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»
Автор: Анопка Виолетта Евгеньевна
педагог дополнительного образования
МБУ ДО «СЮТ»
2016 год
Оглавление
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;
fischertechnik;
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 R3;
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.
П
ромышленный 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 R3 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 R3.
Принципиальная схема расширения для платы контроллера Arduino UNO R3 разрабатывалась с учетом поставленных задач.
Принципиальная схема платы расширения для контроллера.
Плата расширения для контроллера.
Подключаем плату Arduino UNO R3 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 штук | Цена руб. | Сумма руб. |
| 1 | Сервопривод MG-995 | 3 | 320 | 960 |
| 2 | Сервопривод MG90S | 2 | 240 | 480 |
| 3 | Подшипник 30х55х13 | 1 | 100 | 100 |
| 4 | Подшипник 3х8х3 | 10 | 12 | 120 |
| 5 | М3х27 стойка латунная мама-мама | 6 | 3 | 18 |
| 6 | М3х10 винт с гол. под в/ш | 22 | 0,5 | 11 |
| 7 | Композитная панель размером 0,6м2 | 1 | 125 | 125 |
| 8 | Плата контроллера Arduino UNO R3 | 1 | 470 | 470 |
| 9 | Переменные резисторы 100ком. | 5 | 20 | 100 |
| 10 | Итого | 2384 | ||
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.
14
