Experience in manufacturing and assembling a robot manipulator using 3D printing technology

Research article
DOI:
https://doi.org/10.60797/IRJ.2024.146.143
Issue: № 8 (146), 2024
Suggested:
29.06.2024
Accepted:
16.07.2024
Published:
16.08.2024
157
4
XML
PDF

Abstract

The development of additive manufacturing technologies makes it possible to use new materials to manufacture structures instead of, for example, turning and milling metal. In particular, products printed from plastics on a 3D printer can replace broken parts of machines and mechanisms. The technology also makes it possible to create products with non-standard shapes.

This publication examines the process of manufacturing, assembly and debugging of a robot manipulator, the design of which is printed using a 3D printer. The results of the robot manipulator tests are presented. The experience of solving problems in debugging related to design features is summarized.

The electronic and software part of the robot manipulator is also described.

1. Введение

Роботы-манипуляторы широко используются при выполнении различных задач на производстве

. Материалом конструкции таких роботов является сталь или алюминий, поэтому для их изготовления необходимы станки для обработки металла, а сам процесс является дорогостоящим. В то же время одной из компонент Четвертой промышленной революции является аддитивное производство
,
, и встает вопрос в том, насколько возможно его применить для создания конструкции робота-манипулятора. В публикации
приводится новая методика изготовления роботов с применением 3D-принтеров, рассказано о создании SCARA-робота, однако, недостаточно данных об испытаниях разработанного изделия. В
авторы выдвигают гипотезу об использовании напечатанных на 3D-принтере деталей в роботе, который планируется использовать на лунной поверхности, что подтверждает способность напечатанных конструктивных элементов выдерживать значительные нагрузки. В
приведен анализ концепции самовоспроизводящихся роботов с использованием 3D-принтера, что делает 3D-печать не только способом создания роботов, но и расширяет границы их применимости.

Ввиду вышеуказанного, тематику данной статьи следует считать актуальной для развития технологий аддитивного производства.

Целью исследования является получение и обобщение экспериментальных данных о поведении конструктивных элементов робота-манипулятора, которые изготовлены с применением технологии 3D-печати.

Для достижения цели поставлены следующие задачи:

1. Выбрать проект робота-манипулятора;

2. Изготовить детали конструкции и осуществить сборку;

3. Собрать электронную схему управления и осуществить программирование микроконтроллера;

4. Провести испытания робота-манипулятора.

2. Обзор открытых конструкций роботов-манипуляторов

Ввиду того, что в сети Интернет можно найти открытые проект роботов-манипуляторов и из-за отсутствия опыта проектирования подобных конструкций, решено использовать одну из них. Ряд открытых проектов, например Niryo

и Thor
, предлагают CAD модели и использование шаговых электродвигателей для перемещения узлов. Проект Niryo содержит ряд негативных отзывов и более скудную документацию по сравнению с проектом Thor. Также существуют проекты роботов-манипуляторов, в которых для перемещения узлов используются сервоприводы. Данные проекты не рассматриваются, потому что хотя сервоприводом проще управлять, он обладает меньшей точностью позиционирования по сравнению с шаговыми электродвигателями.

В проекте Thor помимо расширенной документации существует сообщество людей, которые реализовывали данный проект, благодаря этому есть возможность получить консультацию.

У робота Thor (рисунок 1) 6 степеней свободы (DoF), для вращения узлов используются шаговые электродвигатели. Рабочий орган представлен параллельным захватом (gripper), который управляется сервоприводом. Радиус рабочей области робота составляет 0.6 м, максимальная грузоподъемность – 0.75 кг.

3D-модель робота Thor

Рисунок 1 - 3D-модель робота Thor

3. Изготовление деталей конструкции и сборка

Детали робота были распечатаны на 3D-принтере (рисунок 2) пластиком ABS. В зависимости от назначения детали использовалось 100% (для шестерней) и 40% (для элементов корпуса) заполнение. Детали невозможно напечатать абсолютно гладкими, так как печатающая головка перемещается по слоям. Ввиду этого, детали дополнительно обрабатывались с помощью наждачной бумаги, дремеля и ацетона. Узкие отверстия было необходимо избавить от остатков пластика.

Комплект распечатанных на 3D-принтере деталей робота

Рисунок 2 - Комплект распечатанных на 3D-принтере деталей робота

Поскольку размеры части деталей превышали размеры рабочей области 3D-принтера (пример детали приведен на рисунке 3), детали разделяли на части, а затем были склеены при помощи эпоксидной смолы (результат на рисунке 4).
 Деталь механизма наклона робота, которая была разделена пополам

Рисунок 3 - Деталь механизма наклона робота, которая была разделена пополам

 Результат склеивания разделенной детали

Рисунок 4 - Результат склеивания разделенной детали

Особое внимание было уделено сборке передаточных механизмов, в которых использовались пластиковые шестерни. Они были тщательно обработаны от остатков пластика и обильно смазаны солидолом.

В ходе испытаний выяснилось, что часть пластиковых деталей в основании робота плохо держат нагрузку, в результате чего передаточный механизм проскальзывает. Для усиления конструкции были добавлены элементы из алюминия (рисунок 5).

 Усиление конструкции робота алюминиевыми вставками

Рисунок 5 - Усиление конструкции робота алюминиевыми вставками

Еще одной сложностью было ненадежное крепление шестерен (рисунок 6) на валах шаговых двигателей. Винты M3 недостаточно удерживали шестерню и при больших нагрузках (робот поднимался из горизонтального положения в вертикальное) шестерни прокручивались на валу. Данная проблема была решена путем увеличения диаметра винта до М4.
Шестерня с винтом М3

Рисунок 6 - Шестерня с винтом М3

В начале все детали печатались белым пластиком, однако, ответная часть оптических концевых переключателей (рисунок 7) плохо перекрывала свет от излучателя до приемника. Детали были покрашены в черный цвет.
 Ответная часть концевого переключателя

Рисунок 7 -  Ответная часть концевого переключателя

Кроме того, данные детали достаточно хрупкие, одна из них была заменена на участок пластиковой карточки. Напечатанный подшипник дает люфт, поэтому его в дальнейшем стоит заменить на подшипник заводского изготовления. Часть узлов робота сложны в сборке и в обслуживании. В результате произведенных работ робот был собран (рисунок 8).
 Собранный робот

Рисунок 8 - Собранный робот

4. Электронная схема управления

Для вращения узлов робота с манипулятором используются шаговые электрические двигатели. Выставление электродвигателей в нулевое положение происходит по метке, которая определяется при помощи оптических и механических концевых выключателей. Сигнал от механического концевого переключателя может быть измерен дискретным вводом микроконтроллера (МК) (рисунок 9).

Шаговый двигатель управляется последовательностью импульсов, которые в определенном порядке подаются на его обмотки. Для генерирования импульсов используется устройства связи с объектом (УСО), в англоязычной литературе, драйвер, A4988. Используется режим микрошага с соотношением 1/16. Управление УСО и считывание сигналом от концевых переключателей возложено на микроконтроллер AtMega2560.

Для обеспечения рабочей температуры шаговых двигателей и УСО в корпусе робота предусмотрены 6 вентиляторов, которые включаются в момент включения питания робота и не регулируются.

 Схема обработки сигнала от оптического концевого переключателя

Рисунок 9 - Схема обработки сигнала от оптического концевого переключателя

Электрическая часть робота также содержит блок, обеспечивающий питание основных компонентов. Микроконтроллер AtMega2560 взаимодействует с семью УСО A4988 через интерфейс STEP/DIR/ENABLE, считывает сигналы от пяти концевых переключателей, обменивается данными с компьютером через последовательный порт (протокол Modbus RTU
). Структурная схема взаимодействия приведена на рисунок 10.
Структурная схема взаимодействия микроконтроллера с УСО, концевыми переключателями и компьютером

Рисунок 10 - Структурная схема взаимодействия микроконтроллера с УСО, концевыми переключателями и компьютером

5. Алгоритмы работы робота-манипулятора

Перед выполнением операций с роботом, необходимо выполнить калибровку каждого узла. Поскольку при пропадании питания шаговые двигатели не сохраняют своего положения, каждый раз их требуется устанавливать в нулевую точку. Кроме того, при отключении питания шаговые двигатели не могут удержать узлы робота в неподвижном состоянии. Поэтому существует необходимость при завершении работы устанавливать робот в заранее определенное положение (обозначим его Dock). Если робот был отключен аварийно, то его следует установить в положение Dock вручную. Положение Dock может быть выбрано произвольно, но с учетом того, что рабочий орган должен быть направлен вниз для обеспечения вытекания остатков эпоксидной смолы.

Из положения Dock с использованием параметров ШД по умолчанию робот перемещается в положение Calibration (см. рис. 8). Причем в процессе данного перемещения считываются сигналы с концевых датчиков. При получении сигнала от конкретного датчика, соответствующий ему узел робота останавливается. Текущее положение данного узла устанавливается в 0. Для этого узла нулевая точка найдена. Процесс продолжается до тех пор, пока не будут найдены нулевые точки всех узлов. Блок-схема алгоритма калибровки приведена на рисунке 11.

Блок-схема алгоритма калибровки робота

Рисунок 11 - Блок-схема алгоритма калибровки робота

После калибровки робот исполняет команды, полученные от компьютера. Каждая команда заключается в перемещении узла робота в заданное положение. При этом на компьютер передается текущее положение каждого из узлов.

При движении к заданной позиции частота сигнала STEP составляет 1МГц. Реализован алгоритм плавного пуска и торможения

.

6. Испытания робота-манипулятора

6.1. Испытание нагрузочной способности

Собранный робот необходимо проверить на грузоподъемность. Для этого робот был переведен положение, когда всего его узлы были параллельно поверхности основания (рисунок 12). Данное расположение является худшим случаем, поскольку расстояние от основания до нагрузки, расположенной в рабочем органе, наибольшее. Запускалась команда на перемещение робота в вертикальное положение.

Испытания показали, что конструкция требует усиления, так как пластик плохо держал нагрузку, и происходило проскальзывание шестерен. Была осуществлена доработка при помощи алюминиевых направляющих. В результате доработки робот успешно переместился из вертикального положения в горизонтальное.

 Робот, расположенный параллельно поверхности основания

Рисунок 12 - Робот, расположенный параллельно поверхности основания

Для измерения грузоподъемности робота на рабочий орган последовательно довешивались грузики известной массы. Испытание считалось выполненным, если робот мог переместиться из полностью горизонтального положения в вертикальное.

Таким образом, было выяснено, что грузоподъемность робота составляет примерно 0.8 кг.

6.2. Испытание точности позиционирования

Для испытания точности позиционирования к рабочему органу робота был закреплен маркер (рисунок 13). Перед роботом был закреплен лист белой бумаги, на котором была расчерчена система координат. Роботу предстояло написать точками букву «П» таким образом, чтобы точки располагались в пересечениях клетки на расстоянии 1 см друг от друга. В результате испытания расхождение предполагаемой точки касания и реально составляет не более 1 см. Подобный эксперимент был проведен еще 2 раза, ошибка составила не более 1 см.

 Робот с закрепленным маркером

Рисунок 13 - Робот с закрепленным маркером

6.3. Испытание на ресурс

Для проведения ресурсных испытаний на рабочий орган робота-манипулятора была закреплена максимальная нагрузка 0.8 кг. Осуществлялось перемещение робота-манипулятора их горизонтального (рис. 12) в вертикальное положение и обратно. Эксперимент проводился 100 раз. В ходе эксперимента шаговые температура электродвигателей достигла 90 гр. Цельсия и потребовалось дополнительное охлаждение.

После проведения испытания на ресурс повторно было проведено испытание точности позиционирования. Результаты совпали, что говорит об отсутствии износа элементов конструкции.

7. Заключение

В результате проведенного исследования изготовлен, собран и испытан робот-манипулятор, детали конструкции которого напечатаны на 3D-принтере.

Следует отметить высокую трудоемкость обработки деталей после печати. Также сами настройки печати требуют подбора для того, чтобы усилить детали, на которые приходится максимальная нагрузка. Выяснено, что напечатанные на 3D-принтере детали надежно склеиваются эпоксидной смолой, что позволяет использовать принтеры с небольшой рабочей областью.

Для повышения точности позиционирования следует заменить напечатанные шестерни, поскольку присутствует люфт. Тем не менее напечатанные шестерни следует признать надежными.

Article metrics

Views:157
Downloads:4
Views
Total:
Views:157