Разработка конструкции двухстепенного манипулятора

Размещено на http://www.allbest.ru

ВВЕДЕНИЕ

Целью данного курсового проекта является разработка конструкции двухстепенного манипулятора, проектирование отдельных деталей и изготовление их при помощи 3D печати, сборка робота, разработка системы управления манипулятором на основе Arduino.

Манипулятор по принципу действия напоминает человеческую руку. В нём присутствуют поворотные соединения, которые обеспечивают наклон в плечевом соединении и сгибание в локте, механический захват, который позволит роботу хватать и перемещать предметы в разных направлениях.

Отличительная черта данной конструкции - очень высокая гибкость, позволяющая роботу обходить многие препятствия. Кроме того, робот этого типа достаточно компактен, и обслуживаемая им зона гораздо больше, чем занимаемое роботом место.

Несмотря на очевидные преимущества конструкции, управлять таким роботом достаточно сложно. При перемещении каждого звена принцип минимального значения требуемого угла, и манипулятор движется не по прямой линии (как декартов, например), а выполняет довольно сложную траекторию, имитируя движения живой руки. В результате мысленное представление всех движений «руки» сильно затруднено, что создаёт трудности при программировании.

Постановка задачи

1. Разработать модель конструкции двухстепенного манипулятора с механизмом захвата.

Предъявляемые требования:

· Длины 1-го и 2-го звеньев должны быть по 20 см;

· грузоподъёмность манипулятора должна составлять около 300 грамм;

· захват должен достаточно широко раскрываться, чтобы брать предметы 7 см в диаметре.

Рис. 1 Заданные параметры манипулятора

робот манипулятор механизм захват

2. Изготовить детали звеньев и захвата манипулятора при помощи 3D печати.

3. Собрать манипулятор.

4. Разработать систему управления манипулятором на основе Arduino.

1. ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ МАНИПУЛЯТОРОВ

Роботы-манипуляторы предназначены для замены человека при выполнении основных и вспомогательных технологических операций в процессе промышленного производства. В промышленности манипуляторы могут выполнять следующие задачи:

- литейные;

- сварочные;

- кузнечно-прессовые;

- механическая обработка;

- сборочные;

- окрасочные;

- транспортно-складские.

При этом решается важная социальная задача - освобождения человека от работ, связанных с опасностями для здоровья или с тяжелым физическим трудом, а также от простых монотонных операций, не требующих высокой квалификации. Гибкие автоматизированные производства, создаваемые на базе роботов-манипуляторов, позволяют решать задачи автоматизации на предприятиях с широкой номенклатурой продукции при мелкосерийном и штучном производстве. Копирующие манипуляторы, управляемые человеком-оператором, необходимы при выполнении различных работ с радиоактивными материалами. Кроме того, эти устройства незаменимы при выполнении работ в космосе, под водой, в химически активных средах. Таким образом, роботы-манипуляторы являются важными составными частями современного промышленного производства.

2. ПОСТРОЕНИЕ СТРУКТУРНОЙ КИНЕМАТИЧЕСКОЙ СХЕМЫ МАНИПУЛЯТОРА

Перед проектированием манипулятора необходимо составить его структурную кинематическую схему (Рис. 2.1),. Схема состоит из основания, 1го звена, 2го звена и схвата. Основание имеет неподвижное соединение с поверхностью крепления робота, а с 1ым звеном связано соединением вращательного типа, которое может поворачиваться на угол q1. 1ое и 2ое звенья также между собой имеют соединение вращательного типа с углом поворота q2. Схват имеет неподвижное соединение со 2ым звеном и не поворачивается относительно него.

Рис. 2.1 кинематическая схема манипулятора

1ое и 2ое звено, как по заданию, имеют длину 200мм каждое. Основание имеет небольшую длину, которая будет определена при его проектировании. Схват должен разжиматься на расстояние не менее 70мм, его длина будет определена при проектировании.

3. РЕШЕНИЕ ПРЯМОЙ И ОБРАТНОЙ ЗАДАЧИ КИНЕМАТИКИ МАНИПУЛЯТОРА

Прямая задача - это определение положений звеньев манипулятора при заданных углах поворота соединений и размеров звеньев.

Обратная задача - это определение углов поворота при заданных координатах положения рабочей точки манипулятора

Пред решением задач составим структурную схему (Рис. 3.1) с нужными для решения обозначениями.

Рис 3.1 Структурная схема с обозначениями

В данной схеме:

q1, 2 - углы поворота;

L0, L1, L2, L3 - длины звеньев;

P0, P1, P2, P3, P4 - точки положения звеньев

Все вычисления для прямой и обратной задач проводились в среде Mathcad.



4. РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ МАНИПУЛЯТОРА

4.1 Выбор сервоприводов

Поворот звеньев манипулятора и сжатие-разжатие захвата будут осуществлять цифровые сервоприводы. При длине двух звеньев (по 20 см каждое) и с учетом размера захвата приблизительная максимальная длина манипулятора будет 50 см. Т.к. манипулятор должен способен поднимать груз около 300 грамм, то при длине в 50 см сервопривод должен развивать момент не менее 15 кг*см для одного лишь груза без учёта веса робота. Чтобы определить вес манипулятора нужно учесть вес сервоприводов и деталей звеньев и захвата. Сервопривод весит в среднем 60 грамм, т.к. их 3, то общий их вес 180 грамм, остальные детали будут в основном из пластика, в целом вес робота должен быть около 300 грамм. Согласно конструкции, масса робота распределена равномерно вдоль всей его длины, следовательно, при закреплённом основании и расположении звеньев робота перпендикулярно силе тяжести, масса в рабочей точке робота будет 150 грамм (Рис. 4.1).

Рис. 4.1 Примерная оценка массы робота

При массе 150 грамм в рабочей точки и длине робота в 50 см, момент на валу сервопривода будет 7,5 кг*см при условии, что захват робота будет без груза. Следовательно на поднятие груза остаётся момент 12,5 кг*см, значит максимальный вес груза должен быть не более 250 грамм.

Доступные в данный момент сервоприводы с достаточно большим моментом были сервоприводы DF15RMG (Рис. 4.2). Два таких сервопривода будут использоваться для поворота звеньев манипулятора.

Рис. 4.2 Внешний вид DF15RMG с дополнительными кронштейнами

Спецификации для сервопривода DF15RMG:

Механические параметры:

- угол поворота: 170°

- Скорость поворота: 60°/0.16s

- Момент: 19.3кг•см @7.4V

- Металлические шестерни

- Размеры: 40x40x20 мм

- Вес: 65 г

Электрические характеристики:

- Рабочее напряжение: 5-7.4v

- Максимальный ток: 3A при 8.5V

- PPM Voltage: 3V-5V

- Разрешение: 2мкс

- Частота: до 4 КГц [1]

Для работы захвата манипулятора будет использован сервопривод SR430 (Рис. 4.3). Он меньший момент чем DF15RMG, т.к. для работы захвата не требуется высокий момент.

Рис. 4.3 Внешний вид SR430

Спецификации для сервопривода SR430:

Рабочее напряжение: 6,0 -- 7,4 В

Скорость: 0,18 сек/60° (6 В)

Усилие на валу: 4,2 кг/см (6 В)

Скорость: 0,16 сек/60° (7,4 В)

Усилие на валу: 5,3 кг/см (7,4 В)

Угол вращения: 180°

Размеры: 42 x 39,5 x 20,5 мм

Вес: 44 гр.

Шестерни редуктора: пластиковые [2]

4.2 Проектирование деталей

4.2.1 Выбор САПР

Для проектирования 3D моделей деталей робота была выбрана программа Google SketchUp, т.к. она является одной из простейших программ для 3D моделирования и является бесплатной, а также имеет интерфейс на русском языке. Программа оснащена упрощенным набором инструментов, с которым пользователю работать максимально удобно - это позволит всего лишь за несколько часов освоить работу в программе и начать проектировать самые разные 3D-модели, от простейших геометрических фигур до полномасштабных красивых моделей [3].

4.2.2 Проектирование 1-го и 2-го звеньев

Сервоприводы DF15RMG уже обладают готовыми креплениями (Рис. 4.4) к ним,

Рис. 4.4 3D модель сервопривода DF15RMG и его кронштейнов

поэтому звено нужно спроектировать таким образом, чтобы оно могло крепиться к ним. Значит необходимо в детали сделать такие же отверстия как и в кронштейнах, чтобы их можно было стянуть болтами. Диаметр отверстий 3мм, расстояние между ним 10мм. Деталь должна иметь пустотелую конструкцию, чтобы на её изготовление ушло меньше материала, при этом она должна быть достаточно прочной, чтобы выдержать все нагрузки.

Стоит учесть, что сервоприводы, соединённые с деталью образуют единое звено манипулятора, которое должно иметь длину 20см (Рис. 4.5), следовательно длину детали нужно подобрать таким образом, чтобы выполнялось это условие.

Рис. 4.5 Модель 1-го звена

В результате получится деталь длиной 12,88см (Рис. 4.6; 4.7), которая образует с двумя сервоприводами 1ое звено длиной 20см.

Рис. 4.6 Вид детали сверху и сбоку

Рис. 4.7 Трёхмерный вид детали с указанными размерами

Для второго звена деталь будет использоваться точно такая же как и для первого, при этом второе звено будут составлять кронштейн сервопривода и часть неподвижной детали захвата (Рис. 4.8).

Рис. 4.8 Модель 2-го звена

4.2.3 Проектирование схвата

Модель схвата будет строится на основе готового чертежа (Рис. 4.9). Такой схват имеет 6 подвижных деталей, которые крепятся на основание (Рис. 4.10).

Рис. 4.9 Чертёж для построения модели схвата

Рис. 4.10 Модель основания схвата с разных сторон

Основание схвата (Рис. 4.11) должно крепится к детали второго звена, следовательно оно должно иметь специальное крепление с такими же отверстиями как у второго звена. Расположение крепления для сервопривода было изменено, по сравнению с готовым чертежом, для того, чтобы схват мог шире раскрыться. Также на креплении добавлены специальные опоры для сервопривода SR430. В основании имеется специальное отверстие, чтобы вал сервопривода соединить с шестернёй, которая приводит механизм схвата в движение.

Рис. 4.11 Трёхмерный вид основания схвата с указанными размерами

Расположение подвижных деталей и их форма остались как на чертеже. Все детали схвата (Рис. 4.12) должны крепится между собой болтами диаметром 3мм и длиной желательно 15мм.

Рис. 4.12 Детали и основание схвата и сервопривод SR430

На рисунках 4.13 и 4.14 изображены 3D модели деталей схвата и собранного схвата вместе с сервоприводом SR430.

Рис. 4.13 Модели деталей схвата

Рис. 4.14 Модель собранного схвата с разных ракурсов

Из рисунка 4.15 видно, что длина схвата меняется в зависимости от степени его раскрытия.



Рис. 4.15 Схват при различных положениях и проставленные размеры

4.3 Модель собранного манипулятора

3D модель манипулятора имеет длину 525,6 мм в выпрямленном состоянии при среднем положении захвата и максимальную длину 548,5 мм при полностью сжатом захвате (Рис. 4.16)

Рис. 4.16 Модель манипулятора в выпрямленном положении с указанными длинами звеньев

Длина звена-основания равна 25,6 мм и определяется размером кронштейна сервопривода.

На рисунке 4.17 представлена 3D модель манипулятора в рабочем состоянии, закрепленного на специальной платформе.



Рис. 4.17 Модель манипулятора, закреплённого на платформе

5. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ И СБОРКА МАНИПУЛЯТОРА

Все пластиковые детали изготавливались при помощи 3D печати на 3D принтере Makerbot Replicator (Рис. 5.1; 5.2)

Рис. 5.1 Печать деталей для захвата манипулятора

Рис. 5.2 Печать деталей для звеньев манипулятора

После печати некоторые детали получились с небольшими дефектами (Рис. 5.3).



Рис. 5.3 Напечатанная деталь звена

Из-за ошибки 3D принтер не напечатал крепления на основе схвата манипулятора (Рис. 5.4). Потом они будут сделаны металлическими вручную.

Рис. 5.4 Напечатанная основа схвата

Кронштейны крепятся к пластиковым деталям на болтах (Рис. 5.5; 5.6).

Рис. 5.5 Собранная часть 1го звена



Рис. 5.6 Металлическое крепление для основы схвата

На рисунках 5.7-5.9 изображены готовый схват и полностью собранный робот.

Рис. 5.7 Собранный схват манипулятора

Рис. 5.8 Полностью собранный манипулятор



Рис. 5.9 Двухстепенной манипулятор

Собранный манипулятор оказался достаточно прочным, несмотря не некоторые дефекты пластиковых деталей. Неподвижные детали плотно стянуты болтами, двигающиеся детали схвата стянуты с небольшим усилием, при этом работают без затруднений и не обладают люфтом. Масса робота получилась 322 грамма.

6. РАЗРАБОТКА МИКРОКОНТРОЛЛЕРНОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ МАНИПУЛЯТОРОМ НА ОСНОВЕ ARDUINO

Система управления манипулятором разработана на основе Arduino Uno к которой подключен контроллер управления Input Shield DFR0008, который включает в себя мини-джойстик и две кнопки. Три сервопривода робота подкоючены к цифровым портам 8, 10, 12 Arduino и питаются от внешнего источника питания 7В (Рис. 6.1).

Рис. 6.1 Схема подключения Arduino, Input Shield и сервоприводов

Плата arduino подключена к компьютеру через COM порт. Туда выводятся значения углов поворота сервоприводов и данные о смещении джойстика по осям и нажатии кнопок. Код программы для arduino находится в приложении.

Манипулятор полностью управляется вручную через контроллер управления. Джойстиком по оси х выполняется управление схватом, по оси у 1-ым сервоприводом (если зажата кнопка В) или 2-ым сервоприводом (если зажата кнопка С). Если нажать на джойстик, то робот вернётся в начальные координвты. На рисунке 6.2 изображен манипулятор, подключенный к системе управления.

Рис. 6.2 Манипулятор, подключенный к Arduino

На рисунке 6.3 представлена блок-схема программы Arduino для управления манипулятором через Input Shield.



Рис. 6.3 Блок-схема управления манипулятором

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе выполнения данного курсового проекта были выполнены следующие задачи:

· Построена кинематическая схема манипулятора;

· Решены прямая и обратная задачи манипулятора;

· Разработаны 3D модели деталей манипулятора;

· Изготовление деталей при помощи 3D печати;

· Сборка манипулятора;

· Разработка системы управления манипулятором.

Длины звеньев манипулятора согласно требованиям составляют 20 см, схват раскрывается на 8 см (нужно было не меньше 7 см), грузоподъёмность составляет приблизительно 250 грамм (нужно было около 300 грамм).

Так же были получены новые знания и навыки построения 3D моделей деталей, работы с 3D принтером, сборки манипулятора и разработки его системы управления.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Описание сервопривода DF15RMG [электронный ресурс]. Режим доступа:

http://www.electronshik.ru/item/df15rmg-tilt-kit-20kg-1114314

2. Описание сервопривода SR430 [электронный ресурс]. Режим доступа:

http://robot-kit.ru/print_product_info.php/products_id/438

3. Описание Google SketchUp 8 [электронный ресурс]. Режим доступа:

http://reviewsoft.ru/Windows/Audio-Video/Audio-Recorders/google-sketchup/

4. Описание Arduino Uno [электронный ресурс]. Режим доступа:

http://arduino.ua/ru/hardware/Uno

5. Описание Arduino Input Shield [электронный ресурс]. Режим доступа:

http://www.dfrobot.com/wiki/index.php?title=Arduino_Input_Shield_%28SKU:_DFR0008%29

ПРИЛОЖЕНИЕ: КОД ПРОГРАММЫ ДЛЯ ARDUINO

#include "Servo.h"

// Обьекты Servo

Servo servo1;

Servo servo2;

Servo servo3;

int x = 1; //ось x джойстика подключена к пин 1

int y = 0; //ось y джойстика подключена к пин 0

int button_A = 5; //кнопка А подключена к пин 5

int button_B = 3; //кнопка В подключена к пин 3

int button_C = 4; //кнопка С подключена к пин 4

int q1,nq1 = 85; //начальное положене угла серво1

int q2,nq2 = 85; //начальное положене угла серво2

int q3,nq3 = 60; //начальное положене угла серво3

int dq = 1; //шаг изменения угла поворота

int T = 10; //начальная задержка

String S = "";

void setup()

{

Serial.begin(9600);

servo1.attach(12); //серво1 подключен к пин 9

servo2.attach(10); //серво2 подключен к пин 10

servo3.attach(8); //серво3 подключен к пин 11

q1 = nq1;

q2 = nq2;

q3 = nq3;

}

void loop()

{

while (Serial.available() > 0) //если в буфере есть символы

{

int inChar = Serial.read(); //считать символ

if (isDigit(inChar)) //если символ является цифрой

{

S += (char)inChar; //прибавить символ к строке

}

if (inChar == '!') //символ окончания строки

{

T = S.toInt(); //перевод string в integer

S = ""; //очистка строки

}

}

Serial.print(T); //вывод задержки

Serial.print(" ");

Serial.print(q1); //вывод угла 1

Serial.print(" ");

Serial.print(q2); //вывод угла 2

Serial.print(" ");

Serial.print(q3); //вывод угла 3

Serial.print(" ");

Serial.print(digitalRead(button_A)); //вывод значения кнопки А

Serial.print(" ");

Serial.print(digitalRead(button_B)); //вывод значения кнопки В

Serial.print(" ");

Serial.print(digitalRead(button_C)); //вывод значения кнопки С

Serial.print(" ");

Serial.print(analogRead(x)); //вывод значения оси х

Serial.print(" ");

Serial.println(analogRead(y)); //вывод значения оси у

if (digitalRead(button_A)==0) //если нажать кнопку А

{ //вернуть робота в начальное положение

q1 = nq1;

q2 = nq2;

q3 = nq3;

}

if (digitalRead(button_B)==0) //если зажать кнопку B

{

//управление серво1

if (analogRead(x)>800)

{

q1 = q1 + dq; //увеличение угла

if (q1>170) q1 = 170; //предел увеличения угла

}

if (analogRead(x)<200)

{

q1 = q1-dq; //уменьшение угла

if (q1<0) q1 = 0; //предел уменьшения угла

}

}

if (digitalRead(button_C)==0) //если зажать кнопку C

{

//управление серво2

if (analogRead(x)>800)

{

q2 = q2 + dq; //увеличение угла

if (q2>170) q2 = 170; //предел увеличения угла

}

if (analogRead(x)<200)

{

q2 = q2-dq; //уменьшение угла

if (q2<0) q2 = 0; //предел уменьшения угла

}

}

//управление серво3 (схват)

if (analogRead(y)>800)

{

q3 = q3 + dq; //увеличение угла

if (q3>120) q3 = 120; //предел увеличения угла

}

if (analogRead(y)<200)

{

q3 = q3-dq; //уменьшение угла

if (q3<0) q3 = 0; //предел уменьшения угла

}

servo1.write(q1); // Повернуть серво1 на q1 градусов

servo2.write(q2); // Повернуть серво2 на q2 градусов

servo3.write(q3); // Повернуть серво3 на q3 градусов

delay(T); //задержка для более медленной скорости поворота серво

}

Размещено на Allbest.ru

...