίδα ICSP, και κουμπί επαναφοράς. Χρησιμοποιήσαμε αυτόν τον τύπο μικροελεγκτή αφού είναι εύκολο στη χρήση και μπορεί να κάνει τη δουλειά που απαιτείται.

-Δύο μεγάλος σερβοκινητήρας (MG996R): είναι ένας σερβομηχανισμός κλειστού βρόχου που χρησιμοποιεί ανάδραση θέσης για τον έλεγχο της κίνησης και της τελικής του θέσης. Χρησιμοποιείται για την περιστροφή των βραχιόνων Έχει καλή ροπή, έως 11kg/cm, και χάρη στη μείωση της ροπής που κάνουν οι τροχαλίες και η ζώνη μπορούμε να φτάσουμε σε υψηλότερη ροπή η οποία είναι υπεραρκετή για να συγκρατήσει τους βραχίονες. Και το γεγονός ότι δεν χρειαζόμαστε περισσότερες από 180 μοίρες περιστροφών, αυτός ο κινητήρας είναι πολύ καλός στη χρήση.

-Ένας μικρός σερβο (E3003): είναι ένας σερβομηχανισμός κλειστού βρόχου που χρησιμοποιεί ανάδραση θέσης για τον έλεγχο της κίνησης και της τελικής του θέσης. Αυτός ο κινητήρας χρησιμοποιείται για τον έλεγχο της λαβής, έχει ροπή 2,5 kg/cm και χρησιμοποιείται για το κόψιμο και το πιάσιμο του λεμονιού.

-Τροφοδοτικό DC: Αυτός ο τύπος τροφοδοσίας ήταν διαθέσιμος στο fablab και επειδή ο κινητήρας μας δεν κινείται στο έδαφος, επομένως το τροφοδοτικό δεν χρειάζεται να κολλάει το ένα στο άλλο. Το κύριο πλεονέκτημα αυτής της τροφοδοσίας είναι ότι μπορούμε να ρυθμίσουμε την τάση και το ρεύμα εξόδου όπως μας αρέσει, επομένως δεν χρειάζεται ρυθμιστής τάσης. Εάν αυτό το είδος τροφοδοτικών δεν είναι διαθέσιμο, αλλά είναι ακριβό. Μια φθηνή εναλλακτική λύση σε αυτό θα ήταν να χρησιμοποιήσετε μια θήκη μπαταρίας 8xAA, σε συνδυασμό με έναν ρυθμιστή τάσης όπως «MF-6402402» που είναι μετατροπέας dc σε dc, για να λάβετε την τάση που χρειάζεστε. Η τιμή τους εμφανίζεται επίσης στον κατάλογο των εξαρτημάτων.

-Breadboard: Πλαστική σανίδα που χρησιμοποιείται για τη συγκράτηση ηλεκτρονικών εξαρτημάτων. Επίσης, για να συνδέσετε τα ηλεκτρονικά στο τροφοδοτικό.

-Σύρματα: Χρησιμοποιείται για τη σύνδεση των ηλεκτρονικών εξαρτημάτων στο breadboard.

-Κουμπί: Χρησιμοποιείται ως κουμπί εκκίνησης, οπότε όταν το πατάμε το ρομπότ λειτουργεί.

-Υπερηχητικός αισθητήρας: Χρησιμοποιείται για τη μέτρηση της απόστασης, παράγει ήχο υψηλής συχνότητας και υπολογίζει το χρονικό διάστημα μεταξύ της αποστολής του σήματος και της λήψης της ηχώ. Χρησιμοποιείται για να ανιχνεύσει εάν το λεμόνι κρατήθηκε από τη λαβή ή αν γλιστρά.

II) Άλλα συστατικά:

-Πλαστικό για τρισδιάστατη εκτύπωση

-Ξύλινα φύλλα 3mm για κοπή με λέιζερ

-Μεταλλικός άξονας

-Λάμες

-Μαλακό υλικό: Κολλάται και στις δύο πλευρές του γκριπ, οπότε η πιασίτσα συμπιέζει το κλαδί λεμονιού ενώ το κόβετε.

-Βίδες

-Ζώνη για σύνδεση τροχαλιών, στάνταρ ιμάντας 365 Τ5

-8mm κυκλικά ρουλεμάν, η εξωτερική διάμετρος είναι 22mm.

Βήμα 4: Τρισδιάστατη εκτύπωση και κοπή με λέιζερ

Χάρη στις μηχανές κοπής λέιζερ και τρισδιάστατης εκτύπωσης που βρέθηκαν στο Fablab, κατασκευάζουμε τα μέρη που χρειαζόμαστε για το ρομπότ μας.

I- Τα μέρη που έπρεπε να κόψουμε με λέιζερ είναι:

-Βάση του ρομπότ

-Υποστηρίζει τον κινητήρα του πρώτου βραχίονα

-Υποστήριξη του πρώτου βραχίονα

-Πλάκες των 2 βραχιόνων

-Βάση της λαβής

-Σύνδεση μεταξύ της λαβής και του βραχίονα.

-Δυο πλευρές της λαβής

-Υποστηρίζει τα ρουλεμάν, για να βεβαιωθείτε ότι δεν γλιστρούν ή μετακινούνται από τη θέση τους, όλες οι προσαρμογές ρουλεμάν είναι δύο στρωμάτων 3mm+4mm, αφού το πάχος του ρουλεμάν ήταν 7mm.

Σημείωση: θα χρειαστείτε ένα μικρό φύλλο ξύλου 4mm, για μερικά μικρά μέρη που πρέπει να κοπούν με λέιζερ. Επίσης, θα βρείτε στο σχέδιο CAD ένα πάχος που είναι 6mm, ή οποιοδήποτε άλλο πάχος που είναι πολλαπλάσιο του 3, τότε χρειάζεστε πολλαπλά στρώματα εξαρτημάτων κοπής με λέιζερ στα 3mm, δηλαδή αν υπάρχει πάχος 6mm, τότε χρειάζεστε 2 στρώματα 3 χιλιοστά το καθένα.

II- Μέρη που είχαμε για τρισδιάστατη εκτύπωση:

-Οι τέσσερις τροχαλίες: χρησιμοποιούνται για τη σύνδεση κάθε μοτέρ στον βραχίονα που είναι υπεύθυνος να κινείται.

-Υποστήριξη του κινητήρα του δεύτερου βραχίονα

-υποστήριξη για το ρουλεμάν στη βάση, που είναι στερεωμένο κάτω από τη ζώνη για να ασκήσει δύναμη σε αυτό και να αυξήσει την τάση. Συνδέεται με το ρουλεμάν χρησιμοποιώντας έναν στρογγυλό μεταλλικό άξονα.

-Δύο ορθογώνιες πλάκες για τη λαβή, τοποθετούνται στο μαλακό υλικό για να συγκρατούν καλά το κλαδί και να έχουν τριβή ώστε το κλαδί να μην γλιστρά.

-Τετράγωνος άξονας με στρογγυλή τρύπα 8 mm, για να συνδέσετε τις πλάκες του πρώτου βραχίονα και η τρύπα έπρεπε να τοποθετήσει έναν μεταλλικό άξονα 8 mm για να γίνει ολόκληρος ο άξονας ισχυρός και να μπορεί να χειριστεί τη συνολική ροπή. Οι στρογγυλοί μεταλλικοί άξονες συνδέθηκαν με ρουλεμάν και οι δύο πλευρές του βραχίονα για να ολοκληρώσουν το περιστροφικό μέρος.

-Αξονας εξαγωνικού σχήματος με στρογγυλή τρύπα 8mm για τον ίδιο λόγο με τον τετράγωνο άξονα

-Σφιγκτήρες για να στηρίζουν τις τροχαλίες και τις πλάκες κάθε βραχίονα καλά στις θέσεις τους.

Στα τρία σχήματα του CAD, μπορείτε να καταλάβετε καλά πώς συναρμολογείται το σύστημα και πώς συνδέονται και υποστηρίζονται οι άξονες. Μπορείτε να δείτε πώς συνδέονται οι τετράγωνοι και εξαγωνικοί άξονες με τον βραχίονα και πώς συνδέονται με τα στηρίγματα χρησιμοποιώντας τον μεταλλικό άξονα. Ολόκληρη η συνέλευση δίνεται σε αυτά τα σχήματα.

Βήμα 5: Μηχανική συναρμολόγηση

Η συναρμολόγηση ολόκληρου του ρομπότ έχει 3 κύρια βήματα που πρέπει να εξηγηθούν, πρώτα, συναρμολογούμε τη βάση και τον πρώτο βραχίονα, στη συνέχεια τον δεύτερο βραχίονα στον πρώτο, και τέλος τον πιαστήρα στον δεύτερο βραχίονα.

Συναρμολόγηση της βάσης και του πρώτου βραχίονα:

Πρώτον, ο χρήστης πρέπει να συναρμολογήσει τα ακόλουθα μέρη ξεχωριστά:

-Οι δύο πλευρές των αρμών με τα έδρανα μέσα.

-Η στήριξη του μοτέρ με τον κινητήρα, και η μικρή τροχαλία.

-Το συμμετρικό στήριγμα για τη μικρή τροχαλία.

-Ο τετραγωνισμένος άξονας, η μεγάλη τροχαλία, ο βραχίονας και οι σφιγκτήρες.

-Το ρουλεμάν «τάνυσης» στηρίζει την πλάκα στήριξης. Στη συνέχεια, προσθέστε το ρουλεμάν και τον άξονα.

Τώρα, κάθε υποσύνολο είναι σε θέση να συνδεθεί μεταξύ τους.

Σημείωση: για να βεβαιωθούμε ότι έχουμε την τάση στον ιμάντα που θέλουμε, η θέση του κινητήρα με βάση μπορεί να ρυθμιστεί, έχουμε επιμήκη τρύπα έτσι ώστε η απόσταση μεταξύ των τροχαλιών να μπορεί να αυξηθεί ή να μειωθεί και όταν ελέγξουμε ότι η τάση είναι καλή, συνδέουμε τον κινητήρα στη βάση με μπουλόνια και το στερεώνουμε καλά. Εκτός από αυτό, ένα ρουλεμάν στερεώθηκε με βάση σε ένα μέρος όπου ασκεί δύναμη στον ιμάντα για να αυξήσει την τάση, οπότε όταν ο ιμάντας κινείται το ρουλεμάν περιστρέφεται και κανένα πρόβλημα τριβής.

Συναρμολόγηση του δεύτερου βραχίονα στον πρώτο:

Τα μέρη πρέπει να συναρμολογηθούν ξεχωριστά:

-Το δεξί χέρι, με τον κινητήρα, το στήριγμα, την τροχαλία, καθώς και με το ρουλεμάν και τα μέρη στήριξής του. Μια βίδα τοποθετείται επίσης για να στερεώσει την τροχαλία στον άξονα όπως και στο προηγούμενο τμήμα.

-Το αριστερό χέρι με τα δύο ρουλεμάν και τα στηρίγματά τους.

-Η μεγάλη τροχαλία μπορεί να γλιστρήσει στον εξαγωνικό άξονα καθώς και στους άνω βραχίονες και οι σφιγκτήρες να έχουν σχεδιαστεί για να καθορίζουν τη θέση τους.

Στη συνέχεια, έχουμε τον δεύτερο βραχίονα έτοιμο να τοποθετηθεί στη θέση του, ο κινητήρας του δεύτερου βραχίονα τοποθετείται στον πρώτο, η θέση του είναι επίσης ρυθμιζόμενη για να φτάσει στην τέλεια τάση και να αποφύγει την ολίσθηση του ιμάντα, τότε ο κινητήρας στερεώνεται με ζώνη σε αυτή τη θέση.

Συναρμολόγηση της λαβίδας:

Η συναρμολόγηση αυτής της λαβής είναι εύκολη και γρήγορη. Όσον αφορά την προηγούμενη συναρμολόγηση, τα μέρη μπορούν να συναρμολογηθούν μόνα τους προτού στερεωθούν στον πλήρη βραχίονα:

-Συνδέστε την κινούμενη σιαγόνα στον άξονα του κινητήρα, με τη βοήθεια του πλαστικού τμήματος που συνοδεύει τον κινητήρα.

-Βιδώστε τον κινητήρα στο στήριγμα.

-Βιδώστε το στήριγμα του αισθητήρα στο στήριγμα της λαβής.

-Βάλτε τον αισθητήρα στην υποστήριξή του.

-Βάλτε το μαλακό υλικό στη λαβή και στερεώστε το τρισδιάστατο τυπωμένο μέρος πάνω τους

Η λαβή μπορεί να συναρμολογηθεί εύκολα στον δεύτερο βραχίονα, απλά ένα τμήμα κοπής λέιζερ υποστηρίζει τη βάση της λαβής από τον βραχίονα.

Το πιο σημαντικό πράγμα ήταν ο συντονισμός των λεπίδων στην κορυφή του βραχίονα και σε ποια απόσταση οι λεπίδες ήταν έξω από τη λαβή, έτσι έγινε με δοκιμή και λάθος μέχρι να φτάσουμε στο πιο αποτελεσματικό μέρος που μπορούμε να πάρουμε για τις λεπίδες όπου κόβουμε και το πιάσιμο πρέπει να συμβαίνει σχεδόν ταυτόχρονα.

Βήμα 6: Σύνδεση ηλεκτρονικών εξαρτημάτων

Σε αυτό το κύκλωμα, έχουμε τρεις σερβοκινητήρες, έναν αισθητήρα υπερήχων, ένα κουμπί, Arduino και ένα τροφοδοτικό.

Η έξοδος τροφοδοσίας μπορεί να ρυθμιστεί όπως θέλουμε, και δεδομένου ότι όλα τα σερβο και τα υπερηχητικά λειτουργούν σε 5 Volts, επομένως δεν χρειάζεται ρυθμιστής τάσης, μπορούμε μόνο να ρυθμίσουμε την έξοδο του τροφοδοτικού να είναι 5V.

Κάθε σερβο πρέπει να είναι συνδεδεμένος με Vcc (+5V), γείωση και σήμα. Ο αισθητήρας υπερήχων έχει 4 ακίδες, ο ένας συνδέεται με το Vcc, ο ένας για το έδαφος και οι άλλοι δύο ακροδέκτες είναι ακροδέκτες ενεργοποίησης και ηχώ, πρέπει να συνδεθούν με ψηφιακές ακίδες. Το κουμπί είναι συνδεδεμένο στη γείωση και σε μια ψηφιακή ακίδα.

Για το Arduino, πρέπει να μιλήσει για τη δύναμή του από την πηγή τροφοδοσίας, δεν μπορεί να τροφοδοτηθεί από το φορητό υπολογιστή ή το καλώδιο του, πρέπει να έχει την ίδια γείωση με τα ηλεκτρονικά εξαρτήματα που είναι συνδεδεμένα σε αυτό.

!!ΣΗΜΑΝΤΙΚΕΣ ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ!!:

- Πρέπει να προσθέσετε μετατροπέα ισχύος και ισχύ στο Vin με 7V.

-Βεβαιωθείτε ότι με αυτήν τη σύνδεση, θα πρέπει να αφαιρέσετε τη θύρα Arduino από τον υπολογιστή σας για να την κάψετε, αλλιώς δεν πρέπει να χρησιμοποιήσετε τον πείρο εξόδου 5V ως είσοδο.

Βήμα 7: Κώδικας Arduino και Διάγραμμα ροής

Ο στόχος αυτού του ρομποτικού βραχίονα με μια λαβή είναι να συλλέξει ένα λεμόνι και να το βάλει κάπου αλλού, οπότε όταν το ρομπότ είναι ενεργοποιημένο, πρέπει να πατήσουμε το κουμπί εκκίνησης και στη συνέχεια να πάει σε μια συγκεκριμένη θέση όπου βρίσκεται το λεμόνι, αν πιάνει το λεμόνι, η λαβή θα πάει σε μια τελική θέση για να βάλει το λεμόνι στη θέση του, επιλέξαμε την τελική θέση σε οριζόντιο επίπεδο, όπου η ροπή που απαιτείται είναι μέγιστη, για να αποδείξουμε ότι η λαβή είναι αρκετά ισχυρή.

Πώς μπορεί το ρομπότ να φτάσει στο λεμόνι:

Στο έργο που κάναμε, απλώς ζητάμε από το ρομπότ να μετακινήσει τα χέρια σε μια συγκεκριμένη θέση όπου βάζουμε το λεμόνι. Λοιπόν, υπάρχει ένας άλλος τρόπος για να το κάνετε αυτό, μπορείτε να χρησιμοποιήσετε αντίστροφη κινηματική για να μετακινήσετε το χέρι, δίνοντάς του τις (x, y) συντεταγμένες του λεμονιού και υπολογίζει πόσο πρέπει να περιστρέφεται κάθε κινητήρας ώστε η λαβή να φτάνει στο λεμόνι Το Όπου η κατάσταση = 0 είναι όταν το κουμπί εκκίνησης δεν πιέζεται, έτσι ο βραχίονας βρίσκεται στην αρχική θέση και το ρομπότ δεν κινείται, ενώ η κατάσταση = 1 είναι όταν πατάμε το κουμπί εκκίνησης και το ρομπότ ξεκινά.

Αντίστροφη κινηματική:

Στα σχήματα υπάρχει ένα παράδειγμα αντίστροφης κινηματικής υπολογισμού, μπορείτε να δείτε τρία σκίτσα, ένα για την αρχική θέση και τα άλλα δύο για την τελική θέση. Έτσι, όπως βλέπετε, για την τελική θέση- όπου κι αν βρίσκεται- υπάρχουν δύο δυνατότητες, ο αγκώνας πάνω και ο αγκώνας κάτω, μπορείτε να επιλέξετε ό, τι θέλετε.

Ας πάρουμε τον αγκώνα ως παράδειγμα, για να μετακινηθεί το ρομπότ στη θέση του, πρέπει να υπολογιστούν δύο γωνίες, theta1 και theta2, στα σχήματα επίσης βλέπετε τα βήματα και τις εξισώσεις για τον υπολογισμό του theta1 και theta2.

Σημειώστε ότι, αν το εμπόδιο βρεθεί σε απόσταση μικρότερη των 10 cm, τότε το λεμόνι πιάνεται και συγκρατείται από τη λαβή, τελικά πρέπει να το παραδώσουμε στην τελική θέση.

Βήμα 8: Εκτέλεση του ρομπότ

Μετά από όλα όσα κάναμε πριν, εδώ είναι βίντεο με το ρομπότ να λειτουργεί, με τον αισθητήρα, το κουμπί και όλα τα άλλα να λειτουργούν όπως πρέπει. Κάναμε επίσης μια δοκιμή ανακίνησης στο ρομπότ, για να βεβαιωθούμε ότι είναι σταθερό και η καλωδίωση είναι καλή.

Βήμα 9: Συμπέρασμα

Αυτό το έργο μας έδωσε μια καλή εμπειρία στην αντιμετώπιση τέτοιων έργων. Ωστόσο, αυτό το ρομπότ μπορεί να τροποποιηθεί και να έχει κάποιες επιπλέον προστιθέμενες τιμές, όπως ανίχνευση αντικειμένων για την ανίχνευση του λεμονιού ή ίσως έναν τρίτο βαθμό ελευθερίας ώστε να μπορεί να κινείται μεταξύ των δέντρων. Επίσης, μπορούμε να το κάνουμε να ελέγχεται από μια εφαρμογή για κινητά ή από το πληκτρολόγιο, ώστε να το μετακινούμε όπως θέλουμε. Ελπίζουμε να σας άρεσε το έργο μας και να ευχαριστήσουμε ιδιαίτερα τους επόπτες στο Fablab που μας βοήθησαν.