Cánh tay robot có tay cầm: 9 bước (có hình ảnh)

2024 Tác giả: John Day | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-01-30 13:30

Thu hoạch cây chanh được coi là công việc khó khăn, do kích thước của cây lớn và cũng do khí hậu nóng của các vùng trồng chanh. Đó là lý do tại sao chúng ta cần một cái gì đó khác để giúp những người làm nông nghiệp hoàn thành công việc của họ một cách dễ dàng hơn. Vì vậy, chúng tôi đã nảy ra một ý tưởng để giảm bớt công việc của họ, một cánh tay robot có kẹp gắp chanh từ cây. Cánh tay dài khoảng 50cm. Nguyên lý hoạt động rất đơn giản: chúng ta đưa ra một vị trí cho robot, sau đó nó sẽ đi đúng nơi, và nếu có chanh, bộ kẹp của nó sẽ cắt cuống và nạo chanh cùng một lúc. Sau đó, quả chanh sẽ được thả trên mặt đất và robot sẽ quay trở lại vị trí ban đầu. Lúc đầu, dự án có vẻ phức tạp và khó thực hiện. Tuy nhiên, nó không phải là phức tạp mà nó cần rất nhiều công việc khó khăn và lập kế hoạch tốt. Nó chỉ cần được xây dựng một thứ khác. Lúc đầu, chúng tôi phải đối mặt với một số vấn đề do tình huống covid-19 và làm việc từ xa, nhưng sau đó chúng tôi đã làm được, và điều đó thật tuyệt vời.

Có thể hướng dẫn này nhằm mục đích hướng dẫn bạn quy trình tạo ra một cánh tay Robot với một tay nắm. Dự án được thiết kế và chế tạo như một phần của dự án Bruface Mechatronics của chúng tôi; công việc đã được thực hiện ở Fablab Brussels bởi:

-Hussein Moslimani

-Inès Castillo Fernandez

-Jayesh Jagadesh Deshmukhe

-Raphaël Boitte

Bước 1: Kỹ năng cần thiết

Vì vậy, đây là một số kỹ năng bạn cần có để thực hiện dự án này:

-Cơ bản về điện tử

-Kiến thức cơ bản về vi điều khiển.

- Mã hóa bằng ngôn ngữ C (Arduino).

- Đã từng sử dụng phần mềm CAD, chẳng hạn như SolidWorks hoặc AutoCAD.

-Sự cắt bằng tia la-ze

-in 3d

Bạn cũng nên có sự kiên nhẫn và lượng thời gian rảnh rỗi, chúng tôi cũng khuyên bạn nên làm việc theo nhóm như chúng tôi đã làm, mọi thứ sẽ dễ dàng hơn.

Bước 2: Thiết kế CAD

Sau khi thử các mẫu khác nhau, cuối cùng chúng tôi quyết định thiết kế robot như trong hình, cánh tay là 2 bậc tự do. Các động cơ được kết nối với trục của mỗi cánh tay bằng ròng rọc và dây đai. Có rất nhiều ưu điểm của việc sử dụng ròng rọc, một trong những ưu điểm quan trọng nhất là tăng mô-men xoắn. Dây đai ròng rọc của cánh tay thứ nhất có tỷ số truyền là 2 và của cánh tay đòn thứ hai có tỷ số truyền là 1,5.

Phần khó khăn cho dự án là thời gian có hạn tại Fablab. Vì vậy, hầu hết các thiết kế đã được điều chỉnh để trở thành các bộ phận được cắt bằng laser và chỉ một số bộ phận kết nối được in 3D. Tại đây bạn có thể tìm thấy thiết kế CAD đính kèm.

Bước 3: Danh sách các thành phần được sử dụng

Dưới đây là các thành phần chúng tôi đã sử dụng trong dự án của mình:

I) Linh kiện điện tử:

-Arduino Uno: Đây là bảng vi điều khiển với 14 chân đầu vào / đầu ra kỹ thuật số (trong đó 6 chân có thể được sử dụng làm đầu ra PWM), 6 đầu vào tương tự, tinh thể thạch anh 16 MHz, kết nối USB, giắc cắm nguồn, đầu cắm ICSP, và một nút đặt lại. Chúng tôi đã sử dụng loại bộ điều khiển vi mô này vì nó dễ sử dụng và có thể thực hiện công việc được yêu cầu.

- Hai động cơ servo lớn (MG996R): là một cơ chế servo vòng kín sử dụng phản hồi vị trí để điều khiển chuyển động và vị trí cuối cùng của nó. Nó được sử dụng để quay các cánh tay Nó có một mô-men xoắn tốt, lên đến 11kg / cm, và nhờ vào việc giảm mô-men xoắn được thực hiện bởi các puli và dây đai, chúng tôi có thể đạt được mô-men xoắn cao hơn đủ để giữ các cánh tay. Và thực tế là chúng ta không cần quay quá 180 độ, động cơ này rất tốt để sử dụng.

-Một servo nhỏ (E3003): là cơ chế phục vụ vòng kín sử dụng phản hồi vị trí để điều khiển chuyển động và vị trí cuối cùng của nó. Mô tơ này dùng để điều khiển máy gắp, có mômen xoắn 2,5 kg / cm, dùng để cắt và lấy chanh.

-Nguồn điện DC: Loại nguồn điện này đã có sẵn ở fablab, và bởi vì động cơ của chúng tôi không di chuyển trên mặt đất, vì vậy nguồn điện không cần phải dính vào nhau. Ưu điểm chính của bộ nguồn này là chúng ta có thể điều chỉnh điện áp đầu ra và dòng điện theo ý muốn nên không cần đến bộ điều chỉnh điện áp. Nếu loại này không có nguồn điện nhưng đắt tiền. Một giải pháp thay thế rẻ tiền cho điều này là sử dụng giá đỡ pin 8xAA, được kết hợp với bộ điều chỉnh điện áp như 'MF-6402402', là bộ chuyển đổi dc sang dc, để có được điện áp bạn cần. Giá của chúng cũng được hiển thị trong danh sách các thành phần.

-Breadboard: Bảng nhựa dùng để đựng các linh kiện điện tử. Ngoài ra, để kết nối thiết bị điện tử với nguồn điện.

- Dây: Được sử dụng để kết nối các thành phần điện tử với breadboard.

-Push-button: Nó được dùng làm nút khởi động, vì vậy khi chúng ta nhấn vào thì robot sẽ hoạt động.

-Cảm biến siêu âm: Được sử dụng để đo khoảng cách, nó tạo ra âm thanh tần số cao và tính toán khoảng thời gian từ khi gửi tín hiệu đến khi nhận được tiếng vọng. Nó được sử dụng để phát hiện xem quả chanh đã được giữ bởi dụng cụ kẹp hay nó có bị trượt hay không.

II) Các thành phần khác:

-Plastic để in 3d

Tấm gỗ -3mm để cắt laser

- Trục kim loại

-Blad

-Chất liệu mềm: Được dán vào cả hai mặt của dụng cụ kẹp, do đó người cầm sẽ nén cành chanh khi cắt.

-Vít

-Dây kết nối ròng rọc, dây curoa T5 tiêu chuẩn 365

- Vòng bi tròn 8mm, đường kính ngoài là 22mm.

Bước 4: In 3D và Cắt Laser

Nhờ máy cắt laser và máy in 3d có tại Fablab, chúng tôi chế tạo các bộ phận cần thiết cho robot của mình.

I- Các bộ phận chúng tôi phải cắt bằng laser là:

-Cơ sở của robot

-Hỗ trợ cho động cơ của cánh tay đầu tiên

-Hỗ trợ của cánh tay đầu tiên

-Các mẫu của 2 cánh tay

-Cơ sở của cái kẹp

-Kết nối giữa bộ gắp và tay đòn.

-Hai mặt của kẹp

- Hỗ trợ cho các vòng bi, để đảm bảo chúng không bị trượt hoặc di chuyển khỏi vị trí của chúng, tất cả các khớp của vòng bi có hai lớp 3mm + 4mm, vì độ dày của vòng bi là 7mm.

Lưu ý: bạn sẽ cần một tấm gỗ nhỏ 4mm, đối với một số bộ phận nhỏ cần được cắt laser. Ngoài ra, bạn sẽ thấy trong thiết kế CAD có độ dày là 6mm hoặc bất kỳ độ dày nào khác là bội số của 3, khi đó bạn cần nhiều lớp các bộ phận cắt bằng laser ở 3mm, nghĩa là nếu có độ dày 6mm, thì bạn cần 2 lớp 3mm mỗi.

II- Các phần chúng tôi phải in 3D:

- Bốn ròng rọc: dùng để nối mỗi động cơ với cánh tay đòn mà nó có nhiệm vụ di chuyển.

-Hỗ trợ động cơ của cánh tay thứ hai

- Hỗ trợ cho ổ trục trên cơ sở, được cố định dưới dây đai để tạo lực lên nó và tăng lực căng. Nó được kết nối với ổ trục bằng cách sử dụng một trục kim loại tròn.

- Hai tấm hình chữ nhật làm kẹp gắp, được đặt trên vật liệu mềm để giữ cành tốt và có ma sát để cành không bị trượt.

- Trục bằng kim loại có lỗ tròn 8mm, để nối các tấm của cánh tay thứ nhất, và lỗ đó để chèn một trục kim loại 8mm để làm cho toàn bộ trục chắc chắn và có thể chịu được tổng mômen xoắn. Các trục kim loại tròn được kết nối với các ổ trục và cả hai bên của cánh tay để hoàn thành phần quay.

- Trục hình lục giác có lỗ tròn 8mm cùng lý do với trục vuông

-Đèn hỗ trợ tốt các ròng rọc và các tấm của mỗi cánh tay ở vị trí của chúng.

Trong ba hình vẽ của CAD, bạn có thể hiểu rõ hệ thống được lắp ráp như thế nào và các trục được kết nối và hỗ trợ như thế nào. Bạn có thể thấy cách các trục hình vuông và hình lục giác được kết nối với cánh tay đòn và cách chúng được kết nối với các giá đỡ bằng cách sử dụng trục kim loại. Toàn bộ lắp ráp được đưa ra trong các hình này.

Bước 5: Lắp ráp cơ khí

Việc lắp ráp toàn bộ robot có 3 bước chính phải được giải thích, đầu tiên, chúng tôi lắp ráp cơ sở và cánh tay đầu tiên, sau đó là cánh tay thứ hai cho cánh tay đầu tiên, và cuối cùng là bộ kẹp vào cánh tay thứ hai.

Lắp ráp chân đế và cánh tay thứ nhất:

Đầu tiên, người dùng phải lắp ráp các bộ phận sau một cách riêng biệt:

-Hai mặt khớp với ổ trục trong.

-Sự hỗ trợ của động cơ với động cơ, và ròng rọc nhỏ.

- Giá đỡ đối xứng cho ròng rọc nhỏ.

- Trục vuông, ròng rọc lớn, cánh tay đòn, và các kẹp.

- Vòng bi "căng" hỗ trợ tấm đỡ. Sau đó thêm ổ trục và trục.

Giờ đây, mọi cụm con đã sẵn sàng để được kết nối với nhau.

Lưu ý: để đảm bảo rằng chúng ta có được lực căng trong dây đai mà chúng ta muốn, vị trí của động cơ trên cơ sở có thể được điều chỉnh, chúng ta có lỗ kéo dài để khoảng cách giữa các puli có thể tăng hoặc giảm và khi chúng ta kiểm tra rằng lực căng là tốt, chúng tôi gắn động cơ vào đế bằng bu lông và cố định nó tốt. Ngoài ra, một ổ trục đã được cố định trên cơ sở ở một nơi mà nó tạo ra một lực trên dây đai để tăng lực căng, do đó khi dây đai chuyển động, vòng bi sẽ quay và không có vấn đề về ma sát.

Lắp ráp cánh tay thứ hai với cánh tay thứ nhất:

Các bộ phận phải được lắp ráp riêng biệt:

- Cánh tay phải, với động cơ, giá đỡ của nó, ròng rọc, cũng như với ổ trục và các bộ phận hỗ trợ của nó. Một vít cũng được đặt để cố định ròng rọc vào trục như đối với phần trước.

- Cánh tay trái với hai ổ trục và gối tựa của chúng.

- Ròng rọc lớn có thể trượt trên trục lục giác cũng như các cánh tay trên, và các kẹp được thiết kế để cố định vị trí của chúng.

Sau đó, chúng ta có cánh tay thứ hai đã sẵn sàng để đặt vào vị trí của nó, động cơ của cánh tay thứ hai được đặt trên cánh tay thứ nhất, vị trí của nó cũng có thể điều chỉnh để đạt được độ căng hoàn hảo và tránh bị trượt của dây đai, sau đó động cơ được cố định bằng đai tại vị trí này.

Lắp ráp bộ kẹp:

Việc lắp ráp bộ kẹp này rất dễ dàng và nhanh chóng. Đối với phần lắp ráp trước, các bộ phận có thể được lắp ráp một mình trước khi được gắn vào toàn bộ cánh tay:

-Gắn hàm chuyển động vào trục của động cơ, với sự trợ giúp của phần nhựa đi kèm với động cơ.

-Vít động cơ vào giá đỡ.

-Vặn giá đỡ của cảm biến vào giá đỡ của bộ kẹp.

-Đặt cảm biến vào hỗ trợ của nó.

-Đặt vật liệu mềm trên bộ kẹp và cố định phần in 3d trên chúng

Bộ kẹp có thể dễ dàng lắp ráp vào cánh tay thứ hai, chỉ cần một bộ phận máy cắt laser hỗ trợ phần đế của bộ kẹp bằng cánh tay.

Điều quan trọng nhất là việc điều chỉnh các lưỡi ở phía trên cánh tay và các lưỡi ở khoảng cách nào bên ngoài bộ kẹp, vì vậy nó được thực hiện bằng cách thử và sai cho đến khi chúng tôi đạt được nơi hiệu quả nhất mà chúng tôi có thể lấy được cho các lưỡi cắt nơi cắt và sự nắm chặt phải xảy ra gần như cùng một lúc.

Bước 6: Kết nối các thành phần điện tử

Trong mạch này, chúng ta có ba động cơ servo, một cảm biến siêu âm, một nút nhấn, Arduino và nguồn điện.

Đầu ra của bộ nguồn có thể được điều chỉnh theo ý muốn, và vì tất cả các servo và sóng siêu âm đều hoạt động trên 5 Volt, do đó không cần bộ điều chỉnh điện áp, chúng tôi chỉ có thể điều chỉnh đầu ra của bộ nguồn là 5V.

Mỗi servo phải được kết nối với Vcc (+ 5V), nối đất và tín hiệu. Cảm biến siêu âm có 4 chân, một chân nối với Vcc, một chân nối đất, hai chân còn lại là chân trigger và echo, chúng phải được kết nối với chân kỹ thuật số. Nút nhấn được kết nối với mặt đất và với một chốt kỹ thuật số.

Đối với Arduino, nó phải nói năng lượng của nó từ nguồn điện, nó không thể cấp nguồn từ máy tính xách tay hoặc cáp của nó, nó phải có cùng mặt đất với các thành phần điện tử được kết nối với nó.

!! LƯU Ý QUAN TRỌNG !!:

- Bạn nên gắn thêm một bộ chuyển đổi nguồn, và nguồn cho Vin có 7V.

-Vui lòng đảm bảo rằng với kết nối này, bạn nên tháo cổng Arduino khỏi máy tính để đốt nó, nếu không bạn không nên sử dụng chân đầu ra 5V làm đầu vào.

Bước 7: Mã Arduino và Lưu đồ

Mục tiêu của cánh tay rô bốt có tay cầm này là thu thập một quả chanh và đặt nó ở một nơi khác, vì vậy khi rô bốt đang bật, chúng ta phải nhấn nút khởi động và sau đó nó sẽ đi đến một vị trí nhất định nơi quả chanh được tìm thấy, nếu nó nắm chanh, bộ kẹp sẽ đi đến vị trí cuối cùng để đặt quả chanh vào vị trí của nó, chúng tôi đã chọn vị trí cuối cùng ở mức nằm ngang, nơi có mô-men xoắn cần thiết là lớn nhất, để chứng minh rằng bộ kẹp đủ mạnh.

Làm thế nào để robot có thể tiếp cận quả chanh:

Trong dự án mà chúng tôi đã thực hiện, chúng tôi chỉ cần yêu cầu robot di chuyển các cánh tay vào một vị trí nhất định mà chúng tôi đặt quả chanh. Chà, có một cách khác để làm điều đó, bạn có thể sử dụng động học nghịch đảo để di chuyển cánh tay, bằng cách cho nó tọa độ (x, y) của quả chanh, và nó sẽ tính toán mỗi động cơ phải quay bao nhiêu để bộ kẹp chạm tới quả chanh.. Trong đó trạng thái = 0 là khi nút khởi động không được ấn để cánh tay ở vị trí ban đầu và rô bốt không di chuyển, trong khi trạng thái = 1 là khi chúng ta nhấn nút khởi động và rô bốt khởi động.

Chuyển động học nghịch đảo:

Trong các hình có một ví dụ về tính toán động học nghịch đảo, bạn có thể thấy ba bản phác thảo, một bản cho vị trí ban đầu và hai bản còn lại cho vị trí cuối cùng. Vì vậy, như bạn thấy, đối với vị trí cuối cùng - bất kể nó ở đâu - có hai khả năng, khuỷu tay lên và khuỷu tay xuống, bạn có thể chọn bất cứ điều gì bạn muốn.

Hãy lấy khuỷu tay lên làm ví dụ, để làm cho robot di chuyển đến vị trí của nó, hai góc phải được tính toán, theta1 và theta2, trong các hình vẽ bạn cũng thấy các bước và phương trình để tính toán theta1 và theta2.

Lưu ý rằng, nếu phát hiện chướng ngại vật ở khoảng cách nhỏ hơn 10 cm, thì quả chanh đã được người cầm nắm chặt và giữ chặt, cuối cùng chúng ta phải đưa quả chanh đến vị trí cuối cùng.

Bước 8: Chạy Robot

Sau tất cả những gì chúng tôi đã làm trước đây, đây là video về robot hoạt động, với cảm biến, nút nhấn và mọi thứ khác hoạt động như bình thường. Chúng tôi cũng đã thực hiện thử nghiệm rung lắc trên robot để đảm bảo nó ổn định và hệ thống dây điện tốt.

Bước 9: Kết luận

Dự án này đã cho chúng tôi một kinh nghiệm tốt trong việc xử lý các dự án như vậy. Tuy nhiên, robot này có thể được sửa đổi và có thêm một số giá trị như phát hiện đối tượng để phát hiện quả chanh, hoặc có thể là bậc tự do thứ ba để nó có thể di chuyển giữa các cây. Ngoài ra, chúng tôi có thể điều khiển nó bằng ứng dụng di động hoặc bằng bàn phím để chúng tôi di chuyển nó theo ý muốn. Chúng tôi hy vọng bạn thích dự án của chúng tôi và gửi lời cảm ơn đặc biệt đến các giám sát viên tại Fablab đã giúp đỡ chúng tôi.