แขนกลพร้อมกริปเปอร์: 9 ขั้นตอน (พร้อมรูปภาพ)

2024 ผู้เขียน: John Day | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2024-01-30 13:02

การเก็บเกี่ยวต้นมะนาวถือเป็นงานหนัก เนื่องจากมีต้นไม้ขนาดใหญ่และเนื่องมาจากสภาพอากาศที่ร้อนของบริเวณที่มีการปลูกมะนาว นั่นเป็นเหตุผลที่เราต้องการอย่างอื่นเพื่อช่วยให้คนงานการเกษตรทำงานให้เสร็จได้ง่ายขึ้น ดังนั้นเราจึงมีแนวคิดที่จะทำให้งานของพวกเขาง่ายขึ้น ซึ่งเป็นแขนหุ่นยนต์พร้อมกริปเปอร์ที่หยิบมะนาวจากต้นไม้ แขนยาวประมาณ 50 ซม. หลักการทำงานนั้นง่าย: เรากำหนดตำแหน่งให้หุ่นยนต์ จากนั้นมันก็จะไปถูกที่ และหากมีมะนาวอยู่ กริปเปอร์ของมันจะตัดก้านช่อดอกและคว้ามะนาวไปพร้อม ๆ กัน จากนั้นมะนาวจะถูกปล่อยลงบนพื้นและหุ่นยนต์จะกลับสู่ตำแหน่งเริ่มต้น ในตอนแรก โครงการอาจดูซับซ้อนและยากที่จะทำได้ อย่างไรก็ตาม มันไม่ได้ซับซ้อนขนาดนั้น แต่ต้องใช้ความพยายามอย่างมากและการวางแผนที่ดี มันแค่ต้องสร้างสิ่งหนึ่งเหนือสิ่งอื่น ในตอนแรกเราประสบปัญหาบางอย่างเนื่องจากสถานการณ์ covid-19 และการทำงานจากระยะไกล แต่แล้วเราก็ทำได้ และมันก็น่าทึ่งมาก

คำแนะนำนี้มีจุดมุ่งหมายเพื่อแนะนำคุณตลอดขั้นตอนการสร้างแขนหุ่นยนต์ด้วยตัวจับ โปรเจ็กต์นี้ได้รับการออกแบบและออกแบบโดยเป็นส่วนหนึ่งของโปรเจ็กต์ Bruface Mechatronics ของเรา งานเสร็จสิ้นใน Fablab Brussels โดย:

- ฮุสเซน มุสลิมานี

- อิเนส กาสติโย เฟร์นานเดซ

-Jayesh Jagadesh Deshmukhe

-ราฟาเอล บอตเต้

ขั้นตอนที่ 1: ทักษะที่จำเป็น

ต่อไปนี้คือทักษะบางอย่างที่คุณต้องมีเพื่อทำโครงงานนี้:

- พื้นฐานของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์

- ความรู้พื้นฐานของไมโครคอนโทรลเลอร์

-Coding ในภาษา C (Arduino)

- ใช้กับซอฟต์แวร์ CAD เช่น SolidWorks หรือ AutoCAD

-เครื่องตัดเลเซอร์

-3D การพิมพ์

คุณควรมีความอดทนและมีเวลาว่างมากพอ และเราแนะนำให้คุณทำงานเป็นทีมอย่างที่เราทำ ทุกอย่างจะง่ายขึ้น

ขั้นตอนที่ 2: การออกแบบ CAD

หลังจากลองใช้ตัวอย่างต่างๆ แล้ว เราก็ตัดสินใจออกแบบหุ่นยนต์ดังที่แสดงในรูป แขนเป็นแบบอิสระ 2 องศา มอเตอร์เชื่อมต่อกับเพลาของแขนแต่ละข้างด้วยรอกและสายพาน มีข้อดีหลายประการของการใช้รอก สิ่งหนึ่งที่สำคัญที่สุดคือการเพิ่มแรงบิด สายพานรอกตัวแรกของแขนแรกมีอัตราทดเกียร์ 2 และสายพานที่สองมีอัตราทดเกียร์ 1.5

ส่วนที่ยากของโครงการคือเวลาจำกัดที่ Fablab ดังนั้นการออกแบบส่วนใหญ่จึงถูกดัดแปลงให้เป็นชิ้นส่วนที่ตัดด้วยเลเซอร์และมีเพียงบางส่วนที่เชื่อมต่อกันเท่านั้นที่พิมพ์ 3 มิติ คุณสามารถค้นหาการออกแบบ CAD ที่แนบมาได้ที่นี่

ขั้นตอนที่ 3: รายการส่วนประกอบที่ใช้

นี่คือส่วนประกอบที่เราใช้ในโครงการของเรา:

I) ส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์:

-Arduino Uno: นี่คือบอร์ดไมโครคอนโทรลเลอร์ที่มีพินอินพุต/เอาต์พุตดิจิทัล 14 พิน (ซึ่งสามารถใช้เป็นเอาต์พุต PWM ได้ 6 ตัว), อินพุตอะนาล็อก 6 ตัว, คริสตัลควอตซ์ 16 MHz, การเชื่อมต่อ USB, แจ็คไฟ, ส่วนหัว ICSP, และปุ่มรีเซ็ต เราใช้ไมโครคอนโทรลเลอร์ประเภทนี้เนื่องจากใช้งานง่ายและสามารถทำงานได้ตามต้องการ

- เซอร์โวมอเตอร์ขนาดใหญ่สองตัว (MG996R): เป็นกลไกเซอร์โวแบบวงปิดที่ใช้การตอบกลับตำแหน่งเพื่อควบคุมการเคลื่อนไหวและตำแหน่งสุดท้าย มันถูกใช้เพื่อหมุนแขน มันมีแรงบิดที่ดี สูงถึง 11 กก./ซม. และด้วยการลดแรงบิดที่ทำโดยรอกและสายพาน เราจึงสามารถเข้าถึงแรงบิดที่สูงขึ้นซึ่งมากเกินพอที่จะรองรับแขน และความจริงที่ว่าเราไม่ต้องการการหมุนมากกว่า 180 องศา มอเตอร์นี้จึงใช้งานได้ดีมาก

- เซอร์โวขนาดเล็กหนึ่งตัว (E3003): เป็นกลไกเซอร์โวแบบวงปิดที่ใช้การป้อนกลับของตำแหน่งเพื่อควบคุมการเคลื่อนที่และตำแหน่งสุดท้าย มอเตอร์นี้ใช้สำหรับควบคุมกริปเปอร์ มีแรงบิด 2.5 กก./ซม. และใช้ในการตัดและคว้ามะนาว

- แหล่งจ่ายไฟ DC: แหล่งจ่ายไฟประเภทนี้มีจำหน่ายที่ fablab และเนื่องจากมอเตอร์ของเราไม่เคลื่อนที่บนพื้น ดังนั้นแหล่งจ่ายไฟจึงไม่จำเป็นต้องติดกัน ข้อได้เปรียบหลักของแหล่งจ่ายไฟนี้คือ เราสามารถปรับแรงดันไฟขาออกและกระแสได้ตามต้องการ ไม่จำเป็นต้องใช้เครื่องปรับแรงดันไฟฟ้า ถ้าเครื่องจ่ายไฟประเภทนี้ไม่มีแต่ราคาแพง ทางเลือกราคาถูกคือการใช้ที่ใส่แบตเตอรี่ 8xAA ร่วมกับตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้า เช่น 'MF-6402402' ซึ่งเป็นตัวแปลง dc เป็น dc เพื่อให้ได้แรงดันไฟฟ้าที่คุณต้องการ ราคาของพวกเขาแสดงอยู่ในรายการส่วนประกอบด้วย

-เขียงหั่นขนม: กระดานพลาสติกที่ใช้เก็บชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ นอกจากนี้เพื่อเชื่อมต่ออุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เข้ากับแหล่งจ่ายไฟ

-Wires: ใช้เชื่อมต่อชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์กับเขียงหั่นขนม

-ปุ่มกด: ใช้เป็นปุ่มสตาร์ท ดังนั้นเมื่อเรากด หุ่นยนต์จะทำงาน

-เซ็นเซอร์อัลตราโซนิก: ใช้ในการวัดระยะทาง สร้างเสียงความถี่สูงและคำนวณช่วงเวลาระหว่างการส่งสัญญาณและรับเสียงสะท้อน ใช้เพื่อตรวจจับว่ามะนาวถูกจับโดยกริปเปอร์หรือหลุดหรือไม่

II) ส่วนประกอบอื่นๆ:

- พลาสติกสำหรับการพิมพ์ 3 มิติ

-3mm แผ่นไม้สำหรับตัดเลเซอร์

-เพลาเมทัลลิก

-ใบมีด

- วัสดุอ่อนนุ่ม: ติดกาวทั้งสองด้านของกริปเปอร์ ดังนั้นกริปเปอร์จึงบีบกิ่งมะนาวขณะตัดออก

-สกรู

- สายพานสำหรับต่อรอก, สายพาน 365 T5 มาตรฐาน

-8mm ตลับลูกปืนกลม เส้นผ่านศูนย์กลางภายนอก 22mm.

ขั้นตอนที่ 4: การพิมพ์ 3 มิติและการตัดด้วยเลเซอร์

ต้องขอบคุณเครื่องตัดเลเซอร์และเครื่องพิมพ์ 3 มิติที่ Fablab เราสร้างชิ้นส่วนที่จำเป็นสำหรับหุ่นยนต์ของเรา

I- ชิ้นส่วนที่เราต้องตัดด้วยเลเซอร์คือ:

-ฐานของหุ่นยนต์

- รองรับมอเตอร์ของแขนแรก

- รองรับแขนแรก

-เพลทแขน2ข้าง

-ฐานของกริปเปอร์

- การเชื่อมต่อระหว่างกริปเปอร์กับแขน

- สองด้านของกริปเปอร์

- รองรับแบริ่งเพื่อให้แน่ใจว่าจะไม่ลื่นไถลหรือเคลื่อนจากตำแหน่ง แบริ่งที่พอดีทั้งหมดมี 2 ชั้น 3 มม. + 4 มม. เนื่องจากความหนาของแบริ่งคือ 7 มม.

หมายเหตุ: คุณจะต้องใช้แผ่นไม้ขนาดเล็ก 4 มม. สำหรับชิ้นส่วนเล็กๆ บางอย่างที่ต้องตัดด้วยเลเซอร์ นอกจากนี้ คุณจะพบในการออกแบบ CAD ที่มีความหนา 6 มม. หรือความหนาอื่นๆ ที่ทวีคูณ 3 จากนั้นคุณต้องใช้ชิ้นส่วนตัดด้วยเลเซอร์หลายชั้นที่ 3 มม. นั่นคือหากมีความหนา 6 มม. คุณจะต้องมี 2 ชั้น อย่างละ 3 มม.

II- ชิ้นส่วนที่เราต้องพิมพ์ 3 มิติ:

- รอกทั้งสี่: ใช้เชื่อมต่อมอเตอร์แต่ละตัวกับแขนที่มีหน้าที่ในการเคลื่อนที่

- รองรับมอเตอร์ของแขนที่สอง

- รองรับแบริ่งบนพื้นฐานที่ยึดไว้ใต้สายพานเพื่อสร้างแรงกดและเพิ่มความตึงเครียด เชื่อมต่อกับแบริ่งโดยใช้เพลาโลหะกลม

- แผ่นสี่เหลี่ยมสองแผ่นสำหรับกริปเปอร์ วางบนวัสดุที่อ่อนนุ่มเพื่อยึดกิ่งได้ดีและมีแรงเสียดทานเพื่อไม่ให้กิ่งลื่น

- เพลาสี่เหลี่ยมมีรูกลม 8 มม. เพื่อเชื่อมต่อเพลตของแขนแรก และรูนั้นต้องใส่เพลาโลหะ 8 มม. เพื่อให้ทั้งเพลาแข็งแรง และสามารถรับแรงบิดทั้งหมด เพลาโลหะทรงกลมเชื่อมต่อกับตลับลูกปืนและแขนทั้งสองข้างเพื่อให้ส่วนหมุนสมบูรณ์

- เพลารูปทรงหกเหลี่ยมที่มีรูกลม 8 มม. ด้วยเหตุผลเดียวกับเพลาสี่เหลี่ยม

- แคลมป์รองรับรอกและเพลทของแขนแต่ละข้างในตำแหน่งที่เหมาะสม

ในตัวเลขสามตัวของ CAD คุณจะเข้าใจได้ดีถึงวิธีการประกอบระบบ และการเชื่อมต่อและรองรับเพลา คุณสามารถดูได้ว่าก้านสี่เหลี่ยมและเพลาหกเหลี่ยมเชื่อมต่อกับแขนอย่างไร และเชื่อมต่อกับส่วนรองรับโดยใช้ก้านโลหะได้อย่างไร แอสเซมบลีทั้งหมดได้รับในรูปเหล่านี้

ขั้นตอนที่ 5: การประกอบเครื่องกล

การประกอบหุ่นยนต์ทั้งหมดมี 3 ขั้นตอนหลักที่ต้องอธิบาย ขั้นแรก เราประกอบฐานและแขนแรก จากนั้นแขนที่สองไปยังแขนแรก และสุดท้ายจับที่แขนที่สอง

การประกอบฐานและแขนแรก:

ขั้นแรก ผู้ใช้ต้องประกอบชิ้นส่วนต่อไปนี้แยกกัน:

- ข้อต่อทั้งสองข้างมีแบริ่งอยู่ข้างใน

- การรองรับของมอเตอร์ด้วยมอเตอร์และรอกขนาดเล็ก

- การรองรับแบบสมมาตรสำหรับรอกขนาดเล็ก

-เพลาเหลี่ยม ลูกรอกใหญ่ แขน และแคลมป์

- แบริ่ง "แรงตึง" รองรับแผ่นรองรับ จากนั้นเพิ่มแบริ่งและเพลา

ตอนนี้ ทุกแอสเซมบลีย่อยพร้อมสำหรับการเชื่อมต่อเข้าด้วยกัน

หมายเหตุ: เพื่อให้แน่ใจว่าเราได้รับแรงตึงในสายพานที่เราต้องการ ตำแหน่งของมอเตอร์บนพื้นฐานสามารถปรับได้ เรามีรูที่ยาวขึ้นเพื่อให้ระยะห่างระหว่างรอกเพิ่มขึ้นหรือลดลง และเมื่อเราตรวจสอบว่า แรงตึงกำลังดี เราติดมอเตอร์เข้ากับฐานด้วยสลักเกลียวและยึดให้เรียบร้อย นอกจากนี้ แบริ่งยังได้รับการแก้ไขบนฐานซึ่งทำให้เกิดแรงบนสายพานเพื่อเพิ่มความตึงเครียด ดังนั้นเมื่อสายพานเคลื่อน แบริ่งจะหมุน และไม่มีปัญหาเรื่องแรงเสียดทาน

การประกอบแขนที่สองเป็นแขนแรก:

ต้องประกอบชิ้นส่วนแยกกัน:

-แขนขวา พร้อมมอเตอร์ ส่วนรองรับ รอก และลูกปืนและส่วนรองรับ ใส่สกรูเพื่อยึดรอกกับเพลาเช่นเดียวกับส่วนก่อนหน้า

- แขนซ้ายพร้อมแบริ่งสองตัวและตัวรองรับ

- รอกขนาดใหญ่สามารถเลื่อนบนเพลาหกเหลี่ยมตลอดจนแขนท่อนบน และแคลมป์ที่ออกแบบมาเพื่อยึดตำแหน่ง

จากนั้นเราก็มีแขนที่สองพร้อมที่จะวางในตำแหน่งของมัน มอเตอร์ของแขนที่สองถูกวางไว้บนอันแรก ตำแหน่งของมันยังปรับได้เพื่อให้ได้แรงตึงที่สมบูรณ์แบบและหลีกเลี่ยงการลื่นไถลของสายพาน จากนั้นมอเตอร์จะได้รับการแก้ไขด้วย เข็มขัดที่ตำแหน่งนี้

การประกอบกริปเปอร์:

การประกอบกริปเปอร์นี้ทำได้ง่ายและรวดเร็ว สำหรับการประกอบครั้งก่อนนั้น สามารถประกอบชิ้นส่วนเพียงตัวเดียวก่อนจะติดเข้ากับแขนเต็ม:

- ติดกรามที่กำลังเคลื่อนที่กับเพลาของมอเตอร์โดยใช้ชิ้นส่วนพลาสติกที่มาพร้อมกับมอเตอร์

- ขันมอเตอร์เข้ากับส่วนรองรับ

-ขันสกรูส่วนรองรับของเซ็นเซอร์เข้ากับส่วนรองรับของกริปเปอร์

-ใส่เซ็นเซอร์ในการสนับสนุน

- วางวัสดุที่อ่อนนุ่มไว้บนกริปเปอร์ แล้วติดส่วนที่พิมพ์ 3 มิติทับไว้

สามารถประกอบกริปเปอร์เข้ากับแขนที่สองได้อย่างง่ายดาย เพียงใช้ชิ้นส่วนเครื่องตัดเลเซอร์ที่รองรับฐานของด้ามจับที่แขน

สิ่งที่สำคัญที่สุดคือการปรับใบมีดที่ด้านบนของแขนและระยะที่ใบมีดอยู่นอกกริปเปอร์ ดังนั้นจึงทำโดยการลองผิดลองถูกจนกระทั่งเราไปถึงตำแหน่งที่มีประสิทธิภาพที่สุดสำหรับใบมีดที่จะตัดและ การจับต้องเกิดขึ้นเกือบพร้อมกัน

ขั้นตอนที่ 6: การเชื่อมต่อส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์

ในวงจรนี้ เรามีเซอร์โวมอเตอร์ 3 ตัว เซ็นเซอร์อัลตราโซนิก 1 ตัว ปุ่มกด 1 อัน Arduino และแหล่งจ่ายไฟ

เอาต์พุตของพาวเวอร์ซัพพลายสามารถปรับได้ตามต้องการ และเนื่องจากเซอร์โวและอัลตราโซนิกทั้งหมดทำงานที่ 5 โวลต์ ดังนั้นจึงไม่จำเป็นต้องใช้ตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้า เราจึงควบคุมเอาต์พุตของพาวเวอร์ซัพพลายให้เป็น 5V ได้เท่านั้น

แต่ละเซอร์โวจะต้องเชื่อมต่อกับ Vcc(+5V) กราวด์ และสัญญาณ เซ็นเซอร์อัลตราโซนิกมี 4 พิน อันหนึ่งเชื่อมต่อกับ Vcc หนึ่งอันสำหรับกราวด์ และอีกสองพินนั้นเป็นทริกเกอร์และพินเอคโค่ พวกมันจะต้องเชื่อมต่อกับพินดิจิทัล ปุ่มกดเชื่อมต่อกับกราวด์และพินดิจิตอล

สำหรับ Arduino จะต้องพูดถึงพลังงานจากแหล่งพลังงาน มันไม่สามารถจ่ายไฟจากแล็ปท็อปหรือสายเคเบิลได้ มันควรจะมีกราวด์เดียวกันกับส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์ที่เชื่อมต่ออยู่

!!หมายเหตุสำคัญ!!:

- คุณควรเพิ่มตัวแปลงไฟและจ่ายไฟให้กับ Vin ด้วย 7V

- โปรดตรวจสอบให้แน่ใจว่าด้วยการเชื่อมต่อนี้ คุณควรถอดพอร์ต Arduino ออกจากพีซีของคุณเพื่อเบิร์น มิฉะนั้น คุณไม่ควรใช้พินเอาต์พุต 5V เป็นอินพุต

ขั้นตอนที่ 7: รหัส Arduino และผังงาน

เป้าหมายของแขนกลหุ่นยนต์นี้ที่มีกริปเปอร์คือการรวบรวมมะนาวแล้วนำไปไว้ที่อื่น ดังนั้นเมื่อหุ่นยนต์เปิดอยู่ เราต้องกดปุ่มสตาร์ทแล้วไปยังตำแหน่งที่พบมะนาวได้ เมื่อจับมะนาว กริปเปอร์จะไปที่ตำแหน่งสุดท้ายเพื่อใส่มะนาวเข้าที่ เราเลือกตำแหน่งสุดท้ายที่ระดับแนวนอน ซึ่งแรงบิดที่ต้องการสูงสุด เพื่อพิสูจน์ว่ากริปเปอร์มีความแข็งแรงเพียงพอ

หุ่นยนต์เข้าถึงมะนาวได้อย่างไร:

ในโครงการที่เราทำ เราเพียงแค่ขอให้หุ่นยนต์ขยับแขนไปยังตำแหน่งที่เราใส่มะนาว มีอีกวิธีหนึ่งในการทำเช่นนั้น คุณสามารถใช้ inverse kinetics เพื่อขยับแขน โดยให้พิกัด (x, y) ของมะนาวแก่มัน และคำนวณว่ามอเตอร์แต่ละตัวต้องหมุนเท่าไหร่เพื่อให้กริปเปอร์ไปถึงมะนาว. โดยที่ state=0 คือเมื่อไม่ได้กดปุ่มสตาร์ทเพื่อให้แขนอยู่ที่ตำแหน่งเริ่มต้นและหุ่นยนต์ไม่ขยับ ขณะที่ state=1 คือเมื่อเรากดปุ่มสตาร์ทและหุ่นยนต์เริ่มทำงาน

จลนศาสตร์ผกผัน:

ในรูปมีตัวอย่างการคำนวณจลนศาสตร์ผกผัน คุณสามารถเห็นภาพร่างสามแบบ แบบหนึ่งสำหรับตำแหน่งเริ่มต้น และอีกสองแบบสำหรับตำแหน่งสุดท้าย อย่างที่คุณเห็น สำหรับตำแหน่งสุดท้าย ไม่ว่าจะอยู่ที่ไหน มีความเป็นไปได้สองทาง ศอกขึ้น และ ศอกลง คุณสามารถเลือกอะไรก็ได้ที่คุณต้องการ

ยกตัวอย่าง ในการทำให้หุ่นยนต์เคลื่อนที่ไปยังตำแหน่งของมัน จะต้องคำนวณสองมุม คือ theta1 และ theta2 ในรูปนั้น คุณยังเห็นขั้นตอนและสมการในการคำนวณ theta1 และ theta2

โปรดทราบว่าหากพบสิ่งกีดขวางที่ระยะน้อยกว่า 10 ซม. มะนาวจะถูกจับและจับโดยกริปเปอร์ ในที่สุดเราต้องส่งมันไปยังตำแหน่งสุดท้าย

ขั้นตอนที่ 8: เรียกใช้ Robot

หลังจากที่เราทำไปก่อนหน้านี้แล้ว ต่อไปนี้คือวิดีโอของหุ่นยนต์ที่ทำงาน โดยมีเซ็นเซอร์ ปุ่มกด และทุกอย่างทำงานตามที่ควรจะเป็น เรายังทำการทดสอบการสั่นของหุ่นยนต์ เพื่อให้แน่ใจว่ามีความเสถียรและเดินสายได้ดี

ขั้นตอนที่ 9: สรุป

โครงการนี้ทำให้เรามีประสบการณ์ที่ดีในการจัดการกับโครงการดังกล่าว อย่างไรก็ตาม หุ่นยนต์ตัวนี้สามารถปรับเปลี่ยนได้และมีค่าเพิ่มเติมบางอย่าง เช่น การตรวจจับวัตถุเพื่อตรวจจับมะนาว หรืออาจมีอิสระระดับที่สามเพื่อให้สามารถเคลื่อนที่ไปมาระหว่างต้นไม้ได้ นอกจากนี้เรายังสามารถทำให้มันถูกควบคุมโดยแอปพลิเคชันมือถือหรือโดยแป้นพิมพ์เพื่อให้เราย้ายตามที่เราต้องการ เราหวังว่าคุณจะชอบโครงการของเราและขอขอบคุณเป็นพิเศษกับผู้บังคับบัญชาที่ Fablab ที่ช่วยเรา