Hoe automatiseer je de arm van een robot

Tegenwoordig kan vrijwel elke robotica-enthousiasteling een geautomatiseerde robotarm bouwen. Terwijl robotoplossingen voor de productie, de medische sector en wetenschappelijk werk beter aan professionals worden overgelaten, kun je met de middelen die beschikbaar zijn iets kleins maken om je vrienden te imponeren. Wil je ontdekken hoe je een eenvoudige robotarm bouwt op basis van de Arduino-microcontroller en servomotoren? Lees verder!

Betekenis van de technologie

Een robotarm is een geautomatiseerd mechanisch apparaat dat wordt aangestuurd via speciale software die is geïnstalleerd op de toegewezen microcontroller. Het kan een zelfstandig apparaat zijn of een onderdeel van een mensachtige robot. De werking van zo’n apparaat hangt af van de beweging van de gewrichten – elk kan één tot drie vrijheidsgraden hebben. Zo kunnen afzonderlijke gewrichten zowel lineair ten opzichte van de basis van de arm bewegen als roteren.

Redenen om te automatiseren

Robotarmen kunnen worden gemaakt om taken uit te voeren die voor een menselijke arm lastig zijn. Ze kunnen onderdelen vasthouden en samenstellen, lassen, moeilijk bereikbare plekken bereiken, enzovoort. In bredere zin is het belangrijkste doel van dergelijke apparaten in de robotica, waar wetenschappers en uitvinders al jaren naartoe werken, het zo nauwkeurig mogelijk nabootsen van de beweging van de menselijke arm.

Wie profiteert?

Een geautomatiseerde industriële robotarm kan onder andere in menselijke arbeid zeer nuttig zijn. De meest voor de hand liggende voordelen zijn:

• Hoge snelheid en precieze bewegingen;
• Laag energieverbruik en hoge betrouwbaarheid;
• Kan langdurig werken zonder te stoppen;
• Kan werken onder gevaarlijke omstandigheden en met gevaarlijke materialen;
• Minder invloed van de menselijke factor en lagere letselcijfers.

Hoe automatiseer je een robotarm

Hieronder leggen we uit hoe je een robotarm maakt en automatiseert. Laten we eerst het type apparaat bepalen waaraan we gaan werken.

Typen robotarmen

Momenteel bestaat de volgende indeling voor robotarmen:

• Kartesisch: Dit type is gebaseerd op de beweging van drie gewrichten volgens het kartesische coördinatenstelsel. Het kan onderdelen grijpen en vasthouden en wordt vooral gebruikt in de productie en medische sector voor lassen en het snijden van objecten met microscopische precisie.
• Cylindrisch: Armen van dit type worden ingezet voor het bouwen van onderdelen. Ze zijn gebaseerd op het cilindrische coördinatenstelsel.
• Polair: Deze apparaten, gebaseerd op het polaire coördinatenstelsel, worden vooral gebruikt voor lassen.
• SCARA: Deze hebben twee scharniergewrichten die rotatiebewegingen mogelijk maken. Ze zijn het meest efficiënt bij het bouwen van complexe constructies.
• Geleed: Deze apparaten hebben minimaal drie gewrichten die door roterende scharnieren in beweging worden gebracht. Ze kennen een vrij breed toepassingsgebied, maar worden vooral in de productie gebruikt.
• Parallel: Parallelle robotarmen kunnen zowel rotatie‑ als lineaire bewegingen uitvoeren. Tegenwoordig is dit een van de meest geavanceerde typen geautomatiseerde constructieapparatuur.
• Antropomorf: De laatste, maar meest spannende soort geautomatiseerde robotarm: qua opbouw en werking bijna identiek aan een echte menselijke arm.

Hardware en software voorbereiden

Laten we bekijken welke componenten je nodig hebt om zelf een robotarm te bouwen en te automatiseren. In het bijzonder raden we de volgende componenten aan:

• 4 Tower Pro 9g servomotoren;
• 3D‑geprinte armonderdelen (het ontwerp staat in de afbeelding hierboven);
• Schroeven en bouten;
• Arduino Uno microcontroller;
• Sensor Shield V5 (om servo’s op onderdelen aan te sluiten).

Nu nog een paar woorden over de voorbereiding van de onderdelen. Je kunt gewoon plexiglas gebruiken – dat doet niets af aan de uiteindelijke kwaliteit van het apparaat. 3D‑printen is tegenwoordig echter niet zo duur en eerlijk gezegd raden we aan je handen te sparen voor het letsel dat handmatig uitsnijden van onderdelen kan veroorzaken. De onderdelen in ons voorbeeld zijn gemodelleerd met SketchUp.

Vervolgens werd het bestand geëxporteerd met behulp van een extensie en naar de printer gestuurd. Let er tijdens het modelleren op dat je de exacte afmetingen en posities van de gaten voor de bouten die het mechanisme bij elkaar houden, goed definieert. Anders moet je extra gaten boren en zelfs sommige onderdelen opnieuw printen. Wat de software voor het aansturen van servo‑aandrijvingen betreft – je kunt de standaard Servo‑bibliotheek gebruiken. We merken wel op dat de standaardfuncties van de Servo‑bibliotheek bewegingen instellen die te ‘scherp’ en abrupt zijn. Bovendien beweegt elke motor standaard alleen wanneer de overige drie stilstaan. Dat bleek voor veel ingenieurs een behoorlijk nadeel. Daarom kun je het beste voor elke motor eigen functies schrijven – gelukkig is dat niet zo moeilijk. Het algemene algoritme van motorbewegingen ziet er als volgt uit: bij elke iteratie in de basisfunctie loop() moet de positie van een servomotor worden uitgelezen – een functie Servo.Read() maakt dit mogelijk; als de positie niet overeenkomt met de ingestelde hoek, moet ze bij elke iteratie met één stap naar de benodigde hoek worden benaderd. Je moet ook aparte functies schrijven die de interactie met de controller bepalen. Sommige ingenieurs geven de voorkeur aan C#, hoewel Processing het vaakst wordt aanbevolen als ontwikkelomgeving om de interactie tussen Arduino‑controllers via een COM‑poort te verzorgen.

Apparatuur instellen

Onderdelen zijn eenvoudig te koppelen – bekijk dit startup‑prototype – het uArm‑project, in de constructie waarvan u‑servo us‑d150 servo‑aandrijvingen zijn gebruikt. 

Technologietrends wereldwijd

Een paar woorden over trends in de robotica. Wist je bijvoorbeeld dat de meest veelbelovende professionele domeinen voor werk in de robotica de medische sector en de productie van ruimtevaarttechnologie zijn? NASA werkt actief aan de creatie van robots die op afstand menselijke handelingen volledig kunnen nabootsen om ruimteonderzoek toegankelijker en efficiënter te maken. Aan de andere kant richten veel uitvinders en wetenschappers van dit decennium zich erop de productie van robotica goedkoper te maken. Zo kan het bouwen van een robotarm in eigen beheer (bijv. op basis van Arduino‑controllers) je niet meer dan $100 kosten. Een geweldige vooruitgang vergeleken met wat we zo’n tien jaar geleden hadden.

Waarom Progressive Automations?

Om alle automatiseringsprocessen van de robotarm te realiseren, heb je uiteraard speciale apparatuur nodig (servo‑aandrijvingen, Arduino‑microcontrollers, enz.). In ons assortiment bieden we alleen beproefde en geteste onderdelen en apparaten, die onze experts bovendien naar jouw wensen kunnen configureren. Daarnaast hebben alle producten in onze online winkel 18 maanden garantie, met opties voor reparatie en volledige vervanging.

Conclusie

Zoals je ziet, is het niet zo moeilijk om met minimale middelen een robotarm te bouwen. We hopen dat de producten die op onze website beschikbaar zijn, je daar ook bij helpen.