Moslty τρισδιάστατη εκτύπωση ρομποτικού βραχίονα που μιμείται ελεγκτή μαριονέτας: 11 βήματα (με εικόνες)

2024 Συγγραφέας: John Day | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2024-01-30 08:32

Είμαι φοιτητής μηχανικής από την Ινδία και αυτό είναι το πτυχίο My Undergrad.

Αυτό το έργο επικεντρώνεται στην ανάπτυξη ενός ρομποτικού βραχίονα χαμηλού κόστους, το οποίο είναι συνήθως τρισδιάστατο τυπωμένο και έχει 5 DOF με ένα πένσα με 2 δάχτυλα. Ο ρομποτικός βραχίονας ελέγχεται με ένα χειριστήριο μαριονέτας που είναι ένα μοντέλο επιφάνειας εργασίας του ρομποτικού βραχίονα με τους ίδιους βαθμούς ελευθερίας του οποίου οι αρθρώσεις είναι εξοπλισμένες με αισθητήρες. Ο χειρισμός του χειριστηρίου με το χέρι προκαλεί τον ρομποτικό βραχίονα να μιμείται την κίνηση με τον κύριο σκλάβο. Το σύστημα χρησιμοποιεί τη μονάδα WiFi ESP8266 ως μέσο μετάδοσης δεδομένων. Η διεπαφή χειριστή κύριου-σκλάβου παρέχει μια εύχρηστη μέθοδο χειρισμού ρομποτικού βραχίονα. Το Nodemcu (Esp8266) χρησιμοποιείται ως μικροελεγκτής.

Στόχος πίσω από αυτό το έργο ήταν η ανάπτυξη ρομπότ χαμηλού κόστους που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για εκπαιδευτικούς σκοπούς. Δυστυχώς, η προσβασιμότητα μιας τέτοιας ρομποτικής τεχνολογίας που φέρνει επανάσταση στον σύγχρονο κόσμο περιορίζεται μόνο σε ορισμένα ιδρύματα. Στόχος μας είναι να αναπτύξουμε και να κάνουμε αυτό το έργο ανοιχτού κώδικα, έτσι ώστε τα άτομα να μπορούν να το φτιάξουν, να το τροποποιήσουν και να το εξερευνήσουν μόνοι τους. Όντας χαμηλού κόστους και πλήρως ανοιχτού κώδικα, αυτό μπορεί να εμπνεύσει συμφοιτητές να μάθουν και να εξερευνήσουν αυτόν τον τομέα.

Οι συνεργάτες μου στο έργο:

• Shubham likhar
• Nikhil Kore
• Palash lonare

Ιδιαίτερες ευχαριστίες προς:

• Akash Narkhede
• Ram bokade
• Ankit korde

για τη βοήθειά τους σε αυτό το έργο.

Αποποίηση ευθυνών: Ποτέ δεν σχεδίαζα να γράψω ένα blog ή να διδάξω για αυτό το έργο, λόγω του οποίου δεν έχω επαρκή δεδομένα για την τεκμηρίωση τώρα. Αυτή η προσπάθεια γίνεται πολύ μετά την έναρξη του έργου. Ακόμα προσπάθησα πολύ να φέρω όσο το δυνατόν περισσότερες λεπτομέρειες για να γίνει πιο κατανοητό. μπορεί να το βρείτε ατελές σε ορισμένα σημεία… ελπίζω να καταλαβαίνετε:) θα συμπεριλάβω σύντομα ένα βίντεο στο youtube που θα δείχνει τα λειτουργικά και άλλα δοκιμαστικά του.

Βήμα 1: Λοιπόν, πώς λειτουργεί;

Αυτό είναι το πιο συναρπαστικό για μένα σε αυτό το έργο.

(Δεν ισχυρίζομαι ότι είναι αποτελεσματική ή σωστή μέθοδος για χρήση για εμπορικούς σκοπούς, μόνο για εκπαιδευτικούς σκοπούς)

μπορεί να έχετε δει φθηνά ρομπότ με σερβοκινητήρες που είναι μόνο για απομάκρυνση. Από την άλλη πλευρά υπάρχουν άνετα ρομπότ stepper motor με πλανητικό κιβώτιο ταχυτήτων κλπ. Αλλά αυτό το ρομπότ είναι μια ισορροπία μεταξύ τους.

λοιπόν, πώς διαφέρει;

Κατασκευή:

Αντί να χρησιμοποιώ χαμηλότερης ισχύος και υψηλού κόστους βηματικό κινητήρα, χρησιμοποίησα κινητήρες DC, αλλά όπως γνωρίζουμε οι κινητήρες Dc δεν διαθέτουν σύστημα ελέγχου ανάδρασης και δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν απευθείας για έλεγχο θέσης, τα κάλυψα σε σερβοκινητήρες προσθέτοντας ένα ποτενσιόμετρο ως αισθητήρα ανάδρασης/θέσης.

Τώρα, για απλότητα, αυτό που έκανα ήταν να αποσυναρμολογήσω τα φτηνά σερβο 9g που αφαιρούν τα κυκλώματά του και αντικατέστησα τον κινητήρα Dc του με κινητήρα dc υψηλής ροπής και το μικρό δοχείο με αυτό που είχα για το ρομπότ. Κάνοντας αυτό μου επέτρεψε να χρησιμοποιήσω την προεπιλεγμένη βιβλιοθήκη arduino δεν μπορείτε να πιστέψετε ότι η απλοποιημένη κωδικοποίηση είναι πολύ!

Για οδήγηση μοτέρ 12V DC με σερβο τσιπ 5V χρησιμοποίησα μονάδα οδήγησης μοτέρ L298N που μπορεί να οδηγήσει 2 κινητήρες ταυτόχρονα. Η μονάδα διαθέτει 4 ακίδες εισόδου IN1 έως IN4 που καθορίζει την κατεύθυνση περιστροφής του κινητήρα. Όπου IN1 και IN2 αντιστοιχούν στον 1ο κινητήρα και IN3, IN4 με 2ο κινητήρα. Επομένως, οι ακροδέκτες εξόδου (2) του σερβοτσίπ (αρχικά σε μικρό κινητήρα συνεχούς ρεύματος) συνδέονται με το IN1 και το IN2 της εξόδου μονάδας L298N, των οποίων συνδέεται με τον κινητήρα DC 12V.

Εργαζόμενος:

Με αυτόν τον τρόπο, όταν ο άξονας του κινητήρα δεν είναι στη θέση στόχου, το ποτενσιόμετρο στέλνει τιμή γωνίας στο σερβο τσιπ, το οποίο δίνει εντολή στη μονάδα L298N να κινεί είτε Cw είτε CCW, με τη σειρά περιστροφής του κινητήρα 12V DC σύμφωνα με την εντολή που λαμβάνεται από τον μικροελεγκτή.

Το σχήμα φαίνεται στο σχήμα (μόνο για 1 κινητήρα)

ΣΤΗΝ ΠΑΡΑΓΓΕΛΙΑ ΤΗΣ ΠΕΡΙΠΤΩΣΗΣ ΜΑΣ (ΚΟΙΝΕΣ ΑΞΙΕΣ ΓΩΝΙΑΣ) ΣΤΕΛΕΤΑΙ ΜΕΣΩ ΕΛΕΓΚΤΗ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΟΥ ΕΙΝΑΙ 10 ΦΟΡΕΣ ΜΕΤΑΧΕΙΡΙΣΜΕΝΟ ΑΝΤΙΓΡΑΦΟ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΟΥ ΡΟΜΠΟΤ ΚΑΙ ΕΧΕΙ ΠΟΤΕΝΣΙΟΜΕΤΡΟ ΣΥΝΔΕΣΜΕΝΟ ΣΕ ΟΛΟ ΤΟΝ ΤΕΥΧΟΥΝΤΟΥΓΕΤΟΥΝ ΤΟΙΧΟΥΦ ΡΟΜΠΟΤ ΣΥΝΔΕΣΗ ΣΕ ΟΠΟΙΟΙ ΚΑΘΕ ΚΟΙΝΟ ΜΗΧΑΝΗΜΑ ΔΟΚΙΜΑΣΤΕ ΝΑ ΚΑΤΟΧΗΣΤΕ

Σε κάθε άρθρωση ένα ποτενσιόμετρο συνδέεται με τον άξονα της άρθρωσης μέσω μηχανικής τροχαλίας ιμάντα. Όταν περιστρέφεται η άρθρωση, το ποτενσιόμετρο περιστρέφεται ανάλογα και δίνει ανατροφοδότηση σχετικά με την τρέχουσα θέση της γωνίας άρθρωσης (Εμφανίζεται στις παραπάνω εικόνες)

Βήμα 2: Εξαρτήματα που χρησιμοποιούνται:

Όπως είπα, εξακολουθώ να εργάζομαι και να το βελτιώνω μέρα με τη μέρα, επομένως, αυτά τα στοιχεία μπορεί να διαφέρουν σε ορισμένες μελλοντικές ενημερώσεις.

ο στόχος μου ήταν να το κάνω όσο το δυνατόν πιο οικονομικό, επομένως χρησιμοποίησα πολύ επιλεκτικά εξαρτήματα. Αυτός είναι ο κατάλογος των κύριων εξαρτημάτων που χρησιμοποιήθηκαν στην ημερομηνία Arm (θα συνεχίσω να το ενημερώνω στο μέλλον)

1. Esp8266 (2x)
2. Κινητήρες DC (διαφορετικών προδιαγραφών Ροπή και ταχύτητες, 5x)
3. Μονάδα οδήγησης μοτέρ L298N (2x)
4. Ποτενσιόμετρο (8x)
5. Κανάλι αλουμινίου (30x30, 1 μέτρο)
6. διάφορα Υλικά

Βήμα 3: Υπολογισμοί και σχεδιασμός βραχιόνων

Για το σχεδιασμό του βραχίονα χρησιμοποίησα το λογισμικό catia v5. Πριν ξεκινήσω τη διαδικασία σχεδιασμού το πρώτο πράγμα ήταν να υπολογίσω τα μήκη και τη ροπή του συνδέσμου που πρέπει να διατηρήσει κάθε άρθρωση.

Αρχικά ξεκίνησα με κάποιες παραδοχές που περιλαμβάνουν:

1. Το μέγιστο ωφέλιμο φορτίο για το ρομπότ θα είναι 500 gm (1,1 lb)
2. η συνολική απόσταση του ρομπότ θα είναι 500 mm
3. Το βάρος του ρομπότ δεν υπερβαίνει τα 3 κιλά.

Υπολογισμοί μήκους συνδέσμου

συνεχίζοντας με αυτό υπολόγισα το μήκος του συνδέσμου με αναφορά στην ερευνητική εργασία "Design of a Robotic Arm By I. M. H. van Haaren"

I. M. H. Ο van Haaren έδωσε ένα εξαιρετικό παράδειγμα για το πώς καθόρισε τα μήκη συνδέσμων χρησιμοποιώντας μια βιολογική αναφορά στην οποία τα μήκη των κύριων τμημάτων του σώματος εκφράζονται ως κλάσμα του συνολικού ύψους. Εμφανίζεται στο σχ.

μετά τους υπολογισμούς τα μήκη των συνδέσμων προέκυψαν

L1 = 274 mm

L2 = 215mm

L3 = 160mm

Μήκος λαβής = 150mm

Υπολογισμοί ροπής:

Για τον υπολογισμό της ροπής χρησιμοποίησα βασικές έννοιες της ροπής και των ροπών που εφαρμόζονται στη μηχανική.

χωρίς να μπω σε δυναμικούς υπολογισμούς στηρίχτηκα μόνο σε στατικούς υπολογισμούς ροπής λόγω κάποιων αντιρρήσεων.

υπάρχουν 2 κύριοι παίκτες με ροπή όπως T = FxR, δηλαδή στην περίπτωσή μας το φορτίο (μάζα) και το μήκος του συνδέσμου. Καθώς τα μήκη συνδέσμων έχουν ήδη καθοριστεί, το επόμενο πράγμα είναι να μάθουμε το βάρος των εξαρτημάτων. Σε αυτό το στάδιο δεν ήμουν σίγουρος πώς μπορώ να βρω βάρη κάθε συστατικού χωρίς να το μετράτε πραγματικά.

Έτσι, έκανα αυτούς τους υπολογισμούς σε επαναλήψεις.

1. Υπέθεσα το κανάλι αλουμινίου ως ένα ομοιόμορφο υλικό σε όλο το μήκος του και διαιρούσα το βάρος του συνολικού 1 μέτρου peice με το μήκος των peices που επρόκειτο να χρησιμοποιήσω.
2. Όσον αφορά τις αρθρώσεις, υπέθεσα ορισμένες τιμές για κάθε άρθρωση (βάρος κινητήρα + βάρος τρισδιάστατου τυπωμένου μέρους + άλλο) με βάση την παραδοχή του συνολικού βάρους του ρομπότ.
3. τα προηγούμενα 2 βήματα μου έδωσαν τις πρώτες τιμές ροπής της άρθρωσης. Για αυτές τις τιμές βρήκα κατάλληλους κινητήρες στο διαδίκτυο μαζί με άλλες προδιαγραφές και βάρη.
4. Στην 2η επανάληψη χρησιμοποίησα αρχικά βάρη κινητήρων (τα οποία ανακάλυψα στο 3ο βήμα) και υπολόγισα ξανά τις στατικές ροπές για κάθε άρθρωση.
5. Εάν οι τελικές τιμές ροπής στο βήμα 4 ήταν κατάλληλες για κινητήρες που επιλέχθηκαν στο βήμα 3 τελείωσα ότι ο κινητήρας αλλιώς επαναλάμβανε το βήμα 3 & 4 έως ότου οι διατυπωμένες τιμές πληρούν τις πραγματικές προδιαγραφές κινητήρα.

Σχεδιασμός βραχίονα:

Αυτή ήταν η πιο τακτοποιημένη εργασία όλου αυτού του έργου και χρειάστηκε σχεδόν ένας μήνας για να το σχεδιάσω. Παρεμπιπτόντως, έχω επισυνάψει φωτογραφίες του μοντέλου CAD. Θα αφήσω έναν σύνδεσμο για να κατεβάσετε αυτά τα αρχεία CAD κάπου εδώ:

Βήμα 4: Τρισδιάστατη εκτύπωση των εξαρτημάτων

Όλα τα μέρη είναι ότι οι σύνδεσμοι είναι τρισδιάστατοι εκτυπωμένοι σε εκτυπωτή 99 $ με περιοχή εκτύπωσης 100x100x100 mm (ναι αυτό είναι αλήθεια !!)

εκτυπωτής: Easy threed X1

Έχω συμπεριλάβει φωτογραφίες μεγάλων τμημάτων εκτός τεμαχισμού και θα συνδέσω με όλα τα μέρη του αρχείου CAD catfile καθώς και το stl, ώστε να μπορείτε να κατεβάσετε και να επεξεργαστείτε όπως θέλετε.

Βήμα 5: Συνέλευση ώμων (κοινή J1 & J2)

Η βασική τροχαλία τυπώθηκε σε διαφορετικό εκτυπωτή καθώς είχε διάμετρο 160 mm. Σχεδίασα την άρθρωση του βραχίονα έτσι ώστε να μπορεί να κινείται (Περιστροφή για z -άξονα) είτε με τροχαλία ζώνης είτε με μηχανισμό περιστροφής γραναζιού που μπορείτε να δείτε στις φωτογραφίες που περιλαμβάνονται παραπάνω. το κάτω μέρος είναι εκεί που ταιριάζουν τα ρουλεμάν τα οποία στη συνέχεια τοποθετούνται σε έναν κεντρικό άξονα σε μια πλατφόρμα που είναι κατασκευασμένη για να κινεί το βραχίονα (δεξαμενή, περισσότερο από αυτό στο μέλλον).

Το μεγαλύτερο εργαλείο (κίτρινο στην εικόνα) είναι τοποθετημένο σε κανάλι αλουμινίου με μπουλόνια παξιμαδιών μέσω των οποίων ο χαλύβδινος άξονας 8mm περνάει γύρω από τον οποίο η ένωση 2 κινείται. Η σχέση γραναζιού στην 1η άρθρωση είναι 4: 1 και αυτή της 2ης άρθρωσης είναι 3.4: 1

Βήμα 6: Αγκώνας και άρθρωση (κοινή J3)

(ΜΕΡΙΚΕΣ ΑΠΟ ΤΙΣ ΕΙΚΟΝΕΣ ΕΧΟΥΝ ΚΑΤΑΣΚΕΥΑΣΕΙ ΟΠΩΣ ΔΕΝ ΕΧΩ ΟΛΟΚΛΗΡΕΣ ΕΙΚΟΝΕΣ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑΣ)

Η άρθρωση του αγκώνα είναι μία μετά την άρθρωση του ώμου. Είναι μια άρθρωση 2 τεμαχίων, η μία συνδεδεμένη για τη σύνδεση της μιας και η άλλη για τη σύνδεση 2.

Το κομμάτι 1 διαθέτει κινητήρα Dc με πείρο κίνησης και το κομμάτι 2 έχει μεγαλύτερη ταχύτητα συνδεδεμένη με αυτό και ζεύγος ρουλεμάν για να στηρίξει τον άξονα. Η σχέση μετάδοσης είναι ίδια με αυτή του J2, δηλαδή 3,4: 1, αλλά ο κινητήρας είναι 12,5 KG-CM 60 RPM.

Το Joint J3 έχει εύρος κίνησης 160 μοιρών.

Βήμα 7: Καρπός (κοινή J4 & J5)

(ΜΕΡΙΚΕΣ ΑΠΟ ΤΙΣ ΕΙΚΟΝΕΣ ΕΧΟΥΝ ΚΑΤΑΣΚΕΥΑΣΕΙ ΟΠΩΣ ΔΕΝ ΕΧΩ ΟΛΟΚΛΗΡΕΣ ΕΙΚΟΝΕΣ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑΣ)

Μετά την άρθρωση του αγκώνα είναι η άρθρωση του καρπού. Αυτό και πάλι αποτελείται από 2 τεμάχια ένα στον προηγούμενο σύνδεσμο (δηλ. Τον σύνδεσμο 2) και ένα που αποτελείται από motot J5 που περιστρέφει τη διάταξη καρπού. Η σχέση ταχύτητας είναι 1,5: 1 και ο κινητήρας DC που χρησιμοποιείται είναι 10 RPM 8 KG -ΕΚ.

Αυτός ο σύνδεσμος J4 έχει εύρος περιστροφής 90 μοιρών και ο J5 360 μοίρες.

Βήμα 8: Gripper

Αυτό ήταν ένα από τα πιο δύσκολα καθήκοντα στο σχεδιασμό. Σχεδιάστηκε έτσι ώστε να μπορεί να επιλέξει τα περισσότερα αντικείμενα καθώς και να πιάσει τα περισσότερα αντικείμενα γύρω μας όπως μάνδαλα πόρτας, λαβές, ράβδους κ.λπ.

Όπως φαίνεται στην εικόνα, ένα ελικοειδές γρανάζι που συνδέεται με τον κινητήρα οδηγεί σε γρανάζια δεξιόστροφα ή αριστερόστροφα τα οποία συνδέονται με τα δάχτυλα για να τα ανοίγουν και να τα κλείνουν.

Όλα τα μέρη της λαβής φαίνονται στην συνημμένη εικόνα.

Βήμα 9: Κατασκευή κουκλοθεάτρου για ρομποτικό βραχίονα

Ο ελεγκτής μαριονέτας είναι η ακριβής 10 φορές μικρότερη έκδοση του πραγματικού ρομποτικού βραχίονα. Έχει 4 ποτενσιόμετρα τοποθετημένα σε 4 αρθρώσεις, συγκεκριμένα J1, J2, J3, J4 και Joint J5 θα λειτουργούν με ένα κουμπί για συνεχή περιστροφή (Περιστροφή του πιασίματος για κάθε λειτουργία)

τα ποτενσιόμετρα αντιλαμβάνονται τη γωνία περιστροφής των αρθρώσεων και στέλνουν αυτήν την τιμή μεταξύ 1-1023 στο Nodemcu, το οποίο μετατρέπεται πίσω σε 1-360 και αποστέλλεται σε άλλο Nodemcu μέσω wifi. Καθώς το ESP8266 έχει μόνο μία αναλογική είσοδο, χρησιμοποίησα έναν πολυπλέκτη 4051.

σεμινάριο χρήσης 4051 multiplexer με esp8266-https://www.instructables.com/id/How-to-Use-Multip…

σχηματικό διάγραμμα:

Θα προσθέσω ένα σχηματικό διάγραμμα μόλις το τελειώσω (αν κάποιος το χρειάζεται επειγόντως επικοινωνήστε μαζί μου μέχρι τότε)

Κωδικός: (περιλαμβάνεται επίσης εδώ)

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

Βήμα 10: Ηλεκτρονικά

Επισυνάπτω φωτογραφίες της τρέχουσας εργασίας. Τα Πλήρη Ηλεκτρονικά και το σχηματικό διάγραμμα δεν έχουν ολοκληρωθεί ακόμη. Θα δημοσιεύσω σύντομα ενημερώσεις μέχρι τότε να μείνω συνδεδεμένος:)

(Σημείωση: Αυτό το έργο δεν έχει ολοκληρωθεί ακόμα. Θα παρακολουθώ τυχόν ενημερώσεις στο μέλλον)

Βήμα 11: Κωδικοί και σχηματικά σε ένα μέρος

Θα ολοκληρώσω τα σχήματα ρομπότ και τον τελικό κώδικα μόλις το τελειώσω!