Рука манипулятор своими руками чертежи. Настольная робо-рука манипулятор из оргстекла на сервоприводах своими руками

Из особенностей данного робота на платформе Arduino можно отметить сложность его конструкции. Роборука состоит из множества рычагов, которые позволяют ей двигаться по всем осям, хватать и перемещать различные вещи, используя всего 4 серво-мотора. Собрав собственными руками такого робота, Вы точно сможете удивить своих друзей и близких возможностями и приятным видом данного устройства! Помните, что для программирования Вы всегда сможете воспользоваться нашей графической средой RobotON Studio!

Если у Вас появятся вопросы или замечания, мы всегда на связи! Создавайте и выкладывайте свои результаты!

Особенности:

Чтобы собрать робота манипулятора своими руками, вам понадобится довольно много компонентов. Основную часть занимают 3D печатные детали, их около 18 штук (печатать горку необязательно).Если вы скачали и распечатали все необходимое, то вам потребуются болты, гайки и электроника:

5 болтов М4 20мм, 1 на 40 мм и соответствующие гайки с защитой от раскрутки
6 болтов М3 10мм, 1 на 20 мм и соответствующие гайки
Макетка с соединительными проводами или шилд
Arduino Nano
4 серво мотора SG 90

После сборки корпуса ВАЖНО убедиться в его свободной подвижности. Если ключевые узлы Роборуки двигаются с трудом, серво-моторы могут не справиться с нагрузкой. Собирая электронику, необходимо помнить, что подключать цепь к питанию лучше после полной проверки соединений. Чтобы избежать поломки серво-приводов SG 90, не нужно крутить руками сам мотор, если нет необходимости. В случае, если нужно разработать SG 90, нужно плавно подвигать вал мотора в разные стороны.

Характеристики:

Простое программирование ввиду наличия малого количества моторов, причем одного типа
Наличие мертвых зон для некоторых серво-приводах
Широкая применимость робота в повседневной жизни
Интерсная инженерная работа
Необходимость использования 3D принтера

Робот-манипулятор MeArm — карманная версия промышленного манипулятора. MeArm - простой в сборке и управлении робот, механическая рука. Манипулятор имеет четыре степени свободы, что позволяет легко захватывать и перемещать различные небольшие предметы.

Данный товар представлен в виде набора для сборки. Включает в себя следующие части:

набор деталей из прозрачного акрила для сборки механического манипулятора;
4 сервопривода;
плата управления, на которой расположен микроконтроллер Arduino Pro micro и графический дисплей Nokia 5110;
плата джойстиков, содержащая два двухкоординатных аналоговых джойстика;
USB кабель питания.

Перед сборкой механического манипулятора необходимо произвести калибровку сервоприводов. Для калибровки будем использовать контроллер Arduino. Подсоединяем сервоприводы к плате Arduino (необходим внешний источник питания 5-6В 2А).

Servo middle, left, right, claw ; // создание 4 объектов Servo

Void setup()
{
Serial.begin(9600);
middle.attach(11); // присоединяет серво на контакт 11 на вращение платформы
left.attach(10); // присоединяет серво на контакт 10 на левое плечо
right.attach(9); // присоединяет серво на контакт 11 на правое плечо
claw.attach(6); // присоединяет серво на контакт 6 claw (захват)
}

Void loop()
{
// устанавливает позицию сервопривода по величине(в градусах)
middle.write(90);
left.write(90);
right.write(90);
claw.write(25);
delay(300);
}
Используя маркер, сделайте линию через корпус серводвигателя и шпиндель. Подключите пластмассовую качалку из комплекта к сервоприводу, как показано ниже с помощью небольшого винта из комплекта креплений к сервоприводу. Мы будем использовать их в этом положении при сборке механической части MeArm. Будьте осторожны, чтобы не переместить положение шпинделя.

Теперь можно производить сборку механического манипулятора.
Возьмём основание и прикрепим ножки к её углам. Затем установим четыре 20 мм болта и накрутим на них гайки (половину от общей длины).

Теперь крепим центральный сервопривод двумя 8-мм болтами к маленькой пластине, и получившуюся конструкцию крепим к основанию с помощью 20 мм болтов.

Собираем левую секцию конструкции.

Собираем правую секцию конструкции.

Теперь необходимо соединить левую и правую секции. Сначала леую к переходной пластине

Потом правую, и получаем

Подсоединяем конструкцию к платформе

И собираем "клешню"

Крепим "клешню"

Для сборки можно использовать следующее руководство (на англ. языке) или руководство по сборке подобного манипулятора (на русском).

Схема расположения выводов

Теперь можно приступать к написанию Arduino кода. Для управления манипуляторм, наряду с возможностью управления управления с помощью джойстика, было бы неплохо направлять манипулятор в какую-то определенную точку декартовых координат (x, y, z). Есть соответствующая библиотека, которую можно скачать с github - https://github.com/mimeindustries/MeArm/tree/master/Code/Arduino/BobStonesArduinoCode .
Координаты измеряются в мм от центра вращения. Исходное положение находится в точке (0, 100, 50), то есть 100 мм вперед от основания и 50 мм от земли.
Пример использования библиотеки для установки манипулятора в определенной точке декартовых координат:

#include "meArm.h"
#include

Void setup() {
arm.begin(11, 10, 9, 6);
arm.openGripper();
}

Void loop() {
// вверх и влево
arm.gotoPoint(-80,100,140);
// захватить
arm.closeGripper();
// вниз, вред и вправо
arm.gotoPoint(70,200,10);
// отпустить захват
arm.openGripper();
// вернуться вт начальную точку
arm.gotoPoint(0,100,50);
}

Методы класса meArm:

void begin (int pinBase , int pinShoulder , int pinElbow , int pinGripper ) - запуск meArm, указываются пины подключения для сервоприводов middle, left, right, claw. Необходимо вызвать в setup();
void openGripper () - открыть захват;
void closeGripper () - захватить;
void gotoPoint (float x , float y , float z ) - переместить манипулятор в позицию декартовых координат (x, y, z);
float getX () - текущая координата X;
float getY () - текущая координата Y;
float getZ () - текущая координата Z.

Руководство по сборке (англ.)

Всем привет!
Пару лет назад на kickstarter появился очень занятный проект от uFactory - настольная робо-рука uArm . Они обещали со временем сделать проект открытым, но я не мог ждать и занялся реверс-инжинирингом по фотографиям.
За эти годы я сделал четыре версии своего виденья этого манипулятора и в итоге разработал вот такую конструкцию:
Это робо-рука с интегрированным контроллером, приводимая в движение пятью сервпоприводами. Основное ее достоинство в том, что все детали либо можно купить, либо дешево и быстро вырязать из оргстекла лазером.
Так как в качестве источника вдохновения я брал open sorce - проект, то всеми своими результатми делюсь полностью. Вы сможете скачать все исходники по ссылкам в конце статьи и, при желании, собрать такую же (все ссылки в конце статьи).

Но проще один раз показать ее в работе, чем долго рассказывать что она из себя представляет:

Итак, перейдем к описанию.
Технические характеристики

Высота: 300мм.
Рабочая зона (при полностью вытянутом манипуляторе): от 140мм до 300мм вокруг основания
Максимальная грузоподъемность на вытянутой руке, не менее: 200г
Потребляемый ток, не более: 6А

Также мне хочется отметить некоторые особенности конструкции:

Подшипники во всех подвижных частях манипулятора. Всего их одинадцать: 10 штук на вал 3мм и один на вал 30мм.
Простота сборки. Я очень много внимания уделил 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.
Все мощные сервоприводы расположены в основании. То есть "нижние" сервоприводы не таскают "верхние".
За счет параллельных шарниров инструмент всегда остается параллелен или перпендикулярен земле.
Положение манипулятора можно менять на 90 градусов.
Готовое Arduino-совместимое программное обеспечение. Правильно собранная рука может управляться мышкой, а по примерам кода можно составить свои алгоритмы движения

Описание конструкции
Все детали манипулятора режутся из оргстекла толщиной 3 и 5мм:

Обратите внимание, как собирается поворотное основание:
Самый сложный, это узел в нижней части манипулятора. В первых версиях у меня уходило очень много сил, чтобы собрать его. В нем соединяются три сервопривода и передаются усилия на захват. Детали вращаются вокруг штифта диаметром 6мм. Захват удерживается парралельно (или перпендикулярно) рабочей поверхности за счет дополнительных тяг:

Манипулятор с установленым плечом и локтем показан на фотографии ниже. К нему еще только предстоит добавить клешню и тяги для нее:

Клешня тоже устанавливается на подшипниках. Она может сжиматься и поворачиваться вокруг своей оси:
Клешню можно установить как вертикально, так и горизонтально:

Управляется все Arduino-совместимой платой и шилдом для нее:

Сборка
Чтобы собрать манипулятор потребуется около двух часов и куча крепежа. Сам процесс сборки я офмил в виде инструкции в фотографиях (осторожно, траффик!) с подробными комментариями по каждой операции. Также я сделал подробную 3D-модель в простой и бесплатной программе SketchUp. Так что всегда можно повертеть ее перед глазами и посмотреть непонятные места:

Электроника и программирование
Я сделал целый шилд, на котором установил, помимо разъемов сервоприводов и питания, переменные резисторы. Для удобства отладки. На самом деле достаточно при помощи макетки подвести сигналы к двигателям. Но у меня в итоге получился вот такой шилд, который (так уж сложилось) я заказал на заводе:

Вообще я сделал три разные программы под Arduino. Одна для управления с компьютера, одна для работы в демо-режиме и одна для управления кнопками и переменными резисторами. Самая интересная из них, конечно, первая. Я не буду приводить здесь код целиком - он доступен в онлайн .
Для управления необходимо скачать программу для компьютера. После ее запуска мышь переходит в режим управления рукой. Движение отвечает за перемещение по XY, колесико изменяет высоту, ЛКМ/ПКМ - захват, ПКМ+колесико - поворот манипулятора. И это на самом деле удобно. Это было на видео в начале статьи.
Исходники проекта

Привет, гиктаймс!

Проект uArm от uFactory собрал средства на кикстартере уже больше двух лет назад. Они с самого начала говорили, что это будет открытый проект, но сразу после окончания компании они не торопились выкладывать исходники. Я хотел просто порезать оргстекло по их чертежам и все, но так как исходников не было и в обозримом будущем не предвиделось, то я принялся повторять конструкцию по фотографиям.

Сейчас моя робо-рука выглядит так:

Работая не спеша за два года я успел сделать четыре версии и получил достаточно много опыта. Описание, историю проекта и все файлы проекта вы сможете найти под катом.

Пробы и ошибки

Начиная работать над чертежами, я хотел не просто повторить uArm, а улучшить его. Мне казалось, что в моих условиях вполне можно обойтись без подшипников. Так же мне не нравилось то, что электроника вращается вместе со всем манипулятором и хотелось упростить конструкцию нижней части шарнира. Плюс я начал рисовать его сразу немного меньше.

С такими входными параметрами я нарисовал первую версию. К сожалению, у меня не сохранилось фотографий той версии манипулятора (который был выполнен в желтом цвете). Ошибки в ней были просто эпичнейшие. Во-первых, ее было почти невозможно собрать. Как правило, механика которую я рисовал до манипулятора, была достаточно простая, и мне не приходилось задумываться о процессе сборки. Но все-таки я его собрал и попробовал запустить, И рука почти не двигалась! Все детли крутились вокруг винтов и, сли я затягивал их так, чтобы было меньше люфтов, она не могла двигаться. Если ослаблял так, чтобы она могла двигаться, появлялись невероятные люфты. В итоге концепт не прожил и трех дней. И приступил к работе над второй версией манипулятора.

Красный был уже вполне пригоден к работе. Он нормально собирался и со смазкой мог двигаться. На нем я смог протестировать софт, но все-таки отсутствие подшипников и большие потери на разных тягах делали его очень слабым.

Затем я забросил работу над проектом на какое-то время, но вскоре принял решении довести его до ума. Я решил использовать более мощные и популярные сервоприводы, увеличить размер и добавить подшипники. Причем я решил, что не буду пытаться сделать сразу все идеально. Я набросал чертежи на скорую руки, не вычерчивая красивых сопряжений и заказал резку из прозрачного оргстекла. На получившемся манипуляторе я смог отладить процесс сборки, выявил места, нуждающиеся в дополнительном укреплении, и научился использовать подшипники.

После того, как я вдоволь наигрался с прозрачным манипулятором, я засел за чертежи финальной белой версии. Итак, сейчас вся механика полностью отлажена, устраивает меня и готов заявить, что больше ничего не хочу менять в этой конструкции:

Меня удручает то, что я не смог привнести ничего принципиально нового в проект uArm. К тому времени, как я начал рисовать финальную версию, они уже выкатили 3D-модели на GrabCad. В итоге я только немного упростил клешню, подготовил файлы в удобном формате и применил очень простые и стандартные комплектующие.

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:

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.

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.

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.

Видео работы

И, наконец, само видео работы манипулятора. На нем показано управление мышью, резисторами и по заранее записанной программе.

Ссылки

Файлы для резки оргстекла, 3D-модели, список для покупки, чертежи платы и софт можно скачать в конце моей

Подключение:

Если Вы собрали детали манипулятора в соответствии с инструкцией, то можно приступить к сборке электронной схемы. Мы предлагаем подключить сервоприводы манипулятора к Arduino UNO через Trerma-Power Shield , а управлять сервоприводами используя Trema-потенциометры .

Поворот ручки первого Trema-потенциометра приведёт к повороту основания.
Поворот ручки второго Trema-потенциометра приведёт к повороту левого плеча.
Поворот ручки третьего Trema-потенциометра приведёт к повороту правого плеча.
Поворот ручки четвёртого Trema-потенциометра приведёт в движение захват.

В коде программы (скетче) предусмотрена защита сервоприводов , которая заключается в том, что диапазон их вращения ограничен интервалом (двумя углами) свободного хода. Минимальный и максимальный угол вращения указываются в качестве двух последних аргументов функции map() для каждого сервопривода . А значение этих углов определяется в процессе калибровки, которую нужно выполнить до начала работы с манипулятором.

Код программы:

Если вы подадите питание, до калибровки, манипулятор может начать двигаться неадекватно! Сначала выполните все шаги калибровки.

#include // Подключаем библиотеку Servo для работы с сервоприводами Servo servo1; // Объявляем объект servo1 для работы с сервоприводом основания Servo servo2; // Объявляем объект servo2 для работы с сервоприводом левого плеча Servo servo3; // Объявляем объект servo3 для работы с сервоприводом правого плеча Servo servo4; // Объявляем объект servo4 для работы с сервоприводом захвата int valR1, valR2, valR3, valR4; // Объявляем переменные для хранения значений потенциометров // Назначаем выводы: const uint8_t pinR1 = A2; // Определяем константу с № вывода потенциометра управл. основанием const uint8_t pinR2 = A3; // Определяем константу с № вывода потенциометра управл. левым плечом const uint8_t pinR3 = A4; // Определяем константу с № вывода потенциометра управл. правым плечом const uint8_t pinR4 = A5; // Определяем константу с № вывода потенциометра управл. захватом const uint8_t pinS1 = 10; // Определяем константу с № вывода сервопривода основания const uint8_t pinS2 = 9; // Определяем константу с № вывода сервопривода левого плеча const uint8_t pinS3 = 8; // Определяем константу с № вывода сервопривода правого плеча const uint8_t pinS4 = 7; // Определяем константу с № вывода сервопривода захвата void setup(){ // Код функции setup выполняется однократно: Serial.begin(9600); // Инициируем передачу данных в монитор последовательного порта servo1.attach(pinS1); // Назначаем объекту servo1 управление сервоприводом 1 servo2.attach(pinS2); // Назначаем объекту servo2 управление сервоприводом 2 servo3.attach(pinS3); // Назначаем объекту servo3 управление сервоприводом 3 servo4.attach(pinS4); // Назначаем объекту servo4 управление сервоприводом 4 } void loop(){ // Код функции loop выполняется постоянно: valR1=map(analogRead(pinR1), 0, 1024, 10, 170); servo1.write(valR1); // Вращаем основанием Указанные в данной строке углы: 10 и 170 возможно потребуется изменить (откалибровать) valR2=map(analogRead(pinR2), 0, 1024, 80, 170); servo2.write(valR2); // Управляем левым плечом Указанные в данной строке углы: 80 и 170 возможно потребуется изменить (откалибровать) valR3=map(analogRead(pinR3), 0, 1024, 60, 170); servo3.write(valR3); // Управляем правым плечом Указанные в данной строке углы: 60 и 170 возможно потребуется изменить (откалибровать) valR4=map(analogRead(pinR4), 0, 1024, 40, 70); servo4.write(valR4); // Управляем захватом Указанные в данной строке углы: 40 и 70 возможно потребуется изменить (откалибровать) Serial.println((String) "A1 = "+valR1+",\t A2 = "+valR2+", \t A3 = "+valR3+", \t A4 = "+valR4); // Выводим углы в монитор }

Калибровка:

Перед началом работы с манипулятором, его нужно откалибровать!

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 D10.
Поворот ручки первого Trema-потенциометра (вывод A2) приведёт к повороту первого сервопривода (вывод D10), а в мониторе изменится значение текущего угла этого сервопривода (значение: A1 = ...). 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 D9.
Поворот ручки второго Trema-потенциометра (вывод A3) приведёт к повороту второго сервопривода (вывод D9), а в мониторе изменится значение текущего угла этого сервопривода (значение: A2 = ...). 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 D8. и аналогичным образом осуществите его калибровку.
Подключите четвертый сервопривод (управляющий захватом) к выводу D7. и аналогичным образом осуществите его калибровку.

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