Roboterarm mit Greifer - Gunook

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-01-30 07:15

Das Ernten von Zitronenbäumen gilt aufgrund der Größe der Bäume und auch aufgrund des heißen Klimas der Regionen, in denen Zitronenbäume gepflanzt werden, als harte Arbeit. Deshalb brauchen wir etwas anderes, das den Landarbeitern hilft, ihre Arbeit leichter zu erledigen. Also hatten wir eine Idee, um ihnen die Arbeit zu erleichtern, einen Roboterarm mit Greifer, der die Zitrone vom Baum pflückt. Der Arm ist etwa 50cm lang. Das Funktionsprinzip ist einfach: Wir geben dem Roboter eine Position, dann fährt er an die richtige Stelle, und wenn es eine Zitrone gibt, schneidet sein Greifer den Stiel und greift gleichzeitig nach der Zitrone. Dann wird die Zitrone auf dem Boden losgelassen und der Roboter kehrt in seine Ausgangsposition zurück. Auf den ersten Blick mag das Projekt komplex und schwer durchführbar erscheinen. Es ist jedoch nicht so komplex, erforderte jedoch viel harte Arbeit und eine gute Planung. Es muss nur eines über dem anderen gebaut werden. Am Anfang hatten wir einige Probleme aufgrund der Covid-19-Situation und der Arbeit aus der Ferne, aber dann haben wir es geschafft und es war unglaublich.

Dieses Instructable soll Sie durch den Prozess der Erstellung eines Roboterarms mit einem Greifer führen. Das Projekt wurde als Teil unseres Bruface Mechatronics-Projekts entworfen und ausgeführt; die Arbeit wurde in Fablab Brüssel durchgeführt von:

-Hussein Moslimani

-Inès Castillo Fernandez

-Jayesh Jagadesh Deshmukhe

-Raphaël Boitte

Schritt 1: Erforderliche Fähigkeiten

Also, hier sind einige Fähigkeiten, die Sie haben müssen, um dieses Projekt durchzuführen:

-Grundlagen der Elektronik

-Grundkenntnisse in Mikrocontrollern.

-Codierung in C-Sprache (Arduino).

-An CAD-Software wie SolidWorks oder AutoCAD gewöhnt sein.

-Laser schneiden

-3d Drucken

Sie sollten auch Geduld und ein großzügiges Maß an Freizeit mitbringen, außerdem raten wir Ihnen, wie wir im Team zu arbeiten, alles wird einfacher.

Schritt 2: CAD-Design

Nachdem wir verschiedene Muster ausprobiert hatten, entschieden wir uns schließlich, den Roboter wie in den Abbildungen gezeigt zu konstruieren, der Arm hat 2 Freiheitsgrade. Die Motoren sind durch Riemenscheiben und Riemen mit der Welle jedes Arms verbunden. Die Verwendung von Riemenscheiben hat viele Vorteile, einer der wichtigsten ist die Erhöhung des Drehmoments. Der erste Riemenscheibenriemen des ersten Arms hat eine Übersetzung von 2 und der zweite hat eine Übersetzung von 1,5.

Der schwierige Teil des Projekts war die begrenzte Zeit bei Fablab. So wurden die meisten Designs als lasergeschnittene Teile angepasst und nur einige Verbindungsteile wurden 3D-gedruckt. Hier finden Sie die angehängte CAD-Konstruktion.

Schritt 3: Liste der verwendeten Komponenten

Hier sind die Komponenten, die wir in unserem Projekt verwendet haben:

I)Elektronische Komponenten:

-Arduino Uno: Dies ist ein Mikrocontroller-Board mit 14 digitalen Ein-/Ausgangspins (von denen 6 als PWM-Ausgänge verwendet werden können), 6 analogen Eingängen, einem 16-MHz-Quarz, einem USB-Anschluss, einer Strombuchse, einem ICSP-Header, und eine Reset-Taste. Wir haben diese Art von Mikrocontroller verwendet, da sie einfach zu bedienen ist und die erforderliche Arbeit erledigen kann.

-Zwei große Servomotoren (MG996R): ist ein Servomechanismus mit geschlossenem Regelkreis, der Positionsrückmeldung verwendet, um seine Bewegung und Endposition zu steuern. Es wird verwendet, um die Arme zu drehen. Es hat ein gutes Drehmoment von bis zu 11 kg / cm und dank der Drehmomentreduzierung durch die Riemenscheiben und den Riemen können wir ein höheres Drehmoment erreichen, das mehr als ausreicht, um die Arme zu halten. Und die Tatsache, dass wir nicht mehr als 180 Grad Drehungen benötigen, ist dieser Motor sehr gut zu bedienen.

-Ein kleines Servo (E3003): ist ein Servomechanismus mit geschlossenem Regelkreis, der Positionsrückmeldung verwendet, um seine Bewegung und Endposition zu steuern. Dieser Motor wird zur Steuerung des Greifers verwendet, hat ein Drehmoment von 2,5 kg/cm und wird zum Schneiden und Greifen der Zitrone verwendet.

-Gleichstromversorgung: Diese Art der Stromversorgung war im Fablab vorhanden, und da sich unser Motor nicht auf dem Boden bewegt, müssen die Netzteile nicht aneinander geklebt werden. Der Hauptvorteil dieses Netzteils besteht darin, dass wir die Ausgangsspannung und den Strom nach Belieben anpassen können, sodass kein Spannungsregler erforderlich ist. Wenn diese Art von Netzteilen nicht verfügbar ist, ist es jedoch teuer. Eine günstige Alternative dazu wäre die Verwendung eines Batteriehalters 8xAA, gekoppelt mit einem Spannungsregler wie 'MF-6402402', der ein DC-DC-Wandler ist, um die benötigte Spannung zu erhalten. Ihr Preis wird auch in der Liste der Komponenten angezeigt.

-Breadboard: Kunststoffplatte zur Aufnahme elektronischer Komponenten. Auch um die Elektronik an die Stromversorgung anzuschließen.

-Drähte: Wird verwendet, um die elektronischen Komponenten mit dem Steckbrett zu verbinden.

-Druckknopf: Wird als Startknopf verwendet, also wenn wir ihn drücken, funktioniert der Roboter.

-Ultraschallsensor: Wird zur Entfernungsmessung verwendet, erzeugt hochfrequenten Schall und berechnet das Zeitintervall zwischen dem Senden des Signals und dem Empfangen des Echos. Es wird verwendet, um zu erkennen, ob die Zitrone vom Greifer gehalten wurde oder ob sie verrutscht.

II) Andere Komponenten:

-Kunststoff für den 3D-Druck

-3mm Holzplatten zum Laserschneiden

-Metallischer Schaft

-Klingen

-Weiches Material: Es ist an beiden Seiten des Greifers geklebt, sodass der Greifer den Zitronenzweig beim Schneiden zusammendrückt.

-Schrauben

-Riemen zum Verbinden von Riemenscheiben, Standard 365 T5 Riemen

-8mm Rundlager, der Außendurchmesser beträgt 22mm.

Schritt 4: 3D-Druck und Laserschneiden

Dank der Laserschneid- und 3D-Druckmaschinen im Fablab bauen wir die Teile, die wir für unseren Roboter benötigen.

I- Teile, die wir laserschneiden mussten, sind:

-Basis des Roboters

-Unterstützungen für den Motor des ersten Arms

-Unterstützungen des ersten Armes

-Platten der 2 Arme

-Basis des Greifers

-Verbindung zwischen Greifer und Arm.

-Zwei Seiten des Greifers

- Stützen für die Lager, um sicherzustellen, dass sie nicht verrutschen oder sich aus ihrer Position bewegen, alle Lagerpassungen bestehen aus zwei Schichten 3 mm + 4 mm, da die Dicke des Lagers 7 mm betrug.

Hinweis: Sie benötigen eine kleine 4 mm Holzplatte, für einige kleine Teile, die lasergeschnitten werden müssen. Außerdem finden Sie in der CAD-Konstruktion eine Dicke von 6 mm oder eine andere Dicke, die ein Vielfaches von 3 ist. Dann benötigen Sie mehrere Schichten von lasergeschnittenen Teilen mit 3 mm 3mm jeweils.

II- Teile, die wir in 3D drucken mussten:

-Die vier Riemenscheiben: werden verwendet, um jeden Motor mit dem Arm zu verbinden, den er bewegen soll.

-Unterstützung des Motors des zweiten Armes

-Unterstützung für das Lager auf der Basis, das unter dem Riemen befestigt ist, um Kraft auf ihn auszuüben und die Spannung zu erhöhen. Die Verbindung mit dem Lager erfolgt über eine runde Metallwelle.

-Zwei rechteckige Platten für den Greifer werden auf das weiche Material gelegt, um den Ast gut zu halten und Reibung zu haben, damit der Ast nicht verrutscht.

-Vierkantwelle mit einem 8-mm-Rundloch, um die Platten des ersten Arms zu verbinden, und das Loch war zum Einsetzen einer 8-mm-Metallwelle, um die gesamte Welle stark zu machen und das Gesamtdrehmoment zu bewältigen. Die runden Metallwellen wurden mit Lagern und beiden Seiten des Arms verbunden, um den Drehteil zu vervollständigen.

-Sechskantformwelle mit einem 8mm runden Loch aus dem gleichen Grund wie die Vierkantwelle

-Klemmen, um die Riemenscheiben und die Platten jedes Arms gut an ihren Plätzen zu stützen.

In den drei CAD-Figuren kann man gut nachvollziehen, wie das System zusammengebaut wird und wie die Wellen verbunden und gestützt werden. Sie können sehen, wie die Vierkant- und Sechskantwellen mit dem Arm verbunden sind und wie sie mit der Metallwelle mit den Stützen verbunden sind. Die gesamte Baugruppe ist in diesen Figuren angegeben.

Schritt 5: Mechanische Montage

Die Montage des gesamten Roboters besteht aus 3 Hauptschritten, die erklärt werden müssen, zuerst montieren wir die Basis und den ersten Arm, dann den zweiten Arm an den ersten und schließlich den Greifer an den zweiten Arm.

Montage der Basis und des ersten Arms:

Zunächst muss der Benutzer folgende Teile separat zusammenbauen:

-Die beiden Seiten der Gelenke mit den Lagern im Inneren.

-Die Unterstützung des Motors mit dem Motor und der kleinen Riemenscheibe.

-Die symmetrische Unterstützung für die kleine Riemenscheibe.

-Die Vierkantwelle, die große Riemenscheibe, der Arm und die Klemmen.

-Das Spannlager trägt die Stützplatte. Dann das Lager und die Welle hinzufügen.

Jetzt ist jede Unterbaugruppe vorhanden, um miteinander verbunden zu werden.

Hinweis: Um sicherzustellen, dass wir die gewünschte Spannung des Riemens erhalten, kann die Position des Motors auf der Grundlage angepasst werden, wir haben ein Langloch, damit der Abstand zwischen den Riemenscheiben vergrößert oder verkleinert werden kann und wenn wir überprüfen, ob die Die Spannung ist gut, wir befestigen den Motor mit Schrauben an der Basis und befestigen ihn gut. Darüber hinaus wurde ein Lager auf der Basis an einer Stelle befestigt, an der es eine Kraft auf den Riemen ausübt, um die Spannung zu erhöhen, so dass sich das Lager dreht, wenn sich der Riemen bewegt, und keine Reibungsprobleme auftreten.

Montage des zweiten Arms an den ersten:

Die Teile müssen separat zusammengebaut werden:

-Der rechte Arm mit dem Motor, seiner Halterung, der Riemenscheibe sowie mit dem Lager und seinen Halterungsteilen. Wie im vorherigen Abschnitt wird auch eine Schraube angebracht, um die Riemenscheibe an der Welle zu befestigen.

-Der linke Arm mit den beiden Lagern und ihren Stützen.

-Die große Riemenscheibe kann sowohl auf der Sechskantwelle als auch auf den Oberarmen geschoben werden, und die Klemmen dienen zur Fixierung ihrer Position.

Dann haben wir den zweiten Arm bereit, in seine Position gebracht zu werden, der Motor des zweiten Arms wird auf dem ersten platziert, seine Position ist ebenfalls einstellbar, um die perfekte Spannung zu erreichen und ein Durchrutschen des Riemens zu vermeiden, dann wird der Motor mit fixiert Gürtel an dieser Position.

Montage des Greifers:

Die Montage dieses Greifers ist einfach und schnell. Wie bei der vorherigen Montage können die Teile einzeln montiert werden, bevor sie am vollen Arm befestigt werden:

-Befestigen Sie die bewegliche Backe mit Hilfe des mit dem Motor gelieferten Kunststoffteils an der Welle des Motors.

-Schrauben Sie den Motor an die Halterung.

-Schrauben Sie die Halterung des Sensors in die Halterung des Greifers.

-Setzen Sie den Sensor in seine Halterung.

-Legen Sie das weiche Material auf den Greifer und befestigen Sie das 3D-gedruckte Teil darüber

Der Greifer kann einfach an den zweiten Arm montiert werden, nur ein Laserschneiderteil stützt die Basis des Greifers am Arm.

Das Wichtigste war die Abstimmung der Klingen oben auf dem Arm und in welchem Abstand die Klingen außerhalb des Greifers waren das Greifen muss fast zeitgleich erfolgen.

Schritt 6: Anschluss elektronischer Komponenten

In dieser Schaltung haben wir drei Servomotoren, einen Ultraschallsensor, einen Druckknopf, Arduino und ein Netzteil.

Der Ausgang des Netzteils kann nach Belieben eingestellt werden, und da alle Servos und der Ultraschall mit 5 Volt arbeiten, also kein Spannungsregler benötigt wird, können wir den Ausgang des Netzteils nur auf 5 V regeln.

Jedes Servo muss an Vcc(+5V), Masse und Signal angeschlossen werden. Der Ultraschallsensor hat 4 Pins, einer ist mit Vcc verbunden, einer für Masse und die anderen beiden Pins sind Trigger- und Echo-Pins, sie müssen mit digitalen Pins verbunden werden. Der Taster ist mit Masse und einem digitalen Pin verbunden.

Für den Arduino muss er seinen Strom von der Stromquelle beziehen, er kann nicht vom Laptop oder seinem Kabel mit Strom versorgt werden, er sollte die gleiche Masse haben wie die daran angeschlossenen elektronischen Komponenten.

!!WICHTIGE NOTIZEN!!:

- Sie sollten einen Stromwandler hinzufügen und den Vin mit 7V versorgen.

-Bitte stellen Sie sicher, dass Sie bei dieser Verbindung den Arduino-Port von Ihrem PC entfernen, um ihn zu brennen, andernfalls sollten Sie den 5V-Ausgangspin nicht als Eingang verwenden.

Schritt 7: Arduino-Code und Flussdiagramm

Das Ziel dieses Roboterarms mit Greifer ist es, eine Zitrone einzusammeln und woanders abzulegen. Wenn der Roboter also eingeschaltet ist, müssen wir den Startknopf drücken und dann geht er zu einer bestimmten Position, an der die Zitrone gefunden wird, wenn sie Greift die Zitrone, der Greifer fährt in eine Endposition, um die Zitrone an ihren Platz zu bringen. Wir haben die Endposition auf der horizontalen Ebene gewählt, wo das erforderliche Drehmoment am höchsten ist, um zu beweisen, dass der Greifer stark genug ist.

Wie kann der Roboter die Zitrone erreichen:

In unserem Projekt bitten wir den Roboter einfach, die Arme in eine bestimmte Position zu bewegen, in der wir die Zitrone platzieren. Nun, es gibt eine andere Möglichkeit, dies zu tun, Sie können die inverse Kinematik verwenden, um den Arm zu bewegen, indem Sie ihm die (x, y)-Koordinaten der Zitrone geben, und es berechnet, wie viel jeder Motor drehen muss, damit der Greifer die Zitrone erreicht. Dabei ist state=0, wenn der Startknopf nicht gedrückt wird, sodass sich der Arm in der Ausgangsposition befindet und sich der Roboter nicht bewegt, während state=1 ist, wenn wir den Startknopf drücken und der Roboter startet.

Inverse Kinematik:

In den Abbildungen ist ein Beispiel für eine inverse Kinematikberechnung zu sehen, Sie sehen drei Skizzen, eine für die Anfangsposition und die anderen zwei für die Endposition. Wie Sie sehen, gibt es für die Endposition – egal wo – zwei Möglichkeiten, Ellbogen nach oben und Ellbogen nach unten, Sie können wählen, was Sie wollen.

Nehmen wir als Beispiel den Ellbogen hoch, damit sich der Roboter in seine Position bewegt, müssen zwei Winkel berechnet werden, theta1 und theta2, in den Abbildungen sehen Sie auch die Schritte und Gleichungen zur Berechnung von theta1 und theta2.

Beachten Sie, dass, wenn das Hindernis in einer Entfernung von weniger als 10 cm gefunden wird, die Zitrone vom Greifer gegriffen und gehalten wird, schließlich müssen wir sie in die endgültige Position bringen.

Schritt 8: Ausführen des Roboters

Nach allem, was wir zuvor gemacht haben, sind hier Videos des Roboters, der mit Sensor, Taster und allem anderen funktioniert, wie es sollte. Wir haben auch einen Schütteltest mit dem Roboter gemacht, um sicherzustellen, dass er stabil ist und die Verkabelung gut ist.

Schritt 9: Fazit

Dieses Projekt hat uns gute Erfahrungen im Umgang mit solchen Projekten gemacht. Dieser Roboter kann jedoch modifiziert werden und bietet einige weitere Vorteile wie eine Objekterkennung, um die Zitrone zu erkennen, oder vielleicht einen dritten Freiheitsgrad, damit er sich zwischen Bäumen bewegen kann. Wir können es auch über eine mobile Anwendung oder die Tastatur steuern, sodass wir es nach Belieben verschieben können. Wir hoffen, dass Ihnen unser Projekt gefällt und danken den Betreuern des Fablabs für ihre Hilfe.