Μηχανή ταξινόμησης βιδών: 7 βήματα (με εικόνες)

2024 Συγγραφέας: John Day | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2024-01-30 08:36

Μια μέρα στο εργαστήριο (FabLab Moscow), είδα τον συνάδελφό μου να απασχολεί την ταξινόμηση ενός πλήρους κουτιού με βίδες, παξιμάδια, δαχτυλίδια και άλλο υλικό. Σταματώντας δίπλα του, παρακολούθησα για ένα δευτερόλεπτο και είπα: "Θα ήταν μια τέλεια δουλειά για μια μηχανή". Μετά από μια γρήγορη ματιά στο google είδα ότι ήδη υπήρχαν διαφορετικά ευφυή μηχανικά συστήματα, αλλά δεν μπόρεσαν να λύσουν το πρόβλημά μας γιατί στο κουτί μας υπάρχει μεγάλη ποικιλία εξαρτημάτων. Το να κάνεις κάτι καθαρά μηχανικό θα ήταν πολύ περίπλοκο. Ο άλλος καλός λόγος για να πάτε σε ένα πιο «ρομποτικό» σύστημα ήταν γιατί αυτό θα απαιτούσε όλα τα τεχνικά πεδία που αγαπώ: μηχανική όραση, ρομποτικούς βραχίονες και ηλεκτρομηχανικούς ενεργοποιητές!

Αυτό το μηχάνημα επιλέγει τις βίδες και τις τοποθετεί σε διαφορετικά κουτιά. Αποτελείται από έναν ρομποτικό βραχίονα που χειρίζεται έναν ηλεκτρομαγνήτη, έναν ημιδιαφανή πίνακα εργασίας πάνω από τα φώτα και μια κάμερα στο επάνω μέρος. Αφού απλώσετε μερικές βίδες και παξιμάδια στο τραπέζι εργασίας, τα φώτα ανάβουν και τραβάτε μια φωτογραφία. Ένας αλγόριθμος ανιχνεύει τα σχήματα των τμημάτων και επιστρέφει τις θέσεις τους. Τέλος, ο βραχίονας με τον ηλεκτρομαγνήτη τοποθετεί τα μέρη ένα προς ένα στα επιθυμητά κουτιά.

Αυτό το έργο είναι ακόμα σε εξέλιξη, αλλά τώρα έχω αξιοπρεπή αποτελέσματα που θέλω να μοιραστώ μαζί σας.

Βήμα 1: Εργαλεία και υλικό

Εργαλεία

• Κόφτης λέιζερ
• Γωνιακός μύλος
• Σιδηροπρίονο
• Κατσαβίδι
• Σφιγκτήρες (όσο περισσότερο τόσο το καλύτερο)
• Πυροβόλο θερμής κόλλας

Υλικό

• Κόντρα πλακέ 3mm (1 m2)
• Κόντρα πλακέ 6mm (300 x 200 mm)
• Λευκό ημιδιαφανές πλαστικό 4mm (500 x 250 mm)
• Υπολογιστής (προσπαθώ να περάσω στο raspberry pi)
• Κάμερα Web (Logitech HD T20p, ο καθένας πρέπει να εργάζεται)
• Arduino με 4 έξοδο PWM / analogWrite (τρία servos και το πηνίο ηλεκτρομαγνήτη) (χρησιμοποιώ το ProTrinket 5V)
• Πίνακας πρωτοτύπων
• Ηλεκτρονικό σύρμα (2m)
• Τρανζίστορ εναλλαγής (οποιοδήποτε τρανζίστορ που μπορεί να οδηγήσει ένα πηνίο 2W) (έχω S8050)
• Δίοδος (ο Schottky είναι καλύτερος)
• 2 αντιστάσεις (100Ω, 330Ω)
• Τροφοδοσία 5V, 2A
• Servo micro (πλάτος 13 μήκος 29 mm)
• 2 σερβίς στάνταρ (πλάτος 20 μήκος 38 mm)
• Ξυλόκολλα
• 4 μεταλλικές γωνίες με βίδες (προαιρετικά)
• Ξύλινη ράβδος (30 x 20 x 2400)
• Ζεστή κόλλα
• Εμαγιέ σύρμα χαλκού (0,2, 0,3 mm διάμετρος, 5m) (παλιός μετασχηματιστής;)
• Μαλακό σίδερο (16 x 25 x4 mm)
• 3 λαμπτήρες με πρίζα
• Λωρίδα σύνδεσης (230V, 6 στοιχεία)
• Ηλεκτρικό σύρμα με πρίζα (230V) (2 m)
• Ρουλεμάν 625ZZ (εσωτερική διάμετρος 5mm, εξωτερική διάμετρος 16 mm, ύψος 5mm)
• Ρουλεμάν 608ZZ (εσωτερική διάμετρος 8mm, εξωτερική διάμετρος 22 mm, ύψος 7mm)
• Ρουλεμάν rb-lyn-317 (εσωτερική διάμετρος 3mm, εξωτερική διάμετρος 8 mm, ύψος 4mm)
• Ζώνη χρονισμού GT2 (βήμα 2mm, πλάτος 6mm, 650 mm)
• Βίδα M5 x 35
• Βίδα M8 x 40
• 8 βίδες M3 x 15
• 4 βίδες M4 x 60
• 6 ξύλινες βίδες 2 x 8 mm
• Βίδα M3 x 10
• Μονάδα πίνακα ρελέ (άμεσα ελεγχόμενη από τον ελεγκτή)

Βήμα 2: Φτιάξτε το Light Box

Το ελαφρύ κουτί έχει τέσσερα κύρια μέρη και μερικά σιδεράκια. Κατεβάστε αυτά τα μέρη και κολλήστε τα μαζί εκτός από το ημιδιαφανές πλαστικό. Ξεκίνησα με τον ξύλινο μισό δίσκο και τον κυρτό τοίχο. Πρέπει να κρατήσετε τον τοίχο σφιγμένο γύρω από το δίσκο κατά το στέγνωμα. Χρησιμοποίησα σφιγκτήρες για να ασφαλίσω τον μισό δίσκο και τη βάση του κυρτού τοίχου. Στη συνέχεια, κάποια ταινία διατηρεί τον τοίχο γύρω από τον μισό δίσκο. Δεύτερον, κόλλησα ένα χείλος για να αντέξω στο ημιδιαφανές τραπέζι εργασίας. Τέλος ο επίπεδος τοίχος προστίθεται με ξύλινα (εσωτερικά) και μεταλλικά (εξωτερικά) δεξιά άκρα.

Μόλις ολοκληρωθεί το κουτί, δεν έχετε παρά να προσθέσετε τους λαμπτήρες και να συνδέσετε το καλώδιο και την πρίζα με την ταινία σύνδεσης. Κόψτε το καλώδιο 230V όπου σας βολεύει και τοποθετήστε τη μονάδα ρελέ. Έκλεισα το ρελέ (230V!) Σε ξύλινο κουτί για λόγους ασφαλείας.

Βήμα 3: Φτιάξτε το βραχίονα ρομπότ

Κατεβάστε τα μέρη και κόψτε τα. Για να στερεώσω τον ιμάντα στο σερβοκινητήρα χρησιμοποίησα κομμάτια συνδετήρων. Κάρφωσα τις δύο ζώνες στο σερβοκινητήρα και πρόσθεσα λίγη κόλλα για να είμαι σίγουρος ότι δεν κινείται τίποτα.

Για τη γραμμική κάθετη καθοδήγηση, το έμβολο πρέπει να λειανθεί για να αποφευχθεί τυχόν απόφραξη. Πρέπει να γλιστρήσει ομαλά. Μόλις συναρμολογηθεί, το ύψος μπορεί να ρυθμιστεί κόβοντας την καθοδήγηση στο επιθυμητό μήκος. Ωστόσο, κρατήστε το όσο το δυνατόν περισσότερο για να αποφύγετε το υπερκεντρικό κλείδωμα. Το έμβολο είναι απλά κολλημένο στο κιβώτιο βραχίονα.

Τα ρουλεμάν είναι κλειστά μέσα στις τροχαλίες. Μια τροχαλία αποτελείται από δύο στρώσεις κόντρα πλακέ. Αυτά τα δύο στρώματα δεν αγγίζουν απαραίτητα το ένα το άλλο, οπότε αντί να τα κολλήσετε, κολλήστε τα στην αντίστοιχη πλάκα βραχίονα. Οι πλάκες του άνω και κάτω βραχίονα διατηρούνται με τέσσερις κοχλίες M3 x 15 και παξιμάδια. Ο πρώτος άξονας (μεγάλος) είναι απλά η βίδα M8 x 40 και ο δεύτερος (μικρός) η βίδα M5 x 35. Χρησιμοποιήστε παξιμάδια ως αποστάτες και ντουλάπια για τα μέρη του βραχίονα.

Βήμα 4: Φτιάξτε τον Ηλεκτρομαγνήτη

Ένας ηλεκτρομαγνήτης είναι απλώς ένας μαλακός σιδερένιος πυρήνας με εμαγιέ καλώδιο γύρω από αυτόν. Ο μαλακός πυρήνας σιδήρου καθοδηγεί το μαγνητικό πεδίο στην επιθυμητή θέση. Το ρεύμα στο εμαγιέ συρματόπλεγμα δημιουργεί αυτό το μαγνητικό πεδίο (είναι ανάλογο). Επίσης όσο περισσότερες στροφές κάνετε τόσο περισσότερο μαγνητικό πεδίο έχετε. Σχεδίασα ένα σίδερο σε σχήμα U για να συγκεντρώσω το μαγνητικό πεδίο κοντά στις πιασμένες βίδες και να αυξήσω τη δύναμη πρόβλεψης.

Κόψτε ένα σχήμα U σε ένα κομμάτι μαλακού σιδήρου (ύψος: 25mm, πλάτος: 15mm, διατομή σιδήρου: 5 x 4mm). Είναι πολύ σημαντικό να αφαιρέσετε τις αιχμηρές άκρες πριν τυλίξετε το σύρμα γύρω από το σίδερο σε σχήμα U. Προσέξτε να διατηρήσετε την ίδια κατεύθυνση περιελίξεως (ιδιαίτερα όταν πηδάτε στην άλλη πλευρά, πρέπει να αλλάξετε την κατεύθυνση περιστροφής από την πλευρά σας, αλλά διατηρείτε την ίδια κατεύθυνση από την άποψη του σιδερένιου σχήματος U) (https://el.wikipedia.org/wiki/Right-hand_rule) Πριν διακλαδώσετε το πηνίο στο κύκλωμα, ελέγξτε την αντίσταση του πηνίου με ένα πολύμετρο και υπολογίστε το ρεύμα με το νόμο του Ohm (U = RI). Έχω περισσότερες από 200 στροφές στο πηνίο μου. Σας προτείνω να τυλίξετε μέχρι να έχετε μόνο 2 mm χώρο στο σχήμα U.

Έχει κατασκευαστεί μια ξύλινη θήκη και το σίδερο σε σχήμα U έχει ασφαλιστεί με θερμή κόλλα. Δύο σχισμές επιτρέπουν τη στερέωση του καλωδίου και στα δύο άκρα. Τέλος δύο καρφίτσες καρφώνονται στο ξύλινο στήριγμα. Κάνουν τη διασταύρωση μεταξύ του εμαγιέ καλωδίου και του ηλεκτρονικού καλωδίου. Για να αποφύγω τυχόν ζημιά στο πηνίο, πρόσθεσα ένα στρώμα θερμής κόλλας γύρω από το πηνίο. Στην τελευταία εικόνα μπορείτε να παρατηρήσετε ένα ξύλινο τμήμα που κλείνει το σίδερο σε σχήμα U. Η λειτουργία του είναι να εμποδίζει τυχόν βίδες να κολλήσουν μέσα στο σίδερο σχήματος U.

Το εμαγιέ συρματόπλεγμα έχει ληφθεί από σπασμένο μετασχηματιστή. Εάν το κάνετε, ελέγξτε ότι το καλώδιο δεν έχει σπάσει ή δεν έχει βραχυκύκλωμα στο χρησιμοποιημένο τμήμα. Αφαιρέστε την ταινία στον σιδηρομαγνητικό πυρήνα. Με ένα κόφτη, αποσυνδέστε μία προς μία όλες τις φέτες σιδήρου. Στη συνέχεια, αφαιρέστε την ταινία στο πηνίο και τελικά ξετυλίξτε το εμαγιέ καλώδιο κουπ. Έχει χρησιμοποιηθεί το δευτερεύον τύλιγμα (το πηνίο μεγάλης διαμέτρου) (είσοδος μετασχηματιστή 230V, έξοδος 5V-1A).

Βήμα 5: Κάντε το κύκλωμα

Σε έναν πίνακα πρωτοτύπων, έχτισα το παραπάνω σχήμα. Ένα διπολικό τρανζίστορ (S8050) έχει χρησιμοποιηθεί για την αλλαγή του πηνίου ηλεκτρομαγνήτη. Βεβαιωθείτε ότι το τρανζίστορ σας μπορεί να χειριστεί το ρεύμα που υπολογίστηκε στο προηγούμενο βήμα. Ένα MOSFET είναι μάλλον πιο κατάλληλο σε αυτή την κατάσταση, αλλά πήρα αυτό που είχα στο χέρι (και ήθελα χαμηλή αντίσταση). Προσαρμόστε τις δύο αντιστάσεις στο τρανζίστορ σας.

Στο παραπάνω διάγραμμα, το εικονίδιο VCC και GND συνδέονται με το + και - του τροφοδοτικού μου. Οι σερβοκινητήρες έχουν τρία καλώδια: Signal, VCC και GND. Μόνο το καλώδιο σήματος είναι συνδεδεμένο στον ελεγκτή, τα άλλα είναι συνδεδεμένα στο τροφοδοτικό. Ο ελεγκτής τροφοδοτείται από το καλώδιο προγραμματιστή.

Βήμα 6: Ο κώδικας

Τελευταίο αλλά όχι λιγότερο σημαντικό: Ο κωδικός. Θα το βρείτε εδώ:

Υπάρχει ένα πρόγραμμα για το χειριστήριο (τύπος arduino) και ένα άλλο που τρέχει στον υπολογιστή (ελπίζουμε σύντομα σε βατόμουρο). Ο κωδικός στο χειριστήριο είναι υπεύθυνος για τον σχεδιασμό της τροχιάς και αυτός στον υπολογιστή κάνει την επεξεργασία της εικόνας και στέλνει την προκύπτουσα θέση στον ελεγκτή. Η επεξεργασία της εικόνας βασίζεται στο OpenCV.

Το πρόγραμμα του υπολογιστή

Το πρόγραμμα λαμβάνει μια εικόνα με την κάμερα web και τα φώτα, ανιχνεύει το κέντρο και την ακτίνα του ημιδιαφανή πίνακα εργασίας και διορθώνει την ενδεχόμενη περιστροφή της εικόνας. Από αυτές τις τιμές, το πρόγραμμα υπολογίζει τη θέση του ρομπότ (Γνωρίζουμε τη θέση του ρομπότ σύμφωνα με την πλάκα). Το πρόγραμμα χρησιμοποιεί τη λειτουργία ανίχνευσης blob του OpenCV για τον εντοπισμό των βιδών και των μπουλονιών. Οι διαφορετικοί τύποι σταγονιδίων φιλτράρονται με τις διαθέσιμες παραμέτρους (περιοχή, χρώμα, κυκλικότητα, κυρτότητα, αδράνεια) προκειμένου να επιλεγεί το επιθυμητό στοιχείο. Το αποτέλεσμα του ανιχνευτή κηλίδων είναι η θέση (σε εικονοστοιχεία) των επιλεγμένων κηλίδων. Στη συνέχεια, μια συνάρτηση μετατρέπει αυτές τις θέσεις των εικονοστοιχείων σε θέσεις χιλιοστών στο σύστημα συντεταγμένων του βραχίονα (ορθογώνιο). Μια άλλη λειτουργία υπολογίζει την απαιτούμενη θέση κάθε σύνδεσης βραχίονα για να έχει τον ηλεκτρομαγνήτη στην επιθυμητή θέση. Το αποτέλεσμα αποτελείται από τρεις γωνίες που τελικά αποστέλλονται στον ελεγκτή.

Το πρόγραμμα του ελεγκτή

Αυτό το πρόγραμμα λαμβάνει τις γωνίες σύνδεσης και μετακινεί τα μέρη του βραχίονα για να φτάσει σε αυτές τις γωνίες. Υπολογίζει πρώτα την τελική ταχύτητα κάθε σύνδεσης για να εκτελέσει την κίνηση κατά το ίδιο χρονικό διάστημα. Στη συνέχεια, ελέγχει εάν επιτευχθούν αυτές οι τελικές ταχύτητες, στην περίπτωση αυτή η κίνηση θα ακολουθήσει τρεις φάσεις: επιτάχυνση, σταθερή ταχύτητα και επιβράδυνση. Εάν δεν επιτευχθεί η τελική ταχύτητα, η κίνηση θα ακολουθήσει μόνο δύο φάσεις: επιτάχυνση και επιβράδυνση. Υπολογίζονται επίσης οι στιγμές στις οποίες πρέπει να περάσει από τη μία φάση στην άλλη. Τέλος, η κίνηση εκτελείται: Σε τακτά χρονικά διαστήματα, οι νέες πραγματικές γωνίες υπολογίζονται και αποστέλλονται. Εάν είναι καιρός να περάσετε στη φάση της φωλιάς, η εκτέλεση συνεχίζεται στην επόμενη φάση.

Βήμα 7: Οι τελευταίες πινελιές

Το πλαίσιο

Προστέθηκε ένα πλαίσιο για τη συγκράτηση της κάμερας. Επέλεξα να το φτιάξω με ξύλο γιατί είναι φθηνό, εύκολο στην εργασία, εύκολο να το βρεις, φιλικό προς το περιβάλλον, ευχάριστο στο σχήμα και παραμένει στο στυλ που ξεκίνησα. Κάντε μια δοκιμή εικόνας με την κάμερα για να αποφασίσετε τι ύψος χρειάζεται. Επίσης, φροντίστε να το κάνετε άκαμπτο και σταθερό γιατί παρατήρησα ότι η προκύπτουσα θέση είναι πολύ ευαίσθητη σε οποιεσδήποτε κινήσεις της κάμερας (τουλάχιστον πριν προσθέσω τη λειτουργία αυτόματης ανίχνευσης του πίνακα εργασίας). Η κάμερα πρέπει να βρίσκεται στο κέντρο του τραπεζιού εργασίας και, στην περίπτωσή μου, 520 mm από τη διαφανή λευκή επιφάνεια.

Τα κουτιά

Όπως μπορείτε να δείτε στην εικόνα, τα κινούμενα κουτιά αποθήκευσης βρίσκονται στο επίπεδο τμήμα του πίνακα εργασίας. Μπορείτε να φτιάξετε όσα κουτιά χρειάζεστε αλλά με την πραγματική μου ρύθμιση ο χώρος είναι αρκετά περιορισμένος. Ωστόσο, έχω ιδέες για να βελτιώσω αυτό το σημείο (πρβλ. Μελλοντικές βελτιώσεις).

Μελλοντικές βελτιώσεις

• Προς το παρόν ο ιμάντας χρονισμού είναι κλειστός με ένα ξύλινο τμήμα αλλά αυτή η λύση περιορίζει την περιοχή που μπορεί να φτάσει ο βραχίονας. Πρέπει να προσθέσω περισσότερο χώρο μεταξύ του μεγάλου σερβο και του άξονα του βραχίονα ή να κάνω ένα μικρότερο σύστημα κλεισίματος.
• Τα κουτιά βρίσκονται κατά μήκος της επίπεδης άκρης του πίνακα εργασίας, αν το τοποθετήσω κατά μήκος της άκρης του μισού κύκλου, θα είχα πολύ περισσότερο χώρο για να προσθέσω κουτιά και να ταξινομήσω πολλούς τύπους εξαρτημάτων.
• Τώρα το φίλτρο ανίχνευσης σταγονιδίων είναι αρκετό για τη διαλογή των εξαρτημάτων, αλλά καθώς θέλω να αυξήσω τον αριθμό των κουτιών, θα χρειαστώ την αύξηση της επιλεκτικότητας. Για το λόγο αυτό, θα δοκιμάσω διαφορετικές μεθόδους αναγνώρισης.
• Τώρα οι σερβοκινητήρες που χρησιμοποιώ δεν έχουν αρκετό εύρος για να φτάσουν σε όλο τον μισό δίσκο εργασίας. Πρέπει να αλλάξω τα servos ή να αλλάξω τον συντελεστή μείωσης μεταξύ των διαφορετικών τροχαλιών.
• Ορισμένα ζητήματα εμφανίζονται αρκετά συχνά, οπότε η βελτίωση της αξιοπιστίας είναι η προτεραιότητα. Για αυτό πρέπει να ταξινομήσω το είδος των θεμάτων και να επικεντρωθώ στα πιο πιθανά. Αυτό έκανα ήδη με το μικρό κομμάτι ξύλου που κλείνει το σίδερο σε σχήμα U και τον αλγόριθμο του κέντρου αυτόματης ανίχνευσης, αλλά τώρα τα ζητήματα περιπλέκονται περισσότερο.
• Φτιάξτε ένα PCB για το χειριστήριο και το ηλεκτρονικό κύκλωμα.
• Μεταφέρετε τον κωδικό στο Raspberry pi για να έχετε έναν αυτόνομο σταθμό

Δεύτερο Βραβείο στον Διαγωνισμό Οργάνωσης