Robotarm med grip: 9 steg (med bilder)

2024 Författare: John Day | [email protected]. Senast ändrad: 2024-01-30 12:35

Att skörda citronträd anses vara hårt arbete, på grund av trädens stora storlek och också på grund av det varma klimatet i de regioner där citronträd planteras. Det är därför vi behöver något annat för att hjälpa jordbruksarbetare att lättare slutföra sitt arbete. Så vi fick en idé att underlätta deras jobb, en robotarm med gripare som plockar citronen från trädet. Armen är ca 50 cm lång. Arbetsprincipen är enkel: vi ger roboten en position, då kommer den att gå på rätt plats, och om det finns en citron kommer dess gripare att klippa peduncle och ta tag i citronen samtidigt. Sedan släpps citronen på marken och roboten återgår till sin ursprungliga position. Till en början kan projektet verka komplext och svårt att göra. Det är dock inte så komplext, men det krävdes mycket hårt arbete och bra planering. Det behöver bara byggas en sak över den andra. I början mötte vi några problem på grund av covid-19-situationen och arbetet på distans, men sedan gjorde vi det och det var fantastiskt.

Denna instruerbara syftar till att vägleda dig genom processen att skapa en robotarm med en gripare. Projektet designades och konstruerades som en del av vårt Bruface Mechatronics -projekt; arbetet utfördes i Fablab Bryssel av:

-Hussein Moslimani

-Inès Castillo Fernandez

-Jayesh Jagadesh Deshmukhe

-Raphaël Boitte

Steg 1: Obligatoriska färdigheter

Så här är några färdigheter du behöver ha för att göra detta projekt:

-Grundläggande elektronik

-Grundläggande kunskap om mikrokontroller.

-Kodning på C-språk (Arduino).

-Var van vid CAD -programvara, till exempel SolidWorks eller AutoCAD.

-Laserskärning

-3d-utskrivning

Du bör också ha tålamod och en generös mängd ledig tid, vi rekommenderar dig också att arbeta i ett team som vi gjorde, allt blir lättare.

Steg 2: CAD -design

Efter att ha provat olika prover bestämde vi oss slutligen för att designa roboten som visas i figurerna, armen är 2 grader av frihet. Motorerna är anslutna till axeln på varje arm med remskivor och remmar. Det finns många fördelar med att använda remskivor, en av de viktigaste är att öka vridmomentet. Den första remskivans första remskiva har ett utväxlingsförhållande på 2, och den andra har ett utväxlingsförhållande på 1,5.

Den svåra delen för projektet var begränsad tid på Fablab. Så de flesta designen anpassades till laserskurna delar och bara några anslutande delar var 3D -tryckta. Här hittar du den bifogade CAD -designen.

Steg 3: Lista över använda komponenter

Här är komponenterna vi använde i vårt projekt:

I) Elektroniska komponenter:

-Arduino Uno: Detta är ett mikrokontrollkort med 14 digitala in-/utgångsstift (varav 6 kan användas som PWM -utgångar), 6 analoga ingångar, en 16 MHz kvartskristall, en USB -anslutning, ett strömuttag, en ICSP -header, och en återställningsknapp. Vi använde denna typ av mikrokontroller eftersom den är enkel att använda och kan utföra det jobb som krävs.

-Två stor servomotor (MG996R): är en servomekanism med sluten slinga som använder positionsåterkoppling för att styra dess rörelse och slutposition. Den används för att rotera armarna. Den har ett bra vridmoment, upp till 11 kg/cm, och tack vare vridmomentminskningen från remskivorna och remmen kan vi nå högre vridmoment, vilket är mer än tillräckligt för att hålla armarna. Och det faktum att vi inte behöver mer än 180 graders rotationer, den här motorn är mycket bra att använda.

-En liten servo (E3003): är en servomekanism med sluten slinga som använder positionsåterkoppling för att styra dess rörelse och slutposition. Denna motor används för att styra griparen, den har ett vridmoment på 2,5 kg/cm, och den används för att skära och ta citronen.

-DC strömförsörjning: Denna typ av strömförsörjning var tillgänglig på fablab, och eftersom vår motor inte rör sig på marken, så behöver strömförsörjningen inte hålla fast vid varandra. Den största fördelen med denna strömförsörjning är att vi kan justera utspänningen och strömmen som vi vill, så du behöver inte ha en spänningsregulator. Om denna typ av strömförsörjningar inte är tillgänglig, men det är dyrt. Ett billigt alternativ till detta skulle vara att använda en batterihållare 8xAA, i kombination med en spänningsregulator som 'MF-6402402' som är DC till DC-omvandlare, för att få den spänning du behöver. Priset visas också i listan över komponenter.

-Breadboard: Plastskiva som används för att hålla elektroniska komponenter. Dessutom för att ansluta elektroniken till strömförsörjningen.

-Wires: Används för att ansluta de elektroniska komponenterna till brödbrädet.

-Push-knapp: Den används som startknapp, så när vi trycker på den fungerar roboten.

-Ultrasonic sensor: Används för att mäta avstånd, det genererar högfrekvent ljud och beräknar tidsintervallet mellan sändning av signal och mottagning av eko. Den används för att upptäcka om citronen hölls i griparen eller om den glider.

II) Andra komponenter:

-Plast för 3D -utskrift

-3 mm träplåt för laserskärning

-Metalliskt skaft

-Blad

-Mjukt material: Det är limmat på båda sidor av griparen, så griparen komprimerar citrongrenen medan den skärs.

-Skruvar

-Bälte för anslutning av remskivor, standard 365 T5 -bälte

-8mm cirkulära lager, ytterdiametern är 22 mm.

Steg 4: 3D -utskrift och laserskärning

Tack vare laserskärnings- och 3d -utskriftsmaskinerna som finns på Fablab bygger vi de delar vi behöver för vår robot.

I- Delar vi fick laserskära är:

-Robotens bas

-Stöder för motorn i den första armen

-Stöd för den första armen

-Plattor av de två armarna

-Greppens bas

-Anslutning mellan griparen och armen.

-Två sidor av griparen

-Stöder för lagren, för att se till att de inte glider eller rör sig från sin position, alla lagerpassningar är av två lager 3 mm+4 mm, eftersom lagrets tjocklek var 7 mm.

Obs: du behöver en liten 4 mm plåt, för några små delar som de behöver laserskäras. Dessutom hittar du i CAD -designen en tjocklek som är 6 mm, eller vilken tjocklek som helst som är flera av 3, då behöver du flera lager laserskurna delar på 3 mm, det vill säga om det finns 6 mm tjocklek, då behöver du 2 lager 3 mm vardera.

II- Delar som vi var tvungna att skriva ut i 3D:

-De fyra remskivorna: används för att ansluta varje motor till armen som det är ansvarigt att flytta.

-Stöd för motorn i den andra armen

-stöd för lagret på grundval, som är fixerat under bältet för att tvinga på det och öka spänningen. Det är anslutet till lagret med en rund metallaxel.

-Två rektangulära plattor för griparen läggs på det mjuka materialet för att hålla grenen väl och ha friktion så att grenen inte glider.

-Fyrkantigt axel med ett 8 mm runt hål, för att ansluta plattorna på den första armen, och hålet var att sätta in en 8 mm metallaxel för att göra hela axeln stark och kan hantera det totala vridmomentet. De runda metallaxlarna var anslutna till lager och båda sidor av armen för att slutföra rotationsdelen.

-Sexkantig axel med ett 8 mm runt hål av samma anledning som den fyrkantiga axeln

-Klämmor för att stödja remskivorna och plattorna på varje arm väl på sina platser.

I de tre figurerna i CAD kan du förstå hur systemet är monterat och hur axlarna är anslutna och stödda. Du kan se hur de fyrkantiga och sexkantiga axlarna är anslutna till armen och hur de är anslutna till stöden med hjälp av metallaxeln. Hela församlingen anges i dessa figurer.

Steg 5: Mekanisk montering

Samlingen av hela roboten har tre huvudsteg som måste förklaras, först monterar vi basen och den första armen, sedan den andra armen till den första och slutligen griparen till den andra armen.

Montering av bas och första arm:

Först måste användaren montera följande delar separat:

-Fogarnas två sidor med lagren inuti.

-Motorns stöd med motorn och den lilla remskivan.

-Det symmetriska stödet för den lilla remskivan.

-Den fyrkantiga axeln, den stora remskivan, armen och klämmorna.

-Det "spännande" lagret stöder stödplattan. Lägg sedan till lagret och axeln.

Nu är varje underenhet på plats för att anslutas ihop.

Observera: för att se till att vi får den spänning i remmen vi vill ha kan motorns position på basen justeras, vi har ett långsträckt hål så att avståndet mellan remskivorna kan ökas eller minskas och när vi kontrollerar att spänningen är bra, vi fäster motorn till basen med bultar och fixar den väl. Utöver detta fixerades ett lager på basen på en plats där det gör en kraft på bältet för att öka spänningen, så när bältet rör sig roterar lagret och inga problem med friktion.

Montering av den andra armen till den första:

Delarna måste monteras separat:

-Höger arm, med motorn, dess stöd, remskivan, samt med lagret och dess stöddelar. En skruv sätts också för att fästa remskivan på axeln som för föregående avsnitt.

-Vänster arm med de två lagren och deras stöd.

-Den stora remskivan kan glida på den sexkantiga axeln såväl som överarmarna och klämmorna är utformade för att fixera deras position.

Sedan har vi den andra armen redo att placeras i sitt läge, motorn på den andra armen är placerad på den första, dess position är också justerbar för att nå den perfekta spänningen och undvika att remmen glider, sedan fixeras motorn med bältet i denna position.

Montering av griparen:

Monteringen av denna gripare är enkel och snabb. När det gäller den tidigare monteringen kan delarna monteras ensamma innan de fästs på hela armen:

-Fäst den rörliga käken på motoraxeln med hjälp av plastdelen som följer med motorn.

-Skruva fast motorn.

-Skruva fast sensorns stöd i griparens stöd.

-Sätt sensorn i sitt stöd.

-Sätt det mjuka materialet på griparen och fäst den 3d -tryckta delen över dem

Griparen kan enkelt monteras på den andra armen, bara en laserskärare stödjer griparens bas vid armen.

Det viktigaste var justeringen av knivarna ovanpå armen och på vilket avstånd bladen låg utanför griparen, så det gjordes med försök och fel tills vi når den mest effektiva platsen vi kan få för bladen där man skär och gripande måste hända nästan samtidigt.

Steg 6: Anslutning av elektroniska komponenter

I denna krets har vi tre servomotorer, en ultraljudssensor, en tryckknapp, Arduino och en strömförsörjning.

Strömförsörjningseffekten kan justeras som vi vill, och eftersom alla servon och ultraljudet fungerar på 5 volt, så att det inte behövs någon spänningsregulator, kan vi bara reglera utmatningen från strömförsörjningen till 5V.

Varje servo måste anslutas till Vcc (+5V), jord och signal. Ultraljudssensorn har 4 stift, en är ansluten till Vcc, en för marken, och de andra två stiften är trigger- och ekostift, de måste anslutas till digitala stift. Tryckknappen är ansluten till marken och till en digital stift.

För Arduino måste den tala sin ström från strömkällan, den kan inte driva från den bärbara datorn eller kabeln, den bör ha samma jord som de elektroniska komponenterna som är anslutna till den.

!!VIKTIGA ANTECKNINGAR!!:

- Du bör lägga till en effektomvandlare och ström till Vin med 7V.

-Se till att du med denna anslutning ska ta bort Arduino -porten från din dator för att bränna den, annars bör du inte använda 5V -utgångsstiften som ingång.

Steg 7: Arduino -kod och flödesschema

Målet med denna robotarm med en gripare är att samla en citron och lägga den någon annanstans, så när roboten är på måste vi trycka på startknappen och sedan går den till en viss position där citronen finns, om den om citronen, kommer griparen att gå till ett slutläge för att sätta citronen på plats, vi valde den slutliga positionen på horisontell nivå, där vridmomentet som behövs är maximalt, för att bevisa att griparen är tillräckligt stark.

Hur kan roboten nå citronen:

I det projekt vi gjorde ber vi helt enkelt roboten att flytta armarna till en viss position där vi lägger citronen. Tja, det finns ett annat sätt att göra det, du kan använda invers kinematik för att flytta armen genom att ge den (x, y) koordinaterna för citronen, och den beräknar hur mycket varje motor måste rotera så att griparen når citronen. Där tillstånd = 0 är när startknappen inte trycks så armen är i utgångsläget och roboten inte rör sig, medan tillstånd = 1 är när vi trycker på startknappen och roboten startar.

Omvänd kinematik:

I figurerna finns ett exempel på invers kinematikberäkning, du kan se tre skisser, en för startpositionen och de andra två för slutpositionen. Så som du ser, för den slutliga positionen- oavsett var det är- det finns två möjligheter, armbåge upp och armbåge ner, du kan välja vad du vill.

Låt oss ta armbågen upp som ett exempel, för att få roboten att flytta till sin position måste två vinklar beräknas, theta1 och theta2, i figurerna ser du också stegen och ekvationerna för att beräkna theta1 och theta2.

Observera att om hindret hittas på ett avstånd mindre än 10 cm, då citronen greps och hålls av griparen, slutligen måste vi leverera det till slutläget.

Steg 8: Kör roboten

Efter allt vi gjorde tidigare, här är videor av roboten som fungerar, med sensorn, tryckknappen och allt annat som fungerar som det ska. Vi gjorde också ett skakprov på roboten för att se till att den är stabil och att ledningarna är bra.

Steg 9: Slutsats

Detta projekt gav oss en bra erfarenhet av att hantera sådana projekt. Ändå kan den här roboten modifieras och ha ytterligare mervärden som objektdetektering för att upptäcka citronen, eller kanske en tredje grad av frihet så att den kan röra sig mellan träd. Vi kan också göra det styrt av en mobilapplikation eller av tangentbordet så att vi flyttar det som vi vill. Vi hoppas att du gillar vårt projekt och ett särskilt tack till handledarna på Fablab för att hjälpa oss.