Đập tay! - Bàn tay robot: 5 bước

2024 Tác giả: John Day | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-01-30 13:33

Một ngày nọ, trong lớp Nguyên tắc Kỹ thuật, chúng tôi bắt đầu chế tạo các máy phức hợp từ các bộ phận VEX. Khi bắt đầu xây dựng các cơ chế, chúng tôi phải vật lộn để quản lý nhiều thành phần phức tạp cần được lắp ráp lại với nhau. Giá như ai đó có thể giúp chúng tôi một tay…

Đó là lý do tại sao chúng tôi, ba học sinh trường Trung học Irvington trong lớp của Ms. Berbawy, đã quyết định thiết kế và chế tạo một bàn tay robot từ đầu! Với ước tính tài chính là $ 150 cho S. I. D. E. Dự án, chúng tôi có thể có được tất cả các vật liệu cần thiết trong khi vẫn còn đủ ngân sách. Thành phẩm bao gồm Arduino Mega, một bộ điều khiển vi mô servo điều khiển 5 servo, mỗi servo được kết nối với một ngón tay in 3D có thể di chuyển riêng lẻ bằng các khớp nối thực tế.

Đây là một dự án rất tham vọng, vì tất cả các thành viên trong nhóm đều là học sinh trung học với lịch trình năm học Cơ sở bận rộn và chưa có kinh nghiệm thiết kế hoàn toàn một dự án điện tử từ cơ sở trở lên. Mặc dù các thành viên trong nhóm của chúng tôi đã có kinh nghiệm thiết kế và lập trình có sự hỗ trợ của máy tính trước đó, nhưng dự án đã mở ra cho chúng tôi khả năng sử dụng tiềm năng của phần cứng và phần mềm Arduino theo cách có thể giúp mọi người hoàn thành công việc hàng ngày của họ.

Tạo mô hình và thiết kế 3D bởi Patrick Ding

Tài liệu và Mã hóa Arduino của Ashwin Natampalli

Mã hóa Arduino, mạch và có thể hướng dẫn bởi Sandesh Shrestha

Bước 1: CADing

Bước đầu tiên và khó nhất đối với dự án này là tạo ra các mô hình 3D của bàn tay bằng các ngón tay. Để thực hiện việc này, hãy sử dụng Autodesk Inventor hoặc Autodesk Fusion 360 (Chúng tôi đã sử dụng trước đây).

Sử dụng các tệp bộ phận để tạo các CAD riêng lẻ cho lòng bàn tay, đoạn ngón tay, đầu ngón tay và đoạn ngón út. Chúng tôi đã chỉnh sửa 2-3 lần cho mỗi phần để hoạt động của các khớp nối và servo được trơn tru.

Thiết kế có thể ở bất kỳ kích thước và hình dạng nào miễn là đường dẫn của dây cho phép các ngón tay hoạt động trơn tru và các ngón tay không va chạm vào nhau. Đồng thời đảm bảo các ngón tay có thể thu gọn hoàn toàn cho một nắm tay khép lại.

Để khắc phục sự cố gây nhiễu chuỗi và các đường dẫn không hiệu quả, như chúng tôi đã tìm thấy trong phiên bản đầu tiên của mình, các vòng lặp, hướng dẫn chuỗi và đường hầm đã được thêm vào để chuỗi có thể dễ dàng kéo và nới lỏng.

Dưới đây là các tệp CAD.stl và multiview đã hoàn thiện của chúng tôi cho từng phần.

Bước 2: In 3D

Sau khi hoàn thành các CAD, hãy sử dụng máy in 3D để làm cho chúng trở nên sống động. Giai đoạn này có thể được lặp lại nhiều lần nếu thiết kế bạn tạo có một số vấn đề.

Để in 3D, trước tiên hãy xuất tệp CAD dưới dạng tệp STL. Để thực hiện việc này trong Autodesk Inventor, hãy nhấp vào menu thả xuống Tệp và di chuột qua Xuất. Từ cột bật ra, chọn Định dạng CAD. Menu Windows File Explorer sẽ cho phép bạn chọn tệp.stl từ menu thả xuống và chọn vị trí cho tệp.

Khi tệp đã sẵn sàng để được nhập vào phần mềm của máy in 3D, hãy định cấu hình các tùy chọn in theo ý muốn của bạn hoặc theo cấu hình của chúng tôi. Phần mềm máy in 3D khác nhau giữa các thương hiệu, vì vậy hãy tham khảo hướng dẫn trực tuyến hoặc sách hướng dẫn để điều hướng phần mềm của họ. Đối với bàn tay của chúng tôi, chúng tôi đã sử dụng LulzBot Mini do tính khả dụng của nó trong thiết lập lớp học của chúng tôi.

Bước 3: Lắp ráp

Sau khi tất cả các bộ phận được in 3D thành công với bè và giá đỡ được tháo ra (nếu có), thì mỗi bộ phận phải được chuẩn bị trước để bắt đầu lắp ráp.

Vì máy in 3D không chính xác lắm và có thể xảy ra các khuyết điểm nhỏ, nên hãy sử dụng tệp hoặc giấy nhám hoặc máy mài có đính kèm cát để làm mịn một số mặt nhất định. Để khớp hoạt động trơn tru nhất, hãy tập trung vào các khớp và các điểm giao nhau để làm trơn cho các kết nối tối ưu. Đôi khi các đường hầm của chuỗi ở các đoạn ngón tay và các bộ phận khác có thể nằm trong hoặc không hoàn hảo. Để chống lại sự khác biệt lớn, hãy sử dụng máy khoan với mũi khoan 3 / 16in để khoan các đường hầm.

Để định tuyến dây dễ dàng nhất, hãy ráp từng ngón tay, định tuyến dây qua các đường hầm và buộc dây ở hai đầu. Trước khi hợp nhất từng ngón tay vào lòng bàn tay, hãy luồn dây qua các vòng dẫn hướng, một qua lỗ trên cùng và một qua đáy, trên lòng bàn tay và gắn nó vào các đầu đối diện của ống cuốn đi kèm của servo. Khi độ dài đã chính xác, hãy nối các ngón tay vào lòng bàn tay.

Như trong hình trên, lắp các vít m4x16 vào từng khớp để giữ các ngón tay lại với nhau. Lặp lại từng quy trình xây dựng ngón tay cho tất cả các ngón tay, sử dụng các đoạn ngón út cho ngón út.

Bước 4: Mạch Arduino

Với bộ xương đã được lắp ráp tất cả, bây giờ cơ bắp và não phải được tích hợp. Để chạy tất cả các servo cùng một lúc, chúng ta phải sử dụng bộ điều khiển động cơ PCA 9685 của Adafruit. Bộ điều khiển này yêu cầu nguồn điện bên ngoài để cấp nguồn cho Servos. Sử dụng bộ điều khiển này và thư viện mã hóa độc quyền của nó có thể được tìm thấy tại đây.

Khi đấu dây Arduino với bộ điều khiển, hãy đảm bảo rằng bạn ghi lại các đầu ra chân. Nếu sử dụng Arduino Mega, thì điều này sẽ không cần thiết. Tuy nhiên, trong mọi trường hợp, hãy đảm bảo rằng bạn ghi lại các cổng nào trên bộ điều khiển động cơ mà các servo được gắn vào.

Để điều khiển Servos và điều khiển bằng tay bằng Điều khiển từ xa IR, chỉ cần thêm bộ thu IR và kết nối nguồn và mặt đất với Arduino bằng dây dữ liệu tới các cổng kỹ thuật số. Kiểm tra sơ đồ chân của bộ thu IR của bạn để đảm bảo đấu dây chính xác. Một ví dụ về mạch của chúng tôi được hiển thị.

Để tạo mạch này, trước tiên hãy kết nối mỗi servo với các cổng 3, 7, 11, 13 và 15 trên bảng điều khiển động cơ servo. Gắn toàn bộ bảng với năm ghim ở dưới cùng vào một bảng mạch.

Sử dụng cáp jumper, kết nối nguồn 5V của Arduino và nối đất với một thanh nguồn của bảng mạch (Đảm bảo bạn dán nhãn hoặc ghi nhớ bên nào có nguồn 5V từ Arduino!). Điều này sẽ cấp nguồn cho cảm biến hồng ngoại và bộ điều khiển động cơ. Kết nối bộ nguồn 6V với đường ray điện khác. Điều này sẽ cung cấp năng lượng cho các Servos.

Đặt tất cả 3 chân của cảm biến IR vào breadboard. Kết nối nguồn và mặt đất với đường ray 5V và đầu ra với chân số 7.

Vì chúng tôi đang sử dụng Arduino Mega nên các cổng SDA và SCL trên bộ điều khiển động cơ sẽ được kết nối với các cổng SDA và SCL trên Arduino. Cổng VCC và cổng nối đất sẽ kết nối với đường ray 5V.

Với bộ pin được kết nối với đường ray điện riêng, hãy sử dụng cáp jumper và tuốc nơ vít đầu phẳng nhỏ để đảm bảo nguồn điện cho động cơ servo thông qua đầu vào nguồn điện màu xanh lá cây.

Đảm bảo tất cả các kết nối đều chặt chẽ và kiểm tra lại tất cả các đường cáp có gắn mạch TinkerCAD của chúng tôi.

Bước 5: Mã hóa

Bước cuối cùng trước khi bàn tay này có thể được đưa vào sử dụng là viết mã Arduino. Vì tay này sử dụng bộ điều khiển động cơ PCA 9685, trước tiên chúng ta phải cài đặt thư viện, thư viện này có thể được thực hiện bên trong Môi trường mã hóa Arduino. Sau khi cài đặt, cũng cài đặt thư viện IRremote cho chức năng IR Remote.

Trong mã của chúng tôi, định nghĩa của mỗi nút trên điều khiển từ xa IR được hiển thị bằng mã 8 chữ số. Chúng được tìm thấy bằng cách sử dụng chương trình IRRecord, chương trình này sẽ in ra Serial Monitor mã 8 chữ số của mỗi nút.

Kèm theo đó là cả chương trình IRRecord và chương trình điều khiển tay đã hoàn thiện.

Khi bắt đầu mã, hãy bao gồm các thư viện IRremote, Wire và Adafruit_PWMServoDriver.

Sau đó, sử dụng kết quả của IRRecord để xác định từng nút của điều khiển từ xa IR. Mặc dù tất cả đều không cần thiết (chỉ cần 10), nhưng có tất cả cho phép mở rộng nhanh chóng (thêm chức năng và cử chỉ đặt trước) cho tương lai. Tạo pwm bằng cách sử dụng chức năng trình điều khiển servo và gán các servo vào các chân trên bộ điều khiển động cơ. Sử dụng cùng các giá trị của SERVOMAX / MIN như được hiển thị. Gán chân đầu vào kỹ thuật số của cảm biến IR là 7 và khởi tạo.

Khai báo chức năng thiết lập với khởi tạo Serial với tốc độ truyền là 9600. Bật cảm biến IR và khởi động servo với tần số servo là 60hz.

Cuối cùng tạo một công tắc if / else dựa trên việc truyền đến của điều khiển từ xa IR trong chức năng vòng lặp. Sau đó, tạo công tắc / trường hợp với các trường hợp của mỗi nút trên điều khiển từ xa IR sẽ được sử dụng. Chúng có thể được thay đổi cho các điều khiển ưa thích của bạn. Đối với mỗi trường hợp, hãy in nút được nhấn vào màn hình nối tiếp để gỡ lỗi và sử dụng vòng lặp for để di chuyển servo. Sau khi tất cả các trường hợp được tạo, hãy đảm bảo tiếp tục cảm biến IR để có thêm tín hiệu đến trước khi đóng chức năng vòng lặp. Bạn có thể tìm thấy mã hóa các servo thông qua bảng điều khiển động cơ tại