W dzisiejszych czasach niemal każdy entuzjasta robotyki może zbudować zautomatyzowane ramię robota. Choć rozwiązania robotyczne do zastosowań w produkcji, medycynie i pracach naukowych lepiej zostawić profesjonalistom, coś niewielkiego, by zaimponować znajomym, da się złożyć z łatwo dostępnych komponentów. Chcesz dowiedzieć się, jak stworzyć proste ramię robota oparte na mikrokontrolerze Arduino i serwomechanizmach? Czytaj dalej!
Na czym polega ta technologia
Ramię robotyczne to zautomatyzowane urządzenie mechaniczne sterowane specjalnym oprogramowaniem zainstalowanym na dedykowanym mikrokontrolerze. Może działać jako samodzielny moduł albo jako element robota humanoidalnego. Praca takiego urządzenia opiera się na ruchu przegubów – każdy może mieć od jednego do trzech stopni swobody. Na przykład poszczególne przeguby mogą wykonywać zarówno ruchy liniowe względem podstawy ramienia, jak i ruchy obrotowe.
Dlaczego warto automatyzować
Ramiona robotyczne tworzy się do zadań, z którymi ludzkie ramię miałoby trudności. Mogą chwytać i łączyć poszczególne elementy, spawać, sięgać w trudno dostępne miejsca itp. Ogólnie rzecz biorąc, głównym celem takich urządzeń w robotyce, do którego naukowcy i wynalazcy dążą od lat, jest jak najdokładniejsze odwzorowanie ruchów ludzkiej ręki.
Kto na tym zyskuje?
Zautomatyzowane przemysłowe ramię robota może być bardzo pomocne w pracy ludzi. Do najważniejszych zalet należą:
- Wysoka szybkość i precyzyjne ruchy;
- Niskie zużycie energii i wysoka niezawodność;
- Możliwość pracy przez długi czas bez przerw;
- Możliwość pracy w niebezpiecznych warunkach, z niebezpiecznymi materiałami;
- Mniejsze ryzyko błędów ludzkich i urazów.
Jak zautomatyzować ramię robota — przewodnik
Poniżej pokażemy, jak zbudować i zautomatyzować ramię robota. Na początek określmy typ urządzenia, nad którym będziemy pracować.
Typy ramion robota
Obecnie wyróżnia się następujące typy ramion robotycznych:
- Kartezjańskie: Ten typ opiera się na ruchu trzech przegubów zgodnie z kartezjańskim układem współrzędnych. Może chwytać i utrzymywać elementy i jest najczęściej stosowany w produkcji i medycynie do spawania i cięcia obiektów z mikroskopijną precyzją.
- Cylindryczne: Ramiona tego typu wykorzystuje się do konstruowania elementów. Bazują na cylindrycznym układzie współrzędnych.
- Biegunowe: Urządzenia oparte na biegunowym układzie współrzędnych, najczęściej używane do spawania.
- SCARA: Mają dwa przeguby zawiasowe umożliwiające ruchy obrotowe. Najlepiej sprawdzają się przy budowie złożonych konstrukcji.
- Przegubowe: Urządzenia te mają co najmniej trzy przeguby wprawiane w ruch przez obrotowe przeguby zawiasowe. Mają dość szerokie zastosowanie, głównie w produkcji.
- Równoległe: Równoległe ramiona robotów mogą wykonywać zarówno ruchy obrotowe, jak i liniowe. Obecnie to jeden z najbardziej zaawansowanych typów zautomatyzowanych urządzeń konstrukcyjnych.
- Antropomorficzne: Ostatni, ale najciekawszy typ zautomatyzowanych ramion robotycznych – swoją budową i działaniem niemal identyczny z ludzką ręką.
Przygotowanie sprzętu i oprogramowania
Zobaczmy, jakie elementy będą potrzebne, aby samodzielnie zbudować i zautomatyzować ramię robota. W szczególności polecamy następujące komponenty:
- 4 serwomechanizmy Tower Pro 9g;
- wydrukowane w 3D elementy ramienia (szablon widać na ilustracji powyżej);
- śruby i wkręty;
- Arduino Uno mikrokontroler;
- Sensor Shield V5 (do podłączania serwomechanizmów do elementów).
Kilka słów o przygotowaniu elementów. Możesz użyć zwykłej pleksi – nie wpłynie to negatywnie na jakość końcową urządzenia. Jednak druk 3D nie jest dziś drogi i szczerze polecamy oszczędzić sobie pracy oraz ryzyka skaleczeń związanych z ręcznym wycinaniem części. Elementy w naszym przykładzie zostały zamodelowane w SketchUp.
Następnie plik został wyeksportowany do ... nadal z pomocą rozszerzenia i wysłany do druku. Zwróć uwagę, że podczas modelowania bardzo ważne jest dokładne określenie wymiarów i rozmieszczenia otworów na śruby, które będą scalały mechanizm. W przeciwnym razie trzeba będzie wykonywać dodatkowe otwory, a nawet ponownie drukować niektóre elementy. Jeśli chodzi o oprogramowanie do sterowania serwonapędami – możesz użyć standardowej biblioteki Servo. Zauważamy jednak, że domyślne funkcje biblioteki Servo ustawiają ruchy zbyt ‘ostre’ i gwałtowne. Co więcej, każdy silnik porusza się domyślnie tylko wtedy, gdy pozostałe trzy silniki są nieruchome. Dla wielu inżynierów okazało się to istotną wadą. Dlatego najlepiej napisać własne funkcje dla każdego silnika – na szczęście nie jest to trudne. Ogólny algorytm ruchu silników wygląda następująco: pozycję serwomechanizmu należy odczytywać przy każdej iteracji w podstawowej funkcji loop() – umożliwia to funkcja Servo.Read (); jeśli pozycja nie odpowiada zadanemu kątowi, trzeba w przybliżeniu zbliżać ją do wymaganego kąta o jeden punkt na iterację. Trzeba też osobno napisać funkcje definiujące komunikację z kontrolerem. Niektórzy inżynierowie wolą C#, mimo że najczęściej polecanym środowiskiem do komunikacji między kontrolerami Arduino przez port COM jest Processing.
Skonfiguruj sprzęt
Elementy łączy się łatwo – spójrz na prototyp pewnego startupu – projekt uArm, w którego konstrukcji użyto serwonapędów u-servo us-d150.
Trendy technologiczne na świecie
Kilka słów o trendach w robotyce. Czy wiesz, na przykład, że najbardziej obiecujące obszary zawodowe dla robotyki to medycyna i produkcja technologii kosmicznych? NASA intensywnie pracuje nad robotami zdolnymi w pełni zdalnie naśladować manipulacje wykonywane przez człowieka, aby uczynić eksplorację kosmosu bardziej dostępną i efektywną. Z drugiej strony wielu wynalazców i naukowców w tej dekadzie skupia się na obniżaniu kosztów wytwarzania robotów. Dzięki temu zbudowanie ramienia robota samodzielnie (np. na bazie kontrolerów Arduino) może kosztować nie więcej niż 100 USD. To ogromny postęp w porównaniu z tym, co mieliśmy zaledwie dziesięć lat temu.
Dlaczego Progressive Automations?
Oczywiście, aby zrealizować wszystkie procesy automatyzacji ramienia robota, potrzebujesz specjalistycznego sprzętu (serwonapędów, mikrokontrolerów Arduino itd.). Oferujemy wyłącznie sprawdzone części i urządzenia, które nasi specjaliści mogą dodatkowo skonfigurować zgodnie z Twoimi wymaganiami. Co więcej, wszystkie produkty dostępne w naszym sklepie internetowym objęte są 18‑miesięczną gwarancją z opcją naprawy lub pełnej wymiany.
Wnioski
Jak widać, zbudowanie ramienia robota przy minimalnych nakładach nie jest trudne. Mamy nadzieję, że produkty dostępne na naszej stronie również Ci w tym pomogą.