Braccio robotico con pinza: 9 passaggi (con immagini)

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 09:59

La raccolta dei limoni è considerata un duro lavoro, a causa delle grandi dimensioni degli alberi e anche per i climi caldi delle regioni in cui sono piantati i limoni. Ecco perché abbiamo bisogno di qualcos'altro per aiutare i lavoratori agricoli a completare più facilmente il loro lavoro. Quindi, abbiamo avuto un'idea per facilitare il loro lavoro, un braccio robotico con pinza che raccoglie il limone dall'albero. Il braccio è lungo circa 50 cm. Il principio di funzionamento è semplice: diamo una posizione al robot, poi andrà nel posto giusto, e se c'è un limone, la sua pinza taglierà il peduncolo e allo stesso tempo afferrerà il limone. Quindi, il limone verrà rilasciato a terra e il robot tornerà nella posizione iniziale. All'inizio, il progetto potrebbe sembrare complesso e difficile da realizzare. Tuttavia, non è così complesso, ma ha richiesto molto duro lavoro e una buona pianificazione. Ha solo bisogno di essere costruita una cosa sopra l'altra. All'inizio, abbiamo dovuto affrontare alcuni problemi dovuti alla situazione covid-19 e al lavoro da remoto, ma poi ce l'abbiamo fatta, ed è stato fantastico.

Questo Instructable mira a guidarti attraverso il processo di creazione di un braccio robotico con un grabber. Il progetto è stato progettato e ingegnerizzato come parte del nostro progetto Bruface Mechatronics; il lavoro è stato svolto in Fablab Bruxelles da:

-Hussein Moslimani

-Inès Castillo Fernandez

-Jayesh Jagadesh Deshmukhe

-Raphaël Boitte

Passaggio 1: competenze richieste

Quindi, ecco alcune abilità che devi avere per realizzare questo progetto:

-Nozioni di base di elettronica

- Conoscenza di base dei microcontrollori.

-Codifica in linguaggio C (Arduino).

-Utilizzare software CAD, come SolidWorks o AutoCAD.

-taglio laser

-Stampa 3D

Dovresti anche avere pazienza e una generosa quantità di tempo libero, inoltre ti consigliamo di lavorare in squadra come abbiamo fatto noi, tutto sarà più facile.

Passaggio 2: progettazione CAD

Dopo aver provato diversi campioni, abbiamo finalmente deciso di progettare il robot come mostrato nelle figure, il braccio è a 2 gradi di libertà. I motori sono collegati all'albero di ciascun braccio tramite pulegge e cinghie. Ci sono molti vantaggi nell'usare le pulegge, uno dei più importanti è aumentare la coppia. La prima puleggia del primo braccio ha un rapporto di trasmissione di 2 e la seconda ha un rapporto di trasmissione di 1,5.

La parte difficile del progetto è stato il tempo limitato al Fablab. Quindi, la maggior parte dei progetti sono stati adattati per essere parti tagliate al laser e solo alcune parti di collegamento sono state stampate in 3D. Qui puoi trovare il progetto CAD allegato.

Passaggio 3: elenco dei componenti utilizzati

Ecco i componenti che abbiamo utilizzato nel nostro progetto:

I) Componenti elettronici:

-Arduino Uno: Questa è una scheda microcontrollore con 14 pin di ingresso/uscita digitali (di cui 6 possono essere utilizzati come uscite PWM), 6 ingressi analogici, un cristallo di quarzo da 16 MHz, una connessione USB, un jack di alimentazione, un header ICSP, e un pulsante di ripristino. Abbiamo utilizzato questo tipo di microcontrollore poiché è facile da usare e può svolgere il lavoro richiesto.

-Two big servo motor (MG996R): è un servomeccanismo ad anello chiuso che utilizza il feedback di posizione per controllare il suo movimento e la posizione finale. Serve per ruotare le braccia Ha una buona coppia, fino a 11kg/cm, e grazie alla riduzione della coppia operata dalle pulegge e dalla cinghia possiamo raggiungere una coppia maggiore che è più che sufficiente per trattenere le braccia. E il fatto che non abbiamo bisogno di più di 180 gradi di rotazioni, questo motore è molto buono da usare.

-Un servo piccolo (E3003): è un servomeccanismo ad anello chiuso che utilizza il feedback di posizione per controllare il movimento e la posizione finale. Questo motore serve per comandare la pinza, ha una coppia di 2,5 kg/cm, e serve per tagliare e afferrare il limone.

-Alimentazione DC: questo tipo di alimentazione era disponibile presso il fablab, e poiché il nostro motore non si muove a terra, quindi l'alimentazione non deve essere attaccata l'una all'altra. Il vantaggio principale di questo alimentatore è che possiamo regolare la tensione e la corrente in uscita a nostro piacimento, quindi non c'è bisogno di un regolatore di tensione. Se questo tipo di alimentatori non è disponibile, ma è costoso. Un'alternativa economica a questo sarebbe utilizzare un portabatteria 8xAA, accoppiato con un regolatore di tensione come 'MF-6402402' che è un convertitore da cc a cc, per ottenere la tensione necessaria. Il loro prezzo è indicato anche nell'elenco dei componenti.

-Breadboard: Tavola di plastica utilizzata per contenere componenti elettronici. Inoltre, per collegare l'elettronica all'alimentazione.

-Wires: Utilizzato per collegare i componenti elettronici alla breadboard.

-Pulsante: viene utilizzato come pulsante di avvio, quindi quando lo premiamo il robot funziona.

-Sensore ad ultrasuoni: Utilizzato per misurare la distanza, genera suoni ad alta frequenza e calcola l'intervallo di tempo tra l'invio del segnale e la ricezione dell'eco. Serve per rilevare se il limone è stato trattenuto dalla pinza o se scivola.

II) Altri componenti:

-Plastica per la stampa 3D

-3mm fogli di legno per il taglio laser

-Albero metallico

-Lame

-Materiale morbido: è incollato su entrambi i lati della pinza, quindi la pinza comprime il ramo di limone mentre lo taglia.

-Viti

-Cinghia per collegare pulegge, cinghia standard 365 T5

-8mm cuscinetti circolari, il diametro esterno è di 22mm.

Passaggio 4: stampa 3D e taglio laser

Grazie alle macchine per il taglio laser e la stampa 3d presenti al Fablab, costruiamo le parti di cui abbiamo bisogno per il nostro robot.

I- Le parti che abbiamo dovuto tagliare al laser sono:

-Base del robot

-Supporti per il motore del primo braccio

-Supporti del primo braccio

-Piastre dei 2 bracci

-Base della pinza

-Collegamento tra pinza e braccio.

-Due lati della pinza

-Supporti per i cuscinetti, per assicurarsi che non scivolino o si muovano dalla loro posizione, tutti gli accoppiamenti dei cuscinetti sono a due strati 3mm+4mm, poiché lo spessore del cuscinetto era di 7mm.

Nota: avrai bisogno di un piccolo foglio di legno da 4 mm, per alcune piccole parti che devono essere tagliate al laser. Inoltre, nel disegno CAD troverai uno spessore di 6 mm o qualsiasi altro spessore multiplo di 3, quindi hai bisogno di più strati di parti tagliate al laser a 3 mm, cioè se c'è uno spessore di 6 mm, allora hai bisogno di 2 strati 3mm ciascuno.

II- Parti che dovevamo stampare in 3D:

-Le quattro pulegge: servono per collegare ogni motore al braccio che è incaricato di muovere.

-Supporto del motore del secondo braccio

-supporto per il cuscinetto sulla base, che viene fissato sotto la cinghia per esercitare forza su di essa e aumentare la tensione. È collegato al cuscinetto tramite un albero metallico tondo.

-Due piastre rettangolari per la pinza, vengono messe sul materiale morbido per tenere bene il ramo e avere attrito in modo che il ramo non scivoli.

- Albero quadrato con un foro tondo da 8 mm, per collegare le piastre del primo braccio, e il foro era per inserire un albero metallico da 8 mm per rendere l'intero albero robusto e in grado di gestire la coppia totale. Gli alberi metallici tondi sono stati collegati a cuscinetti ed entrambi i lati del braccio per completare la parte rotante.

- Asta di forma esagonale con foro tondo da 8 mm per lo stesso motivo dell'asta quadrata

- Morsetti per sostenere bene le pulegge e le piastre di ogni braccio al loro posto.

Nelle tre figure del CAD si può capire bene come viene assemblato il sistema, e come vengono collegati e supportati gli alberi. Potete vedere come gli alberi quadrati ed esagonali sono collegati al braccio e come sono collegati ai supporti tramite l'albero metallico. L'intero assemblaggio è riportato in queste figure.

Passaggio 5: assemblaggio meccanico

L'assemblaggio dell'intero robot prevede 3 passaggi principali che devono essere spiegati, in primo luogo, assembliamo la base e il primo braccio, poi il secondo braccio al primo e infine la pinza al secondo braccio.

Montaggio della base e del primo braccio:

Innanzitutto, l'utente deve assemblare separatamente le seguenti parti:

-I due lati dei giunti con i cuscinetti all'interno.

-Il supporto del motore con il motore e la piccola puleggia.

-Il supporto simmetrico per la piccola puleggia.

-L'albero quadrato, la grande puleggia, il braccio e le morse.

-Il cuscinetto di”tensione” sostiene la piastra di supporto. Quindi aggiungendo il cuscinetto e l'albero.

Ora, ogni sottoassieme è a posto per essere collegato insieme.

Nota: per essere sicuri di ottenere la tensione della cinghia che vogliamo, la posizione del motore sulla base può essere regolata, abbiamo un foro allungato in modo che la distanza tra le pulegge possa essere aumentata o diminuita e quando controlliamo che il la tensione è buona, fissiamo il motore alla base con bulloni e lo fissiamo bene. Oltre a questo, un cuscinetto è stato fissato sulla base in un punto dove fa una forza sulla cinghia per aumentare la tensione, quindi quando la cinghia si muove il cuscinetto ruota, e nessun problema di attrito.

Assemblaggio del secondo braccio al primo:

Le parti devono essere assemblate separatamente:

-Il braccio destro, con il motore, il suo supporto, la puleggia, e anche con il cuscinetto e le sue parti di supporto. Viene messa anche una vite per fissare la puleggia all'albero come per la sezione precedente.

-Il braccio sinistro con i due cuscinetti e i loro supporti.

-La grande puleggia può essere scorrevole sull'albero esagonale così come sui bracci superiori e sui morsetti progettati per fissarne la posizione.

Quindi abbiamo il secondo braccio pronto per essere posizionato nella sua posizione, il motore del secondo braccio è posizionato sul primo, anche la sua posizione è regolabile per raggiungere la perfetta tensione ed evitare lo slittamento della cinghia, quindi il motore è fissato con cintura in questa posizione.

Montaggio della pinza:

Il montaggio di questa pinza è facile e veloce. Come per l'assemblaggio precedente, le parti possono essere assemblate da sole prima di essere fissate al braccio completo:

-Fissare la ganascia mobile all'albero del motore, con l'aiuto della parte in plastica fornita con il motore.

-Avvitare il motore al supporto.

-Avvitare il supporto del sensore nel supporto della pinza.

-Inserire il sensore nel suo supporto.

-Metti il materiale morbido sulla pinza e fissa la parte stampata in 3D su di essi

La pinza può essere facilmente montata sul secondo braccio, solo una parte tagliata al laser sostiene la base della pinza dal braccio.

La cosa più importante era la messa a punto delle lame sulla parte superiore del braccio e a quale distanza le lame erano fuori dalla pinza, quindi è stato fatto per tentativi ed errori fino a raggiungere il punto più efficiente che possiamo ottenere per le lame dove tagliare e presa deve avvenire quasi allo stesso tempo.

Passaggio 6: collegamento dei componenti elettronici

In questo circuito abbiamo tre servomotori, un sensore a ultrasuoni, un pulsante, Arduino e un alimentatore.

L'uscita dell'alimentatore può essere regolata come vogliamo, e poiché tutti i servi e gli ultrasuoni funzionano a 5 Volt, quindi non c'è bisogno di un regolatore di tensione, possiamo solo regolare l'uscita dell'alimentatore a 5V.

Ogni servo deve essere collegato a Vcc(+5V), massa e segnale. Il sensore ad ultrasuoni ha 4 pin, uno è collegato a Vcc, uno per la terra, e gli altri due pin sono trigger ed echo pin, devono essere collegati a pin digitali. Il pulsante è collegato a massa ea un pin digitale.

Per l'Arduino, deve comunicare la sua alimentazione dalla fonte di alimentazione, non può essere alimentato dal laptop o dal suo cavo, dovrebbe avere la stessa massa dei componenti elettronici ad esso collegati.

!!NOTE IMPORTANTI!!:

- Dovresti aggiungere un convertitore di alimentazione e alimentare il Vin con 7V.

-Assicurati che con questa connessione, dovresti rimuovere la porta Arduino dal tuo PC per masterizzarlo, altrimenti non dovresti usare il pin di uscita 5V come ingresso.

Passaggio 7: codice Arduino e diagramma di flusso

L'obiettivo di questo braccio robotico con una pinza è raccogliere un limone e metterlo da qualche altra parte, quindi quando il robot è acceso, dobbiamo premere il pulsante di avvio e poi va in una certa posizione in cui si trova il limone, se afferra il limone, la pinza andrà in una posizione finale per mettere il limone al suo posto, abbiamo scelto la posizione finale a livello orizzontale, dove la coppia necessaria è massima, per dimostrare che la pinza è abbastanza forte.

Come può il robot raggiungere il limone:

Nel progetto che abbiamo fatto, chiediamo semplicemente al robot di spostare le braccia in una certa posizione in cui mettiamo il limone. Bene, c'è un altro modo per farlo, puoi usare la cinematica inversa per muovere il braccio, dandogli le coordinate (x, y) del limone, e calcola quanto ogni motore deve ruotare in modo che la pinza raggiunga il limone. Dove stato=0 è quando il pulsante di avvio non viene premuto in modo che il braccio sia nella posizione iniziale e il robot non si muova, mentre stato=1 è quando premiamo il pulsante di avvio e il robot si avvia.

Cinematica inversa:

Nelle figure c'è un esempio di calcolo della cinematica inversa, si vedono tre schizzi, uno per la posizione iniziale e gli altri due per la posizione finale. Quindi, come vedi, per la posizione finale, non importa dove sia, ci sono due possibilità, gomito in alto e gomito in basso, puoi scegliere quello che vuoi.

Prendiamo come esempio il gomito in alto, per far muovere il robot nella sua posizione bisogna calcolare due angoli, theta1 e theta2, nelle figure si vedono anche i passi e le equazioni per calcolare theta1 e theta2.

Si noti che, se l'ostacolo si trova a una distanza inferiore a 10 cm, allora il limone viene afferrato e trattenuto dalla pinza, infine dobbiamo consegnarlo alla posizione finale.

Passaggio 8: far funzionare il robot

Dopo tutto quello che abbiamo fatto prima, ecco i video del robot in funzione, con il sensore, il pulsante e tutto il resto che funziona come dovrebbe. Abbiamo anche eseguito un test di scuotimento sul robot, per assicurarci che sia stabile e che il cablaggio sia buono.

Passaggio 9: conclusione

Questo progetto ci ha dato una buona esperienza nell'affrontare tali progetti. Tuttavia, questo robot può essere modificato e avere altri valori aggiunti come il rilevamento di oggetti per rilevare il limone, o forse un terzo grado di libertà in modo che possa spostarsi tra gli alberi. Inoltre, possiamo renderlo controllato da un'applicazione mobile o dalla tastiera in modo da spostarlo come vogliamo. Ci auguriamo che il nostro progetto vi piaccia e un ringraziamento speciale ai supervisori del Fablab per averci aiutato.