Manipulator z chwytakiem

[wsowa]

W poniższym artykule przedstawiam projekt manipulatora o 5 stopniach swobody z chwytakiem. Manipulator zaprojektowałem w programie Autodesk Inventor 2011 i jest to pierwszy model jaki wykonałem w tym programie. Cechą wyróżniającą ten manipulator jest przesunięcie silników ze stawów na platformę obrotową i przenoszenie napędu na poszczególne stawy za pomocą pasów zębatych. Dzięki temu możliwe jest zminimalizowanie masy stawów i zwiększenie udźwigu. Wcześniej wykonywałem rysunki koncepcyjne w programie do rysunku technicznego QCad. Do artykułu załączam kompletny model do otworzenia w Autodesk Inventor 2011 oraz kilka screenshotów i animacji z programu. Z góry przepraszam za słabą jakość wideo - nie zdołałem przekonać Inventora do zapisu w lepszej.

Manipulator składa się z 5 podstawowych elementów (od dołu):

- obrotowa podstawa wraz z barkiem i silnikami

- ramię

- przedramię

- nadgarstek

- chwytak

oraz posiada następujące stopnie swobody:

- obrotowa platforma - jeden pełen obrót

- bark - 90 stopni

- łokieć - 270 stopni

- nadgarstek - 180 stopni

- obrót nadgarstka - 180 stopni

Podstawowe wymiary

- długość ramienia (od osi w barku do osi w łokciu): 150mm

- długość przedramienia (od osi w łokciu do osi w nadgarstku): 150mm

- długość nadgarstka (od osi w barku do chwytaka): 38mm

- rozwartość chwytaka: 70mm

- długość chwytaka rozwartego/zamkniętego: 88mm/110mm

- wysokość obrotowej podstawy: 15mm

- szerokość barku: 57mm

- szerokość ramienia: 47mm

- szerokość przedramienia: 39mm

- szerokość nadgarstka: 42mm

- szerokość chwytaka rozwartego/zamkniętego: 40mm / 110mm

- szerokość belki bocznej (ramię, przedramię, nadgarstek): 30mm

- całkowita długość przy połowicznie zamkniętym chwytaku: 469mm

- długość przy połowicznie zamkniętym chwytaku od osi barku do środka chwytaka: 410mm

Udźwig na wyprostowanym łokciu i nadgarstku i poziomo ułożonym ramieniu

- W zależności od użytych silników.

- W wykonywanej przeze mnie wersji minimalny udźwig jaki zakładam to 550 gram.

Użyte materiały

Blacha aluminiowa 1mm i 2mm, profile i rurki aluminiowe, pręty aluminiowe, pasy zębate XL, koła pasowe zębate XL, koła zębate z krajalnicy, łożyska, linka rowerowa, sprężyny skrętne

Opis konstrukcji

Obrotowa podstawa

Platforma, na której spoczywa manipulator przytwierdzona jest do podłoża śrubą M8 stanowiącą jednocześnie oś obrotu platformy. Między platformą a podłożem i platformą a śrubą znajdują się łożyska oporowe 40x60x13mm oraz 8x18x5mm, dzięki którym platforma może się swobodnie obracać zachowując jednocześnie stabilność. Platforma wykonana jest z blachy aluminiowej 2mm. Platforma napędzana jest za pomocą zainstalowanego na niej zmodyfikowanego do obrotu ciągłego serwa TowerPro MG995 z zamontowanym małym kołem zębatym pochodzącym z krajalnicy i zazębionym z dużym kołem zębatym pochodzącym z noża od krajalnicy i przytwierdzonym do podłoża. Kąt o jaki obrócona jest podstawa mierzony jest przy pomocy potencjometru przytwierdzonego do osi obrotu. Potencjometr nie jest przedstawiony na modelu. Ponadto na platformie znajdzie się silnik nawijający linkę zaciskającą chwytak (szczegóły dalej w części opisującej chwytak). Do podstawy przytwierdzony jest bark.

Bark

W związku z tym, że decyzja o wyborze silników napędzających manipulator nie została jeszcze podjęta ostateczny kształt barku może się jeszcze zmienić. Niemniej jednak bark wykonany będzie z blachy aluminiowej 2mm i przytwierdzone będą do niego trzy silniki napędzające trzy zębate koła pasowe (12 zębów każde), z których każde przekazywać będzie za pomocą pasa zębatego (35 zębów) napęd dla trzech różnych stawów: bark, łokieć i nadgarstek. Przez bark przechodzi oś stawu barkowego, który porusza ramieniem. Oś jest średnicy 6mm i znajdują się na niej trzy pasowe koła zębate (16 zębów każde): węższe, przytwierdzone do ramienia, połączone jednym pasem z silnikiem i dwa szersze, obracające się swobodnie na łożysku igiełkowym 6x10x9mm z dwoma pasami każde (jeden pas łączący z silnikiem i jeden przekazujący napęd do kolejnych stawów). Oś jest sztywno połączona z ramieniem i obraca się w łożyskach umieszczonych w barku. Położenie kątowe osi mierzone jest potencjometrem (nie przedstawiony na modelu).

https://www.youtube.com/watch?v=79-y9OCg7hw

Ramię i przedramię

Ramię i przedramię są bardzo podobnej konstrukcji. Zbudowane są z dwóch belek z blachy aluminiowej 1mm i rurek aluminiowych o przekroju kwadratowym 10x10mm służących do utrzymania odpowiedniej odległości między belkami i do usztywnienia konstrukcji. Rozważane jest zwiększenie grubości belek ramienia do 2mm, jeżeli 1mm okażą się zbyt słabe. Przez ramię przebiegają dwa pasy zębate (75 zębów) przenoszące napęd do łokcia i nadgarstka, a przez przedramię jeden pas 75 zębów napędzający nadgarstek. Oś w stawie łokciowym przytwierdzona jest do przedramienia i obraca się w łożyskach znajdujących się w ramieniu. Położenie osi mierzone jest potencjometrem (nie przedstawiony na modelu). Na osi znajdują się dwa koła zębate: węższe napędza staw łokciowy i porusza przedramieniem, a szersze obraca się swobodnie na łożysku i przekazuje napęd do nadgarstka analogicznie jak ma to miejsce na osi stawu barkowego.

https://www.youtube.com/watch?v=pyTOTYW9lkc

Nadgarstek

Nadgarstek porusza się w stawie na dwóch krótkich łożyskowanych ośkach - po jednej z każdej strony. Na jednej z osiek znajduje się wąskie koło pasowe przytwierdzone do nadgarstka, które obracane jest pasem zębatym biegnącym wzdłuż przedramienia. Położenie nadgarstka mierzone jest za pomocą potencjometru przytwierdzonego do osi (nie widoczne na modelu).

Początkowo w nadgarstku miała znajdować się przekładnia kątowa, która miała być napędzana pasem zębatym i obracać chwytakiem. Okazało się jednak, że waga takiej przekładni jest porównywalna z wagą serwa, co, w obliczu niedużego momentu siły wymaganego na tym stopniu swobody oraz dodatkowego zwiększenia masy ramienia mechanizmem przeniesienia napędu, a także prawdopodobnego zwiększenia szerokości kolejnych modułów, spowodowało, że zdecydowałem się umieścić w nadgarstku serwo TowerPro MG995, które bezpośrednio będzie obracać chwytakiem. Oś, do której przytwierdzony jest chwytak jest łożyskowana na łożysku igiełkowym umieszczonym w tulei na szczycie nadgarstka. Tuleja jest przyklejona do nadgarstka klejem dwuskładnikowym. Piasta serwa oraz chwytak są przymocowane sworzniem do osi oraz oddzielone od nadgarstka łożyskami oporowymi dzięki czemu mogą się swobodnie obracać. Do pomiaru kąta obrotu służy potencjometr znajdujący się w serwie.

https://www.youtube.com/watch?v=jqZjMV2J33Q

Chwytak

Chwytak jest zwierany za pomocą linki rowerowej przyciągającej do siebie oba ściski oraz rozwierany przez sprężyny skrętne zainstalowane w zawiasach chwytaka w momencie poluzowania linki. Linka jest ciągnięta przez nawijanie jej na szpule znajdującą się w obrotowej podstawie manipulatora. Niestety ani linka ani sprężyny nie są przedstawione na modelu. W celu wymuszenia równomiernego zaciskania obu ścisków, na prawym i lewym przednim łączniku znajdują się kółka zębate wymuszające pozycję ścisków względem siebie. Powierzchnia ścisków zrobiona jest z blachy 0.8mm przyklejonej do ścisków i pokrytej gumą w celu zwiększenia przyczepności. Łuki wycięte w ściskach mają promień 32mm, co powinno pozwolić na pewny chwyt puszki z napojem. W czasie zwierania oba ściski wysuwają się do przodu, co powinno ułatwić podnoszenie drobnych elementów. W jednym z przegubów chwytaka umieszczony będzie potencjometr mierzący wychylenie przeliczane później na rozwarcie chwytaka.

Braki w modelu

Wykonany model nie zawiera potencjometrów służących do pomiaru położenia poszczególnych elementów manipulatora oraz elementów napędu chwytaka (linki ściskającej i sprężyn rozwierających). Ponadto w modelu brakuje silników, które zostaną wybrane dopiero pod zbudowaniu ramienia, przedramienia, nadgarstka i chwytaka. Ponadto zdjęcia i animacje zamieszczone w artykule zostały zrobione przed dodaniem łożysk w osiach stawu barku, łokcia i nadgarstka, ale można je zobaczyć otwierając model w Inventorze.

Postępy w wykonaniu projektu.

Skompletowałem już wszystkie potrzebne elementy oprócz linki, sprężyn i silników. Poprawiłem też wyposażenie warsztatu o statyw do wiertarki i statyw do szlifierki kątowej. Do końca stycznia zacznę wycinać części i składać je w całość.

Przeznaczenie projektu

Docelowo manipulator będzie zainstalowany na autonomicznej platformie mobilnej z systemem wizyjnym.

_proj

Ramie.rar

[KD93]

Pięknie się przyłożyłeś. Bardzo porządny opis i dokładny model.

[OldSkull]

Nie powiem, bardzo fajne, aczkolwiek projekt ma pewne braki (jeszcze). Mimo to mi sie podoba. Pytania:

1. Czy zamiast listw aluminiowych nie lepiej byłoby użyć ceowników? Po wpływem obciążenia ramię będzie się skręcać.

2. Gdzie zamierzasz wykonać koła zębate, czy będą mieć odpowiedni kształt? Pytam się, bo końcówki narzędzi mają swojągrubość i zębatki mogą nie wyjść takie jak w projekcie.

3. Na rysunkach nie wygląda jakbyś zastosował nakrętki samohamowne. Będą zwykłe?

4. Nie miałeś żadnych problemów z Inventorem? Próbowałem juz go zainstalować zarówno na PC (Win XP, Core2Duo) jak i na lapku (WinXP, Pentium M) i pojawia sie błąd podczas uruchamiania. Z racji iż dzieje sie to na 2 różnych komputerach wykluczam problem sprzętowy, więc problem musi dotyczyć tego, że się "gryzie" z inną aplikacją.

[mog123]

wyeksportowałbyś mg995 do inventora 2010? chciałbym z moim porównać.

[Polecacz 101]

Produkcja i montaż PCB - wybierz sprawdzone PCBWay!
   • Darmowe płytki dla studentów i projektów non-profit
   • Tylko 5$ za 10 prototypów PCB w 24 godziny
   • Usługa projektowania PCB na zlecenie
   • Montaż PCB od 30$ + bezpłatna dostawa i szablony
   • Darmowe narzędzie do podglądu plików Gerber
Zobacz również » Film z fabryki PCBWay

[BlackJack]

I tak powstał Aluminiator 😉 Ale serio to jest jakiś projekt czy tylko wirtualny model ❓ Z drugiej strony moim zdaniem przeniesieni napędów z ramienia do podstawy niepotrzebnie komplikuje całość od strony mechanicznej.

[Sabre]

Mi się wydaje, że napęd pasowy się nie sprawdzi w takim ramieniu. Siły działające na pasek będą tak duże, że albo będzie się zrywał, albo po prostu będzie przeskakiwał na zębatkach po rozciągnięciu, a to dlatego, że nie będzie pracował równo, ponieważ nie jest sztywny tak jak łańcuch. Zawsze jedna strona będzie naciągana a druga strona będzie luźna.

[wsowa]

OldSkull,

Zgadza się. Też się obawiam, że ramię będzie się skręcać. Nie wiem czy ceowniki by wiele pomogły. Mam nadzieję, że te połączenia poprzeczne rurkami kwadratowymi usztywnią ramię. Tak naprawdę najlepszym rozwiązaniem byłyby ukośne listwy biegnące od jednej belki bocznej do drugiej. Zobaczymy. Jeżeli po zbudowaniu konstrukcji okaże się, że ramię się skręca to pomyśle naj takimi ukośnymi umocnieniami.

Koła zębate i pasy są kupowane. Właściwie to kupiłem wałek zębaty o dł 14cm i będę go ciąć na plastry.

Plan jest taki, żeby używać nakrętki samohamowne tam gdzie się da. Natomiast są miejsca w konstrukcji, gdzie wymagana jest odpowiednio cieńka nakrętka i tam zapewne samohamowna się nie zmieści więc będą kombinacje typu zwykła nakrętka z odrobiną poxipolu.

Inventora uruchamiałem na WinXP 64bit zainstalowanym w maszynie wirtualnej VirtalBox pod Linxem. Jest to Windows zainstalowany specjalnie pod Inventora. Nie ma tam innych programów więc nie ma się z czym gryźć. Jedyny problem to brak akceleracji 3D, która powinna działać, a nie wiedzieć czemu nie działa na VirtualBoxie.

mog123,
chętnie, ale nie wiem jak 🙂 Nie widzę nigdzie takiej opcji w Inventorze. W "zapisz jako" nie ma do wyboru innego formatu. W "Eksportuj" też nie ma innego formatu ipt.

Jacek31,
Zdecydowanie komplikuje, ale moim zdaniem jest w tym jakiś cel. Jeżeli chcę osiągnąć na nadgarstku moment 1Nm (10kg/cm), to silnik który to zapewni będzie swoje ważył. Jeżeli go umieszczę na nadgarstku to będzie go musiał dźwigać bark i łokieć, przez co trzeba będzie w nich zastosować większe, droższe i cięższe silniki. Ten cięższy silnik w łokciu będzie dźwigał bark, więc tam trzeba będzie jeszcze droższy silnik. Przekładnia pasowa pozwoli zmniejszyć masę własną całego manipulatora

Sabre,

Rzeczywiście istnieje niebezpieczeństwo, że pas będzie przeskakiwał, ale raczej nie z powodu jego rozciągliwości, ale nieprecyzyjnego wykonania przekładni. Pasy mają w środku rdzenie z drutu stalowego z tego co mi wiadomo i szybciej się zrywają zęby z pasa niż sam pas. Natomiast jeżeli osie kół zębatych wywiercą mi się zbyt blisko siebie to pas będzie luźny i będzie przeskakiwać. Jeszcze gorzej, jeżeli koło będzie się obracać mimośrodowo - wówczas naciąg pasa będzie się zmieniał w zależności od kąta obrotu. Na taką ewentualność przewiduje jakieś sprężynowe napinacze dla pasa, ale mam nadzieję, że nie będzie to potrzebne.

Tutaj pokazany jest robot przemysłowy z napędem przenoszonym pasami zębatymi (2:10):

Fakt, że tamte pasy są trochę szersze niż moje, ale zapewne obciążenia są też większe.

[mog123]

zapisz jako *.stp (step file)

[wsowa]

Ok. Jest STEP.

Towerpro MG995.stp.zip

[OldSkull]

A można wiedzieć ile dałeś i gdzie kupiłeś ten wałek zębaty? Wydaje mi się bardzo tanim sposobem na wykonywanie przekładni 🙂

Inventor możliwe, że skopali coś z wersją do ściągnięcia, ale teraz coś na stronce pokręcili i w ogóle nie mogę sie zalogować :/

[wsowa]

Wałki kupiłem tutaj:

http://www.atlatech.pl/index.php?mod=home&k=1&pk=17&p=6

Na stronie dział wałki jest pusty, ale wysyłając zapytania o wałki do kilku firm wysłałem też do nich i okazało się najtaniej.

Za Z12 zapłaciłem 18,15, a za Z16 25,03.

To są wałki pod pasy zębate i raczej kiepsko zazębiają się ze sobą. Nie wydaje mi się, żeby udał Ci się zrobić z nich przekładnię walcową.

[nes86]

Sabre ma racje, przez luzy na kołach/paskach dużej precyzji na tym nie osiągniesz.

A jak zabezpieczysz paski przed zsuwaniem się na boki?

[mog123]

trochę złe to twoje serwo wymiarowo (pewnie dociskałeś tą suwmiarkę) 😋

[feriar]

Projekt fajny, ale tylko to model jest, a wykonanie może też powstanie 🙂

gratuluje pomysłu

[wsowa]

mog123, rzecz w tym, że np. szerokość serwa jest różna w różnych miejscach. Generalnie to nie jest idealny prostopadłościan więc potwierdzam, że mój model może być niedokładny. Mógłbyś wrzucić poprawione jeżeli masz dokładniejsze?

nes86, cały czas mam nadzieję,że uda mi się uniknąć problemów z luzami. Precyzja i jeszcze raz precyzja i wszystko będzie ok 🙂

Jeżeli paski będą się zsuwać to dołożę prowadnicę przed każdym kołem.

Przetransferowałem rysunki na blachę alu. Nie idzie tak dobrze jak na miedź, ale wystarczająco, żeby dało się ciąć. Szlifowanie przed transferem zmniejszyło grubość z 1mm do 0.96mm: