ذراع روبوتية Moslty بطباعة ثلاثية الأبعاد تحاكي وحدة التحكم في الدمى: 11 خطوة (مع صور)

2024 مؤلف: John Day | [email protected]. آخر تعديل: 2024-01-30 07:36

أنا طالب هندسة ميكانيكية من الهند وهذا هو مشروع درجة البكالوريوس الخاص بي.

يركز هذا المشروع على تطوير ذراع روبوتية منخفضة التكلفة تكون في الغالب مطبوعة ثلاثية الأبعاد وتحتوي على 5 DOF مع قابض بإصبعين. يتم التحكم في الذراع الآلية بواسطة وحدة تحكم عرائس وهي نموذج مكتبي للذراع الروبوتية بنفس درجات الحرية التي تم تجهيز مفاصلها بأجهزة استشعار. يؤدي التعامل مع وحدة التحكم يدويًا إلى محاكاة الذراع الآلية للحركة بطريقة السيد والعبد.. يستخدم النظام وحدة ESP8266 WiFi كوسيط لنقل البيانات. توفر واجهة المشغل الرئيسي والعبد طريقة سهلة التعلم للتعامل مع الذراع الروبوتية. يستخدم Nodemcu (Esp8266) كمتحكم دقيق.

كان الهدف من هذا المشروع هو تطوير روبوت منخفض التكلفة يمكن استخدامه لأغراض تعليمية ، ولسوء الحظ ، فإن إمكانية الوصول إلى مثل هذه التكنولوجيا الروبوتية التي تحدث ثورة في العالم الحديث تقتصر على مؤسسات معينة فقط. نهدف إلى تطوير هذا المشروع وجعله مفتوح المصدر بحيث يمكن للأفراد القيام به وتعديله واستكشافه بأنفسهم. نظرًا لكونه منخفض التكلفة ومفتوح المصدر بالكامل ، فقد يلهم هذا زملائه الطلاب لتعلم واستكشاف هذا المجال.

زملائي في المشروع:

• شبهام ليحر
• نيخيل كور
• بالاش لوناري

شكر خاص ل:

• عكاش ناركهيد
• رام بوكادي
• عنكيت كورد

لمساعدتهم في هذا المشروع.

إخلاء المسئولية: لم أخطط مطلقًا لكتابة مدونة أو تعليمات حول هذا المشروع نظرًا لأنه ليس لدي بيانات كافية لتوثيقه الآن ، وقد تم بذل هذا الجهد بعد وقت طويل من بدء المشروع ، ومع ذلك حاولت جاهدًا إحضار أكبر قدر ممكن من التفاصيل. لجعلها أكثر قابلية للفهم. قد تجدها غير كافية في بعض النقاط … آمل أن تفهم:) سأقوم بتضمين مقطع فيديو على youtube يعرض عمله وأشياء الاختبار الأخرى قريبًا

الخطوة 1: إذن ، كيف يعمل؟

هذا هو الشيء الأكثر إثارة بالنسبة لي حول هذا المشروع.

(أنا لا أدعي أن هذا أسلوب فعال أو صحيح لاستخدامه لأغراض تجارية فهو للأغراض التعليمية فقط)

ربما تكون قد شاهدت روبوتات رخيصة مزودة بمحركات مؤازرة مخصصة للإلغاء فقط. من ناحية أخرى ، هناك روبوتات ذات محرك متدرج مع علبة تروس كوكبية وما إلى ذلك ، لكن هذا الروبوت هو توازن بينهما.

فكيف تختلف؟

بناء:

بدلاً من استخدام محرك متدرج منخفض الطاقة وعالي التكلفة ، استخدمت محركات Dc ، ولكن كما نعلم لا تحتوي محركات Dc على نظام تحكم في التغذية الراجعة ولا يمكن استخدامها مباشرة للتحكم في الموضع ، فقد قمت بتغطيتها في محركات مؤازرة عن طريق إضافة مقياس جهد كمستشعر ردود الفعل / الموقف.

الآن لتبسيط العمل ، ما فعلته هو ، قمت بتفكيك أجهزة 9g الرخيصة من دوائرها واستبدلت محركها Dc بمحرك تيار مستمر عالي العزم ووعاء صغير بما كان لدي للروبوت. القيام بذلك مكنني من استخدام المكتبة الافتراضية في اردوينو لا يمكنك تصديق أن الترميز المبسط الكثير!

لقيادة محرك بجهد 12 فولت مع شريحة مؤازرة 5 فولت ، استخدمت وحدة محرك L298N التي يمكنها تشغيل محركين في وقت واحد. تحتوي الوحدة على 4 دبابيس إدخال IN1 إلى IN4 التي تحدد اتجاه دوران المحرك ، حيث يتوافق IN1 و IN2 مع المحرك الأول و IN3 ، IN4 إلى المحرك الثاني ، ومن ثم يتم توصيل أطراف الخرج (2) لرقاقة المؤازرة (في الأصل لمحرك DC صغير) بـ IN1 و IN2 من خرج الوحدة L298N الذي يتم توصيله بمحرك 12V DC.

عمل:

بهذه الطريقة ، عندما لا يكون عمود المحرك في موضع الجهد المستهدف ، يرسل قيمة الزاوية إلى شريحة المؤازرة التي تطلب وحدة L298N للقيادة إما Cw أو CCW بدورها يتحول محرك 12V Dc وفقًا للأمر المستلم من متحكم دقيق.

يظهر التخطيط في الشكل (فقط لمحرك واحد)

يتم إرسال أمر الحالة الخاص بنا (قيم زاوية الزاوية المشتركة) من خلال جهاز التحكم في الدمى ، وهو 10 مرات يتم قياسها لأسفل نسخة من الروبوت الفعلي وقد تم توصيل مقياس القدرة في كل مشترك. روبوت مشترك مع كل محرك مشترك يحاول احتلاله

في كل مفصل ، يتم توصيل مقياس الجهد بعمود المفصل عن طريق آلية الحزام ، وعندما يدور المفصل ، يدور مقياس الجهد بشكل صحيح ويعطي ملاحظات حول الوضع الحالي لزاوية المفصل (كما هو موضح في الصور أعلاه)

الخطوة الثانية: المكونات المستخدمة:

كما قلت إنني ما زلت أعمل وأقوم بتحسينه يومًا بعد يوم ، وبالتالي قد تختلف هذه المكونات في بعض التحديثات المستقبلية.

كان هدفي هو جعله اقتصاديًا قدر الإمكان ومن ثم استخدمت مكونات انتقائية للغاية. هذه هي قائمة المكونات الرئيسية المستخدمة في تاريخ الذراع حتى تاريخ (سأستمر في تحديثها في المستقبل)

1. Esp8266 (2x)
2. محركات التيار المستمر (بمواصفات مختلفة عزم الدوران والسرعات ، 5x)
3. وحدة تشغيل المحرك L298N (2x)
4. مقياس الجهد (8x)
5. قناة ألمنيوم (30 × 30 ، 1 متر)
6. أجهزة متنوعة

الخطوة الثالثة: الحسابات وتصميم الذراع

لتصميم الذراع ، استخدمت برنامج catia v5. قبل البدء في عملية التصميم ، كان أول شيء هو حساب أطوال الوصلة وعزم الدوران الذي يجب أن يتحمله كل مفصل.

بدأت أولاً ببعض الافتراضات التي تشمل:

1. ستكون الحمولة القصوى للروبوت 500 جرام (1.1 رطل)
2. يبلغ إجمالي وصول الروبوت 500 ملم
3. لن يتجاوز وزن الروبوت 3 كجم.

حسابات طول الارتباط

مع الاستمرار في ذلك ، قمت بحساب طول الرابط بالرجوع إلى ورقة البحث "تصميم ذراع آلية بواسطة I. M. H. van Haaren"

إ. أعطى van Haaren مثالاً ممتازًا لكيفية تحديد أطوال الوصلة باستخدام مرجع بيولوجي يتم فيه التعبير عن أطوال أجزاء الجسم الرئيسية على أنها جزء من الارتفاع الكلي. يظهر في الشكل.

بعد الحسابات خرجت أطوال الارتباط

L1 = 274 ملم

L2 = 215 مم

L3 = 160 مم

طول القابض = 150 مم

حسابات عزم الدوران:

لحساب عزم الدوران لقد استخدمت المفاهيم الأساسية لعزم الدوران واللحظات المطبقة في الهندسة.

دون الخوض في الحسابات الديناميكية ، استندت إلى حسابات عزم الدوران الثابتة فقط بسبب بعض القيود.

هناك لاعبان رئيسيان هما عزم الدوران مثل T = FxR ، أي في حالتنا الحمل (الكتلة) وطول الارتباط. نظرًا لأن أطوال الارتباط محددة بالفعل ، فإن الشيء التالي هو معرفة وزن المكونات. في هذه المرحلة لم أكن متأكدًا من كيفية العثور على أوزان كل مكون دون قياسه فعليًا.

لذلك ، قمت بإجراء هذه الحسابات في التكرارات.

1. افترضت قناة الألومنيوم كمادة موحدة طوال طولها ووزن مقسم لإجمالي قطعة واحدة بطول متر واحد مع طول القطع التي كنت سأستخدمها.
2. بالنسبة للمفاصل ، افترضت قيمًا معينة لكل مفصل (وزن المحرك + وزن الجزء المطبوع ثلاثي الأبعاد + الآخر) بناءً على افتراض الوزن الإجمالي للروبوت.
3. أعطتني الخطوتان السابقتان قيم عزم الدوران المشتركة للتكرار الأول. لهذه القيم وجدت محركات مناسبة على الإنترنت إلى جانب المواصفات والأوزان الأخرى.
4. في التكرار الثاني ، استخدمت الأوزان الأصلية للمحركات (التي اكتشفتها في الخطوة الثالثة) وقمت مرة أخرى بحساب عزم الدوران الثابت لكل مفصل.
5. إذا كانت قيم عزم الدوران النهائية في الخطوة 4 مناسبة للمحركات المختارة في الخطوة 3 ، فقم بإنهاء هذا المحرك بخلاف ذلك كرر الخطوتين 3 و 4 حتى تتوافق القيم المصاغة مع مواصفات المحرك الفعلية.

تصميم الذراع:

كانت هذه هي المهمة الأكثر روعة في هذا المشروع بأكمله واستغرق تصميمه تقريبًا شهرًا ، وبالمناسبة أرفقت صورًا لنموذج CAD ، سأترك رابطًا لتنزيل ملفات CAD هذه في مكان ما هنا:

الخطوة 4: طباعة الأجزاء ثلاثية الأبعاد

جميع الأجزاء هي مفاصل مطبوعة ثلاثية الأبعاد على طابعة 99 دولارًا مع مساحة طباعة 100 × 100 × 100 مم (نعم هذا صحيح !!)

الطابعة: Easy threed X1

لقد قمت بتضمين صور الأجزاء الرئيسية من أداة التقطيع وسأرتبط بجميع أجزاء ملف CAD من ملف catfile بالإضافة إلى stl حتى تتمكن من التنزيل والتحرير كما تريد.

الخطوة 5: تركيب مفصل الكتف (مشترك J1 و J2)

تمت طباعة الدعامة الأساسية على طابعة مختلفة حيث كان قطرها 160 مم ، وقد صممت مفصل الكتف بحيث يمكن تحريكه (الدوران حول المحور z) إما باستخدام آلية الحزام أو ترس التروس التي يمكنك رؤيتها في الصور المضمنة الجزء السفلي هو المكان المناسب للمحامل التي يتم تثبيتها بعد ذلك على عمود مركزي على منصة مصنوعة لتحريك الذراع (الخزان ، أكثر من ذلك في المستقبل).

يتم تثبيت الترس الأكبر (باللون الأصفر في الصورة) على قناة من الألومنيوم بمسامير صامولة يتم من خلالها محاور عمود فولاذي مقاس 8 مم يتحرك فيها المفصل 2 ، وتكون نسبة التروس في المفصل الأول 4: 1 ونسبة الترس الثاني هي 3.4: 1

الخطوة 6: الكوع والمفصل (مفصل J3)

(تم بناء بعض الصور بعد أن لم أكمل صور العملية)

مفصل الكوع يتبع مفصل الكتف وهو عبارة عن مفصل مكون من قطعتين ، أحدهما متصل بربط أحدهما والآخر بوصلة 2.

تحتوي القطعة 1 على محرك تيار مستمر مع ترس قيادة والقطعة 2 بها ترس أكبر متصل بها وزوج من المحمل لدعم العمود. نسبة التروس هي نفسها مثل J2 أي 3.4: 1 ولكن المحرك هو 12.5 كجم - 60 دورة في الدقيقة.

J3 المشتركة لديها نطاق الحركة 160 درجة.

الخطوة 7: مفصل المعصم (مفصل J4 و J5)

(تم بناء بعض الصور بعد أن لم أكمل صور العملية)

بعد مفصل الكوع هو مفصل المعصم ، ويتكون هذا مرة أخرى من قطعتين واحدة في الوصلة السابقة (مثل الرابط 2) والأخرى تتكون من محرك J5 الذي يدور مجموعة المعصم. نسبة التروس 1.5: 1 ومحرك التيار المستمر المستخدم هو 10 لفة في الدقيقة 8 كجم -سم.

هذا المفصل J4 لديه نطاق دوران 90 درجة و J5 لديه 360 درجة.

الخطوة 8: القابض

كانت هذه واحدة من أصعب المهام في التصميم ، فقد تم تصميمها بحيث يمكنها اختيار معظم الأشياء وكذلك يمكنها الإمساك بمعظم الأشياء من حولنا مثل مزاليج الأبواب والمقابض والقضبان وما إلى ذلك.

كما هو موضح في الصورة ، يوجد ترس حلزوني متصل بمحركات محركات التروس في اتجاه عقارب الساعة أو عكس اتجاه عقارب الساعة والتي تكون متصلة بالأصابع لفتحها وإغلاقها.

يتم عرض جميع أجزاء القابض في الصورة المرفقة.

الخطوة التاسعة: عمل وحدة تحكم الدمى للذراع الآلي

وحدة التحكم في الدمى هي النسخة المصغرة بدقة 10 مرات من الذراع الآلية الفعلية ، وتحتوي على 4 مقاييس جهد مثبتة في 4 وصلات وهي J1 ، و J2 ، و J3 ، و J4 ، وسيتم تشغيل المفصل J5 بزر ضغط للدوران المستمر (دوران القابض لأي عملية)

تستشعر مقاييس الجهد زاوية دوران المفاصل وترسل هذه القيمة بين 1-1023 إلى Nodemcu والتي يتم تحويلها مرة أخرى إلى 1-360 وإرسالها إلى Nodemcu آخر عبر wifi. نظرًا لأن ESP8266 يحتوي على مدخل تناظري واحد فقط ، فقد استخدمت معدد إرسال 4051.

برنامج تعليمي لاستخدام معدد 4051 مع esp8266 -

رسم تخطيطى:

سأضيف رسمًا تخطيطيًا بمجرد الانتهاء منه (إذا احتاج أي شخص إليه بشكل عاجل ، فاتصل بي حتى ذلك الحين)

الكود: (مدرج أيضًا هنا)

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

الخطوة العاشرة: الإلكترونيات

أقوم بإرفاق صور العمل الحالي. لم تكتمل الإلكترونيات الكاملة والرسم التخطيطي بعد ، وسأنشر التحديثات قريبًا حتى ذلك الحين ، وأبقى على اتصال:)

(ملاحظة: هذا المشروع لم يكتمل بعد وسأتابع أي تحديثات في المستقبل)

الخطوة 11: الرموز والتخطيط في مكان واحد

سوف أقوم بتخطيطات الروبوت الكاملة والرمز النهائي بمجرد الانتهاء منه!