Κόλλα πέντε! - ένα ρομποτικό χέρι: 5 βήματα

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

Μια μέρα, στο μάθημα Principles of Engineering, ξεκινήσαμε να κατασκευάζουμε σύνθετα μηχανήματα από μέρη VEX. Καθώς αρχίσαμε να χτίζουμε τους μηχανισμούς, αγωνιστήκαμε να διαχειριστούμε πολλαπλά σύνθετα στοιχεία που έπρεπε να συναρμολογηθούν μαζί. Αν μπορούσε κάποιος να μας δώσει ένα χέρι…

Γι 'αυτό, εμείς, τρεις μαθητές του Λυκείου Irvington στην τάξη της κας Μπερμπάουι, αποφασίσαμε να σχεδιάσουμε και να φτιάξουμε ένα ρομποτικό χέρι από την αρχή! Με οικονομική εκτίμηση 150 $ για αυτό το S. I. D. E. Το έργο, καταφέραμε να αποκτήσουμε όλα τα υλικά που απαιτούνται, ενώ παραμένουμε πολύ κάτω από τον προϋπολογισμό. Το τελικό προϊόν αποτελείται από ένα Arduino Mega, ένα σερβο μικροελεγκτή που κινεί 5 σερβομηχανήματα, καθένα από τα οποία είναι συνδεδεμένο με ένα 3D εκτυπωμένο δάχτυλο που μπορεί να κινείται ξεχωριστά με ρεαλιστικούς συνδέσμους.

Αυτό ήταν ένα πολύ φιλόδοξο έργο, δεδομένου ότι όλα τα μέλη της ομάδας είναι μαθητές λυκείου με πολυάσχολα προγράμματα για τους νεότερους και δεν έχουν προηγούμενη εμπειρία στο να σχεδιάσουν πλήρως ένα έργο που βασίζεται σε ηλεκτρονικά από την αρχή. Ενώ τα μέλη της ομάδας μας είχαν προηγούμενη εμπειρία σχεδιασμού και προγραμματισμού με τη βοήθεια υπολογιστή, το έργο άνοιξε τα μάτια μας στη πιθανή χρήση υλικού και λογισμικού Arduino με τρόπο που θα μπορούσε να βοηθήσει τους ανθρώπους να εκπληρώσουν τις καθημερινές τους εργασίες.

Τρισδιάστατη Μοντελοποίηση και Σχεδιασμός από τον Patrick Ding

Τεκμηρίωση και κωδικοποίηση Arduino από τον Ashwin Natampalli

Arduino Coding, Circuitry, and Instructable by Sandesh Shrestha

Βήμα 1: CADing

Το πρώτο και πιο δύσκολο βήμα σε αυτό το έργο είναι η δημιουργία τρισδιάστατων μοντέλων του χεριού με τα δάχτυλα. Για να το κάνετε αυτό, χρησιμοποιήστε Autodesk Inventor ή Autodesk Fusion 360 (Χρησιμοποιήσαμε το πρώτο).

Χρησιμοποιήστε αρχεία τμημάτων για να δημιουργήσετε μεμονωμένα CAD για την παλάμη, τα τμήματα των δακτύλων, τις άκρες των δακτύλων και το ροζ τμήμα των δακτύλων. Αυτό μας πήρε 2-3 αναθεωρήσεις ανά μέρος προκειμένου η λειτουργία των αρθρώσεων και των σερβομηχανών να είναι ομαλή.

Ο σχεδιασμός μπορεί να έχει όποιο μέγεθος και σχήμα ήθελε, εφόσον η διαδρομή της χορδής επιτρέπει την ομαλή λειτουργία των δακτύλων και τα δάχτυλα δεν συγκρούονται μεταξύ τους. Επίσης, βεβαιωθείτε ότι τα δάχτυλα είναι σε θέση να καταρρεύσουν πλήρως για μια κλειστή γροθιά.

Για να διορθώσουμε το ζήτημα των παρεμβολών συμβολοσειρών και των αναποτελεσματικών μονοπατιών, όπως διαπιστώσαμε στην πρώτη μας έκδοση, προστέθηκαν βρόχοι, οδηγοί συμβολοσειρών και σήραγγες, έτσι ώστε η συμβολοσειρά να μπορεί εύκολα να τραβηχτεί και να χαλαρώσει.

Ακολουθούν οι οριστικοποιημένες multiviews και τα αρχεία.stl CAD για κάθε μέρος.

Βήμα 2: Τρισδιάστατη εκτύπωση

Αφού ολοκληρώσετε τα CAD, χρησιμοποιήστε έναν εκτυπωτή 3D για να τους ζωντανέψετε. Αυτό το στάδιο μπορεί να επαναληφθεί πολλές φορές εάν το σχέδιο που δημιουργείτε έχει κάποια προβλήματα.

Για τρισδιάστατη εκτύπωση, εξάγετε πρώτα τα αρχεία CAD ως αρχεία STL. Για να το κάνετε αυτό στο Autodesk Inventor, κάντε κλικ στο αναπτυσσόμενο μενού Αρχείο και τοποθετήστε το δείκτη του ποντικιού πάνω στην εξαγωγή. Από τη αναδυόμενη στήλη, επιλέξτε Μορφή CAD. Το μενού Εξερεύνηση αρχείων των Windows θα σας επιτρέψει να επιλέξετε.stl αρχείο από το αναπτυσσόμενο μενού και να επιλέξετε μια τοποθεσία για το αρχείο.

Μόλις το αρχείο είναι έτοιμο για εισαγωγή στο λογισμικό του 3D εκτυπωτή, διαμορφώστε τις επιλογές εκτύπωσης σύμφωνα με τις προτιμήσεις σας ή ακολουθήστε τη διαμόρφωσή μας. Το λογισμικό τρισδιάστατων εκτυπωτών διαφέρει από μάρκα σε μάρκα, οπότε συμβουλευτείτε τους διαδικτυακούς οδηγούς ή το εγχειρίδιο για να πλοηγηθείτε στο λογισμικό τους. Για το χέρι μας, χρησιμοποιήσαμε το LulzBot Mini λόγω της διαθεσιμότητάς του στις ρυθμίσεις της τάξης μας.

Βήμα 3: Συναρμολόγηση

Μόλις όλα τα μέρη εκτυπωθούν με επιτυχία με τύπους σχεδίων και στηριγμάτων (αν υπάρχουν), τότε κάθε μέρος πρέπει να προετοιμαστεί για να ξεκινήσει η συναρμολόγηση.

Δεδομένου ότι οι τρισδιάστατοι εκτυπωτές δεν είναι πολύ ακριβείς και μπορεί να προκύψουν μικρές ατέλειες, χρησιμοποιήστε ένα αρχείο ή γυαλόχαρτο ή ένα dremel με ένα εξάρτημα λείανσης για να εξομαλύνετε ορισμένα πρόσωπα. Για την πιο ομαλή λειτουργία των αρθρώσεων, εστιάστε σε αρμούς και σημεία τομής για να εξομαλυνθούν για βέλτιστες συνδέσεις. Μερικές φορές οι σήραγγες με χορδές σε τμήματα δακτύλων και άλλα μέρη μπορεί να σπάσουν ή να είναι ατελείς. Για να αντιμετωπίσετε μεγάλες αποκλίσεις, χρησιμοποιήστε ένα τρυπάνι με τρυπάνι 3/16 ιντσών για να ανοίξετε τις σήραγγες.

Για την ευκολότερη δρομολόγηση χορδών, συναρμολογήστε κάθε δάχτυλο, περάστε τη χορδή μέσα από τις σήραγγες και δέστε τη χορδή στα άκρα. Πριν από τη συγχώνευση κάθε δακτύλου στην παλάμη, περάστε το κορδόνι μέσα από τους βρόχους οδήγησης, ένα στην επάνω τρύπα και ένα στο κάτω μέρος, στην παλάμη και συνδέστε το στα αντίθετα άκρα των περιστρεφόμενων καρουλιών του σερβο. Μόλις τα μήκη είναι σωστά, ενώστε τα δάχτυλα στην παλάμη.

Όπως φαίνεται στην παραπάνω εικόνα, τοποθετήστε βίδες m4x16 σε κάθε άρθρωση για να συγκρατήσετε το δάχτυλο μαζί. Επαναλάβετε κάθε διαδικασία δημιουργίας δακτύλων για όλα τα δάχτυλα, χρησιμοποιώντας τα τμήματα ροζ για το ροζ.

Βήμα 4: Κύκλωμα Arduino

Με τον σκελετό συγκεντρωμένο, τώρα οι μύες και ο εγκέφαλος πρέπει να ενσωματωθούν. Για να τρέξουμε όλα τα servos ταυτόχρονα, πρέπει να χρησιμοποιήσουμε έναν ελεγκτή κινητήρα PCA 9685 της Adafruit. Αυτός ο ελεγκτής απαιτεί εξωτερική τροφοδοσία ρεύματος για να τροφοδοτήσει τα servos. Χρησιμοποιώντας αυτόν τον ελεγκτή και την ιδιόκτητη βιβλιοθήκη κωδικοποίησης μπορείτε να βρείτε εδώ.

Όταν συνδέετε το Arduino στο χειριστήριο, βεβαιωθείτε ότι έχετε καταγράψει τις εξόδους των ακίδων. Εάν χρησιμοποιείτε Arduino Mega, τότε αυτό δεν θα είναι απαραίτητο. Σε όλες τις περιπτώσεις, ωστόσο, βεβαιωθείτε ότι έχετε καταγράψει σε ποιες θύρες του ελεγκτή κινητήρα είναι τοποθετημένα τα servos.

Για να ελέγξετε τα servos και το χέρι χρησιμοποιώντας ένα IR Remote, απλά προσθέστε τον δέκτη IR και συνδέστε την τροφοδοσία και τη γείωση στο Arduino με το καλώδιο δεδομένων στις ψηφιακές θύρες. Ελέγξτε το pinout του δέκτη IR σας για να βεβαιωθείτε ότι έχει συνδεθεί σωστά. Εμφανίζεται ένα παράδειγμα του κυκλώματός μας.

Για να δημιουργήσετε αυτό το κύκλωμα, συνδέστε πρώτα κάθε σερβο σε θύρες 3, 7, 11, 13 και 15 στην πλακέτα ελεγκτή σερβοκινητήρα. Συνδέστε ολόκληρο τον πίνακα με τις πέντε καρφίτσες στο κάτω μέρος σε μια σανίδα ψωμιού.

Χρησιμοποιώντας καλώδια βραχυκυκλωτήρων, συνδέστε την τροφοδοσία και τη γείωση του Arduino σε μια ράγα ισχύος του breadboard (Βεβαιωθείτε ότι έχετε επισημάνει ή θυμάστε ποια πλευρά έχει 5V από το Arduino!). Αυτό θα τροφοδοτήσει τον αισθητήρα IR και τον ελεγκτή κινητήρα. Συνδέστε ένα τροφοδοτικό 6V στην άλλη ράγα. Αυτό θα τροφοδοτήσει τα servos.

Τοποθετήστε και τις 3 ακίδες του αισθητήρα IR στην πλάκα ψωμιού. Συνδέστε τη δύναμη και τη γείωση στη ράγα 5V και την έξοδο στην ψηφιακή ακίδα 7.

Δεδομένου ότι χρησιμοποιούμε Arduino Mega, οι θύρες SDA και SCL στο χειριστήριο μοτέρ θα είναι ενσύρματες με τις θύρες SDA και SCL στο Arduino. Το VCC και οι θύρες εδάφους θα συνδεθούν με τη ράγα 5V.

Με τη μπαταρία συνδεδεμένη στη δική της ράγα τροφοδοσίας, χρησιμοποιήστε καλώδια βραχυκυκλωτήρων και ένα μικρό κατσαβίδι επίπεδης κεφαλής για να εξασφαλίσετε την ισχύ στους σερβοκινητήρες μέσω της πράσινης κεφαλίδας εισόδου ισχύος.

Βεβαιωθείτε ότι όλες οι συνδέσεις είναι σφιχτές και ελέγξτε ξανά όλες τις γραμμές καλωδίων με το κύκλωμα TinkerCAD προσαρτημένο.

Βήμα 5: Κωδικοποίηση

Το τελευταίο βήμα πριν από τη χρήση αυτού του χεριού είναι η κωδικοποίηση του Arduino. Δεδομένου ότι αυτό το χέρι χρησιμοποιεί τον ελεγκτή κινητήρα PCA 9685, πρέπει πρώτα να εγκαταστήσουμε τη βιβλιοθήκη, η οποία μπορεί να γίνει μέσα στο περιβάλλον κωδικοποίησης Arduino. Μετά την εγκατάσταση, εγκαταστήστε επίσης τη βιβλιοθήκη IRremote για λειτουργίες IR Remote.

Στον κωδικό μας, οι ορισμοί κάθε κουμπιού στο τηλεχειριστήριο IR εμφανίζονται με κωδικούς 8 ψηφίων. Αυτά βρέθηκαν χρησιμοποιώντας το πρόγραμμα IRRecord, το οποίο εκτυπώνει στο Serial Monitor τον 8ψήφιο κωδικό κάθε κουμπιού.

Επισυνάπτεται τόσο το πρόγραμμα IRRecord όσο και το τελικό πρόγραμμα ελέγχου χειρός.

Στην αρχή του κώδικα, συμπεριλάβετε τις βιβλιοθήκες IRremote, Wire και Adafruit_PWMServoDriver.

Μετά, χρησιμοποιήστε τα ευρήματα του IRRecord για να ορίσετε κάθε κουμπί του τηλεχειριστηρίου IR. Παρόλο που όλα δεν είναι απαραίτητα (απαιτούνται μόνο 10), όλα αυτά επιτρέπουν γρήγορη επέκταση (προσθήκη λειτουργιών και προκαθορισμένων κινήσεων) για το μέλλον. Δημιουργήστε το pwm χρησιμοποιώντας τη λειτουργία servo driver και αντιστοιχίστε τα servos σε ακίδες του ελεγκτή κινητήρα. Χρησιμοποιήστε τις ίδιες τιμές του SERVOMAX/MIN όπως φαίνεται. Εκχωρήστε τον ψηφιακό ακροδέκτη εισόδου του αισθητήρα IR ως 7 και προετοιμάστε.

Δηλώστε τη λειτουργία ρύθμισης με προετοιμασία σειριακού με ρυθμό baud 9600. Ενεργοποιήστε τον αισθητήρα IR και ξεκινήστε το σερβο με συχνότητα σερβο 60Hz.

Τέλος, δημιουργήστε έναν διακόπτη if/else με βάση την εισερχόμενη μετάδοση του τηλεχειριστηρίου IR στη λειτουργία βρόχου. Στη συνέχεια, δημιουργήστε έναν διακόπτη/θήκη με θήκες κάθε κουμπιού στο τηλεχειριστήριο IR που θα χρησιμοποιηθεί. Αυτά μπορούν να αλλάξουν για τα στοιχεία ελέγχου που προτιμάτε. Για κάθε περίπτωση, εκτυπώστε το κουμπί που πιέστηκε στη σειριακή οθόνη για εντοπισμό σφαλμάτων και χρησιμοποιήστε έναν βρόχο for για να μετακινήσετε το σερβο. Αφού δημιουργηθούν όλες οι περιπτώσεις, φροντίστε να συνεχίσετε τον αισθητήρα IR για περισσότερα εισερχόμενα σήματα πριν κλείσετε τη λειτουργία βρόχου. Μπορείτε να κωδικοποιήσετε τα servos μέσω της πλακέτας ελεγκτή κινητήρα στη διεύθυνση