แขนหุ่นยนต์พิมพ์ 3 มิติ Moslty ที่เลียนแบบตัวควบคุมหุ่น: 11 ขั้นตอน (พร้อมรูปภาพ)

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

ฉันเป็นนักศึกษาวิศวกรรมเครื่องกลจากอินเดียและนี่คือโครงการระดับปริญญาตรีของฉัน

โปรเจ็กต์นี้มุ่งเน้นที่การพัฒนาแขนหุ่นยนต์ต้นทุนต่ำซึ่งส่วนใหญ่เป็นการพิมพ์ 3 มิติและมี DOF 5 ตัวพร้อมกริปเปอร์ 2 นิ้ว แขนหุ่นยนต์ถูกควบคุมด้วยตัวควบคุมหุ่นซึ่งเป็นรุ่นเดสก์ท็อปของแขนหุ่นยนต์ที่มีองศาอิสระเดียวกันกับข้อต่อที่มีเซ็นเซอร์ติดตั้งอยู่ การควบคุมด้วยมือทำให้แขนหุ่นยนต์เลียนแบบการเคลื่อนไหวในแบบมาสเตอร์-สเลฟ.. ระบบใช้โมดูล ESP8266 WiFi เป็นสื่อกลางในการส่งข้อมูล ส่วนต่อประสานผู้ปฏิบัติงานหลัก - ทาสให้วิธีการที่ง่ายต่อการเรียนรู้สำหรับการจัดการแขนหุ่นยนต์ Nodemcu(Esp8266) ใช้เป็นไมโครคอนโทรลเลอร์

จุดมุ่งหมายเบื้องหลังโครงการนี้คือการพัฒนาหุ่นยนต์ต้นทุนต่ำที่สามารถใช้เพื่อการศึกษา แต่น่าเสียดายที่เทคโนโลยีหุ่นยนต์ดังกล่าวซึ่งกำลังปฏิวัติโลกสมัยใหม่สามารถเข้าถึงได้จำกัดเฉพาะบางสถาบันเท่านั้น เรามุ่งหวังที่จะพัฒนาและสร้างโครงการโอเพ่นซอร์สนี้ เพื่อให้บุคคลสามารถสร้าง แก้ไข และสำรวจได้ด้วยตนเอง เนื่องจากเป็นโอเพ่นซอร์สที่มีต้นทุนต่ำและเต็มรูปแบบ จึงอาจเป็นแรงบันดาลใจให้เพื่อนนักเรียนเรียนรู้และสำรวจสาขานี้

เพื่อนร่วมโครงการของฉัน:

• ศุภม ลิขฺขร
• นิฮิล โคเร
• ปาแลช โลนาเร

ขอขอบคุณเป็นพิเศษกับ:

• Akash Narkhede
• รามโบคาเด้
• Ankit korde

สำหรับความช่วยเหลือในโครงการนี้

ข้อจำกัดความรับผิดชอบ: ฉันไม่เคยวางแผนที่จะเขียนบล็อกหรือสอนเกี่ยวกับโครงการนี้เนื่องจากฉันไม่มีข้อมูลเพียงพอสำหรับการจัดทำเอกสารในขณะนี้ ความพยายามนี้ทำขึ้นเป็นเวลานานหลังจากเริ่มโครงการ ฉันยังคงพยายามอย่างหนักที่จะนำรายละเอียดมาให้มากที่สุด เพื่อให้เข้าใจมากขึ้น คุณอาจพบว่ามันไม่สมบูรณ์ในบางจุด…หวังว่าคุณจะเข้าใจ:) ฉันจะรวมวิดีโอ youtube ที่แสดงการทำงานและการทดสอบอื่น ๆ ในไม่ช้า

ขั้นตอนที่ 1: มันทำงานอย่างไร

นี่คือสิ่งที่น่าตื่นเต้นที่สุดสำหรับฉันเกี่ยวกับโครงการนี้

(ฉันไม่ได้อ้างว่าเป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพหรือถูกต้องเพื่อใช้ในเชิงพาณิชย์เพื่อการศึกษาเท่านั้น)

คุณอาจเคยเห็นหุ่นยนต์ราคาถูกที่มีเซอร์โวมอเตอร์ซึ่งใช้สำหรับสาธิตเท่านั้น ในทางกลับกัน มีหุ่นยนต์สเต็ปเปอร์มอเตอร์ราคาแพงที่มีกระปุกเกียร์ของดาวเคราะห์ ฯลฯ แต่หุ่นยนต์ตัวนี้มีความสมดุลระหว่างพวกเขา

แล้วมันต่างกันยังไง?

การก่อสร้าง:

แทนที่จะใช้พลังงานต่ำและสเต็ปเปอร์มอเตอร์ที่มีราคาสูง ฉันใช้มอเตอร์ Dc แต่อย่างที่เราทราบดีว่ามอเตอร์ Dc ไม่มีระบบควบคุมป้อนกลับ และไม่สามารถใช้โดยตรงสำหรับการควบคุมตำแหน่ง ฉันจึงปิดมันลงในเซอร์โวมอเตอร์โดยการเพิ่มโพเทนชิออมิเตอร์เป็นเซ็นเซอร์ป้อนกลับ/ตำแหน่ง

เพื่อความง่ายในการทำงานที่ฉันทำ ฉันจำลองเซอร์โว 9g ราคาถูกถอดวงจรออก และแทนที่มอเตอร์ Dc ด้วยมอเตอร์ dc แรงบิดสูงและหม้อขนาดเล็กที่มีสิ่งที่ฉันมีสำหรับหุ่นยนต์ การทำเช่นนี้ทำให้ฉันใช้ไลบรารีเริ่มต้นใน Arduino คุณไม่อยากเชื่อเลยว่าการเข้ารหัสที่ง่ายขึ้นมาก!

สำหรับการขับมอเตอร์ DC 12V พร้อมชิปเซอร์โว 5V ฉันใช้โมดูลไดรเวอร์มอเตอร์ L298N ซึ่งสามารถขับมอเตอร์ได้ 2 ตัวพร้อมกัน โมดูลนี้มีพินอินพุต 4 ตัว IN1 ถึง IN4 ซึ่งกำหนดทิศทางของการหมุนของมอเตอร์ โดยที่ IN1 และ IN2 สอดคล้องกับมอเตอร์ตัวที่ 1 และ IN3 IN4 ถึงมอเตอร์ตัวที่ 2 ดังนั้นขั้วเอาต์พุต (2) ของชิปเซอร์โว (แต่เดิมเป็นมอเตอร์กระแสตรงขนาดเล็ก) เชื่อมต่อกับ IN1 และ IN2 ของเอาต์พุตโมดูล L298N ซึ่งเชื่อมต่อกับมอเตอร์ DC 12V

การทำงาน:

ด้วยวิธีนี้เมื่อเพลามอเตอร์ไม่อยู่ที่โพเทนชิออมิเตอร์ตำแหน่งเป้าหมายจะส่งค่ามุมไปยังชิปเซอร์โวซึ่งสั่งให้โมดูล L298N ขับเคลื่อน Cw หรือ CCW โดยที่มอเตอร์ 12V Dc จะหมุนตามคำสั่งที่ได้รับจากไมโครคอนโทรลเลอร์

แผนผังแสดงในรูป (สำหรับ 1 มอเตอร์เท่านั้น)

ในกรณีของเรา คำสั่ง (ค่ามุมร่วม) จะถูกส่งผ่านตัวควบคุมหุ่นกระบอก ซึ่งลดขนาดสำเนาของหุ่นยนต์จริง 10 เท่า และมีโพเทนชิโอมิเตอร์เชื่อมต่อที่ข้อต่อแต่ละส่วนผ่าน NODEMCU (ESP8266) เหนือค่าของเครือข่ายทั้งหมด ROBOT JOINT ซึ่งมอเตอร์ร่วมแต่ละตัวพยายามที่จะครอบครอง

ที่ข้อต่อแต่ละข้อ โพเทนชิออมิเตอร์จะเชื่อมต่อกับเพลาข้อต่อโดยใช้กลไกรอกของสายพาน เมื่อข้อต่อหมุน โพเทนชิออมิเตอร์จะหมุนตามกันและให้ข้อเสนอแนะเกี่ยวกับตำแหน่งปัจจุบันของมุมข้อต่อ (แสดงในรูปภาพด้านบน)

ขั้นตอนที่ 2: ส่วนประกอบที่ใช้:

อย่างที่ฉันบอกว่าฉันยังคงทำงานและปรับปรุงอยู่ทุกวัน ดังนั้นส่วนประกอบเหล่านี้อาจแตกต่างกันในการอัปเดตในอนาคตบางอย่าง

เป้าหมายของฉันคือการทำให้มันประหยัดที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ดังนั้นฉันจึงใช้ส่วนประกอบที่เลือกสรรมาอย่างดี นี่คือรายการส่วนประกอบหลักที่ใช้ใน Arm til date (ฉันจะอัปเดตต่อไปในอนาคต)

1. Esp8266 (2x)
2. มอเตอร์กระแสตรง (ที่มีข้อกำหนดแตกต่างกัน แรงบิดและความเร็ว 5x)
3. โมดูลตัวขับมอเตอร์ L298N (2x)
4. โพเทนชิออมิเตอร์ (8x)
5. ช่องอลูมิเนียม (30x30, 1 เมตร)
6. ฮาร์ดแวร์เบ็ดเตล็ด

ขั้นตอนที่ 3: การคำนวณและการออกแบบแขน

สำหรับการออกแบบแขน ผมใช้ซอฟต์แวร์ catia v5 ก่อนเริ่มขั้นตอนการออกแบบ สิ่งแรกคือการคำนวณความยาวของข้อต่อและแรงบิดที่ข้อต่อแต่ละข้อต้องคงไว้

อันดับแรก ฉันเริ่มต้นด้วยสมมติฐานบางอย่างซึ่งรวมถึง:

1. น้ำหนักบรรทุกสูงสุดสำหรับหุ่นยนต์จะอยู่ที่ 500 กรัม (1.1 ปอนด์)
2. ระยะการเข้าถึงทั้งหมดของหุ่นยนต์จะอยู่ที่ 500 mm
3. น้ำหนักหุ่นยนต์ไม่เกิน 3 กก.

การคำนวณความยาวของลิงค์

ต่อจากนี้ ฉันคำนวณความยาวลิงก์โดยอ้างอิงจากงานวิจัย "การออกแบบแขนหุ่นยนต์โดย I. M. H. van Haaren"

ไอ.เอ็ม.เอช. ฟาน ฮาเรน ได้ยกตัวอย่างที่ดีว่าเขากำหนดความยาวของลิงค์โดยใช้การอ้างอิงทางชีววิทยา ซึ่งความยาวของส่วนต่างๆ ของร่างกายที่สำคัญจะแสดงเป็นเศษส่วนของความสูงทั้งหมด แสดงในรูปที่

หลังจากคำนวณความยาวลิงค์ออกมาเป็น

L1=274 มม.

L2=215mm

L3=160mm

ความยาวของกริปเปอร์=150mm

การคำนวณแรงบิด:

การคำนวณแรงบิด ฉันใช้แนวคิดพื้นฐานของแรงบิดและโมเมนต์ที่ใช้ในงานวิศวกรรม

โดยไม่ต้องทำการคำนวณแบบไดนามิก ฉันใช้การคำนวณแรงบิดแบบคงที่เท่านั้นเนื่องจากข้อจำกัดบางประการ

มีผู้เล่นหลัก 2 คนที่ฉันใช้แรงบิดเป็น T=FxR เช่นในกรณีของเราโหลด (มวล) และความยาวของลิงค์เนื่องจากความยาวของลิงค์ถูกกำหนดแล้วสิ่งต่อไปคือการหาน้ำหนักของส่วนประกอบในขั้นตอนนี้ฉันไม่แน่ใจว่าฉันจะหาได้อย่างไร น้ำหนักของแต่ละองค์ประกอบโดยไม่ต้องวัดจริง

ดังนั้นฉันจึงคำนวณซ้ำ

1. ฉันถือว่าช่องอลูมิเนียมเป็นวัสดุที่สม่ำเสมอตลอดความยาวและแบ่งน้ำหนักของชิ้นทั้งหมด 1 เมตรด้วยความยาวของชิ้นที่ฉันจะใช้
2. สำหรับข้อต่อ ฉันถือว่าค่าบางอย่างสำหรับแต่ละข้อต่อ (น้ำหนักมอเตอร์ + น้ำหนักของชิ้นส่วนที่พิมพ์ 3 มิติ + อื่นๆ) ตามสมมติฐานน้ำหนักหุ่นยนต์ทั้งหมด
3. 2 ขั้นตอนก่อนหน้านี้ให้ค่าแรงบิดร่วมการทำซ้ำครั้งแรกแก่ฉัน สำหรับค่าเหล่านี้ ฉันพบมอเตอร์ที่เหมาะสมบนอินเทอร์เน็ตพร้อมกับข้อกำหนดและน้ำหนักอื่นๆ
4. ในการทำซ้ำครั้งที่ 2 ฉันใช้ตุ้มน้ำหนักดั้งเดิมของมอเตอร์ (ซึ่งฉันพบในขั้นตอนที่ 3) และคำนวณแรงบิดคงที่สำหรับแต่ละข้อต่ออีกครั้ง
5. หากค่าแรงบิดสุดท้ายในขั้นตอนที่ 4 เหมาะสมสำหรับมอเตอร์ที่เลือกในขั้นตอนที่ 3 ฉันสรุปว่ามอเตอร์นั้นทำขั้นตอนที่ 3 และ 4 ซ้ำจนกว่าค่าที่กำหนดจะตรงตามข้อกำหนดของมอเตอร์จริง

การออกแบบแขน:

นี่เป็นงานที่เป็นระเบียบเรียบร้อยที่สุดของโครงการทั้งหมด และใช้เวลาเกือบหนึ่งเดือนในการออกแบบ อย่างไรก็ตาม ฉันได้แนบรูปถ่ายของโมเดล CAD ฉันจะทิ้งลิงก์เพื่อดาวน์โหลดไฟล์ CAD เหล่านี้ไว้ที่ใดที่หนึ่งที่นี่:

ขั้นตอนที่ 4: การพิมพ์ชิ้นส่วน 3 มิติ

ชิ้นส่วนทั้งหมดเป็นรอยต่อที่พิมพ์ 3 มิติบนเครื่องพิมพ์ 99$ ที่มีพื้นที่การพิมพ์ 100x100x100 มม. (ใช่ จริงอยู่!!)

เครื่องพิมพ์: Easy threed X1

ฉันได้รวมรูปภาพชิ้นส่วนหลักออกจากตัวแบ่งส่วนข้อมูลแล้ว และฉันจะลิงก์ไปยังไฟล์ CAD ทุกส่วน catfile รวมถึง stl เพื่อให้คุณสามารถดาวน์โหลดและแก้ไขตามที่คุณต้องการ

ขั้นตอนที่ 5: การประกอบข้อต่อไหล่ (ข้อต่อ J1 & J2)

พูลลลี่ฐานถูกพิมพ์บนเครื่องพิมพ์อีกเครื่องหนึ่งเนื่องจากมีเส้นผ่านศูนย์กลาง 160 มม. ฉันออกแบบข้อต่อไหล่เพื่อให้สามารถขับเคลื่อนได้ (หมุนรอบแกน z) ด้วยกลไกลูกรอกสายพานหรือเฟืองเกียร์ ซึ่งคุณสามารถดูได้จากรูปภาพ ด้านบน ส่วนด้านล่างเป็นตำแหน่งที่แบริ่งพอดีซึ่งติดตั้งบนเพลากลางบนแท่นที่ทำขึ้นเพื่อขยับแขน (ถัง มากกว่านี้ในอนาคต)

เฟืองที่ใหญ่กว่า (ในภาพสีเหลือง) ติดตั้งบนช่องอะลูมิเนียมพร้อมน๊อตน๊อต โดยผ่านเพลาเหล็ก 8 มม. เข้าไปที่ข้อต่อ 2 ขยับ อัตราทดเกียร์ที่ข้อต่อที่ 1 คือ 4:1 และข้อต่อที่ 2 เท่ากับ 3.4:1

ขั้นตอนที่ 6: ข้อศอกและข้อต่อ (ข้อต่อ J3)

(ภาพบางส่วนสร้างขึ้นหลังจากสร้างเสร็จ เนื่องจากผมไม่มีภาพกระบวนการที่สมบูรณ์)

ข้อข้อศอกคือหนึ่งต่อหลังจากข้อไหล่ มันเป็นข้อต่อ 2 ชิ้นหนึ่งเชื่อมต่อเพื่อเชื่อมโยงหนึ่งและอีกชิ้นหนึ่งไปยังข้อต่อ 2

ชิ้นที่ 1 มีมอเตอร์ดีซีพร้อมปีกนกขับเคลื่อน และชิ้นที่ 2 มีเฟืองที่ใหญ่กว่าและแบริ่งคู่เพื่อรองรับเพลา อัตราทดเกียร์เท่ากับ J2 คือ 3.4:1 แต่มอเตอร์ 12.5 KG-CM 60 RPM

Joint J3 มีช่วงการเคลื่อนไหว 160 องศา

ขั้นตอนที่ 7: ข้อต่อข้อมือ (ข้อต่อ J4 & J5)

(ภาพบางส่วนสร้างขึ้นหลังจากสร้างเสร็จ เนื่องจากผมไม่มีภาพกระบวนการที่สมบูรณ์)

หลังจากที่ข้อต่อข้อศอกเป็นข้อต่อข้อมือ ซึ่งอีกครั้งประกอบด้วย 2 ชิ้นที่ข้อต่อก่อนหน้า (เช่นลิงค์ 2) และอีกหนึ่งชิ้นประกอบด้วย J5 motot ซึ่งหมุนการประกอบข้อมือ อัตราทดเกียร์ 1.5: 1 และมอเตอร์ DC ที่ใช้คือ 10 RPM 8 KG -ซม.

ข้อต่อ J4 นี้มีช่วงการหมุน 90 องศาและ J5 มี 360 องศา

ขั้นตอนที่ 8: กริปเปอร์

นี่เป็นงานออกแบบที่ยากที่สุดงานหนึ่ง มันถูกออกแบบให้หยิบสิ่งของได้มากที่สุดและจับสิ่งของรอบตัวเราได้เกือบทั้งหมด เช่น สลักประตู ที่จับ ราวจับ เป็นต้น

ดังแสดงในรูปภาพ เฟืองเกลียวที่ติดอยู่กับตัวขับมอเตอร์กับเฟืองตามเข็มนาฬิกาหรือทวนเข็มนาฬิกาซึ่งเชื่อมต่อกับนิ้วเพื่อเปิดและปิด

ทุกส่วนของกริปเปอร์แสดงอยู่ในรูปภาพที่แนบมา

ขั้นตอนที่ 9: การสร้าง Puppet Controller สำหรับ Robotic Arm

Puppet controller เป็นรุ่นที่ลดขนาดลงของแขนหุ่นยนต์จริง 10 เท่า มีโพเทนชิโอมิเตอร์ 4 ตัวติดตั้งอยู่ที่ 4 ข้อต่อ ได้แก่ J1, J2, J3, J4 และ Joint J5 จะทำงานด้วยปุ่มกดสำหรับการหมุนอย่างต่อเนื่อง (การหมุนของกริปเปอร์สำหรับใด ๆ การดำเนินการ)

โพเทนชิโอมิเตอร์จะตรวจจับมุมของการหมุนของข้อต่อและส่งค่านี้ระหว่าง 1-1023 ไปยัง Nodemcu ซึ่งจะถูกแปลงกลับไปเป็น 1-360 และส่งไปยัง Nodemcu อื่นผ่าน wifi เนื่องจาก ESP8266 มีอินพุตแบบอะนาล็อกเพียงอินพุตเดียว ฉันจึงใช้มัลติเพล็กเซอร์ 4051

กวดวิชาสำหรับการใช้ 4051 มัลติเพล็กเซอร์กับ esp8266 -

แผนภาพ:

ฉันจะเพิ่มแผนผังทันทีที่ฉันทำเสร็จ (หากใครต้องการติดต่อฉันอย่างเร่งด่วนจนถึงตอนนี้)

รหัส:(รวมอยู่ที่นี่ด้วย)

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

ขั้นตอนที่ 10: อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์

ฉันกำลังแนบรูปภาพของงานปัจจุบัน อิเล็กทรอนิคส์เต็มรูปแบบและไดอะแกรมยังไม่สมบูรณ์ ฉันจะโพสต์การอัปเดตในไม่ช้าจนกว่าจะเชื่อมต่อ:)

(หมายเหตุ: โปรเจ็กต์นี้ยังไม่แล้วเสร็จ ฉันจะติดตามการปรับปรุงใด ๆ ในอนาคต)

ขั้นตอนที่ 11: รหัสและแผนผังในที่เดียว

ฉันจะทำแผนผังหุ่นยนต์แบบเต็มและรหัสสุดท้ายทันทีที่ฉันทำเสร็จ!