Robotska ruka sa hvataljkom: 9 koraka (sa slikama)

2025 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja izmjena: 2025-01-13 06:57

Berba stabala limuna smatra se teškim radom, zbog velike veličine drveća, kao i zbog vruće klime u regijama u kojima se sadi limunovo drveće. Zato nam treba još nešto da pomognemo poljoprivrednim radnicima da lakše završe svoj posao. Pa smo došli na ideju da im olakšamo posao, robotsku ruku sa hvataljkom koja bere limun sa drveta. Ruka je duga oko 50 cm. Princip rada je jednostavan: robotu dajemo položaj, tada će otići na pravo mjesto, a ako postoji limun, hvataljka će mu odrezati stabljiku i uhvatiti limun u isto vrijeme. Zatim će se limun osloboditi na tlu, a robot će se vratiti u početni položaj. U početku bi se projekt mogao činiti složenim i teškim za izvođenje. Međutim, to nije tako složeno, ali bilo je potrebno puno napornog rada i dobrog planiranja. Treba samo graditi jedno nad drugim. U početku smo se suočavali s nekim problemima zbog situacije s COVID-19 i rada na daljinu, ali onda smo to učinili, i to je bilo nevjerojatno.

Ovaj Instructable ima za cilj voditi vas kroz proces stvaranja robotske ruke sa grabilicom. Projekt je osmišljen i projektiran kao dio našeg projekta Bruface Mechatronics; posao je u Fablabu u Briselu obavio:

-Hussein Moslimani

-Inès Castillo Fernandez

-Jayesh Jagadesh Deshmukhe

-Raphaël Boitte

Korak 1: Potrebne vještine

Dakle, evo nekoliko vještina koje morate imati da biste radili ovaj projekt:

-Osnove elektronike

-Osnovno poznavanje mikrokontrolera.

-Kodiranje na C jeziku (Arduino).

-Naviknite se na CAD softver, kao što su SolidWorks ili AutoCAD.

-Lasersko rezanje

-3D štampanje

Također biste trebali imati strpljenja i izdašne količine slobodnog vremena, a savjetujemo vam i da radite u timu kao i mi, sve će biti lakše.

Korak 2: CAD dizajn

Nakon isprobavanja različitih uzoraka, konačno smo odlučili dizajnirati robota kako je prikazano na slikama, ruka je 2 stupnja slobode. Motori su spojeni s osovinom svakog kraka remenicama i remenima. Postoje mnoge prednosti korištenja remenica, a jedna od najvažnijih je povećanje okretnog momenta. Prvi remen remenice prve ruke ima prijenosni omjer 2, a drugi prijenosni omjer 1,5.

Težak dio projekta bio je ograničeno vrijeme u Fablabu. Dakle, većina dizajna prilagođena je laserski izrezanim dijelovima, a samo su neki spojni dijelovi 3D ispisani. Ovdje možete pronaći CAD dizajn u prilogu.

Korak 3: Lista korištenih komponenti

Evo komponenti koje smo koristili u našem projektu:

I) Elektronske komponente:

-Arduino Uno: Ovo je ploča mikrokontrolera sa 14 digitalnih ulazno/izlaznih pinova (od kojih se 6 može koristiti kao PWM izlaz), 6 analognih ulaza, kvarcnim kristalom od 16 MHz, USB vezom, utičnicom za napajanje, ICSP zaglavljem, i dugme za resetovanje. Koristili smo ovu vrstu mikrokontrolera jer je jednostavan za upotrebu i može obaviti potreban posao.

-Dva velika servo motora (MG996R): je servomehanizam zatvorene petlje koji koristi povratnu informaciju o položaju za kontrolu svog kretanja i krajnjeg položaja. Koristi se za rotiranje ruku. Ima dobar okretni moment, do 11 kg/cm, a zahvaljujući smanjenju zakretnog momenta pomoću remenica i remena, možemo postići veći okretni moment koji je više nego dovoljan za držanje ruku. A činjenica da nam ne treba više od 180 stepeni rotacije, ovaj motor je vrlo dobar za upotrebu.

-Jedan mali servo (E3003): je servomehanizam zatvorene petlje koji koristi povratnu informaciju o poziciji za kontrolu svog kretanja i konačnog položaja. Ovaj motor se koristi za upravljanje hvataljkom, ima okretni moment 2,5 kg/cm, a koristi se za rezanje i hvatanje limuna.

-DC napajanje: Ova vrsta napajanja je bila dostupna u fablabu, a budući da se naš motor ne kreće po tlu, napajanje ne mora biti zalijepljeno jedno za drugo. Glavna prednost ovog izvora napajanja je to što možemo podesiti izlazni napon i struju kako želimo, pa nema potrebe za regulatorom napona. Ako ova vrsta napajanja nije dostupna, ali je skupa. Jeftina alternativa ovome bila bi upotreba držača baterije 8xAA, zajedno s regulatorom napona, poput 'MF-6402402', koji je pretvarač istosmjernog u istosmjerni, da biste dobili potrebni napon. Njihova cijena je također prikazana na popisu komponenti.

-Medica: Plastična ploča koja se koristi za držanje elektroničkih komponenti. Također, za spajanje elektronike na izvor napajanja.

-Žice: Koristi se za povezivanje elektroničkih komponenti na matičnu ploču.

-Pritisni taster: Koristi se kao dugme za pokretanje, pa kada ga pritisnemo, robot radi.

-Ultrazvučni senzor: Koristi se za mjerenje udaljenosti, stvara visokofrekventni zvuk i izračunava vremenski interval između slanja signala i prijema eha. Koristi se za otkrivanje je li limun držao hvataljka ili klizi.

II) Ostale komponente:

-Plastika za 3D štampanje

-3 mm drveni limovi za lasersko rezanje

-Metalna osovina

-Oštrice

-Mekani materijal: Zalijepljen je s obje strane hvataljke, tako da hvataljka stisne grančicu limuna dok je reže.

-Šrafovi

-Remen za povezivanje remenica, standardni remen 365 T5

-8mm kružni ležajevi, vanjski promjer je 22mm.

Korak 4: 3D štampanje i lasersko sečenje

Zahvaljujući mašinama za lasersko rezanje i 3D štampanje koje se nalaze u Fablabu, gradimo dijelove koji su nam potrebni za robota.

I- Dijelovi koje smo morali laserski rezati su:

-Baza robota

-Podrške za motor prve ruke

-Podrške prve ruke

-Pločice 2 kraka

-Baza hvataljke

-Povezivanje između hvataljke i ruke.

-Dve strane hvataljke

-Podrške za ležajeve, kako bi se osiguralo da ne klize ili se pomaknu sa svog položaja, svi ležajevi su u dva sloja 3 mm+4 mm, budući da je debljina ležaja bila 7 mm.

Napomena: trebat će vam mali list drva od 4 mm, za neke male dijelove koje je potrebno laserski rezati. Također, u CAD dizajnu ćete pronaći debljinu od 6 mm ili bilo koju drugu debljinu koja je višestruka od 3, tada vam je potrebno više slojeva laserski rezanih dijelova na 3 mm, odnosno ako postoji debljina 6 mm, onda su vam potrebna 2 sloja 3 mm svaki.

II- Dijelovi koje smo morali 3D printati:

-Četiri remenice: koriste se za povezivanje svakog motora s rukom koju je odgovoran za pomicanje.

-Podrška motora druge ruke

-oslonac za ležaj na osnovi, koja je pričvršćena ispod pojasa kako bi na njega djelovala sila i povećala napetost. Povezan je s ležajem pomoću okrugle metalne osovine.

-Dvije pravokutne ploče za hvatač stavljaju se na mekani materijal kako bi dobro držale granu i imale trenje kako grana ne bi kliznula.

-Kvadratna osovina sa okruglom rupom od 8 mm, za povezivanje ploča prvog kraka, a rupa je trebala umetnuti metalnu osovinu od 8 mm kako bi cijela osovina bila jaka i mogla podnijeti ukupni okretni moment. Okrugle metalne osovine spojene su s ležajevima i s obje strane ruke kako bi se dovršio rotacijski dio.

-Osovina šesterokutnog oblika s okruglom rupom od 8 mm iz istog razloga kao i kvadratna osovina

-Stezaljke koje dobro drže remenice i ploče svake ruke na svojim mjestima.

Na tri slike CAD -a možete dobro razumjeti kako je sistem sastavljen, te kako su osovine povezane i podržane. Možete vidjeti kako su kvadratne i šesterokutne osovine povezane s rukom i kako su spojene na nosače pomoću metalne osovine. Cijeli sklop dat je na ovim slikama.

Korak 5: Mehanički sklop

Sklapanje cijelog robota ima 3 glavna koraka koja se moraju objasniti. Prvo sastavljamo osnovu i prvu ruku, zatim drugu ruku do prve, i na kraju hvataljku do druge ruke.

Sastavljanje baze i prve ruke:

Prvo, korisnik mora sastaviti sljedeće dijelove odvojeno:

-Dvije strane zglobova s ležajevima unutra.

-Podrška motora s motorom i male remenice.

-Simetrični oslonac za mali remenica.

-Kvadratno vratilo, velika remenica, ruka i stezaljke.

-Natezni ležaj podržava noseću ploču. Zatim se dodaje ležaj i vratilo.

Sada je svaki podskup na mjestu za međusobno povezivanje.

Napomena: kako bismo bili sigurni da dobivamo zategnutost remena koji želimo, položaj motora na bazi se može prilagoditi, imamo izduženu rupu tako da se udaljenost između remenica može povećati ili smanjiti i kada provjerimo da li je napetost je dobra, motorima pričvršćujemo vijke vijcima na bazu i dobro ih učvršćujemo. Osim toga, ležaj je pričvršćen na podlogu na mjestu gdje vrši silu na pojasu za povećanje napetosti, pa se pri kretanju remena ležaj okreće i nema problema s trenjem.

Sklapanje drugog kraka na prvi:

Dijelovi se moraju sastaviti odvojeno:

-Desna ruka, s motorom, osloncem, remenicom, kao i s ležajem i potpornim dijelovima. Također se stavlja vijak za pričvršćivanje remenice na vratilo kao u prethodnom odjeljku.

-Lijeva ruka sa dva ležaja i njihovim nosačima.

-Veliki remenica može se kliziti po šesterokutnoj osovini, kao i nadlakticama, a stezaljke dizajnirane da fiksiraju njihov položaj.

Zatim imamo drugu ruku spremnu za postavljanje u svoj položaj, motor druge ruke postavljen je na prvu, njen položaj je također podesiv da postigne savršenu napetost i izbjegne klizanje pojasa, tada se motor fiksira pomoću kaiš na ovom položaju.

Sklapanje hvataljke:

Montaža ove hvataljke je jednostavna i brza. Što se tiče prethodne montaže, dijelovi se mogu sastaviti sami prije pričvršćivanja na puni krak:

-Pričvrstite pomičnu čeljust na vratilo motora, uz pomoć plastičnog dijela koji dolazi s motorom.

-Zavijte motor do oslonca.

-Uvrnite nosač senzora u nosač hvataljke.

-Stavite senzor u nosač.

-Stavite mekani materijal na hvataljku i pričvrstite 3D ispisani dio preko njih

Hvataljka se može lako montirati na drugu ruku, samo dio laserskog rezača podržava bazu hvataljke za ruku.

Najvažnije je bilo podešavanje oštrica na vrhu ruke i na kojoj udaljenosti su oštrice izvan hvataljke, pa se to radilo pokušajem i greškom sve dok ne dođemo do najefikasnijeg mjesta koje možemo dobiti za sječiva i hvatanje se mora dogoditi gotovo u isto vrijeme.

Korak 6: Povezivanje elektroničkih komponenti

U ovom krugu imamo tri servo motora, jedan ultrazvučni senzor, jedno dugme, Arduino i izvor napajanja.

Izlaz napajanja se može podesiti kako želimo, a budući da svi servo upravljači i ultrazvuk rade na 5 volti, pa nema potrebe za regulatorom napona, možemo samo regulirati izlaz napajanja na 5 V.

Svaki servo mora biti spojen na Vcc (+5V), uzemljenje i signal. Ultrazvučni senzor ima 4 pina, jedan je spojen na Vcc, jedan za uzemljenje, a druga dva pina su okidač i eho pinovi, moraju biti spojeni na digitalne pinove. Taster je povezan sa masom i digitalnim pinom.

Za Arduino, on mora govoriti o svom napajanju iz izvora napajanja, ne može se napajati iz prijenosnog računala ili njegovog kabela, trebao bi imati isto uzemljenje kao i elektroničke komponente povezane s njim.

VAŽNE NAPOMENE !!:

- Trebali biste dodati pretvarač snage i napajanje Vin -u sa 7V.

-Molimo vas da pri ovoj vezi uklonite Arduino port sa računara da biste ga snimili, inače ne biste trebali koristiti 5V izlazni pin kao ulaz.

Korak 7: Arduino kod i dijagram toka

Cilj ove robotske ruke sa hvataljkom je prikupiti limun i staviti ga negdje drugdje, pa kada je robot uključen, moramo pritisnuti dugme za pokretanje i tada on ide na određeno mjesto gdje se limun nalazi, ako hvata limun, hvatač će otići u konačni položaj kako bi limun stavio na svoje mjesto, odabrali smo konačni položaj na vodoravnoj razini, gdje je potreban najveći zakretni moment, kako bismo dokazali da je hvatač dovoljno jak.

Kako robot može doći do limuna:

U projektu koji smo uradili jednostavno tražimo od robota da pomakne ruke u određeni položaj u koji smo stavili limun. Pa, postoji još jedan način za to, možete koristiti obrnutu kinematiku za pomicanje ruke, dajući joj (x, y) koordinate limuna, i izračunava koliko se svaki motor mora okretati tako da hvataljka dosegne limun. Gdje je stanje = 0 kada dugme za pokretanje nije pritisnuto, pa je ruka u početnom položaju i robot se ne pomiče, dok je stanje = 1 kada pritisnemo dugme za pokretanje i robot se pokrene.

Inverzna kinematika:

Na slikama postoji primjer izračuna inverzne kinematike, možete vidjeti tri skice, jednu za početnu poziciju, a drugu dvije za konačnu poziciju. Dakle, kao što vidite, za konačni položaj- bez obzira gdje se nalazi- postoje dvije mogućnosti, lakat prema gore i lakat prema dolje, možete izabrati što god želite.

Uzmimo lakat gore kao primjer, da bi se robot pomaknuo na svoj položaj, moraju se izračunati dva kuta, theta1 i theta2, na slikama vidite korake i jednadžbe za izračunavanje theta1 i theta2.

Imajte na umu da, ako se prepreka pronađe na udaljenosti manjoj od 10 cm, tada se limun hvata i drži hvataljkom, na kraju ga moramo isporučiti u konačni položaj.

Korak 8: Pokretanje robota

Nakon svega što smo ranije radili, evo videozapisa kako robot radi, sa senzorom, tipkom i svim ostalim kako radi kako treba. Na robotu smo proveli i test drmanja kako bismo bili sigurni da je stabilan i da je ožičenje dobro.

Korak 9: Zaključak

Ovaj projekat nam je dao dobro iskustvo u bavljenju takvim projektima. Ipak, ovaj robot može se izmijeniti i imati još neke dodatne vrijednosti, poput otkrivanja objekata za otkrivanje limuna, ili možda treći stupanj slobode kako bi se mogao kretati između stabala. Također, možemo ga kontrolirati pomoću mobilne aplikacije ili pomoću tipkovnice pa ga premještamo kako želimo. Nadamo se da vam se sviđa naš projekt i posebnu zahvalu nadzornicima u Fablabu koji su nam pomogli.