Шнековая сортировочная машина: 7 шагов (с изображениями)

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:52

Однажды в лаборатории (FabLab Moscow) я увидел, как мой коллега занимается сортировкой полной коробки с винтами, гайками, кольцами и другим оборудованием. Остановившись рядом с ним, я посмотрел на секунду и сказал: «Это была бы идеальная работа для машины». После беглого просмотра в Google я увидел, что уже существуют разные гениальные механические системы, но они не могут решить нашу проблему, потому что в нашем ящике находится большое количество деталей. Сделать что-то чисто механическое было бы довольно сложно. Другая веская причина перейти на более «роботизированную» систему заключалась в том, что для этого потребовались бы все технические области, которые я люблю: машинное зрение, роботизированные руки и электромеханические приводы!

Эта машина подбирает винты и складывает их в разные ящики. Он состоит из роботизированной руки, которая управляет электромагнитом, полупрозрачного рабочего стола над фонарями и камеры наверху. После завинчивания нескольких винтов и гаек на рабочем столе включается свет и делается снимок. Алгоритм определяет формы деталей и возвращает их положения. Наконец, рычаг с электромагнитом помещает детали по одной в нужные ящики.

Этот проект все еще находится в разработке, но теперь я получаю достойные результаты, которыми хочу поделиться с вами.

Шаг 1. Инструменты и материалы

Инструменты

• Лазерный резак
• Угловая шлифовальная машина
• Ножовка
• Отвертка
• Зажимы (чем больше, тем лучше)
• Пистолет для горячего клея

Материал

• Фанера 3мм (1 м2)
• Фанера 6мм (300 х 200 мм)
• Белый полупрозрачный пластик 4мм (500 х 250 мм)
• Компьютер (пытаюсь перейти на raspberry pi)
• Веб-камера (Logitech HD T20p, у всех должно работать)
• Arduino с 4 выходами PWM / аналоговой записи (три сервопривода и катушка электромагнита) (я использую ProTrinket 5V)
• Макетная доска
• Электронный провод (2 м)
• Коммутационный транзистор (любой транзистор, который может управлять катушкой 2 Вт) (у меня S8050)
• Диод (лучше Шоттки)
• 2 резистора (100 Ом, 330 Ом)
• Блок питания 5В, 2А
• Сервомикро (ширина 13, длина 29 мм)
• 2 стандартных сервопривода (ширина 20, длина 38 мм)
• Клей для дерева
• 4 металлических уголка с винтами (опционально)
• Деревянный прут (30 х 20 х 2400)
• Горячий клей
• Эмалированный медный провод (0,2, диаметр 0,3 мм, 5 м) (старый трансформатор?)
• Мягкое железо (16 x 25 x 4 мм)
• 3 лампочки с цоколем
• Соединительная планка (230 В, 6 элементов)
• Электропровод с розеткой (230В) (2 м)
• Подшипник 625ZZ (внутренний диаметр 5 мм, внешний диаметр 16 мм, высота 5 мм)
• Подшипник 608ZZ (внутренний диаметр 8 мм, внешний диаметр 22 мм, высота 7 мм)
• Подшипник rb-lyn-317 (внутренний диаметр 3 мм, внешний диаметр 8 мм, высота 4 мм)
• Ремень ГРМ GT2 (шаг 2 мм, ширина 6 мм, 650 мм)
• Винт M5 x 35
• Винт M8 x 40
• 8 винтов M3 x 15
• 4 винта M4 x 60
• 6 шурупов 2 x 8 мм
• Винт M3 x 10
• Модуль релейной платы (напрямую управляемый контроллером)

Шаг 2: сделайте световой короб

Световой короб состоит из четырех основных частей и нескольких скоб. Загрузите эти детали и склейте их, кроме полупрозрачного пластика. Я начал с деревянного полудиска и изогнутой стены. Во время высыхания стены вокруг диска нужно плотно прилегать. Я использовал зажимы, чтобы закрепить половину диска и изогнутую основу стены. Затем скотч удерживает стену вокруг полудиска. Во-вторых, я приклеил обод, чтобы выдержать полупрозрачный рабочий стол. Наконец, к плоской стене добавляются деревянные (внутри) и металлические (снаружи) правые края.

Как только коробка будет завершена, вам просто нужно добавить лампочки и соединить провод и розетку с соединительной полосой. Отрежьте провод 230 В в удобном для вас месте и вставьте релейный модуль. Я поместил реле (230 В!) В деревянный ящик из соображений безопасности.

Шаг 3: сделайте руку робота

Скачайте детали и вырежьте их. Чтобы закрепить ремень на серводвигателе, я использовал скрепки. Я прибил два ремня к сервомотору и добавил немного клея, чтобы убедиться, что ничего не двигается.

Для линейного вертикального направления плунжер необходимо отшлифовать, чтобы избежать его засорения. Он должен плавно скользить. После сборки высоту можно отрегулировать, отрезав направляющую до нужной длины. Тем не менее, держите его как можно дольше, чтобы предотвратить смещение центра тяжести. Плунжер просто приклеивается к коробке рычага.

Подшипники заключены внутри шкивов. Один шкив изготовлен из двух слоев фанеры. Эти два слоя не обязательно соприкасаются друг с другом, поэтому вместо того, чтобы склеивать их вместе, приклейте их к соответствующей пластине руки. Пластины верхнего и нижнего рычага удерживаются четырьмя винтами и гайками M3 x 15. Первая ось (большая) - это просто винт M8 x 40, а вторая (маленькая) - винт M5 x 35. Используйте гайки в качестве распорок и фиксаторов для деталей рычага.

Шаг 4: сделайте электромагнит

Электромагнит - это просто сердечник из мягкого железа с эмалированной медной проволокой вокруг него. Сердечник из мягкого железа направляет магнитное поле в желаемое место. Ток в эмалированном медном проводе создает это магнитное поле (оно пропорционально). Кроме того, чем больше витков вы сделаете, тем больше у вас будет магнитного поля. Я сконструировал U-образный утюг, чтобы сконцентрировать магнитное поле возле захваченных винтов и увеличить силу схватывания.

Вырежьте U-образную форму из мягкого железа (высота: 25 мм, ширина: 15 мм, поперечное сечение железа: 5 x 4 мм). Очень важно удалить острые края перед тем, как наматывать проволоку на П-образный утюг. Будьте осторожны, чтобы сохранить то же направление вращения (особенно, когда вы прыгаете на другую сторону, вам нужно изменить направление вращения с вашей точки зрения, но вы сохраняете то же направление с точки зрения U-образного железа) (https://en.wikipedia.org/wiki/Right-hand_rule) Перед тем, как подключить катушку к цепи, проверьте сопротивление катушки мультиметром и рассчитайте ток по закону Ома (U = RI). У меня на катушке больше 200 витков. Я предлагаю вам наматывать до тех пор, пока у вас не останется только 2 мм внутри U-образной формы.

Изготовлен деревянный держатель, а П-образный утюг закреплен горячим клеем. Две прорези позволяют закрепить проволоку на обоих концах. Наконец, к деревянному держателю прибиваются два штифта. Они образуют соединение между эмалированным медным проводом и электронным проводом. Чтобы предотвратить повреждение катушки, я нанес слой горячего клея по всей ее поверхности. На последнем снимке вы можете увидеть деревянную деталь, которая закрывает П-образный утюг. Его функция - предотвратить застревание винтов внутри U-образного утюга.

Эмалированный медный провод был снят с неисправного трансформатора. Если вы это сделаете, убедитесь, что провод не оборван и не имеет коротких замыканий в используемой части. Снимите ленту с ферромагнитного сердечника. Резаком отделите один за другим все ломтики железа. Затем снимите ленту на катушке и, наконец, размотайте эмалированную медную проволоку. Использована вторичная обмотка (катушка большого диаметра) (вход трансформатора 230В, выход 5В-1А).

Шаг 5: Сделайте схему

На макетной плате я построил схему выше. Биполярный транзистор (S8050) был использован для переключения катушки электромагнита. Убедитесь, что ваш транзистор может выдерживать ток, рассчитанный на предыдущем шаге. MOSFET, вероятно, более подходит в этой ситуации, но я взял то, что было у меня под рукой (и мне нужно было низкое сопротивление во включенном состоянии). Отрегулируйте два резистора на свой транзистор.

На схеме выше значки VCC и GND подключены к + и - моего источника питания. Серводвигатели имеют три провода: сигнал, VCC и GND. К контроллеру подключается только сигнальный провод, остальные подключаются к источнику питания. Контроллер питается от кабеля программатора.

Шаг 6: Код

И последнее, но не менее важное: код. Вы найдете его здесь:

Есть одна программа для контроллера (типа Arduino) и другая, которая работает на компьютере (надеюсь, скоро на Raspberry). Код на контроллере отвечает за планирование траектории, а код на компьютере выполняет обработку изображения и отправляет полученное положение контроллеру. Обработка изображений основана на OpenCV.

Компьютерная программа

Программа делает снимок с помощью веб-камеры и источников света, определяет полупрозрачный центр и радиус рабочего стола и корректирует возможное вращение изображения. По этим значениям программа рассчитывает положение робота (мы знаем положение робота по табличке). Программа использует функцию детектора капель OpenCV для обнаружения винтов и болтов. Различные типы капель фильтруются по доступным параметрам (площадь, цвет, округлость, выпуклость, инерция), чтобы выбрать нужный компонент. Результатом детектора blob является положение (в пикселях) выбранных blob. Затем функция преобразует эти положения пикселей в положения в миллиметрах в системе координат рычага (ортогональные). Другая функция вычисляет требуемое положение каждого соединения рычагов, чтобы электромагнит находился в желаемом положении. Результат состоит из трех углов, которые, наконец, отправляются контроллеру.

Программа контроллера

Эта программа получает углы соединения и перемещает части руки, чтобы достичь этих углов. Сначала он вычисляет максимальную скорость каждого соединения, чтобы выполнить перемещение в течение того же интервала времени. Затем он проверяет, были ли когда-либо достигнуты эти максимальные скорости, в этом случае движение будет происходить по трем фазам: ускорение, постоянная скорость и замедление. Если максимальная скорость не будет достигнута, движение будет происходить только в две фазы: ускорение и замедление. Также вычисляются моменты, в которые он должен перейти из одной фазы в другую. Наконец, движение выполняется: через равные промежутки времени вычисляются и отправляются новые фактические углы. Если пора переходить к фазе вложения, выполнение переходит к следующей фазе.

Шаг 7: Последние штрихи

Рама

Добавлена рамка для камеры. Я решил сделать его из дерева, потому что он дешев, с ним легко работать, его легко найти, он экологически безопасен, приятен в форме и остается в том стиле, с которого я начал. Сделайте тест изображения с помощью камеры, чтобы решить, какая высота вам нужна. Также не забудьте сделать его жестким и фиксированным, потому что я заметил, что полученное положение очень чувствительно к любым движениям камеры (по крайней мере, до того, как я добавил функцию автоматического определения рабочего стола). Камера должна располагаться по центру рабочего стола и, в моем случае, на расстоянии 520 мм от прозрачной белой поверхности.

Коробки

Как видно на картинке, передвижные ящики для хранения находятся на плоской части рабочего стола. Вы можете сделать столько коробок, сколько нужно, но с моими фактическими настройками пространство довольно ограничено. Тем не менее, у меня есть идеи по улучшению этого пункта (ср. Будущие улучшения).

Будущие улучшения

• На данный момент ремень ГРМ закрыт деревянной деталью, но это решение ограничивает зону, до которой может дотянуться рычаг. Мне нужно добавить больше места между большим сервоприводом и осью рычага или сделать систему закрытия меньшего размера.
• Ящики расположены вдоль плоского края рабочего стола, если я положу его на край полукруга, у меня будет гораздо больше места для добавления ящиков и сортировки многих типов компонентов.
• Теперь фильтра обнаружения blob достаточно для сортировки частей, но, поскольку я хочу увеличить количество ящиков, мне понадобится увеличение селективности. По этой причине я попробую разные методы распознавания.
• Теперь серводвигатели, которые я использую, не имеют достаточного диапазона, чтобы охватить весь рабочий стол половинного диска. Мне нужно поменять сервоприводы или изменить коэффициент понижения между разными шкивами.
• Некоторые проблемы возникают довольно часто, поэтому приоритетом является повышение надежности. Для этого мне нужно классифицировать типы проблем и сосредоточиться на наиболее вероятных. Это уже то, что я сделал с небольшим куском дерева, который закрывает U-образный утюг и алгоритм центра автоопределения, но теперь проблемы становятся более сложными для решения.
• Сделайте печатную плату для контроллера и электронной схемы.
• Перенесите код на Raspberry pi, чтобы получить автономную станцию

Вторая премия в конкурсе организаций