Projekt ramienia robota z silnikami krokowymi i sterowaniem Altera

Witam wszystkich. Chciałem opisać mój projekt ramienia robota który jest tematem mojej pracy dyplomowej (inżynierskiej).

Wytyczne jakie dostałem od promotora:
- ramie ma być napędzane silnikami krokowymi
- wielkość ramienia dowolna
- 5 lub 6 osi swobody
- sterowanie ramienia za pomocą procesorów firmy Altera i/lub komputera
- budżet 2000 zł (na część mechaniczną)

Projekt zajął dużo czasu bo to mój pierwszy tak poważny projekt.
W załączniku projekt ramienia w formacie *.dwg (AutoCAD 2007/2008)

Koncepcji było wiele ale stanęło na projekcie widocznym na filmiku




Zamówiłem blachę aluminiową grubość 3 mm z której wycięto mi elementy (jeszcze nie wszystkie)

Czekałem dość długo na wycinanie ale opłacało się bo wykonanie jest świetne, nawet nie spodziewałem się, że na maszynie która nie frezuje tylko tnie blachę nożem można uzyskać takie efekty i to przy cieciu aluminium.

Oto maszyna:


to efekty cięcia, niektóre miejsca trzeba lekko pilnikiem poprawić ale ogólnie jestem bardzo zadowolony:



pozostałości z wycinanej blachy:



W tym tygodniu jadę kupić również wałki aluminiowe by móc wytoczyć ośki do ramienia, za jakiś czas zdam kolejne relacje.

Wykonałem również zdjęcia elementów które zmówiłem ze sklepu Wobit i z akcesoria.cnc.info.pl.

Wstępnie skleiłem również elementy końcówki chwytaka na razie tylko taśmą klejącą by zobaczyć czy wszystko pasuje. Wymiary zgadzają się idealnie z projektem.

Zrobiłem również kilka prób 4 klejami i jak na razie wygrywa klej SuperGlue, tani szybki i świetnie trzyma nawet na małych powierzchniach styku. Mam do wypróbowania jeszcze jeden klej ale sprawdzę go za jakiś czas.



Poprawiłem zdjęcia
bestler

Podaj więcej szczegółów jak chcesz tym sterowac.
Projekt widac dobrze przygotowany
Sam kiedys popełniłem podobna konstrukcję ale bardziej budżetową, konstrukcja była z laminatu a napęd stanowiły serwa, całością sterowała atmega 32 do której można było wprowadzac całą sekwencje ruchów ale to już stare dzieje, pamiętam że sporo problemów miałem z dobraniem odpowiedniej przeciwwagi ze względu na to że miałem za słabe serva.

robiłem bardzo dużo obliczeń przy doborze silników, wszystko było zaprojektowane bez przeciwwag ale później stwierdziłem ze przecież można odsunąć silnik poza oś i tym samym jego ciężar będzie przeciwwagą. Dlatego myślę że nie będzie problemu z poruszaniem się ramienia.

Założyłem też 10-krotny współczynnik zmniejszający dla momentu siły silnika, tak więc jeżeli wychodziło mi, że ramie podczas spoczynku w najgorszych warunkach czyli na maksymalnym wysięgu będzie miało na jakieś osi moment siły równy 2Nm, dzieliłem to przez przekładnie (przykładowo i=200) wychodziło mi że czysto teoretycznie do podtrzymania ramienia w takim stanie potrzeba silnika z momentem siły równym 0,1 Nm, ale wiadomo że jeżeli silnik ma moment siły równy 0,1Nm to znaczy ze ma teoretycznie taki moment podczas postoju (moment trzymający). Wraz ze wzrostem obrotów silnika maleje moment na wale i dlatego zastosowałem współczynnik zmniejszający k=10

co myślicie o takim podejściu do problemu obliczania sił?

mozna tez uzyc sprezyny odciazeniowej, jak ramie robota bedzie wychylone maksymalnie do przodu na 2 i 3 osi i bedzie mialo jakis ciezar zalozony na 6 osi. sprezyna ma przyciagac 3 oś do siebie, (taka sprytna przeciwwaga).

Dodano po 10 [minuty]:

1 os mozna zrobic na takiej podstawie z duza zebatka ktora bedzie poruszal silnik z mala zebatka, robot bedzie w stanie prouszac sie o 360 stopni na pierwszej osi.

no na projekcie właśnie tak rozwiązano ten problem nie wiem czy w ogóle oglądałeś projekt?

Co do sprężyn rozważałem takie rozwiązanie, problem leży w doborze odpowiedniej sprężyny co wcale nie jest łatwe

nelik1987 napisał:

Czekałem dość długo na wycinanie ale opłacało się bo wykonanie jest świetne, nawet nie spodziewałem się, że na maszynie która nie frezuje tylko tnie blachę nożem można uzyskać takie efekty i to przy cieciu aluminium.

Tak tylko w ramach sprostowania to maszyna, która wycięła elementy to wykrawarka firmy Amada (model w skrócie nazywany EM-ką) - nie tnie blachy nożem, tylko wybija otwory o kształcie narzędzi (stempla i matrycy) umieszczonych w rewolwerze maszyny. Stempel umieszczony na górze z wielką siłą uderza w blachę powodując wybicie otworu gdzie matryca stanowi podparcie. Dokładność metody wykrawania bez problemu mieści się w 0,1mm.

nelik1987 napisał:

...to efekty cięcia, niektóre miejsca trzeba lekko pilnikiem poprawić ale ogólnie jestem bardzo zadowolony:

Poprawić zapewne musiałeś mikro-złącza i spiłować grad od spodu

Jeżeli jesteś zainteresowany większą ilością informacji na temat wykrawania, które to byś chciał umieścić w swojej PD to pisz - jakieś materiały są do zdobycia.

Aktualizacja 14.07.2009

Dzisiaj po całym dniu walczenia w warsztacie uzyskałem pewne efekty, skleiłem części chwytaka i wstawiłem silniki. Pojawiły się również ciężkie do wykonania ośki o średnicy 2mm wykonane z aluminium. Z ośkami był problem bo przy toczeniu tak małych elementów i do tego z aluminium potrafiły się one zrywać skręcać wykrzywiać itp. Wykonanie samych osiek zajęło mi ponad godzinę (bo jak wytoczyłem jedną to mi spadła i się zgubiła ).

Resztę efektów widać na fotkach

chwytak nie będzie podnosił 5 kilogramowych ciężarów, został przystosowany do podnoszenia około 100-200 gramów.

Może na zdjęciach wygląda na mało stabilny ale w rzeczywistości jest sztywny i dobrze się trzyma.

Teraz na szybko zbuduje jakiś sterownik do silników unipolarnych i zobaczę jak działa chwytak

Dzisiaj uruchomiłem sam chwytak, napisałem prosty programik na atmega8 i wykorzystałem ULN2003 zasilanie 12V.

filmik z pracy chwytaka

A jakie będziesz robił sterowanie tylko przez avr czy zrobisz jeszcze możliwość komunikacji z PECETEM

sterowanie będzie oparte na procesorze sygnałowym firmy Altera a programowanie poprzez Quartus'a
Kolejne postępy mianowicie zrealizowałem dzisiaj sterowanie za pomocą potencjometru i przetwornika A/C w ATmega8, sterowanie takie będzie wykorzystane podczas bezpośredniego sterowania za pomocą małego ramienia które będzie poruszane ręką człowieka

Jak prace się posuwają? Właśnie po tych wakacjach zaczynam studia na elektrotechnice w gdańsku, także ciekawi mnie te ramie robota.

PS. Jaki wybrałeś kierunek dyplomowania?

Niestety prace posuwaja się dość wolno, wróciłem do deski kreślarskiej a właściwie do autocad i staram sie zaprojektować napinacz co zębatego bo okazało się że jeden z pasków jest dłuższy niż w specyfikacji i muszę go napiąć bo przy większych obciążeniach potrafi przeskoczyć ząbek. Jednocześnie staram się wymyślić sposób mocowania silników do ramienia tak by można było napisać pasek zębaty. Jeżeli rozwiąże już te problemy wysyłam projekty do firmy i będę czekał na wycięcie kolejnych części z aluminium.

o pisaniu pracy nie ma jeszcze mowy, na razie muszę uruchomić całe ramie w sensie mechanicznym potem wykonać oprogramowanie a wtedy biorę sie za pisanie :/ daleka droga przede mną

A masz zamiar zrobić jeszcze dodatkowo sterowanie komputerem czy tylko mikroprocesor jak pisałeś. Ja jestem na 2 roku automatyki i robotyki czyli niedługo będę musiał coś robić. W październiku zaczynam zabawę z AVR a twój projekt zainspirował mnie aby moja praca inżynierska miała podobną tematykę

szczerze mówiąc to się troszkę wpakowałem bo temat jest bardzo obszerny jeżeli chodzi o pracę nad nim, nie dośc ze trzeba napisać samą pracę rozwiązać milion problemów to do chodzi do tego zaprojektowanie i wykonanie części elektryczno elektronicznej, jak i części mechanicznej, a mechanik ze mnie żaden pierwszy raz takie coś projektuję wiec napotkałem wiele problemów konstrukcyjnych.

Koledzy wybrali tematy w stylu zaprojektowanie instalacji elektryczne lub coś podobnego i mają o niebo mnie pracy, ale ja jestem abitny i tym torem trzeba iśc

wiem jeszcze jedno że często takie projekty wiążą się z dużymi kosztami. A praca jaką należy wykonać jest o wiele mniejsza niż przy pisaniu samej koncepcji działania. Myślę że ja też jest ambitny ale z doświadczenia (jestem po technikum) wiem że lepiej wybrać łatwiejszy projekt ale lejej go dopracować. Ale ja robiłem zawsze co innego co wszyscy i nauczyłem się więcej (tworzeniu czegoś trudniejszego).
Pozdrawiam i kibicuje twojemu projektowi

Aktualizacja 26.08.2009

Kolejne testy prowadzone ze sterownikami do silników krokowych tym razem sterowanie za pomocą joystick'a przesuniecie przód / tył zamyka lub otwiera chwytak, a przesyniecie w lewo lub prawo obraca końcówkę

wszystko widać na filmie:



narazie to był eksperyment ale sterowanie na 2 joystick było by interesujące, jeden joystick do obracania i podnoszenia całego ramienia do tego 2 przyciski jeden do zamykania i otwierania chwytaka drugi joystick do do ruchu w "łokciu" i "nadgarstku" i 2 przyciski do obracania "nadgarstka" czyli w sumie 6 osi

AKTUALIZACJA 28.08.2009

Tak jak zapowiadałem dzisiaj wykonałem i zamocowałem napinacze pasków, wtoczyłem tulejkę z kołnierzem i nagwintowałem w środku. na to nałożyłem 2 łożyska i dokręciłem śrubką na końcu tak by łożyska nie spadły. Napięcie paska dobierałem "na oko" teraz po naciągnięciu pasków właściwie nie ma luzów na nich i tym samym poruszanie samym ramieniem będzie bardziej dokładne.

Sorry za jakość fotek ale ciężko robić fotki błyszczącego aluminium, muszę przygotować stanowisko do robienia fotek z rozproszonym światłem

AKTUALIZACJA 15.09.2009

Otrzymałem kolejne części wycięte z aluminium a także mocowania silników z blachy stalowej 1mm. Już za kilka dni zaprezentuję złożone ramie bez podstawy. Udało mi się również uruchomić sterownik do silników krokowych bipolarnych, jak się okazało silniki maja naprawdę ogromną moc jak na swoje wymiary i jak na razie wystarczają w zupełności gdy są zasilane jedynie napięciem znamionowym (12V) ale jeżeli będzie potrzeba silniki będą zasilanie wyższym napięciem

nelik1987 napisał:

sterowanie będzie oparte na procesorze sygnałowym firmy Altera a programowanie poprzez Quartus'a

Jeśli ramię ma być sterowane przez układ FPGA radzę rzucić w
kąt Atmegę i spróbować napisać kod w VHDL'u ,który obsłuży
przynajmniej jeden silnik krokowy.
Pozdrawiam i życzę sukcesów.

niestety nie mogę porzucić Altery bo takie układy mamy na uczelni i z niego będę korzystał, Będę pisał w języku C

AKTUALIZACJA 23.09.2009

Zrobiłem trochę pożytku z dostarczonych części, poskładałem co nieco i oto efekty pracy. na filmiku widać jak poruszają się 2 części ramienia, sterowanie zrealizowane za pomocą joysticka, tak tylko by sprawdzić czy wszystko działa poprawnie.



Fotki głównie z klejenia elementów klejem epoksydowym. Musiałem sklejać 2 arkusze blachy by otrzymać elementy o grubości 6 mm. Na razie wszystko schnie.

AKTUALIZACJA 12.10.2009

Dzisiaj zamówiłem kolejne części bo okazało się ze przy podstawie paski zębate nie wytrzymują obciążenia i trzeba je zastąpić kołami zębatymi stalowymi. Prace stanęły ale zaraz po nadejściu części zabiorę się za dalsza pracę, w miedzy czasie wykonałem sterowanie do mojego robota. Wykorzystałem do tego pada doi gier, i procesor ATMega8 do dekodowania sygnały analogowego (napięciowego) na sygnał cyfrowy, wartości poniżej 150 przetwornika odczytywane jest jako jeden ruch a przekroczenie wartości 873 (czyli 1023-150=873) jednoznacznie wskazuje na ruch joysticka w drugą stronę.Przetwornik jest 10 bitowy dlatego wskazywane są wartości od 0 do 1023, co widać na wyświetlaczu (słabo widać). To co pozornie wydawało się być utrudnieniem czyli to ze pad posiada joysticku potencjometryczne okazało się być ułatwieniem bo zmniejszyło ilość przewodów z pada do sterownika o 4. wartości wyjść potencjometru są w granica od 0 do 5 V

Zresztą wszystko widać na filmiku:

AKTUALIZACJA 14.10.2009

Kolejne postępy, złożyłem wszytskie części aluminiowe w całość. Jak się niestety okazało, założone podwójne koła zębate z paskami zębatymi nie wytrzymały obciążeń u podstawy ramienia (najbardziej obciążona oś), Paski zostaną zastąpione kołami stalowymi ze zmienionym przełożeniem. Dzisiaj otrzymałem koła zębate ze sklepu, a w weekend mam zamiar je zamontować.

Kolejną ważną sprawą jest łożyskowanie podstawy, na początku miała ona się ślizgać na paskach teflonowych, ale postanowiłem że podstawa będzie w pełni łożyskowana, zaprojektowałem elementy trzymające łożyska montowane od spodu podstawy (widać na fotkach). Zastosowałem 4 łożyska co 90° kątowych. Całe ramie z obrotową podstawą łożyskowane jest również przez duże łożysko centralne na osi obrotu.

W ten weekend zostaną zamontowane wszytskie silniki i zaczną się prace nad sterowaniem całego układu.

Dodam jeszcze, że większość elementów została zamontowana na szybko by sprawdzić jak wszystko działa, brzydkie śruby i inne nie dopracowane elementy zostaną poprawione gdy zakończą się pracę nad sterowaniem robota

Hej, przyglądam się tematowi..
Nie wiem czy dla Ciebie nie jest za późno, znalazłem w sieci ciekawe przeniesienie napędu, co by odciążyć ramię:
http://letsmakerobots.com/node/6529
w wersji trochę większej niż Twoja przekładnie można pozyskać ze szlifierki wymagane 3 szt.
Pozdrawiam
Rafał

no na zmianę napędu jest zdecydowanie za późno szkoda że wcześniej nie pomyślałem o wykorzystaniu przekładni ze szlifierki, chciałem zrobić przekładnie ślimakową w podstawie która ma sporo zalet, najważniejsze to to że jest samohamowna i ma duże przełożenie, problem w tym że nie mogłem dostać odpowiedniej przekładni, dlatego zastosowałem bardziej skomplikowane rozwiązanie z kilkoma przekładniami na kołach zebatych

Przekładnie ze szlifierki nie jest przekładnią ślimakową, ani samohamowną, jest to zwykła przekładnia stożkowa.
Myk z linku, który przedstawiłem polega na wyrzuceniu silników poza(prawie) ramię, oraz specjalnym ich sterowaniu, co zwiększa siłę udźwigu. Sterowanie _podobne_ do pracy dyferencjału, tylko na odwrót Dopiero po czasie załapałem o co tam chodzi:)
Pozdrawiam
Rafał

no to z tym "dyferencjałem" widziałem, bardzo ciekawe rozwiązanie i jak mówisz można silnik wywalić na drugą stronę ramienia, chciałem tak na początek zrobić ale ceny przekładni kątowych troszkę mnie przerosły, dlatego zdecydowałem się na inne rozwiązania

Postępy sa spore, ale nie mam czasu na opublikowane materiałów bo jestem w fazie pisania pracy dyplomowej, okazało się, że muszę ją oddać znacznie szybciej niż było powiedziane na początku semestru. Jak tylko znajdę czas porobię trochę fotek i opisze dokładniej konstrukcje i sterowanie.

Są już efekty pracy ramienia, do poprawki pozostało ustawienie dokładnie prędkości silników bo jak widać na filmie podstawa obraca się troszkę za szybko i ciężko jej wyhamować czasami Tak czy inaczej ramie wreszcie działa