Промышленный робот манипулятор своими руками. Интересный робот-манипулятор на Arduino
Подключение:
Если Вы собрали детали манипулятора в соответствии с инструкцией, то можно приступить к сборке электронной схемы. Мы предлагаем подключить сервоприводы манипулятора к Arduino UNO через Trerma-Power Shield , а управлять сервоприводами используя Trema-потенциометры .
- Поворот ручки первого Trema-потенциометра приведёт к повороту основания.
- Поворот ручки второго Trema-потенциометра приведёт к повороту левого плеча.
- Поворот ручки третьего Trema-потенциометра приведёт к повороту правого плеча.
- Поворот ручки четвёртого Trema-потенциометра приведёт в движение захват.
В коде программы (скетче) предусмотрена защита сервоприводов , которая заключается в том, что диапазон их вращения ограничен интервалом (двумя углами) свободного хода. Минимальный и максимальный угол вращения указываются в качестве двух последних аргументов функции map() для каждого сервопривода . А значение этих углов определяется в процессе калибровки, которую нужно выполнить до начала работы с манипулятором.
Код программы:
Если вы подадите питание, до калибровки, манипулятор может начать двигаться неадекватно! Сначала выполните все шаги калибровки.
#include
Калибровка:
Перед началом работы с манипулятором, его нужно откалибровать!
- Калибровка заключается в указании крайних значений угла поворота для каждого сервопривода, так чтобы детали не мешали их движениям.
- Отсоедините все сервоприводы от Trema-Power Shield, загрузите скетч и подключите питание.
- Откройте монитор последовательного порта.
- В мониторе будут отображаться углы поворота каждого сервопривода (в градусах).
- Подключите первый сервопривод (управляющий вращением основания) к выводу D10.
- Поворот ручки первого Trema-потенциометра (вывод A2) приведёт к повороту первого сервопривода (вывод D10), а в мониторе изменится значение текущего угла этого сервопривода (значение: A1 = ...). Крайние положения первого сервопривода будут лежать в диапазоне, от 10 до 170 градусов (как написано в первой строке кода loop). Этот диапазон можно изменить, заменив значения последних двух аргументов функции map() в первой строке кода loop, на новые. Например, заменив 170 на 180, Вы увеличите крайнее положение сервопривода в данном направлении. А заменив 10 на 20, Вы уменьшите другое крайнее положение того же сервопривода.
- Если Вы заменили значения, то нужно заново загрузить скетч. Теперь сервопривод будет поворачиваться в новых, заданных Вами, пределах.
- Подключите второй сервопривод (управляющий поворотом левого плеча) к выводу D9.
- Поворот ручки второго Trema-потенциометра (вывод A3) приведёт к повороту второго сервопривода (вывод D9), а в мониторе изменится значение текущего угла этого сервопривода (значение: A2 = ...). Крайние положения второго сервопривода будут лежать в диапазоне, от 80 до 170 градусов (как написано во второй строке кода loop скетча). Этот диапазон изменяется так же как и для первого сервопривода.
- Если Вы заменили значения, то нужно заново загрузить скетч.
- Подключите третий сервопривод (управляющий поворотом правого плеча) к выводу D8. и аналогичным образом осуществите его калибровку.
- Подключите четвертый сервопривод (управляющий захватом) к выводу D7. и аналогичным образом осуществите его калибровку.
Калибровку достаточно выполнить 1 раз, после сборки манипулятора. Внесённые Вами изменения (значения предельных углов) сохранятся в файле скетча.
Сначала будут затронуты общие вопросы, потом технические характеристики результата, детали, а под конец и сам процесс сборки.
В целом и общем
Создание данного устройства в целом не должно вызвать каких-то сложностей. Необходимо будет качественно продумать только возможности механических движений, что будет довольно сложно осуществить с физической точки зрения, чтобы рука-манипулятор выполняла поставленные перед ней задачи.
Технические характеристики результата
Будет рассматриваться образец с параметрами длины/высоты/ширины соответственно 228/380/160 миллиметров. Вес руки-манипулятора, своими руками сделанной, будет составлять примерно 1 килограмм. Для управления используется проводной дистанционный пульт. Ориентировочное время сборки при наличии опыта - около 6-8 часов. Если его нет, то могут уйти дни, недели, а при попустительстве и месяцы, чтобы была собрана рука-манипулятор. Своими руками и одному в таких случаях стоит делать разве что для своего собственного интереса. Для движения составляющих используются коллекторные моторы. Приложив достаточно усилий, можно сделать прибор, который будет поворачиваться на 360 градусов. Также для удобства работы, кроме стандартного инструментария вроде паяльника и припоя, необходимо запастись:
- Удлинёнными плоскогубцами.
- Боковыми кусачками.
- Крестовой отверткой.
- 4-мя батарейками типа D.
Пульт дистанционного управления можно реализовать, используя кнопки и микроконтроллер. При желании сделать дистанционное беспроводное управление элемент контроля действий понадобится и в руке-манипуляторе. В качестве дополнений необходимы будут только устройства (конденсаторы, резисторы, транзисторы), которые позволят стабилизировать схему и передавать по ней в нужные моменты времени ток необходимой величины.
Мелкие детали
Для регуляции количества оборотов можно использовать переходные колесики. Они позволят сделать движение руки-манипулятора плавными.
Также необходимо позаботится о том, чтобы провода не усложняли её движения. Оптимальным будет проложить их внутри конструкции. Можно сделать всё и извне, такой подход сэкономит время, но потенциально может привести к сложностям в перемещении отдельных узлов или всего устройства. А теперь: как сделать манипулятор?
Сборка в общих чертах
Теперь приступаем непосредственно к созданию руки-манипулятора. Начинаем с основания. Необходимо обеспечить возможность поворота устройства во все стороны. Хорошим решением будет его размещение на дисковой платформе, которая приводится во вращение с помощью одного мотора. Чтобы она могла вращаться в обе стороны, существует два варианта:
- Установка двух двигателей. Каждый из них будет отвечать за поворот в конкретную сторону. Когда один работает, второй пребывает в состоянии покоя.
- Установка одного двигателя со схемой, которая сможет заставить его крутится в обе стороны.
Какой из предложенных вариантов выбрать, зависит исключительно от вас. Далее делается основная конструкция. Для комфорта работы необходимо два «сустава». Прикреплённый к платформе должен уметь наклоняться в разные стороны, что решается с помощью двигателей, размещённых в его основании. Ещё один или пару следует разместить в месте локтевого изгиба, чтобы часть захвата можно было перемещать по горизонтальной и вертикальной линии системы координат. Далее, при желании получить максимальные возможности, можно установить ещё двигатель в месте запястья. Далее наиболее необходимое, без чего не представляется рука-манипулятор. Своими руками предстоит сделать само устройство захвата. Тут существует множество вариантов реализации. Можно дать наводку по двум самым популярным:
- Используется только два пальца, которые одновременно сжимают и разжимают объект захвата. Является самой простой реализацией, которая, правда, обычно не может похвастаться значительной грузоподъёмностью.
- Создаётся прототип человеческой руки. Тут для всех пальцев может использоваться один двигатель, с помощью которого будет осуществляться сгиб/разгиб. Но можно сделать и конструкцию сложней. Так, можно к каждому пальцу подсоединить по двигателю и управлять ими отдельно.
Далее остаётся сделать пульт, с помощью которого будет оказываться влияние на отдельные двигатели и темпы их работы. И можно приступать к экспериментам, используя робот-манипулятор, своими руками сделанный.
Возможные схематические изображения результата
Рука-манипулятор своими руками предоставляет широкие возможности для творческих измышлений. Поэтому предоставляются вашему вниманию несколько реализаций, которые можно взять за основу для создания своего собственного устройства подобного предназначения.
Любая представленная схема манипулятора может быть усовершенствована.
Заключение
Важным в робототехнике является то, что практически не существует ограничения по функциональному улучшению. Поэтому при желании создать настоящее произведение искусства не составит труда. Говоря о возможных путях дополнительного улучшения, следует отметить кран-манипулятор. Своими руками сделать такое устройство не составит труда, одновременно оно позволит приучить детей к творческому труду, науке и конструировании. А это в свою очередь позитивно может сказаться на их будущей жизни. Сложно ли будет сделать кран-манипулятор своими руками? Это не так проблемно, как может показаться на первый взгляд. Разве что стоит позаботиться о наличии дополнительных мелких деталей вроде троса и колёс, по которым он будет крутиться.
Имеет подсветку. Всего робот работает на 6-ти серводвигателях. Для создания механической части использовался акрил толщиной два миллиметра. Для изготовления штатива было взято основание от диско-шара, при этом один мотор строен прямо в него.
Робот работает на плате Arduino . В качестве источника питания используется компьютерный блок.
Материалы и инструменты:
- 6 серводвигателей;
- акрил толщиной 2 мм (и еще небольшой кусок толщиной 4 мм);
- штатив (для создания основания);
- ультразвуковой датчик расстояния типа hc-sr04;
- контроллер Arduino Uno;
- контроллер питания (изготавливается самостоятельно);
- блок питания от компьютера;
- компьютер (нужен для программирования Arduino);
- провода, инструменты и прочее.
Процесс изготовления:
Шаг первый. Собираем механическую часть робота
Механическая часть собирается очень просто. Два куска акрила нужно соединить с помощью серводвигателя. Другие два звена соединяются аналогичным образом. Что касается схвата, то его лучше всего купить через интернет. Все элементы крепятся с помощью винтов.
Длина первой части составляет порядка 19 см, а второй примерно 17.5 см. Переднее звено имеет длину 5.5 см. Что касается остальных элементов, то их размеры выбираются на личное усмотрение.
Угол поворота в основании механической руки должен составлять 180 градусов, поэтому снизу нужно установить серводвигатель. В нашем случае его нужно установить в диско-шар. Робот же устанавливается уже на серводвигатель.
Для установки ультразвукового датчика понадобится кусок акрила толщиной 2 см.
Чтобы установить схват будет нужно несколько винтов и серводвигатель. Нужно взять качалку от серводвигателя и укорачивать ее до тех пор, пока она не подойдет ко схвату. Затем можно закрутить два маленьких винта. После установки серводвигатель нужно повернуть в крайнее левое положение и свести губки захвата.
Теперь серводвигатель крепится на 4 болта, при этом важно следить, чтобы он находился в крайнем левом положении, а губы были сведены.
Теперь сервпривод можно подключить к плате и проверить, работает ли схват.
Шаг второй. Подсветка робота
Чтобы робот был интереснее, ему можно сделать подсветку. Делается это с помощью светодиодов разнообразных цветов.
Шаг третий. Подключение электронной части
Основным контроллером для робота является плата Arduino. В качестве источника питания используется компьютерный блок, на его выходах нужно найти напряжение 5 Вольт. Оно должно быть, если замерить мультиметром напряжение на красном и черном проводе. Это напряжение нужно для питания серводвигателей и датчика расстояния. Желтый и черный провод блока выдает уже 12 Вольт, они нужны для работы Arduino.
Для сервомоторов нужно сделать пять коннекторов. К позитивным подключаем 5В, а негативные к земле. Аналогичным образом подключается и датчик расстояния.
Еще на плате имеется светодиодный индикатор питания. Для его подключения используется резистор 100 Ом между +5В и землей.
Выходы от серводвигателей подключаются к ШИМ-выходам на Arduino. Такие пины на плате обозначаются значком «~». Что касается ультразвукового датчика расстояния, то его можно подключить к пинам 6 и 7. Светодиод подключается к земле и 13-му пину.
Теперь можно приступать к программированию. Перед тем как подключаться через USB, нужно убедиться, что питание полностью отключено. При тестировании программы питание робота тоже нужно отключать. Если это не сделать, контроллер получить 5В от USB и 12В от блока питания.
На схеме можно увидеть, что для управления серводвигателями были добавлены потенциометры. Они не являются необходимой составляющей робота, но без них предложенный код работать не будет. Потенциометры подключаются к пинам 0,1,2,3 и 4.
На схеме есть резистор R1, его можно заменить потенциометром на 100 кОм. Это позволит регулировать яркость вручную. Что касается резисторов R2, то их номинал 118 Ом.
Вот перечень основных узлов, которые применялись:
- 7 светодиодов;
- R2 - резистор на 118 Ом;
- R1 - резистор на 100 кОм;
- переключатель;
- фоторезистор;
- транзистор bc547.
Шаг четвертый. Программирование и первый запуск робота
Чтобы управлять роботом, было использовано 5 потенциометров. Вполне реально заменить такую схему на один потенциометр и два джойстика. Как подключить потенциометр, было показано в предыдущем шаге. После установки скеча робота можно испытать.
Первые испытания робота показали, что установленные серводвигатели типа futuba s3003 оказались слабыми для робота. Их можно применять лишь для поворота руки или для схвата. Вместо них автор установил двигатели mg995. Идеальным вариантом будут двигатели типа mg946.
Робот-манипулятор MeArm — карманная версия промышленного манипулятора. MeArm - простой в сборке и управлении робот, механическая рука. Манипулятор имеет четыре степени свободы, что позволяет легко захватывать и перемещать различные небольшие предметы.
Данный товар представлен в виде набора для сборки. Включает в себя следующие части:
- набор деталей из прозрачного акрила для сборки механического манипулятора;
- 4 сервопривода;
- плата управления, на которой расположен микроконтроллер Arduino Pro micro и графический дисплей Nokia 5110;
- плата джойстиков, содержащая два двухкоординатных аналоговых джойстика;
- USB кабель питания.
Перед сборкой механического манипулятора необходимо произвести калибровку сервоприводов. Для калибровки будем использовать контроллер Arduino. Подсоединяем сервоприводы к плате Arduino (необходим внешний источник питания 5-6В 2А).
Servo middle, left, right, claw ; // создание 4 объектов Servo
Void setup()
{
Serial.begin(9600);
middle.attach(11); // присоединяет серво на контакт 11 на вращение платформы
left.attach(10); // присоединяет серво на контакт 10 на левое плечо
right.attach(9); // присоединяет серво на контакт 11 на правое плечо
claw.attach(6); // присоединяет серво на контакт 6 claw (захват)
}
Void loop()
{
// устанавливает позицию сервопривода по величине(в градусах)
middle.write(90);
left.write(90);
right.write(90);
claw.write(25);
delay(300);
}
Используя маркер, сделайте линию через корпус серводвигателя и шпиндель. Подключите пластмассовую качалку из комплекта к сервоприводу, как показано ниже с помощью небольшого винта из комплекта креплений к сервоприводу. Мы будем использовать их в этом положении при сборке механической части MeArm. Будьте осторожны, чтобы не переместить положение шпинделя.
Теперь можно производить сборку механического манипулятора.
Возьмём основание и прикрепим ножки к её углам. Затем установим четыре 20 мм болта и накрутим на них гайки (половину от общей длины).
Теперь крепим центральный сервопривод двумя 8-мм болтами к маленькой пластине, и получившуюся конструкцию крепим к основанию с помощью 20 мм болтов.
Собираем левую секцию конструкции.
Собираем правую секцию конструкции.
Теперь необходимо соединить левую и правую секции. Сначала леую к переходной пластине
Потом правую, и получаем
Подсоединяем конструкцию к платформе
И собираем "клешню"
Крепим "клешню"
Для сборки можно использовать следующее руководство (на англ. языке) или руководство по сборке подобного манипулятора (на русском).
Схема расположения выводов
Теперь можно приступать к написанию Arduino кода. Для управления манипуляторм, наряду с возможностью управления управления с помощью джойстика, было бы неплохо направлять манипулятор в какую-то определенную точку декартовых координат (x, y, z). Есть соответствующая библиотека, которую можно скачать с github - https://github.com/mimeindustries/MeArm/tree/master/Code/Arduino/BobStonesArduinoCode .
Координаты измеряются в мм от центра вращения. Исходное положение находится в точке (0, 100, 50), то есть 100 мм вперед от основания и 50 мм от земли.
Пример использования библиотеки для установки манипулятора в определенной точке декартовых координат:
#include "meArm.h"
#include
Void setup() {
arm.begin(11, 10, 9, 6);
arm.openGripper();
}
Void loop() {
// вверх и влево
arm.gotoPoint(-80,100,140);
// захватить
arm.closeGripper();
// вниз, вред и вправо
arm.gotoPoint(70,200,10);
// отпустить захват
arm.openGripper();
// вернуться вт начальную точку
arm.gotoPoint(0,100,50);
}
Методы класса meArm:
void
begin
(int
pinBase
,
int
pinShoulder
,
int
pinElbow
,
int
pinGripper
)
- запуск meArm, указываются пины подключения для сервоприводов middle, left, right, claw. Необходимо вызвать в setup();
void
openGripper
()
- открыть захват;
void
closeGripper
()
- захватить;
void
gotoPoint
(float
x
,
float
y
,
float
z
)
- переместить манипулятор в позицию декартовых координат (x, y, z);
float
getX
()
- текущая координата X;
float
getY
()
- текущая координата Y;
float
getZ
()
- текущая координата Z.
Руководство по сборке (англ.)
Эта статья — вводное руководство для новичков по созданию роботизированных рук, которые программируются при помощи Ардуино. Концепция состоит в том, что проект роборуки будет недорогим и простым в сборке. Мы соберём несложный прототип с кодом, который можно и нужно оптимизировать, это станет для вас отличным стартом в робототехнике. Робот-манипулятор на Ардуино управляется хакнутым джойстиком и может быть запрограммирован на повторение последовательности действий, которую вы зададите. Если вы не сильны в программировании, то можете заняться проектом в качестве тренировки по сборке «железа», залить в него мой код и получить на его основе базовые знания. Повторюсь, проект достаточно простой.
На видео — демка с моим роботом.
Шаг 1: Список материалов
Нам понадобится:
- Плата Ардуино. Я использовал Уно, но любая из разновидностей одинаково хорошо справится с задачами проекта.
- Сервоприводы, 4 самых дешевых, что вы найдёте.
- Материалы для корпуса на ваш вкус. Подойдёт дерево, пластик, метал, картон. Мой проект собран из старого блокнота.
- Если вы не захотите заморачиваться с печатной платой, то понадобится макетная плата. Подойдёт плата небольшого размера, поищите варианты с джамперами и блоком питания — они бывают достаточно дешевы.
- Что-то для основания руки — я использовал банку от кофе, это не самый лучший вариант, но это всё, что я смог найти в квартире.
- Тонкая нить для механизма руки и иголка для проделывания отверстий.
- Клей и изолента, чтобы скрепить всё воедино. Нет ничего, что нельзя было бы скрепить изолентой и горячим клеем.
- Три резистора на 10K. Если у вас не найдётся резисторов, то в коде на такие случаи есть обходной манёвр, однако лучшим вариантом будет купить резисторы .
Шаг 2: Как всё работает
На приложенном рисунке изображен принцип работы руки. Также я объясню всё на словах. Две части руки соединены тонкой нитью. Середина нити соединена с сервоприводом руки. Когда сервопривод тянет нить — рука сжимается. Я оснастил руку пружиной из шариковой ручки, но если у вас есть более гибкий материал, можете использовать его.
Шаг 3: Модифицируем джойстик
Предположив, что вы уже закончили сборку механизма руки, я перейду к части с джойстиком.
Для проекта использовался старый джойстик, но в принципе подойдёт любой устройство с кнопками. Аналоговые кнопки (грибы) используются для управления сервоприводами, так как по сути это просто потенциометры. Если у вас нет джойстика, то можете использовать три обычных потенциометра, но если вы, как и я, модифицируете старый джойстик своими руками, то вот что вам нужно сделать.
Я подключил потенциометры к макетной плате, у каждого из них есть по три клеммы. Одну из них нужно соединить с GND, вторую с +5V на Ардуино, а среднюю на вход, который мы определим позже. Мы не будем использовать ось Y на левом потенциометре, поэтому нам нужен только потенциометр над джойстиком.
Что касается переключателей, соедините +5V с одним его концом, а провод, который идёт на другой вход Ардуино со вторым концом. Мой джойстик имеет общую для всех переключателей линию на +5V. Я подключил всего 2 кнопки, но затем подключил еще одну, так как в ней появилась необходимость.
Также важно обрезать провода, которые идут к чипу (черный круг на джойстике). Когда вы завершите всё вышеописанное, можно приступить к проводке.
Шаг 4: Электропроводка нашего устройства
На фотографии изображена электропроводка устройства. Потенциометры — это рычажки на джойстике. Локоть (Elbow) — это правая ось Y, Основа (Base) — это правая ось X, Плечо (Shoulder) — это левая ось X. Если вам захочется поменять направление движения сервоприводов, просто смените положение проводов +5V и GND на соответствующем потенциометре.
Шаг 5: Загрузка кода
На этом этапе нам нужно скачать приложенный код на компьютер, а затем загрузить его на Ардуино.
Заметка: если до этого вы уже загружали код на Ардуино, то просто пропустите этот шаг — вы не узнаете ничего нового.
- Откройте ИДЕ Ардуино и вставьте в него код
- В Tools/Board выберите вашу плату
- В Tools/Serial Port выберите порт, к которому подключена ваша плата. Скорее всего, выбор будет состоят из одного пункта.
- Нажмите кнопку Upload.
Вы можете изменить диапазон работы сервоприводов, в коде я оставил заметки о том, как это осуществить. Скорее всего, код будет работать без проблем, вам нужно будет лишь поменять параметр сервопривода руки. Этот параметр зависит от того, как вы настроили нить, поэтому я рекомендую точно подобрать его.
Если вы не используете резисторы, то вам нужно будет модифицировать код в том месте, где я оставил об этом заметки.
Файлы
Шаг 6: Запуск проекта
Робот контролируется движениями на джойстике, рука сжимается и разжимается при помощи кнопки для руки. На видео показано, как все работает в реальной жизни.
Вот способ, которым можно запрограммировать руку:
- Откройте Serial Monitor в Ардуино ИДЕ, это позволить проще следить за процессом.
- Сохраните начальную позицию, кликнув Save.
- За один раз двигайте лишь одним сервоприводом, например, Плечо вверх, и жмите save.
- Активируйте руку также только на её шаге, а затем сохраняйте нажатием save. Деактивация также производится на отдельном шаге с последующим нажатием save.
- Когда закончите последовательность команд, нажмите кнопку play, робот перейдёт в начальное положение и затем начнёт двигаться.
- Если вы захотите остановить его — отсоедините кабель или нажмите кнопку reset на плате Ардуино.
Если вы всё сделали правильно, то результат будет похож на этот!
Надеюсь, урок был вам полезен!