DIY แขนหุ่นยนต์ 6 แกน (พร้อมสเต็ปเปอร์มอเตอร์): 9 ขั้นตอน (พร้อมรูปภาพ)

2025 ผู้เขียน: John Day | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2025-01-23 15:12

หลังจากกว่าหนึ่งปีของการศึกษา ต้นแบบและความล้มเหลวต่างๆ ฉันก็สามารถสร้างหุ่นยนต์เหล็ก/อลูมิเนียมที่มีอิสระ 6 องศาที่ควบคุมโดยสเต็ปเปอร์มอเตอร์

ส่วนที่ยากที่สุดคือการออกแบบ เพราะฉันต้องการบรรลุวัตถุประสงค์พื้นฐาน 3 ประการ:

• ต้นทุนการผลิตต่ำ
• ประกอบง่ายแม้ใช้อุปกรณ์เพียงเล็กน้อย
• ความแม่นยำที่ดีเมื่อเคลื่อนที่

ฉันออกแบบโมเดล 3 มิติกับแรดหลายครั้งจนกระทั่ง (ในความคิดของฉัน) เป็นการประนีประนอมที่ดีซึ่งตรงตามข้อกำหนด 3 ประการ

ฉันไม่ใช่วิศวกร และก่อนหน้าโครงการนี้ ฉันไม่มีประสบการณ์ในด้านวิทยาการหุ่นยนต์ ดังนั้นผู้ที่มีประสบการณ์มากกว่าฉันจะสามารถพบข้อบกพร่องในการออกแบบในสิ่งที่ฉันทำ แต่ฉันยังคงสามารถพูดได้ว่าฉันพอใจกับผลลัพธ์สุดท้ายที่ได้รับ

เสบียง

สำหรับข้อมูลเพิ่มเติมโปรดเยี่ยมชมบล็อกส่วนตัวของฉัน

ขั้นตอนที่ 1: การออกแบบ CAD

ก่อนมาถึงรุ่นสุดท้าย ฉันได้ออกแบบต้นแบบที่แตกต่างกันอย่างน้อย 8 ตัวพร้อมระบบส่งกำลังที่แตกต่างกัน แต่ไม่มีสิ่งใดที่ตรงตามข้อกำหนด 3 ประการที่อธิบายไว้ข้างต้น

รวบรวมวิธีแก้ปัญหาทางกลของต้นแบบทั้งหมดที่สร้างขึ้น (และยอมรับการประนีประนอมบางอย่าง) รุ่นสุดท้ายออกมา ฉันไม่ได้นับชั่วโมงที่ฉันใช้ไปต่อหน้า CAD แต่ฉันรับรองได้ว่ามีจำนวนมากจริงๆ

แง่มุมหนึ่งที่ต้องคำนึงถึงในขั้นตอนการออกแบบคือ การเพิ่มน้ำหนักเพียงกรัมเดียวที่ปลายข้อมือของหุ่นยนต์ก็ถูกคูณด้วยค่าความต้านทานแรงบิดของมอเตอร์ที่ฐาน ดังนั้นจึงเพิ่มน้ำหนักมากขึ้นและมีมอเตอร์มากขึ้น จะต้องคำนวนเพื่ออดทนต่อความพยายาม

เพื่อ "ช่วย" เครื่องยนต์ให้ทนต่อความเครียด ฉันใช้ลูกสูบแก๊สขนาด 250N และ 150N

ฉันคิดว่าจะลดต้นทุนด้วยการสร้างหุ่นยนต์ด้วยแผ่นเหล็กตัดด้วยเลเซอร์ (C40) และอลูมิเนียมที่มีความหนาตั้งแต่ 2, 3, 5, 10 มม. การตัดด้วยเลเซอร์มีราคาถูกกว่าการกัดโลหะ 3 มิติมาก

หลังจากออกแบบส่วนประกอบแต่ละชิ้นแล้ว ฉันสร้างรูปร่างของชิ้นส่วนใน.dxf และส่งไปยังศูนย์ตัด ส่วนประกอบที่เหลือทั้งหมดทำด้วยตัวเองที่เครื่องกลึง

ขั้นตอนที่ 2: การเตรียมและการประกอบ

ในที่สุดก็ถึงเวลาทำให้มือฉันสกปรก (นั่นคือสิ่งที่ฉันทำได้ดีที่สุด) …

ขั้นตอนการก่อสร้างใช้เวลาหลายชั่วโมงในการเตรียมชิ้นงาน การเจาะรู ข้อต่อ เกลียว และการหมุนดุมล้อแบบแมนนวล ความจริงของการออกแบบส่วนประกอบทุกชิ้นเพื่อให้สามารถทำงานกับเครื่องมือทำงานเพียงไม่กี่ชิ้น ทำให้ฉันไม่มีปัญหาเรื่องเซอร์ไพรส์หรือปัญหาทางกลไกครั้งใหญ่

สิ่งที่สำคัญที่สุดคือไม่รีบร้อนที่จะทำสิ่งต่าง ๆ ให้เสร็จ แต่ให้รอบคอบและปฏิบัติตามทุกบรรทัดของโครงการ การด้นสดในขั้นตอนนี้ไม่เคยนำไปสู่ผลลัพธ์ที่ดี

การตระหนักถึงเบาะนั่งแบริ่งมีความสำคัญอย่างยิ่ง เนื่องจากข้อต่อแต่ละข้อยึดไว้ และแม้แต่การเล่นเพียงเล็กน้อยเพียงไม่กี่เปอร์เซ็นต์ก็อาจส่งผลต่อความสำเร็จของโครงการได้

ฉันพบว่าตัวเองต้องทำหมุดใหม่เพราะด้วยเครื่องกลึงฉันได้เอารูที่เล็กกว่ารูแบริ่งออกประมาณ 5 เซ็นต์ และเมื่อฉันพยายามจะยึดมัน เกมก็ชัดเจนอย่างมหึมา

เครื่องมือที่ฉันใช้เตรียมชิ้นส่วนทั้งหมดคือ:

• สว่านกด
• เครื่องบด / เดรเมล
• หินลับ
• ไฟล์คู่มือ
• กลึง
• แป้นภาษาอังกฤษ

ฉันเข้าใจว่าไม่ใช่ทุกคนที่สามารถมีเครื่องกลึงที่บ้านได้ และในกรณีนี้ จำเป็นต้องส่งชิ้นส่วนไปยังศูนย์เฉพาะทาง

ฉันได้ออกแบบชิ้นงานให้ตัดด้วยเลเซอร์โดยมีข้อต่อจำนวนมากขึ้นเล็กน้อย เพื่อให้สามารถตกแต่งมันได้ด้วยมือ เนื่องจากเลเซอร์จะแม่นยำมากน้อยเพียงใด ทำให้เกิดการตัดรูปกรวย และจำเป็นต้องพิจารณาด้วย

การทำงานกับไฟล์ด้วยมือทุกๆ ข้อต่อที่ฉันทำขึ้นเพื่อสร้างการมีเพศสัมพันธ์ระหว่างชิ้นส่วนที่แม่นยำมาก

แม้แต่รูในเบาะแบริ่งที่ฉันทำให้เล็กลงแล้วคว้านด้วยมือด้วยเดรเมลและความอดทนมาก (แต่จริงๆ เยอะมาก)

เกลียวทั้งหมดที่ฉันทำขึ้นเองบนแท่นสว่านเพราะจะได้ความตั้งฉากสูงสุดระหว่างเครื่องมือกับชิ้นงาน หลังจากเตรียมชิ้นส่วนแต่ละชิ้น ช่วงเวลาแห่งความจริงที่รอคอยมานานก็มาถึง การประกอบหุ่นยนต์ทั้งหมด ฉันรู้สึกประหลาดใจที่พบว่าแต่ละชิ้นพอดีกับส่วนอื่นด้วยความคลาดเคลื่อนที่เหมาะสม

ตอนนี้หุ่นยนต์ประกอบเสร็จแล้ว

ก่อนที่จะทำอย่างอื่น ฉันชอบที่จะทำการทดสอบการเคลื่อนไหวเพื่อให้แน่ใจว่าเครื่องยนต์ได้รับการออกแบบมาอย่างเหมาะสม หากฉันพบปัญหาใด ๆ กับเครื่องยนต์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งแรงบิดที่กระชับ ฉันจะถูกบังคับให้ทำซ้ำส่วนที่ดีของโครงการ

หลังจากติดตั้งเครื่องยนต์ทั้ง 6 เครื่องแล้ว ผมก็นำหุ่นยนต์หนักไปที่ห้องทดลองใต้หลังคาเพื่อส่งไปทดสอบครั้งแรก

ขั้นตอนที่ 3: การทดสอบการเคลื่อนไหวครั้งแรก

หลังจากเสร็จสิ้นส่วนกลไกของหุ่นยนต์ ฉันประกอบอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์อย่างรวดเร็วและเชื่อมต่อเฉพาะสายเคเบิลของมอเตอร์ทั้ง 6 ตัวเท่านั้น ผลการทดสอบเป็นไปในเชิงบวกอย่างมาก ข้อต่อเคลื่อนที่ได้ดี และในมุมที่กำหนดไว้ล่วงหน้า ฉันพบปัญหาที่แก้ไขได้ง่ายสองสามข้อ.

ปัญหาแรกเกี่ยวข้องกับหมายเลขร่วม 3 ซึ่งการยืดตัวสูงสุดทำให้สายพานรับน้ำหนักมากเกินไปและบางครั้งทำให้สูญเสียขั้นตอน การแก้ปัญหานี้ได้นำฉันไปสู่ข้อโต้แย้งต่างๆ ที่เราจะได้เห็นในขั้นตอนต่อไป

ปัญหาที่สองเกี่ยวกับหมายเลขร่วม 4 การแก้ปัญหาของแรงบิดของสายพานไม่น่าเชื่อถือเกินไป และสร้างปัญหา ในขณะเดียวกัน ชิ้นส่วนที่เป็นเหล็กของหุ่นยนต์ก็เริ่มทำให้เกิดสนิมเล็กๆ ขึ้น ดังนั้นด้วยโอกาสในการแก้ปัญหา ฉันก็เลยถือโอกาสทาสีมันด้วย

ขั้นตอนที่ 4: การทาสีและการประกอบใหม่

ฉันไม่ชอบขั้นตอนการวาดภาพเป็นพิเศษ แต่ในกรณีนี้ ฉันต้องทำมันเพราะว่าฉันรักมันน้อยลง

บนเตารีด ฉันลงไพรเมอร์ที่ทำหน้าที่เป็นพื้นหลังสำหรับสีฟลูโอสีแดงก่อน

ขั้นตอนที่ 5: แก้ไขข้อผิดพลาด N.1

หลังจากผลการทดสอบ ฉันต้องทำการเปลี่ยนแปลงบางอย่างเพื่อปรับปรุงความแม่นยำของหุ่นยนต์ การดัดแปลงครั้งแรกเกี่ยวข้องกับข้อต่อ # 3 โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่ออยู่ในสภาพที่ไม่เอื้ออำนวยมากที่สุดทำให้เกิดการดึงสายพานมากเกินไปและทำให้เครื่องยนต์อยู่ภายใต้เสมอ ความเครียด. วิธีแก้ไขคือช่วยโดยใช้แรงที่ขัดกับทิศทางการหมุน

ฉันใช้เวลาทั้งคืนคิดว่าอะไรจะเป็นทางออกที่ดีที่สุดโดยไม่ต้องทำทุกอย่างอีก ตอนแรกฉันคิดว่าจะใช้สปริงทอร์ชันขนาดใหญ่ แต่เมื่อดูทางออนไลน์ก็ไม่พบสิ่งใดที่น่าพอใจ ดังนั้นฉันจึงเลือกใช้ลูกสูบแก๊ส (เนื่องจากฉันได้ออกแบบข้อต่อ # 2) แล้ว แต่ฉันยังต้องตัดสินใจว่าจะวางมันไว้ที่ไหนเพราะฉัน มีพื้นที่ไม่เพียงพอ

เลิกสนใจเรื่องความสวยงามแล้ว ฉันตัดสินใจว่าสถานที่ที่ดีที่สุดในการวางลูกสูบอยู่ด้านข้าง

ฉันคำนวณกำลังที่จำเป็นของลูกสูบโดยพิจารณาจากจุดที่ต้องใช้แรง จากนั้นฉันสั่งลูกสูบ 150 N ยาว 340 มม. บนอีเบย์ จากนั้นฉันออกแบบส่วนรองรับใหม่เพื่อให้สามารถซ่อมได้

ขั้นตอนที่ 6: แก้ไขข้อผิดพลาด N.2

การเปลี่ยนแปลงที่สองเกี่ยวข้องกับหมายเลขร่วม 4 ในตอนแรก ฉันได้วางแผนการส่งกำลังด้วยสายพานบิดเบี้ยว แต่ฉันก็ตระหนักว่าช่องว่างนั้นลดลงและสายพานก็ทำงานได้ไม่ดีเท่าที่ควร

ฉันตัดสินใจทำข้อต่อใหม่ทั้งหมดโดยการออกแบบบ่าไหล่เพื่อรับมอเตอร์ในทิศทางคู่ขนานกัน ด้วยการปรับเปลี่ยนใหม่นี้ สายพานจึงทำงานได้อย่างถูกต้องและปรับความตึงได้ง่ายขึ้นด้วย เนื่องจากผมได้ออกแบบระบบกุญแจเพื่อให้ตึงสายพานได้ง่าย

ขั้นตอนที่ 7: อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์

ชุดอิเล็กทรอนิกส์ควบคุมมอเตอร์เหมือนกับที่ใช้กับ CNC 3 แกนแบบคลาสสิก โดยมีความแตกต่างว่ามีไดรเวอร์เพิ่มขึ้น 3 ตัว และมอเตอร์อีก 3 ตัวให้จัดการ ตรรกะการควบคุมแกนทั้งหมดคำนวณโดยแอปพลิเคชัน อิเล็กทรอนิกส์มีหน้าที่แต่เพียงผู้เดียว ในการรับคำแนะนำว่ามอเตอร์จะต้องหมุนกี่องศาเพื่อไม่ให้ข้อต่อไปถึงตำแหน่งที่ต้องการ

ชิ้นส่วนที่ประกอบขึ้นเป็นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ ได้แก่:

• Arduino Mega
• NS. 6 ไดรเวอร์ DM542T
• NS. 4 รีล
• NS. 1 แหล่งจ่ายไฟ 24V
• NS. 2 โซลินอยด์วาล์ว (สำหรับแคลมป์นิวเมติก)

บน Arduino ฉันโหลดภาพสเก็ตช์ที่เกี่ยวข้องกับการจัดการการเคลื่อนไหวของมอเตอร์พร้อมกัน เช่น การเร่งความเร็ว การชะลอตัว ความเร็ว ขั้นตอน และขีดจำกัดสูงสุด และได้รับการตั้งโปรแกรมให้รับคำสั่งที่จะดำเนินการผ่านซีเรียล (USB)

เมื่อเทียบกับอุปกรณ์ควบคุมการเคลื่อนไหวระดับมืออาชีพที่ราคาสูงถึงหลายพันยูโร Arduino ด้วยวิธีเล็กๆ น้อยๆ ของตัวเองป้องกันการทำงานที่ซับซ้อนเกินไปอย่างเห็นได้ชัดเกินไป ซึ่งไม่สามารถจัดการได้ เช่น มัลติเธรดที่มีประโยชน์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อคุณต้องจัดการเครื่องยนต์หลายตัวพร้อมกัน.

ขั้นตอนที่ 8: ข้อควรพิจารณาเกี่ยวกับซอฟต์แวร์

หุ่นยนต์แต่ละตัวมีรูปร่างและมุมการเคลื่อนไหวที่แตกต่างกัน และจลนศาสตร์ของแต่ละคนก็แตกต่างกัน ในขณะนี้เพื่อทำการทดสอบ ฉันกำลังใช้ซอฟต์แวร์ของ Chris Annin (www.anninrobotics.com) แต่คณิตศาสตร์ที่เขียนขึ้นสำหรับหุ่นยนต์ของเขานั้นไม่เหมาะกับการขุดของฉันเลย อันที่จริง บางพื้นที่ของพื้นที่ทำงานที่ฉันไม่สามารถเข้าถึงได้ เพราะคำนวณมุมไม่ครบ

ตอนนี้ซอฟต์แวร์ของ Annin ใช้ได้สำหรับการทดลอง แต่ฉันจะต้องเริ่มคิดเกี่ยวกับการเขียนซอฟต์แวร์ของตัวเองที่เหมาะกับฟิสิกส์ของหุ่นยนต์ของฉัน 100% ฉันได้เริ่มทำการทดสอบโดยใช้ Blender และเขียนส่วน Python ของตัวควบคุมการเคลื่อนไหวแล้ว และดูเหมือนว่าจะเป็นทางออกที่ดี มีบางแง่มุมที่ต้องพัฒนา แต่คอมโบนี้ (Blender + Ptyhon) นั้นใช้งานง่ายมาก โดยเฉพาะอย่างยิ่งมันง่าย เพื่อวางแผนและจำลองการเคลื่อนไหวโดยไม่ต้องมีหุ่นยนต์อยู่ข้างหน้าคุณ

ขั้นตอนที่ 9: แคลมป์นิวเมติก

เพื่อให้สามารถนำสิ่งของไปยังหุ่นยนต์ได้ ฉันได้ติดตั้งตัวหนีบลมไว้

โดยส่วนตัวแล้วฉันไม่ชอบคีมที่มีเซอร์โว พวกมันไม่ให้ความมั่นใจกับฉันมากนักเกี่ยวกับซีล ดังนั้นฉันจึงคิดว่าคีมหนีบลมที่ปรับแรงดันโดยเฉพาะสามารถตอบสนองทุกความต้องการได้

ด้วยโปรไฟล์อะลูมิเนียมทรงสี่เหลี่ยม ฉันปรับเปลี่ยนแคลมป์เพื่อใช้ทั้งวัตถุขนาดเล็กและวัตถุขนาดใหญ่

ต่อไปเมื่อหาเวลาได้ก็จะรวบรวมข้อมูลของโครงการทั้งหมดมาดาวน์โหลดครับ

ฉันหวังว่าคุณจะสนุกกับคำแนะนำนี้