Toca aqui! - uma mão robótica: 5 etapas

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

Um dia, em nossa aula de Princípios de Engenharia, decidimos construir máquinas compostas com peças VEX. Quando começamos a construir os mecanismos, lutamos para gerenciar vários componentes complexos que precisavam ser montados juntos. Se alguém pudesse nos dar uma mão …

É por isso que nós, três alunos da Irvington High School na classe da Sra. Berbawy, decidimos projetar e construir uma mão robótica do zero! Com uma estimativa financeira de $ 150 para este S. I. D. E. Projeto, conseguimos adquirir todos os materiais necessários, permanecendo dentro do orçamento. O produto finalizado consiste em um Arduino Mega, um microcontrolador servo que aciona 5 servos, cada um dos quais conectado a um dedo impresso em 3D que é capaz de se mover individualmente com juntas realistas.

Este foi um projeto muito ambicioso, uma vez que todos os membros da equipe são estudantes do ensino médio com agendas ocupadas no primeiro ano e não têm experiência anterior na concepção completa de um projeto baseado em eletrônica a partir da base. Embora os membros da nossa equipe tenham experiência anterior em design e programação auxiliados por computador, o projeto abriu nossos olhos para a utilização potencial do hardware e software do Arduino de uma forma que poderia ajudar as pessoas a realizar suas tarefas diárias.

Modelagem 3D e Design por Patrick Ding

Documentação e codificação do Arduino por Ashwin Natampalli

Arduino Coding, Circuitry, and Instructable por Sandesh Shrestha

Etapa 1: CADing

O primeiro e mais difícil passo deste projeto é criar modelos 3D da mão com os dedos. Para fazer isso, use o Autodesk Inventor ou Autodesk Fusion 360 (usamos o primeiro).

Use arquivos de peça para criar CADs individuais para a palma da mão, segmentos de dedo, ponta dos dedos e segmento de dedo mínimo. Isso nos levou de 2 a 3 revisões por peça para que a operação das juntas e servos fosse suave.

O desenho pode ser de qualquer tamanho e forma desejados, desde que o caminho da corda permita uma operação suave dos dedos e os dedos não colidam uns com os outros. Certifique-se também de que os dedos são capazes de se dobrar totalmente para um punho fechado.

Para corrigir o problema de interferências de cordas e caminhos ineficientes, como vimos em nossa primeira versão, laços, guias de cordas e túneis foram adicionados para que a corda pudesse ser facilmente puxada e solta.

Aqui estão nossas multivistas finalizadas e arquivos CAD.stl para cada parte.

Etapa 2: Impressão 3D

Depois de concluir os CADs, use uma impressora 3D para torná-los reais. Este estágio pode ser repetido várias vezes se o design que você criar tiver alguns problemas.

Para imprimir em 3D, primeiro exporte os arquivos CAD como arquivos STL. Para fazer isso no Autodesk Inventor, clique no menu suspenso Arquivo e passe o mouse sobre Exportar. Na coluna popout, selecione Formato CAD. O menu do Windows File Explorer permitirá que você escolha o arquivo.stl no menu suspenso e escolha um local para o arquivo.

Assim que o arquivo estiver pronto para ser importado para o software da impressora 3D, configure as opções de impressão a seu gosto ou siga nossa configuração. O software da impressora 3D varia de marca para marca, portanto, consulte os guias on-line ou o manual para navegar pelo software. Para nossa mão, usamos o LulzBot Mini devido à sua disponibilidade em nosso ambiente de classe.

Etapa 3: Montagem

Depois que todas as peças forem impressas em 3D com sucesso com jangadas e suportes removidos (se aplicável), cada peça deve ser preparada para começar a montagem.

Como as impressoras 3D não são muito precisas e podem ocorrer pequenas imperfeições, use uma lixa ou lixa ou uma dremel com um acessório de lixa para suavizar certas faces. Para uma operação de junta mais suave, concentre-se nas juntas e pontos de intersecção para suavizar e obter conexões ideais. Às vezes, os túneis de cordas em segmentos de dedo e outras partes podem desmoronar ou ser imperfeitos. Para combater grandes discrepâncias, use uma furadeira com uma broca de 3/16 pol. Para perfurar os túneis.

Para facilitar o encaminhamento da corda, monte cada dedo, passe a corda pelos túneis e amarre a corda nas pontas. Antes de unir cada dedo à palma, passe a corda pelas alças de guia, uma pelo orifício superior e outra pela parte inferior, na palma da mão e prenda-a nas extremidades opostas dos carretéis incluídos no servo. Quando os comprimentos estiverem corretos, junte os dedos à palma.

Conforme mostrado na imagem acima, insira os parafusos m4x16 em cada junta para manter os dedos unidos. Repita cada processo de construção de dedo para todos os dedos, usando os segmentos mindinhos para o mindinho.

Etapa 4: Circuito Arduino

Com o esqueleto todo montado, agora os músculos e o cérebro devem ser integrados. Para executar todos os servos de uma vez, devemos usar um controlador de motor PCA 9685 da Adafruit. Este controlador requer uma fonte de alimentação externa para alimentar os servos. O uso deste controlador e sua biblioteca de codificação proprietária podem ser encontrados aqui.

Ao conectar o Arduino ao controlador, certifique-se de registrar as saídas dos pinos. Se estiver usando um Arduino Mega, isso não será necessário. Em todos os casos, no entanto, certifique-se de registrar em quais portas do controlador do motor os servos estão montados.

Para controlar os servos e a mão usando um remoto IR, basta adicionar o receptor IR e conectar a alimentação e o aterramento ao Arduino com o fio de dados nas portas digitais. Verifique a pinagem de seu receptor IR para certificar-se de que a fiação está correta. Um exemplo de nosso circuito é mostrado.

Para criar este circuito, primeiro conecte cada servo às portas 3, 7, 11, 13 e 15 na placa do controlador do servo motor. Anexe a placa inteira com os cinco pinos na parte inferior a uma placa de ensaio.

Usando cabos jumper, conecte a alimentação de 5 V do Arduino e o aterramento a um barramento de alimentação da placa de ensaio (certifique-se de rotular ou lembrar qual lado tem 5 V do Arduino!). Isso irá alimentar o sensor IR e o controlador do motor. Conecte um pacote de alimentação de 6 V ao outro barramento de alimentação. Isso irá alimentar os servos.

Coloque todos os 3 pinos do sensor IR na placa de ensaio. Conecte a alimentação e o aterramento ao trilho de 5 V e a saída ao pino digital 7.

Como estamos usando um Arduino Mega, as portas SDA e SCL no controlador do motor serão conectadas às portas SDA e SCL no Arduino. O VCC e as portas de aterramento se conectarão ao trilho de 5V.

Com a bateria conectada ao seu próprio barramento de alimentação, use cabos de jumper e uma pequena chave de fenda para proteger a alimentação dos servo motores por meio do conector de entrada de alimentação verde.

Certifique-se de que todas as conexões estejam firmes e verifique novamente todas as linhas de cabo com nosso circuito TinkerCAD conectado.

Etapa 5: codificação

A última etapa antes que essa mão possa ser comissionada para uso é codificar o Arduino. Como esta mão usa o controlador de motor PCA 9685, primeiro temos que instalar a biblioteca, o que pode ser feito dentro do Arduino Coding Environment. Após a instalação, instale também a biblioteca IRremote para a funcionalidade IR Remote.

Em nosso código, as definições de cada botão do controle remoto infravermelho são mostradas com códigos de 8 dígitos. Eles foram encontrados usando o programa IRRecord, que imprime no Serial Monitor o código de 8 dígitos de cada botão.

Em anexo está o programa IRRecord e o programa finalizado de controle de mão.

No início do código, inclua as bibliotecas IRremote, Wire e Adafruit_PWMServoDriver.

Depois, use as descobertas do IRRecord para definir cada botão do controle remoto IR. Embora nem todos sejam necessários (apenas 10 são necessários), ter todos permite uma expansão rápida (adicionando funções e gestos predefinidos) para o futuro. Crie o pwm usando a função de driver servo e atribua os servos aos pinos no controlador do motor. Use os mesmos valores de SERVOMAX / MIN conforme mostrado. Atribua o pino de entrada digital do sensor IR como 7 e inicialize.

Declare a função de configuração com inicialização Serial com taxa de baud de 9600. Habilite o sensor IR e inicie o servo com freqüência de servo de 60hz.

Por fim, crie uma chave if / else com base na transmissão de entrada do controle remoto IR na função de loop. Em seguida, crie uma chave / caixa com as caixas de cada botão no controle remoto IR que será usado. Eles podem ser alterados para seus controles preferidos. Para cada caso, imprima o botão pressionado no monitor serial para depuração e use um loop for para mover o servo. Depois que todos os casos forem criados, certifique-se de retomar o sensor IR para mais sinais de entrada antes de fechar a função de loop. A codificação dos servos por meio da placa do controlador do motor pode ser encontrada em