Kinokontrol ng Arduino Robotic Arm W / 6 Mga Degree ng Freedom: 5 Mga Hakbang (na may Mga Larawan)

2024 May -akda: John Day | [email protected]. Huling binago: 2024-01-30 13:13

Miyembro ako ng isang pangkat ng robotics at bawat taon ang aming pangkat ay nakikilahok sa isang taunang Mini-Maker Faire. Simula noong 2014, nagpasya akong bumuo ng isang bagong proyekto para sa kaganapan sa bawat taon. Sa oras na iyon, mayroon akong isang buwan bago ang kaganapan upang pagsamahin ang isang bagay at walang ideya kung ano ang gusto kong gawin.

Ang isang kapwa miyembro ay nag-post ng isang link sa "isang kagiliw-giliw na bukas na mapagkukunan robotic arm build" na nag-una sa aking interes. Ang mga plano ay isang braso lamang na walang mga kontrol o isang controller. Kung isasaalang-alang ang aking mga paghihigpit sa oras, tila isang mahusay na panimulang punto. Ang problema lang ay wala talaga akong mga tool upang magsimula.

Sa tulong ng ilan sa mga kasapi ng pangkat, nagawang i-cut ang mga bahagi ng acrylic at ipinadala sa akin pati na rin ang dalawang naka-print na bahagi ng 3D na ipinakita sa ibaba. Kasama ng ilang mga magdamag na order ng hardware at maraming mga paglalakbay sa lokal na tindahan ng hardware, nakumpleto ko ang isang gumaganang proyekto sa gabi bago ang kaganapan!

Tulad ng karaniwang kaso, may higit pa sa kuwento at maraming mga pagkakatawang-tao sa pagbuo na naipon sa nakikita mo sa ibaba. Kung mayroon kang interes sa kwentong likuran, higit ang mahahanap dito:

Hakbang 1: Ano ang Kailangan mo - Hardware at Elektronikon

Ang orihinal na taga-disenyo ng proyekto ay nanirahan sa Europa at kasunod na gumamit ng mga sukat at sukat ng sukatan na karaniwan doon. Halimbawa ang press-board na ginamit niya para sa katawan ay isang pamantayang 5mm ang kapal. Ang mga katulad na materyal dito sa US ay 1/8 na halos 3.7mm ang kapal. Nag-iwan ito ng isang puwang sa mga bukana na orihinal na idinisenyo upang ma-press fitted. Sa halip na itama ang mga guhit ay ginamit ko lang ang Gorilla Glue upang ma-secure ang mga kasukasuan na ito.

Gumamit din siya ng M3 na sinulid na mga mani at bolt na hindi pamantayan sa iyong lokal na tindahan ng hardware sa US. Sa halip na i-convert ang mga ito sa mga lokal na magagamit na pagpipilian, inorder ko lang ang hardware sa online tulad ng ipinapakita sa aking mga bahagi na nakalista sa ibaba.

• 22 - M3 x 0.5 x 23mm Mga Standoff
• 15 - M3 x 15mm Spacers
• 40 - M3 Screws
• M3 Hex Nuts
• M3 25mm Screws
• 1 - Spring
• 3/4 "Double Sided Mounting Tape
• 5 - SG 5010 TowerPro Servo
• 1 - SG92R TowerPro mini servo
• 1 - SG90 TowerPro mini servo
• 2.54 mm Single Row Straight Pin Header
• 1 - Half-size na Breadboard
• 1 - Babae / Lalaki 'Extension' Jumper Wires - 40 x 6"
• 1 - 12 "x 24" Blue Acrylic Sheet o ang mga piraso ng laser cut mula sa iyong paboritong tagapagbigay ng serbisyo
• 2 - 3mm x 20mm + 4mm x 5mm joint tindig spacers 3D Naka-print (tingnan sa ibaba)
• 1 - Control panel * Tingnan ang Tandaan Sa Seksyon ng Mga Kable
• 1 - Diffuse RGB (tri-color) 10mm LED
• 1 - Arduino Uno
• 1 - Karaniwang LCD 16x2 + mga extra - puti sa asul
• 1 - i2c / SPI character LCD backpack
• 1 - Adafruit 16-Channel 12-bit PWM / Servo Driver
• 1 - MCP3008 - 8-Channel 10-Bit ADC Sa SPI Interface
• 3 - JoyStick Breakout Module Sensor * Tingnan ang Tala sa Seksyon ng Mga Kable
• DC Barrel Jack
• AC sa DC Adapter
• Mga cable ng Extension ng Servo - iba't ibang haba

Halos lahat ng mga bahagi para sa braso na ito ay pinutol mula 1 / 8th inch acrylic Ang dalawang magkasanib na tindig na spacer ay kailangang i-print, gayunpaman. Gayundin, ang orihinal na dinisenyo na tumawag para sa dalawang magkasanib na mga base ng spacer na 7mm ang taas sa tindig na baras. Nang sinimulan ko ang pagpupulong ng itaas na braso ay mabilis na malinaw na ang mga ito ay masyadong matangkad dahil sa taas ng mga servo ng TowerPro. Kailangan kong magkaroon ng mga bagong pinagsamang bearings na gawa sa isang base na 3mm lamang ang taas, na, sa pamamagitan ng paraan, ay pa rin medyo masyadong matangkad ngunit mapamahalaan. Gusto mong tandaan ang medyo taas ng iyong mga servos at account para sa distansya sa pagitan ng dalawang ibabang braso:

Taas ng servo + sungay ng servo + magkasanib na tindig + dobleng panig na tape = 47mm +/- 3mm.

Hakbang 2: Arm Assembly

Bago ka magsimula, tiyaking isentro ang lahat ng iyong mga servo! Kung sa anumang oras sa panahon ng konstruksyon, kung manu-manong mong ilipat ang posisyon ng servo, kakailanganin mong i-bago ito bago i-secure ito sa frame. Lalo na ito ay mahalaga sa mga balikat na servos na laging kailangang gumalaw nang magkakasabay.

1. Ikabit ang base servo sa tuktok na base plate gamit ang M3 25mm screws at hex nut. Huwag labis na higpitan! TANDAAN: Baka gusto mong maglapat ng lock-masikip sa mga thread upang mabawasan ang mga loosening ng mani habang ginagamit.

2. Kung gumagamit ka ng listahan ng mga bahagi na mayroon ako sa itaas, susunod mong gugustuhin na tipunin ang 5 base spacers sa pamamagitan ng pag-thread ng 2 bawat isa sa M3 x 0.5 x 23mm Standoffs magkasama at pagkatapos ay ilakip ang mga ito sa itaas na base plate na may hex nut.
3. Ikabit ang ibabang base plate sa mga standoff na may 5 M3 Screws.

4. Ikabit ang plate ng balikat sa dalawang servo mounting plate gamit ang isang acrylic safe adhesive. Ginamit ko dito ang Gorilla Glue. TANDAAN: Ang bawat isa sa dalawang plate ng servo ay may butas sa likuran na nagbibigay-daan sa isang pampalakas na spacer na maipasok na kumokonekta sa kanila. Siguraduhin na ang mga butas ay nakahanay! * Habang mayroon kang madaling gamitan, magpatuloy at sumali sa plate ng pag-mount ng pulso gamit ang pangunahing gripper plate. * Bilang pagpipilian, maaari mo ring idikit ang plate ng servo ng pulso sa dalawang magkasanib na plato. Hindi ko ginawa ito sa pagpili upang i-bolt ang mga ito kasama ang mga standoff tulad ng inilarawan sa ibaba.

5. Ikabit ang natiyak na pagpupulong ng balikat sa base servo. Ginamit ko ang pinakamalawak na sungay na kasama ng servo na kung saan ay ang anim na stem mounting sungay.
6. Ang pagdaragdag ng frame ng ibabang braso sa mga servo ng balikat ay maaaring maging nakakalito. Iminumungkahi ko ang pag-secure ng mga sungay sa mga frame ng ibabang braso bago magpatuloy. TANDAAN: Siguraduhing isentro ang iyong mga servos para sa pagpupulong ng balikat BAGO ilakip ang mga ito sa frame. Ang dalawang servos na ito ay dapat na gumalaw nang magkakasabay at kung ang mga ito ay hindi nakalapat ay hindi bababa sa magiging sanhi ng servo jitter at, kung sapat ang pagkakamali, maaaring makapinsala sa frame o servos. * Ang bawat isa sa mga servo ng balikat ay naka-mount sa kanilang mga braket sa likuran ng mga mounting plate sa halip na ipasa ang mga servo sa mga plato - papayagan kang itulak ang sungay papunta sa servo shaft sa isang anggulo at i-secure ang tornilyo. Huwag pa ma-secure ang servo sa mounting plate. * Susunod, idagdag ang panloob na servo at i-mount ang braso
7. Ipunin ang itaas na frame ng braso at mga servo sa pamamagitan ng pagtulak sa mga servo sa mga puwang sa mga bisig at pagkatapos ay ipasok ang mga spacer sa pagitan ng parehong mga plate sa itaas na braso at i-secure ang mga M3 na turnilyo.
8. Magdagdag ng dobleng panig na malagkit na tape sa likod ng siko ng magkasanib na spacer at i-trim ang labis.
9. Ikabit ang spacer sa ilalim ng servo na kikilos bilang elect actuator.
10. I-slip ang pagpupulong ng itaas na braso sa frame ng pagpupulong sa ibabang braso at i-secure ang mga turnilyo ng servo sungay.
11. Magdagdag ng mga pampalakas na standoff sa pagitan ng dalawang mga plate ng mas mababang braso. Gumamit ako ng dalawa sa halip na lahat ng apat upang babaan ang timbang.
12. Magdagdag ng dobleng panig na malagkit na tape sa likod ng itaas na pulso ng magkasanib na spacer at i-trim ang labis.
13. Ikabit ang spacer sa ilalim ng servo na gagana bilang actuador ng pulso.
14. Ikabit ang panlabas na plato ng pulso sa sungay ng servo ng pulso at i-secure gamit ang isang tornilyo ng sungay.
15. Ipunin ang plate ng servo ng pulso gamit ang dalawang magkasanib na plato at standoffs.
16. I-secure ang servo ng pulso sa plate ng servo gamit ang servo clamp plate.
17. Kakailanganin mong i-secure ang sungay ng pulso sa servo bago ilakip ang pagpupulong ng gripper sa sungay na iyon dahil sa pagbubukas para sa tornilyo ng sungay na hinarangan.
18. Maluwag na tipunin ang mga piraso ng gripper para magkasya bago ilakip ang gripper servo sungay sa servo. Papayagan ka nitong puwang upang maiwaksi ang sungay sa nakaraang hakbang.
19. Ikabit ang sungay ng gripper sa servo nito at lalong higpitan ang mga turnilyo na humahawak sa mga kasukasuan ng gripper. TANDAAN: huwag ganap na higpitan ang mga nut at bolts na ito dahil kailangan nilang maluwag upang payagan ang gripper na kumilos.

Hakbang 3: Mga Kable at Control Panel

Itinayo ko ang proyektong ito bilang isang platform ng pag-unlad para sa ilang mga ideya na mayroon ako para sa isang susunod na proyektong pang-edukasyon. Kaya, karamihan sa aking mga koneksyon ay simpleng mga konektor ng dupont. Ang nag-iisang paghihinang na ginawa ko ay para sa MCP3008. Kung makakahanap ka ng isang breakout board para sa kumponenteng ito, dapat mong mabuo nang libre ang arm solder na ito.

Mayroong 3 mga pangkat ng mga bahagi:

1. Mga Input - Ang mga item na ito ay kumukuha ng impormasyon mula sa gumagamit at binubuo ng mga joystick at mcp3008 ADC.
2. Mga Output - Ang mga item na ito ay nagdadala ng data sa mundo alinman sa pamamagitan ng pagpapakita ng katayuan sa gumagamit o pag-update ng mga servos na may data ng posisyon. Ang mga item na ito ay ang LCD Screen, LCD Backpack, ang RGB LED, ang Servo driver board at panghuli ang mga servos.
3. Pagpoproseso - Ang Arduino ay bumabalot sa huling pangkat na kumukuha ng data mula sa mga input at itinutulak ang data sa mga output ayon sa mga tagubilin sa code.

Ang eskematiko ng Fritzing sa itaas ay nagdedetalye sa mga koneksyon ng pin para sa lahat ng mga bahagi.

Mga input

Magsisimula kami sa mga input. Ang mga joystick ay mga analog device - nangangahulugang nagpapakita sila ng isang variable na boltahe bilang isang input sa Arduino. Ang bawat isa sa tatlong mga joystick ay may dalawang mga analog output para sa X at Y (pataas, pababa, kaliwa pakanan) na gumagawa ng isang kabuuang 6 na input sa Arduino. Habang ang Arduino Uno ay may 6 na mga analog input na magagamit, kailangan naming gumamit ng dalawa sa mga pin para sa komunikasyon ng I2C sa screen at servo controller.

Dahil dito, isinama ko ang analog na MCP3008 sa digital converter (ADC). Ang maliit na tilad na ito ay tumatagal ng hanggang sa 8 mga input ng analog at binago ang mga ito sa isang digital signal sa mga pin ng komunikasyon ng SPI ng Arduino tulad ng sumusunod:

• MCP Pins 1-6> Mga variable na output ng mga thumbstick ng hinlalaki
• MCP Pins 7 & 8> Walang koneksyon
• MCP Pin 9 (DGND)> Ground
• MCP Pin 10 (CS / SHDN)> I-uno ang Pin 12
• MCP Pin 11 (DIN)> I-uno ang Pin 11
• MCP Pin 12 (DOUT)> I-uno ang Pin 10
• MCP Pin 13 (CLK)> I-uno ang Pin 9
• MCP Pin 14 (AGND)> Ground
• MCP Pin 15 & 16> + 5V

Ang mga koneksyon ng joystick sa eskematiko ay ipinapakita lamang bilang isang halimbawa. Nakasalalay sa aling mga joystick ang bumili at kung paano sila naka-mount, maaaring magkakaiba ang iyong mga koneksyon sa minahan. Ang iba't ibang mga tatak ng joystick ay maaaring magkaroon ng ibang pinout at maaari ding magkakaiba ang orient ng X at Y. Ano ang mahalaga ay pag-unawa sa kung ano ang kinatawan ng bawat input sa ADC. Ang bawat pin ay kumakatawan sa mga sumusunod na ugnayan sa aking code:

• Pin 1 - The Base - Ang data ng analog sa pin na ito ay paikutin ang pinakamababang servo sa robot
• Pin 2 - The Shoulder - Ang data ng analog sa pin na ito ay paikutin ang dalawang servos sa itaas ng base servo
• Pin 3 - The Elbow - Ang data ng analog sa pin na ito ay paikutin ang susunod na servo pataas mula sa mga servos ng balikat
• Pin 4 - UP / DN Wrist - Ang data ng analog sa pin na ito ay paikutin ang servo ng pulso, pagtaas at pagbaba ng pagpupulong ng gripper
• Pin 5 - The Gripper - Ang data ng analog sa pin na ito ay magbubukas at isara ang gripper
• Pin 6 - Paikutin ang pulso - Ang data ng analog sa pin na ito ay paikutin ang gripper

TANDAAN: Kapag ang pagbili at pag-mount ng mga thumbstick ng hinlalaki na isinangguni sa listahan ng mga bahagi, tandaan na ang orientation ng mga module ay maaaring magkakaiba sa minahan kaya, subukan ang x at y output para sa wastong koneksyon sa ADC. Gayundin, kung gumagamit ka ng aking 3D naka-print na control panel, ang mga mounting hole ay maaaring mapunan mula sa minahan.

Mga output

Ginagawa ng Adafruit PWM / Servo Controller ang proyektong ito na sobrang simple. Ikonekta lamang ang servos sa mga header ng servo at lahat ng mga koneksyon ng kuryente at signal ay hinahawakan. Maliban kung makakita ka ng mga servo na may labis na mahabang mga lead, gugustuhin mong makakuha ng isang hanay ng mga extension ng servo cable sa iba't ibang haba upang maabot ng lahat ng iyong mga servo cable ang iyong board ng controller.

Ang mga servos ay konektado tulad ng sumusunod:

• Posisyon 0 - Base servo
• Posisyon 1 - servo ng Balikat (Servo Y Cable)
• Posisyon 2 - Siko Servo
• Posisyon 3 - pulso 1 Servo
• Posisyon 4 - Gripper Servo
• Posisyon 5 - pulso 2 Servo

Bilang karagdagan, ang VCC at V + ay parehong konektado sa +5 Volts at ang GND ay konektado sa Ground.

TANDAAN 1: Isang MALAKING tala dito: Ang boltahe ng suplay para sa buong proyekto ay papasok sa pamamagitan ng power terminal block sa Servo Control Board. Ang V + pin sa Servo Controller ay talagang nagbibigay ng lakas mula sa terminal block hanggang sa natitirang circuit. Kung kailangan mong i-program ang iyong Uno, lubos kong inirerekumenda ang pagdiskonekta ng V + pin bago ikonekta ang Uno sa iyong PC dahil ang kasalukuyang gumuhit mula sa mga servo ay maaaring makapinsala sa iyong USB port.

TANDAAN 2: Gumagamit ako ng isang 6V AC sa DC wall adapter upang mapagana ang proyekto. Inirerekumenda ko ang isang adapter na maaaring magbigay ng hindi bababa sa 4A ng kasalukuyang upang kapag ang isa o higit pa sa mga servo ay nakagapos, ang biglaang pagtaas sa kasalukuyang hindi brown-out ang iyong system at i-reset ang iyong Arduino.

Ang 16X2 LCD screen ay konektado sa Adafruit LCD Backpack upang samantalahin ang interface ng I2C na ginagamit na ng Servo Controller. Ang SCL sa Servo Controller at ang CLK sa Backpack ay parehong kumonekta sa Pin A5 sa Uno. Gayundin, ang SDA sa Servo Controller at ang DAT sa Backpack ay parehong kumonekta sa Pin A4 sa Uno. Bilang karagdagan, ang 5V ay konektado sa +5 Volts at ang GND ay konektado sa Ground. Ang LAT sa Backpack ay hindi konektado sa anumang bagay.

Panghuli, ang RGB LED ay konektado sa mga pin 7 (RED), 6 (Green), at 5 (Blue) sa Uno. Ang ground leg ng LED ay konektado sa Ground sa pamamagitan ng isang 330Ohm resistor.

Pinoproseso

Huling ngunit hindi pa huli, ang natitirang mga koneksyon ng Arduino na hindi nakalista sa itaas ay ang mga sumusunod: Ang Pin 5V ay konektado sa +5 Volts at ang GND ay konektado sa Ground.

Sa aking pag-set up, ginamit ko ang mga gilid ng daanan ng tinapay upang maitali ang lahat ng mga linya ng kuryente at lupa pati na rin ang mga I2C na pin para sa lahat ng mga aparato.

Hakbang 4: Code

Tulad ng nakasaad dati, orihinal na itinayo ko ang proyektong ito bilang isang pagpapakita para sa aking lokal na Maker Faire. Nilayon ko ito upang maging isang bagay para sa mga bata at matatanda upang makapaglaro habang nasa aming booth. Bilang ito ay lumiliko out, ito ay isang paraan na mas tanyag kaysa sa naisip ko - napakarami, na ang mga bata ay nakikipaglaban tungkol dito. Kaya, nang dumating ang oras para sa muling pagsusulat, isinama ko ang isang "Demo Mode" na nagpapatupad ng isang limitasyon sa oras.

Nakaupo ang braso doon naghihintay para sa isang tao na ilipat ang isang joystick at kapag ginawa nila, nagsisimula ito ng 60 segundo na timer. Sa pagtatapos ng 60 segundo, hihinto ito sa pagkuha ng pag-input mula sa gumagamit at "Mga Pahinga" sa loob ng 15 segundo. Ang maikling pansin ay sumasaklaw sa pagiging ano sila, ang panahon ng pamamahinga na ito ay lubos na binawasan ang pagtatalo para sa oras ng stick.

Pangunahing operasyon

Ang code na nakalista sa seksyon ng sanggunian sa ibaba ay medyo simple. Sinusubaybayan ng isang array ang 6 na magkasanib na may min, mga max na extension, isang posisyon sa bahay at kasalukuyang posisyon. Kapag pinalakas ang braso, tinutukoy ng pagpapaandar ng startup ang mga aklatan na kinakailangan upang makipag-usap sa MCP3008, ang LCD Backpack (at pagkatapos ay ang screen), at tinutukoy ang mga LED pin. Mula doon ay gumagawa ng isang pangunahing mga sistema ng tseke at nagpapatuloy sa tahanan ng braso. Ang pagpapaandar sa bahay ay nagsisimula sa gripper at gumagana pababa sa base upang ma-minimize nito ang pagkakataong umiiral sa ilalim ng normal na mga kondisyon. Kung ang braso ay ganap na pinalawig, kung gayon mas makabubuting i-kamay nang manu-manong ang braso bago paandar ito. Dahil ang mga generic na servo ay hindi nagbibigay ng puna ng posisyon nito, kailangan naming ilagay ang bawat isa sa isang paunang natukoy na punto at subaybayan kung gaano kalayo ang paglipat ng bawat isa.

Ang pangunahing loop ay nagsisimula muna sa isang mode ng paghihintay - hinahanap ang mga joystick upang lumayo mula sa kanilang posisyon sa gitna. Kapag nangyari iyon, ang pangunahing pagbabago ng loop ay estado sa countdown na estado. Habang inililipat ng gumagamit ang bawat joystick, ang kamag-anak na posisyon ng joystick mula sa gitna ay idaragdag o ibabawas mula sa kasalukuyang kilalang posisyon at mai-update ang naaangkop na servo. Kapag naabot ng isang servo ang tinukoy nitong limitasyon sa isang direksyon, humihinto ang joystick. Kailangang ilipat ng gumagamit ang joystick sa iba pang direksyon upang ilipat ito muli. Ito ay isang limitasyon sa software na ipapataw sa mga servo anuman ang kanilang paghinto ng hardware. Pinapayagan ka ng tampok na ito na panatilihin ang paggalaw ng braso sa loob ng isang tinukoy na lugar ng pagpapatakbo kung kinakailangan. Kung ang joystick ay inilabas sa gitna, hihinto ang paggalaw.

Ang code na ito ay isang pangkalahatang panimulang punto lamang. Maaari kang magdagdag ng iyong sariling mga mode ayon sa gusto mo. Ang isang halimbawa ay maaaring isang timer-less na tuloy-tuloy na run mode o baka idagdag sa mga pindutan ng pushstick ng joystick bilang mga input at magsulat ng isang record / mode ng pag-playback.

Hakbang 5: Mga Link at Pinagkukunan

Mga Sanggunian sa Braso

• I-post na nagbigay inspirasyon sa proyektong ito
• Orihinal na mga post ng blog ng Mga Tagadesenyo Ang sarili kong Robotic arm
• Thingiverse Arm
• Thingiverse Mini Servo Gripper

Mga Libry ng Software

• Mga Mapagkukunan ng Adafruit PWM / Servo Controller
• MCP3008 Library
• MCP3008 Datasheet

Control Panel at Code

• Pagguhit ng Tinkercad ng ginawa kong Panel
• Kasalukuyang code repository