Дай пять! - Роботизированная рука: 5 шагов

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:51

Однажды на уроке «Принципы инженерии» мы решили сконструировать составные машины из деталей VEX. Когда мы начали создавать механизмы, нам было трудно управлять несколькими сложными компонентами, которые необходимо было собрать вместе. Если бы только кто-то мог нам помочь …

Вот почему мы, трое учеников средней школы Ирвингтона в классе мисс Бербави, решили спроектировать и построить роботизированную руку с нуля! С финансовой оценкой в 150 долларов для этого S. I. D. E. Project, мы смогли приобрести все необходимые материалы, не выходя из бюджета. Готовый продукт состоит из Arduino Mega, сервомикроконтроллера, который управляет 5 сервоприводами, каждый из которых подключен к отпечатанному на 3D-принтере пальцу, который может двигаться индивидуально с реалистичными суставами.

Это был очень амбициозный проект, учитывая, что все члены команды - старшеклассники с загруженным расписанием младших классов и не имеют предыдущего опыта в полной разработке проекта на основе электроники с нуля. Хотя у членов нашей команды есть предыдущий опыт компьютерного проектирования и программирования, этот проект открыл нам глаза на потенциальное использование аппаратного и программного обеспечения Arduino таким образом, чтобы помочь людям выполнять свои повседневные задачи.

3D моделирование и дизайн Патрика Динга

Документация и кодирование Arduino от Эшвина Натампалли

Кодирование, схемы и инструкции Arduino от Сандеша Шреста

Шаг 1: CADing

Первый и самый сложный шаг к этому проекту - создание трехмерных моделей руки с помощью пальцев. Для этого используйте Autodesk Inventor или Autodesk Fusion 360 (мы использовали первый).

Используйте файлы деталей для создания отдельных CAD-файлов для ладони, сегментов пальцев, кончиков пальцев и сегмента мизинца. Это потребовало 2-3 доработок каждой детали, чтобы работа шарниров и сервоприводов была плавной.

Конструкция может быть любого размера и формы, если путь струны обеспечивает плавное управление пальцами и пальцы не сталкиваются друг с другом. Также убедитесь, что пальцы могут полностью сжаться для сжатого кулака.

Чтобы решить проблему интерференции струн и неэффективных путей, как мы обнаружили в нашей первой версии, были добавлены петли, направляющие струны и туннели, чтобы струну можно было легко тянуть и ослаблять.

Вот наши окончательные мультиобзоры и файлы САПР.stl для каждой детали.

Шаг 2: 3D-печать

После завершения САПР используйте 3D-принтер, чтобы оживить их. Этот этап можно повторять несколько раз, если в создаваемом вами дизайне есть какие-то проблемы.

Для 3D-печати сначала экспортируйте файлы САПР как файлы STL. Для этого в Autodesk Inventor щелкните раскрывающееся меню «Файл» и наведите указатель мыши на «Экспорт». Во всплывающем столбце выберите Формат САПР. Меню проводника Windows позволит вам выбрать файл.stl из раскрывающегося меню и указать место для файла.

Когда файл будет готов для импорта в программное обеспечение 3D-принтера, настройте параметры печати по своему вкусу или следуйте нашей конфигурации. Программное обеспечение для 3D-принтеров варьируется от бренда к бренду, поэтому обратитесь к онлайн-руководствам или руководствам, чтобы ориентироваться в их программном обеспечении. Для нашей руки мы использовали LulzBot Mini из-за его доступности в нашем классе.

Шаг 3: Сборка

После того, как все детали будут успешно напечатаны на 3D-принтере с удаленными планками и опорами (если применимо), каждая деталь должна быть подготовлена для начала сборки.

Поскольку 3D-принтеры не очень точны и могут возникать небольшие дефекты, используйте напильник, наждачную бумагу или дремель с шлифовальной насадкой, чтобы сгладить определенные грани. Для максимально гладкой работы суставов сосредоточьтесь на стыках и точках пересечения, чтобы сгладить их для оптимального соединения. Иногда струнные туннели в сегментах пальцев и других частях могут прогибаться или быть несовершенными. Чтобы избежать серьезных несоответствий, используйте сверло с сверлом 3/16 дюйма для просверливания туннелей.

Для простейшей прокладки струны соберите каждый палец, пропустите струну через туннели и привяжите ее к концам. Перед тем, как соединить каждый палец с ладонью, пропустите струну через направляющие петли, одну через верхнее отверстие и одну через нижнюю часть ладони, и прикрепите ее к противоположным концам катушек сервопривода. Как только длина будет правильной, соедините пальцы с ладонью.

Как показано на рисунке выше, вставьте винты m4x16 в каждое соединение, чтобы скрепить пальцы. Повторите процесс построения каждого пальца для всех пальцев, используя сегменты мизинца для мизинца.

Шаг 4: Схема Arduino

Когда скелет собран, теперь необходимо объединить мышцы и мозг. Чтобы запустить все сервоприводы одновременно, мы должны использовать контроллер двигателя PCA 9685 от Adafruit. Этот контроллер требует внешнего источника питания для питания сервоприводов. Использование этого контроллера и его проприетарную библиотеку кодирования можно найти здесь.

При подключении Arduino к контроллеру убедитесь, что вы записываете выводы контактов. При использовании Arduino Mega в этом нет необходимости. Однако во всех случаях убедитесь, что вы записали, какие порты на контроллере мотора установлены на сервоприводах.

Чтобы управлять сервоприводами и рукой с помощью ИК-пульта, просто добавьте ИК-приемник и подключите питание и заземление к Arduino с помощью провода передачи данных к цифровым портам. Проверьте распиновку вашего ИК-приемника, чтобы убедиться, что проводка правильная. Показан пример нашей схемы.

Чтобы создать эту схему, сначала подключите каждый сервопривод к портам 3, 7, 11, 13 и 15 на плате контроллера серводвигателя. Прикрепите всю плату пятью штырями снизу к макетной плате.

Используя соединительные кабели, подключите питание 5 В и землю Arduino к одной шине питания на макете (обязательно пометьте или запомните, на какой стороне 5 В от Arduino!). Это будет питать ИК-датчик и контроллер мотора. Подключите блок питания 6 В к другой шине питания. Это приведет в действие сервоприводы.

Поместите все 3 контакта ИК-датчика в макетную плату. Подключите питание и землю к шине 5 В, а выход - к цифровому контакту 7.

Поскольку мы используем Arduino Mega, порты SDA и SCL на контроллере мотора будут связаны с портами SDA и SCL на Arduino. Порты VCC и заземления будут подключены к шине 5 В.

Подключив аккумуляторную батарею к собственной шине питания, используйте соединительные кабели и небольшую отвертку с плоской головкой, чтобы подать питание на серводвигатели через зеленый входной коллектор.

Убедитесь, что все соединения надежны, и перепроверьте все кабельные линии с подключенной схемой TinkerCAD.

Шаг 5: кодирование

Последний шаг перед тем, как эту руку можно будет использовать, - это кодирование Arduino. Поскольку в этой руке используется контроллер мотора PCA 9685, нам сначала нужно установить библиотеку, что можно сделать в среде кодирования Arduino. После установки также установите библиотеку IRremote для функциональности IR Remote.

В нашем коде определения каждой кнопки на ИК-пульте дистанционного управления показаны 8-значными кодами. Они были обнаружены с помощью программы IRRecord, которая выводит на Serial Monitor 8-значный код каждой кнопки.

Прилагается программа IRRecord и доработанная программа ручного управления.

В начале кода включите библиотеки IRremote, Wire и Adafruit_PWMServoDriver.

После этого используйте результаты IRRecord для определения каждой кнопки ИК-пульта дистанционного управления. Хотя все не обязательно (нужно только 10), наличие всего позволяет быстро расширяться (добавлять функции и предустановленные жесты) в будущем. Создайте ШИМ с помощью функции сервопривода и назначьте сервоприводы контактам на контроллере мотора. Используйте те же значения SERVOMAX / MIN, как показано. Назначьте цифровой входной контакт ИК-датчика как 7 и выполните инициализацию.

Объявите функцию настройки с инициализацией последовательного порта со скоростью передачи 9600 бод. Включите ИК-датчик и запустите сервопривод с частотой сервопривода 60 Гц.

Наконец, создайте переключатель if / else на основе входящей передачи ИК-пульта дистанционного управления в функции цикла. Затем создайте переключатель / корпус с корпусами каждой кнопки на ИК-пульте дистанционного управления, который будет использоваться. Их можно изменить в соответствии с вашими предпочтениями. Для каждого случая распечатайте нажатую кнопку на последовательном мониторе для отладки и используйте цикл for для перемещения сервопривода. После создания всех случаев обязательно возобновите работу ИК-датчика для большего количества входящих сигналов, прежде чем закрывать функцию петли. Кодирование сервоприводов через плату контроллера мотора можно найти на