Проектирование антропоморфного манипулятора c 7 степенями



    Всем привет! Уже почти год ничего нового не публиковалось по поводу судьбы сервисного робота Tod Bot. Однако, все это время мы не сидели сложа руки, и сегодня можем рассказать о достигнутых успехах. Данный пост не претендует на рецепт проектирования, а только лишь описывает наш путь.

    Занимаясь нашим проектом, мы дошли до задач захвата предметов манипулятором. На тот момент у нас уже были решены такие задачи, как распознавание предметов и управления манипулятором. Манипулятор был сделан из конструктора и использовал обычные сервоприводы, и его грузоподъёмность и возможность управления скоростью оставляли желать лучшего(контроллер, который мы использовали, не поддерживал динамическое управление скоростью сервоприводами). Тогда перед нами стал выбор: заказать новый контроллер и использовать то, что уже есть или же решить проблему кардинально и получить манипулятор, который бы нас устраивал по всем параметрам.

    Приобретать манипулятор, который бы отвечал всем требованиям даже и не думали – бешеных денег стоит. Поэтому решили пойти самым тернистым, но и сам интересным путем — сконструировать свой собственный.
    Первым делом был сформирован список основных характеристик:
    • Количество степеней: 7
    • Грузоподъемность/Рабочий вес: 2 – 3 кг
    • Длинна манипулятора: 90 см
    • Вес манипулятора: 6-8 кг

    Почему именно такие характеристики? Ну, начнем с веса… Так как манипулятор планируется ставить на мобильную платформу, то его масса является существенным критерием и чем легче будет манипулятор, тем лучше.

    С выбором длины манипулятора ориентировались на размер руки человека с небольшим запасом, т.к. практически все предметы быта находятся на расстоянии вытянутой руки.

    Рабочий вес определялся исходя из некоторой статистики. В бытовом окружении, предметы, рассчитанные на поднятие одной рукой, по своей массе находятся в пределах до 1 кг. Самым тяжелым является чайник, масса которого может достигать 2 кг или около того.

    Самым интересным было определиться с количеством степеней. Для успешного захвата предмета в пространстве достаточно минимум 4-х степеней свободы. Но так как мы уже успели освоить ПО для управления манипулятором с 6 – 7 степенями и очень хотелось опробовать его на деле, то решили собрать железку для него. Такое количество степеней позволяет выполнять более сложные и функциональные движения. Как говориться, больше — не меньше.



    Далее мы принялись шерстить инет и, конечно же, начали с открытых проектов, но их… их, в общем-то, по пальцам рук можно пересчитать. Все что смогли найти по характеристикам нас не устроило, включая даже такие амбициозные проекты как Inmoov. Что подтолкнуло к окончательному решению разработать свой манипулятор.

    Принципиальная схема


    Принцип работы манипулятора во многом зависит от устройства используемого привода. В ходе поиска были выявлены следующие варианты (изначально не рассматривали инновационные технологии, типа нагревание рыболовной лески и прочее):
    1. Электроприводы
    2. Пневмоприводы/гидроприводы

    С гидравликой и пневматикой связываться не особо хотелось, да и относительно дорогое удовольствие это (цилиндры, компрессоры и т.д.). По пути использования электропривода тоже есть варианты, а именно типы электроприводов:
    1. Сервоприводы
    2. Шаговые двигатели
    3. Двигатели постоянного тока

    Использование сервоприводов отмели сразу, т.к. те, что более доступны не подходят для заявленных характеристик по грузоподъемности, а промышленные стоят слишком дорого. С шаговыми двигателями тоже не все так гладко — они достаточно массивные в сравнении с ДПТ. В итоге, было решено остановиться на последних.
    Следующим шагом мы рассмотрели различные конструкции, использующие двигатели постоянного тока, и выделили следующие варианты:
    1. Приводы установлены непосредственно в узлах манипулятора (места изгиба или вращения сочленений)
    2. Приводы вынесены за пределы узла

    В последнем случае крутящий момент от двигателя может передаваться несколькими вариантами:
    • Ременная передача
    • Посредством тросов
    • Посредством валов

    При конструировании первым вариантом рассматривалось расположение приводов в узлах. После начала проектирования, когда были спроектированы первые 4 степени, стало понятно, что манипулятор не будет обладать требуемыми подъемными характеристиками. Масса манипулятора распределяется по всей его длине, а как известно из физики по закону рычага: чем дальше груз от точки приложения силы, тем больше этой самой силы нужно приложить.



    Тогда было решено приводы вынести ближе к основанию с применением тросов, хотя был соблазн и вовсе их расположить в основании. Причем на этот раз использовалась система конических шестерен для пар степеней. Такой блок шестерен позволил распределить крутящий момент сразу между двумя степенями свободы.



    Работа закипела: расчеты, чертежи, размышления… Спроектировав весь манипулятор, закралось сомнение… Удастся ли нивелировать погрешность растяжения тросов и обеспечить достаточную жесткость передачи крутящего момента?



    И мы приступили к следующей итерации, которая была направленна на улучшения и исправление недостатков, так как в целом получившаяся конструкция нас устраивала. В основном изменению подвергся способ передачи крутящего момента, и, в конечном итоге, мы остановились на комбинированном варианте: жесткие валы и ременная передача.



    Ну и конечно же общий вид манипулятора.



    В следующей статье будет затронута электронная начинка и принципиальная схема нашего детища.
    • +24
    • 12,7k
    • 7
    TOD
    22,63
    Компания
    Поделиться публикацией

    Похожие публикации

    Комментарии 7

      +2
      Выглядит очень впечатляюще.
      Не совсем понятно, где у него седьмая ступень свободы, в пальцах у него две степени?
      Жаль, что нет видео о его работе, с нетерпением жду продолжения.
        +2
        Сейчас наши активности смещены в сторону проекта, а статьи и оформление сайта проекта идут по остаточному принципу. Делать изображение с прорисовкой расположения степеней было не когда. Но можно ориентироваться на данный рисунок:

        В пальцах 2 степени, но они не в счет)
        0
        Для контроля положения сочлений вы использовали энкодеры?
          0
          Об этом в следующей статье)
          +1
          Я просто оставлю это тут.
          vk.com/video_ext.php?oid=-39769606&id=171147688&hash=2d9eea2797d50058
            0
            А может все-таки комментарий из пары слов?!
              +1
              Окей. Простой пример гидравлики где можно обойтись без компрессора просто вторым целиндром, а поршнем управлять с помощью привода. т.е гидравлика заменяет собой валл и ременную передачу, а управление можно реализовать на тех же электро моторах.

          Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

          Самое читаемое