VIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2016

Манипулятор — механизм для управления пространственным положением орудий, объектов труда и конструкционных узлов и элементов [1]. Рука-манипулятор позволяет производить захват предметов с дальнейшим их поднятием, перемещением или переносом. Она встраивается в технологические линии роботизированных производств, заменяя человека на рутинных, в том числе, и опасных для здоровья работах.

Целью данной работы является создание прототипа роботизированной руки-манипулятора. Работа выполнена по дисциплине «Творческий проект» студентами второго курса.

Задачи работы: проектирование кинематической схемы; разработка и изготовление элементов конструкции; разработка принципиальной электрической схемы; разработка программного обеспечения; подбор и приобретение комплектующих; сборка, регулировка и испытание макетного образца.

Проектирование кинематической схемы и отдельных элементов конструкции

За основу кинематической схемы устройства было решено использовать устройство человеческой руки, каждый палец которой состоит из трех фаланг (рис. 1).

Рис. 1. Кинематическая схема пальца

При воплощении данной схемы в модели были реализованы не только основные элементы, такие как фаланги и оси, но и отверстия для прокладки сухожилий, а также пазы для возвратных пружин (рис. 2).

Рис. 2. Палец, вид с боку.

Руку можно разбить на четыре основных составляющих: 1 – предплечье, 2 – ладонь, 3 – пальцы, 4 – большой палец с осью вращения (рис. 3).

2

 

Рис.3. Общий вид руки

Предплечье 1 является фундаментом конструкции. Оно представляет собой металлический каркас, в пазы которого при помощи винтов крепятся сервоприводы, которые, в свою очередь, отвечают за движения кисти и пальцев.

К предплечью крепится ладонь 2 таким образом, что та может выполнять движение вращательного характера «вверх-вниз», подобно человеческой руке. Поворот ладони 2 относительно предплечья 1 осуществляется посредством оси 5 (рис. 4).

 

Рис. 4. Крепление ладони к предплечью

6 – место крепления оси; 7 – звезда, через которую проходит ось, соединяя таким образом ладонь с предплечьем

7

5

6

 

Каждый палец 3 крепятся к ладони при помощи оси 9, перпендикулярной поверхности ладони, что позволят осуществлять движения пальцами сразу в двух плоскостях (рис. 5). Здесь: 8 – деталь, соединяющая палец через ось 9 с ладонью; 10 – отверстие, через которое проходит металлический стержень, скрепляющий фаланги пальцев.

Рис.5. Конструкция пальца

Данная конструкция позволяет двигаться этим пальцам вращательно «вверх-вниз» подобно человеческим. Сбоку отдельно крепится большой палец 4 на оси, закреплённой к ладони. Таким образом, палец может двигаться вращательно относительно двух осей 11 и 12 (рис. 6).

Все пальцы выполнены из соединения трёх фаланг разного размера. Фаланги соединяются между собой при помощи металлической оси. За движение сгибания и разгибания каждого пальца отвечает определённый сервопривод. Подача движения с сервопривода на палец приводится через капроновую нить под натяжением. Таким образом, сгибание пальца осуществляется за счет вытягивания капроновой нити, а возвратное движение за счет пружин, которые так же держат начальное положение пальцев, когда устройство выключено.

Рис. 6. Крепление большого пальца

Изготовление элементов конструкции руки-манипулятора с использованием аддитивных технологий

Существует множество разных технологий 3D-печати, например, SLA, SLS, DLP, FDM и т.д. Наша же рука была изготовлена на 3D-принтере Picaso 3D designer, в котором используется технология FDM(НРМ).

3D-принтер — это приспособление предназначено для построение реального объекта по созданному на компьютере образцу 3D-модели. Затем цифровая трёхмерная модель сохраняется в формате STL-файла, после чего 3D принтер, на который выводится файл для печати, формирует реальное изделие [2].

Сам процесс печати – это ряд повторяющихся циклов, связанных с созданием трёхмерных моделей, нанесением на рабочий стол (элеватор) принтера слоя расходных материалов, перемещением рабочего стола вниз на уровень готового слоя и удалением с поверхности стола отходов.

Циклы непрерывно следуют один за другим: на первый слой материала наносится следующий, элеватор снова опускается и так до тех пор, пока на рабочем столе не окажется готовое изделие.

Трёхмерный, или 3D-принтер, в отличие от обычного, который выводит двухмерные рисунки, фотографии и т. д. на бумагу, даёт возможность выводить объёмную информацию, то есть создавать трёхмерные физические объекты. На данный момент оборудование данного класса может работать с фотополимерными смолами, различными видами пластиковой нити, керамическим порошком и металлоглиной.

3D-принтеры, действующие по технологии НРМ, создают детали слой за слоем, разогревая материал до полужидкого состояния и выдавливая его в соответствии созданными на компьютере путями.

Для печати по технологии НРМ используется два различных материала — из одного (основного) будет состоять готовая деталь, и вспомогательного, который используется для поддержки. Нити обоих материалов подаются из отсеков 3D-принтера в печатающую головку, которая передвигается в зависимости от изменения координат X и Y, и наплавляет материал, создавая текущий слой, пока основание не переместится вниз и не начнется следующий слой.

Когда 3D-принтер завершит создание детали, остаётся отделить вспомогательный материал механически, или растворить его моющим средством, после чего изделие готово к использованию.

Существует разные виды пластика для печати на 3D-принтере, например, пластик PLA, ABS,PVA и т. д. Мы использовали ABS пластик. Материал способен выдержать высокие температуры, поэтому рекомендуется для применения в процессе изготовления долговечных конструкций и комплектующих, регулярно подвергающихся физическому износу.

Как известно, существует несколько методов 3D печати, однако все они являются производными аддитивной технологии изготовления изделий. Вне зависимости от того, какой 3D принтер вы используете, построение заготовки осуществляется путем послойного добавления сырья. Технологии послойного синтеза фактически оккупировали современную промышленность.

Самыми дешевыми по-прежнему остаются FDM-принтеры – устройства, создающие трехмерные объекты путем послойного наплавления филамента. Наиболее распространенными принтерами данного типа остаются аппараты, печатающие расплавленной пластиковой нитью. Они могут оснащаться одной или несколькими печатными головками, внутри которых находится нагревательный элемент.

Большинство аддитивных принтеров, печатающих пластиком, способны создавать только одноцветные фигуры, однако в последнее время на рынке трехмерной печати появились машины, использующие одновременно несколько видов филамента. Данное новшество позволяет создать цветные объекты. Но в нашей работе мы использовали один цвет [3].

Электроника

В качестве базы для построения электрической схемы были использованы компоненты Arduino, а именно управляющая плата ArduinoUno (рис. 7) и сервоприводы совместимые с данной платой. Электрическая принципиальная схема показана на рис. 8 [4].

Рис. 7. ArduinoUno

Рис. 8. Электрическая принципиальная схема устройства

Для большей наглядности и удобства управление работой двигателей было решено осуществлять с компьютера. При таком порядке работы управляющая плата нужна в качестве промежуточного звена между компьютером и сервоприводами. Таким образом, программа для микроконтроллера ArduinoUno осуществляет считывание и выполнение команд, поступающих с компьютера.

Скетч программы:

/********************************************************************************* **

** LVFA_Firmware - Provides Basic Arduino Sketch For Interfacing With LabVIEW.

**

** Written By: Sam Kristoff - National Instruments

** Written On: November 2010

** Last Updated: Dec 2011 - Kevin Fort - National Instruments

**

** This File May Be Modified And Re-Distributed Freely. Original File Content

** Written By Sam Kristoff And Available At www.ni.com/arduino.

** *********************************************************************************/

/*********************************************************************************

**

** Includes.

** ********************************************************************************/

// Standard includes. These should always be included.

#include

#include

#include

#include "LabVIEWInterface.h"

/*********************************************************************************

** setup()

**

** Initialize the Arduino and setup serial communication. **

** Input: None

** Output: None *********************************************************************************/

void setup()

{ // Initialize Serial Port With The Default Baud Rate

syncLV();

// Place your custom setup code here }

/*********************************************************************************

** loop()

**

** The main loop. This loop runs continuously on the Arduino. It

** receives and processes serial commands from LabVIEW.

**

** Input: None

** Output: None *********************************************************************************/

void loop()

{ // Check for commands from LabVIEW and process them.

checkForCommand();

// Place your custom loop code here (this may slow down communication with LabVIEW)

if(acqMode==1)

{ sampleContinously(); }}

Программа верхнего уровня для управления двигателями была реализована при помощи среды программирования LabView.

LabView - это среда графического программирования, которую используют по всему миру для быстрого создания комплексных приложений в задачах измерения, тестирования, управления, автоматизации научного эксперимента и образования. В основе LabVIEW лежит концепция графического программирования - последовательное соединение функциональных блоков на блок-диаграмме.

Графическое программирование. Вместо того чтобы писать текстовый код, достаточно просто соединять друг с другом функциональные блоки программы с помощью мыши.

Потоковое программирование.Код программы, представленный в виде блок-схемы, гораздо удобнее для понимания и разработки (рис. 9) [5].

Рис. 9. Принцип графического программирования

В нашем случае, эта программа позволила управлять сервоприводами. Для этого была создана следующая блок-схема (рис. 10). Она представляет собой последовательную дачу команд каждому из 12 сервоприводов. Интерфейс программы приведен на рис. 11.

Рис. 10. Блок диаграмма программы

Рис. 11. Интерфейс программы

Заключение

В результате проведенной работы выполнен проект руки-манипулятора. Приняты схемотехнические решения, разработана конструкторская документация на все детали и узлы, которые изготовлены на 3-D принтере Picaso 3D designer. Выбраны серводвигатели, микроконтроллер ArduinoUno, разработано программное обеспечение, осуществлена сборка. Испытания подтвердили работоспособность руки-манипулятора. Все эти работы выполнены в течение одного семестра.

Литература

1. Манипулятор (механизм), [электронный ресурс], URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%B0%D0%BD%D0%B8%D0%BF%D1%83%D0%BB%D1%8F%D1%82%D0%BE%D1%80_(%D0%BC%D0%B5%D1%85%D0%B0%D0%BD%D0%B8%D0%B7%D0%BC)

(дата обращения 22.01.2016)

1. Что такое 3D печать и 3D принтер, [электронный ресурс], URL:

http://make-3d.ru/articles/chto-takoe-3d-pechat/

(дата обращения 22.01.2016)

1. Что это такое аддитивные технологии, [электронный ресурс], URL:

http://make-3d.ru/articles/chto-eto-takoe-additivnye-texnologii/

(дата обращения 22.01.2016)

1. Arduino Uno, [электронный ресурс], URL:

http://arduino.ru/Hardware/ArduinoBoardUno

(дата обращения 22.01.2016)

1. Что такое LabVIEW, [электронный ресурс], URL:

http://russia.ni.com/labview/whatis

(дата обращения 22.01.2016)

13

Код для цитирования: Скопировать