Màquina de classificació de cargols: 7 passos (amb imatges)

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:14

Un dia al laboratori (FabLab Moscou), vaig veure el meu company ocupat classificant una caixa completa de cargols, femelles, anells i altres elements de ferreteria. Parant al seu costat, vaig mirar un segon i vaig dir: "Seria una feina perfecta per a una màquina". Després de fer una ullada ràpida a Google, vaig veure que ja existien diferents sistemes mecànics enginyosos, però no van poder resoldre el nostre problema, ja que a la nostra caixa hi ha una gran varietat de peces. Fer alguna cosa purament mecànic seria molt complicat. L’altra bona raó per anar a un sistema més “robòtic” era perquè això requeriria tots els camps tècnics que m’encanten: visió artificial, braços robòtics i actuadors electromecànics.

Aquesta màquina agafa els cargols i els col·loca en diferents caixes. Consisteix en un braç robòtic que maneja un electroimant, una taula de treball translúcida sobre les llums i una càmera a la part superior. Després d’estendre uns cargols i femelles a la taula de treball, s’encenen els llums i es fa una fotografia. Un algorisme detecta les formes de les peces i retorna les seves posicions. Finalment, el braç amb l’electroimant col·loca les parts una a una a les caixes desitjades.

Aquest projecte encara està en desenvolupament, però ara obtinc resultats dignes que vull compartir amb vosaltres.

Pas 1: eines i material

Eines

• Tallador làser
• Esmoladora angular
• Serra mecànica
• Tornavís
• Pinces (com més millor)
• Pistola de cola calenta

Material

• Fusta contraxapada de 3 mm (1 m2)
• Fusta contraxapada de 6 mm (300 x 200 mm)
• Plàstic translúcid blanc de 4 mm (500 x 250 mm)
• Ordinador (intento passar a raspberry pi)
• Càmera web (Logitech HD T20p, tothom hauria de treballar)
• Arduino amb 4 sortides PWM / analogWrite (tres servos i la bobina de l’electroimant) (faig servir el ProTrinket 5V)
• Tauler de prototipatge
• Cable electrònic (2 m)
• Transistor de commutació (qualsevol transistor que pugui accionar una bobina de 2W) (tinc S8050)
• Diodo (Schottky és millor)
• 2 resistències (100Ω, 330Ω)
• Alimentació 5V, 2A
• Servo micro (ample 13 llarg 29 mm)
• 2 servos estàndard (ample 20 longitud 38 mm)
• Cola de fusta
• 4 cantonades metàl·liques amb cargols (opcional)
• Vareta de fusta (30 x 20 x 2400)
• Cola calenta
• Fil de coure esmaltat (0,2, 0,3 mm de diàmetre, 5 m) (transformador antic?)
• Planxa suau (16 x 25 x4 mm)
• 3 bombetes amb endoll
• Banda de connectors (230V, 6 elements)
• Cable elèctric amb endoll (230V) (2 m)
• Rodament 625ZZ (diàmetre interior 5 mm, diàmetre exterior 16 mm, alçada 5 mm)
• Rodament 608ZZ (diàmetre interior 8 mm, diàmetre exterior 22 mm, alçada 7 mm)
• Rodament rb-lyn-317 (diàmetre interior 3 mm, diàmetre exterior 8 mm, alçada 4 mm)
• Corretja de distribució GT2 (pas de 2 mm, 6 mm d'ample, 650 mm)
• Cargol M5 x 35
• Cargol M8 x 40
• 8 cargols M3 x 15
• 4 cargols M4 x 60
• 6 cargols de fusta de 2 x 8 mm
• Cargol M3 x 10
• Mòdul de placa de relé (controlable directament pel controlador)

Pas 2: feu la caixa de llum

La caixa de llum té quatre parts principals i algunes mènsules. Descarregueu aquestes parts i enganxeu-les juntes excepte el plàstic translúcid. Vaig començar amb el mig disc de fusta i la paret corba. Cal que la paret estrenyi al voltant del disc durant l’assecat. Vaig utilitzar pinces per assegurar el mig disc i la base de la paret corba. Després, una cinta manté la paret al voltant del mig disc. En segon lloc, vaig enganxar una vora per suportar la taula de treball translúcida. Finalment, s’afegeix la paret plana amb vores dretes de fusta (interior) i metàl·lica (exterior).

Un cop completada la caixa, només cal afegir les bombetes i connectar el cable i la presa amb la tira de connectors. Talleu el cable de 230V allà on us convingui i introduïu el mòdul de relé. Vaig tancar el relé (230V!) En una caixa de fusta per motius de seguretat.

Pas 3: feu el braç del robot

Descarregueu-ne les peces i talleu-les. Per assegurar el cinturó del servomotor he utilitzat trossos de clip. Vaig clavar les corretges de les dues parts al servomotor i vaig afegir una mica de cola per assegurar-me que res no es mogués.

Per a la guia vertical lineal, s’ha de polir l’èmbol per evitar qualsevol bloqueig. Ha de lliscar sense problemes. Un cop muntat, l’alçada es pot ajustar tallant la guia a la longitud desitjada. No obstant això, manteniu-lo el màxim de temps possible per evitar un bloqueig excessiu. El pistó simplement s’enganxa a la caixa del braç.

Els coixinets estan tancats dins de les politges. Una politja està formada per dues capes de fusta contraxapada. Aquestes dues capes no s’han de tocar necessàriament, de manera que, en lloc d’enganxar-les, enganxeu-les a la respectiva placa del braç. Les plaques del braç superior i inferior es mantenen mitjançant quatre cargols i femelles M3 x 15. El primer eix (gran) és simplement el cargol M8 x 40 i el segon (petit) el cargol M5 x 35. Utilitzeu femelles com a separadors i taquilles per a les parts del braç.

Pas 4: feu l’electroimant

Un electroimant és simplement un nucli de ferro tou amb un coper de filferro esmaltat al seu voltant. El nucli de ferro tou guia el camp magnètic al lloc desitjat. El corrent del filferro esmaltat crea aquest camp magnètic (és proporcional). A més, com més girs facis, més camp magnètic tens. Vaig dissenyar una planxa en forma d’U per concentrar el camp magnètic a prop dels cargols agafats i augmentar la força de prehensió.

Talla una forma d’U en un tros de ferro tou (alçada: 25 mm, amplada: 15 mm, secció transversal del ferro: 5 x 4 mm). És molt important eliminar les vores afilades abans d’enrotllar el filferro al voltant del ferro en forma d’U. Aneu amb compte de mantenir la mateixa direcció de bobinatge (sobretot quan salteu a l’altre costat, heu de canviar el sentit de rotació des del vostre punt de vista, però manteniu la mateixa direcció des del punt de vista de ferro en forma d’U) (https://en.wikipedia.org/wiki/Right-hand_rule) Abans de derivar la bobina al circuit, comproveu la resistència de la bobina amb un multímetre i calculeu el corrent amb la llei d’Ohm (U = RI). Tinc més de 200 voltes a la bobina. Us proposo enrotllar-vos fins que només tingueu 2 mm d’espai dins de la forma d’U.

S’ha fabricat un suport de fusta i s’ha assegurat el ferro en forma d’U amb cola calenta. Dues escletxes permeten fixar el cable als dos extrems. Finalment es claven dos passadors al suport de fusta. Fan la unió entre el filferro cooperatiu esmaltat i el fil electrònic. Per evitar danys a la bobina, he afegit una capa de cola calenta al voltant de la bobina. A la darrera imatge es pot observar una part de fusta que tanca el ferro en forma d’U. La seva funció és evitar que els cargols s’enganxin dins del ferro en forma d’U.

El coper de filferro esmaltat s’ha extret d’un transformador trencat. Si ho feu, comproveu que el cable no estigui trencat o que no tingui curtcircuits a la part utilitzada. Traieu la cinta del nucli ferromagnètic. Amb un tallador, despreneu una a una totes les rodanxes de ferro. A continuació, traieu la cinta adhesiva de la bobina i, finalment, desenrotlleu el filferro esmaltat. S'ha utilitzat el bobinatge secundari (la bobina de gran diàmetre) (entrada del transformador 230V, sortida 5V-1A).

Pas 5: Feu el circuit

En una placa de prototipatge, vaig construir l’esquema anterior. S'ha utilitzat un transistor bipolar (S8050) per canviar la bobina de l'electroimant. Comproveu que el transistor pugui controlar el corrent calculat al pas anterior. Un MOSFET és probablement més adequat en aquesta situació, però he pres el que tenia a mà (i volia una resistència baixa). Ajusteu les dues resistències al transistor.

A l'esquema anterior, les icones VCC i GND estan connectades al + i - de la meva font d'alimentació. Els servomotors tenen tres cables: Signal, VCC i GND. Només el cable de senyal està connectat al controlador, els altres estan connectats a la font d'alimentació. El controlador s’alimenta mitjançant el cable del programador.

Pas 6: el codi

Finalment, però no menys important: el codi. El trobareu aquí:

Hi ha un programa per al controlador (tipus arduino) i un altre que s’executa a l’ordinador (esperem que aviat amb raspberry). El codi del controlador és responsable de la planificació de la trajectòria i el de l’ordinador fa el processament de la imatge i envia la posició resultant al controlador. El processament d’imatges es basa en OpenCV.

El programa de l'ordinador

El programa pren una imatge amb la càmera web i els llums, detecta el centre i el radi de la taula de treball translúcida i corregeix la rotació eventual de la imatge. A partir d’aquests valors, el programa calcula la posició del robot (Sabem la posició del robot segons la placa). El programa utilitza la funció de detector de blobs d’OpenCV per detectar els cargols i els cargols. Els diferents tipus de blobs es filtren amb els paràmetres disponibles (àrea, color, circularitat, convexitat, inèrcia) per tal de seleccionar el component desitjat. El resultat del detector de blob és la posició (en píxels) dels blobs seleccionats. Després, una funció transforma aquestes posicions de píxels en posicions mil·limètriques en el sistema de coordenades del braç (ortogonal). Una altra funció calcula la posició necessària de cada unió del braç per tenir l'electroimant a la posició desitjada. El resultat consisteix en tres angles que finalment s’envien al controlador.

El programa del controlador

Aquest programa rep els angles d'unió i mou les parts del braç per arribar a aquests angles. Primer calcula la velocitat màxima de cada unió per tal de realitzar el moviment durant el mateix interval de temps. A continuació, comprova si s’arriben a aquestes velocitats màximes, en aquest cas el moviment seguirà tres fases: acceleració, velocitat constant i desacceleració. Si no s'aconsegueix la velocitat màxima, el moviment seguirà només dues fases: acceleració i desacceleració. També es calculen els moments en què ha de passar d'una fase a una altra. Finalment, s'executa el moviment: a intervals regulars, es calculen i s'envien els nous angles reals. Si és hora de passar a la fase de niu, l'execució continua a la fase següent.

Pas 7: els tocs finals

El marc

S'ha afegit un marc per subjectar la càmera. Vaig triar fer-lo amb fusta perquè és barat, fàcil de treballar, fàcil de trobar, respectuós amb el medi ambient, agradable de formar i es manté a l’estil que vaig començar. Feu una prova d’imatges amb la càmera per decidir quina alçada cal. Assegureu-vos també de fer-la rígida i fixa perquè he notat que la posició resultant és molt sensible als moviments de la càmera (almenys abans d’afegir la funció de detecció automàtica de la taula de treball). La càmera s’ha de situar al centre de la taula de treball i, en el meu cas, a 520 mm de la superfície blanca translúcida.

Les caixes

Com podeu veure a la imatge, les caixes d’emmagatzematge mòbils es troben a la part plana de la taula de treball. Podeu fer tantes caixes com calgui, però amb la meva configuració real l’espai és bastant limitat. No obstant això, tinc idees per millorar aquest punt (cf. millores futures).

Millores futures

• De moment, la corretja dentada es tanca amb una part de fusta, però aquesta solució limita la zona que pot arribar al braç. Necessito afegir més espai entre el gran servo i l'eix del braç o fer un sistema de tancament més petit.
• Les caixes es troben al llarg de la vora plana de la taula de treball, si la posi al llarg de la vora del mig cercle, tindria molt més espai per afegir caixes i ordenar molts tipus de components.
• Ara el filtre de detecció de blob és suficient per ordenar les parts, però com vull augmentar el nombre de caixes, necessitaré augmentar la selectivitat. Per aquest motiu, provaré diferents mètodes de reconeixement.
• Ara els servomotors que faig servir no tenen prou autonomia per arribar a tota la taula de treball de mig disc. He de canviar els servos o canviar el factor de reducció entre les diferents politges.
• Alguns problemes es produeixen amb força freqüència, de manera que millorar la fiabilitat és la prioritat. Per a això, he de classificar el tipus de problemes i concentrar-me en els més probables. Això ja ho vaig fer amb el petit tros de fusta que tanca la planxa en forma d’U i l’algoritme del centre de detecció automàtica, però ara els problemes es compliquen de resoldre.
• Feu un PCB per al controlador i el circuit electrònic.
• Migreu el codi a Raspberry pi per tenir una estació independent

Accèssit al Concurs d’Organització