DIY Robot Arm 6 Axis (με Stepper Motors): 9 βήματα (με εικόνες)

2024 Συγγραφέας: John Day | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2024-01-30 08:34

Μετά από περισσότερο από ένα χρόνο μελετών, πρωτοτύπων και διαφόρων αστοχιών κατάφερα να φτιάξω ένα ρομπότ σιδήρου / αλουμινίου με 6 βαθμούς ελευθερίας που ελέγχονται από βηματικούς κινητήρες.

Το πιο δύσκολο κομμάτι ήταν ο σχεδιασμός γιατί ήθελα να επιτύχω 3 βασικούς στόχους:

• Χαμηλό κόστος πραγματοποίησης
• Εύκολη συναρμολόγηση ακόμη και με μικρό εξοπλισμό
• Καλή ακρίβεια κατά τη μετακίνηση

Σχεδίασα το μοντέλο 3D με τον Rhino αρκετές φορές έως ότου (κατά τη γνώμη μου) ένας καλός συμβιβασμός που πληροί τις 3 απαιτήσεις.

Δεν είμαι μηχανικός και πριν από αυτό το έργο δεν είχα καμία εμπειρία στη ρομποτική, οπότε ένας πιο έμπειρος από μένα θα μπορούσε να βρει σχεδιαστικά ελαττώματα σε αυτό που έκανα, αλλά μπορώ ακόμα να πω ότι είμαι ικανοποιημένος με το τελικό αποτέλεσμα που πέτυχα.

Προμήθειες

για περισσότερες πληροφορίες επισκεφθείτε το προσωπικό μου ιστολόγιο

Βήμα 1: Σχεδιασμός CAD

Πριν φτάσω στο τελικό μοντέλο σχεδίασα τουλάχιστον 8 διαφορετικά πρωτότυπα με διαφορετικά συστήματα μετάδοσης, αλλά κανένα δεν μπορούσε να ικανοποιήσει τις 3 απαιτήσεις που περιγράφονται παραπάνω.

Συγκεντρώνοντας τις μηχανικές λύσεις όλων των πρωτοτύπων που έγιναν (και επίσης αποδεχόμενοι ορισμένους συμβιβασμούς) το τελικό μοντέλο βγήκε. Δεν μέτρησα τις ώρες που πέρασα μπροστά από το CAD αλλά μπορώ να σας διαβεβαιώσω ότι ήταν πραγματικά πολλές.

Μια πτυχή που πρέπει να έχετε κατά νου στο στάδιο του σχεδιασμού είναι ότι ακόμη και ένα γραμμάριο που προστίθεται στο τέλος του καρπού του ρομπότ πολλαπλασιάζεται εις βάρος της αντίστασης ροπής των κινητήρων στη βάση και επομένως προστίθεται περισσότερο βάρος και όσο περισσότερο οι κινητήρες πρέπει να υπολογιστεί για να αντέξει την προσπάθεια.

Για να «βοηθήσω» τους κινητήρες να αντέξουν την καταπόνηση έβαλα έμβολα αερίου 250Ν και 150Ν.

Σκέφτηκα να μειώσω το κόστος δημιουργώντας το ρομπότ με πλάκες σιδήρου κομμένες με λέιζερ (C40) και αλουμίνιο με πάχη που κυμαίνονται από 2, 3, 5, 10 mm. η κοπή με λέιζερ είναι πολύ φθηνότερη από την τρισδιάστατη άλεση μετάλλων.

Αφού σχεδίασα κάθε μεμονωμένο εξάρτημα, έφτιαξα τα σχήματα των κομματιών σε.dxf και τα έστειλα στο κέντρο κοπής. Όλα τα υπόλοιπα εξαρτήματα κατασκευάστηκαν από τον εαυτό μου στον τόρνο.

Βήμα 2: Προετοιμασία και συναρμολόγηση

Επιτέλους ήρθε η ώρα να λερώσω τα χέρια μου (αυτό κάνω καλύτερα)…

Η φάση κατασκευής έχει αφαιρέσει πολλές ώρες εργασίας για την προετοιμασία των κομματιών, τη χειροκίνητη λίπανση των οπών, τους αρμούς, τα σπειρώματα και τη στροφή των διανομέων. Το γεγονός ότι σχεδίασα κάθε στοιχείο για να μπορώ να δουλεύω με λίγα μόνο εργαλεία εργασίας με οδήγησε να μην έχω μεγάλες εκπλήξεις ή μηχανικά προβλήματα.

Το πιο σημαντικό πράγμα δεν είναι να βιαστείτε να τελειώσετε τα πράγματα αλλά να είστε σχολαστικοί και να ακολουθείτε κάθε γραμμή του έργου, ο αυτοσχεδιασμός σε αυτό το στάδιο δεν οδηγεί ποτέ σε καλά αποτελέσματα.

Η συνειδητοποίηση των ρουλεμάν καθισμάτων είναι εξαιρετικά σημαντική επειδή κάθε άρθρωση στηρίζεται σε αυτά και ακόμη και ένα μικρό παιχνίδι λίγων τοις εκατό θα μπορούσε να θέσει σε κίνδυνο την επιτυχία του έργου.

Βρήκα τον εαυτό μου να ξανακάνει τις καρφίτσες γιατί με τον τόρνο είχα αφαιρέσει περίπου 5 σεντς μικρότερα από την τρύπα του ρουλεμάν και όταν προσπάθησα να το τοποθετήσω το παιχνίδι ήταν τερατώδη εμφανές.

Τα εργαλεία που χρησιμοποίησα για την προετοιμασία όλων των κομματιών είναι:

• τρυπανάκι
• μύλος / dremel
• ακόνι
• χειροκίνητο αρχείο
• τόρνος
• Αγγλικά κλειδιά

Καταλαβαίνω ότι δεν μπορούν όλοι να έχουν έναν τόρνο στο σπίτι και σε αυτή την περίπτωση θα χρειαστεί να παραγγείλετε τα κομμάτια σε ένα εξειδικευμένο κέντρο.

Είχα σχεδιάσει τα κομμάτια για να κοπούν με λέιζερ με τις ελαφρώς πιο άφθονες αρθρώσεις για να μπορέσω να τα τελειοποιήσω με το χέρι γιατί το λέιζερ, όσο ακριβές και αν είναι, δημιουργεί μια κωνική τομή και είναι απαραίτητο να το λάβουμε υπόψη.

Δουλεύοντας με το αρχείο κάθε χέρι που έκανα για να δημιουργήσω μια πολύ ακριβή σύζευξη μεταξύ των τμημάτων.

Ακόμα και τις τρύπες στα ρουλεμάν καθίσματα τις είχα κάνει μικρότερες και μετά τις ξαναέβαλα με το χέρι με το dremel και πολύ (αλλά πραγματικά πολύ) υπομονή.

Όλα τα νήματα που έφτιαξα με το χέρι στο τρυπάνι γιατί επιτυγχάνεται η μέγιστη κάθετη μεταξύ του οργάνου και του κομματιού. Μετά την προετοιμασία κάθε κομματιού έφτασε η πολυαναμενόμενη στιγμή της αλήθειας, η συναρμολόγηση ολόκληρου του ρομπότ. Με έκπληξη διαπίστωσα ότι κάθε κομμάτι ταιριάζει ακριβώς στο άλλο με τις σωστές ανοχές.

Το ρομπότ είναι πλέον συναρμολογημένο

Πριν κάνω οτιδήποτε άλλο, προτίμησα να κάνω κάποιες δοκιμές κίνησης για να βεβαιωθώ ότι οι κινητήρες έχουν σχεδιαστεί σωστά, αν βρω προβλήματα με τους κινητήρες, ειδικά τη ροπή σύσφιγξής τους, θα αναγκαστώ να επαναλάβω ένα καλό μέρος του έργου.

Έτσι, αφού επίσης τοποθέτησα τους 6 κινητήρες, πήρα το βαρύ ρομπότ στο εργαστήριο της σοφίτας μου για να το υποβάλω στις πρώτες δοκιμές.

Βήμα 3: Πρώτες δοκιμές κίνησης

Αφού ολοκλήρωσα το μηχανικό μέρος του ρομπότ, συγκέντρωσα γρήγορα τα ηλεκτρονικά και συνέδεσα μόνο τα καλώδια των 6 κινητήρων. Τα αποτελέσματα της δοκιμής ήταν πολύ θετικά, οι αρθρώσεις κινούνται καλά και στις προκαθορισμένες γωνίες, ανακάλυψα μερικά εύκολα επιλύσιμα προβλήματα Το

Το πρώτο πρόβλημα αφορά την κοινή αρ. 3 που στη μέγιστη επέκταση υπερφόρτωσε υπερβολικά τη ζώνη και μερικές φορές προκάλεσε απώλεια βημάτων. Η λύση σε αυτό το πρόβλημα με οδήγησε σε διάφορα επιχειρήματα που θα δούμε στο επόμενο βήμα.

Το δεύτερο πρόβλημα αφορά το κοινό αρ. 4, η λύση της στρέψης του ιμάντα δεν ήταν πολύ αξιόπιστη και δημιουργούσε προβλήματα. Εν τω μεταξύ, τα σιδερένια μέρη του ρομπότ άρχισαν να κάνουν μικρά σημεία σκουριάς, οπότε με την ευκαιρία να λύσω τα προβλήματα, βρήκα επίσης την ευκαιρία να το ζωγραφίσω.

Βήμα 4: Ζωγραφική και επανασυναρμολόγηση

Δεν μου αρέσει ιδιαίτερα η φάση της ζωγραφικής αλλά σε αυτή την περίπτωση είμαι υποχρεωμένη να το κάνω γιατί το αγαπώ ακόμη λιγότερο.

Στο σίδερο έβαλα πρώτα ένα αστάρι που χρησιμεύει ως φόντο για το κόκκινο χρώμα φλουό.

Βήμα 5: Επιδιόρθωση σφαλμάτων N.1

Μετά τα αποτελέσματα των δοκιμών έπρεπε να κάνω κάποιες αλλαγές για να βελτιώσω την ακρίβεια του ρομπότ. Η πρώτη τροποποίηση αφορά την άρθρωση # 3 ιδίως όταν βρισκόταν στην πιο δυσμενή κατάσταση άσκησε υπερβολική πρόσφυση της ζώνης και κατά συνέπεια ο κινητήρας ήταν πάντα κάτω στρες. Η λύση ήταν να βοηθήσουμε εφαρμόζοντας μια δύναμη αντίθετη προς την κατεύθυνση περιστροφής.

Πέρασα ολόκληρες νύχτες σκεπτόμενος ποια θα μπορούσε να είναι η καλύτερη λύση χωρίς να χρειαστεί να κάνω τα πάντα ξανά. Αρχικά σκέφτηκα να εφαρμόσω ένα μεγάλο ελατήριο στρέψης, αλλά ψάχνοντας στο διαδίκτυο δεν βρήκα κάτι ικανοποιητικό και επέλεξα ένα πιστόνι αερίου (όπως είχα ήδη σχεδιάσει για τον σύνδεσμο # 2), αλλά έπρεπε ακόμα να αποφασίσω πού θα το τοποθετήσω επειδή δεν είχε αρκετό χώρο.

Εγκαταλείποντας λίγο την αισθητική, αποφάσισα ότι το καλύτερο μέρος για να τοποθετήσετε το έμβολο ήταν στο πλάι.

Έκανα τους υπολογισμούς για την απαραίτητη ισχύ του εμβόλου λαμβάνοντας υπόψη το σημείο στο οποίο έπρεπε να ασκήσει τη δύναμη και έπειτα παρήγγειλα στο ebay ένα έμβολο 150 Ν μήκους 340 mm και τότε σχεδίασα τα νέα στηρίγματα για να μπορούν να το διορθώσουν.

Βήμα 6: Επιδιόρθωση σφαλμάτων N.2

Η δεύτερη αλλαγή αφορά την κοινή αρ. 4 όπου αρχικά είχα προγραμματίσει τη μετάδοση με τη στριμμένη ζώνη αλλά κατάλαβα ότι οι χώροι μειώθηκαν και η ζώνη δεν λειτούργησε τόσο καλά όσο ήλπιζα.

Αποφάσισα να επαναλάβω εντελώς ολόκληρη την άρθρωση σχεδιάζοντας τους ώμους έτσι ώστε να δέχομαι τον κινητήρα σε παράλληλη κατεύθυνση σε σχέση με αυτούς. Με αυτήν τη νέα τροποποίηση τώρα ο ιμάντας λειτουργεί σωστά και είναι επίσης ευκολότερο να τον τεντώσετε επειδή έχω σχεδιάσει ένα σύστημα κλειδιού για να τεντώνετε εύκολα τον ιμάντα.

Βήμα 7: Ηλεκτρονικά

Τα ηλεκτρονικά ελέγχου κινητήρα είναι τα ίδια που χρησιμοποιούνται για ένα κλασικό CNC 3 αξόνων με τη διαφορά ότι υπάρχουν 3 ακόμη οδηγοί και 3 ακόμη κινητήρες για διαχείριση. Όλη η λογική ελέγχου των αξόνων υπολογίζεται από την εφαρμογή, τα ηλεκτρονικά έχουν τη μοναδική αποστολή της λήψης οδηγιών σχετικά με το πόσες μοίρες θα πρέπει να περιστρέφονται οι κινητήρες έτσι ώστε ο σύνδεσμος να μην φτάσει στην επιθυμητή θέση.

Τα μέρη που αποτελούν τα ηλεκτρονικά είναι:

• Arduino Mega
• ν 6 πρόγραμμα οδήγησης DM542T
• ν 4 Relè
• ν 1 τροφοδοτικό 24V
• ν 2 ηλεκτρομαγνητικές βαλβίδες (για τον πνευματικό σφιγκτήρα)

Στο Arduino φόρτωσα το σκίτσο που ασχολείται με την ταυτόχρονη διαχείριση των κινήσεων των κινητήρων, όπως επιτάχυνση, επιβράδυνση, ταχύτητα, βήματα και μέγιστα όρια και έχει προγραμματιστεί να λαμβάνει εντολές για εκτέλεση μέσω σειριακής (USB).

Σε σύγκριση με τους επαγγελματικούς ελεγκτές κίνησης που μπορεί να κοστίσουν έως και αρκετές χιλιάδες ευρώ, το Arduino με τον δικό του μικρό τρόπο υπερασπίζεται τον εαυτό του πολύ προφανώς πολύ περίπλοκες λειτουργίες που δεν είναι σε θέση να διαχειριστεί, όπως για παράδειγμα το πολλαπλών νημάτων χρήσιμο, ειδικά όταν πρέπει να διαχειρίζεστε πολλαπλούς κινητήρες ταυτόχρονα Το

Βήμα 8: Σκέψεις λογισμικού

Κάθε ρομπότ έχει το δικό του σχήμα και διαφορετικές γωνίες κίνησης και η κινηματική είναι διαφορετική για καθένα από αυτά. Προς το παρόν για να εκτελέσω τις δοκιμές χρησιμοποιώ το λογισμικό του Chris Annin (www.anninrobotics.com), αλλά τα μαθηματικά που γράφτηκαν για το ρομπότ του δεν ταιριάζουν απόλυτα με τα δικά μου, στην πραγματικότητα ορισμένες περιοχές της περιοχής εργασίας που δεν μπορώ να προσεγγίσω τους επειδή οι υπολογισμοί των γωνιών δεν είναι πλήρεις.

Το λογισμικό της Annin είναι καλό τώρα για πειραματισμούς, αλλά θα πρέπει να αρχίσω να σκέφτομαι να γράψω το δικό μου λογισμικό που ταιριάζει 100% με τη φυσική του ρομπότ μου. Έχω ήδη ξεκινήσει να κάνω κάποιες δοκιμές χρησιμοποιώντας το Blender και γράφοντας το τμήμα Python του ελεγκτή κίνησης και φαίνεται καλή λύση, υπάρχουν ορισμένες πτυχές που πρέπει να αναπτυχθούν, αλλά αυτός ο συνδυασμός (Blender + Ptyhon) είναι πολύ εύκολο να εφαρμοστεί, ειδικά είναι εύκολο για να σχεδιάσετε και να προσομοιώσετε κινήσεις χωρίς να έχετε το ρομπότ μπροστά σας.

Βήμα 9: Πνευματικός σφιγκτήρας

Για να μπορώ να μεταφέρω αντικείμενα στο ρομπότ το έχω εξοπλίσει με έναν σφιγκτήρα πνευματικού.

Προσωπικά δεν μου αρέσουν οι πένσες με σερβιτόρους, δεν μου δίνουν μεγάλη εμπιστοσύνη στη σφραγίδα, οπότε σκέφτηκα ότι ένα πνευματικό τσιμπιδάκι που ρυθμίζει ειδικά την πίεση θα μπορούσε να ικανοποιήσει όλες τις ανάγκες.

Με τετράγωνα προφίλ αλουμινίου τροποποίησα τον σφιγκτήρα για να πάρει τόσο μικρά όσο και μεγάλα αντικείμενα.

Αργότερα, όταν βρω χρόνο, θα συγκεντρώσω όλες τις πληροφορίες σχετικά με το έργο, ώστε να μπορώ να το κατεβάσω.

Ελπίζω να σας άρεσε αυτό το διδακτικό.