Robotarm met grijper - Ajarnpa

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-30 11:14

Het oogsten van citroenbomen wordt als zwaar werk beschouwd, vanwege de grote omvang van de bomen en ook vanwege de hete klimaten van de regio's waar citroenbomen worden geplant. Daarom hebben we iets anders nodig om landarbeiders te helpen hun werk gemakkelijker te voltooien. Dus kwamen we met een idee om hun werk te vergemakkelijken, een robotarm met grijper die de citroen van de boom plukt. De arm is ongeveer 50 cm lang. Het werkingsprincipe is eenvoudig: we geven de robot een positie, dan gaat hij op de juiste plaats, en als er een citroen is, snijdt de grijper de steel af en plukt hij tegelijkertijd de citroen. Vervolgens wordt de citroen op de grond losgelaten en gaat de robot terug naar zijn oorspronkelijke positie. In eerste instantie lijkt het project misschien ingewikkeld en moeilijk uit te voeren. Het is echter niet zo ingewikkeld, maar het vergde veel hard werk en een goede planning. Het moet gewoon het ene boven het andere worden gebouwd. In het begin hadden we wat problemen door de covid-19-situatie en het werken op afstand, maar toen deden we het, en het was geweldig.

Deze Instructable is bedoeld om u te begeleiden bij het maken van een robotarm met een grijper. Het project is ontworpen en ontwikkeld als onderdeel van ons Bruface Mechatronics-project; het werk werd gedaan in Fablab Brussel door:

-Hussein Moslimani

-Inès Castillo Fernandez

-Jayesh Jagadesh Deshmukhe

-Raphaël Boitte

Stap 1: Vereiste vaardigheden

Dus, hier zijn enkele vaardigheden die je moet hebben om dit project te doen:

-Basis van elektronica

-Basiskennis van microcontrollers.

-Coderen in C-taal (Arduino).

-Wees gewend aan CAD-software, zoals SolidWorks of AutoCAD.

-Laser snijden

-3d printen

Je moet ook geduld hebben en een royale hoeveelheid vrije tijd hebben, ook raden we je aan om in een team te werken zoals wij deden, alles zal gemakkelijker zijn.

Stap 2: CAD-ontwerp

Na verschillende voorbeelden te hebben geprobeerd, hebben we uiteindelijk besloten om de robot te ontwerpen zoals weergegeven in de afbeeldingen, de arm heeft 2 vrijheidsgraden. De motoren zijn verbonden met de as van elke arm door katrollen en riemen. Er zijn veel voordelen aan het gebruik van katrollen, een van de belangrijkste is het verhogen van het koppel. De eerste riemschijf van de eerste arm heeft een overbrengingsverhouding van 2 en de tweede heeft een overbrengingsverhouding van 1,5.

Het moeilijke deel van het project was de beperkte tijd bij Fablab. Dus de meeste ontwerpen werden aangepast als lasergesneden onderdelen en slechts enkele verbindingsonderdelen werden 3D-geprint. Hier vindt u het bijgevoegde CAD-ontwerp.

Stap 3: Lijst met gebruikte componenten

Dit zijn de componenten die we in ons project hebben gebruikt:

I) Elektronische componenten:

-Arduino Uno: dit is een microcontroller-bord met 14 digitale input/output-pinnen (waarvan 6 kunnen worden gebruikt als PWM-uitgangen), 6 analoge ingangen, een 16 MHz kwartskristal, een USB-aansluiting, een stroomaansluiting, een ICSP-header, en een resetknop. We hebben dit type microcontroller gebruikt omdat het gemakkelijk te gebruiken is en het vereiste werk kan doen.

-Twee grote servomotoren (MG996R): is een servomechanisme met gesloten lus dat positiefeedback gebruikt om de beweging en de uiteindelijke positie te regelen. Het wordt gebruikt om de armen te draaien. Het heeft een goed koppel, tot 11 kg/cm, en dankzij de koppelvermindering door de katrollen en de riem kunnen we een hoger koppel bereiken dat meer dan genoeg is om de armen vast te houden. En het feit dat we niet meer dan 180 graden omwentelingen nodig hebben, is deze motor zeer goed te gebruiken.

-Een kleine servo (E3003): is een servomechanisme met gesloten lus dat positiefeedback gebruikt om de beweging en de uiteindelijke positie te regelen. Deze motor wordt gebruikt om de grijper aan te sturen, heeft een koppel van 2,5 kg/cm en wordt gebruikt om de citroen te snijden en te grijpen.

-DC voeding: Dit type voeding was beschikbaar bij het fablab, en omdat onze motor niet op de grond beweegt, hoeft de voeding niet aan elkaar te kleven. Het grote voordeel van deze voeding is dat we de uitgangsspanning en stroom naar wens kunnen aanpassen, dus geen spanningsregelaar nodig. Als dit type voedingen niet beschikbaar is, is het wel duur. Een goedkoop alternatief hiervoor zou zijn om een batterijhouder 8xAA te gebruiken, gekoppeld aan een spanningsregelaar zoals 'MF-6402402' dat is een dc naar dc converter, om de spanning te krijgen die je nodig hebt. Hun prijs wordt ook weergegeven in de lijst met componenten.

-Breadboard: plastic bord dat wordt gebruikt om elektronische componenten vast te houden. Ook om de elektronica op de voeding aan te sluiten.

-Draden: gebruikt om de elektronische componenten op het breadboard aan te sluiten.

-Drukknop: deze wordt gebruikt als startknop, dus als we erop drukken, werkt de robot.

-Ultrasone sensor: wordt gebruikt om afstand te meten, het genereert hoogfrequent geluid en berekent het tijdsinterval tussen het verzenden van het signaal en het ontvangen van echo. Het wordt gebruikt om te detecteren of de citroen door de grijper werd vastgehouden of dat hij wegglijdt.

II) Overige componenten:

-Plastic voor 3D-printen

-3 mm houten platen voor lasersnijden

-Metalen as

-Messen

-Zacht materiaal: het is aan beide zijden van de grijper gelijmd, zodat de grijper de citroentak samendrukt tijdens het snijden.

-Schroeven

-Riem om katrollen aan te sluiten, standaard 365 T5 riem

-8 mm ronde lagers, de buitendiameter is 22 mm.

Stap 4: 3D printen en lasersnijden

Dankzij de lasersnij- en 3D-printmachines die in het Fablab te vinden zijn, bouwen we de onderdelen die we nodig hebben voor onze robot.

I- Onderdelen die we moesten lasersnijden zijn:

-Basis van de robot

-Ondersteuningen voor de motor van de eerste arm

-Ondersteuningen van de eerste arm

-Platen van de 2 armen

-Basis van de grijper

-Verbinding tussen de grijper en de arm.

-Twee kanten van de grijper

-Ondersteuningen voor de lagers, om ervoor te zorgen dat ze niet wegglijden of van hun positie bewegen, alle lagerpassingen zijn van twee lagen 3 mm + 4 mm, aangezien de dikte van het lager 7 mm was.

Let op: je hebt een klein stuk hout van 4 mm nodig, voor sommige kleine onderdelen moeten ze met een laser worden gesneden. Ook vindt u in het CAD-ontwerp een dikte van 6 mm, of een andere dikte die veelvoud is van 3, dan heeft u meerdere lagen lasergesneden onderdelen van 3 mm nodig, dat wil zeggen als er een dikte van 6 mm is, dan heeft u 2 lagen nodig 3 mm elk.

II- Onderdelen die we moesten 3D printen:

-De vier katrollen: worden gebruikt om elke motor te verbinden met de arm die hij moet bewegen.

-Ondersteuning van de motor van de tweede arm

-ondersteuning voor het lager op de basis, die onder de riem wordt bevestigd om er kracht op uit te oefenen en de spanning te vergroten. Het is verbonden met het lager met behulp van een ronde metalen as.

-Twee rechthoekige platen voor de grijper, worden op het zachte materiaal geplaatst om de tak goed vast te houden en wrijving te hebben zodat de tak niet wegglijdt.

-Vierkante as met een 8 mm rond gat, om de platen van de eerste arm te verbinden, en het gat was om een 8 mm metalen as in te voegen om de hele as sterk te maken en het totale koppel aan te kunnen. De ronde metalen assen waren verbonden met lagers en aan beide zijden van de arm om het roterende deel te voltooien.

-Zeshoekige schacht met een rond gat van 8 mm om dezelfde reden als de vierkante schacht

-Klemmen om de katrollen en de platen van elke arm goed op hun plaats te houden.

In de drie figuren van CAD is goed te begrijpen hoe het systeem in elkaar zit, en hoe de assen worden aangesloten en ondersteund. Je kunt zien hoe de vierkante en zeshoekige assen zijn verbonden met de arm en hoe ze zijn verbonden met de steunen met behulp van de metalen as. In deze figuren is het hele samenstel weergegeven.

Stap 5: Mechanische montage

De montage van de hele robot heeft 3 hoofdstappen die moeten worden uitgelegd, eerst monteren we de basis en de eerste arm, dan de tweede arm tot de eerste en tenslotte de grijper tot de tweede arm.

Montage van de basis en de eerste arm:

Eerst moet de gebruiker de volgende onderdelen apart monteren:

-De twee zijden van de verbindingen met de lagers erin.

-De ondersteuning van de motor met de motor en de kleine katrol.

-De symmetrische steun voor de kleine katrol.

-De vierkante as, de grote katrol, de arm en de klemmen.

-Het "spanlager" ondersteunt de steunplaat. Voeg vervolgens het lager en de as toe.

Nu is elke subassemblage op zijn plaats om met elkaar te worden verbonden.

Let op: om ervoor te zorgen dat we de spanning in de riem krijgen die we willen, kan de positie van de motor op de basis worden aangepast, we hebben een langwerpig gat zodat de afstand tussen de poelies kan worden vergroot of verkleind en wanneer we controleren of de de spanning is goed, we bevestigen de motor met bouten aan de basis en maken deze goed vast. Daarnaast werd een lager op de basis bevestigd op een plaats waar het een kracht op de riem uitoefent om de spanning te verhogen, dus wanneer de riem beweegt, roteert het lager, en geen wrijvingsproblemen.

Montage van de tweede arm aan de eerste:

De onderdelen moeten apart worden gemonteerd:

-De rechterarm, met de motor, zijn steun, de katrol, en ook met het lager en zijn ondersteunende delen. Er wordt ook een schroef geplaatst om de poelie aan de as te bevestigen zoals in het vorige gedeelte.

-De linkerarm met de twee lagers en hun steunen.

-De grote katrol kan zowel op de zeshoekige as als op de bovenarmen worden geschoven, en de klemmen zijn ontworpen om hun positie te fixeren.

Dan hebben we de tweede arm klaar om in zijn positie te worden geplaatst, de motor van de tweede arm wordt op de eerste geplaatst, zijn positie is ook instelbaar om de perfecte spanning te bereiken en te voorkomen dat de riem wegglijdt, dan wordt de motor vastgezet met riem op deze positie.

Montage van de grijper:

De montage van deze grijper is eenvoudig en snel. Net als bij de vorige montage, kunnen de onderdelen afzonderlijk worden gemonteerd voordat ze aan de volledige arm worden bevestigd:

-Bevestig de bewegende bek aan de as van de motor, met behulp van het plastic onderdeel dat bij de motor wordt geleverd.

-Schroef de motor op de steun.

-Schroef de steun van de sensor in de steun van de grijper.

-Plaats de sensor in zijn steun.

-Plaats het zachte materiaal op de grijper en bevestig het 3D-geprinte deel erover

De grijper kan eenvoudig op de tweede arm worden gemonteerd, alleen een lasersnijderdeel ondersteunt de basis van de grijper bij de arm.

Het belangrijkste was het afstellen van de bladen bovenop de arm en op welke afstand de bladen buiten de grijper waren, dus het is met vallen en opstaan gedaan totdat we de meest efficiënte plek bereiken die we kunnen krijgen voor de bladen waar knippen en aangrijpen moet bijna tegelijkertijd gebeuren.

Stap 6: Aansluiting van elektronische componenten

In dit circuit hebben we drie servomotoren, een ultrasone sensor, een drukknop, Arduino en een voeding.

De output van de voeding kan worden aangepast zoals we willen, en aangezien alle servo's en het ultrasoon werken op 5 Volt, dus geen spanningsregelaar nodig, kunnen we de output van de voeding alleen regelen op 5V.

Elke servo moet worden aangesloten op Vcc (+5V), aarde en signaal. De ultrasone sensor heeft 4 pinnen, één is verbonden met Vcc, één voor de grond en de andere twee pinnen zijn trigger- en echo-pinnen, ze moeten worden aangesloten op digitale pinnen. De drukknop is verbonden met de grond en met een digitale pin.

Voor de Arduino moet hij zijn stroom van de stroombron praten, hij kan niet van de laptop of de kabel worden voorzien, hij moet dezelfde aarding hebben als de elektronische componenten die erop zijn aangesloten.

!!BELANGRIJKE AANTEKENINGEN!!:

- Je moet een stroomomvormer toevoegen en de Vin met 7V van stroom voorzien.

-Zorg ervoor dat u bij deze verbinding de Arduino-poort van uw pc verwijdert om deze te branden, anders moet u de 5V-uitgangspin niet als ingang gebruiken.

Stap 7: Arduino-code en stroomschema

Het doel van deze robotarm met een grijper is om een citroen te verzamelen en ergens anders neer te zetten, dus als de robot aan staat, moeten we op de startknop drukken en dan gaat hij naar een bepaalde positie waar de citroen wordt gevonden, als hij grijpt de citroen, de grijper gaat naar een definitieve positie om de citroen op zijn plaats te zetten, we hebben de definitieve positie op het horizontale niveau gekozen, waar het benodigde koppel maximaal is, om te bewijzen dat de grijper sterk genoeg is.

Hoe kan de robot de citroen bereiken:

In het project dat we deden, vragen we de robot gewoon om de armen in een bepaalde positie te bewegen waar we de citroen plaatsen. Wel, er is een andere manier om dat te doen, je kunt inverse kinematica gebruiken om de arm te bewegen, door hem de (x, y) coördinaten van de citroen te geven, en het berekent hoeveel elke motor moet draaien zodat de grijper de citroen bereikt. Waar staat = 0 is wanneer de startknop niet wordt ingedrukt, zodat de arm zich in de beginpositie bevindt en de robot niet beweegt, terwijl staat = 1 is wanneer we op de startknop drukken en de robot start.

Inverse kinematica:

In de figuren is er een voorbeeld van inverse kinematica berekening, je ziet drie schetsen, één voor de beginpositie en de andere twee voor de eindpositie. Dus zoals je ziet, zijn er voor de uiteindelijke positie - waar die ook is - twee mogelijkheden, elleboog omhoog en elleboog omlaag, je kunt kiezen wat je wilt.

Laten we de elleboog als voorbeeld nemen, om de robot naar zijn positie te laten bewegen, moeten twee hoeken worden berekend, theta1 en theta2, in de figuren zie je ook de stappen en vergelijkingen om theta1 en theta2 te berekenen.

Merk op dat, als het obstakel op een afstand van minder dan 10 cm wordt gevonden, de citroen wordt vastgegrepen en vastgehouden door de grijper, en uiteindelijk moeten we hem op de definitieve positie afleveren.

Stap 8: De robot laten draaien

Na alles wat we eerder hebben gedaan, zijn hier video's van de robot die werkt, met de sensor, drukknop en al het andere dat werkt zoals het hoort. We hebben ook een schudtest gedaan op de robot, om er zeker van te zijn dat hij stabiel is en dat de bedrading goed is.

Stap 9: Conclusie

Dit project gaf ons een goede ervaring in het omgaan met dergelijke projecten. Toch kan deze robot worden aangepast en wat meer toegevoegde waarde hebben, zoals objectdetectie om de citroen te detecteren, of misschien een derde vrijheidsgraad zodat hij tussen bomen kan bewegen. We kunnen het ook laten besturen door een mobiele applicatie of door het toetsenbord, zodat we het kunnen verplaatsen zoals we willen. We hopen dat je ons project leuk vindt en een speciale dank aan de supervisors van het Fablab voor hun hulp.