Braço robótico impresso em 3D Moslty que imita o controlador de fantoches: 11 etapas (com imagens)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:34

Eu sou um estudante de engenharia mecânica da Índia e este é o meu projeto de graduação.

Este projeto está focado no desenvolvimento de um braço robótico de baixo custo que é principalmente impresso em 3D e possui 5 DOFs com uma pinça de 2 dedos. O braço robótico é controlado por um controlador de fantoches, que é um modelo de mesa do braço robótico com os mesmos graus de liberdade cujas articulações são equipadas com sensores. Manipular o controlador manualmente faz com que o braço robótico imite o movimento no modo mestre-escravo. O sistema usa o módulo WiFi ESP8266 como meio de transmissão de dados. A interface do operador mestre-escravo fornece um método fácil de aprender para a manipulação do braço robótico. Nodemcu (Esp8266) é usado como um microcontrolador.

O objetivo por trás deste projeto foi o desenvolvimento de um robô de baixo custo que pode ser usado para fins educacionais. Infelizmente, a acessibilidade dessa tecnologia robótica, que está revolucionando o mundo moderno, está limitada a apenas algumas instituições. Nosso objetivo é desenvolver e tornar este projeto de código aberto para que os indivíduos possam fazer, modificar e explorá-lo por conta própria. Por ser um código-fonte totalmente aberto e de baixo custo, isso pode inspirar outros alunos a aprender e explorar esse campo.

Meus companheiros de projeto:

• Shubham Likhar
• Nikhil Kore
• Palash lonare

Agradecimentos especiais para:

• Akash Narkhede
• Ram bokade
• Ankit korde

por sua ajuda neste projeto.

Aviso: Nunca planejei escrever um blog ou instruir sobre este projeto devido ao qual não tenho dados suficientes para documentá-lo agora. Esse esforço é feito muito depois do início do projeto. Ainda tentei muito trazer o máximo de detalhes possível para torná-lo mais compreensível. você pode achá-lo incompleto em alguns pontos … espero que você entenda:) Vou incluir um vídeo do youtube mostrando seu funcionamento e outras coisas de teste em breve

Etapa 1: Então, como isso funciona?

Isso é o que há de mais empolgante para mim neste projeto.

(Não afirmo que este seja um método eficiente ou correto de usá-lo para fins comerciais. É apenas para fins educacionais)

você deve ter visto robôs baratos com servo motores que são apenas para demonstração. Por outro lado, existem robôs com motor de passo confortável com caixa de engrenagens planetárias etc. Mas este robô é um equilíbrio entre eles.

então, como é diferente?

Construção:

Em vez de usar motor de passo de baixo custo e baixa potência, usei motores DC, mas como sabemos, os motores DC não têm sistema de controle de feedback e não podem ser usados diretamente para controle de posição, convertendo-os em servo motores adicionando um potenciômetro como sensor de feedback / posição.

Agora, para simplificar o trabalho, o que eu fiz foi desmontei servos 9g baratos, tirei seus circuitos e substituí seu motor DC por motor DC de alto torque e seu pequeno pote com o que eu tinha para o robô. Isso me permitiu usar a biblioteca padrão em arduino, você não pode acreditar nessa codificação simplificada muito!

Para acionar o motor 12 V CC com 5 V servo chip, usei o módulo acionador de motor L298N que pode acionar 2 motores simultaneamente. O módulo tem 4 pinos de entrada IN1 a IN4 que decidem a direção de rotação do motor. Onde IN1 e IN2 correspondem ao primeiro motor e IN3, IN4 para o 2º motor. Dali os terminais de saída (2) do servo chip (originalmente para o motor DC pequeno) são conectados a IN1 e IN2 da saída do módulo L298N, que é conectado ao motor de 12 Vcc.

Trabalhando:

Desta forma, quando o eixo do motor não está na posição alvo, o potenciômetro envia o valor do ângulo para o servo chip que comanda o módulo L298N para acionar Cw ou CCW por sua vez, o motor 12V DC gira de acordo com o comando recebido do microcontrolador.

O esquema é mostrado na figura (apenas para 1 motor)

EM NOSSO CASO, O COMANDO (VALORES DO ÂNGULO DE JUNTA) É ENVIADO ATRAVÉS DO CONTROLADOR DE PUPPET QUE É CÓPIA DESCIDA DE 10 VEZES DO ROBÔ REAL E TEM POTENCIÔMETRO CONECTADO EM CADA JUNTA. ATRAVÉS DE NODEMCU (ESP8266) EM TODOS OS VALORES DO ROBÔ REAL E TEM POTENCIÔMETRO CONECTADO A CADA JUNTA. JUNTA DO ROBÔ AO QUAL CADA MOTOR DA JUNTA TENTA OCUPAR

Em cada junta, um potenciômetro é conectado ao eixo da junta por meio do mecanismo do pully da correia. Quando a junta gira, o potenciômetro gira em conformidade e fornece feedback sobre a posição atual do ângulo da junta (mostrado nas fotos acima)

Etapa 2: Componentes usados:

Como eu disse, ainda estou trabalhando e melhorando dia a dia, portanto, esses componentes podem ser diferentes em algumas atualizações futuras.

meu objetivo era torná-lo o mais econômico possível, portanto, usei componentes muito seletivos. Esta é a lista dos principais componentes usados no Arm até a data (continuarei atualizando-a no futuro)

1. Esp8266 (2x)
2. Motores CC (de especificações variadas de torque e velocidades, 5x)
3. Módulo de driver de motor L298N (2x)
4. Potenciômetro (8x)
5. Canal de alumínio (30x30, 1 metro)
6. Hardware diverso

Etapa 3: Cálculos e Projeto do Braço

Para projetar o braço, usei o software catia v5. Antes de iniciar o processo de design, a primeira coisa foi calcular os comprimentos dos elos e o torque que cada junta deve sustentar.

primeiro comecei com algumas suposições que incluem:

1. A carga útil máxima para o robô será de 500 g (1,1 lb)
2. alcance total do robô será de 500 mm
3. O peso do robô não ultrapassa os 3 kg.

Cálculos de comprimento de link

continuando com isso, calculei o comprimento do link com referência ao artigo de pesquisa "Design of a Robotic Arm By I. M. H. van Haaren"

I. M. H. van Haaren deu um excelente exemplo de como ele determinou os comprimentos dos elos usando uma referência biológica em que os comprimentos dos principais segmentos corporais são expressos como uma fração da altura total. É mostrado na fig.

após os cálculos, os comprimentos dos links passaram a ser

L1 = 274 mm

L2 = 215mm

L3 = 160mm

Comprimento da garra = 150 mm

Cálculos de torque:

Para calcular o torque, usei conceitos básicos de turque e momentos aplicados em engenharia.

sem entrar em cálculos dinâmicos, baseei-me apenas em cálculos de torque estático devido a algumas restrições.

há 2 jogadores principais no torque como T = FxR, ou seja, em nosso caso, carga (massa) e comprimento do link. Como os comprimentos dos links já estão determinados, a próxima coisa é descobrir o peso dos componentes. Nesta fase, eu não tinha certeza de como posso encontrar o pesos de cada componente sem realmente medi-lo.

então, fiz esses cálculos em iterações.

1. Assumi o canal de alumínio como um material uniforme em todo o seu comprimento e dividi o peso da peça total de 1 metro com o comprimento das peças que usaria.
2. Quanto às juntas, assumi certos valores para cada junta (peso do motor + peso da parte impressa em 3D + outro) com base na suposição de peso total do robô.
3. As 2 etapas anteriores me deram os valores de torque da junta da 1ª iteração. Para esses valores, encontrei motores adequados na Internet, juntamente com outras especificações e pesos.
4. Na 2ª iteração, usei os pesos originais dos motores (que descobri na 3ª etapa) e calculei novamente os torques estáticos para cada junta.
5. Se os valores finais de torque na etapa 4 forem adequados para os motores selecionados na etapa 3, finalizei esse motor, caso contrário, repita as etapas 3 e 4 até que os valores formulados atendam às especificações reais do motor.

Desenho do braço:

Esta foi a tarefa mais meticulosa de todo o projeto e quase levou um mês para desenhá-la. Pela forma como anexei as fotos do modelo CAD. Deixarei um link para baixar esses arquivos CAD em algum lugar aqui:

Etapa 4: impressão 3D das peças

Todas as partes mais comuns são impressas em 3D em uma impressora de 99 $ com área de impressão de 100x100x100 mm (sim, é verdade !!)

impressora: Easy threed X1

Eu incluí fotos de peças principais fora do Slicer e vou vincular a todos os arquivos CAD de peças catfile, bem como stl para que você possa baixar e editar como quiser.

Etapa 5: Montagem da junta do ombro (junta J1 e J2)

A tela de base foi impressa em uma impressora diferente, pois tinha 160 mm de diâmetro. Projetei a junta do ombro de modo que possa ser acionada (rotação em torno do eixo z) com a tela da correia ou mecanismo de pinhão de engrenagem que você pode ver nas fotos incluídas acima. a parte inferior é onde se encaixam os rolamentos, que são montados em um eixo central em uma plataforma que é feita para mover o braço (tanque, mais disso no futuro).

a engrenagem Maior (amarela na imagem) é montada no canal de alumínio com parafusos de porca através dos quais passa o eixo de aço de 8 mm sobre o qual a junta 2 se move. A relação de engrenagem na 1ª junta é 4: 1 e na 2ª junta é 3,4: 1

Etapa 6: cotovelo e articulação (articulação J3)

(ALGUMAS DAS IMAGENS SÃO APÓS CONSTRUÍDAS PORQUE NÃO TENHO IMAGENS DE PROCESSO COMPLETAS)

A articulação do cotovelo segue após a articulação do ombro. É uma articulação de 2 peças, uma conectada para conectar uma e outra para conectar 2.

a peça 1 tem um motor DC com pinhão de acionamento e a peça 2 tem uma engrenagem maior anexada a ela e um par de rolamento para suportar o eixo. A relação da engrenagem é a mesma de J2, ou seja, 3,4: 1, mas o motor é 12,5 KG-CM 60 RPM.

A junta J3 tem uma amplitude de movimento de 160 graus.

Etapa 7: Articulação do pulso (articulação J4 e J5)

(ALGUMAS DAS IMAGENS SÃO APÓS CONSTRUÍDAS PORQUE NÃO TENHO IMAGENS DE PROCESSO COMPLETAS)

Depois da junta do cotovelo está a junta do pulso. Esta consiste novamente em 2 peças, uma no link anterior (ou seja, link 2) e uma consistindo de J5 motot que gira o conjunto do punho. A relação de engrenagem é 1,5: 1 e o motor CC usado é 10 RPM 8 KG -CM.

Esta junta J4 tem uma faixa de rotação de 90 graus e J5 tem 360 graus.

Etapa 8: garra

Esta foi uma das tarefas mais difíceis de projetar. Ele foi projetado de forma que possa pegar a maioria dos objetos, bem como agarrar a maioria das coisas ao nosso redor, como travas de portas, maçanetas, barras, etc.

Conforme mostrado na imagem, uma engrenagem helicoidal conectada ao motor aciona as engrenagens no sentido horário ou anti-horário que são conectadas aos dedos para abri-las e fechá-las.

Todas as peças da garra são mostradas na imagem anexa.

Etapa 9: fazer o controlador de marionetes para braço robótico

O controlador de marionetes é a versão exata 10 vezes menor do braço robótico real. Ele tem 4 potenciômetros montados em 4 juntas, a saber J1, J2, J3, J4 e a junta J5, serão operados com um botão de pressão para rotação contínua (rotação da garra para qualquer Operação)

potenciômetros detectam o ângulo de rotação das juntas e enviam este valor entre 1-1023 para Nodemcu, que é convertido de volta para 1-360 e enviado para outro Nodemcu por wi-fi. Como ESP8266 tem apenas uma entrada analógica, usei um multiplexador 4051.

tutorial para usar o multiplexador 4051 com esp8266 -

diagrama esquemático:

Vou adicionar um diagrama esquemático assim que terminar (se alguém precisar dele com urgência, entre em contato comigo até então)

Código: (também incluído aqui)

drive.google.com/open?id=1fEa7Y0ELsfJY1lHt6JnEj-qa5kQKArVa

Etapa 10: Eletrônica

Estou anexando fotos do trabalho atual. A Eletrônica Completa e o diagrama esquemático ainda não estão completos. Vou postar atualizações em breve, até então, permanecer conectado:)

(Observação: este projeto ainda não está concluído. Farei o acompanhamento de todas as atualizações no futuro)

Etapa 11: Códigos e esquema em um só lugar

Eu irei completar os esquemas do robô e o código final assim que terminar!