Настольная робо-рука манипулятор из оргстекла на сервоприводах своими руками или реверс-инжиниринг uArm / Хабр

Рука манипулятор — это потрясающее устройство! Во всем мире их используют заводы, они красят, припаивают и перемещают вещи. Их также можно увидеть в космических исследованиях, подводных машинах и даже в медицинских целях!

И теперь у Вас есть возможность собрать дешёвую версию в вашем собственном доме, офисе или лаборатории! Устали делать повторяющуюся работу? Программируйте свой манипулятор, чтобы манипулятор решал за Вас эти задачи….

В этом уроке мы покажем Вам, как собрать роботизированную руку и как ее запрограммировать с помощью Arduino Mega. Для этого проекта мы также испытаем другой метод управления манипулятором: используя контроллеры — Nintendo Nunchuk! Они дешевы, легкие в поиске и имеют множество датчиков.

Существует несколько способов использования этого урока. Если у вас нет набора для манипулятора (и Вы не хотите его покупать или создавать), Вы все равно можете прочитать урок, чтобы узнать что-то о программировании Arduino и о том, как связать контроллер Wii Nunchuk с Вашими собственными проектами. Урок так же поможет, в практике навыков сборки электроники.

Характеристики

Технические характеристики бортового ГАЗ-53, на который обычно устанавливается манипулятор:

Автомобили ГАЗ-53 комплектовались шинами 8,25-R20. Вместимость бензобака составляет 90 литров. Задняя и передняя подвески – зависимые рессорные, на передней также установлены телескопические амортизаторы. Автоманипулятор ГАЗ-53 на обеих осях оснащен тормозами барабанного типа. Благодаря отсутствию гидроусиления рулевого управления процесс вождения данной техники превращается в физически непростое занятие.

В течение производственного цикла на автомобили ГАЗ-53 устанавливались различные двигатели, мощность которых влияла на грузоподъемность машины.

Электроника

Чтобы заставить руку работать достаточно всего навсего подключить пять сервоприводов к Arduino и подать на них питание с хорошего источника. У uArm использованы какие-то двигатели с обратной связью. Я поставил три обычных двигателя MG995 и два маленьких двигателя с металлическим редуктором для управления захватом.
Тут мое повествование тесно сплетается с предыдущими проектами. С некоторых пор я начал преподавать программирование Arduino и для этих целей даже подготовил свою Arduino-совместимую плату. С другой стороны как-то раз мне подвернулась возможность дешево изготовить платы (о чем я тоже писал). В итоге все это закончилось тем, что я использовал для управления манипулятором свою собственную Arduino-совместимую плату и специализированный шилд.

Этот шилд на самом деле очень простой. На нем четыре переменных резистора, две кнопки, пять разъемов для сервопривода и разъем питания. Это очень удобно с точки зрения отладки. Можно загрузить тестовый скетч и записать какой-нибудь макрос для управления или что-нибудь вроде того. Ссылку для скачивания файла платы я тоже дам в конце статьи, но она подготовлена для изготовления с металлизацией отверстий, так что мало пригодна для домашнего производства.

Мини-кран своими руками: обзор вариантов

При строительстве дома из газобетона, бруса, кирпича и т.д. часто возникает необходимость в подъёме груза. Например, нужно «закинуть» блоки или деревянные балки на второй этаж, поднять мешки с цементом или залить армопояс. Делать это вручную, даже с привлечением помощников, не так легко — здоровье дороже. Нанимать автокран или манипулятор на небольшой объём работ — дорого. Выход — использовать мини-кран, который, для удешевления строительства, сделан своими руками.

Как сделать подъёмник для кладки газобетона.
Какие детали и инструменты нужны для строительства мини-крана.
Как сократить затраты на строительство универсального подъёмника.

Особенности манипулятора

До появления uArm, настольные манипуляторы подобного класса выглядели достаточно уныло. У них либо не было электроники вообще, либо было какое-нибудь управление с резисторами, либо было свое проприетарное ПО. Во-вторых, они как правило не имели системы параллельных шарниров и сам захват менял свое положение в процессе работы. Если собрать все достоинства моего манипулятора, то получается достаточно длинный список:

Система тяг, позволяющих разместить мощные я тяжелые двигатели в основании манипулятора, а также удерживающие захват параллельно или перпендикулярно основанию
Простой набор комплектующих, которые легко купить или вырезать из оргстекла
Подшипники почти во всех узлах манипулятора
Простота сборки. Это оказалось действительно сложной задачей. Особенно трудно было продумать процесс сборки основания
Положение захвата можно менять на 90 градусов
Открытые исходники и документация. Все подготовлено в доступных форматах. Я дам ссылки для скачивания на 3D-модели, файлы для резки, список материалов, электронику и софт
Arduino-совместимость. Есть много противников Arduino, но я считаю, что это возможность расширения аудитории. Профессионалы вполне могут написать свой софт на C — это же обычный контроллер от Atmel!

Механика

Для сборки необходимо вырезать детали из оргстекла толщиной 5мм:

… и 3мм:

С меня за резку всех этих деталей взяли около $10.

Основание монтируется на большом подшипнике:

Особенно трудно было продумать основание с точки зрения процесса сборки, но я подглядывал за инженерами из uArm. Качалки сидят на штифте диаметром 6мм. Надо отметить, что тяга локтя у меня держится на П-образном держателе, а у uFactory на Г-образном. Трудно объяснить в чем разница, но я считаю у меня получилось лучше.

Захват собирается отдельно. Он может поворачиваться вокруг своей оси. Сама клешня сидит прямо на валу двигателя:

В конце статьи я дам ссылку на суперподробную инструкцию по сборке в фотографиях. За пару часов можно уверенно все это скрутить, если все необходимое есть под рукой. Также я подготовил 3D-модель в бесплатной программе SketchUp. Её можно скачать, покрутить и посмотреть что и как собрано.

Программирование

Самое интересное, это управление манипулятором с компьютера. У uArm есть удобное приложение для управления манипулятором и протокол для работы с ним. Компьютер отправляет в COM-порт 11 байт. Первый из них всегда 0xFF, второй 0xAA и некоторые из оставшихся — сигналы для сервоприводов. Далее эти данные нормализуются и отдаются на отработку двигателям. У меня сервоприводы подключены к цифровым входам/выходам 9-12, но это легко можно поменять.
Терминальная программа от uArm позволяет изменять пять параметров при управлении мышью. При движении мыши по поверхности изменяется положение манипулятора в плоскости XY. Вращение колесика — изменение высоты. ЛКМ/ПКМ — сжать/разжать клешню. ПКМ + колесико — поворот захвата. На самом деле очень удобно. При желании можно написать любой терминальный софт, который будет общаться с манипулятором по такому же протоколу.

Я не буду здесь приводить скетчи — скачать их можно будет в конце статьи.

Устанавливаем сенсоры на перчатке

Можем приступать к установке датчиков и нашей монтажной платы на саму перчатку. Сначала просверлите небольшое отверстие в пластике датчиков. Отверстия сверлятся в местах, где чувствительный элемент закончился. ВАЖНО! Ни в коем случае не сверлите отверстие в чувствительном материале. После этого оденьте перчатку. Сделайте отметки карандашом или ручкой на вершине каждого сустава. Эти места вы будете использовать для крепежа сенсоров. Датчики изгиба крепятся обычной ниткой. Пришейте сенсоры к перчатке. Используйте отверстие, которые вы сделали на концах датчика. В местах, где отмечены суставы сенсоры «прихватываются» нитью поверх. Более детально все это показано на фото ниже. Монтажная плата пришивается к перчатке аналогично сенсорам. Учтите, что для движения пальцев надо оставить определенный запас длины проводников. Это надо учесть при установке нашей монтажной платы и выборе длины коннекторов от нее к датчикам.

Сборка конструкции своими руками

Чтобы после первого же применения стрела не деформировалась и не потребовалось разобрать всю конструкцию, к вопросу самостоятельного изготовления нужно подойти максимально ответственно.

Фактически работа подразумевает выполнение 2 этапов.

Подготовка прицепа. Для начала придется подготовить сам прицеп. Ведь установить кран непосредственно на платформу, особенно когда пол выполнен из фанеры, не получится. Кран займет полезное пространство и не обеспечит нужную эффективность. Потому лучше делать узел за пределами бортов или грузовой платформы. Подготовив площадку для крана, далее наступит следующий этап;
Изготовление крана и его установка. Собрать кран можно из подручных материалов, но лучше использовать качественные компоненты с нужными параметрами прочности и устойчивости к износу в ходе эксплуатации. Об этом расскажу чуть позже.

Теперь по каждому этапу пройдемся отдельно.

Скажу сразу, что это лишь пример, который вы можете использовать в качестве основы или повторять его с абсолютной точностью. У всех разные прицепы и различные возможности, как и задачи, стоящие перед подобной конструкцией.

Подготовка прицепа

Никто не запрещает вам использовать готовые чертежи из сети. Только предварительно убедитесь, что они правильные, выполнены грамотно и соответствуют реальным характеристикам получаемого крана. Плюс не забывайте, что в некоторых случаях правильнее и проще установить лебедку для прицепа , а не монтировать самодельный манипулятор.

Возможно, кому-то потребуется дополнительно люлька, либо стрела увеличенного размера. Все индивидуально, но в качестве примера одну конструкцию описать стоит. Подкрепить полученные знания всегда можно с помощью фото и видео инструкций, представленных в сети.

Перед тем как сделать сам кран, займемся подготовкой автоприцепа. Суть подготовительных мероприятий заключается в следующем:

подготовить материалы для изготовления конструкции;
сделать выдвижные подставки из профильной трубы и металлических пластин;
тем самым автоприцеп будет более устойчивым;
на основе профильной трубы выполнить прямоугольную раму для монтажа самого крана;
прикрепить ее к перекладине подрамника;
внутри одной из труб подставки зафиксировать выдвижную ножку;
с помощью листового металла вырезать площадку требуемого размера;
приварить к листу металла отрезок трубы;
ребрами жесткости дополнительно соединить трубу с площадкой под кран.

Что касается материалов, то профильную трубу лучше брать с сечением около 50×50 мм. Листовой металл не должен быть по толщине менее 5 мм. Отрезок трубы для основания под кран берется в районе 90 мм в диаметре. Длина произвольная, но не менее 300 мм.

Подъемное устройство

Теперь у вас в распоряжении есть прицеп, на котором присутствует специальная подставка и основание для будущего крана-манипулятора. Где именно и с какой стороны делать площадку, решайте сами. Тут есть разные варианты.

Что же касается подъемного устройства, то здесь работа предусматривает выполнение следующих операций:

из трубы диаметров около 80 мм делается стойка;
с одного конца стойки параллельно фиксируются две металлические пластины;
ко второму концу приваривается основание, подготовленное на прицепе;
внутри основания можно засыпать шарики от подшипников, смазав их маслом;
тем самым стойка будет свободно вращаться во время работы;
между пластиками стойки монтируется стрела с помощью болтового соединения;
стрелу можно сделать из труб с сечением 60×60 и 50×50 мм;
чтобы стрела регулировалась по наклону и вылету, в трубах и пластинах необходимо высверлить отверстия;
в них вставляются стороны;
к стреле далее вваривается ручная лебедка.

Подобный кран теперь осталось только болтами закрепить на прицепе. Сварным методом соединять манипулятор с прицепом не стоит, поскольку вряд ли сотрудники ГИБДД похвалят вас за выезд на дорогу общего пользования с подобным самодельным творением.

Это лишь пример того, как можно собственными силами превратить обычный прицеп в более функциональное прицепное транспортное средство. Далее выбор за вами.

Делитесь своими мыслями и идеями на этот счет. Если знаете, как усовершенствовать конструкцию, жду ваших комментариев.