Braç robòtic Moslty imprès en 3D que imita el controlador de titelles: 11 passos (amb imatges)

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:11

Sóc estudiant d'enginyeria mecànica de l'Índia i aquest és el meu projecte de grau.

Aquest projecte està enfocat a desenvolupar un braç robòtic de baix cost que s’imprimeix sobretot en 3D i té 5 DOF amb una pinça de dos dits. El braç robòtic es controla amb un controlador de titelles que és un model d'escriptori del braç robòtic amb els mateixos graus de llibertat les articulacions del qual estan equipades amb sensors. La manipulació manual del controlador fa que el braç robòtic imiti el moviment de manera mestra-esclava.. El sistema utilitza el mòdul WiFi ESP8266 com a mitjà de transmissió de dades. La interfície operador mestre-esclau proporciona un mètode fàcil d’aprendre per a la manipulació robòtica del braç. Nodemcu (Esp8266) s’utilitza com a microcontrolador.

L’objectiu d’aquest projecte era el desenvolupament de robots de baix cost que es poguessin utilitzar amb finalitats educatives. Malauradament, l’accessibilitat a aquesta tecnologia robòtica que està revolucionant el món modern només es limita a determinades institucions. El nostre objectiu és desenvolupar i fer que aquest projecte sigui de codi obert perquè les persones puguin crear-lo, modificar-lo i explorar-lo pel seu compte. Com que és un codi obert i de baix cost, això pot inspirar els companys a aprendre i explorar aquest camp.

Els meus companys del projecte:

• Shubham likhar
• Nikhil Kore
• Palash lonare

Un agraïment especial a:

• Akash Narkhede
• Ram bokade
• Ankit korde

per la seva ajuda en aquest projecte.

Exempció de responsabilitat: mai no vaig planejar escriure un blog ni instruir-me sobre aquest projecte, ja que ara no tinc prou dades per documentar-lo. Aquest esforç es fa molt temps després d’iniciar el projecte. per fer-lo més comprensible, és possible que en alguns moments el trobeu poc atleta … espero que ho entengueu:) Aviat inclouré un vídeo de youtube on es mostren els seus treballs i altres proves.

Pas 1: Com funciona?

Això és el més emocionant per a mi d’aquest projecte.

(No afirmo que sigui eficient ni el mètode adequat per fer-lo servir amb finalitats comercials és només amb finalitats educatives)

és possible que hàgiu vist robots barats amb servomotors que són només per a la demontració. D’altra banda, hi ha robots de pas a pas amb caixa d’engranatges planetaris, etc., però aquest robot és un equilibri entre ells.

doncs, com es diferencia?

Construcció:

En lloc d’utilitzar motors pas a pas de menor potència i alt cost, he utilitzat motors de corrent continu, però com sabem, els motors de corrent continu no tenen un sistema de control de retroalimentació i no es poden utilitzar directament per al control de posició, els he encobert en servomotors afegint un potenciòmetre com a sensor de retroalimentació / posició.

Ara, per simplificar la feina, el que vaig fer va ser: vaig desmuntar els servos barats de 9 g que van retirar els seus circuits i vaig substituir el motor de corrent continu per un motor de corrent continu de gran parell i la seva petita olla amb el que tenia per al robot. Arduino no es pot creure que la codificació simplificada.

Per conduir un motor de 12 V CC amb servo xip de 5 V, he utilitzat el mòdul de controlador de motor L298N que pot accionar 2 motors simultàniament. El mòdul té 4 pins d’entrada IN1 a IN4 que decideixen el sentit de rotació del motor. On IN1 i IN2 corresponen al primer motor i IN3 Motor IN4 a 2n. Per tant, els terminals de sortida (2) del servo xip (originalment a motor de corrent continu petit) estan connectats a IN1 i IN2 del mòdul de sortida L298N del qual està connectat al motor de 12V CC.

Treball:

D'aquesta manera, quan l'eix del motor no es troba en el potenciòmetre de posició objectiu, envieu el valor de l'angle al xip servo que ordena al mòdul L298N que condueixi Cw o CCW al seu torn, el motor de 12V DC gira segons l'ordre rebut del microcontrolador.

L'esquema es mostra a la figura (només per a un motor)

EN EL NOSTRE CAS, LA COMANDA (VALORS D’ANGLE JUNT) S’ENVIA A TRAVÉS DEL CONTROLADOR DE TITELLES QUE ÉS DE 10 COPIES ESCALADES DE ROBOT ACTUAL I QUE TÉ POTENTIOMMETRE CONNECTAT A CADA CONJUNTA. JUNTA ROBOT A LA QUE CADA MOTOR JUNT PROVA OCUPAR

A cada junta, es connecta un potenciòmetre a l’eix de la junta mitjançant un mecanisme de pols de corretja. Quan la junta gira, el potenciòmetre gira segons la mateixa i dóna informació sobre la posició actual de l’angle de la junta (es mostra a les imatges anteriors)

Pas 2: components utilitzats:

Com he dit, encara estic treballant i millorant-lo dia a dia, per tant, aquests components poden diferir en algunes actualitzacions futures.

el meu objectiu era fer-lo el més econòmic possible, per tant, he utilitzat components molt selectius. Aquesta és la llista dels components principals que s’utilitzen a la data d’armació (la seguiré actualitzant en el futur)

1. Esp8266 (2x)
2. Motors de corrent continu (d’especificacions variables Parell i velocitats, 5x)
3. Mòdul de controlador de motor L298N (2x)
4. Potenciòmetre (8x)
5. Canal d'alumini (30x30, 1 metre)
6. diversos maquinari

Pas 3: càlculs i disseny de braços

Per dissenyar el braç, he utilitzat el programari catia v5. Abans d’iniciar el procés de disseny, primer cal calcular les longituds de l’enllaç i el parell que ha de sostenir cada articulació.

primer vaig començar amb algunes suposicions que inclouen:

1. La càrrega útil màxima del robot serà de 500 g (1,1 lliures)
2. l'abast total del robot serà de 500 mm
3. El pes del robot no superarà els 3 kg.

Càlculs de longitud d'enllaç

continuant amb això, he calculat la longitud de l'enllaç amb referència al treball de recerca "Disseny d'un braç robòtic per I. M. H. van Haaren"

I. M. H. van Haaren va donar un excel·lent exemple de com va determinar les longituds de l'enllaç mitjançant una referència biològica en què les longituds dels segments principals del cos s'expressen com una fracció de l'alçada total. Es mostra a la fig.

després dels càlculs, les longituds dels enllaços van sortir

L1 = 274 mm

L2 = 215 mm

L3 = 160 mm

Longitud de la pinça = 150 mm

Càlculs del parell:

Per calcular el parell, vaig utilitzar conceptes bàsics de parell i moments aplicats a l'enginyeria.

sense entrar en càlculs dinàmics, em vaig basar només en càlculs de parell estàtic a causa d'algunes contraindicacions.

hi ha 2 jugadors principals que parellen com T = FxR, és a dir, en el nostre cas, la càrrega (massa) i la longitud de l’enllaç. pesos de cada component sense mesurar-lo realment.

per tant, he fet aquests càlculs en iteracions.

1. Vaig suposar que el canal d'alumini era un material uniforme en tota la seva longitud i vaig dividir el pes d'un peice total d'1 metre amb la longitud de peices que anava a utilitzar.
2. Pel que fa a les juntes, vaig assumir certs valors per a cada junta (pes del motor + pes de la peça impresa en 3D + una altra) basant-se en el supòsit de pes total del robot.
3. Els dos passos anteriors em van donar valors de parell conjunt de la primera iteració. Per a aquests valors, vaig trobar motors adequats a Internet juntament amb altres especificacions i pesos.
4. A la segona iteració he utilitzat pesos originals de motors (que he descobert al tercer pas) i he tornat a calcular els parells estàtics de cada junta.
5. Si els valors de parell final del pas 4 eren adequats per als motors seleccionats al pas 3, heu finalitzat el motor, en cas contrari, repetiu els passos 3 i 4 fins que els valors formulats compleixin les especificacions del motor reals.

Disseny del braç:

Aquesta va ser la tasca més ordenada de tot aquest projecte i va trigar gairebé un mes a dissenyar-lo. Per cert, he adjuntat fotos del model CAD. Deixaré un enllaç per descarregar aquests fitxers CAD en algun lloc aquí:

Pas 4: Impressió 3D de les peces

Totes les parts no són les juntes i s’imprimeixen en 3D en una impressora de 99 $ amb una àrea d’impressió de 100x100x100 mm (sí, és cert !!)

impressora: Easy threed X1

He inclòs fotografies de peces principals fora de la talladora i enllaçaré a tots els fitxers CAD del fitxer CAD, així com a stl, de manera que pugueu descarregar i editar com vulgueu.

Pas 5: Assemblea conjunta de l'espatlla (conjunta J1 i J2)

La polea base es va imprimir en una impressora diferent, ja que tenia un diàmetre de 160 mm. Vaig dissenyar l’articulació de l’espatlla de manera que es pogués accionar (rotació sobre l’eix z) amb mecanisme de pinyó de corretja o pinyó d’engranatges que podeu veure a les imatges incloses. La part inferior és on s’adapten els coixinets que després es munten en un eix central sobre una plataforma que es fa moure el braç (tanc, més que en el futur).

l’engranatge més gran (de color groc a la imatge) està muntat sobre un canal d’alumini amb cargols de rosca per on passa l’eix d’acer de 8 mm sobre el qual es mou la junta 2. La relació d’engranatge a la primera junta és de 4: 1 i la de la segona junta és de 3,4: 1

Pas 6: colze i articulació (articulació J3)

(ALGUNES DE LES IMATGES SÓN DESPRÉS DE CONSTRUIR-SE PERQUÈ NO TINC IMATGES DE PROCÉS COMPLETES)

L'articulació del colze és la següent després de l'articulació de l'espatlla, és una articulació de dues peces, una connectada per enllaçar-ne una i una altra per enllaçar-la 2.

la peça 1 té un motor de corrent continu amb pinyó motriu i la peça 2 té un engranatge més gran i un parell de coixinets per suportar l’eix.

L'articulació J3 té un rang de moviment de 160 graus.

Pas 7: articulació del canell (articulació J4 i J5)

(ALGUNES DE LES IMATGES SOBRE LA CONSTRUCCIÓ PERQUÈ NO TINC IMATGES DE PROCÉS COMPLETES)

Després de l'articulació del colze es troba l'articulació del canell. Aquesta altra vegada consta de 2 peces una a l'enllaç anterior (és a dir, l'enllaç 2) i una altra que consisteix en un motot J5 que gira el conjunt del canell. -CM.

Aquesta articulació J4 té un rang de rotació de 90 graus i J5 té 360 graus.

Pas 8: Pinça

Aquesta va ser una de les tasques més difícils de dissenyar, va ser dissenyada de manera que pugui triar la majoria d’objectes i agafar la majoria de coses que ens envolten, com ara panys de porta, tiradors, barres, etc.

Com es mostra a la imatge, un engranatge helicoïdal connectat als motors acciona els engranatges en sentit horari o contrari que estan connectats als dits per obrir-los i tancar-los.

Totes les parts de la pinça es mostren a la imatge adjunta.

Pas 9: fabricació d'un controlador de titelles per al braç robòtic

El controlador de titelles és la versió exacta de 10 vegades reduïda del braç robòtic real. Té 4 potenciòmetres muntats en 4 articulacions, és a dir, J1, J2, J3, J4 i Joint J5 que s’utilitzarà amb un polsador per a una rotació contínua (rotació de la pinça per a qualsevol operació)

els potenciòmetres detecten l’angle de rotació de les articulacions i envien aquest valor entre 1-1023 a Nodemcu, que es converteix de nou a 1-360 i s’envia a un altre Nodemcu per wifi. Com que l’ESP8266 només té una entrada analògica, he utilitzat un multiplexor 4051.

tutorial per utilitzar el multiplexor 4051 amb esp8266 -

diagrama esquemàtic:

Afegiré un diagrama esquemàtic tan bon punt l’acabo (si algú ho necessita, poseu-vos en contacte amb mi amb urgència fins aleshores)

Codi: (també inclòs aquí)

drive.google.com/open?id=1fEa7Y0ELsfJY1lHt6JnEj-qa5kQKArVa

Pas 10: electrònica

Adjunto imatges de l’obra actual. L’electrònica completa i el diagrama esquemàtic encara no s’han completat. Aviat publicaré actualitzacions fins aleshores estareu connectats:)

(Nota: aquest projecte encara no està completat. Seguiré les actualitzacions en el futur)

Pas 11: codis i esquemes en un sol lloc

Vaig a completar els esquemes del robot i el codi final tan bon punt l’acabo!