Роботы-манипуляторы представляют собой обширный класс высокотехнологичных приборов, предназначенных для воздействия на объект методом перемещения, вращения или других манипуляций. Развитие робототехники привело к набору популярности этих устройств и существенному расширению модельного ряда, предлагаемого производителями. Однако собрать робота можно и в домашних условиях, особенно при наличии 3D-принтера.
- Что такое робот-манипулятор?
- Как сделать манипулятор на 3D-принтере: пошаговая инструкция
- Какие материалы и инструменты нужны?
- Как собрать манипулятор на принтере своими руками?
- Настройка робота
- Как двигать манипулятором?
Что такое робот-манипулятор?
Робот-манипулятор – устройство, которое используется в производстве для воздействия на объект. В большинстве случаев манипуляторы имеют параметры, схожие с способностями человеческих рук. Они могут быть как полностью автономными, так и входить в состав сложных роботизированных комплексов. Их фрагменты могут отличаться присутствием тех или иных механических узлов, которые ответственны за осуществление вращательных или поступательных движений.
Применение роботов-манипуляторов в производстве позволяет существенно оптимизировать процессы, сократив затраты и повысив качество произведенной продукции за счет сокращения числа ошибок, допускаемых на линии из-за человеческого фактора. Еще одним неоспоримым плюсом применения роботизированной техники на производстве является снижение нецелесообразной потери сырья и количества травм среди наемного персонала.
Применение манипуляторов позволяет не только поднять уровень производства, но и повысить доходность предприятия за счет снижения издержек и объема некачественной продукции.
Независимо от предназначения робота, конструкция манипуляторов является схожей и напоминает строением руку человека.
- плечо, представляющее собой статичную основу, на которую прикрепляются прочие детали и узлы;
- запястье;
- локоть;
- кисть.
Яркими представителями класса являются:
- LEGO Mindstorms. Представляет собой серию учебной техники, предназначенную для понимания принципов роботостроения в полном объеме – от этапа сборки, до программирования и последующего тестирования.
- Роботизированная система Vegebot, предназначенная для автоматизированного сбора урожая в сельскохозяйственной деятельности. Робот может самостоятельно убрать урожай с поля, подстроившись под тип овощей.
- KUKA LBR Med – робот-манипулятор, предназначенный для работы в медицинской отрасли. В его основу лег предельно чувствительный робот модели LBR iiwa. Предназначение этого робота – помощь в операционной.
Обучаемый робот манипулятор (4 оси) / Record and play robot arm (4 axes)
Стоимость промышленных роботов-манипуляторов зависит от их предназначения, но крайне редко опускается ниже 150 000 рублей.
Необходимые компоненты
- Плата Arduino Nano (купить на Aliexpress).
- Сервомотор MG-995 (5 шт.) (купить на Aliexpress).
- Потенциометр (5 шт.) (купить на Aliexpress).
- Перфорированная плата.
- Скелет роботизированной руки и крепления.
Примечание : скелет данной роботизированной руки полностью напечатан на 3D принтере. Если у вас есть доступ к 3D принтеру, то вы можете самостоятельно напечатать все части этой руки на нем по приведенным ниже файлам. Если у вас нет доступа к 3D принтеру, то вы можете изготовить скелет этой руки из акрилового волокна или дерева. В простейшем случае вы можете изготовить скелет этой руки из обычных листов картона, как сделано в простейшей роботизированной руке на основе платы Arduino.
3D печать и сборка роботизированной руки
Вначале мы пытались разработать дизайн этой руки самостоятельно, но потом обнаружили что на сервисе Thingiverse есть достаточно много потрясающих дизайнов подобных роботизированных рук и решили «не изобретать заново велосипед». Мы обнаружили, что роботизированная рука Robotic Arm V2.0 by Ashing будет прекрасно работать с сервомоторами MG995, поэтому она отлично подходит для нашего проекта.
Поэтому перейдите по приведенной ссылке на Thingiverse и скачайте там файлы модели этой руки. Всего рука содержит 14 компонентов для 3D печати, STL файлы для всех из них можно скачать по приведенной ссылке. Мы использовали программное обеспечение Cura 3.2.1 от Ultimaker для обработки STL файлов и 3D принтер TEVO tarantula для печати компонентов руки.
Дизайн всех компонентов этой руки достаточно прост, поэтому его можно напечатать практически на любом 3D принтере. У нас на печать всех компонентов руки ушло примерно 4,5 часа. Инструкция по сборке руки приведена на этой странице, поэтому в нашей статье не будем останавливаться на ней подробно.
Единственный момент, на который нам бы хотелось обратить внимание – возможно вам придется вручную подровнять (подшлифовать) края некоторых компонентов чтобы «втиснуть» туда сервомотор — обычно крепления для сервомоторов проектируются с таким расчетом, чтобы запихивать в них сервомоторы приходилось с некоторым усилием, так они будут лучше держаться. Вам понадобится 20 болтов диаметром 3 мм для сборки компонентов этой роботизированной руки.
Перед тем как окончательно закрутить болты удостоверьтесь в том, что сервомоторам ничего не мешает вращаться в необходимых направлениях. Провода к трем сервомоторам вам придется тянуть снаружи конструкции руки, при необходимости удлинить эти провода можно использовать соединители папа-мама. Удостоверьтесь в том, что при работе руки эти провода не будут перекручиваться или каким либо другим образом мешать работе руки. После сборки у нас получилась рука следующего вида:
Что же нам нужно купить?
Все цены привожу на момент написания статьи (июль 2020 года):
1) 6 моторчиков DYNAMIXEL AX-12A
Я покупал по цене 7200 руб за 1 штуку, но, кажется, можно найти и за 6000 при большом желании. Будем считать, что вам не повезет и вы тоже купите за 7200.
Суммарная стоимость: 43 200 руб
Подойдет любой простенький, можно уложиться в 20 000 руб.
3) Arduino Uno + Power Shield
Стоимость: ~4 000 руб
4) Опционально (но я очень рекомендую): Лабораторный источник питания
Стоимость: ~3 500 руб
Сборка
Отлично! Мы закупили все, что нам нужно (вероятно, дольше всего ждали доставки моторчиков, мне их везли больше месяца).
1) Напечатаем детали для манипулятора на 3D принтере.
Качаем STL файлы отсюда
2) Собираем воедино с моторчиками. Проблем со сборкой быть не должно, но если они вдруг появятся, можно воспользоваться вот этой инструкцией
Манипулятор робот своими руками
meArm — это трёх-осевой робот манипулятор с эффектором типа схват (он же — клешня). Проект meArm создан в идеологии OpenHardware, так что его чертежи находятся в свободном доступе (ссылка в конце инструкции).
Робот meArm был разработан специально для образовательных целей. Механизм легко собирается руками юных инженеров, а использование Arduino Uno позволяет оживить его, не углубляясь в дебри теории управления роботами манипуляторами.
Узлы робота приводятся в движение распространенными сервомоторами SG90 или их аналогами. В качестве контроллера используется отладочная плата Arduino Uno R3 или аналог. Ручное управление осуществляется при помощи специального модуля расширения с двумя джойстиками.
Как правило, встречается две версии робота из разных материалов: фанера или оргстекло. Робот из фанеры стоит чуть дешевле, чем из оргстекла. Фанера выглядит оригинально, но материал склонен к деформации (хотя для meArm это не критично). Оргстекло имеет отличный внешний вид, но с ним надо быть осторожным при сборке — материал хрупкий.
Набор для сборки робота-манипулятора meArm можно купить в интернет-магазине RobotClass.
Состав набора
- отладочная плата Arduino Uno с USB кабелем;
- плата расширения для подключения сервоприводов, с двумя джойстиками;
- 4 сервомотора с комплектом крепежа;
- набор деталей конструкции;
- набор крепежа (винты M3*6, винты М3*12, гайки, латунные стойки).
На основании робота установлен сервомотор первой оси, которая служит для вращения робота влево и вправо. Ось 2 наклоняет первое плечо. Ось 3 — наклоняет второе плечо через систему рычагов.
Узел крепления эффектора связан с манипулятором так, что при его движении плечей он всегда остается параллельным основанию.
Эффектор представляет собой схват, которым можно фиксировать предметы и переносить их. Конструкция схвата и его люфты не позволяют ему удерживать предмет сдавливанием, но можно использовать схват для подхватывания чего-нибудь Т-образной формы.
Робот манипулятор на Arduino своими руками
Привет мои юные инженеры! Эта история о том, как, не имея никаких знаний в робототехнике, схемотехнике и прочего, удалось собрать рабочую модель робота манипулятора и осуществить детскую мечту.
Для начала были куплены 3 сервомотора Tower pro 9g (160 руб. каждый) и доска бальзы (из неё вроде делают модели самолетов). Не берите бальзу для такого! Я, конечно, этого не знал, поэтому пытался сделать что-то из нее, благо материал был мягкий и легко резался канцелярским ножом. Но обработка бальзы это ад, мягкость это и плюс, и огромный минус. Намучившись с этим материалом (знатоки не ругайтесь, бальза хороша для других задач), было принято решение печатать детали на 3D принтере (можно было резать и оргстекло, но очень хотелось попробовать 3D печать). Детали моделились в SketchUp, и экспортировались в .stl с помощью расширения.
В итоге получилось следующее:
Печать вышла в 902 руб (без платформы для платы и клешни). Кстати, поскольку до этого не приходилось делать модель для печати, я накосячил с размерами отверстий, и из-за этого у манипулятора появилось мнооого люфтов (кидайте тапками).
В качестве прообраза был взят проект uArm и meArm. В первом использовались сервы u-servo us-d150a, а второй я увидел, когда уже смоделил свои детали, поэтому вышел некий гибрид .
Немного про мозги системы. Как я уже говорил, здесь используется Arduino Uno, а для крепления серв был приобретен Sensor Shield V5 (300 р.). Конечно, можно было бы обойтись и без него, но паяю и делаю платы я ещё хуже (вообше никак).
Также была напечатана нормальная платформа, а главное, клешня, для всего этого чуда (для клешни был куплен 4 сервомотор Tower Pro 9g уже за 240р., сами детали 630р.). Здесь же опять я немного накосячил с размерами, все дорабатывалось шкуркой и напильником.
И вот наше творение готово, можно запускать и кричать: «Оно живое, живое. », а нет, настало время писать прошивку. (Дальше будет более нудная часть, кто не хочет читать, как делалась прошивка, листайте дальше.)
В общем и целом для работы с сервами использовалась библиотека Servo. Стандартные функции давали слишком резкие движения, и моторов могли двигаться лишь поочередно (это не очень большой минус, но хотелось одновременной работы). Поэтому была написана собственная функция для каждого из моторов (их всего 4). За каждый проход базовой функции loop() проверяется положение мотора с помощью Servo.read(), если он не совпадает с заданным углом, на 1 приближаем его к нужному углу. Таким образом, вышла довольная плавная работа манипулятора.
А теперь история про софт для компа Вначале все писалось на Proccesing, этот язык (среда разработки?!) часто рекомендуют для работы с ардуино через COM порт. Выглядело это так:
Не очень красиво, не правда ли?! Отсутствие нормального редактора интерфейсов (хотелось «красииива») сподвигло писать все на C#.
Общий функционал программы таков: управление сервами из программы, подключение геймпада и передача команд с оного на робота, выполнение «программы» по координатам. Вообще в начале хотелось сделать полет, где можно было бы тыкнуть на участок и таким образом рисовать (надеюсь, вы поняли), это даже вышло, но люфты манипулятора заставили отказаться от этого (весьма не точно выходило выполнение такого рисования).
—КОНЕЦ ИСТОРИИ ПРО СОФТ—
А теперь видео примеры того, что же в итоге вышло. Нужно ещё многое допиливать и в программе и в прошивке, но кое-что манипулятор уже может сделать
Конечно не всегда с первого раза
Очень круто создать что-то с ноля полностью своими силами, было сделано много проб и ошибок, но результатом я доволен.
Что нужно учесть:
- Прикинуть мощность моторов и размеры робота
- Правильно смоделить/вырезать детали, чтобы не было люфтов (да, это и так всем ясно, но проблема от этого не исчезает)
Стоимость всей затеи:
- 3 х сервы Tower Pro 9g = 480р.
- 1 х серва Tower Pro 9g = 240р.
- Печать всех деталей = 1532р.
- Болты, гайки, крепления (называются крепления для плат) ~300 р
- Arduino Uno = 600р. (весь набор Амперка X обошелся в 3000р.)
- Sensor Shield V5 = 300р.
Общий итог: 3452р.
P.S. это мой первый пост здесь,буду рад замечаниям и предложениям 🙂
Настольная робо-рука манипулятор из оргстекла на сервоприводах своими руками
Всем привет!
Пару лет назад на kickstarter появился очень занятный проект от uFactory — настольная робо-рука uArm. Они обещали со временем сделать проект открытым, но я не мог ждать и занялся реверс-инжинирингом по фотографиям.
За эти годы я сделал четыре версии своего виденья этого манипулятора и в итоге разработал вот такую конструкцию:
Это робо-рука с интегрированным контроллером, приводимая в движение пятью сервпоприводами. Основное ее достоинство в том, что все детали либо можно купить, либо дешево и быстро вырязать из оргстекла лазером.
Так как в качестве источника вдохновения я брал open sorce — проект, то всеми своими результатми делюсь полностью. Вы сможете скачать все исходники по ссылкам в конце статьи и, при желании, собрать такую же (все ссылки в конце статьи).
Но проще один раз показать ее в работе, чем долго рассказывать что она из себя представляет:
Итак, перейдем к описанию.
Технические характеристики
- Высота: 300мм.
- Рабочая зона (при полностью вытянутом манипуляторе): от 140мм до 300мм вокруг основания
- Максимальная грузоподъемность на вытянутой руке, не менее: 200г
- Потребляемый ток, не более: 6А
- Подшипники во всех подвижных частях манипулятора. Всего их одинадцать: 10 штук на вал 3мм и один на вал 30мм.
- Простота сборки. Я очень много внимания уделил 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.
- Все мощные сервоприводы расположены в основании. То есть «нижние» сервоприводы не таскают «верхние».
- За счет параллельных шарниров инструмент всегда остается параллелен или перпендикулярен земле.
- Положение манипулятора можно менять на 90 градусов.
- Готовое Arduino-совместимое программное обеспечение. Правильно собранная рука может управляться мышкой, а по примерам кода можно составить свои алгоритмы движения
В избранное 28
3. Механизм поворота
Т. к. масса манипулятора довольно внушительная для крепления на один только сервопривод, для работы понадобилась надежная опора. Ее я сделал из трех болтов, стыкующихся в деревянной основе треугольной формы, и металлических колесиков на каждом из них, которые нашел в комплекте для вязания (официального названия не знаю). Вся эта конструкция опирается на обычную металлическую крышку от стеклянной банки, которая стоит на кусках экструдированного пенополистирола.
4. Дополнения
Первое необходимое дополнение – это противовес (чтобы манипулятор не заваливался вперед).
Второе желательное дополнение – это компенсирующая пружина или резина. В случае, если манипулятор сильно вытянется вперед, да еще и возьмет груз, назад он может не подняться. Она предохраняет от таких случаев.
