Робот для уборки с рукой манипулятором. Интересный робот-манипулятор на Arduino

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

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

Также мне хочется отметить некоторые особенности конструкции:

1. Подшипники во всех подвижных частях манипулятора. Всего их одинадцать: 10 штук на вал 3мм и один на вал 30мм.
2. 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.
3. Все мощные сервоприводы расположены в основании. То есть "нижние" сервоприводы не таскают "верхние".
4. За счет параллельных шарниров инструмент всегда остается параллелен или перпендикулярен земле.
5. Положение манипулятора можно менять на 90 градусов.
6. 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

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

Сначала будут затронуты общие вопросы, потом технические характеристики результата, детали, а под конец и сам процесс сборки.

В целом и общем

Создание данного устройства в целом не должно вызвать каких-то сложностей. Необходимо будет качественно продумать только возможности что будет довольно сложно осуществить с физической точки зрения, чтобы рука-манипулятор выполняла поставленные перед ней задачи.

Технические характеристики результата

Будет рассматриваться образец с параметрами длины/высоты/ширины соответственно 228/380/160 миллиметров. Вес сделанной, будет составлять примерно 1 килограмм. Для управления используется проводной дистанционный пульт. Ориентировочное время сборки при наличии опыта - около 6-8 часов. Если его нет, то могут уйти дни, недели, а при попустительстве и месяцы, чтобы была собрана рука-манипулятор. Своими руками и одному в таких случаях стоит делать разве что для своего собственного интереса. Для движения составляющих используются коллекторные моторы. Приложив достаточно усилий, можно сделать прибор, который будет поворачиваться на 360 градусов. Также для удобства работы, кроме стандартного инструментария вроде паяльника и припоя, необходимо запастись:

1. Удлинёнными плоскогубцами.
2. Боковыми кусачками.
3. Крестовой отверткой.
4. 4-мя батарейками типа D.

Пульт дистанционного управления можно реализовать, используя кнопки и микроконтроллер. При желании сделать дистанционное беспроводное управление элемент контроля действий понадобится и в руке-манипуляторе. В качестве дополнений необходимы будут только устройства (конденсаторы, резисторы, транзисторы), которые позволят стабилизировать схему и передавать по ней в нужные моменты времени ток необходимой величины.

Мелкие детали

Для регуляции количества оборотов можно использовать переходные колесики. Они позволят сделать движение руки-манипулятора плавными.

Также необходимо позаботится о том, чтобы провода не усложняли её движения. Оптимальным будет проложить их внутри конструкции. Можно сделать всё и извне, такой подход сэкономит время, но потенциально может привести к сложностям в перемещении отдельных узлов или всего устройства. А теперь: как сделать манипулятор?

Сборка в общих чертах

Теперь приступаем непосредственно к созданию руки-манипулятора. Начинаем с основания. Необходимо обеспечить возможность поворота устройства во все стороны. Хорошим решением будет его размещение на дисковой платформе, которая приводится во вращение с помощью одного мотора. Чтобы она могла вращаться в обе стороны, существует два варианта:

1. Установка двух двигателей. Каждый из них будет отвечать за поворот в конкретную сторону. Когда один работает, второй пребывает в состоянии покоя.
2. Установка одного двигателя со схемой, которая сможет заставить его крутится в обе стороны.

Какой из предложенных вариантов выбрать, зависит исключительно от вас. Далее делается основная конструкция. Для комфорта работы необходимо два «сустава». Прикреплённый к платформе должен уметь наклоняться в разные стороны, что решается с помощью двигателей, размещённых в его основании. Ещё один или пару следует разместить в месте локтевого изгиба, чтобы часть захвата можно было перемещать по горизонтальной и вертикальной линии системы координат. Далее, при желании получить максимальные возможности, можно установить ещё двигатель в месте запястья. Далее наиболее необходимое, без чего не представляется рука-манипулятор. Своими руками предстоит сделать само устройство захвата. Тут существует множество вариантов реализации. Можно дать наводку по двум самым популярным:

1. Используется только два пальца, которые одновременно сжимают и разжимают объект захвата. Является самой простой реализацией, которая, правда, обычно не может похвастаться значительной грузоподъёмностью.
2. Создаётся прототип человеческой руки. Тут для всех пальцев может использоваться один двигатель, с помощью которого будет осуществляться сгиб/разгиб. Но можно сделать и конструкцию сложней. Так, можно к каждому пальцу подсоединить по двигателю и управлять ими отдельно.

Далее остаётся сделать пульт, с помощью которого будет оказываться влияние на отдельные двигатели и темпы их работы. И можно приступать к экспериментам, используя робот-манипулятор, своими руками сделанный.

Возможные схематические изображения результата

Предоставляет широкие возможности для творческих измышлений. Поэтому предоставляются вашему вниманию несколько реализаций, которые можно взять за основу для создания своего собственного устройства подобного предназначения.

Любая представленная схема манипулятора может быть усовершенствована.

Заключение

Важным в робототехнике является то, что практически не существует ограничения по функциональному улучшению. Поэтому при желании создать настоящее произведение искусства не составит труда. Говоря о возможных путях дополнительного улучшения, следует отметить кран-манипулятор. Своими руками сделать такое устройство не составит труда, одновременно оно позволит приучить детей к творческому труду, науке и конструировании. А это в свою очередь позитивно может сказаться на их будущей жизни. Сложно ли будет сделать кран-манипулятор своими руками? Это не так проблемно, как может показаться на первый взгляд. Разве что стоит позаботиться о наличии дополнительных мелких деталей вроде троса и колёс, по которым он будет крутиться.

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:

1. Система тяг, позволяющих разместить мощные я тяжелые двигатели в основании манипулятора, а также удерживающие захват параллельно или перпендикулярно основанию
2. Простой набор комплектующих, которые легко купить или вырезать из оргстекла
3. Подшипники почти во всех узлах манипулятора
4. Простота сборки. Это оказалось действительно сложной задачей. Особенно трудно было продумать процесс сборки основания
5. Положение захвата можно менять на 90 градусов
6. 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
7. 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

Эта статья — вводное руководство для новичков по созданию роботизированных рук, которые программируются при помощи Ардуино. Концепция состоит в том, что проект роборуки будет недорогим и простым в сборке. Мы соберём несложный прототип с кодом, который можно и нужно оптимизировать, это станет для вас отличным стартом в робототехнике. Робот-манипулятор на Ардуино управляется хакнутым джойстиком и может быть запрограммирован на повторение последовательности действий, которую вы зададите. Если вы не сильны в программировании, то можете заняться проектом в качестве тренировки по сборке «железа», залить в него мой код и получить на его основе базовые знания. Повторюсь, проект достаточно простой.

На видео — демка с моим роботом.

Шаг 1: Список материалов

Нам понадобится:

1. Плата Ардуино. Я использовал Уно, но любая из разновидностей одинаково хорошо справится с задачами проекта.
2. Сервоприводы, 4 самых дешевых, что вы найдёте.
3. Материалы для корпуса на ваш вкус. Подойдёт дерево, пластик, метал, картон. Мой проект собран из старого блокнота.
4. Если вы не захотите заморачиваться с печатной платой, то понадобится макетная плата. Подойдёт плата небольшого размера, поищите варианты с джамперами и блоком питания — они бывают достаточно дешевы.
5. Что-то для основания руки — я использовал банку от кофе, это не самый лучший вариант, но это всё, что я смог найти в квартире.
6. Тонкая нить для механизма руки и иголка для проделывания отверстий.
7. Клей и изолента, чтобы скрепить всё воедино. Нет ничего, что нельзя было бы скрепить изолентой и горячим клеем.
8. Три резистора на 10K. Если у вас не найдётся резисторов, то в коде на такие случаи есть обходной манёвр, однако лучшим вариантом будет купить резисторы .

Шаг 2: Как всё работает

На приложенном рисунке изображен принцип работы руки. Также я объясню всё на словах. Две части руки соединены тонкой нитью. Середина нити соединена с сервоприводом руки. Когда сервопривод тянет нить — рука сжимается. Я оснастил руку пружиной из шариковой ручки, но если у вас есть более гибкий материал, можете использовать его.

Шаг 3: Модифицируем джойстик

Предположив, что вы уже закончили сборку механизма руки, я перейду к части с джойстиком.

Для проекта использовался старый джойстик, но в принципе подойдёт любой устройство с кнопками. Аналоговые кнопки (грибы) используются для управления сервоприводами, так как по сути это просто потенциометры. Если у вас нет джойстика, то можете использовать три обычных потенциометра, но если вы, как и я, модифицируете старый джойстик своими руками, то вот что вам нужно сделать.

Я подключил потенциометры к макетной плате, у каждого из них есть по три клеммы. Одну из них нужно соединить с GND, вторую с +5V на Ардуино, а среднюю на вход, который мы определим позже. Мы не будем использовать ось Y на левом потенциометре, поэтому нам нужен только потенциометр над джойстиком.

Что касается переключателей, соедините +5V с одним его концом, а провод, который идёт на другой вход Ардуино со вторым концом. Мой джойстик имеет общую для всех переключателей линию на +5V. Я подключил всего 2 кнопки, но затем подключил еще одну, так как в ней появилась необходимость.

Также важно обрезать провода, которые идут к чипу (черный круг на джойстике). Когда вы завершите всё вышеописанное, можно приступить к проводке.

Шаг 4: Электропроводка нашего устройства

На фотографии изображена электропроводка устройства. Потенциометры — это рычажки на джойстике. Локоть (Elbow) — это правая ось Y, Основа (Base) — это правая ось X, Плечо (Shoulder) — это левая ось X. Если вам захочется поменять направление движения сервоприводов, просто смените положение проводов +5V и GND на соответствующем потенциометре.

Шаг 5: Загрузка кода

На этом этапе нам нужно скачать приложенный код на компьютер, а затем загрузить его на Ардуино.

Заметка: если до этого вы уже загружали код на Ардуино, то просто пропустите этот шаг — вы не узнаете ничего нового.

1. Откройте ИДЕ Ардуино и вставьте в него код
2. В Tools/Board выберите вашу плату
3. В Tools/Serial Port выберите порт, к которому подключена ваша плата. Скорее всего, выбор будет состоят из одного пункта.
4. Нажмите кнопку Upload.

Вы можете изменить диапазон работы сервоприводов, в коде я оставил заметки о том, как это осуществить. Скорее всего, код будет работать без проблем, вам нужно будет лишь поменять параметр сервопривода руки. Этот параметр зависит от того, как вы настроили нить, поэтому я рекомендую точно подобрать его.

Если вы не используете резисторы, то вам нужно будет модифицировать код в том месте, где я оставил об этом заметки.

Файлы

Шаг 6: Запуск проекта

Робот контролируется движениями на джойстике, рука сжимается и разжимается при помощи кнопки для руки. На видео показано, как все работает в реальной жизни.

Вот способ, которым можно запрограммировать руку:

1. Откройте Serial Monitor в Ардуино ИДЕ, это позволить проще следить за процессом.
2. Сохраните начальную позицию, кликнув Save.
3. За один раз двигайте лишь одним сервоприводом, например, Плечо вверх, и жмите save.
4. Активируйте руку также только на её шаге, а затем сохраняйте нажатием save. Деактивация также производится на отдельном шаге с последующим нажатием save.
5. Когда закончите последовательность команд, нажмите кнопку play, робот перейдёт в начальное положение и затем начнёт двигаться.
6. Если вы захотите остановить его — отсоедините кабель или нажмите кнопку reset на плате Ардуино.

Если вы всё сделали правильно, то результат будет похож на этот!

Надеюсь, урок был вам полезен!