👶🏼 👳 🌖 Diseñando un manipulador antropomórfico con 7 grados 👊 🤙 🏊

¡Hola a todos! Durante casi un año, no se ha publicado nada nuevo sobre el destino del robot de servicio Tod Bot. Sin embargo, todo este tiempo no estuvimos ociosos, y hoy podemos hablar sobre los éxitos logrados. Esta publicación no pretende ser una receta de diseño, sino que solo describe nuestro camino.

Siguiendo nuestro proyecto, llegamos a la tarea de capturar objetos con un manipulador. En ese momento, ya habíamos resuelto tareas como el reconocimiento de objetos y el control del manipulador. El manipulador fue hecho por el diseñador y usó servos convencionales, y su capacidad de carga y la capacidad de controlar la velocidad dejaban mucho que desear (el controlador que usamos no admitía el control dinámico de la velocidad de los servos). Luego tuvimos una opción: ordenar un nuevo controlador y usar lo que ya tenemos o resolver el problema radicalmente y obtener un manipulador que nos convenga en todos los aspectos.

Ni siquiera se piensa adquirir un manipulador que cumpla con todos los requisitos: cuesta mucho dinero. Por lo tanto, decidimos ir de la manera más espinosa, pero también la más interesante: construir la suya propia.
En primer lugar, se formó una lista de las características principales:

Número de grados: 7
Carga útil / peso de trabajo: 2-3 kg
Longitud del manipulador: 90 cm.
Peso del manipulador: 6-8 kg.

¿Por qué tales características? Bueno, comencemos con el peso ... Dado que se planea colocar el manipulador en una plataforma móvil, su masa es un criterio esencial y cuanto más fácil sea el manipulador, mejor.

Con la elección de la longitud del manipulador, nos enfocamos en el tamaño de las manos de una persona con un pequeño margen, porque Casi todos los artículos para el hogar están a la distancia.

El peso de trabajo se determinó en base a algunas estadísticas. En un entorno doméstico, los objetos diseñados para ser levantados con una mano, por su peso, están en el rango de hasta 1 kg. El más pesado es un hervidor de agua, cuya masa puede alcanzar aproximadamente 2 kg.

Lo más interesante fue determinar el número de grados. Para la captura exitosa de un objeto en el espacio, al menos 4 grados de libertad son suficientes. Pero como ya habíamos dominado el software para controlar el manipulador con 6 a 7 grados y realmente queríamos probarlo en la práctica, decidimos armar una pieza de hierro para él. Tal cantidad de grados le permite realizar movimientos más complejos y funcionales. Como dicen, más, no menos.

Luego, comenzamos a utilizar Internet y, por supuesto, comenzamos con proyectos abiertos, pero ellos ... ellos, en general, se pueden contar con los dedos de las manos. Todo lo que pudimos encontrar por las características no nos convenía, incluso proyectos tan ambiciosos como Inmoov. Lo que provocó la decisión final de desarrollar su propio manipulador.

Diagrama de circuito

El principio de funcionamiento del manipulador depende en gran medida del dispositivo de la unidad utilizada. Durante la búsqueda, se identificaron las siguientes opciones (inicialmente no consideraron tecnologías innovadoras, como calentar el hilo de pescar, etc.):

Accionamientos eléctricos
Actuadores Neumáticos / Actuadores Hidráulicos

Realmente no quería involucrarme en hidráulica y neumática, y es relativamente costoso (cilindros, compresores, etc.). En el camino para usar el accionamiento eléctrico, también hay opciones, a saber, los tipos de accionamientos eléctricos:

Servos
Motores paso a paso
Motores de corriente continua

El uso de servos cambia inmediatamente, como los que son más asequibles no son adecuados para las características de rendimiento declaradas, y los industriales son demasiado caros. Con los motores paso a paso, no todo es tan suave, son bastante masivos en comparación con DPT. Como resultado, se decidió insistir en esto último.
El siguiente paso, examinamos varios diseños utilizando motores de CC e identificamos las siguientes opciones:

Las unidades se instalan directamente en los nodos del manipulador (lugares de flexión o rotación de las articulaciones)
Unidades movidas fuera del nodo

En el último caso, el par del motor se puede transmitir de varias maneras:

Correaje
A través de cables
A través de los ejes

Al diseñar la primera opción, se consideró la ubicación de las unidades en los nodos. Después del inicio del diseño, cuando se diseñaron los primeros 4 grados, quedó claro que el manipulador no tendría las características de elevación requeridas. La masa del manipulador se distribuye en toda su longitud, y como se sabe por la física de acuerdo con la ley de apalancamiento: cuanto más se aleja la carga del punto de aplicación de la fuerza, más se necesita aplicar esta fuerza.

Luego se decidió mover las unidades más cerca de la base con el uso de cables, aunque hubo la tentación de colocarlas en la base. Y esta vez, se utilizó un sistema de engranajes cónicos para pares de grados. Tal bloque de engranajes permitió distribuir el par entre dos grados de libertad a la vez.

El trabajo comenzó a hervir: cálculos, dibujos, pensamientos ... Habiendo diseñado todo el manipulador, surgió una duda ... ¿Será posible nivelar el error en la tensión de los cables y proporcionar suficiente rigidez para la transmisión del par?

Y comenzamos la siguiente iteración, que tenía como objetivo mejorar y corregir las deficiencias, ya que en general el diseño resultante nos convenía. Básicamente, el método de transmisión del par sufrió un cambio y, al final, nos decidimos por una versión combinada: ejes duros y transmisión por correa.

Y, por supuesto, la visión general del manipulador.

En el próximo artículo, se tocará el relleno electrónico y el concepto de nuestra creación.

Diseñando un manipulador antropomórfico con 7 grados

Diagrama de circuito

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