Трехосевой манипулятор

XXI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Личный портфель

Трехосевой манипулятор

Пермякова К.В. 1
1МАОУ "Лицей № 21"
Селиверстов Е.А. 1
1МАОУ Лицей № 21
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Диплом школьникаСвидетельство руководителя
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

В 2022-2023 учебном году нами был разработан проект марсохода- мобильной платформы на гусеницах. Основной проблемой проекта было отсутствие научного оборудования. Первым дополнительным элементом марсохода был выбран манипулятор.

Проектный продукт: модель манипулятора, предназначенного захвата небольших предметов, переноса их и выполнения несложных манипуляций с ними.

Гипотеза: в условиях лицея возможно разработать действующую модель манипулятора.

Цель: разработка и создание модели манипулятора.

Задачи:

  1. Постановка требований к манипулятору

  2. Выбор методов реализации

  3. Разработка электронно-программной части

  4. Разработка модели и её печать

  1. Основная часть

Манипуля́тор — механизм для управления пространственным положением орудий, объектов труда и конструкционных узлов и элементов.

Самые распространенные трехосевые манипуляторы. Трехосевые манипуляторы широко используются и могут быть применены к различным автоматизированным производствам. Это неотделимо от преимуществ трехосевых манипуляторов. 

    1. Основные требования к продукту

Для сужения и упрощения темы проекта было принято решение о разработке манипулятора, работающего в трех направлениях.

Исследовав различные вариации манипуляторов, были выдвинуты основные требования по устройству манипулятора:

- Материалы. Из-за высокой нагрузки на составные части можно применять легкие металлы, основываясь на вес всей конструкции. В зависимости от размера, можно изготовить из пластика, методом 3D печати

- Прочность. достаточная в суставах, чтобы выдерживать вес предметов до 100 грамм. Для большей грузоподъёмности рассматриваются материалы с наибольшей прочностью

- Устройство опоры. Устойчивость манипулятора зависит от основного корпуса его площади и массы.

- Защита от внешних факторов. Попадание влаги может повлиять на электронные компоненты, а в дальнейшем на прочность конструкции.

- Масса. Если рассматривать устройство на Земле, то значение массы не является значительным фактором. Но если рассматривать как начучное оборудование на космическом аппарате, то стоимость отправки килограмма груза на орбиту МКС составляет 20 тысяч долларов. Отправка полезного груза до Марса будет стоить еще больше. Следовательно, масса - очень важный параметр.

    1. Выбор методов реализации проекта

Управляющим элементом выбрана Arduino модели Uno, достаточно компактная и со всем необходимым функционалом. Arduino программируется на языке C и в сети интернет достаточное число уроков, в том числе русскоязычных [4].

Моторы для движения плеч манипулятора и клешни — это сервоприводы.

Управление осуществляется с помощью радиомодуля nRF24L01 и такого же приемника.

Пульт управления это два джойстика, сигналы от которого передаются по радиоволнам на приемник (манипулятор). Модуль работает на частоте 433 Гц все подключено к плате Ардуино.

Для питания электронных элементов в рамках модели было решено использовать два аккумулятора 18650. Их вольтажа достаточно для питания управляющей платы и пяти сервоприводов.

Модель корпуса частей манипулятора смоделирована в системе CAD Fusion 360. Эта программа достаточно простая в освоении и бесплатная.

В дальнейшем модель корпуса распечатана на 3D принтере FlashForgeAdventurer 4, Neptune 4 и Neptune 3 Plus пластиком PETG. Правильно настроенные FDM принтеры печатают с большой точностью и позволяют оставить печать с минимальным контролем, освободив время под решение других задач. А данный пластик обладает достаточной прочность и износостойкостью для задач проекта.

    1. Разработка управления и передвижения

Для управления моторами принят 16-канальный 12-битный модуль PCA9685PW. Он может контролировать скорость, угол и направление вращения до 16 сервоприводов.

Схема подключения элементов представлена ниже

Плата запрограммирована в среде ArduinoIDE на языке Arduino C [2]

    1. Разработка модели корпуса и её печать

Основная задача данного этапа: моделирование и печать корпуса и клешни манипулятора.

В ходе работы над проектом было разработана версия корпуса, которая в дальнейшем постоянно доробатывалась. Были исправлены такие недочеты, как неправильное положение сервоприводов, были уточнены размеры технологических отверстии под шестерни сервоприводов. Продуман принцип крепления сервоприводов к плечам.

В финальной версии учтено большинство недочетов.

Сервоприводы крепятся на болты M2 в специально подготовленные площадки. Моторы встают в пазы в задней части.

Клешня состоит из трех шестерней, из которых две это сжимающиеся пластины, они вращаются относительно шестерни установленной на площадке клешни.

Сервопривод 1 прикреплен к малой шестерни в основании, она вращаясь, задаёт движения для большой шестерни.

На большой шестерне закреплена ось, к которой крепится первый рычаг манипулятора. Положение этой шестерни задает горизонтальный угол поворота манипулятора

2 и 3 сервоприводы отвечают за вертикальный наклон плечей. Это позволяет менять вылет клешни

Четвертый сервопривод закреплён на стыке последнего рычага и площадки для клешней, отвечает за вертикальный наклон клешни. Этот сервопривод позволяет повернуть клешню для наилучшего захвата предмета.

Пятый сервопривод отвечает за разведение и сведение клешни, он через комбинацию 4 шестерен управляет захватом.

 

4

5

4

3

1

2

На печать одного комплекта деталей уходило в среднем до 5 часов работы принтера и 100 грамм пластика.

Заключение

В ходе работы над проектом решены все задачи. Получен действующий прототип манипулятора. Который можно использовать в научных, учебных и даже практических целях.

Исходная модель и код прошивки Arduino распространяются бесплатно. Могут быть использованы любым человеком с минимальным набором знаний.

Реализация полной модели манипулятора требует кропотливой работы многих специалистов: программистов, инженеров, 3D-моделистов. Поэтому одна из важных задач: поиск заинтересованных и сильных людей для совместной работы над проектом.

Следующий этап работы: интеграция манипулятора с моделью марсохода. Для получения мобильной научной платформы.

Список использованной литературы

  1. Крейг, Джон. Введение в робототехнику. Механика и управление. - Институт компьютерных исследований, 2013.

  2. Монк, С. Программируем Arduino. Профессиональная работа со скетчами. — СПб.: Питер, 2017.

  3. Поляков, К.Ю., Еремин, Е.А. Информатика, углубленный уровень: учебник для 11 класса. В 2-х частях. - Бином, 2022.

  4. Проекты с использованием контроллера Arduino / 2-е изд. перераб. и доп. – СПб.: БХВ-Петербург, 2015.

  5. Материалы сайта https://store.r-ed.world/wiki/performers/motorx

Просмотров работы: 43