Роботизированная рука Moslty, напечатанная на 3D-принтере, имитирующая марионеточный контроллер: 11 шагов (с изображениями)

2025 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2025-01-23 15:04

Я студент машиностроения из Индии, и это мой проект на степень бакалавра.

Этот проект направлен на разработку недорогой роботизированной руки, которая в основном напечатана на 3D-принтере и имеет 5 степеней свободы с захватом с двумя пальцами. Роботизированная рука управляется марионеточным контроллером, который представляет собой настольную модель роботизированной руки с такими же степенями свободы, суставы которой оснащены датчиками. При ручном манипулировании контроллером роботизированная рука имитирует движение в режиме ведущий-ведомый. Система использует модуль Wi-Fi ESP8266 в качестве среды передачи данных. Интерфейс оператора ведущий-ведомый обеспечивает простой в освоении метод манипуляции роботизированной рукой. Nodemcu (Esp8266) используется как микроконтроллер.

Целью этого проекта была разработка недорогого робота, который можно было бы использовать в образовательных целях. К сожалению, доступность такой роботизированной технологии, которая революционизирует современный мир, ограничена только некоторыми учреждениями. Мы стремимся разработать и сделать этот проект с открытым исходным кодом, чтобы люди могли создавать, изменять и исследовать его самостоятельно. Благодаря низкой стоимости и полностью открытому исходному коду, это может вдохновить сокурсников изучать и исследовать эту область.

Мои товарищи по проекту:

• Шубхам Лихар
• Нихил Коре
• Палаш Лонаре

Особая благодарность:

• Акаш Нархеде
• Рам Бокаде
• Анкит корде

за помощь в этом проекте.

Отказ от ответственности: я никогда не планировал писать блог или давать инструкции по этому проекту, из-за чего у меня сейчас нет достаточных данных для его документирования. Эти усилия предпринимаются спустя много времени после начала проекта. Тем не менее я очень старался предоставить как можно больше деталей. чтобы сделать его более понятным. вы можете обнаружить, что он не удален в некоторые моменты … надеюсь, вы понимаете:) Я скоро добавлю видео на YouTube, показывающее его работу и другие тестовые материалы

Шаг 1: Итак, как это работает?

Для меня это самое захватывающее в этом проекте.

(Я не утверждаю, что это эффективный или правильный метод использования в коммерческих целях. Это только в образовательных целях)

Возможно, вы видели дешевых роботов с сервомоторами, которые предназначены только для демонстрации. С другой стороны, есть дорогие роботы с шаговыми двигателями с планетарной коробкой передач и т. д., но этот робот - баланс между ними.

так чем это по-другому?

Строительство:

Вместо использования более дешевого шагового двигателя меньшей мощности я использовал двигатели постоянного тока, но, как мы знаем, двигатели постоянного тока не имеют системы управления с обратной связью и не могут использоваться напрямую для управления положением. Я включил их в серводвигатели, добавив потенциометр в качестве датчика обратной связи / положения.

Теперь, для упрощения работы, я разобрал дешевые сервоприводы 9g, вырезал из его схемы и заменил его двигатель постоянного тока на двигатель постоянного тока с высоким крутящим моментом, а его небольшой горшок - на то, что у меня было для робота. Это позволило мне использовать библиотеку по умолчанию в arduino, вы не можете поверить, что кодирование упрощено!

Для управления двигателем 12 В постоянного тока с серво микросхемой 5 В я использовал модуль драйвера двигателя L298N, который может управлять двумя двигателями одновременно. Модуль имеет 4 входных контакта IN1 - IN4, которые определяют направление вращения двигателя. Где IN1 и IN2 соответствуют 1-му двигателю, а IN3, IN4 ко 2-му двигателю. Следовательно, выходные клеммы (2) серво микросхемы (первоначально для небольшого двигателя постоянного тока) подключены к IN1 и IN2 модуля L298N, выход которого подключен к двигателю 12 В постоянного тока.

Работающий:

Таким образом, когда вал двигателя не находится в заданном положении, потенциометр посылает значение угла серво микросхеме, которая дает команду модулю L298N управлять либо по часовой, либо против часовой стрелки, по очереди, двигатель 12 В постоянного тока вращается в соответствии с командой, полученной от микроконтроллера.

Схема представлена на рисунке (только для 1 двигателя)

В НАШЕМ СЛУЧАЕ КОМАНДА (СОВМЕСТНЫЕ УГЛОВЫЕ ЗНАЧЕНИЯ) ОТПРАВЛЯЕТСЯ ЧЕРЕЗ КОНТРОЛЛЕР КУКЛЫ, КОТОРЫЙ ПРЕДНАЗНАЧЕН В 10 РАЗ МАСШТАБИРОВАННОЙ КОПИИ ФАКТИЧЕСКОГО РОБОТА И К КАЖДОМУ СОЕДИНЕНИЮ ПОДКЛЮЧЕН ПОТЕНЦИОМЕТР. РОБОТНОЕ СОЕДИНЕНИЕ, КОТОРОЕ КАЖДЫЙ СОЕДИНИТЕЛЬНЫЙ МОТОР ПЫТАЕТСЯ ЗАНИМАТЬСЯ

На каждом шарнире потенциометр соединен с валом шарнира через механизм ременного шкива. Когда шарнир вращается, потенциометр вращается соответственно и дает обратную связь о текущем положении угла шарнира (показано на рисунках выше)

Шаг 2: Используемые компоненты:

Как я уже сказал, я все еще работаю и улучшаю его день ото дня, поэтому эти компоненты могут отличаться в некоторых будущих обновлениях.

Моя цель состояла в том, чтобы сделать его как можно более экономичным, поэтому я использовал очень избирательные компоненты. Это список основных компонентов, используемых в Arm до даты (я буду обновлять его в будущем)

1. Esp8266 (2x)
2. Двигатели постоянного тока (с различными характеристиками, крутящий момент и скорость, 5x)
3. Модуль драйвера двигателя L298N (2x)
4. Потенциометр (8x)
5. Швеллер алюминиевый (30х30, 1 метр)
6. разное оборудование

Шаг 3: расчеты и конструкция рычага

Для проектирования рычага я использовал программное обеспечение CATIA v5. Перед началом процесса проектирования первым делом нужно было рассчитать длину звеньев и крутящий момент, который должен выдерживать каждый сустав.

Сначала я начал с некоторых предположений, которые включают:

1. Максимальная полезная нагрузка для робота составит 500 г (1,1 фунта).
2. общий вылет робота составит 500 мм.
3. Вес робота не превышает 3 кг.

Расчет длины ссылки

Продолжая это делать, я рассчитал длину звена со ссылкой на исследовательскую работу «Дизайн робота-манипулятора И. М. Х. ван Хаареном».

I. M. H. Ван Хаарен привел отличный пример того, как он определил длину звеньев, используя биологический эталон, в котором длина основных сегментов тела выражена в виде доли от общей высоты. Это показано на рис.

после расчетов длины звеньев оказались

L1 = 274 мм

L2 = 215 мм

L3 = 160 мм

Длина захвата = 150 мм

Расчет крутящего момента:

Для расчета крутящего момента я использовал основные понятия турбонаддува и моментов, применяемые в технике.

Не вдаваясь в динамические расчеты, я опирался только на расчеты статического крутящего момента из-за некоторых ограничений.

есть 2 основных фактора, влияющих на крутящий момент, поскольку T = FxR, то есть в нашем случае нагрузка (масса) и длина звена. Поскольку длины звеньев уже определены, следующим шагом является определение веса компонентов. На этом этапе я не был уверен, как я могу найти вес каждого компонента без его фактического измерения.

Итак, я сделал эти вычисления итерациями.

1. Я принял алюминиевый канал как однородный материал по всей его длине и разделил общий вес 1 метра на длину частей, которые я собирался использовать.
2. Что касается суставов, я принял определенные значения для каждого сустава (вес двигателя + вес детали, напечатанной на 3D-принтере + другое), исходя из предположения об общем весе робота.
3. предыдущие 2 шага дали мне значения крутящего момента шарниров 1-й итерации. Для этих значений я нашел подходящие двигатели в Интернете вместе с другими характеристиками и массами.
4. Во 2-й итерации я использовал исходные веса двигателей (которые я узнал на 3-м шаге) и снова рассчитал статические крутящие моменты для каждого сустава.
5. Если окончательные значения крутящего момента на шаге 4 подходят для двигателей, выбранных на шаге 3, я завершил этот двигатель, в противном случае повторяйте шаги 3 и 4 до тех пор, пока сформулированные значения не будут соответствовать фактическим характеристикам двигателя.

Конструкция руки:

Это была самая утомительная задача во всем этом проекте, и на ее проектирование ушел почти месяц. Кстати, я приложил фотографии модели САПР. Я оставлю ссылку для загрузки этих файлов САПР где-нибудь здесь:

Шаг 4: 3D-печать деталей

Все детали, в основном, стыки, напечатаны на 3D-принтере за 99 $ с областью печати 100x100x100 мм (да, это правда !!)

принтер: Easy резьбовой X1

Я включил фотографии основных частей из слайсера, и я буду ссылаться на все файлы файлов CAD CAD, а также на stl, чтобы вы могли загружать и редактировать по своему усмотрению.

Шаг 5: Сборка плечевого шарнира (соединение J1 и J2)

Базовый шкив был напечатан на другом принтере, так как он имел диаметр 160 мм. Я спроектировал плечевой шарнир таким образом, чтобы он мог приводиться в движение (вращение вокруг оси Z) либо ременным шкивом, либо механизмом шестерни, который вы можете видеть на прилагаемых рисунках. вверху. нижняя часть - это место, где устанавливаются подшипники, которые затем устанавливаются на центральном валу на платформу, которая предназначена для перемещения рычага (резервуар, в будущем).

Большая шестерня (желтая на картинке) крепится к алюминиевому каналу с помощью болтов с гайкой, через которые проходит 8-миллиметровый стальной вал, по которому перемещается шарнир 2. Передаточное отношение 1-го шарнира составляет 4: 1, а передаточное число 2-го шарнира - 3,4: 1.

Шаг 6: Локоть и сустав (сустав J3)

(НЕКОТОРЫЕ ИЗОБРАЖЕНИЯ ДЕЛАЮТСЯ ПОСЛЕ СОЗДАНИЯ, ТАК КАК У МЕНЯ НЕТ ЗАВЕРШЕННЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ ПРОЦЕССА)

Локтевой сустав является одним из следующих за плечевым суставом и состоит из двух частей, одно соединено для соединения одного, а другое - для соединения 2.

деталь 1 имеет двигатель постоянного тока с ведущей шестерней, а деталь 2 имеет большую шестерню, прикрепленную к ней, и пару подшипников для поддержки вала. Передаточное число такое же, как у J2, то есть 3,4: 1, но двигатель составляет 12,5 кг-CM 60 об / мин.

Шарнир J3 имеет диапазон движения 160 градусов.

Шаг 7: запястье (сустав J4 и J5)

(НЕКОТОРЫЕ ИЗОБРАЖЕНИЯ ДЕЛАЮТСЯ ПОСЛЕ СОЗДАНИЯ, ТАК КАК У МЕНЯ НЕТ ЗАВЕРШЕННЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ ПРОЦЕССА)

После локтевого сустава находится запястье. Он снова состоит из 2 частей, одна на предыдущем звене (т. Е. Звено 2), а другая состоит из мотора J5, который вращает узел запястья. Передаточное отношение составляет 1,5: 1, а используемый двигатель постоянного тока - 10 об / мин 8 кг. -СМ.

Этот шарнир J4 имеет диапазон поворота 90 градусов, а J5 - 360 градусов.

Шаг 8: захват

Это была одна из самых сложных задач для разработки: он был разработан таким образом, чтобы он мог захватывать большинство объектов, а также мог захватывать большую часть вещей вокруг нас, таких как дверные защелки, ручки, стержни и т. Д.

Как показано на рисунке, косозубая шестерня прикреплена к моторным приводам к шестерням по часовой или против часовой стрелки, которые соединены с пальцами, чтобы открывать и закрывать их.

Все части захвата показаны на прилагаемом изображении.

Шаг 9: Создание марионеточного контроллера для роботизированной руки

Марионеточный контроллер представляет собой уменьшенную в 10 раз версию настоящей роботизированной руки. Он имеет 4 потенциометра, установленных на 4 шарнирах, а именно J1, J2, J3, J4 и шарнир J5, который управляется кнопкой для непрерывного вращения (вращение захвата для любого операция)

потенциометры определяют угол поворота суставов и отправляют это значение от 1 до 1023 в Nodemcu, которое преобразуется обратно в 1-360 и отправляется другому Nodemcu по Wi-Fi. Поскольку ESP8266 имеет только один аналоговый вход, я использовал мультиплексор 4051.

руководство по использованию мультиплексора 4051 с esp8266 -

принципиальная схема:

Я добавлю схему, как только закончу (если кому-то нужно срочно, свяжитесь со мной до тех пор)

Код: (также включен сюда)

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

Шаг 10: Электроника

Прилагаю фотографии текущей работы. Полная электроника и принципиальная схема еще не закончены. Скоро буду публиковать обновления, а пока оставайтесь на связи:)

(Примечание: этот проект еще не завершен, я буду следить за любыми обновлениями в будущем)

Шаг 11: коды и схемы в одном месте

Я сделаю полную схему робота и окончательный код, как только закончу!