Системы управления на arduino для манипуляторов. Подключение и управление манипулятором. Основные узлы для проекта манипулятора

30.05.2019

Муниципальное бюджетное учреждение

дополнительного образования «Станция юных техников»

города Каменск Шахтинский

Муниципальный этап областного слета-конкурса

«Юные конструкторы Дона – третьему тысячелетию»

Раздел «Робототехника»

« Рука-манипулятор на Arduino»

педагог дополнительного образования

МБУ ДО «СЮТ»

Введение 3

Исследование и анализ 4

Этапы изготовления узлов и сборка манипулятора 6

Материалы и инструменты 6
Механическая начинка манипулятора 7
Электронная начинка манипулятора 9

Заключение 11

Источники информации 12

Приложение 13

Введение

Робот – манипулятор это трехмерная машина, имеющая три измерения, соответствующие пространству живого существа. В широком понимании манипулятор может быть определен как техническая система, способная замещать человека или помогать ему в выполнении различных задач.

В настоящее время развитие робототехники не идет, а бежит, обгоняя время. Только за первые 10 лет XXI века было изобретено и внедрено более 1 млн. роботов. Но самое интересное, что разработками в этой области могут заниматься не только коллективы больших корпораций, группы ученых и инженеров профессионалов, но и обычные школьники по всему миру.

Для изучения робототехники в школе разработано несколько комплексов. Наиболее известные из них – это:

Robotis Bioloid;

LEGO Mindstorms;

Arduino .

Большой интерес у роботостроителей представляют конструкторы Arduino. Платы Arduino - это радио - конструктор, весьма простой, но достаточно функциональный для очень быстрого программирования на языке Виринг (фактически С++) и воплощения в жизнь технических идей.

Но как показывает практика, все большее практическое значение приобретают именно работы молодых специалистов нового поколения.

Обучение детей программированию будет всегда актуальна, так как бурное развитие робототехники связано, прежде всего, с развитием информационных технологий и средств коммуникации.

Цель проекта – создание обучающего радио - конструктора на базе руки – манипулятора, для обучения детей программированию в среде Arduino в игровой форме. Дать возможность, чтобы как можно больше детей могли познакомиться с конструкторской деятельностью в робототехнике.

Задачи проекта:

разработать и построить обучающую руку – манипулятор с минимальными затратами средств, не уступающую зарубежным аналогам;

в качестве механизмов манипулятора использовать сервоприводы;

управление механизмами манипулятора осуществить с помощью радио – конструктора Arduino UNO R 3;

разработать программу в среде программирования Arduino для пропорционального управления сервоприводами.

Для выполнения поставленной цели и задач нашего проекта необходимо изучить виды существующих манипуляторов, техническую литературу по этой теме и аппаратно - вычислительную платформу Arduino.

Исследование и анализ

Исследование.

Промышленный манипулятор - предназначенный для выполнения двигательных и управляющих функций в производственном процессе, т. е. автоматическое устройство, состоящее из манипулятора и перепрограммируемого устройства управления, которое формирует управляющие воздействия, задающие требуемые движения исполнительных органов манипулятора. Применяется для перемещения предметов производства и выполнения различных технологических операций.

О
бучающий конструктор - манипулятор снабжен роботизированной рукой, которая сжимается и разжимается. С его помощью можно играть в шахматы, управляя дистанционно. Также можно с помощью робо - руки раздавать визитки. Движение включают в себя: запястье 120°, локоть 300°, базовое вращения 270°, базовые движения 180°. Игрушка очень хорошая и полезная, но стоимость его составляет порядка 17200 рублей.

Благодаря проекту «uArm», каждый желающий может собрать своего настольного мини - робота. «uArm» - это 4-x осевой манипулятор, миниатюрная версия промышленного робота «ABB PalletPack IRB460» Манипулятор оснащен микропроцессором Atmel и набором сервомоторов, общая стоимость необходимых деталей - 12959 рублей. Проект uArm требует хотя бы начальных навыков программирования и опыта конструирования лего. Мини - робот можно запрограммировать на множество функций: от игры на музыкальном инструменте, до загрузки какой - то сложной программы. В настоящее время ведется разработка приложений для iOS и Android, что позволит управлять «uArm» со смартфона.

Манипуляторы «uArm»

Большинство существующих манипуляторов предполагают расположение двигателей непосредственно в суставах. Это проще конструктивно, но выходит, что двигатели должны поднимать не только полезную нагрузку, но и другие двигатели.

Анализ.

За основу взяли, манипулятор, представленный на сайте Kickstarter, который назывался «uArm». Преимущество этой конструкции в том, что площадка для размещения захвата всегда расположена параллельно рабочей поверхности. Тяжелые двигатели расположены у основания, усилия передаются через тяги. В итоге манипулятор имеет три сервопривода (три степени свободы), которые позволяют ему перемещать инструмент по всем трем осям на 90 градусов.

В подвижных частях манипулятора решили установить подшипники. Такая конструкция манипулятора имеет массу преимуществ перед многими моделями, которые сейчас есть в продаже: Всего в манипуляторе использовано 11 подшипников: 10 штук на вал 3мм и один на вал 30мм.

Характеристики руки манипулятора:

Высота: 300мм.

Рабочая зона (при полностью вытянутом манипуляторе): от 140мм до 300мм вокруг основания

Максимальная грузоподъемность на вытянутой руке: 200г

Потребляемый ток, не более: 1А

Простота сборки. Очень много внимания уделили тому, чтобы была такая последовательность сборки манипулятора, при которой все детали прикручивать предельно удобно. Особенно сложно было сделать это для узлов мощных сервоприводов в основании.

Управление реализуется с помощью переменных резисторов, пропорциональное управление. Можно сконструировать управление типа пантограф, как у ядерщиков и у героя в большом роботе из фильма «Аватара», может управляться и мышкой, а по примерам кода можно составить свои алгоритмы движения.

Открытость проекта. Любой желающий может сделать свои инструменты (присоску или зажим для карандаша) и загрузить в контроллер необходимую для выполнения поставленной задачи программу (скетч).

Этапы изготовления узлов и сборка манипулятора

Материалы и инструменты

Для изготовления руки - манипулятора использовали композитную панель, толщиной 3мм и 5мм. Это материал, который состоит из двух алюминиевых листов, толщиной 0,21 мм соединенных термопластичной прослойкой из полимера, обладает хорошей жесткостью, легкий и хорошо обрабатывается. Скаченные фотографии манипулятора в интернете обрабатывались компьютерной программой Inkscape (векторный графический редактор). В программе AutoCAD (трёхмерная система автоматизированного проектирования и черчения) чертились чертежи руки - манипулятора.

Готовые детали для манипулятора.

Готовые детали основания манипулятора.

Механическая начинка манипулятора

Для основания манипулятора использовали сервоприводы MG-995. Это цифровые сервоприводы с металлическими шестеренками и шарикоподшипниками, они обеспечивают усилие 4,8кг/см, точную отработку позиции и приемлемую скорость. Весит один сервопривод 55,0 граммов при размерах 40,7 х 19,7 х 42,9мм, напряжение питания от 4,8 до 7,2 вольт.

Для захвата и поворота кисти использовали сервоприводы MG-90S. Это тоже цифровые сервоприводы с металлическими шестеренками и шарикоподшипник на выходном валу, они обеспечивают усилие 1,8кг/см и точную отработку позиции. Весит один сервопривод 13.4 грамма при размерах 22,8 х 12,2 х 28,5мм, напряжение питания от 4,8 до 6,0 вольт.

Сервопривод MG-995 Сервопривод MG90S

Подшипник размером 30х55х13 используется для облегчения поворота основания руки – манипулятора с грузом.

Установка подшипника. Поворотное устройство в сборе.

Основание руки – манипулятора в сборе.

Детали для сборки захвата. Захват в сборе.

Электронная начинка манипулятора

Есть такой открытый проект, который называется Arduino. Основа этого проекта – базовый аппаратный модуль и программа, в которой можно написать код для контроллера на специализированном языке, и которая позволяет этот модуль подключить и запрограммировать.

Для работы с манипулятором использовали плату Arduino UNO R 3 и совместимую плату расширения для подключения сервоприводов. На нем установлен стабилизатор 5 вольт, для питания сервоприводов, PLS-контакты для подключения сервоприводов и разъем для подключения переменных резисторов. Питание осуществляется от блока 9В, 3А.

Плата контроллера Arduino UNO R 3.

Принципиальная схема расширения для платы контроллера Arduino UNO R 3 разрабатывалась с учетом поставленных задач.

Принципиальная схема платы расширения для контроллера.

Плата расширения для контроллера.

Подключаем плату Arduino UNO R 3 с помощью кабеля USB A-B к компьютеру, устанавливаем необходимые настройки в среде программирования, составляем программу (скетч) для работы сервоприводов используя библиотеки Arduino. Компилируем (проверяем) скетч, затем загружаем в контроллер. С подробной информацией о работе в среде Arduino можно ознакомиться на сайте http://edurobots.ru/category/uroki/ (Arduino для начинающих. Уроки).

Окно программы со скетчем.

Заключение

Данная модель манипулятора, отличается низкой себестоимостью, от таких как простой конструктор «Уткоробот» который выполняет 2 движения и стоит 1102 рублей, или Лего - конструктор «Полицейский участок» стоимостью 8429 рублей. Наш конструктор выполняет 5 движений и стоит 2384 рубля.

	Комплектующие и материал	Количество
	Сервопривод MG-995
	Сервопривод MG90S
	Подшипник 30х55х13
	Подшипник 3х8х3
	М3х27 стойка латунная мама-мама
	М3х10 винт с гол. под в/ш
	Композитная панель размером 0,6м 2
	Плата контроллера Arduino UNO R 3
	Переменные резисторы 100ком.

Низкая себестоимость способствовала разработке технического конструктора руки - манипулятора, на примере которой наглядно продемонстрирован принцип работы манипулятора, выполнение поставленных задач в игровой форме.

Принцип работы в среде программирования Arduino отлично зарекомендовал себя на испытаниях. Такой способ управления и обучения программированию в игровой форме не только возможен, но и эффективен.

Начальный файл со скетчем, взятый на официальном сайте Arduino и отлаженный в среде программирования обеспечивает правильную и надежную работу манипулятора.

В дальнейшем хочу отказаться от дорогостоящих сервоприводов и использовать шаговые двигатели, таким образом, она будет достаточно точно и плавно перемещаться.

Управление манипулятором осуществить с помощью пантографа по радиоканалу Bluetooth.

Источники информации

Гололобов Н. В.О проекте Arduino для школьников. Москва. 2011.

Курт Е. Д. Введение в микроконтроллеры с Перевод на русский язык Т. Волкова. 2012.

Белов А. В. Самоучитель разработчика устройств на микроконтроллерах AVR. Наука и техника, Санкт-Петербург, 2008.

http://www.customelectronics.ru/robo-ruka-sborka-mehaniki/ манипулятор на гусеничном ходу.

http://robocraft.ru/blog/electronics/660.html манипулятор по Bluetooth.

http://robocraft.ru/blog/mechanics/583.html ссылка на статью и видео.

http://edurobots.ru/category/uroki/ Arduino для начинающих.

Приложение

Чертеж основания манипулятора

Чертеж стрелы и захвата манипулятора.

Здравствуйте!

Рассказываем о линейке коллаборативных роботов-манипуляторов Universal Robots .

Компания Юниверсал-роботс родом из Дании, занимается выпуском коллаборативных роботов-манипуляторов для автоматизации циклических производственных процессов. В этой статье приведем их основные технические характеристики и рассмотрим области применения.

Что это?

Продукция компании представлена линейкой из трех облегченных промышленных манипуляционных устройств с разомкнутой кинематической цепью:
UR3 , UR5 , UR10 .
Все модели имеют 6 степеней подвижности: 3 переносные и 3 ориентирующие. Устройства от Юниверсал-роботс производят только угловые перемещения.
Роботы-манипуляторы разделены на классы, в зависимости от предельно допустимой полезной нагрузки. Другими отличиями являются - радиус рабочей зоны, вес и диаметр основания.
Все манипуляторы UR оснащены датчиками абсолютного положения высокой точности, которые упрощают интеграцию с внешними устройствами и оборудованием. Благодаря компактному исполнению, манипуляторы UR не занимают много места и могут устанавливаться в рабочих секциях или на производственных линиях, где не помещаются обычные роботы.Характеристики:
Чем интересны Простота программирования

Специально разработанная и запатентованная технология программирования позволяет операторам, не владеющим специальными навыками, быстро выполнить настройку роботов-манипуляторов UR и управлять ими с помощью интуитивной технологии 3D-визуализации. Программирование происходит путем серии простых передвижений рабочего органа манипулятора в необходимые положения, либо нажатием стрелок в специальной программе на планшете.UR3: UR5: UR10: Быстрая настройка

Оператору, выполняющему первичный запуск оборудования, потребуется менее часа для распаковки, монтажа и программирования первой простой операции. UR3: UR5: UR10: Коллаборативность и безопасность

Манипуляторы UR способны заменить операторов, выполняющих рутинные задачи в опасных и загрязненных условиях. В системе управления ведется учет внешних возмущающих воздействий, оказываемых на робот-манипулятор в процессе работы. Благодаря этому, манипуляционные системы UR можно эксплуатировать без защитных ограждений, рядом с рабочими местами персонала. Системы безопасности роботов одобрены и сертифицированы TÜV – Союзом работников технического надзора Германии.
UR3: UR5: UR10: Многообразие рабочих органов

На конце промышленных манипуляторов UR предусмотрено стандартизированное крепление для установки специальных рабочих органов. Между рабочим органом и конечным звеном манипулятора можно установить дополнительные модули силомоментных сенсоров или камер.Возможности применения

С промышленными роботами-манипуляторами UR открываются возможности автоматизации практически всех циклических рутинных процессов. Устройства компании Юниверсал-роботс отлично зарекомендовали себя в различных областях применения.

Перекладка

Установка манипуляторов UR на участках перекладки и упаковки позволяет увеличить точность и уменьшить усадку. Большинство операций по перекладке может осуществляться без надзора.Полировка, буферовка, шлифовка

Встроенная система датчиков позволяет контролировать точность и равномерность прикладываемого усилия на криволинейных и неровных поверхностях.

Литье под давлением

Высокая точность повторяющихся движений позволяет применять роботы UR для задач переработки полимеров и инжекционного литья.
Обслуживание станков с ЧПУ

Класс защиты оболочки обеспечивает возможность установки манипуляционных систем для совместной работы со станками ЧПУ.Упаковка и штабелирование

Традиционные технологии автоматизации отличаются громоздкостью и дороговизной. Легко настраиваемые роботы UR способны работать без защитных экранов рядом с сотрудниками или без них 24 часа в сутки, обеспечиваю высокую точность и производительность.Контроль качества

Роботизированный манипулятор с видеокамерами пригоден для проведения трехмерных измерений, что является дополнительной гарантией качества выпускаемой продукции.Сборка

Простое устройство крепления рабочего органа позволяет оснащать роботы UR подходящими вспомогательными механизмами, необходимыми для сборки деталей из дерева, пластика, металла и других материалов.Свинчивание

Система управления позволяет контролировать развиваемый момент во избегании избыточной затяжки и обеспечения требуемого натяжения.Склеивание и сварка

Высокая точность позиционирования рабочего органа позволяет сократить количество отходов при выполнении операций склейки или нанесения веществ.
Промышленные роботы-манипуляторы UR могут выполнять различные типы сварки: дуговую, точечную, ультразвуковую и плазменную.Итого:

Промышленные манипуляторы от Юниверсал-роботс компактны, легки, просты в освоении и обращении. Роботы UR – гибкое решение для широкого круга задач. Манипуляторы можно запрограммировать на любые действия присущие движениям человеческой руки, а вращательные движения им удаются намного лучше. Манипуляторам не свойственны усталость и боязнь получить травму, не нужны перерывы и выходные.
Решения от Юниверсал-роботс позволяют автоматизировать любой рутинный процесс, что увеличивает скорость и качество производства.

Обсудите автоматизацию ваших производственных процессов с помощью манипуляторов Юниверсал-роботс с официальным дилером -

Вид на внутреннюю часть ладони человекоподобного робота RKP-RH101-3D. Ладонь кисти человекоподобного робота зажата на 50%. (смотри Рис. 2).

В таком случае возможны сложные движения кисти человекоподобного робота, но программирование при этом становится более сложным, интересным и захватывающим. При этом на каждом из пальцев кисти руки человекоподобного робота возможна установка дополнительных разнообразных датчиков и сенсоров, управляющих различными процессами.

Таково в общих чертах устройство манипулятора RKP-RH101-3D. Что касается сложности задач, которые может разрешать тот или иной робот, оборудованный различными манипуляторами, заменяющими ему руки, то они во многом зависят от сложности и совершенства управляющего устройства.
Принято говорить о трех поколениях роботов: промышленных, адаптивных и роботах с искусственным интеллектом. Но какой бы робот не проектировался ему не обойтись без рук манипуляторов для выполнения различных задач. Звенья манипулятора подвижны друг относительно друга и могут совершать вращательные и поступательные движения. Иногда вместо простого захвата предмета у промышленных роботов последним звеном манипулятора (его кистью) служит какой-нибудь рабочий инструмент, например, дрель, гаечный ключ, краскораспылитель или сварочная горелка. У человекоподобных роботов на кончиках пальцев их манипуляторов в виде кисти могут быть также расположены различные дополнительные миниатюрные приспособления, например, для сверления, гравировки или рисования.

Общий вид человекоподобного боевого робота на сервоприводах с кистями рук RKP-RH101-3D (смотри Рис. 3).

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 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 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

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.

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.

Мелкие детали

Сборка в общих чертах

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.

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.

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.