«Манипулятор на Arduino с памятью»

Муниципальное бюджетное учреждение

дополнительного образования «Станция юных техников»

город Каменск-Шахтинский

Тема проекта:

«Манипулятор на Arduino с памятью»

Автор проекта:

обучающийся объединения

«Робототехника»

учащийся 7 класса,

Кирбабин Иван

Руководитель проекта:

Барышев Евгений Валентинович

педагог дополнительного образования

МБУ ДО «СЮТ»

2024 год

Введение

Робот – манипулятор это трехмерная машина, имеющая три измерения, соответствующие пространству живого существа. В широком понимании манипулятор может быть определен как техническая система, способная для выполнения тяжелых работ в опасной для человека среде на расстоянии [4].

Большой интерес у роботостроителей представляют контроллеры Arduino. Платы радио - конструктора Arduino, весьма простой, но достаточно функциональный для очень быстрого программирования и воплощения в жизнь технических идей [1].

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

Цель проекта – создание модели руки – манипулятора, для обучения детей программированию в среде Arduino ID.

Задачи проекта:

• разработать и построить модель манипулятора с минимальными затратами средств, не уступающую зарубежным аналогам;

• в качестве механизмов манипулятора использовать сервоприводы;

• управление механизмами манипулятора осуществить с помощью платы контроллера Arduino UNO R3;

• разработать программный код в среде программирования Arduino ID для управления моделью.

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

1. Исследование и анализ

Исследование.

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 [6].

Для изучения робототехники в школе разработано несколько комплексов [7]. Наиболее известные из них – это:

• Robotis Bioloid;

• LEGO Mindstorms;

• fischertechnik;

• Arduino.

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 выполнения различных технологических операций (рисунок 1).

Рисунок 1. Манипулятор на производстве.

О бучающий конструктор - манипулятор снабжен роботизированной рукой, которая сжимается и разжимается (рисунок 2). 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.

Рисунок 2. Обучающий конструктор.

Благодаря проекту «uArm», каждый желающий может собрать своего настольного мини - робота. «uArm» — это 4-x осевой манипулятор, миниатюрная версия промышленного робота «ABB PalletPack IRB460» (рисунок 3) 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.

Рисунок 3. 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 [5], 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: 200 грамм;

• потребляемый ток, не более: 800 мА.

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 типа пантограф, как у ядерщиков и у героя в большом роботе из фильма «Аватар», можно управлять и мышкой, а по примерам программного 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).

1. Этапы изготовления узлов и сборка манипулятора

   1. 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 для модели руки – манипулятора (приложение, рисунок 18 и рисунок 19). Готовые детали плеч и рабочего инструмента манипулятора показаны на рисунке 4, на рисунке 5 основание манипулятора. Все детали для модели изготавливались на фрезерном станке с ЧПУ.

Рисунок 4. Готовые детали для манипулятора.

Рисунок 5. Готовые детали основания манипулятора.

1. Механическая начинка манипулятора

Для основания манипулятора использовали сервоприводы MG-995 (рисунок 6). 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 (рисунок 7). 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.

Рисунок 6. Сервопривод MG-995 Рисунок 7. Сервопривод MG90S

Подшипник размером 30х55х13 используется для облегчения поворота основания руки – манипулятора с грузом (рисунок 8). На рисунке 9 показано поворотное устройство с сервоприводом манипулятора в сборе.

Чертежи в приложении на рисунке 18 необходимо распечатать в масштабе 1:1, а чертежи на рисунке 19 необходимо увеличить в 2 раза.

Рисунок 8. Установка подшипника.

Рисунок 9. Поворотное устройство в сборе.

Рисунок 10. Основание руки – манипулятора в сборе.

Рисунок 11. Детали для сборки захвата. Рисунок 12. Захват в сборе.

1. 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 (рисунок 13) и совместимую плату расширения для подключения сервоприводов (рисунок 15). 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.

Рисунок 13. Плата контроллера Arduino UNO R3.

Принципиальная схема расширения для платы контроллера Arduino UNO R3 разрабатывалась с учетом поставленных задач (рисунок 14).

Рисунок 14. Принципиальная схема платы расширения для контроллера.

Монтажная плата для расширения контроллера Arduino UNO R3 изображена на рисунке 15.

Рисунок 15. 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 (рисунок 16). Программный код для настройки манипулятора находится в приложении таблица 2.

Рисунок 16. Окно программы Arduino ID со скетчем.

Калибровка заключается в указании крайних значений угла поворота для каждого сервопривода, так чтобы детали не мешали их движениям.

Отсоедините все сервоприводы от Trema-Power Shield, загрузите скетч и подключите питание.

Откройте монитор последовательного порта.

В мониторе будут отображаться углы поворота каждого сервопривода (в градусах).

Подключите первый сервопривод (управляющий вращением основания) к выводу D3.

Поворот ручки первого Trema-потенциометра (вывод A0) приведёт к повороту первого сервопривода (вывод D3), а в мониторе изменится значение текущего угла этого сервопривода (значение: A0 = ... ). Крайние положения первого сервопривода будут лежать в диапазоне, от 10 до 170 градусов (как написано в первой строке кода loop). Этот диапазон можно изменить, заменив значения последних двух аргументов функции map() в первой строке кода loop, на новые. Например, заменив 170 на 180, Вы увеличите крайнее положение сервопривода в данном направлении. А заменив 10 на 20, Вы уменьшите другое крайнее положение того же сервопривода.

Если Вы заменили значения, то нужно заново загрузить скетч. Теперь сервопривод будет поворачиваться в новых, заданных Вами, пределах.

Подключите второй сервопривод (управляющий поворотом левого плеча) к выводу D5.

Поворот ручки второго Trema-потенциометра (вывод A1) приведёт к повороту второго сервопривода (вывод D5), а в мониторе изменится значение текущего угла этого сервопривода (значение: A1 = ...). Крайние положения второго сервопривода будут лежать в диапазоне, от 80 до 170 градусов (как написано во второй строке кода loop скетча). Этот диапазон изменяется, так же как и для первого сервопривода.

Если Вы заменили значения, то нужно заново загрузить скетч.

Подключите третий сервопривод (управляющий поворотом правого плеча) к выводу D6. и аналогичным образом осуществите его калибровку.

Подключите четвертый сервопривод (управляющий захватом) к выводу D9. и аналогичным образом осуществите его калибровку.

Калибровку достаточно выполнить 1 раз, после сборки манипулятора. Внесённые Вами изменения (значения предельных углов) сохранятся в файле скетча.

Тестирование работы роботизированной руки

Подайте питание на плату Arduino через порт USB с вашего компьютера и откройте окно монитора последовательной связи – в нем вы увидите приветственное сообщение.

Теперь введите R в окне монитора последовательной связи и нажмите ввод. Внизу монитора последовательной связи должна быть установлена опция Newline. Пример работы программы в этом режиме показан на следующем рисунке:

Информация, показанная на этом рисунке, может быть использована для отладки. Цифры, начинающиеся с 69, это текущая позиция сервомоторов с 0-го до 5-го. Значения индекса – это размер массива. Помните, что максимальный размер массива ограничен 700 числами, поэтому старайтесь не превышать этот размер. После того как вы завершите запись, нажмите P и ввод в окне монитора последовательной связи и программа переключится в режим воспроизведения и на экране тогда появится примерно следующая картина:

Во время режима воспроизведения роботизированная рука будет повторять те же самые движения, которые она совершала в режиме записи. Эти движения она будет выполнять снова и снова до тех пор пока вы не прервете ее работу из окна монитора последовательной связи.

1. 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. Конструктор «Манипулятор на Ардуино с памятью» выполняет 5 движений и стоит 2384 рубля.

Низкая себестоимость способствовала разработке технического конструктора 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.

1. Источники информации

Литература:

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

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

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

Интернет ресурс:

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

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

3. http://robocraft.ru/blog/mechanics583.html - ссылка на статью и видео.

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

Программное обеспечение:

1. Компьютерная программа Inkscape, версия - 0.92.3 - (векторный графический редактор).

2. Компьютерная программа AutoCAD, версия 2013, (трёхмерная система автоматизированного проектирования и черчения).

3. Компьютерная программа Arduino ID, версия 1.8.6, (открытая среда программирования.)

1. Приложение

Рисунок 17. Фотография «Манипулятора на Ардуино с памятью»

Рисунок 18. Чертеж основания манипулятора

Рисунок 19. Чертеж стрелы и захвата манипулятора.

Таблица 1.

Таблица 2.

24