Из чего собрать робота манипулятора. Робот-манипулятор механическая рука. Виды промышленных роботов-манипуляторов
Создаем робот-манипулятор с использованием дальномера, реализуем подсветку.
Резать основание будем из акрила. В качестве двигателей используем сервопривода.
Общее описание проекта робота-манипулятора
В проекте использовано 6 серводвигателей. Для механической части использован акрил толщиной 2 миллиметра. В качестве штатива пригодилось основание от диско-шара (один из двигателей вмонтирован внутрь). Также использован ультразвуковой датчик расстояния и светодиод диаметром 10 мм.
Для управления роботом используется Arduino плата питания. Сам источник питания - блок питания компьютера.
В проекте изложены исчерпывающие пояснения по разработке робо-руки. Отдельно рассмотрены вопросы питания разработанной конструкции.
Основные узлы для проекта манипулятора
Давайте начнем разработку. Вам понадобятся:
- 6 серводвигателей (я использовал 2 модели mg946, 2 mg995 , 2 futuba s3003 (mg995/mg946 по характеристикам лучше, чем futuba s3003, но последние намного дешевле);
- акрил толщиной 2 миллиметра (и небольшой кусок толщиной 4 мм);
- ультразвуковой датчик расстояния hc-sr04 ;
- светодиды 10 мм (цвет - на ваше усмотрение);
- штатив (используется в качестве основания);
- схват аллюминиевый (стоит около 10-15 долларов).
Для управления:
- Плата Arduino Uno (в проекте использована самодельная плата, которая полностью аналогична Arduino);
- плата питания (вам придется ее сделать самим, к этому вопросу мы вернемся позже, он требует отдельного внимания);
- блок питания (в данном случае используется блок питания компьютера);
- компьютер для программирования вашего манипулятора (если вы используете для программирования Arduino, значит, среда Arduino IDE)
Конечно же, вам пригодятся кабели и некоторые базовые инструменты вроде отверток и т.п. Теперь мы можем перейти к конструированию.
Сборка механической части
Перед началом разработки механической части манипулятора, стоит отметить, что чертежей у меня нет. Все узлы делались "на коленке". Но принцип очень простой. У вас есть два звена из акрила, между которыми надо установить серводвигатели. И другие два звенья. Тоже для установки двигателей. Ну и сам схват. Подобный схват проще всего купить в интеренете. Практически все устанавливается с помощью винтов.
Длина первой части около 19 см; второй - около 17.5; длина переднего звена около 5.5 см. Остальные габариты подбирайте в соответсвии с размерами вашего проекта. В принципе, размеры остальных узлов не так важны.
Механическая рука должна обеспечивать угол поворота 180 градусов в основании. Так что мы должны установить снизу серводвигатель. В данном случае он устанавливается в тот самый диско-шар. В вашем случае это может быть любой подходящий бокс. Робот устанавливается на этот серводвигатель. Можно, как это показано на рисунке, установить дополнительное металлическое кольцо-фланец. Можно обойтись и без него.
Для установки ультразвукового датчика, используется акрил толщиной 2 мм. Тут же снизу можно установить светодиод.
Детально объяснить как именно сконструировать подобный манипулятор сложно. Многое зависит от тех узлов и частей, которые есть у вас в наличии или вы приобретаете. Например, если габариты ваших сервоприводов отличаются, звенья арма из акрила тоже изменятся. Если изменятся габариты, калибровка манипулятора тоже будет отличаться.
Вам точно придется после завершения разработки механической части манипулятора удлинить кабели серводвигателей. Для этих целей в данном проекте использовались провода из интернет-кабеля. Для того, чтобы все это имело вид, не поленитесь и установите на свободные концы удлиненных кабелей переходники - мама или папа, в зависимости от выходов вашей платы Arduino, шилда или источника питания.
После сборки механической части, мы можем перейти к "мозгам" нашего манипулятора.
Схват манипулятора
Для установки схвата вам понадобится серводвигатель и несколько винтов.
Итак, что именно необходимо сделать.
Берете качалку от сервы и укорачиваете, пока она не подойдет к вашему схвату. После этого закручиваете два маленьких винта.
После установки сервы, проворачиваете ее в крайнее левое положение и сжимаете губки схвата.
Теперь можно установить серву на 4 болта. При этом следите, чтобы двигатель был все так же в крайнем левом положении, а губки схвата закрыты.
Можно подключить сервопривод к плате Arduino и проверить работоспособность схвата.
Учтите, что могут возникнуть проблемы с работой схвата, если болты/винты слишком сильно затянуты.
Добавление подсветки на манипулятор
Можно сделать ваш проект ярче, добавив на него подсветку. Для этого использовались светодиоды. Делается несложно, а в темноте выглядит очень эффектно.
Места для установки светодиодов зависят от вашего креатива и фантазии.
Электросхема
Можно использовать вместо резистора R1 потенциометр на 100 кОм для регулировки яркости вручную. В качестве сопротивлени R2 использовались резисторы на 118 Ом.
Перечень основных узлов, которые использовались:
- R1 - резистор на 100 кОм
- R2 - резистор на 118 Ом
- Транзистор bc547
- Фоторезистор
- 7 светодиодов
- Переключатель
- Подключение к плате Arduino
В качестве микроконтроллера использовалась плата Arduino. В качестве питания использовался блок питания от персонального компьютера. Подключив мультиметр к красному и черному кабелям, вы увидите 5 вольт (которые используются для серводвигателей и ультразвукового датчика расстояния). Желтый и черный дадут вам 12 вольт (для Arduino). Делаем 5 коннекторов для сервомоторов, параллельно подключаем позитивные к 5 В, а негативные - к земле. Аналогично с датчиком расстояния.
После этого подключите оставшиеся коннекторы (по одному с каждой сервы и два с дальномера) к распаянной нами плате и Arduino. При этом не забудьте в программе в дальнейшем корректно указать пины, которые вы использовали.
Кроме того, на плате питания был установлен светодиод-индикатор питания. Реализуется это несложно. Дополнительно использовался резистор на 100 Ом между 5 В и землей.
10 миллиметровый светодиод на роботе тоже подключен к Arduino. Резистор на 100 Ом идет от 13 пина к к позитивной ноге светодиода. Негативный - к земле. В программе его можно отключить.
Для 6 серводвигателей использовано 6 коннекторов, так как 2 серводвигателя снизу используют одинаковый сигнал управления. Соответствующие проводники соединяются и подключаются к одному пину.
Повторюсь, что в качестве питания используется блок питания от персонального компьютера. Либо, конечно, вы можете приобрести отдельный источник питания. Но с учетом, того, что у нас 6 приводов, каждый из которых может потреблять около 2 А, подобный мощный блок питания обойдется недешево.
Обратите внимание, что коннекторы от серв подключаются к ШИМ-выходам Arduino. Возле каждого такого пина на плате есть условное обозначение ~. Ультразвуковой датчик расттояния можно подключить к пинам 6, 7. Светодиод - к 13 пину и земле. Это все пины, которые нам понадобятся.
Теперь мы можем перейти к программированию Arduino.
Перед тем как подключить плату через usb к компьютеру, убедитесь, что вы отключили питание. Когда будете тестировать программу, также отключайте питание вашей робо-руки. Если питание не выключить, Arduino получит 5 вольт от usb и 12 вольт от блока питания. Соответственно, мощность от usb перекинется к источнику питания и он немного "просядет".
На схеме подключения видно, что были добавлены потенциометры для управления сервами. Потенциометры не являются обязательным звеном, но приведенный код не будет работать без них. Потенциометры можно подключить к пинам 0,1,2,3 и 4.
Программирование и первый запуск
Для управления использовано 5 потенциометров (вполне можно заменить это на 1 потенциометр и два джойстика). Схема подключения с потенциометрами приведена в предыдущей части. Скетч для Arduino находится здесь.
Снизу представлены несколько видео робота-манипулятора в работе. Надеюсь, вам понравится.
На видео сверху представлены последние модификации арма. Пришлось немного изменить конструкцию и заменить несколько деталей. Оказалось, что сервы futuba s3003 слабоваты. Их получилось использовать только для схвата или поворота руки. Так что виесто них были установлены mg995. Ну а mg946 вообще будут отличным вариантом.
Программа управления и пояснения к ней
// управляются привода с помощью переменных резисторов - потенциометров.
int potpin = 0; // аналоговый пин для подключения потенциометра
int val; // переменная для считывания данных с аналогового пина
myservo1.attach(3);
myservo2.attach(5);
myservo3.attach(9);
myservo4.attach(10);
myservo5.attach(11);
pinMode(led, OUTPUT);
{ //servo 1 analog pin 0
val = analogRead(potpin); // считывает значение потенциометра (значение между 0 и 1023)
// масштабирует полученное значение для использования с сервами (получаем значение в диапазоне от 0 до 180)
myservo1.write(val); // выводит серву в позицию в соответствии с рассчитанным значением
delay(15); // ждет, пока серводвигатель выйдет в заданное положение
val = analogRead(potpin1); // серва 2 на аналоговом пине 1
val = map(val, 0, 1023, 0, 179);
myservo2.write(val);
val = analogRead(potpin2); // серва 3 на аналоговом пине 2
val = map(val, 0, 1023, 0, 179);
myservo3.write(val);
val = analogRead(potpin3); // серва 4 на аналоговом пине 3
val = map(val, 0, 1023, 0, 179);
myservo4.write(val);
val = analogRead(potpin4); //серва 5 на аналоговом пине 4
val = map(val, 0, 1023, 0, 179);
myservo5.write(val);
Скетч с использованием ультразвукового датчика расстояния
Это, наверное, одна из самых эффектных частей проекта. На манипулятор устанавливается датчик расстояния, который реагирует на препятствия вокруг.
Основные пояснения к коду представлены ниже
#define trigPin 7
Следующий кусок кода:
Мы присвоили всем 5-ти сигналам (для 6 приводов) названия (могут быть любыми)
Следующее:
Serial.begin (9600);
pinMode(trigPin, OUTPUT);
pinMode(echoPin, INPUT);
pinMode(led, OUTPUT);
myservo1.attach(3);
myservo2.attach(5);
myservo3.attach(9);
myservo4.attach(10);
myservo5.attach(11);
Мы сообщаем плате Arduino к каким пинам подключены светодиоды, серводвигатели и датчик расстояния. Изменять здесь ничего не стоит.
void position1(){
digitalWrite(led, HIGH);
myservo2.writeMicroseconds(1300);
myservo4.writeMicroseconds(800);
myservo5.writeMicroseconds(1000);
Здесь кое-что можно менять. Я задал позицию и назвал ее position1. Она будет использована в дальнейшей программе. Если вы хотите обеспечить другое движение, измените значения в скобках в диапазоне от 0 до 3000.
После этого:
void position2(){
digitalWrite(led,LOW);
myservo2.writeMicroseconds(1200);
myservo3.writeMicroseconds(1300);
myservo4.writeMicroseconds(1400);
myservo5.writeMicroseconds(2200);
Аналогично предыдущему куску, только в данном случае это position2. По такому же принципу вы можете добавлять новые положения для перемещения.
long duration, distance;
digitalWrite(trigPin, LOW);
delayMicroseconds(2);
digitalWrite(trigPin, HIGH);
delayMicroseconds(10);
digitalWrite(trigPin, LOW);
duration = pulseIn(echoPin, HIGH);
distance = (duration/2) / 29.1;
Теперь начинает отрабатывать основной код программы. Не стоит его изменять. Основная задача приведенных выше строк - настройка датчика расстояния.
После этого:
if (distance <= 30) {
if (distance < 10) {
myservo5.writeMicroseconds(2200); //открыть схват
myservo5.writeMicroseconds(1000); //закрыть схват
Теперь вы можете добавлять новые перемещения в зависимости от расстояния, измеренного ультразвуковым датчиком.
if(distance <=30){ // данная строка обеспечивает переход в position1, если расстояние меньше 30 см.
position1(); //по сути арм отработает все, что вы зададите между скобками { }
else{ // если расстояние больше 30 см, переход в position2
position()2 // аналогично предыдущей строке
Можно в коде поменять расстояние ну и творить все, что вы пожелаете.
Последние строки кода
if (distance > 30 || distance <= 0){
Serial.println("Out of range"); //вывод в серийном монитеоре сообщения, что мы вышли за заданный диапазон
Serial.print(distance);
Serial.println(" cm"); //расстояние в сантиметрах
delay(500); //задержка в 0.5 секунды
Конечно, можно перевести тут все в миллиметры, метры, изменить отображающееся сообщение и т.п. Можно немного поиграться с задержкой.
Вот, собственно и все. Наслаждайтесь, модернизируйте свои собственные манипуляторы, делитесь идеями и резутатами!
Здравствуйте!
Рассказываем о линейке коллаборативных роботов-манипуляторов Universal Robots .
Компания Юниверсал-роботс родом из Дании, занимается выпуском коллаборативных роботов-манипуляторов для автоматизации циклических производственных процессов. В этой статье приведем их основные технические характеристики и рассмотрим области применения.
Что это?
Продукция компании представлена линейкой из трех облегченных промышленных манипуляционных устройств с разомкнутой кинематической цепью:
UR3 , UR5 , UR10 .
Все модели имеют 6 степеней подвижности: 3 переносные и 3 ориентирующие. Устройства от Юниверсал-роботс производят только угловые перемещения.
Роботы-манипуляторы разделены на классы, в зависимости от предельно допустимой полезной нагрузки. Другими отличиями являются - радиус рабочей зоны, вес и диаметр основания.
Все манипуляторы UR оснащены датчиками абсолютного положения высокой точности, которые упрощают интеграцию с внешними устройствами и оборудованием. Благодаря компактному исполнению, манипуляторы UR не занимают много места и могут устанавливаться в рабочих секциях или на производственных линиях, где не помещаются обычные роботы.Характеристики:
Чем интересны
Простота программирования
Специально разработанная и запатентованная технология программирования позволяет операторам, не владеющим специальными навыками, быстро выполнить настройку роботов-манипуляторов UR и управлять ими с помощью интуитивной технологии 3D-визуализации. Программирование происходит путем серии простых передвижений рабочего органа манипулятора в необходимые положения, либо нажатием стрелок в специальной программе на планшете.UR3: UR5: UR10: Быстрая настройка
Оператору, выполняющему первичный запуск оборудования, потребуется менее часа для распаковки, монтажа и программирования первой простой операции. UR3: UR5: UR10: Коллаборативность и безопасность
Манипуляторы UR способны заменить операторов, выполняющих рутинные задачи в опасных и загрязненных условиях. В системе управления ведется учет внешних возмущающих воздействий, оказываемых на робот-манипулятор в процессе работы. Благодаря этому, манипуляционные системы UR можно эксплуатировать без защитных ограждений, рядом с рабочими местами персонала. Системы безопасности роботов одобрены и сертифицированы TÜV – Союзом работников технического надзора Германии.
UR3: UR5: UR10: Многообразие рабочих органов
На конце промышленных манипуляторов UR предусмотрено стандартизированное крепление для установки специальных рабочих органов. Между рабочим органом и конечным звеном манипулятора можно установить дополнительные модули силомоментных сенсоров или камер.Возможности применения
С промышленными роботами-манипуляторами UR открываются возможности автоматизации практически всех циклических рутинных процессов. Устройства компании Юниверсал-роботс отлично зарекомендовали себя в различных областях применения.
Перекладка
Установка манипуляторов UR на участках перекладки и упаковки позволяет увеличить точность и уменьшить усадку. Большинство операций по перекладке может осуществляться без надзора.Полировка, буферовка, шлифовка
Встроенная система датчиков позволяет контролировать точность и равномерность прикладываемого усилия на криволинейных и неровных поверхностях.
Литье под давлением
Высокая точность повторяющихся движений позволяет применять роботы UR для задач переработки полимеров и инжекционного литья.
Обслуживание станков с ЧПУ
Класс защиты оболочки обеспечивает возможность установки манипуляционных систем для совместной работы со станками ЧПУ.Упаковка и штабелирование
Традиционные технологии автоматизации отличаются громоздкостью и дороговизной. Легко настраиваемые роботы UR способны работать без защитных экранов рядом с сотрудниками или без них 24 часа в сутки, обеспечиваю высокую точность и производительность.Контроль качества
Роботизированный манипулятор с видеокамерами пригоден для проведения трехмерных измерений, что является дополнительной гарантией качества выпускаемой продукции.Сборка
Простое устройство крепления рабочего органа позволяет оснащать роботы UR подходящими вспомогательными механизмами, необходимыми для сборки деталей из дерева, пластика, металла и других материалов.Свинчивание
Система управления позволяет контролировать развиваемый момент во избегании избыточной затяжки и обеспечения требуемого натяжения.Склеивание и сварка
Высокая точность позиционирования рабочего органа позволяет сократить количество отходов при выполнении операций склейки или нанесения веществ.
Промышленные роботы-манипуляторы UR могут выполнять различные типы сварки: дуговую, точечную, ультразвуковую и плазменную.Итого:
Промышленные манипуляторы от Юниверсал-роботс компактны, легки, просты в освоении и обращении. Роботы UR – гибкое решение для широкого круга задач. Манипуляторы можно запрограммировать на любые действия присущие движениям человеческой руки, а вращательные движения им удаются намного лучше. Манипуляторам не свойственны усталость и боязнь получить травму, не нужны перерывы и выходные.
Решения от Юниверсал-роботс позволяют автоматизировать любой рутинный процесс, что увеличивает скорость и качество производства.
Обсудите автоматизацию ваших производственных процессов с помощью манипуляторов Юниверсал-роботс с официальным дилером -
Имеет подсветку. Всего робот работает на 6-ти серводвигателях. Для создания механической части использовался акрил толщиной два миллиметра. Для изготовления штатива было взято основание от диско-шара, при этом один мотор строен прямо в него.
Робот работает на плате Arduino . В качестве источника питания используется компьютерный блок.
Материалы и инструменты:
- 6 серводвигателей;
- акрил толщиной 2 мм (и еще небольшой кусок толщиной 4 мм);
- штатив (для создания основания);
- ультразвуковой датчик расстояния типа hc-sr04;
- контроллер Arduino Uno;
- контроллер питания (изготавливается самостоятельно);
- блок питания от компьютера;
- компьютер (нужен для программирования Arduino);
- провода, инструменты и прочее.
Процесс изготовления:
Шаг первый. Собираем механическую часть робота
Механическая часть собирается очень просто. Два куска акрила нужно соединить с помощью серводвигателя. Другие два звена соединяются аналогичным образом. Что касается схвата, то его лучше всего купить через интернет. Все элементы крепятся с помощью винтов.
Длина первой части составляет порядка 19 см, а второй примерно 17.5 см. Переднее звено имеет длину 5.5 см. Что касается остальных элементов, то их размеры выбираются на личное усмотрение.
Угол поворота в основании механической руки должен составлять 180 градусов, поэтому снизу нужно установить серводвигатель. В нашем случае его нужно установить в диско-шар. Робот же устанавливается уже на серводвигатель.
Для установки ультразвукового датчика понадобится кусок акрила толщиной 2 см.
Чтобы установить схват будет нужно несколько винтов и серводвигатель. Нужно взять качалку от серводвигателя и укорачивать ее до тех пор, пока она не подойдет ко схвату. Затем можно закрутить два маленьких винта. После установки серводвигатель нужно повернуть в крайнее левое положение и свести губки захвата.
Теперь серводвигатель крепится на 4 болта, при этом важно следить, чтобы он находился в крайнем левом положении, а губы были сведены.
Теперь сервпривод можно подключить к плате и проверить, работает ли схват.
Шаг второй. Подсветка робота
Чтобы робот был интереснее, ему можно сделать подсветку. Делается это с помощью светодиодов разнообразных цветов.
Шаг третий. Подключение электронной части
Основным контроллером для робота является плата Arduino. В качестве источника питания используется компьютерный блок, на его выходах нужно найти напряжение 5 Вольт. Оно должно быть, если замерить мультиметром напряжение на красном и черном проводе. Это напряжение нужно для питания серводвигателей и датчика расстояния. Желтый и черный провод блока выдает уже 12 Вольт, они нужны для работы Arduino.
Для сервомоторов нужно сделать пять коннекторов. К позитивным подключаем 5В, а негативные к земле. Аналогичным образом подключается и датчик расстояния.
Еще на плате имеется светодиодный индикатор питания. Для его подключения используется резистор 100 Ом между +5В и землей.
Выходы от серводвигателей подключаются к ШИМ-выходам на Arduino. Такие пины на плате обозначаются значком «~». Что касается ультразвукового датчика расстояния, то его можно подключить к пинам 6 и 7. Светодиод подключается к земле и 13-му пину.
Теперь можно приступать к программированию. Перед тем как подключаться через USB, нужно убедиться, что питание полностью отключено. При тестировании программы питание робота тоже нужно отключать. Если это не сделать, контроллер получить 5В от USB и 12В от блока питания.
На схеме можно увидеть, что для управления серводвигателями были добавлены потенциометры. Они не являются необходимой составляющей робота, но без них предложенный код работать не будет. Потенциометры подключаются к пинам 0,1,2,3 и 4.
На схеме есть резистор R1, его можно заменить потенциометром на 100 кОм. Это позволит регулировать яркость вручную. Что касается резисторов R2, то их номинал 118 Ом.
Вот перечень основных узлов, которые применялись:
- 7 светодиодов;
- R2 - резистор на 118 Ом;
- R1 - резистор на 100 кОм;
- переключатель;
- фоторезистор;
- транзистор bc547.
Шаг четвертый. Программирование и первый запуск робота
Чтобы управлять роботом, было использовано 5 потенциометров. Вполне реально заменить такую схему на один потенциометр и два джойстика. Как подключить потенциометр, было показано в предыдущем шаге. После установки скеча робота можно испытать.
Первые испытания робота показали, что установленные серводвигатели типа futuba s3003 оказались слабыми для робота. Их можно применять лишь для поворота руки или для схвата. Вместо них автор установил двигатели mg995. Идеальным вариантом будут двигатели типа mg946.
Муниципальное бюджетное учреждение
дополнительного образования «Станция юных техников»
города Каменск Шахтинский
Муниципальный этап областного слета-конкурса
«Юные конструкторы Дона – третьему тысячелетию»
Раздел «Робототехника»
« Рука-манипулятор на Arduino»
педагог дополнительного образования
МБУ ДО «СЮТ»
Материалы и инструменты 6
Механическая начинка манипулятора 7
Электронная начинка манипулятора 9
Введение 3
Исследование и анализ 4
Этапы изготовления узлов и сборка манипулятора 6
Заключение 11
Источники информации 12
Приложение 13
Введение
Робот – манипулятор это трехмерная машина, имеющая три измерения, соответствующие пространству живого существа. В широком понимании манипулятор может быть определен как техническая система, способная замещать человека или помогать ему в выполнении различных задач.
В настоящее время развитие робототехники не идет, а бежит, обгоняя время. Только за первые 10 лет XXI века было изобретено и внедрено более 1 млн. роботов. Но самое интересное, что разработками в этой области могут заниматься не только коллективы больших корпораций, группы ученых и инженеров профессионалов, но и обычные школьники по всему миру.
Для изучения робототехники в школе разработано несколько комплексов. Наиболее известные из них – это:
Arduino .
Robotis Bioloid;
LEGO Mindstorms;
Большой интерес у роботостроителей представляют конструкторы Arduino. Платы Arduino - это радио - конструктор, весьма простой, но достаточно функциональный для очень быстрого программирования на языке Виринг (фактически С++) и воплощения в жизнь технических идей.
Но как показывает практика, все большее практическое значение приобретают именно работы молодых специалистов нового поколения.
Обучение детей программированию будет всегда актуальна, так как бурное развитие робототехники связано, прежде всего, с развитием информационных технологий и средств коммуникации.
Цель проекта – создание обучающего радио - конструктора на базе руки – манипулятора, для обучения детей программированию в среде Arduino в игровой форме. Дать возможность, чтобы как можно больше детей могли познакомиться с конструкторской деятельностью в робототехнике.
Задачи проекта:
разработать и построить обучающую руку – манипулятор с минимальными затратами средств, не уступающую зарубежным аналогам;
в качестве механизмов манипулятора использовать сервоприводы;
управление механизмами манипулятора осуществить с помощью радио – конструктора Arduino UNO R 3;
разработать программу в среде программирования Arduino для пропорционального управления сервоприводами.
Для выполнения поставленной цели и задач нашего проекта необходимо изучить виды существующих манипуляторов, техническую литературу по этой теме и аппаратно - вычислительную платформу Arduino.
Исследование и анализ
Исследование.
Промышленный манипулятор - предназначенный для выполнения двигательных и управляющих функций в производственном процессе, т. е. автоматическое устройство, состоящее из манипулятора и перепрограммируемого устройства управления, которое формирует управляющие воздействия, задающие требуемые движения исполнительных органов манипулятора. Применяется для перемещения предметов производства и выполнения различных технологических операций.
О
бучающий конструктор - манипулятор снабжен роботизированной рукой, которая сжимается и разжимается. С его помощью можно играть в шахматы, управляя дистанционно. Также можно с помощью робо - руки раздавать визитки. Движение включают в себя: запястье 120°, локоть 300°, базовое вращения 270°, базовые движения 180°. Игрушка очень хорошая и полезная, но стоимость его составляет порядка 17200 рублей.
Благодаря проекту «uArm», каждый желающий может собрать своего настольного мини - робота. «uArm» - это 4-x осевой манипулятор, миниатюрная версия промышленного робота «ABB PalletPack IRB460» Манипулятор оснащен микропроцессором Atmel и набором сервомоторов, общая стоимость необходимых деталей - 12959 рублей. Проект uArm требует хотя бы начальных навыков программирования и опыта конструирования лего. Мини - робот можно запрограммировать на множество функций: от игры на музыкальном инструменте, до загрузки какой - то сложной программы. В настоящее время ведется разработка приложений для iOS и Android, что позволит управлять «uArm» со смартфона.
Манипуляторы «uArm»
Большинство существующих манипуляторов предполагают расположение двигателей непосредственно в суставах. Это проще конструктивно, но выходит, что двигатели должны поднимать не только полезную нагрузку, но и другие двигатели.
Анализ.
За основу взяли, манипулятор, представленный на сайте Kickstarter, который назывался «uArm». Преимущество этой конструкции в том, что площадка для размещения захвата всегда расположена параллельно рабочей поверхности. Тяжелые двигатели расположены у основания, усилия передаются через тяги. В итоге манипулятор имеет три сервопривода (три степени свободы), которые позволяют ему перемещать инструмент по всем трем осям на 90 градусов.
В подвижных частях манипулятора решили установить подшипники. Такая конструкция манипулятора имеет массу преимуществ перед многими моделями, которые сейчас есть в продаже: Всего в манипуляторе использовано 11 подшипников: 10 штук на вал 3мм и один на вал 30мм.
Характеристики руки манипулятора:
Высота: 300мм.
Рабочая зона (при полностью вытянутом манипуляторе): от 140мм до 300мм вокруг основания
Максимальная грузоподъемность на вытянутой руке: 200г
Потребляемый ток, не более: 1А
Простота сборки. Очень много внимания уделили тому, чтобы была такая последовательность сборки манипулятора, при которой все детали прикручивать предельно удобно. Особенно сложно было сделать это для узлов мощных сервоприводов в основании.
Управление реализуется с помощью переменных резисторов, пропорциональное управление. Можно сконструировать управление типа пантограф, как у ядерщиков и у героя в большом роботе из фильма «Аватара», может управляться и мышкой, а по примерам кода можно составить свои алгоритмы движения.
Открытость проекта. Любой желающий может сделать свои инструменты (присоску или зажим для карандаша) и загрузить в контроллер необходимую для выполнения поставленной задачи программу (скетч).
Этапы изготовления узлов и сборка манипулятора
Материалы и инструменты
Для изготовления руки - манипулятора использовали композитную панель, толщиной 3мм и 5мм. Это материал, который состоит из двух алюминиевых листов, толщиной 0,21 мм соединенных термопластичной прослойкой из полимера, обладает хорошей жесткостью, легкий и хорошо обрабатывается. Скаченные фотографии манипулятора в интернете обрабатывались компьютерной программой Inkscape (векторный графический редактор). В программе AutoCAD (трёхмерная система автоматизированного проектирования и черчения) чертились чертежи руки - манипулятора.
Готовые детали для манипулятора.
Готовые детали основания манипулятора.
Механическая начинка манипулятора
Для основания манипулятора использовали сервоприводы MG-995. Это цифровые сервоприводы с металлическими шестеренками и шарикоподшипниками, они обеспечивают усилие 4,8кг/см, точную отработку позиции и приемлемую скорость. Весит один сервопривод 55,0 граммов при размерах 40,7 х 19,7 х 42,9мм, напряжение питания от 4,8 до 7,2 вольт.
Для захвата и поворота кисти использовали сервоприводы MG-90S. Это тоже цифровые сервоприводы с металлическими шестеренками и шарикоподшипник на выходном валу, они обеспечивают усилие 1,8кг/см и точную отработку позиции. Весит один сервопривод 13.4 грамма при размерах 22,8 х 12,2 х 28,5мм, напряжение питания от 4,8 до 6,0 вольт.
Сервопривод MG-995 Сервопривод MG90S
Подшипник размером 30х55х13 используется для облегчения поворота основания руки – манипулятора с грузом.
Установка подшипника. Поворотное устройство в сборе.
Основание руки – манипулятора в сборе.
Детали для сборки захвата. Захват в сборе.
Электронная начинка манипулятора
Есть такой открытый проект, который называется Arduino. Основа этого проекта – базовый аппаратный модуль и программа, в которой можно написать код для контроллера на специализированном языке, и которая позволяет этот модуль подключить и запрограммировать.
Для работы с манипулятором использовали плату Arduino UNO R 3 и совместимую плату расширения для подключения сервоприводов. На нем установлен стабилизатор 5 вольт, для питания сервоприводов, PLS-контакты для подключения сервоприводов и разъем для подключения переменных резисторов. Питание осуществляется от блока 9В, 3А.
Плата контроллера Arduino UNO R 3.
Принципиальная схема расширения для платы контроллера Arduino UNO R 3 разрабатывалась с учетом поставленных задач.
Принципиальная схема платы расширения для контроллера.
Плата расширения для контроллера.
Подключаем плату Arduino UNO R 3 с помощью кабеля USB A-B к компьютеру, устанавливаем необходимые настройки в среде программирования, составляем программу (скетч) для работы сервоприводов используя библиотеки Arduino. Компилируем (проверяем) скетч, затем загружаем в контроллер. С подробной информацией о работе в среде Arduino можно ознакомиться на сайте http://edurobots.ru/category/uroki/ (Arduino для начинающих. Уроки).
Окно программы со скетчем.
Заключение
Данная модель манипулятора, отличается низкой себестоимостью, от таких как простой конструктор «Уткоробот» который выполняет 2 движения и стоит 1102 рублей, или Лего - конструктор «Полицейский участок» стоимостью 8429 рублей. Наш конструктор выполняет 5 движений и стоит 2384 рубля.
| Комплектующие и материал | Количество | |||
| Сервопривод MG-995 | ||||
| Сервопривод MG90S | ||||
| Подшипник 30х55х13 | ||||
| Подшипник 3х8х3 | ||||
| М3х27 стойка латунная мама-мама | ||||
| М3х10 винт с гол. под в/ш | ||||
| Композитная панель размером 0,6м 2 | ||||
| Плата контроллера Arduino UNO R 3 | ||||
| Переменные резисторы 100ком. | ||||
Низкая себестоимость способствовала разработке технического конструктора руки - манипулятора, на примере которой наглядно продемонстрирован принцип работы манипулятора, выполнение поставленных задач в игровой форме.
Принцип работы в среде программирования Arduino отлично зарекомендовал себя на испытаниях. Такой способ управления и обучения программированию в игровой форме не только возможен, но и эффективен.
Начальный файл со скетчем, взятый на официальном сайте Arduino и отлаженный в среде программирования обеспечивает правильную и надежную работу манипулятора.
В дальнейшем хочу отказаться от дорогостоящих сервоприводов и использовать шаговые двигатели, таким образом, она будет достаточно точно и плавно перемещаться.
Управление манипулятором осуществить с помощью пантографа по радиоканалу Bluetooth.
Источники информации
Гололобов Н. В.О проекте Arduino для школьников. Москва. 2011.
Курт Е. Д. Введение в микроконтроллеры с Перевод на русский язык Т. Волкова. 2012.
Белов А. В. Самоучитель разработчика устройств на микроконтроллерах AVR. Наука и техника, Санкт-Петербург, 2008.
http://www.customelectronics.ru/robo-ruka-sborka-mehaniki/ манипулятор на гусеничном ходу.
http://robocraft.ru/blog/electronics/660.html манипулятор по Bluetooth.
http://robocraft.ru/blog/mechanics/583.html ссылка на статью и видео.
http://edurobots.ru/category/uroki/ Arduino для начинающих.
Приложение
Чертеж основания манипулятора
Чертеж стрелы и захвата манипулятора.
Сначала будут затронуты общие вопросы, потом технические характеристики результата, детали, а под конец и сам процесс сборки.
В целом и общем
Создание данного устройства в целом не должно вызвать каких-то сложностей. Необходимо будет качественно продумать только возможности что будет довольно сложно осуществить с физической точки зрения, чтобы рука-манипулятор выполняла поставленные перед ней задачи.
Технические характеристики результата
Будет рассматриваться образец с параметрами длины/высоты/ширины соответственно 228/380/160 миллиметров. Вес сделанной, будет составлять примерно 1 килограмм. Для управления используется проводной дистанционный пульт. Ориентировочное время сборки при наличии опыта - около 6-8 часов. Если его нет, то могут уйти дни, недели, а при попустительстве и месяцы, чтобы была собрана рука-манипулятор. Своими руками и одному в таких случаях стоит делать разве что для своего собственного интереса. Для движения составляющих используются коллекторные моторы. Приложив достаточно усилий, можно сделать прибор, который будет поворачиваться на 360 градусов. Также для удобства работы, кроме стандартного инструментария вроде паяльника и припоя, необходимо запастись:
- Удлинёнными плоскогубцами.
- Боковыми кусачками.
- Крестовой отверткой.
- 4-мя батарейками типа D.
Пульт дистанционного управления можно реализовать, используя кнопки и микроконтроллер. При желании сделать дистанционное беспроводное управление элемент контроля действий понадобится и в руке-манипуляторе. В качестве дополнений необходимы будут только устройства (конденсаторы, резисторы, транзисторы), которые позволят стабилизировать схему и передавать по ней в нужные моменты времени ток необходимой величины.
Мелкие детали
Для регуляции количества оборотов можно использовать переходные колесики. Они позволят сделать движение руки-манипулятора плавными.
Также необходимо позаботится о том, чтобы провода не усложняли её движения. Оптимальным будет проложить их внутри конструкции. Можно сделать всё и извне, такой подход сэкономит время, но потенциально может привести к сложностям в перемещении отдельных узлов или всего устройства. А теперь: как сделать манипулятор?
Сборка в общих чертах
Теперь приступаем непосредственно к созданию руки-манипулятора. Начинаем с основания. Необходимо обеспечить возможность поворота устройства во все стороны. Хорошим решением будет его размещение на дисковой платформе, которая приводится во вращение с помощью одного мотора. Чтобы она могла вращаться в обе стороны, существует два варианта:
- Установка двух двигателей. Каждый из них будет отвечать за поворот в конкретную сторону. Когда один работает, второй пребывает в состоянии покоя.
- Установка одного двигателя со схемой, которая сможет заставить его крутится в обе стороны.
Какой из предложенных вариантов выбрать, зависит исключительно от вас. Далее делается основная конструкция. Для комфорта работы необходимо два «сустава». Прикреплённый к платформе должен уметь наклоняться в разные стороны, что решается с помощью двигателей, размещённых в его основании. Ещё один или пару следует разместить в месте локтевого изгиба, чтобы часть захвата можно было перемещать по горизонтальной и вертикальной линии системы координат. Далее, при желании получить максимальные возможности, можно установить ещё двигатель в месте запястья. Далее наиболее необходимое, без чего не представляется рука-манипулятор. Своими руками предстоит сделать само устройство захвата. Тут существует множество вариантов реализации. Можно дать наводку по двум самым популярным:
- Используется только два пальца, которые одновременно сжимают и разжимают объект захвата. Является самой простой реализацией, которая, правда, обычно не может похвастаться значительной грузоподъёмностью.
- Создаётся прототип человеческой руки. Тут для всех пальцев может использоваться один двигатель, с помощью которого будет осуществляться сгиб/разгиб. Но можно сделать и конструкцию сложней. Так, можно к каждому пальцу подсоединить по двигателю и управлять ими отдельно.
Далее остаётся сделать пульт, с помощью которого будет оказываться влияние на отдельные двигатели и темпы их работы. И можно приступать к экспериментам, используя робот-манипулятор, своими руками сделанный.
Возможные схематические изображения результата
Предоставляет широкие возможности для творческих измышлений. Поэтому предоставляются вашему вниманию несколько реализаций, которые можно взять за основу для создания своего собственного устройства подобного предназначения.
Любая представленная схема манипулятора может быть усовершенствована.
Заключение
Важным в робототехнике является то, что практически не существует ограничения по функциональному улучшению. Поэтому при желании создать настоящее произведение искусства не составит труда. Говоря о возможных путях дополнительного улучшения, следует отметить кран-манипулятор. Своими руками сделать такое устройство не составит труда, одновременно оно позволит приучить детей к творческому труду, науке и конструировании. А это в свою очередь позитивно может сказаться на их будущей жизни. Сложно ли будет сделать кран-манипулятор своими руками? Это не так проблемно, как может показаться на первый взгляд. Разве что стоит позаботиться о наличии дополнительных мелких деталей вроде троса и колёс, по которым он будет крутиться.
