Manipulátor robotického ramene vyrobený z kartonových plánů. Robotické rameno mechanické rameno

DIY nebo DIY,

Elektronika pro začátečníky

Ahoj Geektimes!

Projekt uArm z uFactory získal prostředky na kickstarteru před více než dvěma lety. Od začátku říkali, že půjde o otevřený projekt, ale hned po skončení firmy s nahráváním zdrojového kódu nespěchali. Jen jsem chtěl nařezat plexi podle jejich nákresů a hotovo, ale jelikož nebyly zdrojové kódy a ani se to v dohledné době nepředpokládalo, začal jsem opakovat návrh z fotografií.

Moje robo paže teď vypadá takto:

Pomalu během dvou let jsem stihl udělat čtyři verze a získal spoustu zkušeností. Popis, historii projektu a všechny soubory projektu najdete pod řezem.

pokus omyl

Když jsem začal pracovat na plánech, chtěl jsem uArm nejen zopakovat, ale i vylepšit. Zdálo se mi, že v mých podmínkách se to bez ložisek celkem dá obejít. Nelíbilo se mi ani to, že se elektronika otáčela s celým ramenem a chtěla zjednodušit konstrukci spodní části pantu. Navíc jsem ho hned začal kreslit o něco méně.

S těmito vstupy jsem nakreslil první verzi. Bohužel jsem neměl žádné fotografie této verze manipulátoru (která byla vyrobena v žlutá). Chyby v něm byly prostě epické. Za prvé bylo téměř nemožné sestavit. Mechanika, kterou jsem nakreslil před manipulátorem, byla zpravidla docela jednoduchá a nemusel jsem přemýšlet o procesu montáže. Ale přesto jsem to sebral a zkusil to spustit, A ruka se téměř nepohnula! Všechny díly se točily kolem šroubů a pokud jsem je dotáhl tak, aby byla menší vůle, nemohla se pohnout. Pokud jsem ho uvolnil, aby se mohl pohybovat, objevila se neuvěřitelná zpětná vazba. Výsledkem bylo, že koncept nevydržel ani tři dny. A začal jsem pracovat na druhé verzi manipulátoru.

Červená už byla do práce docela fit. Normálně se složil a mohl se pohybovat s mazáním. Mohl jsem na něm otestovat software, ale i tak ho nedostatek ložisek a velké ztráty na různých prutech velmi oslabily.

Pak jsem projekt na čas opustil, ale brzy jsem se rozhodl, že si to vzpomenu. Rozhodl jsem se použít výkonnější a oblíbenější serva, zvětšit velikost a přidat ložiska. A rozhodl jsem se, že se nebudu snažit udělat vše dokonalé najednou. Kreslil jsem výkresy pro spěšně, bez kreslení krásných mateřů a objednané řezání z průhledného plexiskla. Na výsledném manipulátoru jsem byl schopen odladit proces montáže, identifikovat místa, která potřebovala dodatečné vyztužení, a naučil jsem se používat ložiska.

Poté, co jsem si dosyta pohrál s průhledným manipulátorem, usedl jsem a nakreslil finální bílou verzi. Nyní jsou tedy všechny mechaniky plně odladěny, vyhovují mi a jsem připraven prohlásit, že na tomto návrhu nechci nic měnit:

Deprimuje mě, že jsem do projektu uArm nemohl přinést nic zásadně nového. V době, kdy jsem začal kreslit finální verzi, už na GrabCadu spustili 3D modely. Nakonec jsem jen trochu zjednodušil dráp, připravil soubory ve vhodném formátu a použil velmi jednoduché a standardní komponenty.

Vlastnosti manipulátoru

Před příchodem uArm vypadaly stolní manipulátory této třídy poněkud nudně. Buď neměly vůbec žádnou elektroniku, nebo měly nějaký druh ovládání s odpory, nebo měly svůj vlastní proprietární software. Za druhé, většinou neměly systém paralelních pantů a samotný grip měnil svou polohu během provozu. Pokud shromáždíme všechny výhody mého manipulátoru, dostaneme poměrně dlouhý seznam:

Systém tyčí, který umožňuje umístit výkonné a těžké motory do základny manipulátoru a také držet chapadlo paralelně nebo kolmo k základně
Jednoduchá sada komponentů, které lze snadno koupit nebo vyřezat z plexiskla
Ložiska téměř ve všech uzlech manipulátoru
Snadná montáž. To se ukázalo jako opravdu obtížný úkol. Obzvláště obtížné bylo promyslet proces montáže základny
Pozici úchopu lze změnit o 90 stupňů
Open source a dokumentace. Vše je připraveno v přístupných formátech. Dám odkazy ke stažení 3D modelů, řezacích souborů, seznamu materiálů, elektroniky a softwaru
Kompatibilní s Arduino. Odpůrců Arduina je mnoho, ale věřím, že je to příležitost k rozšíření publika. Profesionálové mohou snadno napsat svůj software v C - je to běžný ovladač od Atmel!

Mechanika

Pro montáž je nutné vyřezat díly z 5mm plexiskla:

Za řezání všech těchto částí mi účtovali asi 10 dolarů.

Základna je namontována na velkém ložisku:

Obzvláště náročné bylo vymýšlet základnu z pohledu procesu montáže, ale pokukoval jsem po inženýrech z uArm. Houpací křesla sedí na čepu o průměru 6mm. Nutno podotknout, že tah mého lokte se opírá o držák ve tvaru U, u uFactory pak o L. Je těžké vysvětlit, v čem je rozdíl, ale myslím, že jsem to udělal lépe.

Zachycení se shromažďuje odděleně. Může se otáčet kolem vlastní osy. Samotný dráp sedí přímo na hřídeli motoru:

Na konci článku dám odkaz na super podrobný montážní návod na fotkách. Za pár hodin to všechno s jistotou zkroutíte, pokud máte vše, co potřebujete, po ruce. Připravil jsem také 3D model v bezplatném programu SketchUp. Můžete si ho stáhnout, otočit a podívat se, co a jak se skládá.

Elektronika

Aby rameno fungovalo, stačí k Arduinu připojit pět serv a napájet je z dobrého zdroje. uArm má nějaký druh zpětnovazebních motorů. Dodal jsem tři běžné motory MG995 a dva malé kovové převodové motory pro ovládání gripu.

Zde se můj příběh úzce prolíná s předchozími projekty. Již nějakou dobu jsem pro tento účel nastartoval a dokonce připravil svou desku kompatibilní s Arduino. Na druhou stranu se mi jednou naskytla možnost vyrobit desky levně (o čemž také mluvím). Nakonec vše skončilo tím, že jsem k ovládání manipulátoru použil vlastní desku kompatibilní s Arduino a specializovaný štít.

Tento štít je ve skutečnosti velmi jednoduchý. Má čtyři proměnné rezistory, dvě tlačítka, pět servo konektorů a napájecí konektor. To je velmi výhodné z hlediska ladění. Můžete nahrát testovací skicu a napsat nějaké makro pro ovládání nebo něco podobného. Na konci článku uvedu i odkaz na stažení souboru desky, ale ten je připraven pro výrobu s dírkovým pokovením, takže pro domácí výrobu se moc nehodí.

Programování

Nejzajímavější je ovládání manipulátoru z počítače. uArm má šikovnou aplikaci pro ovládání manipulátoru a protokol pro práci s ním. Počítač odešle 11 bajtů do COM portu. První je vždy 0xFF, druhý je 0xAA a některé ostatní jsou servo signály. Dále jsou tato data normalizována a poskytnuta motorům pro testování. Mám serva připojená k digitálnímu I/O 9-12, ale to lze snadno změnit.

Terminálový program od uArm umožňuje měnit pět parametrů při ovládání myši. Při pohybu myší po ploše se mění poloha manipulátoru v rovině XY. Otočte kolečkem - změňte výšku. LMB / RMB - zmáčknout / uvolnit dráp. RMB + kolečko - rotace rukojeti. Vlastně velmi pohodlné. Pokud chcete, můžete napsat libovolný terminálový software, který bude komunikovat s manipulátorem pomocí stejného protokolu.

Nebudu zde dávat skici - stáhnout si je můžete na konci článku.

Video z práce

A na závěr video z provozu samotného manipulátoru. Ukazuje ovládání myši, odporů a podle předem nahraného programu.

Odkazy

Soubory pro řezání plexiskla, 3D modely, nákupní seznam, výkresy desek a software si můžete stáhnout na konci mého

Ahoj všichni!
Před pár lety se na kickstarteru objevil velmi zajímavý projekt od uFactory - stolní robo-arm uArm. Slíbili, že projekt nakonec udělají open source, ale nemohl jsem se dočkat a pustil jsem se do reverzního inženýrství z fotografií.
V průběhu let jsem vytvořil čtyři verze mé vize tohoto manipulátoru a nakonec vyvinul tento design:
Jedná se o robotické rameno s integrovaným ovladačem, poháněné pěti servy. Jeho hlavní výhodou je, že všechny detaily lze buď koupit, nebo levně a rychle vyřezat z plexiskla laserem.
Vzhledem k tomu, že jsem si jako zdroj inspirace vzal projekt open sorce, sdílím všechny své výsledky v plném rozsahu. Všechny zdroje si můžete stáhnout z odkazů na konci článku a pokud chcete, zkompilovat stejný (všechny odkazy na konci článku).

Ale je jednodušší to jednou ukázat v práci, než dlouze vyprávět, co to je:

Pojďme tedy k popisu.
Specifikace

Výška: 300 mm.
Pracovní plocha (s plně vysunutým ramenem): 140 mm až 300 mm kolem základny
Maximální nosnost na nataženou paži, ne méně než: 200 g
Spotřebovaný proud, ne více než: 6A

Rád bych také upozornil na některé konstrukční prvky:

Ložiska ve všech pohyblivých částech manipulátoru. Je jich celkem jedenáct: 10 kusů pro 3mm hřídel a jeden pro 30mm hřídel.
Snadná montáž. Velkou pozornost jsem věnoval tomu, aby byla taková posloupnost montáže manipulátoru, ve které bylo mimořádně pohodlné šroubovat všechny detaily. Bylo to obzvláště obtížné udělat pro výkonné servo uzly na základně.
Všechna výkonná serva jsou umístěna na základně. To znamená, že "spodní" serva netahají "horní".
Paralelní závěsy udržují nástroj vždy paralelně nebo kolmo k zemi.
Polohu manipulátoru lze měnit o 90 stupňů.
Hotový software kompatibilní s Arduino. Správně sebraná ruka lze ovládat myší a pomocí příkladů kódu si můžete vytvořit vlastní pohybové algoritmy

Popis designu
Všechny díly manipulátoru jsou vyřezány z plexiskla tloušťky 3 a 5 mm:

Věnujte pozornost tomu, jak je otočná základna sestavena:
Nejobtížnější je uzel ve spodní části manipulátoru. V prvních verzích mi to sestavení dalo hodně úsilí. Jsou v něm zapojena tři serva a síly se přenášejí do gripu. Díly se otáčejí kolem čepu o průměru 6mm. Úchop je držen paralelně (nebo kolmo) pracovní plocha díky dodatečné trakci:

Manipulátor s nainstalovaným ramenem a loktem je zobrazen na fotografii níže. K tomu ještě musí být přidán dráp a tah:

Dráp je také uložen na ložiskách. Může se zmenšit a otáčet kolem své osy:
Držák lze instalovat jak svisle, tak vodorovně:

Ovládá se všemi deskami kompatibilními s Arduino a jejich štítem:

Shromáždění
Sestavení manipulátoru zabere asi dvě hodiny a spoustu spojovacího materiálu. Samotný proces montáže jsem provedl ve formě návodu na fotografiích (pozor, provoz!) s podrobným komentářem ke každé operaci. Vyrobil jsem i detailní 3D model v jednoduchém a bezplatném programu SketchUp. Takže ho můžete vždy otočit před očima a vidět nepochopitelná místa:

Elektronika a programování
Vyrobil jsem celý štít, na který jsem kromě servo a napájecích konektorů nainstaloval i variabilní odpory. Pro snadné ladění. Ve skutečnosti stačí přivést signály k motorům pomocí prkénka. Ale skončil jsem s takovým štítem, který jsem (tak se stalo) objednal v továrně:

Obecně jsem pro Arduino vytvořil tři různé programy. Jeden pro ovládání PC, jeden pro demo provoz a jeden pro ovládání tlačítkem a proměnným odporem. Nejzajímavější z nich je samozřejmě ten první. Nebudu zde zveřejňovat celý kód - je k dispozici online.
Chcete-li spravovat, musíte si stáhnout program do počítače. Po jejím spuštění se myš přepne do režimu ručního ovládání. Pohyb je zodpovědný za pohyb po XY, kolo mění výšku, LMB / RMB - zachycení, RMB + kolo - rotace manipulátoru. A je to opravdu pohodlné. Bylo to ve videu na začátku článku.
Zdroje projektu

Tento projekt je víceúrovňový modulární úkol. První fází projektu je montáž modulu robotického ramene, dodávaného jako stavebnice dílů. Druhou fází úkolu bude sestavení rozhraní IBM PC také ze sady dílů. Konečně třetí fází úkolu je vytvoření modulu hlasového ovládání.

Robotické rameno lze ovládat ručně pomocí ručního ovladače, který je součástí sady. Robotické rameno lze také ovládat buď prostřednictvím sestaveného rozhraní IBM PC nebo pomocí modulu hlasového ovládání. Sada rozhraní IBM PC vám umožňuje ovládat a programovat akce robota prostřednictvím pracovního počítače IBM PC. Zařízení hlasového ovládání vám umožní ovládat rameno robota pomocí hlasových příkazů.

Všechny tyto moduly dohromady tvoří funkční zařízení, které vám umožní provádět experimenty a programovat automatizované sekvence akcí nebo dokonce „animovat“ kompletně „drátované“ rameno manipulátoru.

PC rozhraní vám umožní naprogramovat rameno manipulátoru pro řetězec automatizovaných akcí pomocí osobního počítače nebo jej „oživit“. Existuje také možnost, kdy můžete ruku ovládat interaktivně pomocí ručního ovladače nebo programu pro Windows 95/98. „Animace“ ruky je „zábavnou“ částí řetězce naprogramovaných automatizovaných akcí. Pokud například na rameno manipulátoru nasadíte loutku v rukavici a naprogramujete zařízení tak, aby předvádělo malou show, naprogramujete elektronickou loutku tak, aby „animovala“. Programování automatizovaných akcí nachází široké uplatnění v průmyslu a zábavním průmyslu.

Nejpoužívanějším robotem v průmyslu je robotická paže. Robotické rameno je extrémně flexibilní nástroj, už jen proto, že koncový segment manipulátoru ramene může být vhodným nástrojem požadovaným pro konkrétní úkol nebo výrobu. Například lze použít kloubové svařovací rameno bodové svařování stříkací trysku lze použít k natírání různých dílů a sestav a uchopovač lze použít k upínání a držení předmětů, abychom jmenovali alespoň některé.

Jak tedy vidíme, robotické rameno plní mnoho užitečných funkcí a může sloužit jako ideální nástroj pro studium různých procesů. Postavit robotickou ruku od nuly je však výzva. Je mnohem jednodušší sestavit ruku z detailů hotové sady. OWI prodává poměrně dobré sady ramen manipulátoru, které jsou k dispozici u mnoha distributorů elektroniky (viz seznam dílů na konci této kapitoly). Pomocí rozhraní můžete sestavené rameno manipulátoru připojit k portu tiskárny pracovního počítače. Jako pracovní počítač můžete použít počítač řady IBM PC nebo kompatibilní stroj, který podporuje DOS nebo Windows 95/98.

Po připojení k tiskovému portu počítače lze robotické rameno ovládat interaktivně nebo programově z počítače. Ovládání rukou v interaktivním režimu je velmi jednoduché. Chcete-li to provést, stačí kliknout na jednu z funkčních kláves a odeslat robotovi příkaz k provedení určitého pohybu. Druhým stisknutím klávesy příkaz ukončíte.

Programování řetězce automatických akcí také není obtížné. Nejprve klikněte na tlačítko Program pro vstup do režimu programu. V tomto modu funguje ruka přesně tak, jak je popsáno výše, ale navíc je každá funkce a čas jejího působení pevně stanoven v souboru skriptu. Soubor skriptu může obsahovat až 99 různých funkcí, včetně pauz. Samotný soubor skriptu lze přehrát 99krát. Nahrávání různých skriptových souborů vám umožní experimentovat s počítačem řízenou sekvencí automatizovaných akcí a „oživit“ ruku. Práce s programem pod Windows 95/98 je podrobněji popsána níže. Program Windows je součástí sady rozhraní robotického ramene nebo si jej lze zdarma stáhnout z internetu http://www.imagesco.com.

Kromě programu pro Windows lze ruku ovládat pomocí BASIC nebo QBASIC. Program na úrovni DOS je obsažen na disketách, které jsou součástí sady rozhraní. DOSový program však umožňuje pouze interaktivní ovládání pomocí klávesnice (viz výpis programu BASIC na jedné z disket). Program na úrovni DOS vám neumožňuje vytvářet soubory skriptů. Pokud však máte zkušenosti s programováním BASIC, pak lze sekvenci pohybů ramene manipulátoru naprogramovat stejným způsobem jako soubor skriptu používaný v programu Windows. Sled pohybů lze opakovat, jak se to dělá u mnoha „animovaných“ robotů.

Robotické rameno

Rameno manipulátoru (viz obr. 15.1) má tři stupně volnosti pohybu. Loketní kloub se může pohybovat vertikálně nahoru a dolů v oblouku přibližně 135°. Ramenní "kloub" pohybuje úchopem dopředu a dozadu v oblouku přibližně 120°. Rameno lze otáčet na základně ve směru nebo proti směru hodinových ručiček o úhel přibližně 350°. Uchopovač ramene robota může zvedat a držet předměty o průměru až 5 cm a otáčet se kolem zápěstí o 340°.

Rýže. 15.1. Kinematické schéma pohybů a otáček ramene robota

OWI Robotic Arm Trainer používal k pohonu paže pět miniaturních motorů. stejnosměrný proud. Motory zajišťují ruční ovládání pomocí drátů. Toto "drátové" ovládání znamená, že každá funkce pohybu robota (tj. činnost odpovídajícího motoru) je řízena samostatnými vodiči (přivedením napětí). Každý z pěti stejnosměrných motorů ovládá svůj vlastní pohyb ramene. Drátové ovládání umožňuje vytvořit jednotku ručního ovladače, která přímo reaguje na elektrické signály. To zjednodušuje uspořádání rozhraní robotického ramene, které se připojuje k portu tiskárny.

Rameno je vyrobeno z lehkého plastu. Většina dílů, které nesou hlavní zátěž, je rovněž vyrobena z plastu. Stejnosměrné motory použité v konstrukci ramene jsou miniaturní, vysokorychlostní motory s nízkým točivým momentem. Pro zvýšení točivého momentu je každý motor spojen s převodovkou. Motory spolu s převodovkami jsou instalovány uvnitř konstrukce ramene manipulátoru. Přestože převodovka zvyšuje točivý moment, rameno robota nemůže zvedat ani přenášet dostatečně těžké předměty. Doporučená maximální povolená zvedací hmotnost je 130 g.

Sada robotického ramene a její součásti jsou znázorněny na obrázcích 15.2 a 15.3.

Rýže. 15.2. Sada robotického ramene

Rýže. 15.3. Převodovka před montáží

Princip řízení motoru

Abychom pochopili, jak funguje ovládání po drátě, podívejme se, jak digitální signál řídí činnost jednoho stejnosměrného motoru. K řízení motoru jsou zapotřebí dva komplementární tranzistory. Jeden tranzistor má vodivost typu PNP, druhý má vodivost typu NPN, resp. Každý tranzistor funguje jako elektronický spínač, který řídí tok proudu stejnosměrným motorem. Směry toku proudu řízené každým z tranzistorů jsou opačné. Směr proudu určuje směr otáčení motoru ve směru nebo proti směru hodinových ručiček. Na Obr. Obrázek 15.4 ukazuje testovací obvod, který můžete sestavit před vytvořením rozhraní. Všimněte si, že když jsou oba tranzistory vypnuté, motor je vypnutý. V jednu chvíli by měl být zapnutý pouze jeden tranzistor. Pokud se v určitém okamžiku oba tranzistory náhodně zapnou, povede to k zkrat. Každý motor je poháněn dvěma tranzistory rozhraní, které pracují podobným způsobem.

Rýže. 15.4. Kontrolní diagram

Návrh rozhraní pro PC

Schéma PC rozhraní je znázorněno na Obr. 15.5. Sada dílů PC rozhraní obsahuje desku s plošnými spoji, na které je umístění dílů znázorněno na Obr. 15.6.

Rýže. 15.5. Kruhový diagram PC rozhraní

Rýže. 15.6. Rozložení částí rozhraní PC

Nejprve je třeba určit stranu desky plošných spojů. Na montážní straně jsou nakresleny bílé čáry představující rezistory, tranzistory, diody, integrované obvody a konektor DB25. Všechny díly se do desky vkládají z montážní strany.

Obecná poznámka: Po připájení součásti k vodičům DPS odstraňte z tiskové strany příliš dlouhé vodiče. Při montáži dílů je velmi vhodné dodržet určitou sekvenci. Nejprve namontujte odpory 100 kΩ (barevné kroužky: hnědá, černá, žlutá, zlatá nebo stříbrná), které jsou označeny R1-R10. Poté namontujte 5 diod D1-D5 a ujistěte se, že černý proužek na diodách je proti konektoru DB25, jak je znázorněno bílými čarami vyznačenými na montážní straně desky plošných spojů. Poté namontujte rezistory 15 kΩ (barevně označené hnědá, zelená, oranžová, zlatá nebo stříbrná) označené R11 a R13. Na pozici R12 připájejte k desce červenou LED. Anoda LED odpovídá otvoru pro R12, označenému znaménkem +. Poté namontujte 14- a 20kolíkové zásuvky pod integrované obvody U1 a U2. Namontujte a připájejte úhlový konektor DB25. Nesnažte se zatlačit piny konektoru do desky příliš velkou silou, zde je vyžadována pouze přesnost. V případě potřeby konektorem jemně zakývejte a dávejte pozor, abyste neohnuli nožičky kolíků. Připevněte posuvný vypínač a regulátor napětí typu 7805. Odřízněte čtyři kusy drátu na požadovanou délku a připájejte k horní části vypínače. Dodržujte uspořádání kabeláže, jak je znázorněno na obrázku. Vložte a připájejte tranzistory TIP 120 a TIP 125. Nakonec připájejte 8pinovou patici a 75mm propojovací kabel. Základna je namontována tak, aby nejdelší svorky směřovaly nahoru. Vložte dva integrované obvody - 74LS373 a 74LS164 - do příslušných patic. Ujistěte se, že poloha klíče integrovaného obvodu na jeho krytu odpovídá klíči označenému bílými čarami na desce plošných spojů. Možná jste si všimli, že na desce zbývají místa pro další díly. Toto umístění je pro síťový adaptér. Na Obr. 15.7 ukazuje fotografii hotového rozhraní ze strany montáže.

Rýže. 15.7. PC rozhraní sestaveno. Pohled shora

Jak rozhraní funguje

Rameno manipulátoru má pět stejnosměrných motorů. V souladu s tím potřebujeme 10 vstupních/výstupních sběrnic pro ovládání každého motoru, včetně směru otáčení. Paralelní (tiskový) port IBM PC a kompatibilních strojů obsahuje pouze osm I/O sběrnic. Pro zvýšení počtu řídicích sběrnic v rozhraní robotického ramene se používá IC 74LS164, což je sériově-paralelní (SIPO) převodník. Použitím pouze dvou paralelních portů D0 a D1, které odesílají sériový kód do IC, můžeme získat osm dalších I/O sběrnic. Jak bylo zmíněno, lze vytvořit osm I/O sběrnic, ale toto rozhraní jich využívá pět.

Když je do IC 74LS164 vložen sériový kód, na výstupu IC se objeví odpovídající paralelní kód. Pokud by byly výstupy 74LS164 přímo propojeny se vstupy řídicích tranzistorů, pak by se jednotlivé funkce ramene manipulátoru zapínaly a vypínaly v čase s odesláním sériového kódu. Je zřejmé, že tato situace je nepřijatelná. Aby se tomu zabránilo, je do obvodu rozhraní zaveden druhý IC 74LS373 - řízený osmikanálový elektronický klíč.

Osmikanálový přepínač 74LS373 má osm vstupních a osm výstupních sběrnic. Binární informace přítomné na vstupních sběrnicích jsou přenášeny na odpovídající výstupy integrovaného obvodu pouze v případě, že je na integrovaný obvod přiveden povolovací signál. Po vypnutí signálu povolení je aktuální stav výstupních sběrnic uložen (zapamatován). V tomto stavu nemají signály na vstupu IC žádný vliv na stav výstupních sběrnic.

Poté, co byl sériový paket informací odeslán do 74LS164, kolík D2 paralelního portu odešle signál povolení do 74LS373. To umožňuje přenášet informace již v paralelním kódu ze vstupu IC 74LS174 na jeho výstupní sběrnice. Stav výstupních sběrnic je řízen tranzistory TIP 120, které zase řídí funkce ramene manipulátoru. Proces se opakuje s každým novým příkazem zadaným ramenu manipulátoru. Sběrnice paralelního portu D3-D7 přímo řídí tranzistory TIP 125.

Připojení rozhraní k ramenu manipulátoru

Robotické rameno je napájeno 6V napájecím zdrojem sestávajícím ze čtyř D-prvků umístěných na základně konstrukce. Z tohoto zdroje 6V je napájeno i rozhraní PC. Napájení je bipolární a poskytuje napětí ±3 V. Napájení rozhraní je napájeno přes osmipinový konektor Molex připevněný k základně manipulátoru.

Připojte rozhraní k ramenu manipulátoru pomocí 75mm osmižilového kabelu Molex. Kabel Molex se připojuje ke konektoru umístěnému na základně manipulátoru (viz obrázek 15.8). Zkontrolujte, zda je konektor správně a bezpečně zasunut. Pro připojení desky rozhraní k počítači slouží 180 cm dlouhý kabel DB25, který je součástí sady. Jeden konec kabelu se připojuje k portu tiskárny. Druhý konec se připojuje ke konektoru DB25 na desce rozhraní.

Rýže. 15.8. Připojení PC rozhraní k ramenu robota

Ve většině případů je tiskárna normálně připojena k portu tiskárny. Abyste se vyhnuli potížím s připojováním a odpojováním konektorů pokaždé, když chcete pádlo použít, je dobré zakoupit spínací skříňku A/B Printer Bus On/Off (DB25). Připojte konektor rozhraní manipulátoru ke vstupu A a tiskárnu ke vstupu B. Nyní můžete pomocí přepínače připojit počítač buď k tiskárně, nebo k rozhraní.

Instalace programu pod Windows 95

Vložte 3,5" disketu označenou "Disc 1" do disketové jednotky a spusťte instalační program (setup.exe). Instalační program vytvoří na vašem pevném disku adresář s názvem "Images" a zkopíruje potřebné soubory do tohoto adresáře. Start V nabídce se objeví ikona Obrázky Program spustíte kliknutím na ikonu Obrázky v nabídce Start.

Práce s programem pod Windows 95

Připojte rozhraní k tiskovému portu počítače pomocí 180 cm dlouhého kabelu DB 25. Připojte rozhraní k základně ramene manipulátoru. Do určité doby udržujte rozhraní ve vypnutém stavu. Pokud je rozhraní v tuto chvíli zapnuto, informace uložené v portu tiskárny mohou způsobit pohyby ramene manipulátoru.

Dvojitým kliknutím na ikonu Obrázky v nabídce Start spusťte program. Okno programu je znázorněno na Obr. 15.9. Když je program spuštěn, červená LED na desce rozhraní by měla blikat. Poznámka: rozhraní nemusí být zapnuto, aby LED začala blikat. Rychlost blikání LED je určena rychlostí procesoru vašeho počítače. Blikání LED může být velmi slabé; Abyste si toho všimli, možná budete muset ztlumit světlo v místnosti a složit dlaně k sobě, abyste mohli pozorovat LED. Pokud LED nebliká, program pravděpodobně přistupuje k nesprávné adrese portu (port LPT). Chcete-li přepnout rozhraní na jinou adresu portu (port LPT), přejděte do pole Možnosti portu tiskárny v pravém horním rohu obrazovky. Vyberte jinou možnost. Správná instalace adresa portu způsobí, že LED začne blikat.

Rýže. 15.9. Snímek obrazovky programu PC rozhraní pod Windows

Když LED bliká, klikněte na ikonu Puuse a teprve poté zapněte rozhraní. Kliknutí na odpovídající funkční tlačítko způsobí pohyb ramene manipulátoru. Dalším kliknutím pohyb zastavíte. Použití funkčních kláves k ovládání ruky je voláno interaktivní ovládání módy.

Vytvoření souboru skriptu

Soubory skriptů se používají k programování pohybů a automatizovaných sekvencí akcí ramene manipulátoru. Soubor skriptu obsahuje seznam dočasných příkazů, které řídí pohyby ramene manipulátoru. Vytvoření souboru skriptu je velmi snadné. Chcete-li vytvořit soubor, klikněte na programové tlačítko programu. Tato operace vám umožní vstoupit do módy "programování" souboru skriptu. Stisknutím funkčních kláves budeme ovládat pohyby ruky, jak jsme to již dělali, ale informace o příkazech se budou zaznamenávat do žluté tabulky skriptů umístěné v levém dolním rohu obrazovky. Číslo kroku, počínaje jedničkou, bude uvedeno v levém sloupci a pro každý nový příkaz se zvýší o jednu. Typ pohybu (funkce) je uveden v prostředním sloupci. Po opětovném kliknutí na funkční klávesu se provádění pohybu zastaví a ve třetím sloupci se objeví hodnota doby provedení pohybu od jeho začátku do konce. Doba provedení pohybu je indikována s přesností na čtvrt sekundy. Stejným způsobem může uživatel naprogramovat až 99 pohybů do souboru skriptu včetně časových pauz. Poté lze soubor skriptu uložit a později načíst z libovolného adresáře. Provádění příkazů skriptového souboru lze opakovat až 99krát, k čemuž je třeba zadat počet opakování v okně Opakovat a kliknout na tlačítko Start. Chcete-li dokončit zápis do souboru skriptu, stiskněte interaktivní klávesu. Tento příkaz vrátí počítač zpět do interaktivního režimu.

"Oživení" objektů

Soubory skriptů lze použít pro počítačovou automatizaci akcí nebo pro "animaci" objektů. V případě „animace“ objektů je řízená robotická mechanická „kostra“ obvykle pokryta vnějším pláštěm a sama o sobě není vidět. Pamatujete si loutku v rukavici popsanou na začátku kapitoly? Vnější obal může mít podobu osoby (částečně nebo úplně), mimozemšťana, zvířete, rostliny, kamene a čehokoli jiného.

Limity aplikací

Pokud chcete dosáhnout profesionální úrovně provádění automatizovaných akcí nebo „animace“ objektů, pak by se takříkajíc pro udržení značky měla přesnost polohování při provádění pohybů v libovolném okamžiku blížit 100 %.

Můžete si však všimnout, že jak se sekvence akcí zaznamenaných v souboru skriptu opakuje, poloha ramena manipulátoru (pohybový vzor) se bude lišit od původního. To se děje z několika důvodů. Když se baterie zdroje ramene vybíjejí, snížení výkonu dodávaného do stejnosměrných motorů má za následek snížení točivého momentu a rychlosti motorů. U vybitých a „čerstvých“ baterií se tedy bude lišit délka pohybu manipulátoru a výška zvednutého břemene za stejnou dobu. Důvod ale není jen tento. I při stabilizovaném napájecím zdroji budou otáčky hřídele motoru kolísat, protože neexistuje regulátor otáček motoru. Pro každou pevnou dobu bude počet otáček pokaždé mírně odlišný. To povede k tomu, že se pokaždé bude lišit i poloha ramene manipulátoru. Navrch ještě jistá vůle v ozubených kolech převodovky, se kterou se také nepočítá. Pod vlivem všech těchto faktorů, které jsme zde podrobně prozkoumali, se při provádění cyklu opakovaných příkazů skriptového souboru bude poloha ramene manipulátoru pokaždé mírně lišit.

Vyhledávání výchozí pozice

Činnost zařízení můžete zlepšit přidáním zpětnovazebního obvodu, který sleduje polohu ramene manipulátoru. Tyto informace lze zadat do počítače pro určení absolutní polohy manipulátoru. S takovýmto polohovým zpětnovazebním systémem je možné nastavit polohu ramene manipulátoru do stejného bodu na začátku provádění každé sekvence příkazů zaznamenaných v souboru skriptu.

K tomu existuje mnoho možností. V jedné z hlavních metod není zajištěno polohové řízení v každém bodě. Místo toho se používá sada koncových spínačů, které odpovídají původní poloze "start". Koncové spínače určují přesně pouze jednu polohu - kdy manipulátor dosáhne polohy "start". K tomu je nutné nastavit pořadí koncových spínačů (tlačítek) tak, aby se sepnuly, když manipulátor dosáhne krajní poloha v jednom nebo druhém směru. Například jeden koncový spínač může být instalován na základnu manipulátoru. Spínač by měl fungovat pouze tehdy, když rameno dosáhne své koncové polohy při otáčení ve směru hodinových ručiček. Další koncové spínače musí být instalovány na ramenním a loketním kloubu. Měly by být aktivovány, když je odpovídající kloub plně natažen. Další spínač je nainstalován na kartáči a aktivuje se, když kartáč otočíte až na doraz ve směru hodinových ručiček. Poslední koncový spínač je instalován na rukojeti a zavře se, když je plně otevřen. Pro resetování manipulátoru se provede každý možný pohyb manipulátoru ve směru potřebném k sepnutí odpovídajícího koncového spínače, dokud se tento spínač nesepne. Po dosažení výchozí polohy pro každý pohyb počítač přesně „zná“ skutečnou polohu ramene manipulátoru.

Po dosažení počáteční polohy můžeme restartovat program zapsaný v souboru skriptu, a to na základě předpokladu, že chyba polohování při provádění každého cyklu se bude hromadit dostatečně pomalu, aby nevedla k příliš velkým odchylkám polohy manipulátoru. od požadovaného. Po provedení souboru skriptu je ruka nastavena do původní polohy a cyklus souboru skriptu se opakuje.

V některých sekvencích nestačí znát pouze výchozí pozici, například při zvedání vejce bez rizika rozdrcení jeho skořápky. V takových případech je zapotřebí složitější a přesnější systém polohové zpětné vazby. Signály ze senzorů lze zpracovat pomocí ADC. Přijaté signály lze použít k určení hodnot parametrů, jako je poloha, tlak, rychlost a točivý moment. Pro ilustraci může posloužit následující jednoduchý příklad. Představte si, že jste k záchytnému uzlu připojili malý lineární proměnný odpor. Proměnný rezistor je nastaven tak, že pohyb jeho jezdce tam a zpět je spojen s otevíráním a zavíráním rukojeti. V závislosti na míře otevření rukojeti se tedy mění odpor proměnného rezistoru. Po kalibraci můžete měřením proudového odporu proměnného odporu přesně nastavit úhel otevření svorek chapadla.

Vytvoření takového systému zpětné vazby vnáší do zařízení další úroveň složitosti a vede tedy k jeho zdražování. Proto více jednoduchá možnost je zavedení systému ručního ovládání pro úpravu polohy a pohybů ramene manipulátoru při provádění skriptového programu.

Manuální systém ovládání rozhraní

Jakmile ověříte, že rozhraní funguje správně, můžete k němu pomocí 8pinového plochého konektoru připojit ruční ovládací jednotku. Zkontrolujte polohu připojení 8pinového konektoru Molex ke konektorové hlavě na desce rozhraní, jak je znázorněno na obr. 15.10. Opatrně zasuňte konektor, dokud nebude bezpečně připojen. Poté lze rameno manipulátoru kdykoli ovládat z ručního ovladače. Nezáleží na tom, zda je rozhraní připojeno k počítači nebo ne.

Rýže. 15.10. Připojení ručního ovládání

Program pro ovládání klávesnice DOS

Existuje program pro DOS, který umožňuje ovládat činnost ramene manipulátoru z klávesnice počítače v interaktivním režimu. Seznam kláves odpovídajících provedení konkrétní funkce je uveden v tabulce.

Při hlasovém ovládání ramene manipulátoru se používá souprava pro rozpoznávání řeči (SCR), která byla popsána v kap. 7. V této kapitole vytvoříme rozhraní, které spojuje URR s ramenem manipulátoru. Toto rozhraní je také k dispozici jako sada od Images SI, Inc.

Schéma rozhraní pro RRR je znázorněno na Obr. 15.11. Rozhraní používá mikrokontrolér 16F84. Program pro mikrokontrolér vypadá takto:

„Program rozhraní URR

Symbol Port A = 5

Symbol TRISA = 133

Symbol Port B = 6

Symbol TRISB = 134

Je-li bit4 = 0, pak spusťte „Pokud je povolen zápis do spouštěče, čtěte schéma

Přejděte na „Opakovat“.

pauza 500 ‚Počkejte 0,5 s

Prohlédněte si PortB, B0 ‚Přečtěte BCD kód

Pokud bit5 = 1, odešlete ‚Výstupní kód

goto start ‘Opakovat

nahlédnout PortA, b0 'Přečíst port A

pokud bit4 = 1, pak jedenáct „Je číslo 11?

poke PortB, b0 ‘Výstupní kód

goto start ‘Opakovat

pokud bit0 = 0, pak deset

goto start ‘Opakovat

Rýže. 15.11. Schéma regulátoru URR pro rameno robota

Aktualizaci softwaru pod 16F84 lze zdarma stáhnout z http://www.imagesco.com

Programování rozhraní URR

Programování rozhraní RRS je obdobné jako programování RRS ze sady popsané v kap. 7. Pro správné fungování paže, musíte naprogramovat příkazová slova podle čísel odpovídajících konkrétnímu pohybu manipulátoru. V tabulce. 15.1 ukazuje příklady příkazových slov, která řídí činnost ramene manipulátoru. Můžete si vybrat příkazová slova podle svých představ.

Tabulka 15.1

Seznam dílů pro rozhraní PC

(5) Tranzistor NPN TIP120

(5) Tranzistor PNP TIP 125

(1) Převodník kódu IC 74164

(1) IC 74LS373 osm klíčů

(1) LED červená

(5) Dioda 1N914

(1) 8kolíková zásuvka konektoru Molex

(1) Kabel Molex 8žilový, 75mm dlouhý

(1) DIP přepínač

(1) Úhlový konektor DB25

(1) 1,8 m kabel DB 25 se dvěma konektory typu M.

(1) Tištěný spoj

(3) Rezistor 15kΩ, 0,25W

Všechny uvedené položky jsou součástí sady.

Seznam dílů pro rozhraní rozpoznávání řeči

(5) Tranzistor NPN TIP 120

(5) Tranzistor PNP TIP 125

(1) Brána IC 4011 NOR

(1) IC 4049 - 6 pufrů

(1) Operační zesilovač IC 741

(1) Rezistor 5,6 kΩ, 0,25 W

(1) Rezistor 15 kΩ, 0,25 W

(1) hlavová část 8pinový konektor Molex

(1) Kabel Molex 8 žil, délka 75mm

(10) Rezistor 100 kΩ, 0,25 W

(1) Rezistor 4,7 kΩ, 0,25 W

(1) IC regulátoru napětí 7805

(1) Mikrokontrolér IC PIC 16F84

(1) 4,0 MHz křemenný krystal

Sada rozhraní pro robotické rameno

Sada ramen manipulátoru OWI

Rozhraní pro rozpoznávání řeči pro rameno manipulátoru

Sada zařízení pro rozpoznávání řeči

Díly lze objednat u:

Images, S.I., Inc.

Vyvinuli jsme robotické rameno, které si každý může sestavit sám. V tomto článku si povíme, jak sestavit mechanické části našeho manipulátoru.

Poznámka! Toto je starý článek! Můžete si ji přečíst, pokud vás zajímá historie projektu. Současná verze.

Manipulátor stránek

Zde je video z její práce:

Popis designu

Jako základ jsme vzali manipulátor prezentovaný na webu Kickstarter, který se jmenoval uArm. Autoři tohoto projektu slíbili, že po dokončení firmy rozloží všechny zdrojové kódy, ale nestalo se tak. Jejich projekt je vynikající kombinací dobře vyrobeného hardwaru a softwaru. Inspirováni jejich zkušenostmi jsme se rozhodli vyrobit podobný manipulátor vlastními silami.
Většina stávajících manipulátorů předpokládá umístění motorů přímo ve spojích. To je konstrukčně jednodušší, ale ukazuje se, že motory musí zvedat nejen užitečné zatížení, ale i další motory. Projekt Kickstarter tuto nevýhodu nemá, protože síly jsou přenášeny přes tyče a všechny motory jsou umístěny na základně.
Druhou výhodou konstrukce je, že plošina pro umístění nástroje (rukojeť, přísavka apod.) je vždy rovnoběžná s pracovní plochou.

Díky tomu má manipulátor tři serva (tři stupně volnosti), které mu umožňují pohybovat nástrojem ve všech třech osách.

Servopohony

Pro náš manipulátor jsme použili serva Hitec HS-485. Jedná se o poměrně drahá digitální serva, ale za své peníze poskytují poctivou sílu 4,8 kg/cm, přesné polohování a přijatelnou rychlost.
Mohou být nahrazeny jinými se stejnými rozměry.

Vývoj manipulátoru

Pro začátek jsme vytvořili model ve SketchUp. Zkontrolovali jsme design pro montáž a mobilitu.

Museli jsme trochu zjednodušit design. V původní projekt použitá ložiska, která se těžko kupují. Také jsme se rozhodli počáteční fáze nezachycovat. Pro začátek máme v plánu vyrobit z manipulátoru řízenou lampu.
Manipulátor jsme se rozhodli vyrobit z plexiskla. Je docela levný, dobře vypadá a snadno se řeže laserem. Pro řezání stačí nakreslit požadované detaily v libovolném vektorovém editoru. Udělali jsme to v NanoCad:

Řezání plexiskla

Řezání plexiskla objednáváme u firmy sídlící nedaleko Jekatěrinburgu. Dělají to rychle, efektivně a neodmítají malé zakázky. Řezání takových částí bude stát asi 800 rublů. V důsledku toho získáte vyříznuté části na obou stranách, které jsou polyethylenový film. Tento film je potřebný k ochraně materiálu před tvorbou vodního kamene.

Tato fólie musí být odstraněna z obou stran.

Objednali jsme také gravírování na povrch některých dílů. Pro gravírování jednoduše nakreslete obrázek na samostatnou vrstvu a uveďte to při objednávce. Místa rytí je nutné očistit zubním kartáčkem a otřít prachem. Dopadlo to velmi dobře:

V důsledku toho jsme po odstranění filmu a spárovací hmoty dostali toto:

Montáž manipulátoru

Nejprve musíte nasbírat pět částí:

V základně je nutné použít šrouby s vařením v hrnci. Budete muset trochu vyvrtat otvory, aby se rameno mohlo otáčet.

Poté, co jsou tyto díly smontovány, zbývá je pouze přišroubovat k ramenům serva a nahodit na tyče pro umístění nástroje. Je poměrně obtížné přišroubovat přesně dva disky na základnu:

Nejprve je třeba nainstalovat 40 mm dlouhou vlásenku (zobrazenou žlutou čárou na fotografii) a poté přišroubovat houpací křesla.
Pro závěsy jsme použili běžné šrouby M3 a nylonové matice, aby se zabránilo samovolnému uvolnění. Tyto matice jsou jasně viditelné na konci manipulátoru:

Jde zatím jen o rovnou plochu, na kterou plánujeme pro začátek připevnit žárovku.

Sestavený manipulátor

Výsledek

Nyní pracujeme na elektronice a software a brzy vám poví o pokračování projektu, takže prozatím nemáme možnost jeho práci předvést.
Do budoucna plánujeme vybavit manipulátor chapadlem a přidat ložiska.
Pokud máte touhu vyrobit si vlastní manipulátor, můžete si stáhnout soubor pro řezání .
Seznam spojovacích prvků, které budete potřebovat:

Šroub M4x10 s vnitřním šestihranem, 12ks
Šroub M3x60, 1ks
Vlásenka M3x40, 1 ks (možná ji budete muset trochu zkrátit pilníkem)
Šroub s hlavou M3x16 pod v/v, 4ks
M3x16 šroub se zápustnou hlavou, 8ks
Šroub M3x12 pod v/v, 6 ks
Šroub M3x10 pod v/v, 22ks
M3x10 šroub se zápustnou hlavou, 8ks
Šroub M2x6 s hlavou. pod v/v, 12ks
M3x40 mosazný stojan samice-samice, 8 ks
M3x27 mosazný stojan žena-matka, 5 ks
Matice M4, 12ks
Matice M3, 33ks
Matice M3 s nylonovým zámkem, 11ks
Matice M2, 12ks
podložky

UPD1

Od vydání tohoto článku uplynulo hodně času. Její první formace byla žlutá a byla extrémně hrozná. Červené rameno už nebylo trapné ukázat na místě, ale bez ložisek stále nefungovalo dostatečně dobře a bylo také obtížné sestavit.
Vyrobili jsme průhlednou verzi s ložisky, která fungovala mnohem lépe a proces montáže byl lépe promyšlený. Tato verze manipulátoru dokonce stihla navštívit několik výstav.

- jednoduchý stolní manipulátor z plexiskla na servopohonech.

Moje robo paže teď vypadá takto:

Pomalu během dvou let jsem stihl udělat čtyři verze a získal spoustu zkušeností. Popis, historii projektu a všechny soubory projektu najdete pod řezem.

pokus omyl

S těmito vstupy jsem nakreslil první verzi. Bohužel jsem neměl žádné fotografie této verze manipulátoru (která byla provedena ve žluté barvě). Chyby v něm byly prostě epické. Za prvé bylo téměř nemožné sestavit. Mechanika, kterou jsem nakreslil před manipulátorem, byla zpravidla docela jednoduchá a nemusel jsem přemýšlet o procesu montáže. Ale přesto jsem to sebral a zkusil to spustit, A ruka se téměř nepohnula! Všechny díly se točily kolem šroubů a pokud jsem je dotáhl tak, aby byla menší vůle, nemohla se pohnout. Pokud jsem ho uvolnil, aby se mohl pohybovat, objevila se neuvěřitelná zpětná vazba. Výsledkem bylo, že koncept nevydržel ani tři dny. A začal jsem pracovat na druhé verzi manipulátoru.

Pak jsem projekt na čas opustil, ale brzy jsem se rozhodl, že si to vzpomenu. Rozhodl jsem se použít výkonnější a oblíbenější serva, zvětšit velikost a přidat ložiska. A rozhodl jsem se, že se nebudu snažit udělat vše dokonalé najednou. Kresby jsem načrtl ve spěchu, aniž bych kreslil krásné parťáky, a objednal vyřezávání z průhledného plexiskla. Na výsledném manipulátoru jsem byl schopen odladit proces montáže, identifikovat místa, která potřebovala dodatečné vyztužení, a naučil jsem se používat ložiska.

Vlastnosti manipulátoru

Systém tyčí, který umožňuje umístit výkonné a těžké motory do základny manipulátoru a také držet chapadlo paralelně nebo kolmo k základně
Jednoduchá sada komponentů, které lze snadno koupit nebo vyřezat z plexiskla
Ložiska téměř ve všech uzlech manipulátoru
Snadná montáž. To se ukázalo jako opravdu obtížný úkol. Obzvláště obtížné bylo promyslet proces montáže základny
Pozici úchopu lze změnit o 90 stupňů
Open source a dokumentace. Vše je připraveno v přístupných formátech. Dám odkazy ke stažení 3D modelů, řezacích souborů, seznamu materiálů, elektroniky a softwaru
Kompatibilní s Arduino. Odpůrců Arduina je mnoho, ale věřím, že je to příležitost k rozšíření publika. Profesionálové mohou snadno napsat svůj software v C - je to běžný ovladač od Atmel!

Mechanika

Pro montáž je nutné vyřezat díly z 5mm plexiskla:

Za řezání všech těchto částí mi účtovali asi 10 dolarů.

Základna je namontována na velkém ložisku:

Zachycení se shromažďuje odděleně. Může se otáčet kolem vlastní osy. Samotný dráp sedí přímo na hřídeli motoru:

Elektronika

Zde se můj příběh úzce prolíná s předchozími projekty. Již nějakou dobu jsem začal učit programování Arduina a dokonce jsem si pro tento účel připravil vlastní desku kompatibilní s Arduino. Na druhou stranu jsem jednou dostal možnost levně vyrobit desky (o čemž jsem také psal). Nakonec vše skončilo tím, že jsem k ovládání manipulátoru použil vlastní desku kompatibilní s Arduino a specializovaný štít.

Programování

Zde dám náčrtky - stáhnout si je můžete na konci článku.

Video z práce

A na závěr video z provozu samotného manipulátoru. Ukazuje ovládání myši, odporů a podle předem nahraného programu.

Odkazy

Soubory na řezání plexiskla, 3D modely, nákupní seznam, výkresy desek a software si můžete stáhnout na konci mého hlavního článku.
(pozor, provoz).