Bricolatge del robot de 6 eixos (amb motors pas a pas): 9 passos (amb imatges)

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:13

Després de més d’un any d’estudis, prototips i fallades diverses, vaig aconseguir construir un robot de ferro / alumini amb 6 graus de llibertat controlat per motors pas a pas.

El més difícil va ser el disseny perquè volia assolir tres objectius fonamentals:

• Baix cost de realització
• Muntatge fàcil fins i tot amb poc equipament
• Bona precisió en moviment

Vaig dissenyar el model 3D amb Rhino diverses vegades fins que (al meu entendre) un bon compromís que compleixi els 3 requisits.

No sóc enginyer i abans d’aquest projecte no tenia cap experiència en robòtica, de manera que una persona més experimentada que jo podia trobar defectes de disseny en el que vaig fer, però puc dir que estic satisfet amb el resultat final que vaig aconseguir.

Subministraments

per obtenir més informació, visiteu el meu bloc personal

Pas 1: disseny CAD

Abans d'arribar al model final, vaig dissenyar almenys vuit prototips diferents amb sistemes de transmissió diferents, però cap podia satisfer els 3 requisits descrits anteriorment.

Unint les solucions mecàniques de tots els prototips fets (i també acceptant alguns compromisos) va sortir el model final. No vaig comptar les hores que vaig passar davant del CAD, però us puc assegurar que eren realment moltes.

Un aspecte a tenir en compte a l’etapa de disseny és que fins i tot un gram afegit al final del canell del robot es multiplica a costa de la resistència del parell dels motors a la base i, per tant, s’afegeix més pes i com més motors s’ha de calcular per suportar l’esforç.

Per "ajudar" els motors a suportar l'estrès, vaig aplicar pistons de gas de 250N i 150N.

Vaig pensar a reduir els costos creant el robot amb plaques de ferro tallades amb làser (C40) i alumini amb gruixos que van dels 2, 3, 5, 10 mm; el tall per làser és molt més barat que el fresat de metalls en 3D.

Després de dissenyar cada component individual, vaig fer les formes de les peces a.dxf i les vaig enviar al centre de tall. La resta de components els vaig fabricar jo mateix al torn.

Pas 2: Preparació i muntatge

Finalment toca embrutar-me les mans (això és el que faig millor) …

La fase de construcció ha suposat moltes hores de treball per a la preparació de les peces, el llimat manual dels forats, les juntes, els fils i el gir dels eixos. El fet d’haver dissenyat tots els components per poder treballar amb poques eines de treball m’ha portat a no tenir grans sorpreses ni problemes mecànics.

El més important no és afanyar-se a acabar les coses, sinó ser escrupolós i seguir totes les línies del projecte; improvisar en aquesta etapa mai condueix a bons resultats.

Adonar-se dels seients del coixinet és extremadament important perquè cada articulació es recolza sobre ells i fins i tot una petita jugada d’un poc per cent podria comprometre l’èxit del projecte.

Em vaig trobar que havia de refer els passadors perquè amb el torn havia retirat uns cinc cèntims més petits que el forat del coixinet i quan vaig intentar muntar-lo el joc era monstruosament evident.

Les eines que he utilitzat per preparar totes les peces són:

• trepadora
• molí / dremel
• mola
• arxiu manual
• torn
• Claus angleses

Entenc que no tothom pot tenir un torn a casa i, en aquest cas, caldrà encarregar les peces a un centre especialitzat.

Jo havia dissenyat les peces per tallar-les amb làser amb les juntes una mica més abundants per poder perfeccionar-les a mà perquè el làser, per precís que sigui, genera un tall cònic i és fonamental considerar-lo.

Treballant amb el fitxer a mà totes les juntes que he fet per tal de generar un acoblament molt precís entre les parts.

Fins i tot els forats dels seients del coixinet els havia reduït i els vaig escorxar a mà amb el dremel i molta (però realment molta) paciència.

Tots els fils els he fet a mà a la broca perquè s’obté la màxima perpendicularitat entre l’instrument i la peça. Després de preparar cada peça, ha arribat l’esperat moment de la veritat, el muntatge de tot el robot. Em va sorprendre que cada peça encaixés exactament en l’altra amb les toleràncies adequades.

El robot ja està muntat

Abans de fer qualsevol altra cosa, he preferit fer algunes proves de moviment per assegurar-me que els motors han estat dissenyats correctament, si trobo algun problema amb els motors, especialment el seu parell de tensió, em veuré obligat a refer una bona part del projecte.

Així que després de muntar també els 6 motors, vaig portar el robot pesat al meu laboratori de les golfes per sotmetre’l a les primeres proves.

Pas 3: proves de primer moviment

Després de completar la part mecànica del robot, vaig muntar ràpidament l’electrònica i vaig connectar només els cables dels 6 motors. Els resultats de la prova van ser molt positius, les articulacions es mouen bé i en els angles preestablerts, vaig descobrir un parell de problemes fàcilment resolts..

El primer problema es refereix a l'articulació núm. 3 que amb una extensió màxima sobrecarregava massa el cinturó i de vegades provocava la pèrdua de graons. La solució d’aquest problema m’ha portat a diversos arguments que veurem en el següent pas.

El segon problema es refereix a l'articulació núm. 4, la solució de la torsió del cinturó no era massa fiable i va generar problemes. Mentrestant, les parts de ferro del robot començaven a fer petits punts d'òxid, així que amb l'oportunitat de resoldre els problemes també vaig aprofitar per pintar-lo.

Pas 4: Pintar i tornar a muntar

No m'agrada especialment la fase de pintura, però en aquest cas estic obligada a fer-la perquè l'estimo encara menys.

A la planxa he posat primer una imprimació que serveix de fons per a la pintura fluo vermella.

Pas 5: Solució d'errors N.1

Després dels resultats de la prova, vaig haver de fer alguns canvis per millorar la precisió del robot. La primera modificació es refereix a la junta # 3, en particular quan es trobava en les condicions més desfavorables, exercia una tracció excessiva de la corretja i, en conseqüència, el motor sempre estava sota estrès. La solució era ajudar aplicant una força contrària al sentit de gir.

Vaig passar nits senceres pensant en quina podria ser la millor solució sense haver de tornar a fer-ho tot. Inicialment vaig pensar a aplicar un gran moll de torsió, però buscant en línia no vaig trobar res satisfactori, així que vaig optar per un pistó de gas (com ja havia dissenyat per a la junta # 2), però vaig haver de decidir on col·locar-lo perquè no tenia prou espai.

Renunciant una mica a l’estètica, vaig decidir que el millor lloc per col·locar el pistó era al lateral.

Vaig fer els càlculs sobre la potència necessària del pistó tenint en compte el punt en què havia d’exercir la força i després vaig demanar a ebay un pistó de 150 N de 340 mm de llarg i després vaig dissenyar els nous suports per poder arreglar-lo.

Pas 6: Solució d'errors N.2

El segon canvi es refereix a l'articulació núm. 4 on inicialment havia planejat la transmissió amb la corretja retorçada però em vaig adonar que els espais eren reduïts i que la corretja no funcionava tan bé com esperava.

Vaig decidir refer tota l’articulació completament dissenyant les espatlles per rebre el motor en una direcció paral·lela respecte a elles. Amb aquesta nova modificació, ara el cinturó funciona correctament i també és més fàcil tensar-lo perquè he dissenyat un sistema clau per tensar fàcilment el cinturó.

Pas 7: electrònica

L’electrònica de control del motor és la mateixa que s’utilitza per a un CNC clàssic de 3 eixos amb la diferència que hi ha 3 controladors més i 3 motors més per gestionar. Tota la lògica de control d’eixos es calcula mitjançant l’aplicació, l’electrònica té l’única tasca. de rebre instruccions sobre quants graus hauran de girar els motors perquè l’articulació no arribi a la posició desitjada.

Les parts que componen l'electrònica són:

• Arduino Mega
• n. 6 controlador DM542T
• n. 4 Relè
• n. 1 alimentació de 24V
• n. 2 electrovàlvules (per a la pinça pneumàtica)

A Arduino he carregat l’esbós que tracta de gestionar simultàniament els moviments dels motors com ara l’acceleració, la desacceleració, la velocitat, els passos i els límits màxims i està programat per rebre ordres que s’executaran mitjançant sèrie (USB).

En comparació amb els controladors de moviment professionals que poden costar fins a diversos milers d’euros, Arduino es defensa a la seva manera poc òbviament de les operacions massa òbviament massa complexes que no és capaç de gestionar com, per exemple, el multi-fil útil, especialment quan s’ha de gestionar diversos motors simultàniament.

Pas 8: consideracions sobre el programari

Cada robot té la seva forma i diferents angles de moviment i la cinemàtica és diferent per a cadascun d’ells. En aquest moment per fer les proves estic fent servir el programari de Chris Annin (www.anninrobotics.com), però les matemàtiques escrites per al seu robot no s’adapten perfectament a les meves, de fet, algunes àrees de l’àrea de treball a les quals no puc arribar perquè els càlculs de les cantonades no són completes.

Ara el programari d’Annin està bé per experimentar, però hauré de començar a pensar a escriure el meu propi programari que s’adapti al 100% a la física del meu robot. Ja he començat a fer algunes proves fent servir Blender i escrivint la part Python del controlador de moviment i sembla una bona solució, hi ha alguns aspectes a desenvolupar, però aquest combo (Blender + Ptyhon) és molt fàcil d’implementar, sobretot és fàcil per planificar i simular moviments sense tenir el robot al davant.

Pas 9: Pinça pneumàtica

Per poder portar objectes al robot l’he equipat amb una pinça pneumàtica.

Personalment no m'agraden les alicates amb servos, no em donen molta confiança en el segell, així que vaig pensar que una pinça pneumàtica que ajustés específicament la pressió podria satisfer totes les necessitats.

Amb perfils quadrats d'alumini vaig modificar la pinça per agafar tant objectes petits com objectes grans.

Més endavant, quan trobi temps, reuniré tota la informació sobre el projecte per poder-lo descarregar.

Espero que us hagi agradat aquest instructiu.