РУКА-МАНИПУЛЯТОР ДЛЯ РОБОТА
Сейчас вы узнаете как создать руку-манипулятор для робота, изготовленную на базе обычных серво, пары шестеренок и из пластин алюминия. Хотя можно купить готовые комплекты роботов-манипуляторов, они, как правило, дороги и довольно слабы. В общем сейчас выясним, можно ли в домашних условиях сделать качественный манипулятор 6-степеней свободы.
Механическая конструкция рычага основана на 2-х универсальных конструкциях кронштейнов и нескольких меньших блоках. Поворотные части изготовлены из стандартных сервоприводов и небольших фланцевых подшипников, чтобы максимально упростить конструкцию. Все части проекта были разработаны в libreCAD — пакет 2D САПР с открытым исходным кодом. В качестве примера приведено изображение конструкции сервоблока:
Построение руки робота
Сборка кронштейна сервопривода
Кронштейн для сервопривода изготовлен из листа алюминия 2 мм. Поскольку понадобится 5 этих скоб, хорошей идеей будет создать шаблон или программу под ЧПУ, чтобы сделать сверление проще и согласованнее.
Теперь нужно разрезать кусок алюминия толщиной 2 мм по размеру (для этого использовал комбинацию торцовочной пилы, лобзика и пилы). Поместите алюминий в тиски с шаблоном сверху и начните с точечной штамповки маркеров и линий сгиба, показанных на шаблоне. После этого делайте сверление направляющих отверстий для остальной части кронштейна.
Выньте алюминий из тисков и просверлите направляющие отверстия до нужного размера, как показано на чертеже CAD. Чтобы упростить складывание, использовал квадратную линейку для разметки линий сгиба в соответствии с пунктирными линиями: Перед тем, как согнуть алюминий, сначала нужно будет увидеть две линии в верхней части кронштейна. Чтобы согнуть кронштейн, поместите его в тиски:
Выровняйте линию сгиба и затем поместите кусок дерева по скобе. Сложите его назад, нажав на дерево. Это помогает поддерживать давление даже на кронштейне и сгибать его, не искажая форму. Вы можете использовать края дерева, чтобы согнуть меньшие части аналогичным образом. Закончив сгибание кронштейна используйте шаблон и линейку, чтобы отметить линию разреза на передней части кронштейна, а затем отпилите ненужный материал: Когда скоба полностью обрезана и готова, рекомендуется напильником сгладить все острые или неровные края. Скобка должна выглядеть примерно так:
Сборка С-кронштейна
С-образная скоба выполнена практически идентично кронштейну для сервопривода. Здесь использовались алюминиевые полоски 25 мм x 1000 мм x 2 мм как для шаблона, так и для самих кронштейнов. Так же, как кронштейн для сервопривода, сначала режете алюминий по размеру, а затем склеиваете CAD-шаблон поверху. Готовый шаблон и шаблон должны выглядеть примерно так:
После того как кронштейн просверлен, выньте деталь и заново просверлите отверстия до правильных размеров, как показано на чертежах CAD. При сгибании кронштейна соблюдайте осторожность — надо убедиться, что сгибаете всё одинаково. Нужно будет сделать как минимум три из этих скоб для руки робота:
Сборка L-кронштейнов
Рука робота имеет 3 разных L-образных кронштейна для средней части руки, запястья и концевого крепления. Поскольку все эти скобки имеют разные размеры, нет необходимости создавать шаблон. Просто нарежьте алюминий по размеру (полоски 25 мм х 1000 мм х 2 мм) и наклейте чертежи САПР на полосы разреза. Сделайте точный удар по шаблону, а затем просверлите детали.
Сборка манипулятора
Так как манипулятор робота относительно тяжелый, нижний сервопривод нуждается в достаточной поддержке для плавного вращения. Для этого рычаг монтируется на поворотном столе, который поддерживается четырьмя роликами, которые снимают сервопривод с веса, размещенного в поперечном направлении через сервопривод (он без поддержки может легко скрутить сервопривод и повредить его).
Основание поворотного стола выполнено аналогично кронштейнам. Напечатанный шаблон САПР помещается поверх листа алюминия и удерживается на месте с помощью скотча. Образец резания и сверления затем точечно накернивается в материале. После удаления бумаги используйте стальную линейку, чтобы выделить линии разреза:
Полученную форму затем вырезаем из алюминия, а затем собираем в форму. Обратите внимание на прямоугольный рисунок в центре детали — это схема сверления для вырезания алюминия, чтобы можно было установить сервопривод. Эту часть просверливают, а затем вырезают с помощью Дремеля, прежде чем подать в форму, чтобы сервопривод легко помещался в посадочное место.
Для поддержки верхней вращающейся части поворотного стола вокруг внешней части детали расположены четыре небольших колесика для мебели. Это довольно распространенные вещи, которые можно купить в большинстве мебельных магазинов. Ролики крепятся к основанию с помощью винтов M4 и гаек. После установки сервопривода и роликов нижний поворотный стол должен выглядеть следующим образом:
Затем основание поворотного стола прикрепляется к четырем алюминиевым пластинам, вырезанным из прутка 40 мм х 1000 мм х 2,5 мм. Опять же размеры и схема сверления включены в чертежи САПР.
Для прикрепления поворотного стола к ножке робота предусмотрены 4 алюминиевые трубки (8 мм диаметром и толщиной 1 мм), нарезанные по 30 мм. Они удерживаются на месте резьбовым стержнем M3, который обрезается по длине и затем крепится болтами с обоих концов. Обратите внимание, что стопы недостаточно для удержания руки робота, когда она полностью выдвинута в одну сторону (это приведет к перебалансировке). Пластины должны быть закреплены на более тяжелой плоской поверхности, однако хотел иметь возможность поднять руку во время работы над сборкой. Основание и ножка поворотного стола показаны на следующем рисунке:
Верхняя часть манипулятора выполнена аналогично основанию. Перед установкой верхней части поворотного стола на основание один из кронштейнов сервопривода крепится к верхней части. Обратите внимание, что двойной кронштейн с сервоприводом слегка приподнят (на 4-х гайках M3), чтобы обеспечить свободное пространство для руки робота над основанием при вращении плечевого сустава руки. Нужно будет высверлить основание крепления сервопривода, чтобы винт с сервоприводной головкой хорошо прилегал (чтоб могли удерживать верхнюю часть поворотного стола на месте). Необходимо убедиться, что высота поворотного стола соответствует используемому сервоприводу. При необходимости можете поднять ролики, просто подкладывая шайбы под них.
На следующем рисунке показана конструкция кронштейна с двумя сервоприводами и крепления. Кронштейн состоит из элемента с двумя сервоприводами, на котором в свою очередь закреплены 2 других кронштейна с серво. Обратите внимание, что передний кронштейн имеет заднюю часть, которая позволяет установить кронштейн C на задний сервопривод перед установкой переднего сервопривода:
Сборка руки робота
Чтобы начать сборку рычажного механизма, начните с закрепления болтами всех сервоприводов с помощью винтов M3. Поскольку рычаг требует большого крутящего момента, чтобы справиться с весом рычага использовались металлические редукторы с высоким крутящим моментом. Нижние 5 сервоприводов (поворотный стол, плечо (x2), локоть и запястье) представляют собой сервоприводы SAVOX SC-0252MG, которые создают крутящий момент 10,5 кг / см при 6 вольтах. Сервопривод на запястье — стандартные сервоприводы Fubata S3003, которые производят около 3,5 кг / см. Все серво (кроме поворота запястья) имеют металлическую шестерню и двойной металлический подшипник, что обеспечивает их физическую прочность, так как рычаг будет оказывать на них большое давление.
После установки в кронштейны сервоприводов их затем соединяются с кронштейнами C. На одной стороне установлена крестообразная сервоголовка, поставляемой с сервоприводом. Они обрезаются по размеру, а затем привинчиваются болтами на места. С другой стороны кронштейна фланцевый подшипник крепится к 8-миллиметровому отверстию, которое затем прикручивается болтами через кронштейн с помощью винта М3 и нейлоновой гайки, чтобы предотвратить отвинчивание гайки при вращении. Если винт М3 немного длиннее, то можете использовать 2-3 шайбы М3 на внешней стороне кронштейна чтобы убедиться, что он не врезается в заднюю часть сервопривода.
Подшипники имеют внутренний диаметр 4 мм, наружный 8 мм и толщину 3 мм. Подшипники эти фланцевые, они имеют небольшую металлическую кромку на одной стороне, которая предотвращает их проталкивание через кронштейн. Этот тип подшипников довольно распространен в моделях автомобилей с дистанционным управлением и может быть приобретен либо в специальном магазине, либо на Алиэкспрессе. Всего имеется 4 подшипника, 3 в кронштейне и один в концевом захвате.
Построение захвата
Конструкция концевого захвата основана на двух вращающихся в противоположных направлениях зубчатых колесах, которые используют рычаги, чтобы открывать и закрывать захваты в поперечном направлении. Это позволяет использовать в конструкции относительно небольшие детали, но при этом открытое отверстие составляет около 65 мм, а значит рука может поднимать довольно широкие предметы. Самая большая проблема — это шестерни. Довольно трудно найти подходящие механизмы. В конце концов решено было использовать 20-мм шестерни Лего конструктора, который можно легко найти в любом магазине игрушек.
- Первый шаг — просверлить два отверстия диаметром 3 мм с каждой стороны детали. На шестеренках этих были две удобные маркировки пресс-формы.
- Далее надо использовать небольшие боковые ножи, чтобы снять внутреннюю ступицу детали. Это дело должно быть удалено чтобы позволить шестерне быть прикрепленной к конечному прихвату на более позднем этапе.
- Затем, чтобы закрепить зубчатое колесо на сервоприводе и на втором креплении зубчатого колеса, необходимо просверлить две сервоголовки, чтобы размеры соответствовали деталям от Лего. Позже они прикрепляются болтами.
Для создания прихвата нужно будет распечатать CAD-шаблон для деталей и вырезать их из алюминия. Для деталей использовался пруток размером 60 мм x 1000 мм x 4 мм и вырезались куски, используя комбинацию торцовочной пилы, лобзика и напильника для придания им формы. Как только части нарезаны, распечатайте шаблон САПР и приклейте их к деталям (так же, как при изготовлении скоб). Затем детали подвергаются кернению и сверлению.
Начните с обрезки кронштейна сервопривода. Для данного серво использовался DGServo S05NF, который небольшой и легкий, но все же имеет металлическую шестереночную передачу и высокий крутящий момент. Сервопривод крепится к кронштейну с помощью 2-х винтов М3:
Далее отрежьте верхний кронштейн. Он должен иметь фланцевый подшипник протянутый через нижнюю сторону и два винта М3. Для каждого винта требуются 3 гайки, которые выступают в роли распорок для поднятия кронштейна от сервопривода:
Теперь соберите серво головку. Она состоит из шестерни, одной из просверленных ранее серво-головок и длинной рычажной части:
Далее идет другая передача и рычаг. Эта часть похожа на сервопривод, но имеет длинный болт М3, который служит в качестве оси. Чтобы предотвратить его проскальзывание в подшипнике (внутренний диаметр подшипника составляет 4 мм, а винт М3 — 3 мм), на винт длиной 3 мм надевается небольшое уплотнение:
Теперь прикрепите поворотную шестерню к верхнему кронштейну с помощью нейлоновой гайки, затем прикрепите верхний кронштейн к сервоприводу с помощью дополнительных 2-х гаек M3:
Соберите два коротких рычага, сервомеханизм и захватные рычаги, как показано на следующем рисунке. Обратите внимание, что тут добавлены две термоусадочные трубки к захватным рычагам, чтобы немного увеличить захват (они режутся и затем нагреваются на месте). Используйте нейлоновые гайки на точках поворота, полностью затяните их, а затем поверните винт назад на четверть или половину оборота, чтобы детали могли свободно перемещаться друг над другом:
Чтобы закончить захват, соедините верхние рычаги с нижними. Поскольку между ними есть промежуток, то можете использовать 5 или около того шайб. После этого прикрепите короткий L-образный кронштейн к задней части сборки. Теперь можете прикрепить концевой захват к робо-руке. Не забудьте прикрутить его к сервоприводу вращения запястья. Кронштейн уже достаточно поднят, чтобы могли вставить отвертку в головку сервопривода.
Управляющая роботом электроника
Чтобы максимально упростить сборку электронной части, была разработана схема управления на основе Arduino Leonardo (т.е. в качестве экрана, совместимого с Uno R3). Плата оснащена микроконтроллером ATmega32U4 AVR со встроенным USB. Это позволяет создать полностью USB-совместимое устройство без необходимости пайки дополнительных компонентов для монтажа.
Поскольку хотелось подать 6 В на сервоприводы (чтобы получить максимальный крутящий момент), пользовательский шилд просто подает Vin на серво. Регулятор LDO на Ардуино гарантирует, что остальная часть схемы получает постоянные 5 В. Проблема с сервоприводами для поделок (особенно сервомоторами с высоким крутящим моментом) заключается в том, что под нагрузкой потребление тока может быть довольно высоким. Тесты показывают максимальное потребление около 400 мА на сервопривод. Если учесть небольшой запас мощности (то есть 500 мА на сервопривод) и тот факт, что у нас 6 сервоприводов, то для выполнения этой работы источник питания должен иметь ток более 3 А. Здесь использовался регулируемый блок питания, который может выдавать 5 А при напряжении 6 Вольт, что более чем достаточно для работы манипулятора. Этот БП напрямую подключен к разъему питания Ардуино.
Поскольку сервоприводы напрямую подключены к Vin на Ардуино, вы не должны использовать блок питания расчитаный на напряжение выше 6 вольт. Это повредит серво!
Чтобы сделать проект как можно более универсальным, разместил на плате 7 разъемов серво выходов (по одному на каждый выход ШИМ Ардуино). то есть вы можете использовать плату для любого проекта, требующего от 1 до 7 сервоприводов. Кроме того, добавлен один светодиод для индикации состояния и заголовок JTAG (он позволяет более гибко программировать и отлаживать прошивку, если у вас есть JTAG-программатор).
Сборка шилда сервоуправления
На следующем рисунке показана нижняя сторона печатной платы до того, как она была просверлена и заполнена деталями:
Поскольку сервоприводы могут быть очень шумными в плане питания, на силовых шинах стоят конденсаторы 10 мкФ, чтобы помочь справиться с пиковыми нагрузками серво при запуске. Также имеется конденсатор емкостью 100 нФ на разъеме JTAG, для облегчения разъединения силовых шин.
Вот изображение готового блока, подключенного к 7-ми тестовым сервоприводам во время разработки программы:
В итоге проверялась механика руки робота используя стандартную систему радиоуправления RC, чтобы убедиться что все движется правильно и сервоприводы могут справиться с нагрузкой руки. Как показали испытания, полностью работает сервоуправление, и оно достаточное для того, чтобы действительно управлять рукой. Программа сервопривода работает с контролем скорости вращения — увеличение и уменьшение скорости вращения сервопривода, которое необходимо будет для работы манипулятора.
Схема и дизайн печатной платы доступны для скачивания всем пользователям сайта Электрические Схемы.
Источник