Tomasz FOJCIK

TOMASZ FOJCIK
Katedra Inżynierii Produkcji
Akademia Techniczno-Humanistyczna w Bielsku Białej
PROJEKT MANIPULATORA
Z WYKORZYSTANIEM STEROWNIKA
SERWOMECHANIZMÓW MAESTRO MINI
Streszczenie: Artykuł prezentuje podstawowe założenia projektowe oraz sposób praktycznej realizacji manipulatora DTR. Przedstawiono i zilustrowano
poszczególne etapy wykonanych prac, skupiając się na opisie wypracowanej
metodyki postępowania. Manipulator wykonano z elementów lekkich o dużej
sztywności ze względu na użyte serwomechanizmy jako jednostki napędowe.
Głównym założeniem było zbudowanie manipulatora zdolnego do przenoszenia
elementów z dużą dokładnością oraz powtarzalnością ruchów przy jak najniższym koszcie. W pracy zawarto opis modelu wirtualnego (wykonanego przy
pomocy oprogramowania Autodesk Inventor) oraz modelu fizycznego manipulatora wraz z fragmentem kodu systemu sterującego.
Słowa kluczowe: serwomechanizm, AutoDesk, manipulator, sterowniki
1. Wstęp i opis zagadnienia
Współcześnie najliczniejszą grupą robotów są roboty manipulujące wykonujące
prace w przemyśle takie jak: malowanie, spawanie, zgrzewanie, sklejanie, przekładanie, montaż, czy wiele innych procesów, które są monotonne lub mają zły
wpływ na zdrowie człowieka.
Manipulatory mają bardzo szeroki wachlarz zastosowań dzięki szybkości
działania, dużej dokładności oraz powtarzalności. W celu osiągnięcia takich
parametrów muszą być spełnione następujące warunki:
 właściwa sztywność ramienia,
 brak luzów w układach napędowych,
 odpowiednie układy wspomagania i sterowania.
56
Tomasz Fojcik
Wielką zaletą manipulatorów jest ich uniwersalność, łatwość wprowadzenia
zmian i korekt poprawiających jakość wykonywanych działań lub całkowitą
zmianę programu.
Celem pracy jest zbudowanie manipulatora o czterech stopniach swobody wykorzystując serwomechanizmy jako jednostki napędowe. Przeznaczeniem manipulatora jest przenoszenie komponentów o małych wymiarach i małej wadze.
Celem pracy jest również przeanalizowanie możliwości wykorzystania manipulatora do prac związanych z selekcją komponentów z tworzyw sztucznych
odlewanych ciśnieniowo w produkcji wielkoseryjnej lub masowej.
2. Założenia projektowe
Głównym założeniem projektu było wykorzystanie sterownika Maestro firmy
Pololu. Taki sterownik pozwala na zastosowanie serwomechanizmów jako jednostek napędowych. Manipulator składa się z pięciu serwomechanizmów.
Rys. 1 Schemat połączeń [1]
Projekt manipulatora z wykorzystaniem sterownika serwomechanizmów… 57
Zakłada się elementy konstrukcyjne o dużej sztywności i lekkości ze
względu na użyte serwomechanizmy, które montowane bezpośrednio na przegubach nie są w stanie poruszać elementami o dużej masie. Masa całego manipulatora nie powinna być większa niż trzy kilogramy. Źródło zasilania musi
mieć dużą wydajność prądową potrzebną do prawidłowej pracy serwomechanizmów. Sterowanie będzie odbywać się za pomocą komputera poprzez oprogramowanie firmy Pololu.
Jednym z założeń było również to, że koszt budowy manipulatora powinien
być jak najmniejszy w stosunku do postawionych celów [2].
3. Etapy projektowania
Proces projektowania składał się z kilku etapów takich jak:
 wybór części (napęd, sterownik),
 wybór materiałów (konstrukcja),
 wybór sposobu zasilania i sterowania,
 wykonanie obliczeń,
 wykonanie rysunków poglądowych,
 zamodelowanie elementów konstrukcyjnych,
 wykonanie elementów konstrukcyjnych,
 montaż robota,
 uruchomienie i testy.
Od wyboru części i materiałów z jakich ma zostać wykonany robot zależy
jakie robot będzie miał przeznaczenie i w jakich warunkach będzie pracował.
Wybór układu sterowania i zasilania ma wpływ na poprawność działania robota. Obliczenia są niezbędne w przypadku określonych wymagań co do działań
wykonywanych przez robota. Bardzo ważnym etapem podczas projektowania
jest wykonanie wirtualnego modelu robota w celu sprawdzenia czy poszczególne elementy są odpowiednio dopasowane. W razie ewentualnych problemów
można w łatwy sposób dokonać odpowiednich korekt. Po poprawnym wykonaniu wirtualnego modelu można bez przeszkód przystąpić do wykonania rzeczywistych elementów konstrukcyjnych [2].
58
Tomasz Fojcik
Rys. 2. Model robota wykonany w programie Autodesk Inventor
4. Wykonanie manipulatora
W projekcie został użyty sterownik serwomechanizmów Pololu Mini Maestro
12. Sterownik posiada dwanaście kanałów, które mogą służyć jako wyjścia
z pulsacją sygnału 0,25µs odpowiadając przesunięciu o kąt 0.025° dla typowego
serwomechanizmu. Pulsację i zakres można dowolnie zmieniać. Kanały w zależności od konfiguracji mogą również służyć jako cyfrowe wyjścia lub analogowe wejścia.
Do napędu robota służą cztery serwomechanizmy Tower Pro SG 5010. Mają one wystarczająco dużą moc do płynnego manewrowania poszczególnymi
członami.
Do zwierania i rozwierania chwytaka służy serwomechanizm Tower Pro
SG – 90 Micro. Jest to idealne zastosowanie do chwytaka dlatego, że ten serwomechanizm jest bardzo lekki i bardzo mały. Serwomechanizmy typu Tower
Pro cechuje bardzo dobry stosunek wydajności do ceny.
Do zasilenia całego układu wraz z serwomechanizmami jest wymagane
źródło o natężeniu prądu co najmniej 3A. Taka wartość wynika z obciążenia
Projekt manipulatora z wykorzystaniem sterownika serwomechanizmów… 59
jakie występuje podczas pracy kilku serwomechanizmów jednocześnie. W projekcie został użyty zasilacz ATX EC model: 300X1 o mocy 300W.
Rys. 3. Model fizyczny manipulatora, sterownik
Rys. 4. Model fizyczny manipulatora, zasilacz
Konstrukcja składa się z elementów ze stali ocynkowanej oraz aluminium
o grubościach (0,5mm, 1mm, 2mm). Takie materiały zostały zastosowane ze
względu na to, że charakteryzują się dużą lekkością, sztywnością, wytrzymałością i odpornością na korozję. Krążki ściśle ze sobą współpracujące podczas
ruchu obrotowego podstawy zostały wykonane z teflonu ze względu na bardzo
niski współczynnik tarcia oraz odporność na zanieczyszczenia. Chwytak wykonano z tworzywa sztucznego PCV ze względu na lekkość i dużą sztywność. Na
końcówkach są przyklejone gumowe elementy w celu poprawy jakości chwytu.
Podstawka pod sterownik została wykonana ze sklejki o grubości 7 mm ze
względu na swoją sztywność i lekkość.
60
Tomasz Fojcik
Do zmontowania elementów zostało użytych 21 imbusowych śrubek M5, 6
śrubek krzyżakowych M5 oraz 3 śrubki M2. Dodatkowo zostały użyte tulejki
dystansowe o średnicy 1 cm [2].
Rys. 5. Chwytak
Do sterowania manipulatorem wymagane jest oprogramowanie Maestro
oraz połączenie komputera ze sterownikiem za pomocą kabla USB. Oprogramowanie składa się z panelu kontrolnego, w którym jest możliwość sterowania
poszczególnymi członami manipulatora lub zaprogramowanie sekwencji ruchów w języku skryptowym.
Rys. 6. Panel kontrolny manipulatora
W celu sprawdzenia dokładności oraz powtarzalności ruchów manipulatora,
zostały przeprowadzone badania polegające na zaznaczeniu chwytakiem punktów.
Po wykonaniu kilku dowolnych sekwencji ruchów manipulator miał za zadanie
trafić w te same punkty. Na tej podstawie można było stwierdzić, że dokładność
wynosi ± 2mm. Jednym z zadań manipulatora było przeniesienie komponentu
z punktu A do punktu B, poniżej znajduje się program napisany w języku skryptowym prezentujący realizację tego zadania.
Projekt manipulatora z wykorzystaniem sterownika serwomechanizmów… 61
5 0 speed // określenie prędkości ruchu obrotowego podstawy
2 1 speed // określenie prędkości ruchu obrotowego członu 1
5 2 speed // określenie prędkości ruchu obrotowego członu 2
begin // początek programu
4568 0 servo // pozycje początkowe serwomechanizmów
2685 1 servo
5735 2 servo
5356 3 servo
3008 4 servo
moving_wait // podprogram
9160 2 servo // ruch członu 2 w kierunku obiektu
moving_wait
4800 4 servo // zwarcie chwytaka; chwyt przedmiotu
moving_wait
5735 2 servo // ruch członu 2
moving_wait
9000 0 servo // obrót podstawy
moving_wait
9160 2 servo // ruch członu 2
moving_wait
3008 4 servo // rozwarcie chwytaka
moving_wait
repeat // powtarzanie programu
sub moving_wait # podprogram moving_wait
begin // początek podprogramu
get_moving_state # wykonanie ruchów bez opóźnień
while // początek pętli
repeat // powtarzanie podprogramu
return // powrót
5. Wnioski końcowe i uwagi
Istnieje możliwość wykorzystania manipulatora DTR w produkcji wielkoseryjnej lub masowej. Doskonale sprawdzałby się w procesie selekcji komponentów.
Niestety ze względu na ograniczenia związane z zastosowanymi elementami,
manipulator nie jest w stanie przenieść komponentu o dużych wymiarach lub
wadze. Przykładowo zastosowaniem manipulatora DTR może być rozpoznawanie elementów elektronicznych, a następnie przeniesienie ich w odpowiednie
miejsce. Innym przykładem może być zebranie z taśmy elementów przeznaczonych do dalszej obróbki z pominięciem odpadu.
Tomasz Fojcik
62
Podczas pracy manipulatora występują drgania. Największym źródłem drgań
jest ruch serwomechanizmu odpowiedzialnego za pierwszy człon. Budowa manipulatora oparta na serwomechanizmach niesie ze sobą ograniczenia rozmiarowe dlatego, że serwomechanizmy mają zbyt mały moment obrotowy potrzebny do wykonania ruchu obrotowego z obciążeniem o zbyt dużych wymiarach.
Zaletą serwomechanizmów jest możliwość zamontowania ich bezpośrednio
w przegubach manipulatora, co znacznie upraszcza konstrukcję. Konstrukcja
manipulatora jest solidna, zapewnia odpowiednią sztywność. Elementy konstrukcyjne zostały wykonane na obrabiarkach z bardzo dużą dokładnością do
0,01 mm. Można stwierdzić, że model fizyczny konstrukcji jest taki sam jak
model wirtualny. Konstrukcja chwytaka nie jest odpowiednia, dlatego że osie
szczęk chwytaka przy rozwarciu nie są równoległe, co powoduje problem podczas chwytania. Koszt manipulatora jest bardzo niski, wynosi ok. 300 złotych +
koszt elementów konstrukcyjnych.
Sterownik Pololu zastosowany w projekcie ma liczne wady i zalety. Największymi zaletami są: prostota obsługi, małe wymiary i darmowe oprogramowanie. Największymi wadami są ograniczenia związane z napisaniem zaawansowanego programu czy podłączeniem systemu wizyjnego. Język
programowania jest intuicyjny, nie wymaga dużych umiejętności. Aby rozbudować manipulator oraz poprawić jakość działania należy:
 wymienić sterownik Pololu na sterownik Arduino,
 wymienić serwomechanizm odpowiedzialny za ruch członu pierwszego na
serwomechanizm o dwukrotnie większym momencie obrotowym,
 wymienić serwomechanizm odpowiedzialny za zwieranie oraz rozwieranie
szczęk chwytak na serwomechanizm o dwukrotnie większym momencie
obrotowym,
 zamontować czujnik krańcowy, czujnik odległościowy, czujnik koloru,
 poprawić konstrukcję chwytaka,
 wyeliminować luzy.
Literatura
1.
2.
http://botland.com.pl/, data dostępu 31.03.2014
Fojcik T., Projekt robota mobilnego w oparciu o kontroler serwonapędów
Pololu Micro, Praca inżynierska ATH pod przewodnictwem dr inż. Marcina Sidziny, Bielsko – Biała 2013