Il grosso braccio robotico stampato in 3D che imita il controller dei burattini: 11 passaggi (con immagini)

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

Sono uno studente di ingegneria meccanica dall'India e questo è il mio progetto di laurea.

Questo progetto è focalizzato sullo sviluppo di un braccio robotico a basso costo che è principalmente stampato in 3D e ha 5 DOF con una pinza a 2 dita. Il braccio robotico è controllato con un controller fantoccio che è un modello desktop del braccio robotico con gli stessi gradi di libertà le cui articolazioni sono dotate di sensori. La manipolazione manuale del controller fa sì che il braccio robotico mimi il movimento in modalità master-slave. Il sistema utilizza il modulo WiFi ESP8266 come mezzo di trasmissione dati. L'interfaccia operatore master-slave fornisce un metodo di facile apprendimento per la manipolazione del braccio robotico. Nodemcu (Esp8266) viene utilizzato come microcontrollore.

L'obiettivo alla base di questo progetto era lo sviluppo di robot a basso costo che possono essere utilizzati per scopi educativi. Sfortunatamente, l'accessibilità di tale tecnologia robotica che sta rivoluzionando il mondo moderno è limitata solo a determinate istituzioni. Miriamo a sviluppare e rendere questo progetto open source in modo che gli individui possano crearlo, modificarlo ed esplorarlo da soli. Essendo a basso costo e completamente open source, questo può ispirare gli altri studenti a imparare ed esplorare questo campo.

I miei compagni di progetto:

• Shubham likhar
• Nikhil Kore
• Palash lonare

Ringraziamenti speciali a:

• Akash Narkhede
• Ram bokade
• Ankit korde

per il loro aiuto in questo progetto.

Dichiarazione di non responsabilità: non ho mai pianificato di scrivere un blog o di istruire su questo progetto a causa del quale non ho dati sufficienti per documentarlo ora. Questo sforzo viene fatto molto tempo dopo l'inizio del progetto. Tuttavia ho cercato molto duramente di portare il maggior numero possibile di dettagli per renderlo più comprensibile. potresti trovarlo incompleto in alcuni punti … spero che tu capisca:) includerò un video di YouTube che mostra il suo funzionamento e altre cose di prova presto

Passaggio 1: quindi, come funziona?

Questa è la cosa più eccitante per me di questo progetto.

(Non affermo che questo sia un metodo efficiente o giusto per usarlo a scopo commerciale È solo a scopo educativo)

potresti aver visto robot economici con servomotori che sono solo per la dimostrazione. D'altra parte ci sono robot con motori passo-passo costosi con riduttore epicicloidale ecc. Ma questo robot è un equilibrio tra loro.

allora, come è diverso?

Costruzione:

Invece di utilizzare motori passo-passo a bassa potenza e costo elevato, ho usato motori CC ma, come sappiamo, i motori CC non hanno un sistema di controllo del feedback e non possono essere utilizzati direttamente per il controllo della posizione, li ho convertiti in servomotori aggiungendo un potenziometro come sensore di feedback/posizione.

Ora, per semplicità di lavoro, quello che ho fatto è stato: disassemblare servi economici da 9 g, rimuovere i suoi circuiti e sostituire il suo motore CC con un motore CC ad alta coppia e il suo piccolo vaso con quello che avevo per il robot. In questo modo ho potuto utilizzare la libreria predefinita in arduino non puoi credere a quella codifica semplificata molto!

Per pilotare un motore a 12 V CC con chip servo da 5 V ho utilizzato il modulo driver motore L298N che può pilotare 2 motori contemporaneamente. Il modulo ha 4 pin di ingresso da IN1 a IN4 che decidono la direzione di rotazione del motore. Dove IN1 e IN2 corrispondono al primo motore e IN3, IN4 al 2° motore. Quindi i terminali di uscita (2) del servochip (originariamente al piccolo motore cc) sono collegati a IN1 e IN2 del modulo L298N la cui uscita è collegata al motore a 12 V cc.

Lavorando:

In questo modo, quando l'albero motore non è sul potenziometro della posizione target, inviare il valore dell'angolo al chip servo che comanda al modulo L298N di guidare in senso orario o antiorario, a sua volta il motore a 12 V CC gira in base al comando ricevuto dal microcontrollore.

Lo schema è mostrato in figura (solo per 1 motore)

NEL NOSTRO CASO IL COMANDO (VALORI DELL'ANGOLO GIUNTO) VIENE INVIATO TRAMITE IL CONTROLLER PUPPET CHE È 10 VOLTE RISCALDATO UNA COPIA DEL ROBOT REALE E HA UN POTENZIOMETRO COLLEGATO AD OGNI GIUNTO. TRAMITE NODEMCU (ESP8266) VIA WIFI A OGNI ROBOT. ROBOT GIUNTO A CUI OGNI MOTORE GIUNTO CERCA DI OCCUPARE

Ad ogni giunto un potenziometro è collegato all'albero del giunto tramite il meccanismo della puleggia della cinghia. Quando il giunto ruota, il potenziometro ruota di conseguenza e fornisce un feedback sulla posizione corrente dell'angolo del giunto (mostrato nelle immagini sopra)

Passaggio 2: componenti utilizzati:

Come ho detto, sto ancora lavorando e migliorandolo giorno dopo giorno, quindi questi componenti potrebbero differire in alcuni aggiornamenti futuri.

il mio obiettivo era renderlo il più economico possibile, quindi ho usato componenti molto selettivi. Questo è l'elenco dei componenti principali utilizzati nel Arm til date (continuerò ad aggiornarlo in futuro)

1. Esp8266 (2x)
2. Motori cc (di diverse specifiche Coppia e velocità, 5x)
3. Motore L298N Modulo driver (2x)
4. Potenziometro (8x)
5. Canale in alluminio (30x30, 1 metro)
6. hardware vario

Passaggio 3: calcoli e progettazione del braccio

Per progettare il braccio ho utilizzato il software catia v5. Prima di iniziare il processo di progettazione, la prima cosa da fare era calcolare le lunghezze dei collegamenti e la coppia che ogni giunto deve sostenere.

per prima cosa sono partito da alcune ipotesi che includono:

1. Il carico utile massimo per il robot sarà di 500 gm (1,1 libbre)
2. la portata totale del robot sarà di 500 mm
3. Il peso del robot non supererà i 3 kg.

Calcoli della lunghezza del collegamento

continuando con questo ho calcolato la lunghezza del collegamento con riferimento al documento di ricerca "Design of a Robotic Arm By I. M. H. van Haaren"

SONO H. van Haaren ha fornito un eccellente esempio di come ha determinato le lunghezze dei collegamenti utilizzando un riferimento biologico in cui le lunghezze dei principali segmenti corporei sono espresse come frazione dell'altezza totale. È mostrato in fig.

dopo i calcoli le lunghezze dei collegamenti sono risultate essere

L1=274 mm

L2=215mm

L3=160mm

Lunghezza pinza=150mm

Calcoli di coppia:

Per il calcolo della coppia ho utilizzato i concetti di base della coppia e dei momenti applicati in ingegneria.

senza entrare in calcoli dinamici mi sono basato solo su calcoli statici di coppia a causa di alcuni vincoli.

ci sono 2 attori principali che coppia come T = FxR, cioè nel nostro caso carico (massa) e lunghezza del collegamento. Poiché le lunghezze del collegamento sono già determinate, la prossima cosa è scoprire il peso dei componenti. In questa fase non ero sicuro di come trovare il pesi di ciascun componente senza misurarlo effettivamente.

quindi, ho fatto questi calcoli in iterazioni.

1. Ho assunto il canale di alluminio come un materiale uniforme per tutta la sua lunghezza e ho diviso il peso del pezzo totale di 1 metro con la lunghezza dei pezzi che stavo per usare.
2. Per quanto riguarda i giunti, ho assunto determinati valori per ciascun giunto (peso del motore + peso della parte stampata in 3D + altro) in base all'assunzione del peso totale del robot.
3. i 2 passaggi precedenti mi hanno fornito i valori di coppia del giunto di prima iterazione. Per questi valori ho trovato motori adatti su Internet insieme ad altre specifiche e pesi.
4. Nella seconda iterazione ho utilizzato i pesi originali dei motori (che ho scoperto nel terzo passaggio) e ho calcolato nuovamente le coppie statiche per ciascun giunto.
5. Se i valori di coppia finali nella fase 4 erano adatti per i motori selezionati nella fase 3, ho finalizzato quel motore, altrimenti ripetere le fasi 3 e 4 fino a quando i valori formulati soddisfano le specifiche effettive del motore.

Disegno del braccio:

Questo è stato il compito più faticoso dell'intero progetto e ci è voluto quasi un mese per progettarlo. A proposito, ho allegato le foto del modello CAD. Lascerò un link per scaricare questi file CAD da qualche parte qui:

Passaggio 4: stampa 3D delle parti

Tutte le parti principalmente sono le giunture sono stampate in 3D su una stampante da 99 $ con area di stampa 100x100x100 mm (sì è vero!!)

stampante: Easy threed X1

Ho incluso le foto delle parti principali dall'affettatrice e le collegherò a tutte le parti del file CAD catfile e stl in modo che tu possa scaricare e modificare come desideri.

Passaggio 5: assemblaggio dell'articolazione della spalla (giunto J1 e J2)

La puleggia di base è stata stampata su una stampante diversa in quanto aveva un diametro di 160 mm. Ho progettato l'articolazione della spalla in modo tale che possa essere guidata (rotazione sull'asse z) con puleggia o meccanismo di pignone dell'ingranaggio che puoi vedere nelle immagini incluse sopra.la parte inferiore è dove si montano i cuscinetti che poi sono montati su un albero centrale su una piattaforma che è fatta per spostare il braccio (serbatoio, più di quello in futuro).

l'ingranaggio più grande (giallo nella foto) è montato su un canale di alluminio con bulloni a dado attraverso i quali passa l'albero in acciaio da 8 mm attorno al quale si muove il giunto 2. Il rapporto di trasmissione al 1° giunto è 4:1 e quello del 2° giunto è 3,4:1

Passaggio 6: gomito e articolazione (articolazione J3)

(ALCUNE IMMAGINI SONO DOPO LA COSTRUZIONE IN QUANTO NON HO IMMAGINI DI PROCESSO COMPLETE)

L'articolazione del gomito è quella che segue l'articolazione della spalla. È un'articolazione in 2 pezzi, una collegata per collegare l'una e l'altra per collegare 2.

il pezzo 1 ha un motore a corrente continua con pignone di guida e il pezzo 2 ha un ingranaggio più grande attaccato ad esso e una coppia di cuscinetti per supportare l'albero. Il rapporto di trasmissione è lo stesso di quello di J2, ovvero 3,4: 1 ma il motore è 12,5 KG-CM 60 giri/min.

Il giunto J3 ha un raggio di movimento di 160 gradi.

Passaggio 7: articolazione del polso (articolazione J4 e J5)

(ALCUNE IMMAGINI SONO DOPO LA COSTRUZIONE IN QUANTO NON HO IMMAGINI DI PROCESSO COMPLETE)

Dopo l'articolazione del gomito c'è l'articolazione del polso. Anche questa è composta da 2 pezzi uno al collegamento precedente (cioè il collegamento 2) e uno costituito da un motore J5 che ruota il gruppo del polso. Il rapporto di trasmissione è 1,5: 1 e il motore CC utilizzato è 10 RPM 8 KG -CM.

Questo giunto J4 ha un raggio di rotazione di 90 gradi e J5 ha 360 gradi.

Passaggio 8: pinza

Questo è stato uno dei compiti più difficili da progettare. È stato progettato in modo tale da poter raccogliere la maggior parte degli oggetti e afferrare la maggior parte delle cose intorno a noi come chiavistelli delle porte, maniglie, barre, ecc.

Come mostrato in figura, un ingranaggio elicoidale attaccato al motore aziona ingranaggi in senso orario o antiorario che sono collegati alle dita per aprirli e chiuderli.

Tutte le parti della pinza sono mostrate nell'immagine allegata.

Passaggio 9: creazione di un controller per burattini per braccio robotico

Il controller delle marionette è l'esatta versione 10 volte ridotta del braccio robotico effettivo. Dispone di 4 potenziometri montati su 4 giunti, ovvero J1, J2, J3, J4 e Joint J5 che verranno azionati con un pulsante per la rotazione continua (rotazione della pinza per qualsiasi operazione)

i potenziometri rilevano l'angolo di rotazione dei giunti e inviano questo valore tra 1-1023 a Nodemcu che viene riconvertito in 1-360 e inviato a un altro Nodemcu tramite wifi. Poiché ESP8266 ha un solo ingresso analogico, ho utilizzato un multiplexer 4051.

tutorial per l'utilizzo del multiplexer 4051 con esp8266 -

diagramma schematico:

Aggiungerò un diagramma schematico non appena lo avrò finito (se qualcuno ne ha bisogno urgentemente mi contatti fino ad allora)

Codice: (incluso anche qui)

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

Passaggio 10: elettronica

Allego foto del lavoro attuale. L'elettronica completa e il diagramma schematico non sono ancora completi. Pubblicherò presto gli aggiornamenti fino ad allora rimarrò connesso:)

(Nota: questo progetto non è ancora completo. Seguirò eventuali aggiornamenti in futuro)

Passaggio 11: codici e schemi in un unico posto

Farò gli schemi del robot completo e il codice finale non appena lo finirò!