Tự làm cánh tay robot 6 trục (với Động cơ bước): 9 bước (có hình ảnh)

2024 Tác giả: John Day | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-01-30 13:32

Sau hơn một năm nghiên cứu, thử nghiệm và nhiều lần thất bại, tôi đã chế tạo được một robot bằng sắt / nhôm với 6 bậc tự do được điều khiển bằng động cơ bước.

Phần khó nhất là thiết kế vì tôi muốn đạt được 3 mục tiêu cơ bản:

• Chi phí hiện thực hóa thấp
• Lắp ráp dễ dàng ngay cả với ít thiết bị
• Độ chính xác tốt khi di chuyển

Tôi đã thiết kế mô hình 3D với Rhino nhiều lần cho đến khi (theo ý kiến của tôi) một thỏa hiệp tốt đáp ứng được 3 yêu cầu.

Tôi không phải là một kỹ sư và trước khi thực hiện dự án này, tôi không có bất kỳ kinh nghiệm nào về robot nên một người có kinh nghiệm hơn tôi có thể tìm ra những sai sót trong thiết kế trong những gì tôi đã làm nhưng tôi vẫn có thể nói rằng tôi hài lòng với kết quả cuối cùng mà tôi đạt được.

Quân nhu

để biết thêm thông tin, hãy truy cập blog cá nhân của tôi

Bước 1: Thiết kế CAD

Trước khi đến với mẫu cuối cùng, tôi đã thiết kế ít nhất 8 nguyên mẫu khác nhau với các hệ thống truyền động khác nhau nhưng không có mẫu nào đáp ứng được 3 yêu cầu được mô tả ở trên.

Kết hợp các giải pháp cơ học của tất cả các nguyên mẫu được tạo ra (và cũng chấp nhận một số thỏa hiệp) để tạo ra mô hình cuối cùng. Tôi không tính số giờ tôi đã bỏ ra trước CAD nhưng tôi có thể đảm bảo với bạn rằng chúng thực sự rất nhiều.

Một khía cạnh cần lưu ý ở giai đoạn thiết kế là ngay cả một gam đơn lẻ được thêm vào cuối cổ tay của rô bốt cũng được nhân lên với chi phí của lực cản mô-men xoắn của các động cơ ở đế và do đó trọng lượng càng nhiều và động cơ càng nhiều phải được tính toán cho sự cố gắng chịu đựng.

Để "giúp" động cơ chịu được ứng suất, tôi đã áp dụng các piston khí 250N và 150N.

Tôi đã nghĩ đến việc giảm chi phí bằng cách tạo ra robot bằng các tấm sắt (C40) và nhôm được cắt bằng laser với các độ dày từ 2, 3, 5, 10 mm; cắt laser rẻ hơn nhiều so với phay kim loại 3D.

Sau khi thiết kế từng thành phần riêng lẻ, tôi tạo hình dạng của các mảnh bằng.dxf và gửi chúng đến trung tâm cắt. Tất cả các thành phần còn lại đều do tôi tự làm ở máy tiện.

Bước 2: Chuẩn bị và lắp ráp

Cuối cùng đã đến lúc tôi phải làm bẩn tay (đó là điều tôi làm tốt nhất)…

Giai đoạn xây dựng đã mất nhiều giờ làm việc cho việc chuẩn bị các mảnh, việc dũa thủ công các lỗ, các mối nối, các đường chỉ và quay các trục. Thực tế là đã thiết kế từng bộ phận để có thể làm việc chỉ với một vài công cụ lao động đã khiến tôi không gặp phải bất ngờ lớn hay sự cố máy móc nào.

Điều quan trọng nhất là không nên vội vàng hoàn thành mọi việc mà phải chỉn chu và chỉn chu từng đường nét của dự án, ứng biến trong giai đoạn này không bao giờ dẫn đến kết quả tốt.

Nhận ra rằng những chiếc ghế chịu lực là vô cùng quan trọng bởi vì mỗi khớp đều dựa vào chúng và ngay cả một hành động nhỏ vài phần trăm cũng có thể ảnh hưởng đến sự thành công của dự án.

Tôi thấy mình phải làm lại các chốt vì với chiếc máy tiện, tôi đã loại bỏ khoảng 5 xu nhỏ hơn lỗ ổ trục và khi tôi cố gắng gắn nó, trò chơi hiển nhiên một cách quái dị.

Các công cụ tôi đã sử dụng để chuẩn bị tất cả các mảnh là:

• máy khoan
• máy xay / dremel
• đá mài
• tập tin thủ công
• máy tiện
• Chìa khóa tiếng anh

Tôi hiểu rằng không phải ai cũng có thể có một chiếc máy tiện tại nhà và trong trường hợp này, sẽ cần thiết phải giao các bộ phận đó cho một trung tâm chuyên môn.

Tôi đã thiết kế các mảnh được cắt bằng tia laser với các khớp nối nhiều hơn một chút để có thể hoàn thiện chúng bằng tay vì tia laser, dù chính xác đến đâu, cũng tạo ra một vết cắt hình nón và điều cần thiết là phải xem xét nó.

Làm việc với tệp bằng tay từng khớp nối mà tôi đã thực hiện để tạo ra khớp nối rất chính xác giữa các bộ phận.

Ngay cả những lỗ trên ghế chịu lực tôi đã làm nhỏ hơn và sau đó mài chúng bằng tay với sự kiên nhẫn và rất nhiều (nhưng thực sự là rất nhiều).

Tất cả các chủ đề tôi làm bằng tay trên máy khoan vì độ vuông góc tối đa giữa dụng cụ và chi tiết đạt được. Sau khi chuẩn bị xong từng thứ, khoảnh khắc sự thật được chờ đợi từ lâu đã đến, sự lắp ráp của toàn bộ robot. Tôi đã rất ngạc nhiên khi thấy rằng mỗi mảnh khớp chính xác với nhau với dung sai phù hợp.

Robot bây giờ đã được lắp ráp hoàn chỉnh

Trước khi làm bất cứ điều gì khác, tôi ưu tiên thực hiện một số bài kiểm tra chuyển động để đảm bảo rằng các động cơ đã được thiết kế phù hợp, nếu tôi phát hiện ra bất kỳ vấn đề nào với động cơ, đặc biệt là mô-men xoắn của chúng, tôi sẽ buộc phải thực hiện lại một phần tốt của dự án.

Vì vậy, sau khi lắp 6 động cơ, tôi đã đưa con rô bốt hạng nặng lên phòng thí nghiệm trên gác mái của mình để gửi nó cho những bài kiểm tra đầu tiên.

Bước 3: Kiểm tra chuyển động đầu tiên

Sau khi hoàn thành phần cơ khí của robot, tôi nhanh chóng lắp ráp các thiết bị điện tử và chỉ kết nối cáp của 6 động cơ..

Vấn đề đầu tiên liên quan đến doanh số không. 3 mà khi mở rộng tối đa làm quá tải dây đai quá nhiều và đôi khi gây ra mất bước. Giải pháp cho vấn đề này đã dẫn tôi đến nhiều lập luận khác nhau mà chúng ta sẽ thấy trong bước tiếp theo.

Vấn đề thứ hai liên quan đến số doanh nghiệp. 4, giải pháp của đai xoắn không quá đáng tin cậy và tạo ra các vấn đề. Trong khi đó các bộ phận bằng sắt của con rô bốt bắt đầu rỉ sét những điểm nhỏ nên với cơ hội được giải quyết vấn đề, tôi cũng đã tận dụng cơ hội để sơn nó.

Bước 4: Sơn và lắp ráp lại

Tôi không đặc biệt thích giai đoạn vẽ tranh nhưng trong trường hợp này, tôi buộc phải làm vì tôi thậm chí còn ít yêu thích nó hơn.

Trên bàn ủi, tôi phủ một lớp sơn lót trước tiên để làm nền cho lớp sơn màu đỏ fluo.

Bước 5: Sửa lỗi N.1

Sau khi có kết quả thử nghiệm, tôi đã phải thực hiện một số thay đổi để cải thiện độ chính xác của robot. Sửa đổi đầu tiên liên quan đến khớp số 3 đặc biệt là khi nó ở trong điều kiện bất lợi nhất tạo ra lực kéo quá mức của dây đai và do đó động cơ luôn hoạt động căng thẳng. Giải pháp là trợ giúp bằng cách tác dụng một lực ngược với hướng quay.

Tôi đã dành cả đêm để suy nghĩ về giải pháp tốt nhất mà không cần phải làm lại mọi thứ. Ban đầu, tôi nghĩ đến việc áp dụng một lò xo xoắn lớn nhưng tìm kiếm trên mạng, tôi không tìm thấy điều gì thỏa mãn nên tôi đã chọn một piston khí (như tôi đã thiết kế cho khớp số 2), nhưng tôi vẫn phải quyết định đặt nó ở đâu vì tôi không có đủ không gian.

Bỏ qua một chút về tính thẩm mỹ, tôi quyết định rằng vị trí tốt nhất để đặt pít-tông là ở bên cạnh.

Tôi thực hiện các tính toán về sức mạnh cần thiết của pít-tông xem xét điểm mà nó phải tác động lực và sau đó tôi đặt hàng trên ebay một pít-tông 150 N dài 340 mm, sau đó tôi thiết kế các giá đỡ mới để có thể sửa nó.

Bước 6: Sửa lỗi N.2

Thay đổi thứ hai liên quan đến doanh số không. 4 khi ban đầu tôi đã lên kế hoạch truyền động bằng đai xoắn nhưng tôi nhận ra rằng các khoảng trống bị giảm đi và dây đai không hoạt động tốt như mong đợi.

Tôi quyết định làm lại hoàn toàn toàn bộ khớp bằng cách thiết kế các vai để nhận động cơ theo hướng song song với chúng. Với sửa đổi mới này, giờ đây dây đai hoạt động chính xác và việc căng dây cũng dễ dàng hơn vì tôi đã thiết kế một hệ thống khóa để dễ dàng căng dây đai.

Bước 7: Điện tử

Thiết bị điện tử điều khiển động cơ giống như được sử dụng cho máy CNC 3 trục cổ điển với sự khác biệt là có thêm 3 trình điều khiển và thêm 3 động cơ để quản lý. Tất cả logic điều khiển trục được tính toán bởi ứng dụng, thiết bị điện tử có nhiệm vụ duy nhất nhận được hướng dẫn về việc các động cơ sẽ phải quay bao nhiêu độ để khớp không đạt được vị trí mong muốn.

Các bộ phận tạo nên thiết bị điện tử là:

• Arduino Mega
• n. 6 trình điều khiển DM542T
• n. 4 Relè
• n. 1 nguồn điện 24V
• n. 2 van điện từ (cho kẹp khí nén)

Trên Arduino, tôi đã tải bản phác thảo đề cập đến việc quản lý đồng thời các chuyển động của động cơ như tăng, giảm tốc, tốc độ, bước và giới hạn tối đa và được lập trình để nhận các lệnh được thực thi qua nối tiếp (USB).

So với các bộ điều khiển chuyển động chuyên nghiệp có thể có giá lên đến vài nghìn euro, Arduino theo cách nhỏ của nó tự bảo vệ mình quá rõ ràng là các hoạt động quá phức tạp mà nó không thể quản lý, chẳng hạn như đa luồng hữu ích, đặc biệt khi bạn phải quản lý nhiều động cơ cùng một lúc..

Bước 8: Cân nhắc phần mềm

Mỗi robot có hình dạng riêng và các góc chuyển động khác nhau và chuyển động của mỗi robot cũng khác nhau. Hiện tại để chạy các bài kiểm tra, tôi đang sử dụng phần mềm của Chris Annin (www.anninrobotics.com) nhưng phép toán được viết cho robot của anh ấy không hoàn toàn phù hợp với tôi thực tế là một số khu vực trong khu vực làm việc tôi không thể tiếp cận chúng bởi vì các phép tính của các góc không được hoàn thành.

Phần mềm của Annin hiện đã ổn để thử nghiệm, nhưng tôi sẽ phải bắt đầu suy nghĩ về việc viết phần mềm của riêng mình phù hợp 100% với vật lý robot của tôi. Tôi đã bắt đầu thực hiện một số thử nghiệm bằng Blender và viết phần Python của bộ điều khiển chuyển động và nó có vẻ là một giải pháp tốt, có một số khía cạnh cần phát triển nhưng kết hợp này (Blender + Ptyhon) rất dễ thực hiện, đặc biệt là nó rất dễ dàng để lập kế hoạch và mô phỏng các chuyển động mà không cần có rô-bốt trước mặt bạn.

Bước 9: Kẹp khí nén

Để có thể đưa đồ vật vào robot tôi đã trang bị cho nó một bộ kẹp khí nén.

Cá nhân tôi không thích kìm với servo, chúng không cho tôi nhiều niềm tin vào con dấu nên tôi nghĩ rằng một cái kìm khí nén đặc biệt điều chỉnh áp suất có thể đáp ứng mọi nhu cầu.

Với các thanh nhôm định hình vuông, tôi đã sửa đổi kẹp để lấy cả vật nhỏ và vật lớn.

Sau này, khi nào có thời gian, tôi sẽ thu thập đầy đủ thông tin về dự án để có thể tải về.

Tôi hy vọng bạn thích hướng dẫn này.