Robotska roka z prijemalom: 9 korakov (s slikami)

2024 Avtor: John Day | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2024-01-30 12:02

Nabiranje limoninih dreves velja za težko delo zaradi velike velikosti dreves in tudi zaradi vročega podnebja v regijah, kjer so posajena limonina drevesa. Zato potrebujemo nekaj drugega, da bi kmetijskim delavcem pomagali lažje dokončati delo. Tako smo prišli na idejo, da jim olajšamo delo, robotsko roko z prijemalom, ki pobere limono z drevesa. Roka je dolga približno 50 cm. Načelo delovanja je preprosto: robotu damo položaj, potem bo šel na pravo mesto, in če je limona, bo njen prijemalec prerezal pecelj in hkrati zgrabil limono. Nato se limona spusti na tla in robot se vrne v prvotni položaj. Sprva se zdi projekt zapleten in težko izvedljiv. Vendar ni tako zapleteno, vendar je bilo potrebno veliko trdega dela in dobrega načrtovanja. Le eno stvar nad drugo je treba zgraditi. Na začetku smo se soočali z nekaterimi težavami zaradi situacije s covidom-19 in dela na daljavo, potem pa smo to storili, in to je bilo neverjetno.

Namen tega navodila je voditi vas skozi postopek ustvarjanja robotske roke z grabilico. Projekt je bil zasnovan in izdelan kot del našega projekta Bruface Mechatronics; delo so v Fablabu v Bruslju opravili:

-Hussein Moslimani

-Inès Castillo Fernandez

-Jayesh Jagadesh Deshmukhe

-Raphaël Boitte

1. korak: Potrebne veščine

Torej, za izvedbo tega projekta morate imeti nekaj spretnosti:

-Osnove elektronike

-Osnovno poznavanje mikrokontrolerjev.

-Kodiranje v jeziku C (Arduino).

-Navadite se na programsko opremo CAD, na primer SolidWorks ali AutoCAD.

-Lasersko rezanje

-3D tiskanje

Imeti morate tudi potrpljenje in veliko prostega časa, prav tako vam svetujemo, da delate v skupini tako kot mi, vse bo lažje.

Korak: Oblikovanje CAD

Ko smo preizkusili različne vzorce, smo se končno odločili za oblikovanje robota, kot je prikazano na slikah, roka je 2 stopinji svobode. Motorji so z jermenicami in jermeni povezani z gredjo vsake roke. Uporaba škripcev ima številne prednosti, ena najpomembnejših pa je povečanje navora. Prvi jermenica prvega kraka ima prestavno razmerje 2, drugo pa prestavno razmerje 1,5.

Težaven del projekta je bil omejen čas v Fablabu. Tako je bila večina modelov prilagojena za lasersko rezane dele, le nekateri povezovalni deli pa so bili 3D natisnjeni. Tukaj najdete priloženo zasnovo CAD.

3. korak: Seznam uporabljenih komponent

Tu so komponente, ki smo jih uporabili v našem projektu:

I) Elektronske komponente:

-Arduino Uno: To je plošča mikrokrmilnika s 14 digitalnimi vhodno/izhodnimi nožicami (od tega jih je 6 mogoče uporabiti kot izhode PWM), 6 analognimi vhodi, 16 MHz kremenčevim kristalom, povezavo USB, vtičnico za napajanje, glavo ICSP, in gumb za ponastavitev. To vrsto mikrokrmilnika smo uporabili, saj je enostaven za uporabo in lahko opravi potrebno delo.

-Dva velika servo motorja (MG996R): je servomehanizem z zaprto zanko, ki uporablja povratne informacije o položaju za nadzor svojega gibanja in končnega položaja. Uporablja se za vrtenje rok Ima dober navor, do 11 kg/cm, zahvaljujoč zmanjšanju navora, ki ga izvajajo jermenice in jermen, pa lahko dosežemo večji navor, kar je več kot dovolj za držanje rok. In ker ne potrebujemo več kot 180 stopinj vrtenja, je ta motor zelo primeren za uporabo.

-Eno majhno servo (E3003): je servomehanizem z zaprto zanko, ki uporablja povratne informacije o položaju za nadzor svojega gibanja in končnega položaja. Ta motor se uporablja za krmiljenje prijemala, ima navor 2,5 kg/cm, uporablja pa se za rezanje in prijemanje limone.

-DC napajanje: Ta vrsta napajanja je bila na voljo v fablabu in ker se naš motor ne premika po tleh, zato ni treba, da je napajalnik pritrjen drug na drugega. Glavna prednost tega napajalnika je, da lahko izhodno napetost in tok prilagodimo po želji, zato ni potrebe po napetostnem regulatorju. Če tovrstnih napajalnikov ni, so pa dragi. Poceni alternativa temu bi bila uporaba nosilca baterije 8xAA, skupaj z regulatorjem napetosti, kot je 'MF-6402402', ki je pretvornik dc v dc, da dobite potrebno napetost. Njihova cena je prikazana tudi na seznamu sestavnih delov.

-Breadboard: Plastična plošča, ki se uporablja za držanje elektronskih komponent. Tudi za priključitev elektronike na napajalnik.

-Žice: Uporablja se za priključitev elektronskih komponent na ploščo.

-Pritisni gumb: Uporablja se kot gumb za zagon, zato, ko ga pritisnemo, robot deluje.

-Ultrazvočni senzor: Uporablja se za merjenje razdalje, ustvarja visokofrekvenčni zvok in izračuna časovni interval med pošiljanjem signala in sprejemom odmeva. Uporablja se za odkrivanje, ali je limona držala prijemala ali če zdrsne.

II) Druge komponente:

-Plastika za 3D tiskanje

-3 mm lesene pločevine za lasersko rezanje

-Kovinska gred

-Rezila

-Mehak material: prilepljen je na obe strani prijemala, zato prijemalka med rezanjem stisne limonino vejo.

-Vijaki

-jermen za povezavo jermenic, standardni pas 365 T5

-8mm krožni ležaji, zunanji premer 22mm.

4. korak: 3D tiskanje in lasersko rezanje

Zahvaljujoč strojem za lasersko rezanje in 3D tiskanje, ki jih najdemo v Fablabu, izdelamo dele, ki jih potrebujemo za našega robota.

I- Deli, ki smo jih morali lasersko rezati, so:

-Baza robota

-Podpora za motor prve roke

-Podpora prve roke

-ploščice dveh krakov

-Podstavek prijemala

-Povezava med prijemalom in roko.

-Dve strani prijemala

-Podpori za ležaje, da se prepričate, da ne zdrsnejo ali se premaknejo s svojega položaja, so vsi ležaji v dveh slojih 3 mm+4 mm, saj je bila debelina ležaja 7 mm.

Opomba: Potrebovali boste majhen les debeline 4 mm, za nekatere majhne dele pa jih morate lasersko razrezati. V zasnovi CAD boste našli tudi debelino 6 mm ali katero koli drugo debelino, ki je večkratna 3, potem potrebujete več plasti lasersko rezanih delov pri 3 mm, torej če je debeline 6 mm, potem potrebujete 2 plasti 3 mm vsak.

II- Deli, ki smo jih morali 3D natisniti:

-Štirje jermenice: uporabljajo se za priključitev vsakega motorja na roko, ki jo je treba premikati.

-Podpora motorja druge roke

-podpora za ležaj na podlagi, ki je pritrjena pod jermenom, da nanj pritisne in poveča napetost. Z okroglo kovinsko gredjo je povezan z ležajem.

-Dve pravokotni plošči za prijemala sta nameščeni na mehak material, ki dobro drži vejo in ima trenje, da veja ne zdrsne.

-Kvadratna gred z 8 -milimetrsko okroglo luknjo, ki povezuje plošče prve roke, v luknjo pa je treba vstaviti 8 -milimetrsko kovinsko gred, da je celotna gred močna in prenese celoten navor. Okrogle kovinske gredi so bile povezane z ležaji in na obeh straneh roke, da se zaključi rotacijski del.

-Gred šestkotne oblike z 8 mm okroglo luknjo iz istega razloga kot kvadratna gred

-Sponke, ki dobro držijo jermenice in plošče vsake roke na svojih mestih.

Na treh slikah CAD -a lahko dobro razumete, kako je sistem sestavljen ter kako so gredi povezane in podprte. Ogledate si lahko, kako sta kvadratna in šesterokotna gred povezana z roko in kako sta s kovinsko gredjo povezana z nosilci. Celoten sklop je prikazan na teh slikah.

5. korak: Mehanska montaža

Sestavljanje celotnega robota ima 3 glavne korake, ki jih je treba razložiti: najprej sestavimo osnovo in prvo roko, nato drugo roko na prvo in na koncu prijemalo na drugo roko.

Sestava podlage in prve roke:

Najprej mora uporabnik ločeno sestaviti naslednje dele:

-Dve strani spojev z ležaji znotraj.

-Podpora motorja z motorjem in majhna jermenica.

-Simetrična podpora za majhen škripec.

-Kvadratna gred, velik jermenica, roka in sponke.

-Napenjalni ležaj podpira nosilno ploščo. Nato dodamo ležaj in gred.

Zdaj je na voljo vsak podsklop, ki ga je treba povezati.

Opomba: da zagotovimo, da dobimo napetost v pasu, ki ga želimo, lahko položaj motorja na podlagi prilagodimo, imamo podolgovato luknjo, tako da se lahko razdalja med jermenicami poveča ali zmanjša, in ko preverimo, ali napetost je dobra, motor pritrdimo na podnožje z vijaki in ga dobro pritrdimo. Poleg tega je bil ležaj pritrjen na podlago na mestu, kjer pritiska na jermen, da poveča napetost, tako da se pri premikanju jermena ležaj vrti in ni težav pri trenju.

Sestavljanje druge roke na prvo:

Deli morajo biti sestavljeni ločeno:

-Desna roka z motorjem, nosilcem, jermenico ter z ležajem in podpornimi deli. Za pritrditev jermenice na gred je pritrjen tudi vijak, kot v prejšnjem poglavju.

-Leva roka z dvema ležajema in njihovimi nosilci.

-Velik škripec lahko drsite po šesterokotni gredi, pa tudi po nadlaktih, objemke pa so oblikovane tako, da pritrdijo njihov položaj.

Nato imamo drugo roko pripravljeno za namestitev v položaj, motor druge roke je nameščen na prvo, njen položaj je tudi nastavljiv, da doseže popolno napetost in prepreči zdrs pasu, nato pa motor pritrdimo z pas v tem položaju.

Sestava prijemala:

Montaža tega prijemala je enostavna in hitra. Kar zadeva prejšnjo montažo, lahko dele sestavite sami, preden jih pritrdite na polno roko:

-Primerno čeljust pritrdite na gred motorja s pomočjo plastičnega dela, ki je priložen motorju.

-Motor privijte na nosilec.

-Odpor senzorja privijte v nosilec prijemala.

-Senzor postavite v nosilec.

-Mehki material položite na prijemalo in nanj pritrdite 3D natisnjeni del

Prijemalko lahko enostavno namestite na drugo roko, le laserski rezalni del podpira podlago prijemala za roko.

Najpomembnejša stvar je bilo uglaševanje rezil na vrhu roke in na kakšni razdalji so bila rezila zunaj prijemala, zato je bilo to storjeno s poskusi in napakami, dokler ne pridemo do najučinkovitejšega mesta, kjer lahko režemo in oprijem se mora zgoditi skoraj istočasno.

6. korak: Priključitev elektronskih komponent

V tem vezju imamo tri servo motorje, en ultrazvočni senzor, en gumb, Arduino in napajalnik.

Izhod napajanja lahko prilagodimo, kot želimo, in ker vsi servomotorji in ultrazvok delujejo na 5 voltov, zato ni potrebe po regulatorju napetosti, lahko samo izhod napajanja nastavimo na 5 V.

Vsak servomotor mora biti priključen na Vcc (+5V), ozemljitev in signal. Ultrazvočni senzor ima 4 zatiče, eden je priključen na Vcc, eden za ozemljitev, druga dva pa sta sprožilna in odmevna, morata biti povezana z digitalnimi zatiči. Gumb je povezan z maso in digitalnim zatičem.

Za Arduino se mora pogovarjati o svojem napajanju iz vira napajanja, ne more se napajati iz prenosnega računalnika ali kabla, imeti mora enako ozemljitev kot elektronske komponente, povezane z njim.

!! POMEMBNE OPOMBE !!:

- Vinu morate dodati pretvornik moči in moč z 7V.

-Prepričajte se, da s to povezavo odstranite vrata Arduino iz računalnika, da jih zažgete, sicer ne smete uporabiti 5V izhodnega zatiča kot vhoda.

7. korak: Arduino koda in diagram poteka

Cilj te robotske roke z prijemalom je zbrati limono in jo dati drugam, zato moramo, ko je robot vklopljen, pritisniti gumb za zagon, nato pa gre na določeno mesto, kjer najdemo limono, če oprijema limono, prijemalka bo šla v končni položaj, da bo limono postavila na svoje mesto, izbrali smo končni položaj na vodoravni ravni, kjer je potreben največji navor, da dokažemo, da je prijemalo dovolj močno.

Kako lahko robot doseže limono:

V projektu, ki smo ga izvedli, preprosto prosimo robota, da premakne roke v določen položaj, kamor damo limono. No, obstaja še en način za to: za premikanje roke lahko uporabite obratno kinematiko, tako da ji določite (x, y) koordinate limone in izračuna, koliko se mora vsak motor vrteti, tako da prijemalo doseže limono. Kjer je stanje = 0, ko se gumb za zagon ne pritisne, zato je roka v začetnem položaju in se robot ne premakne, medtem ko je stanje = 1, ko pritisnemo gumb za zagon in se robot zažene.

Obratna kinematika:

Na slikah je primer izračuna inverzne kinematike, vidite tri skice, eno za začetni položaj in dve za končni položaj. Kot vidite, za končni položaj- ne glede na to, kje je- obstajata dve možnosti, komolec navzgor in komolec navzdol, lahko izberete karkoli želite.

Kot primer vzemimo komolec navzgor, da se robot premakne v svoj položaj, je treba izračunati dva kota, theta1 in theta2, na slikah vidite tudi korake in enačbe za izračun theta1 in theta2.

Upoštevajte, da če se ovira odkrije na razdalji manj kot 10 cm, potem limono prijema in jo prime prijemalo, nazadnje pa jo moramo dostaviti v končni položaj.

8. korak: Zaženite robota

Po vsem tem, kar smo storili prej, so tukaj videoposnetki, kako robot deluje, s senzorjem, gumbom in vsem drugim, kar deluje, kot bi moralo. Na robotu smo naredili tudi test tresenja, da bi se prepričali, da je stabilen in da je ožičenje dobro.

9. korak: Zaključek

Ta projekt nam je dal dobre izkušnje pri obravnavi takih projektov. Toda tega robota je mogoče spremeniti in imeti še nekaj dodanih vrednosti, na primer zaznavanje predmetov za zaznavanje limone ali morda tretjo stopnjo svobode, da se lahko premika med drevesi. Prav tako ga lahko nadzorujemo z mobilno aplikacijo ali s tipkovnico, tako da ga premikamo, kot želimo. Upamo, da vam je naš projekt všeč in posebna zahvala nadzornikom v Fablabu, ki so nam pomagali.