Роботизированная рука с захватом: 9 шагов (с изображениями)

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:47

Сбор лимонных деревьев считается тяжелым трудом из-за большого размера деревьев, а также из-за жаркого климата в регионах, где выращиваются лимонные деревья. Вот почему нам нужно что-то еще, чтобы помочь сельскохозяйственным работникам легче выполнять свою работу. Итак, нам пришла в голову идея облегчить их работу: роботизированная рука с захватом, которая собирает лимон с дерева. Длина руки около 50 см. Принцип работы прост: мы даем роботу позицию, тогда он поедет в нужном месте, а если есть лимон, его захват одновременно срежет цветонос и захватит лимон. Затем лимон упадет на землю, и робот вернется в исходное положение. Поначалу проект может показаться сложным и трудновыполнимым. Однако это не так сложно, но потребовало много тяжелой работы и хорошего планирования. Просто нужно построить одно над другим. Вначале мы столкнулись с некоторыми проблемами из-за ситуации с covid-19 и удаленной работы, но потом мы сделали это, и это было потрясающе.

Это руководство направлено на то, чтобы провести вас через процесс создания роботизированной руки с захватом. Проект был разработан и спроектирован как часть нашего проекта Bruface Mechatronics; работа выполнялась в Fablab Brussels:

-Хусейн Мослимани

-Инес Кастильо Фернандес

-Джайеш Джагадеш Дешмукхе

-Рафаэль Бойт

Шаг 1. Необходимые навыки

Итак, вот некоторые навыки, которые вам понадобятся для выполнения этого проекта:

-Основы электроники

-Базовые знания микроконтроллеров.

-Кодирование на языке C (Arduino).

-Используйте программное обеспечение САПР, такое как SolidWorks или AutoCAD.

-Лазерная резка

-3D печать

Также стоит набраться терпения и много свободного времени, также советуем работать в команде, как мы, все будет проще.

Шаг 2: CAD-дизайн

Попробовав разные образцы, мы наконец решили сконструировать робота, как показано на рисунках, рука имеет 2 степени свободы. Двигатели соединены с валом каждого плеча шкивами и ремнями. Использование шкивов дает множество преимуществ, одним из самых важных является увеличение крутящего момента. Первый шкивный ремень первого плеча имеет передаточное число 2, а второй - передаточное число 1,5.

Сложной частью проекта было ограниченное время в Fablab. Таким образом, большинство дизайнов были адаптированы для лазерной резки деталей, и только некоторые соединительные детали были напечатаны на 3D-принтере. Здесь вы можете найти прилагаемый дизайн САПР.

Шаг 3: Список используемых компонентов

Вот компоненты, которые мы использовали в нашем проекте:

I) Электронные компоненты:

-Arduino Uno: это плата микроконтроллера с 14 цифровыми входами / выходами (из которых 6 могут использоваться как выходы ШИМ), 6 аналоговыми входами, кварцевым кристаллом 16 МГц, разъемом USB, разъемом питания, разъемом ICSP, и кнопка сброса. Мы использовали этот тип микроконтроллера, поскольку он прост в использовании и может выполнять требуемую работу.

-Два больших серводвигателя (MG996R): это сервомеханизм с обратной связью, который использует обратную связь по положению для управления своим движением и конечным положением. Он используется для вращения рычагов. Он имеет хороший крутящий момент, до 11 кг / см, и благодаря уменьшению крутящего момента, осуществляемому шкивами и ремнем, мы можем достичь более высокого крутящего момента, которого более чем достаточно для удержания рычагов. И тот факт, что нам не нужно больше 180 градусов вращения, этот мотор очень удобен в использовании.

-Один маленький сервопривод (E3003): это сервомеханизм с обратной связью, который использует обратную связь по положению для управления своим движением и конечным положением. Этот двигатель используется для управления захватом, его крутящий момент составляет 2,5 кг / см, и он используется для резки и захвата лимона.

-Источник питания постоянного тока: этот тип источника питания был доступен на фабрике, и поскольку наш двигатель не движется по земле, источники питания не должны быть связаны друг с другом. Основным преимуществом этого источника питания является то, что мы можем регулировать выходное напряжение и ток по своему усмотрению, поэтому нет необходимости в стабилизаторе напряжения. Если такого типа блоков питания нет в наличии, но он стоит дорого. Дешевая альтернатива этому - использование держателя батареи 8xAA в сочетании с регулятором напряжения, таким как MF-6402402, который представляет собой преобразователь постоянного тока в постоянный, для получения необходимого напряжения. Их цена указана также в списке комплектующих.

- Макетная плата: пластиковая плата, используемая для размещения электронных компонентов. Также для подключения электроники к источнику питания.

-Провода: используются для подключения электронных компонентов к макетной плате.

-Нажмите кнопку: она используется как кнопка запуска, поэтому, когда мы нажимаем на нее, робот работает.

-Ультразвуковой датчик: используется для измерения расстояния, он генерирует высокочастотный звук и рассчитывает временной интервал между отправкой сигнала и получением эха. Он используется для определения того, удерживался ли лимон захватом или он поскользнулся.

II) Прочие компоненты:

-Пластик для 3д печати

-3мм деревянные листы для лазерной резки

-Металлический вал

-Лезвия

-Мягкий материал: он приклеен к обеим сторонам захвата, поэтому захват сжимает лимонную ветку при ее разрезании.

-Винты

-Ремень для соединения шкивов, стандартный ремень 365 T5

-8 мм круглые подшипники, внешний диаметр 22 мм.

Шаг 4: 3D-печать и лазерная резка

Благодаря станкам для лазерной резки и 3D-печати, которые есть в Fablab, мы создаем детали, необходимые для нашего робота.

I- Детали, которые нам пришлось вырезать лазером:

-База робота

-Опоры мотора первого рычага

-Опоры первой руки

-Пластины на 2 руки

-Основа захвата

-Соединение между захватом и рукой.

-Две стороны захвата

-Опоры для подшипников, чтобы убедиться, что они не соскальзывают или не смещаются со своего места, все подшипники двухслойные, 3 мм + 4 мм, так как толщина подшипника составляла 7 мм.

Примечание: вам понадобится небольшой деревянный лист толщиной 4 мм для некоторых мелких деталей, которые нужно вырезать лазером. Кроме того, вы найдете в дизайне САПР толщину 6 мм или любую другую толщину, кратную 3, тогда вам понадобится несколько слоев деталей, вырезанных лазером на 3 мм, то есть если толщина 6 мм, тогда вам нужно 2 слоя По 3 мм.

II- Части, которые нам нужно было напечатать на 3D-принтере:

-Четыре шкива: используются для соединения каждого двигателя с рычагом, который он должен перемещать.

-Поддержка мотора второго рычага

-опора подшипника на основании, которое закреплено под ремнем, чтобы прикладывать к нему усилие и увеличивать натяжение. Он соединен с подшипником с помощью круглого металлического вала.

-Две прямоугольные пластины для захвата надеваются на мягкий материал, чтобы хорошо удерживать ветку и иметь трение, чтобы ветка не скользила.

-Квадратный вал с круглым отверстием 8 мм для соединения пластин первого рычага, а отверстие предназначалось для вставки металлического вала 8 мм, чтобы сделать весь вал прочным и выдержать общий крутящий момент. Круглые металлические валы были соединены с подшипниками и обеими сторонами рычага для завершения вращательной части.

Вал шестигранной формы с круглым отверстием 8 мм по той же причине, что и квадратный вал

-Зажимы для поддержки шкивов и пластин каждого рычага на своих местах.

На трех рисунках САПР вы можете хорошо понять, как собирается система, как соединяются и поддерживаются валы. Вы можете увидеть, как квадратный и шестигранный валы соединяются с рычагом и как они соединяются с опорами с помощью металлического вала. На этих рисунках представлена вся сборка.

Шаг 5: Механическая сборка

Сборка всего робота состоит из 3 основных этапов, которые необходимо объяснить: сначала мы собираем основу и первую руку, затем вторую руку с первой и, наконец, захват для второй руки.

Сборка основания и первого рычага:

Во-первых, пользователь должен отдельно собрать следующие детали:

-Две стороны шарниров с подшипниками внутри.

-Опора мотора с мотором, и малый шкив.

-Симметричная опора для малого шкива.

-Квадратный вал, большой шкив, рычаг и зажимы.

- «Натяжной» подшипник поддерживает опорную плиту. Затем добавляем подшипник и вал.

Теперь все узлы готовы к соединению.

Примечание: чтобы убедиться, что мы получаем необходимое натяжение ремня, положение двигателя на основании можно регулировать, у нас есть удлиненное отверстие, чтобы расстояние между шкивами можно было увеличивать или уменьшать, и когда мы проверяем, что натяжение хорошее, крепим мотор к основанию болтами и хорошо фиксируем. В дополнение к этому, подшипник был закреплен на основании в месте, где он создает усилие на ремень для увеличения натяжения, поэтому при движении ремня подшипник вращается, и никаких проблем с трением.

Сборка второго рычага с первым:

Детали необходимо собрать отдельно:

-Правый рычаг с двигателем, его опорой, шкивом, а также с подшипником и его опорными частями. Также ставится винт для крепления шкива к валу, как и в предыдущем разделе.

-Левой рычаг с двумя подшипниками и их опорами.

-Большой шкив может скользить как по шестигранному валу, так и по верхним рычагам, а зажимы предназначены для фиксации их положения.

Затем у нас есть второй рычаг, готовый к установке на его место, двигатель второго рычага помещается на первый, его положение также регулируется для достижения идеального натяжения и предотвращения проскальзывания ремня, затем двигатель фиксируется с помощью ремень в этом положении.

Сборка захвата:

Сборка этого захвата выполняется легко и быстро. Что касается предыдущей сборки, детали можно собрать отдельно, прежде чем прикрепить к полной руке:

-Прикрепите подвижную губку к валу двигателя с помощью пластиковой детали, которая идет в комплекте с двигателем.

-Привернуть мотор к опоре.

-Ввинтите опору датчика в опору захвата.

-Положить датчик в его опору.

-Наденьте мягкий материал на захват и закрепите над ним деталь, напечатанную на 3D-принтере.

Захват можно легко установить на второй рычаг, только часть лазерного резака поддерживает основание захвата за рычаг.

Самым важным была настройка лезвий на верхней части руки и на каком расстоянии лезвия находились за пределами захвата, поэтому это было сделано методом проб и ошибок, пока мы не достигли наиболее эффективного места, которое мы можем найти для лезвий, где режущие и захват должен происходить почти одновременно.

Шаг 6: Подключение электронных компонентов

В этой схеме у нас есть три серводвигателя, один ультразвуковой датчик, одна кнопка, Arduino и источник питания.

Выход блока питания можно отрегулировать по своему усмотрению, и поскольку все сервоприводы и ультразвуковые устройства работают от 5 вольт, поэтому нет необходимости в регуляторе напряжения, мы можем регулировать выход блока питания только на 5 В.

Каждый сервопривод должен быть подключен к Vcc (+ 5V), земле и сигналу. Ультразвуковой датчик имеет 4 контакта, один из которых подключен к Vcc, один для заземления, а два других контакта - это триггерные и эхо-контакты, они должны быть подключены к цифровым контактам. Кнопка подключена к земле и к цифровому выводу.

Для Arduino он должен передавать питание от источника питания, он не может питаться от ноутбука или кабеля, он должен иметь то же заземление, что и подключенные к нему электронные компоненты.

!!ВАЖНЫЕ ЗАМЕТКИ!!:

- Вы должны добавить преобразователь мощности и питание на Vin с напряжением 7 В.

-Убедитесь, что при этом подключении вы должны удалить порт Arduino с вашего компьютера, чтобы сжечь его, иначе вы не должны использовать выходной контакт 5V в качестве входа.

Шаг 7: Код Arduino и блок-схема

Цель этой роботизированной руки с захватом - собрать лимон и положить его в другое место, поэтому, когда робот включен, мы должны нажать кнопку запуска, а затем он переместится в определенное положение, где находится лимон, если он захватывает лимон, захват перейдет в конечное положение, чтобы положить лимон на его место, мы выбрали окончательное положение на горизонтальном уровне, где необходимый крутящий момент является максимальным, чтобы доказать, что захват достаточно силен.

Как роботу добраться до лимона:

В нашем проекте мы просто просили робота переместить руки в определенное положение, куда мы кладем лимон. Что ж, есть другой способ сделать это, вы можете использовать обратную кинематику для перемещения руки, задав ей координаты (x, y) лимона, и он вычисляет, сколько каждый двигатель должен вращаться, чтобы захват достиг лимона.. Где состояние = 0 - это когда кнопка запуска не нажата, поэтому рука находится в исходном положении и робот не двигается, а состояние = 1 - когда мы нажимаем кнопку запуска и робот запускается.

Обратная кинематика:

На рисунках показан пример расчета обратной кинематики, вы можете увидеть три эскиза, один для начального положения, а два других - для конечного положения. Итак, как вы видите, для финальной позиции - независимо от того, где она - есть две возможности, локоть вверх и локоть вниз, вы можете выбрать все, что захотите.

Давайте в качестве примера возьмем локоть вверх, чтобы заставить робота переместиться в свое положение, необходимо вычислить два угла, theta1 и theta2, на рисунках также вы видите шаги и уравнения для вычисления theta1 и theta2.

Обратите внимание, что если препятствие находится на расстоянии менее 10 см, то лимон захватывается и удерживается захватом, и, наконец, мы должны доставить его в конечное положение.

Шаг 8: Запуск робота

После всего, что мы сделали раньше, вот видео работы робота, с датчиком, кнопкой и всем остальным, работающим должным образом. Мы также проверили робота на сотрясение, чтобы убедиться, что он стабилен и проводка исправна.

Шаг 9: Заключение

Этот проект дал нам хороший опыт работы с такими проектами. Тем не менее, этот робот может быть модифицирован и иметь некоторые дополнительные преимущества, такие как обнаружение объекта для обнаружения лимона или, возможно, третья степень свободы, чтобы он мог перемещаться между деревьями. Кроме того, мы можем сделать его управляемым с помощью мобильного приложения или клавиатуры, чтобы перемещать его по своему усмотрению. Мы надеемся, что вам понравился наш проект, и выражаем особую благодарность кураторам Fablab за помощь.