HEPHAESTUS 639 K.R.S (EDUCATIONAL ROBOTIC ARM)

by nick-themachine

Ο ρομποτικός βραχίονας HEPHAESTUS 639 K.R.S, υλοποιήθηκε κατόπιν της μελέτης μου πάνω στην ρομποτική στα πλαίσια της πτυχιακής μου εργασίας (τίτλος πτυχιακής: Ρομποτική στην βιομηχανία-Μελέτη και κατασκευή εργαστηριακού ρομποτικού βραχίονα, έτος 2006), ως ένας επαναπρογραμματίσημος μηχανικός βραχίονας για την εκτέλεση κυρίως μεταφορικών εργασιών και μεταχείρισης εξαρτημάτων.
Είναι επίσης κατάλληλος για την επίδειξη της ρομποτικής τεχνολογίας στα πλαίσια του εκπαιδευτικού μας συστήματος, στα εργαστήρια που έχουν σχέση με τον βιομηχανικό αυτοματισμό και κάθε άλλου είδους αυτοματισμό, όπως επίσης και τον προγραμματισμό.
Ο ρομποτικός βραχίονας HEPHAESTUS 639, ανήκει στην οικογένεια των αρθροειδών ρομπότ (σχήμα_1), λόγω της κινηματικής του, που είναι RRR, (3 βαθμοί ελευθερίας). Ο χώρος εργασίας του είναι το ημισφαίριο.

(σχήμα_1) Ρομπότ τύπου P.U.M.A με κινηματική RRR.

Επέλεξα να κατασκευάσω αυτού του είδους το ρομπότ, επειδή προσεγγίζει περισσότερο την ανατομία του ανθρώπινου βραχίονα. Μια άλλη ονομασία των αρθροειδών ρομπότ, είναι περιστροφικά ρομπότ. Εδώ η πρώτη περιστροφική άρθρωση μετακινεί το ρομπότ δεξιά και αριστερά, γύρω από τον κάθετο άξονα της βάσης. Η δεύτερη άρθρωση μετακινεί τον βραχίονα πάνω και κάτω, γύρω από τον κάθετο άξονα του ώμου, ενώ η τρίτη άρθρωση μετακινεί το δεύτερο τμήμα του βραχίονα πάνω κάτω και γύρω από τον οριζόντιο άξονα του αγκώνα (σχήμα_2).
Η κίνηση του ρομποτικού βραχίονα γίνεται αποκλειστικά με τη χρήση σερβοκινητήρων, επειδή έχουν μεγάλη ακρίβεια στις κινήσεις τους, και σε συνδυασμό με την μεγάλη ταχύτητα που προσφέρουν αλλά και της μεγάλης ροπής τους, δίνουν το καταλληλότερο αποτέλεσμα στη συγκεκριμένη ρομποτική εφαρμογή.
Ο έλεγχος των κινήσεων γίνεται από τον ηλεκτρονικό υπολογιστή μέσω του προγράμματος edeFT639 Interface v1.0. Η σύζευξη μεταξύ του υπολογιστή και του βραχίονα γίνεται με την σειριακή θύρα RS232, που συνδέεται με τον K.R.S 639 Interface Controller, στο πίσω μέρος του ρομπότ.
Τα υλικά που χρησιμοποιήθηκαν στον ρομποτικό βραχίονα είναι τα πιο κατάλληλα λόγω του βάρους τους, και των μηχανικών ιδιοτήτων τους, όπως το ERTALON και το ΑΛΟΥΜΙΝΙΟ.

(σχήμα_2) Οι τρεις περιστροφικές αρθρώσεις του βραχίονα.

ΚΑΤΑΣΚΕΥΑΣΤΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΤΟΥ ΡΟΜΠΟΤΙΚΟΥ ΒΡΑΧΙΟΝΑ “HEPHAESTUS 639 K.R.S”

Ο ρομποτικός βραχίονας αποτελείται από:
1) Βάση από MTF πάχους 16mm, διαστάσεων 250mm X 300mm,
2) Κυλινδρική βάση από αλουμίνιο D=80mm, d=44mm,
3) Κυλινδρικός στύλος στήριξης του βραχίονα D=24mm, από ERTALON,
4) Έλασμα αλουμινίου πάχους 3mm, διαστάσεων 50mm Χ 100mm,
5) Βάση-υποδοχής του πρώτου σερβοκινητήρα από έλασμα αλουμινίου 1,5mm,
6) Κοιλοδοκός αλουμινίου, με διαμόρφωση υποδοχής του δεύτερου σερβοκινητήρα,
7) Σωλήνας αλουμινίου RHS Ø8mm,
8) Αρπάγη κατασκευασμένη από έλασμα αλουμινίου,
9) Δύο χαλύβδινα στελέχη για την αρπάγη,
10) Δύο ξύλινοι άξονες για τις αντίστοιχες αρθρώσεις των στελεχών,
11) Ένας σερβοκινητήρας FUTABA S3003, για την κίνηση δεξιά-αριστερά,
12) Ένας σερβοκινητήρας FUTABA S3010, για την κίνηση πάνω-κάτω όλου του βραχίονα,
13) Ένας σερβοκινητήρας HITEC HS-225BB, για την κίνηση πάνω-κάτω του δεύτερου
τμήματος,
14) Ένας σερβοκινητήρας GWS PICO STD, για το ανοιγόκλειμα της αρπάγης,
15) Εξαρτήματα μετάδοσης κίνησης,
16) Τα κατάλληλα καλώδια,
17) Βίδες,
18) Κοντρόλερ: K.R.S 639 Interface Controller,
19) Καλώδιο RS232,
20) Τροφοδοτικό.
21) Προστατευτικά από αφρολέξ, για την αρπάγη.

(Σχήμα_3)

ΚΥΛΙΝΔΡΙΚΗ ΒΑΣΗ ΑΛΟΥΜΙΝΙΟΥ

Η αλουμινένια βάση του βραχίονα (σχήμα_5) είναι εξολοκλήρου κατασκευασμένη σε CNC τόρνο. Η σχεδίαση και ο προγραμματισμός της έγινε με την βοήθεια του προγράμματος TOPSOLID (Σχήμα_4).
Ο στύλος συγκρατείται επαρκώς στο εσωτερικό της βάσης, συσφίγγοντας τις τρεις αλενόβιδες που βρίσκονται περιμετρικά της.

(Σχήμα_4) TOPSOLID Model. (Σχήμα_5) Η αλουμινένια βάση του βραχίονα.

ΚΥΛΙΝΔΡΙΚΟΣ ΣΤΥΛΟΣ ΣΤΗΡΙΞΗΣ ΤΟΥ ΒΡΑΧΙΟΝΑ

Η κατεργασία του κυλινδρικού στύλου διαμέτρου 24mm από ERTALON (ένα είδος βιομηχανικού TEFLON) έγινε σε συμβατικό τόρνο.

ΛΑΜΑ ΣΤΗΡΙΞΗΣ ΤΟΥ ΒΡΑΧΙΟΝΑ

Η λάμα στήριξης του κεντρικού σερβοκινητήρα (Σχήμα_6) που περιστρέφει τον βραχίονα δεξιά-αριστερά είναι επίσης κατασκευασμένη από αλουμίνιο πάχους 3mm και επεξεργάστηκε σε cnc φρέζα.

(Σχήμα_6) Η λάμα στήριξης του κεντρικού σερβοκινητήρα.

ΟΙ ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΙ ΤΩΝ ΑΡΘΡΩΣΕΩΝ

Ο μηχανισμός της κάθετης ως προς τον άξονα, περιστροφικής άρθρωσης (δεξιά-αριστερά), αλλά και η δεύτερη άρθρωση που κινεί τον βραχίονα πάνω και κάτω, γύρω από το κάθετο άξονα του ώμου:

(Σχήμα_7)

Ο μηχανισμός της τρίτης άρθρωσης που μετακινεί το δεύτερο τμήμα του βραχίονα πάνω, κάτω και γύρω από τον οριζόντιο άξονα του αγκώνα:

(Σχήμα_8)

Η ΑΡΠΑΓΗ (GRIPPER)

Στο ρομποτικό βραχίονα «HEPHAESTUS 639 K.R.S», χρησιμοποιείται αρπάγη τύπου λαβίδα (Σχήμα_9), αυτό βοηθά το ρομποτικό βραχίονα να συγκρατεί επαρκώς τα αντικείμενα προς μεταφορά.
Για να μην γλιστρούν τα αντικείμενα, υπάρχουν προστατευτικά από αφρολέξ, και την κίνηση της την παρέχει ένας σερβοκινητήρας GWS PICO STD.

(Σχήμα_9) Η αρπάγη του ρομποτικού βραχίονα τύπου λαβίδα.

Το μηχανικό κέρδος του βραχίονα είναι 3:1. Το καθαρό βάρος του βραχίονα (χωρίς την βάση και του στύλου στήριξης) είναι 170gr, άρα το μέγιστο βάρος που μπορεί να ανυψώσει είναι περίπου 500gr, δοκιμασμένα!

ΣΕΡΒΟΚΙΝΗΤΗΡΕΣ

Οι σερβοκινητήρες που χρησιμοποίησα είναι οι εξής:
1) FUTABA S3003, για την κίνηση δεξιά-αριστερά,
1) FUTABA S3010, για την κίνηση πάνω-κάτω όλου του βραχίονα,
1) HITEC HS-225BB, για την κίνηση πάνω-κάτω του δεύτερου τμήματος του βραχίονα και
1) GWS PICO STD, για το ανοιγόκλειμα της αρπάγης.

ΚΟΝΤΡΟΛΕΡ: «K.R.S 639 INTERFACE CONTROLLER»

Κάνοντας τα πρώτα μου βήματα στην ρομποτική το 2005, ήθελα να κατασκευάσω έναν απλό μηχανικό βραχίονα (έναν manipulator για την ακρίβεια, τον TALOS 639 K.R.S Σχήμα_13) 2,5 βαθμών ελευθερίας και να τον ελέγχω αρχικά από τον Η/Υ, ψάχνοντας να βρω το κατάλληλο κύκλωμα που να έχει την λιγότερη προγραμματιστική δουλειά φυσικά, βρήκα σε ένα τεύχος του ΕΛΕΚΤΟΡ το παρακάτω κύκλωμα βασισμένο στο ολοκληρωμένο edeFT 639 της Elab inc (πρώην FerreTronics). Έτσι ανέπτυξα το K.R.S 639 Interface Controller.
Πιο συγκεκριμένα το K.R.S 639 Interface Controller (σχήμα_10) μετατρέπει τα σήματα που δέχεται από την σειριακή σύνδεση RS232 του υπολογιστή σε σήματα-παλμούς, απαραίτητα για να ελεγχθούν οι τέσσερις σερβοκινητήρες.
To edeFT 639 (Σχήμα_11) είναι ένα ολοκληρωμένο με 8 ακροδέκτες, το οποίο είναι σε θέση να ελέγξει μέχρι πέντε σερβοκινητήρες μέσω μιας σειριακής γραμμής στα 2400 baud.
Όπως φαίνεται και από το σχηματικό διάγραμμα (Σχήμα_12) τα μόνα εξωτερικά εξαρτήματα που χρειάζονται είναι οι πυκνωτές απόζευξης, συν δύο αντιστάσεις και μία δίοδο για να ξεπεράσουμε την αρνητική διακύμανση της γραμμής RS232 στην οποία συνδέεται το κύκλωμα.
Στην περίπτωση που διαθέτουμε σειριακή με σήματα ελέγχου που παρουσιάζουν στάθμες TTL (5V), όπως για παράδειγμα είναι τα συστήματα PIC ή Parallax Stamp, τα σήματα ελέγχου του edeFT 639 είναι δυνατόν να εφαρμοστούν απ’ ευθείας στον ακροδέκτη 4.
Η μορφή των σειριακών δεδομένων είναι εξαιρετικά απλή: 2400 b/s, όχι ισοτιμία και 1 ψηφίο διακοπής (2400, 8, Ν, 1) οπότε μπορεί κανείς εύκολα να πειραματιστεί χρησιμοποιώντας οποιοδήποτε πρόγραμμα εξομοίωσης τερματικού όπως για παράδειγμα το γνωστό HyperTerminal των Windows.

(Σχήμα_10) Το K.R.S 639 Interface Controller.

(Σχήμα_11) Το ολοκληρωμένο edeFT 639, (download datasheet) http://www.selectronic.fr/includes_selectronic/pdf/Ferrettronics/FT639.pdf

(σχήμα_12) Το σχηματικό διάγραμμα.

(Σχήμα_13) Ο TALOS 639 K.R.S (2005)

SOFTWARE

Το edeFT639 Interface v1.0 (Σχήμα_15 έως 17) ξεκινά πάντα σε κατάσταση (Setup) και στην συνέχεια μεταπίπτει σε ενεργή κατάσταση. Το ολοκληρωμένο είναι σε θέση να στρέψει έναν σερβοκινητήρα σε μία από τις 256 δυνατές θέσεις μεταξύ 0 και 90 μοιρών χρησιμοποιώντας ‘σύντομο’ μήκος παλμού (1ms), ή μεταξύ 0 και 180 μοιρών χρησιμοποιώντας μεγάλο μήκος παλμού.
Η θέση εκκίνησης του κάθε σερβοκινητήρα είναι επίσης δυνατόν να οριστεί χωριστά, χρησιμοποιώντας διαφορετικό μήκος επικεφαλίδας. Αναλυτικές λεπτομέρειες σχετικά με την σηματοδοσία της μονάδας επάνω σε μία σειριακή γραμμή στα 2400 baud αναφέρονται στο datasheet του “FT639 Ferret”, όπου επίσης περιλαμβάνεται και ένα απλό πρόγραμμα γραμμένο σε QBASIC, το οποίο περιγράφει την ουσία της επικοινωνίας με την μονάδα μέσω του λογισμικού και της παράλληλης θύρας του υπολογιστή (LPT). Το συγκεκριμένο πρόγραμμα ‘πρώτης γνωριμίας’ με το ολοκληρωμένο μπορεί κανείς να το κατεβάσει από το διαδικτυακό τόπο της Elab Inc. Στον ίδιο διαδικτυακό τόπο υπάρχει και ένα ολοκληρωμένο παράδειγμα προγράμματος σε Visual BASIC (πηγαίος και εκτελέσιμος κώδικας), όπου περιγράφεται η οδήγηση του ελεγκτή σερβοκινητήρων edeFT 639 μέσα από τα Windows και την θύρα RS232.
Εκτός από το ολοκληρωμένο edeFT 639 και το δικτύωμα προστασίας της εισόδου αυτού (R1/R2/D1), στην πλακέτα υπάρχει επίσης ένας σταθεροποιητής τάσης. Όσοι ασχολούνται με τα τηλεχειριζόμενα μοντέλα και θέλουν να ενσωματώσουν το κύκλωμα σε κάποιο τηλεχειριζόμενο αεροπλάνο ή σκάφος, μπορούν να καταργήσουν την D1 και να αντικαταστήσουν το 7805 με ένα σταθεροποιητή χαμηλής πτώσης τάσης, όλα αυτά με στόχο την εξοικονόμηση ενέργειας για την μπαταρία. Οι σερβοκινητήρες συνδέονται με την πλακέτα ελέγχου μέσω των συνηθισμένων βυσμάτων με τους τρεις ακροδέκτες. Το μόνο σημείο στο οποίο θα χρειαστεί προσοχή είναι η διάταξη των ακροδεκτών, δεδομένου ότι οι διάφοροι κατασκευαστές χρησιμοποιούν μεταξύ τους διαφορετική θέση για τον ακροδέκτη παλμών (p), την γη και τα 5 V, οπότε θα πρέπει να συμβουλευτούμε το αντίστοιχο datasheet.

ΧΕΙΡΙΣΜΟΣ ΤΟΥ ΡΟΜΠΟΤΙΚΟΥ ΒΡΑΧΙΟΝΑ

Για τον χειρισμό του ρομποτικού βραχίονα θα πρέπει αρχικά να εγκαταστήσουμε το πρόγραμμα edeFT639 από το setup του, όπως κάθε πρόγραμμα. Κατόπιν συνδέουμε το K.R.S 639 Interface Controller με το τροφοδοτικό (~6V), και με τον υπολογιστή με το καλώδιο της σειριακής RS232. Μετά τη σύνδεση, ανοίγουμε το πρόγραμμα.
Στην πρώτη του σελίδα (Setup) (Σχήμα_15), στο πάνω μέρος, επιλέγουμε τον αριθμό της σειριακής που το έχουμε συνδέσει και πατάμε το Set Comm. Μετά πατάμε το Send Setup στο κάτω μέρος του παραθύρου.
Τώρα πλέον στη δεύτερη σελίδα (Position) (Σχήμα_16) μπορούμε να ελέγξουμε τους σερβοκινητήρες που έχουμε συνδέσει μετακινώντας τα scroll bars (manual). Αν ξαναγυρίσουμε στην πρώτη σελίδα του setup, παίζοντας με τις ρυθμίσεις Header Length, long pulse Length και short pulse Length μπορούμε να δούμε ποια είναι η καλύτερη ρύθμιση που θα μπορεί να στρίβει τα servo κατά τη μέγιστη γωνία. Κάθε φορά που θα αλλάζουμε κάποια ρύθμιση από αυτές για να ενεργοποιηθεί πρέπει να πατάμε το Send Setup.
Στην τρίτη σελίδα (Scripts) (σχήμα_17) μπορούμε να προγραμματίσουμε την κίνηση όλων των servo που έχουμε συνδέσει. Οι εντολές που μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε είναι δυο: Μ (move) και D (delay) που προφανώς η πρώτη κινεί κάποιον servo στη θέση που θέλουμε, και η δεύτερη «περιμένει» όσα milliseconds θέλουμε.

Οι εντολές συντάσσονται ως εξής:

Mxyyy ; όπου x = ο αριθμός του servo που θέλουμε να κινήσουμε (το x παίρνει τιμές από 1 έως 5)
y = η θέση στην οποία θέλουμε να τον πάμε (το y παίρνει τιμές από 000 έως 255)

Dzzzz ; όπου z = ο αριθμός των milliseconds που θέλουμε να περιμένει μέχρι να πάει στην επόμενη
εντολή (το z παίρνει τιμές από 0000 έως 9999)

ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑΤΑ:

M1020; μετακινεί τον servo #1 στη θέση 20
M2221; μετακινεί τον servo #2 στη θέση 221
M4127; μετακινεί τον servo #4 στη θέση 127
D0500; περιμένει 500 ms
D0009; περιμένει 9 ms
D4000; περιμένει 4000 ms (4 sec)

Γράφουμε τις εντολές στο μεγάλο πλαίσιο κειμένου (Σχήμα_17), τη μία κάτω από την άλλη, και όταν τελειώσουμε, για να τις εκτελέσουμε πατάμε Start. Στο τέλος κάθε εντολής βάζουμε ( ; ). Μπορούμε να σώσουμε ένα script που έχουμε γράψει (με μορφή txt), και να το φορτώσουμε κάποια άλλη στιγμή.
Τέλος όταν θέλουμε να κουνήσουμε αργά κάποιον servo, γράφουμε στο script μικρές μεταβολές στη θέση. Δηλαδή αντί να τον πάμε από τη θέση 20 στην 200 με μία εντολή, σπάμε την κίνηση σε μικρότερες διαδοχικές κινήσεις π.χ. από την 20 στην 50 μετά στην 80 κ.ο.κ. μέχρι την 200. Αν θέλουμε ακόμα πιο αργή, βάζουμε ανάμεσα στις διαδοχικές εντολές κίνησης εντολές για μικρή καθυστέρηση της τάξης των 100ms.

(Σχήμα_14) Η αρίθμηση των σερβοκινητήρων για τον προγραμματισμό του βραχίονα.

ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ ΧΕΙΡΙΣΜΟΥ: «PICK and PLACE»

Για μία απλή εφαρμογή «PICK and PLACE», έκανα τις παρακάτω ρυθμίσεις:

(Σχήμα_15) Setup (Σχήμα_16) Position (Σχήμα_17) Scripts

Το script που έγραψα για να εκτελεστεί η συγκεκριμένη εφαρμογή «PICK and PLACE» (Σχήμα_17), με τη μορφή που το σώζουμε (txt format):

{\rtf1\ansi\deff0{\fonttbl{\f0\fswiss\fcharset0 Tahoma;}}
\viewkind4\uc1\pard\lang1033\f0\fs17 M1000;
\par D0100;
\par M1165;
\par D0100;
\par M1000;
\par M2068;
\par D0100;
\par M1037;
\par M3000;
\par M2102;
\par M4141;
\par D0200;
\par M4224;
\par M2124;
\par D0100;
\par M1139;
\par D0300;
\par M2095;
\par M4147;
\par M1141;
\par D0300;
\par M2066;
\par M1175;
\par D0300;
\par M2125;
\par END;
\par
\par
\par }

(σχήμα_18) Ο HEPHAESTUS 639 στο Athens Digital Week’08

(σχήμα_19) Ο HEPHAESTUS 639 στο Athens Digital Week’09

ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑΤΑ ΧΕΙΡΙΣΜΟΥ: «Tele-operation»

Από τον Νικόλαο Καραβά (nick-themachine)
Αυτή η διεύθυνση ηλεκτρονικού ταχυδρομείου προστατεύεται από κακόβουλη χρήση. Χρειάζεται να ενεργοποιήσετε την Javascript για να τη δείτε.

Set as favorite

Bookmark

Email This

Σχόλια (7) add comment