Braço robótico com garra: 9 etapas (com fotos)

2025 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2025-01-23 15:03

A colheita de limoeiros é considerada um trabalho árduo, devido ao grande porte das árvores e também pelo clima quente das regiões onde são plantados limoeiros. É por isso que precisamos de algo mais para ajudar os trabalhadores agrícolas a concluir seu trabalho com mais facilidade. Então, tivemos uma ideia para facilitar o trabalho deles, um braço robótico com garra que pega o limão da árvore. O braço tem cerca de 50 cm de comprimento. O princípio de funcionamento é simples: damos uma posição ao robô, então ele irá no lugar certo, e se houver um limão, sua pinça cortará o pedúnculo e agarrará o limão ao mesmo tempo. Em seguida, o limão será lançado no solo e o robô voltará à sua posição inicial. A princípio, o projeto pode parecer complexo e difícil de ser executado. No entanto, não é tão complexo, mas exigiu muito trabalho árduo e um bom planejamento. Ele só precisa ser construído uma coisa sobre a outra. No início, enfrentamos alguns problemas devido à situação do covid-19 e ao trabalho remoto, mas depois conseguimos, e foi incrível.

Este Instructable visa guiá-lo através do processo de criação de um braço robótico com uma pinça. O projeto foi projetado e desenvolvido como parte de nosso projeto Bruface Mechatronics; o trabalho foi realizado no Fablab Bruxelas por:

-Hussein Moslimani

-Inès Castillo Fernandez

-Jayesh Jagadesh Deshmukhe

-Raphaël Boitte

Etapa 1: habilidades necessárias

Então, aqui estão algumas habilidades que você precisa ter para fazer este projeto:

- Noções básicas de eletrônica

-Conhecimentos básicos de micro-controladores.

-Codificação em linguagem C (Arduino).

-Seja acostumado a softwares CAD, como SolidWorks ou AutoCAD.

-Corte a laser

-impressao 3D

Você também deve ter paciência e uma quantidade generosa de tempo livre, também aconselhamos que trabalhe em equipe como nós fizemos, tudo será mais fácil.

Etapa 2: Projeto CAD

Depois de experimentar diferentes amostras, finalmente decidimos projetar o robô como mostrado nas figuras, o braço tem 2 graus de liberdade. Os motores são conectados ao eixo de cada braço por polias e correias. As vantagens de usar polias são muitas, uma das mais importantes é aumentar o torque. A primeira correia da polia do primeiro braço tem uma relação de engrenagens de 2 e a segunda tem uma relação de engrenagens de 1,5.

A parte difícil do projeto foi o tempo limitado na Fablab. Portanto, a maioria dos projetos foram adaptados para serem peças cortadas a laser e apenas algumas peças de conexão foram impressas em 3D. Aqui você pode encontrar o design CAD em anexo.

Etapa 3: Lista de componentes usados

Aqui estão os componentes que usamos em nosso projeto:

I) Componentes eletrônicos:

-Arduino Uno: Esta é uma placa de microcontrolador com 14 pinos de entrada / saída digital (dos quais 6 podem ser usados como saídas PWM), 6 entradas analógicas, um cristal de quartzo de 16 MHz, uma conexão USB, um conector de alimentação, um conector ICSP, e um botão de reset. Usamos este tipo de microcontrolador, pois é fácil de usar e pode fazer o trabalho necessário.

-Dois servo motores grandes (MG996R): é um servomecanismo de malha fechada que usa feedback de posição para controlar seu movimento e posição final. É usado para girar os braços. Tem um bom torque, até 11kg / cm, e graças à redução do torque feita pelas polias e pela correia podemos atingir um torque maior que é mais do que suficiente para segurar os braços. E o fato de não precisarmos de mais de 180 graus de rotação, este motor é muito bom de usar.

-Um servo pequeno (E3003): é um servomecanismo de malha fechada que usa feedback de posição para controlar seu movimento e posição final. Este motor serve para controlar a pinça, tem um torque de 2,5 kg / cm, e serve para cortar e agarrar o limão.

- Fonte de alimentação CC: Este tipo de fonte de alimentação estava disponível no fablab, e porque nosso motor não se move no solo, então as fontes de alimentação não precisam ficar coladas uma na outra. A principal vantagem desta fonte de alimentação é que podemos ajustar a tensão e a corrente de saída como quisermos, sem a necessidade de um regulador de tensão. Se este tipo de fonte de alimentação não estiver disponível, mas é caro. Uma alternativa barata seria usar um suporte de bateria 8xAA, acoplado a um regulador de tensão como o 'MF-6402402', que é um conversor CC para CC, para obter a tensão necessária. Seu preço é mostrado também na lista de componentes.

-Breadboard: placa de plástico usada para conter componentes eletrônicos. Além disso, para conectar os componentes eletrônicos à fonte de alimentação.

-Fios: usados para conectar os componentes eletrônicos à placa de ensaio.

-Botão de pressão: É usado como botão de início, para que quando o pressionamos o robô funciona.

-Sensor ultrassônico: utilizado para medir distâncias, gera sons de alta frequência e calcula o intervalo de tempo entre o envio do sinal e a recepção do eco. É usado para detectar se o limão foi segurado pela pinça ou se escorrega.

II) Outros componentes:

-Plástico para impressão 3D

Folhas de madeira de -3mm para corte a laser

-Eixo metálico

-Blades

-Material macio: é colado em ambos os lados da pinça, para que a pinça comprima o ramo de limão ao cortá-lo.

-Parafusos

- Correia para conectar polias, correia 365 T5 padrão

-Rolamentos circulares de 8 mm, o diâmetro externo é de 22 mm.

Etapa 4: impressão 3D e corte a laser

Graças às máquinas de corte a laser e impressão 3D encontradas na Fablab, construímos as peças de que precisamos para o nosso robô.

I- As peças que tivemos que cortar a laser são:

-Base do robô

-Suporta para o motor do primeiro braço

-Suporte do primeiro braço

-Placas dos 2 braços

-Base da garra

-Conexão entre a pinça e o braço.

-Dois lados da garra

-Suportes para os mancais, para garantir que não escorreguem ou se movam de sua posição, todos os encaixes dos mancais são de duas camadas 3mm + 4mm, já que a espessura do mancal era de 7mm.

Nota: você vai precisar de uma pequena folha de madeira de 4 mm, para algumas pequenas peças que precisam ser cortadas a laser. Além disso, você encontrará no projeto CAD uma espessura de 6 mm, ou qualquer outra espessura que seja múltipla de 3, então você precisa de várias camadas de peças cortadas a laser de 3 mm, ou seja, se houver 6 mm de espessura, você precisa de 2 camadas 3mm cada.

II- Peças que precisávamos imprimir em 3D:

-As quatro polias: servem para conectar cada motor ao braço que é responsável por movimentar.

-Suporte do motor do segundo braço

-suporte para o rolamento na base, que é fixado sob a correia para fazer força sobre ela e aumentar a tensão. Ele é conectado ao rolamento por meio de um eixo metálico redondo.

- Duas placas retangulares para a pinça, são colocadas sobre o material macio para segurar bem o galho e ter fricção para que o galho não escorregue.

- Eixo quadrado com furo redondo de 8mm, para conectar as placas do primeiro braço, e o furo era para inserir um eixo metálico de 8mm para tornar todo o eixo forte e aguentar o torque total. Os eixos metálicos redondos foram conectados a rolamentos e ambos os lados do braço para completar a parte rotacional.

- Eixo de forma hexagonal com um orifício redondo de 8 mm pelo mesmo motivo que o eixo quadrado

-Braçadeiras para apoiar bem as polias e as placas de cada braço nos seus lugares.

Nas três figuras do CAD, você pode entender bem como o sistema é montado e como os eixos são conectados e apoiados. Você pode ver como os eixos quadrado e hexagonal são conectados ao braço e como eles são conectados aos suportes usando o eixo metálico. Toda a montagem é dada nessas figuras.

Etapa 5: Montagem Mecânica

A montagem de todo o robô tem 3 etapas principais que devem ser explicadas, primeiro montamos a base e o primeiro braço, depois o segundo braço para o primeiro e finalmente a garra para o segundo braço.

Montagem da base e primeiro braço:

Primeiro, o usuário deve montar as seguintes peças separadamente:

-Os dois lados das juntas com os rolamentos no interior.

-O suporte do motor com o motor e a polia pequena.

-O suporte simétrico para a polia pequena.

-O eixo quadrado, a polia grande, o braço e os grampos.

- O mancal de “tensionamento” suporta a placa de suporte. Em seguida, adicionando o rolamento e o eixo.

Agora, cada submontagem está pronta para ser conectada.

Nota: para ter certeza de que obtemos a tensão na correia que queremos, a posição do motor na base pode ser ajustada, temos orifício alongado para que a distância entre as polias possa ser aumentada ou diminuída e quando verificamos que o a tensão é boa, fixamos o motor na base com parafusos e fixamos bem. Além disso, um mancal foi fixado na base em um local onde ele exerce uma força na correia para aumentar a tensão, de forma que quando a correia se move o mancal gira, sem problemas de atrito.

Montagem do segundo braço para o primeiro:

As peças devem ser montadas separadamente:

-O braço direito, com o motor, seu suporte, a polia, e também com o rolamento e suas peças de suporte. Um parafuso também é colocado para fixar a polia ao eixo como na seção anterior.

-O braço esquerdo com os dois rolamentos e seus suportes.

-A polia grande pode deslizar no eixo hexagonal e também na parte superior dos braços, e as braçadeiras são projetadas para fixar sua posição.

Então temos o segundo braço pronto para ser colocado em sua posição, o motor do segundo braço é colocado no primeiro, sua posição também é regulável para atingir a tensão perfeita e evitar o escorregamento da correia, então o motor é fixado com cinto nesta posição.

Montagem da garra:

A montagem desta pinça é fácil e rápida. Quanto à montagem anterior, as peças podem ser montadas sozinhas antes de serem fixadas no braço completo:

-Fixe a mandíbula móvel ao eixo do motor, com o auxílio da peça de plástico que acompanha o motor.

- Aparafuse o motor ao suporte.

- Aparafuse o suporte do sensor no suporte da pinça.

-Coloque o sensor em seu suporte.

-Coloque o material macio na pinça e fixe a parte impressa em 3D sobre eles

A garra pode ser facilmente montada no segundo braço, apenas uma peça de corte a laser apóia a base da garra pelo braço.

O mais importante era a afinação das lâminas na parte superior do braço e a que distância as lâminas ficavam fora da pinça, por isso foi feito por tentativa e erro até chegarmos ao local mais eficiente que podemos obter para as lâminas onde cortam e agarrar tem que acontecer quase ao mesmo tempo.

Etapa 6: conexão de componentes eletrônicos

Neste circuito, temos três servo motores, um sensor ultrassônico, um botão, Arduino e uma fonte de alimentação.

A saída da fonte de alimentação pode ser ajustada como quisermos, e como todos os servos e ultrassons funcionam em 5 Volts, não há necessidade de um regulador de tensão, só podemos regular a saída da fonte de alimentação para 5V.

Cada servo deve ser conectado ao Vcc (+ 5V), terra e sinal. O sensor ultrassônico possui 4 pinos, um é conectado ao Vcc, um para o terra, e os outros dois pinos são gatilho e pino de eco, eles devem ser conectados a pinos digitais. O botão de pressão é conectado ao solo e a um pino digital.

Para o Arduino, ele precisa falar sua alimentação da fonte de alimentação, não pode alimentar do laptop ou do cabo, deve ter o mesmo aterramento dos componentes eletrônicos conectados a ele.

!!ANOTAÇÕES IMPORTANTES!!:

- Você deve adicionar um conversor de energia e energia para o Vin com 7V.

- Certifique-se de que com esta conexão, você deve remover a porta Arduino do seu pc para queimá-lo, caso contrário, você não deve usar o pino de saída de 5 V como entrada.

Etapa 7: Código e fluxograma do Arduino

O objetivo deste braço robótico com uma pinça é coletar um limão e colocá-lo em outro lugar, então quando o robô está ligado, temos que apertar o botão iniciar e então ele vai para uma determinada posição onde o limão é encontrado, se for agarra o limão, a pinça irá para a posição final para colocar o limão no seu lugar, escolhemos a posição final ao nível horizontal, onde o binário necessário é máximo, para provar que a pinça é suficientemente forte.

Como o robô pode alcançar o limão:

No projeto que fizemos, simplesmente pedimos ao robô para mover os braços até uma determinada posição onde colocamos o limão. Bem, existe outra maneira de fazer isso, você pode usar a cinemática inversa para mover o braço, dando a ele as coordenadas (x, y) do limão, e ele calcula quanto cada motor tem que girar para que a garra alcance o limão. Onde state = 0 é quando o botão start não é pressionado, então o braço está na posição inicial e o robô não se move, enquanto state = 1 é quando pressionamos o botão start e o robô inicia.

Cinemática Inversa:

Nas figuras há um exemplo de cálculo de cinemática inversa, você pode ver três esboços, um para a posição inicial e os outros dois para a posição final. Então, como você vê, para a posição final - não importa onde ela esteja - existem duas possibilidades, cotovelo para cima e cotovelo para baixo, você pode escolher o que quiser.

Tomemos o cotovelo como exemplo, para fazer o robô se mover para sua posição, dois ângulos têm que ser calculados, theta1 e theta2, nas figuras também você vê os passos e equações para calcular theta1 e theta2.

Observe que, se o obstáculo for encontrado a uma distância menor que 10 cm, então o limão é agarrado e segurado pela pinça, finalmente temos que entregá-lo na posição final.

Etapa 8: Executando o Robô

Depois de tudo o que fizemos antes, aqui estão os vídeos do robô funcionando, com o sensor, botão de pressão e tudo mais funcionando como deveria. Também fizemos um teste de agitação no robô, para ter certeza de que está estável e a fiação está boa.

Etapa 9: Conclusão

Este projeto nos deu uma boa experiência em lidar com tais projetos. Ainda assim, este robô pode ser modificado e ter mais alguns valores agregados, como detecção de objetos para detectar o limão, ou talvez um terceiro grau de liberdade para que ele possa se mover entre as árvores. Além disso, podemos torná-lo controlado por um aplicativo móvel ou pelo teclado para movê-lo como quisermos. Esperamos que goste do nosso projeto e um agradecimento especial aos orientadores da Fablab por nos ajudarem.