Braç robòtic amb pinça: 9 passos (amb imatges)

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:10

La collita de llimoners es considera un treball dur, a causa de la gran mida dels arbres i també pels climes càlids de les regions on es planten llimoners. Per això, necessitem una altra cosa que ajudi els treballadors agrícoles a completar la seva feina més fàcilment. Per tant, se’ns va ocórrer una idea per facilitar la feina, un braç robòtic amb pinça que agafi la llimona de l’arbre. El braç fa uns 50cm de llarg. El principi de funcionament és senzill: donem una posició al robot, llavors anirà al lloc adequat i, si hi ha una llimona, la seva pinça tallarà el peduncle i agafarà la llimona al mateix temps. Després, la llimona s’alliberarà a terra i el robot tornarà a la seva posició inicial. Al principi, el projecte pot semblar complex i difícil de fer. Tot i això, no és tan complex, però necessitava molta feina i una bona planificació. Només s’ha de construir una cosa sobre l’altra. Al principi, ens enfrontàvem a alguns problemes a causa de la situació covid-19 i del treball remot, però després ho vam fer i va ser increïble.

Aquest manual instructiu té com a objectiu guiar-vos a través del procés de creació d’un braç robòtic amb una captura. El projecte va ser dissenyat i dissenyat com a part del nostre projecte de Mecatrònica Bruface; el treball es va fer a Fablab Brussel·les per:

-Hussein Moslimani

-Inès Castillo Fernandez

-Jayesh Jagadesh Deshmukhe

-Raphaël Boitte

Pas 1: habilitats necessàries

Per tant, aquí teniu algunes habilitats que heu de tenir per fer aquest projecte:

-Bàsics d’electrònica

-Coneixement bàsic de microcontroladors.

-Codificació en llenguatge C (Arduino).

-Està acostumat al programari CAD, com SolidWorks o AutoCAD.

-Tall làser

-Impressió 3D

També hauríeu de tenir paciència i una gran quantitat de temps lliure, també us aconsellem que treballeu en equip tal com hem fet, tot serà més fàcil.

Pas 2: disseny CAD

Després de provar diferents mostres, finalment vam decidir dissenyar el robot tal com es mostra a les figures, el braç té 2 graus de llibertat. Els motors estan connectats a l’eix de cada braç mitjançant politges i corretges. Hi ha molts avantatges d’utilitzar politges, un dels més importants és augmentar el parell. La primera corretja del primer braç té una relació d'engranatges de 2 i la segona té una relació d'engranatges d'1,5.

La part difícil del projecte va ser el temps limitat a Fablab. Per tant, la majoria dels dissenys es van adaptar per ser peces tallades amb làser i només algunes parts de connexió es van imprimir en 3D. Aquí podeu trobar el disseny CAD adjunt.

Pas 3: Llista de components utilitzats

Aquests són els components que hem utilitzat en el nostre projecte:

I) Components electrònics:

-Arduino Uno: es tracta d'una placa de microcontrolador amb 14 pins d'entrada / sortida digitals (dels quals 6 es poden utilitzar com a sortides PWM), 6 entrades analògiques, un cristall de quars de 16 MHz, una connexió USB, una presa d'alimentació, una capçalera ICSP, i un botó de reinici. Hem utilitzat aquest tipus de microcontroladors, ja que és fàcil d’utilitzar i pot fer la feina necessària.

-Dos servomotors grans (MG996R): és un servomecanisme de llaç tancat que utilitza la retroalimentació de la posició per controlar el seu moviment i la posició final. S’utilitza per fer girar els braços. Té un bon parell, fins a 11 kg / cm, i gràcies a la reducció del parell que fan les politges i el cinturó podem assolir un parell més elevat que és més que suficient per subjectar els braços. I el fet que no necessitem més de 180 graus de rotació, aquest motor és molt bo d’utilitzar.

-Un petit servo (E3003): és un servomecanisme de llaç tancat que utilitza la retroalimentació de la posició per controlar el seu moviment i la seva posició final. Aquest motor s’utilitza per controlar la pinça, té un parell de 2,5 kg / cm i s’utilitza per tallar i agafar la llimona.

-Font d'alimentació de corrent continu: aquest tipus de font d'alimentació estava disponible al fablab i perquè el nostre motor no es mou a terra, de manera que la font d'alimentació no ha d'estar adherida entre si. El principal avantatge d’aquesta font d’alimentació és que podem ajustar el voltatge i el corrent de sortida com vulguem, de manera que no cal un regulador de tensió. Si aquest tipus de fonts d’alimentació no està disponible, però és car. Una alternativa barata a això seria utilitzar un suport de bateria 8xAA, juntament amb un regulador de voltatge com ara el "MF-6402402", que és un convertidor de CC a CC, per obtenir el voltatge que necessiteu. El seu preu també es mostra a la llista de components.

-Panera: Tauler de plàstic que serveix per contenir components electrònics. També, per connectar l'electrònica a la font d'alimentació.

-Cables: s’utilitzen per connectar els components electrònics a la placa de control.

-Pulsador: s'utilitza com a botó d'inici, de manera que quan el premem el robot funciona.

-Sensor d'ultrasons: s'utilitza per mesurar la distància, genera so d'alta freqüència i calcula l'interval de temps entre l'enviament del senyal i la recepció del ressò. S’utilitza per detectar si la llimona la tenia la pinça o si rellisca.

II) Altres components:

-Plàstic per a impressió 3D

-Làmines de fusta de 3 mm per tallar amb làser

-Eix metàl·lic

-Fulls

-Material suau: s’enganxa als dos costats de la pinça, de manera que la pinça comprimeix la branca de llimona mentre la talla.

-Cargols

-Cinturó per connectar politges, corretja estàndard 365 T5

Rodaments circulars de 8 mm, el diàmetre exterior és de 22 mm.

Pas 4: impressió 3D i tall per làser

Gràcies a les màquines de tall per làser i impressió 3D que trobem al Fablab, construïm les peces que necessitem per al nostre robot.

I- Les parts que havíem de tallar amb làser són:

-Base del robot

-Suports per al motor del primer braç

-Suports del primer braç

-Plates dels 2 braços

-Base de la pinça

-Connexió entre la pinça i el braç.

-Dos costats de la pinça

- Suports per als coixinets, per assegurar-se que no rellisquen ni es mouen de la seva posició, tots els ajustaments dels coixinets són de dues capes de 3 mm + 4 mm, ja que el gruix del coixinet era de 7 mm.

Nota: necessiteu una petita làmina de fusta de 4 mm, per a algunes petites peces que cal tallar amb làser. A més, trobareu al disseny CAD un gruix de 6 mm o qualsevol altre gruix que sigui múltiple de 3, llavors necessiteu diverses capes de peces tallades amb làser a 3 mm, és a dir, si hi ha un gruix de 6 mm, necessiteu 2 capes 3 mm cadascun.

II- Parts que havíem d’imprimir en 3D:

-Les quatre politges: s’utilitzen per connectar cada motor al braç que té la responsabilitat de moure.

-Suport del motor del segon braç

- Suport per al coixinet sobre la base, que es fixa sota la corretja per fer-hi força i augmentar la tensió. Es connecta al coixinet mitjançant un eix metàl·lic rodó.

-Dues plaques rectangulars per a la pinça, es col·loquen sobre el material tou per subjectar bé la branca i tenir fricció perquè la branca no rellisqui.

-Eix quadrat amb un forat rodó de 8 mm, per connectar les plaques del primer braç, i el forat consistia a inserir un eix metàl·lic de 8 mm per fer tot l’eix fort i poder suportar el parell total. Els eixos metàl·lics rodons es van connectar als coixinets i als dos costats del braç per completar la part de rotació.

-Eix de forma hexagonal amb un forat rodó de 8 mm pel mateix motiu que l’eix quadrat

-Pinces per suportar bé les politges i les plaques de cada braç al seu lloc.

A les tres figures de CAD, podeu entendre bé com es munta el sistema i com es connecten i suporten els eixos. Podeu veure com els eixos quadrats i hexagonals estan connectats al braç i com es connecten als suports mitjançant l’eix metàl·lic. Tot el conjunt es presenta en aquestes xifres.

Pas 5: Muntatge mecànic

El muntatge de tot el robot té 3 passos principals que s’han d’explicar: primer, muntem la base i el primer braç, després el segon braç al primer i, finalment, la pinça al segon braç.

Muntatge de la base i del primer braç:

En primer lloc, l’usuari ha de muntar les parts següents per separat:

-Els dos costats de les juntes amb els coixinets a l'interior.

-El suport del motor amb el motor, i la politja petita.

-El suport simètric per a la politja petita.

-L’eix quadrat, la politja gran, el braç i les pinces.

-El coixinet de "tensió" suporta la placa de suport. A continuació, afegiu el coixinet i l’eix.

Ara, tots els subconjunts estan instal·lats per connectar-se.

Nota: per assegurar-nos que obtenim la tensió a la corretja que volem, es pot ajustar la posició del motor sobre la base, tenim un forat allargat perquè la distància entre les politges es pugui augmentar o disminuir i quan comprovem que la la tensió és bona, fixem el motor a la base mitjançant perns i el fixem bé. A més d'això, es va fixar un coixinet sobre la base en un lloc on es fa una força sobre la corretja per augmentar la tensió, de manera que quan es mou el cinturó el coixinet gira i no hi ha problemes de fricció.

Muntatge del segon braç al primer:

Les peces s’han de muntar per separat:

-El braç dret, amb el motor, el seu suport, la politja, així com amb el coixinet i les seves parts de suport. També es posa un cargol per fixar la politja a l’eix com per a la secció anterior.

-El braç esquerre amb els dos coixinets i els seus suports.

-La politja gran es pot lliscar tant sobre l’eix hexagonal com sobre els braços superiors i les pinces dissenyades per fixar la seva posició.

A continuació, tenim el segon braç llest per col·locar-lo a la seva posició, el motor del segon braç es col·loca al primer, la seva posició també és ajustable per assolir la tensió perfecta i evitar relliscades de la corretja; cinturó en aquesta posició.

Muntatge de la pinça:

El muntatge d'aquesta pinça és fàcil i ràpid. Pel que fa al muntatge anterior, les peces es poden muntar soles abans de fixar-les al braç complet:

-Col·loqueu la mandíbula mòbil a l’eix del motor, amb l’ajut de la part de plàstic que ve amb el motor.

-Cargoleu el motor al suport.

-Cargoleu el suport del sensor al suport de la pinça.

-Poseu el sensor al seu suport.

-Poseu el material tou a la pinça i fixeu-hi la part impresa en 3D

La pinça es pot muntar fàcilment al segon braç, només una part talladora làser suporta la base de la pinça pel braç.

El més important va ser la posada a punt de les fulles a la part superior del braç i a quina distància les fulles es trobaven fora de la pinça, de manera que es va fer per prova i error fins a arribar al lloc més eficient que podem obtenir per a les fulles on tallar i la presa ha de passar gairebé al mateix temps.

Pas 6: Connexió de components electrònics

En aquest circuit, tenim tres servomotors, un sensor d’ultrasons, un polsador, Arduino i una font d’alimentació.

La sortida de la font d'alimentació es pot ajustar com vulguem i, ja que tots els servos i els ultrasons funcionen a 5 volts, de manera que no cal un regulador de voltatge, només podem regular la sortida de la font d'alimentació a 5 V.

Cada servo ha d’estar connectat a Vcc (+ 5V), a terra i al senyal. El sensor d'ultrasons té 4 pins, un està connectat a Vcc, un per a terra i els altres dos pins són disparadors i pins d'eco, s'han de connectar a pins digitals. El polsador està connectat a terra i a un pin digital.

Per a l’Arduino, ha de parlar de la seva alimentació des de la font d’alimentació, no pot alimentar-se des de l’ordinador portàtil ni el cable, ha de tenir la mateixa terra que els components electrònics que hi estan connectats.

!! NOTES IMPORTANTS !!:

- Haureu d'afegir un convertidor de potència i potència al Vin amb 7V.

-Assegureu-vos que, amb aquesta connexió, heu d’eliminar el port Arduino del vostre ordinador per gravar-lo, en cas contrari no heu d’utilitzar el pin de sortida de 5V com a entrada.

Pas 7: Codi Arduino i diagrama de flux

L’objectiu d’aquest braç robotitzat amb una pinça és recollir una llimona i posar-la en un altre lloc, de manera que quan el robot estigui engegat, hem de prémer el botó d’arrencada i, a continuació, es dirigeix a una posició determinada on es troba la llimona, si agafa la llimona, la pinça anirà a la posició final per col·locar la llimona al seu lloc, vam escollir la posició final a nivell horitzontal, on el parell necessari és màxim, per demostrar que la pinça és prou forta.

Com pot arribar el robot a la llimona:

En el projecte que vam fer, simplement demanem al robot que mogui els braços en una posició determinada on posem la llimona. Bé, hi ha una altra manera de fer-ho, podeu utilitzar la cinemàtica inversa per moure el braç, donant-li les coordenades (x, y) de la llimona i calcula quant ha de girar cada motor perquè la pinça arribi a la llimona.. On state = 0 és quan no es prem el botó d'inici, de manera que el braç està a la posició inicial i el robot no es mou, mentre que state = 1 és quan premem el botó d'inici i el robot s'inicia.

Cinemàtica inversa:

A les figures hi ha un exemple de càlcul de cinemàtica inversa, podeu veure tres esbossos, un per a la posició inicial i els altres dos per a la posició final. Com veieu, per a la posició final (sigui on sigui) hi ha dues possibilitats: colze amunt i colze avall, podeu triar el que vulgueu.

Prenem el colze com a exemple, per fer moure el robot a la seva posició, cal calcular dos angles, theta1 i theta2, a les figures també es veuen els passos i les equacions per calcular theta1 i theta2.

Tingueu en compte que, si l’obstacle es troba a una distància inferior a 10 cm, la llimona és agafada i subjectada per la pinça, finalment l’hem de lliurar a la posició final.

Pas 8: Execució del robot

Després de tot el que hem fet abans, aquí teniu vídeos del funcionament del robot, amb el sensor, el polsador i tota la resta funcionant com hauria de ser. També vam fer una prova de tremolor al robot, per assegurar-nos que és estable i que el cablejat és bo.

Pas 9: Conclusió

Aquest projecte ens va proporcionar una bona experiència en la gestió d’aquests projectes. Tot i així, aquest robot es pot modificar i té alguns valors afegits més, com ara la detecció d’objectes per detectar la llimona, o potser un tercer grau de llibertat perquè es pugui moure entre arbres. A més, el podem controlar mitjançant una aplicació mòbil o mitjançant el teclat, de manera que el movem com vulguem. Esperem que us agradi el nostre projecte i un agraïment especial als supervisors del Fablab per ajudar-nos.