Wstęp
W poniższym artykule chciałbym pokazać, jak można zrobić własnego robota, którego będzie można dowolnie programować i wykorzystać do przenoszenia lekkich elementów (w moim przypadku do 50 g) zgodnie z wybranym programem. Jest to konstrukcja przeznaczona do celów edukacyjnych, a podczas jej robienia można się wiele nauczyć.
Założenia i budowa
Moim głównym założeniem było wykorzystanie elementów, które znajdę w mojej „magicznej” szufladzie lub garażu. Do budowy ramion wykorzystałem profil aluminiowy pochodzący z krawędzi starego blatu, obudowę do całej elektroniki zrobiłem ze starego radia samochodowego. Ramiona napędzane są przez trzy silniki krokowe, z czego dwa wymontowałem ze starych drukarek, a jeden musiałem dokupić. Każda oś posiada łożyska osadzone na ciepło w wydrukowanych 3D elementach oraz przekładnie 1:3, co daje bardzo stabilną i w miarę estetyczną konstrukcję. Jako napęd chwytaka robi zepsuty (brak układu kontroli pozycji) modelarski serwomechanizm, który posiada przekładnię. Same „palce” również wydrukowałem. Przewody wychodzące z obudowy sterownika zabezpieczone są „peszlem” z samochodowej instalacji elektrycznej.
Chwytak
Istnieją różne warianty tego, co przyczepimy jako efektor. Najczęściej jest to ssawka, elektromagnes lub tradycyjny chwytak. Ja użyłem chwytaka z przekładną, w której z ruchu obrotowego silnika powstaje ruch posuwisty. Silnik sterowany jest z osobnego mikrokontrolera, który komunikując się z głównym sterownikiem wybiera- obroty lewe lub prawe (mostek H) i podtrzymuje je przez określony czas co powoduje zaciskanie lub otwieranie chwytaka.
Ramiona
Robot posiada dwa ramiona. Wykonane są z aluminium ukształtowanego w przecięty w pół prostokąt, co daje lekką i sztywną budowę. Dodatkowo otrzymujemy odporność na korozję. Każdy, kto chce budować coś podobnego powinien zawsze myśleć o ograniczeniu masy (i bezwładności). Równie dobrym materiałem są profile z włókna węglowego.
Silniki
Każdy z silników to bardzo popularny Nema 17. Poniżej ich parametry:
- Kąt skoku 1,8 stopnia (200 kroków na obrót)
- Liczba faz: 2
- Prąd znamionowy 1.5 do 2 A
- Średnica wałka 5 mm
- Napięcie znamionowe 2.8V
- Moment obrotowy: 4,4 kg/cm.
Przy doborze napędów najważniejszym parametrem jest moment obrotowy. Należy być świadomy, że jeżeli silniki sterujemy mikrokrokowo to moment spada, ale wzrasta rozdzielczość kroku silnika (np. przy 1/8 0,225 stopnia) co poprawia płynność ruchu całego ramienia. Warto zwrócić uwagę, czy sterowniki będą w stanie sterować natężeniem prądu potrzebnym silnikowi. Ja stosuje rozdzielczość kroku 1/8 a ograniczenie prądu ustawione na 1,7 A.
Oś obrotowa
Uważam, że jest to najtrudniejsza część do wykonania, ponieważ:
- przenosi ciężar całej konstrukcji powyżej
- wymagana jest duża sztywność
- nie mogą na niej występować drgania, ponieważ przeniosą się dalej
- potrzebny jest duży moment obrotowy silnika, aby wyhamować robota w ruchu w odpowiednim miejscu
- mocowanie powinno być wykonane w osi całego robota
W moim przypadku wydrukowałem walec z otworem w środku, do którego wsadziłem łożysko na dno i górę. W ich otworach osadziłem wałek aluminiowy fi 6 mm, a na jego czubek przykręciłem koło zębate, które połączyłem z drewnianą płytą. Jeśli ktoś decyduje się na wydruk tego elementu, to zalecam nie oszczędzać na wypełnieniu konturu (u mnie to 70%).
Sterownik i zasilanie
Jako sterownik wykorzystałem Arduino Uno z CNC shieldem, które kupiłem rok temu w promocji. Sterowniki silników krokowych to DRV8825 . W pełni je polecam, ze względu na efektywność, ciche sterowanie silnikiem, łatwy interfejs (Step, Dir), cenę i możliwość sterowania mikrokrokowego aż do 1/32. Przed uruchomieniem silnika należy ustawić prąd za pomocą potencjometru. Należy również zadbać o chłodzenie sterowników. W zestawie dostajemy małe radiatory, ale po kilku minutach pracy nie wystarczą, więc polecam dodać chłodzenie aktywne (wentylator). Po prawej stronie znajduje się zasilacz impulsowy znaleziony w szufladzie. Jego moc to 60W (12V i 5A). Dobierając zasilacz, wystarczy zsumować prądy pobierane przez silniki i dodać ok. 20% zapasu mocy. Przed włączeniem zasilania należy wykonać pomiary wykluczające zwarcie lub nieprawidłowe połączenia! Przyznam się, że sam zrobiłem gafę dobierając przez pomyłkę za mały rezystor do diody led, która później się spaliła. Metalową obudowę odizolowałem kilkoma warstwami taśmy. Jest to rozwiązanie chwilowe-zamierzam wykonać wkładkę z PVC. Złącze usb arduino jest połączone z masą, więc polecam je również odizolować np. naciągając koszulkę termokurczliwą! Na panelu znajduje się włącznik zasilania silników oraz dwie diody led sygnalizujące stan zasilania (czerwona – napięcie sieciowe, żółta – włączone zasilanie silników). Obok zasilacza jest układ sterujący mostkiem H (uchwytem). Do arduino wgrany jest tymczasowo (planuje napisać własny program) GRBL (instalacjaGRBL). Komunikacja komputera, który wysyła komendy (współrzędne i instrukcje) z mikrokontrolerem (ATmega328p) odbywa się przez UART. Istnieje wiele programów współpracującym z GRBL np. ten .
Film prezentujący działanie robota
Na filmie robot pobiera nakrętkę, układa ją na silniczku, który symbolizuje np. skrawarkę CNC, później aktywuje czujnik optyczny. Zaczyna się „obróbka” a po jej zakończeniu robot zabiera element i odkłada do pojemnika (czerwona taśma izolacyjna).
Podsumowanie i kilka rad
Gdy decydujecie się robić podobne projekty najpierw wszystko dokładnie zaplanujcie-wykonajcie szkice, spis elementów, założenia.
Nigdy nie lekceważcie zagrożenia podczas pracy z prądem elektrycznym!
Wszelkie ciężkie elementy np. silniki należy montować jak najniżej
Używajcie łożysk do każdej osi
Budowałem go około tygodnia. Planuje jeszcze kilka poprawek min. dodanie jeszcze jednej przekładni na najniższej osi. Mam nadzieję, że zachęciłem kogoś do zrobienia podobnego projektu, a powyższe informacje pomogą mu go zrealizować.
W razie pytań można śmiało pisać na maila: mati.w200@interia.eu
