Braço de robô DIY 6 eixos (com motores de passo): 9 etapas (com imagens)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:37

Após mais de um ano de estudos, protótipos e várias falhas consegui construir um robô de ferro / alumínio com 6 graus de liberdade controlado por motores de passo.

A parte mais difícil foi o design porque eu queria atingir 3 objetivos fundamentais:

• Baixo custo de realização
• Montagem fácil mesmo com pouco equipamento
• Boa precisão ao mover

Eu projetei o modelo 3D com Rhino várias vezes até (na minha opinião) um bom compromisso que atenda aos 3 requisitos.

Não sou engenheiro e antes desse projeto não tinha nenhuma experiência em robótica, então uma pessoa mais experiente do que eu poderia encontrar falhas de projeto no que eu fiz, mas ainda posso dizer que estou satisfeito com o resultado final que alcancei.

Suprimentos

para mais informações visite meu blog pessoal

Etapa 1: Projeto CAD

Antes de chegar ao modelo final, projetei pelo menos 8 protótipos diferentes com sistemas de transmissão diferentes, mas nenhum poderia satisfazer os 3 requisitos descritos acima.

Juntando as soluções mecânicas de todos os protótipos feitos (e também aceitando alguns compromissos) saiu o modelo final. Não contei as horas que passei diante do CAD, mas posso garantir que foram muitas.

Um aspecto a ter em mente na fase de projeto é que mesmo um único grama adicionado ao final do pulso do robô é multiplicado às custas da resistência de torque dos motores na base e, portanto, mais peso é adicionado e mais motores deve ser calculado para suportar o esforço.

Para "ajudar" os motores a suportar o estresse, apliquei pistões a gás de 250N e 150N.

Pensei em reduzir custos criando o robô com placas de ferro cortadas a laser (C40) e alumínio com espessuras variando de 2, 3, 5, 10 mm; o corte a laser é muito mais barato do que o fresamento de metal 3D.

Depois de desenhar cada componente individual, fiz as formas das peças em.dxf e as enviei para o centro de corte. Todos os outros componentes foram feitos por mim no torno.

Etapa 2: Preparação e Montagem

Finalmente é hora de sujar as mãos (é o que faço de melhor) …

A fase de construção custou muitas horas de trabalho para a preparação das peças, o preenchimento manual dos furos, das juntas, das roscas e do torneamento dos cubos. O facto de ter desenhado cada um dos componentes de forma a poder funcionar com apenas algumas ferramentas de trabalho, fez-me não ter grandes surpresas nem problemas mecânicos.

O mais importante não é ter pressa em terminar, mas ser escrupuloso e seguir cada linha do projeto, improvisar nesta fase nunca leva a bons resultados.

Perceber os assentos dos rolamentos é extremamente importante porque cada junta repousa sobre eles e mesmo uma pequena folga de alguns por cento pode comprometer o sucesso do projeto.

Eu me vi tendo que refazer os pinos porque com o torno eu havia removido cerca de 5 centavos menor do que o orifício do rolamento e quando tentei montá-lo o jogo ficou monstruosamente óbvio.

As ferramentas que usei para preparar todas as peças são:

• furadeira
• moedor / dremel
• mó
• arquivo manual
• torno
• Chaves inglesas

Entendo que nem todas as pessoas podem ter um torno em casa e neste caso será necessário encomendar as peças a um centro especializado.

Eu havia projetado as peças para serem cortadas a laser com as juntas um pouco mais abundantes para poder aperfeiçoá-las à mão porque o laser, por mais preciso que seja, gera um corte cônico e é fundamental considerá-lo.

Trabalhando manualmente com a lima cada junta que fiz para gerar um acoplamento muito preciso entre as peças.

Até os orifícios nos assentos do rolamento que eu tinha feito menores e depois alargados à mão com a dremel e com muita (mas realmente muita) paciência.

Todos os fios que fiz à mão na furadeira porque se consegue a perpendicularidade máxima entre o instrumento e a peça. Após a preparação de cada peça, chega o tão esperado momento da verdade, a montagem de todo o robô. Fiquei surpreso ao descobrir que cada peça se encaixava exatamente na outra com as tolerâncias corretas.

O robô agora está todo montado

Antes de mais nada, preferi fazer alguns testes de movimento para me certificar de que os motores foram devidamente projetados, se eu encontrar algum problema com os motores, principalmente no torque de aperto, serei obrigado a refazer boa parte do projeto.

Depois de montar também os 6 motores, levei o robô pesado ao meu laboratório no sótão para submetê-lo aos primeiros testes.

Etapa 3: primeiros testes de movimento

Após completar a parte mecânica do robô montei rapidamente a parte eletrônica e conectei apenas os cabos dos 6 motores. Os resultados dos testes foram muito positivos, as juntas movem-se bem e nos ângulos pré-estabelecidos, descobri alguns problemas facilmente resolvidos.

O primeiro problema diz respeito à junta no. 3 que na extensão máxima sobrecarregava muito a correia e às vezes causava perda de passos. A solução para esse problema me levou a vários argumentos que veremos na próxima etapa.

O segundo problema diz respeito ao no. 4, a solução da torção da correia não era muito confiável e gerou problemas. Enquanto isso as partes de ferro do robô começavam a formar pequenos pontos de ferrugem, então com a oportunidade de resolver os problemas aproveitei também para pintá-lo.

Etapa 4: pintura e remontagem

Não gosto muito da fase de pintura, mas neste caso sou obrigado a fazê-lo porque a amo ainda menos.

No ferro coloquei primeiro um primer que serve de fundo para a tinta fluo vermelha.

Etapa 5: correção de bug N.1

Após os resultados dos testes tive que fazer algumas alterações para melhorar a precisão do robô. A primeira modificação diz respeito à junta # 3 em particular quando ela estava na condição mais desfavorável exerceu uma tração excessiva da correia e consequentemente o motor estava sempre sob estresse. A solução foi ajudar aplicando uma força contrária ao sentido de rotação.

Passei noites inteiras pensando em qual poderia ser a melhor solução sem ter que fazer tudo de novo. Inicialmente pensei em aplicar uma grande mola de torção, mas procurando online não achei nada satisfatório, então optei por um pistão a gás (como já havia projetado para a junta # 2), mas ainda tive que decidir onde colocá-lo porque eu não tinha espaço suficiente.

Desistindo um pouco da estética, decidi que o melhor lugar para colocar o pistão era na lateral.

Fiz os cálculos sobre a potência necessária do pistão considerando o ponto onde ele deveria exercer a força e então encomendei no ebay um pistão 150 N de 340 mm então projetei os novos suportes para poder fixá-lo.

Etapa 6: correção de bug N.2

A segunda mudança diz respeito à junta nº. 4 onde inicialmente havia planejado a transmissão com a correia torcida mas percebi que os espaços foram reduzidos e a correia não funcionou tão bem como esperava.

Resolvi refazer completamente a junta inteira, projetando os ombros de forma a receber o motor em uma direção paralela em relação a eles. Com esta nova modificação, agora a correia funciona corretamente e também é mais fácil tensioná-la porque projetei um sistema chave para tensionar facilmente a correia.

Etapa 7: Eletrônica

A eletrônica de controle do motor é a mesma usada para um CNC clássico de 3 eixos, com a diferença de que existem mais 3 drivers e mais 3 motores para gerenciar. Toda a lógica de controle dos eixos é calculada pelo aplicativo, a eletrônica tem a única tarefa de receber instruções sobre quantos graus os motores terão que girar para que a junta não alcance a posição desejada.

As peças que compõem a eletrônica são:

• Arduino Mega
• n. 6 driver DM542T
• n. 4 Relè
• n. 1 fonte de alimentação 24V
• n. 2 válvulas solenóides (para a braçadeira pneumática)

No Arduino carreguei o sketch que trata de gerenciar simultaneamente os movimentos dos motores como aceleração, desaceleração, velocidade, passos e limites máximos e está programado para receber comandos a serem executados via serial (USB).

Comparado com os controladores de movimento profissionais que podem custar até vários milhares de euros, o Arduino, em sua pequena forma, se defende de operações muito obviamente complexas que não é capaz de gerenciar, como por exemplo o multithread útil especialmente quando você tem que gerenciar vários motores simultaneamente.

Etapa 8: Considerações de software

Cada robô tem sua própria forma e diferentes ângulos de movimento e a cinemática é diferente para cada um deles. No momento, para fazer os testes, estou usando o software de Chris Annin (www.anninrobotics.com) mas a matemática escrita para seu robô não se encaixa perfeitamente na minha, de fato algumas áreas da área de trabalho não consigo alcançar eles porque os cálculos dos cantos não estão completos.

O software de Annin agora é bom para experimentos, mas terei que começar a pensar em escrever meu próprio software que se encaixa 100% com a física do meu robô. Já comecei a fazer alguns testes usando o Blender e escrevendo a parte Python do controlador de movimento e parece uma boa solução, existem alguns aspectos a serem desenvolvidos, mas este combo (Blender + Ptyhon) é muito fácil de implementar, especialmente é fácil para planejar e simular movimentos sem ter o robô na sua frente.

Etapa 9: braçadeira pneumática

Para poder levar objetos ao robô, eu o equipei com uma pinça pneumática.

Pessoalmente não gosto de alicates com servos, eles não me dão muita confiança na vedação, então pensei que uma pinça pneumática ajustando especificamente a pressão poderia satisfazer todas as necessidades.

Com perfis de alumínio quadrados, modifiquei a braçadeira para levar tanto objetos pequenos quanto objetos grandes.

Mais tarde, quando tiver tempo, reunirei todas as informações sobre o projeto para fazer o download.

Espero que você tenha gostado deste instrutível.