Tôi muốn xây dựng một cánh tay robot có thể nâng một trọng lượng hữu ích (chẳng hạn như 3-6kg trên một cánh tay có thể kéo dài đến khoảng 1,25 mét). Những gì thiết bị truyền động có sẵn để thực hiện điều này. Các yếu tố chính và điểm thiết kế là:

• Không đắt
• 5 đến 6 giờ
• được gắn trên một nền tảng di động chưa được thiết kế
• chạy bằng pin
• mạnh hơn so với sở thích (ít nhất là đối với khớp 'vai' và 'khuỷu tay')
• không chậm để hành động

Những thiết bị truyền động nào phù hợp với ứng dụng của bạn phụ thuộc rất nhiều vào loại cánh tay robot bạn muốn chế tạo. Một khi bạn đã quyết định loại cánh tay nào bạn muốn, bạn có thể quyết định một bộ truyền động phù hợp cho từng trục .

Cánh tay

Giả sử từ mô tả của bạn rằng một robot giàn sẽ không thể tồn tại, thì tùy thuộc vào ứng dụng cụ thể của bạn, bạn có thể muốn xem xét một cánh tay SCARA trên một cánh tay có khớp nối , đó là điều mà hầu hết mọi người nghĩ đến khi họ nghĩ về cánh tay Robot .

Ưu điểm lớn của cánh tay SCARA là phần lớn sức mạnh của nó nằm ở vòng bi. Các khớp vai, khuỷu tay và cổ tay (ngáp) chính nằm trong một mặt phẳng, điều đó có nghĩa là các động cơ chỉ cần đủ mạnh để tạo ra các lực bên cần thiết, chúng không cần phải đỡ trọng lượng của các trục còn lại.

Trục Z, cao độ và trục lăn (và rõ ràng là độ bám) đều phải hoạt động chống lại trọng lực, nhưng trục Z rất dễ chuyển động đủ cao để có thể hỗ trợ nhiều trọng lượng, và các trục ném, lăn và kẹp chỉ phải hỗ trợ trọng lượng tải trọng, không phải trọng lượng của các trục khác.

So sánh điều này với một cánh tay có khớp nối, trong đó nhiều trục phải hỗ trợ trọng lượng của tất cả các trục tiếp theo chuỗi động học .

Các thiết bị truyền động

Giàn robot

Thông thường, một robot cổng sẽ sử dụng bộ truyền động tuyến tính cho các trục X, Y & Z chính. Đây có thể là hiệu suất thấp, độ chính xác thấp, bộ truyền động lực cao như vít dẫn với động cơ servo hoặc động cơ bước (lực và hiệu suất có thể được giao dịch nhưng độ chính xác sẽ luôn bị giới hạn bởi phản ứng ngược), cho đến hiệu suất cao, độ chính xác cao động cơ tuyến tính ổ đĩa trực tiếp với bộ mã hóa chính xác.

Trình điều khiển 3DOF còn lại thường sẽ yêu cầu chuyển động quay chính xác cho cao độ, cuộn và ngáp, do đó, thường là một động cơ điện (cả bước hoặc servo), sẽ phù hợp nhất. Ngay cả một động cơ nhỏ với hộp số cao hợp lý cũng có thể chống lại trọng lực chống lại tải trọng khá cao.

Một bên dành cho động cơ servo so với động cơ bước

Sự khác biệt giữa servo ⁽¹⁾ và stepper là sự đánh đổi giữa độ phức tạp và độ chắc chắn trong điều khiển.

Một động cơ servo yêu cầu một bộ mã hóa cho phản hồi vị trí, trong khi một bước không. Điều này có nghĩa là một bước đơn giản hơn về mặt điện và từ quan điểm kiểm soát đơn giản hơn nếu bạn muốn hiệu suất thấp.

Nếu bạn muốn để có được ra hầu hết các động cơ của bạn mặc dù (đẩy nó gần nó giới hạn), sau đó động cơ bước có được nhiều hơn khó khăn để kiểm soát dự đoán. Với thông tin phản hồi vị trí trên servo bạn có thể thực hiện điều chỉnh nhiều tích cực hơn và kể từ khi bạn biết nếu nó thất bại trong việc đạt được nó của mục tiêu vị trí hoặc vận tốc sau đó loop servo của bạn sẽ nhận được để tìm hiểu về nó và sửa chữa nó.

Với một bước, bạn phải điều chỉnh hệ thống để bạn có thể đảm bảo rằng nó luôn có thể thực hiện bước, bất kể tốc độ di chuyển hoặc trọng lượng của tải trọng mong muốn. Lưu ý rằng một số người sẽ đề xuất thêm bộ mã hóa để phát hiện các bước bị bỏ lỡ trên động cơ bước, nhưng nếu bạn định làm điều đó thì bạn cũng có thể đã sử dụng mô tơ servo ngay từ đầu!

Cánh tay SCARA

Với một cánh tay SCARA, trục Z có lẽ là trục tuyến tính duy nhất, trong khi các trục còn lại hoàn toàn có thể được thực hiện với động cơ quay, do đó, một lần nữa động cơ bước hoặc động cơ servo. Kích thước các động cơ này là tương đối dễ dàng vì trọng lượng mang ít quan trọng đối với nhiều người trong số họ. Động cơ cần thiết để vượt qua quán tính của tải trọng chứ không phải là kích thước của nó để vượt qua trọng lực.

Khớp nối

Với một cánh tay khớp nối, các phép tính phức tạp hơn, bởi vì hầu hết các trục sẽ cần các bộ truyền động có kích thước tùy thuộc vào cả việc di chuyển tải và nâng nó, nhưng một lần nữa, động cơ điện là dễ điều khiển và sử dụng nhất.

Dụng cụ kẹp

Cuối cùng là kẹp. Đây là nơi tôi đã thấy sự đa dạng nhất trong các thiết bị truyền động. Tùy thuộc vào ứng dụng của bạn, bạn có thể dễ dàng sử dụng bất kỳ số lượng bộ truyền động khác nhau.

Tôi đã sử dụng các hệ thống với bộ kẹp điều khiển động cơ truyền thống, bộ kẹp được kích hoạt tuyến tính, bộ kẹp uốn cong áp lực , bộ kẹp được điều khiển bằng khí nén, bộ thu gom chân không và các khe hoặc móc đơn giản trong số đó, rất nhiều trong số đó là dành riêng cho ứng dụng. Trọng tải thông thường của bạn là gì có thể thay đổi đáng kể bộ truyền động phù hợp nhất với bạn. ⁽²⁾

Làm bình tĩnh

Như Rocketmagnet đề nghị cuối cùng bạn sẽ phải phá vỡ máy tính của mình.

Bạn sẽ cần tính đến động học của hệ thống của mình, tải tối đa trên mỗi động cơ (có tính đến trường hợp xấu nhất với cánh tay được mở rộng hoàn toàn nếu bạn đang sử dụng thiết kế cánh tay khớp nối), tốc độ (một động cơ nhỏ hơn với hộp số cao hơn có thể mang lại lực bạn cần mà không có tốc độ, nhưng một động cơ mạnh hơn có thể cung cấp cho bạn mô-men xoắn cao hơn với bánh răng thấp hơn và tốc độ cao hơn, v.v.) và độ chính xác vị trí bạn cần.

Nói chung, bạn càng ném nhiều tiền vào vấn đề, hiệu suất (tốc độ, độ chính xác, mức tiêu thụ điện năng) bạn sẽ nhận được càng cao. Nhưng phân tích thông số kỹ thuật và đưa ra quyết định mua hàng thông minh có thể giúp tối ưu hóa giá / hiệu suất của robot của bạn.

^{(1) Lưu ý rằng kinh nghiệm của tôi là với công nghiệp servo , thường là một chải hay chổi than DC động cơ với một bộ mã hóa quay, vì vậy đây có thể hoặc có thể không áp dụng đối với sở thích servo RC .}

^{(2) Tôi sẽ đề nghị đăng một câu hỏi khác về điều này.}

Khi bạn chọn bộ truyền động, việc bắt đầu bằng cách tính toán công suất bạn cần ở bộ lọc cuối là bao nhiêu. Khi bạn nói 'không quá chậm', bạn nên biết một số ý nghĩa của việc này, đặc biệt là trong các điều kiện tải khác nhau.

Ví dụ: bạn có thể nói: 6kg ở tốc độ 0,2m / s và 0kg ở mức 0,5m / s

Bây giờ thêm trọng lượng ước tính của cánh tay: 10kg ở mức 0,2m / s và 4kg ở mức 0,5m / s

Bây giờ hãy tính công suất: 100N * 0,2m / s = 20W và 40N * 0,5m / s = 20W

Vì vậy, công suất cực đại ở đầu cuối là 20W . Bạn sẽ cần một thiết bị truyền động có thể thoải mái sản xuất hơn 20W.

Tôi sẽ giả định rằng bạn cuối cùng quyết định sử dụng một động cơ điện làm thiết bị truyền động của bạn. Đây vẫn là cơ cấu chấp hành cho các hệ thống robot điện mạnh mẽ. (Nếu bạn thành công khi robot này hoạt động với dây cơ mà không đốt cháy xưởng của bạn, tôi sẽ ăn chuột của tôi).

Vì bạn đang sử dụng động cơ điện, gần như chắc chắn bạn sẽ sử dụng một số loại bánh răng. Giả sử tàu bánh răng trên động cơ có hiệu suất khoảng 50%. Điều này có nghĩa là bạn sẽ cần một động cơ điện được đánh giá ít nhất 40W. Nếu bạn muốn đây là một cánh tay đáng tin cậy, tôi sẽ chỉ định một động cơ được đánh giá ít nhất là 60W.

Tiếp theo bạn cần chỉ định tàu bánh. Mô-men xoắn cần thiết là gì? 100N * 1,25m = 125Nm. Nhưng như thường lệ, bạn cần chỉ định mô-men xoắn nhiều hơn mức này cho tàu bánh răng, không chỉ bởi vì bạn sẽ cần một số mô-men xoắn dự phòng để có thể tăng tốc tải lên. Chọn một bánh răng có thể mất nhiều hơn tải định mức.

Cuối cùng, hãy đảm bảo rằng mô-men xoắn của động cơ nhân với tỷ số truyền nhân với hiệu suất vượt quá yêu cầu mô-men xoắn của bạn, nhưng không phải là tải bánh răng tối đa.

Nền tảng di động: Một bộ truyền động tuyến tính cơ điện có thể là một lựa chọn tốt cho bộ truyền động trọng lượng nhẹ có thể được gắn trên nền tảng di động.

Sử dụng pin: Bộ truyền động tuyến tính cơ điện là lựa chọn tốt so với động cơ servo, vì bộ truyền động tuyến tính chỉ rút điện khi nó đang di chuyển và không cần nguồn để giữ vị trí của nó.

5-6 DoF: Có thể khó đạt được điều này bằng cách sử dụng bộ truyền động tuyến tính cơ điện, vì chúng phức tạp về cơ học và có phạm vi chuyển động hạn chế

Bạn có thể thử bộ truyền động tuyến tính từ www.firgelli.com. Họ cũng có bộ truyền động tuyến tính thu nhỏ, rất tốt cho ứng dụng quy mô nhỏ.

Khái niệm thiết kế cơ khí cho cánh tay sử dụng bộ truyền động tuyến tính: Hầu hết các thiết bị chuyển động trái đất đều có bộ truyền động tuyến tính thủy lực. Một số khớp cho bộ truyền động tuyến tính có thể được thực hiện trong dòng này.

Có hai yếu tố nữa để xem xét: Độ phức tạp và chi phí.

Cánh tay robot công nghiệp như thế.

cánh tay robot công nghiệp http://halcyondrive.com/images/robotic_arm.png
^{Hình ảnh từ http://halcyondrive.com}

Thông thường sử dụng mô-men xoắn từ hộp số để truyền động trực tiếp cho khớp, bây giờ hãy nghĩ về mô-men xoắn giảm bánh răng nên hỗ trợ và kích thước / trọng lượng của nó sẽ là gì? Nó đơn giản rất lớn và đắt tiền, vật liệu của họ cần phải hỗ trợ một mô-men xoắn rất lớn.

Hãy lấy ví dụ của bạn với cánh tay được mở rộng hoàn toàn theo chiều ngang. Hãy xem xét chỉ tải 6Kg ở 1m, bạn có . Điều này không bao gồm trọng lượng riêng của cánh tay robot (dễ dàng hơn 4Kg) và chỉ xem xét 1m.$600Kgf/cm$

Một số giải pháp sử dụng ngành công nghiệp

Strain Wave Gearing hoặc Harmonic drive

^{Hình ảnh từ http://commons.wikipedia.org}

Để có được mức giảm bánh răng nhẹ hơn, với tỷ lệ giảm cao, hầu hết sử dụng ổ Strain Wave Gearing hoặc Harmonic . Trọng lượng thấp, mạnh mẽ và theo wikipedia của nó có thể giảm (wikipedia nói thêm) trong đó một thiết bị hành tinh có thể lưu trữ .$200:1$10 : 1$~ 10:1$

Nhưng loại thiết bị này rất đắt tiền và phức tạp.

Lò xo và đối trọng

^{Hình ảnh từ http://www.globalrobots.ae}

Giải pháp thậm chí đơn giản khác là thêm trọng lượng đối trọng như bạn thấy trong hình ảnh. Điều này có một liên kết để hành động cả trên cẳng tay (tôi quên tên) và trong cánh tay. Lò xo cũng sẽ giúp, và nếu được gắn trên cùng một trục của khớp nhưng bù lại một chút, nó sẽ đặt thêm lực khi cánh tay được mở rộng hơn.

Giải pháp chi phí thấp và ít phức tạp cho hệ thống truyền động cơ khí

Bây giờ với chi phí thấp hơn và các giải pháp ít phức tạp hơn, điều tôi nên nghĩ là loại bỏ mô-men xoắn cao ở ổ bánh răng, để bạn có thể sử dụng các vật liệu ít tốn kém hơn. Đối với một ổ đĩa điện tử thuần túy, đây sẽ là một bộ truyền động tuyến tính .

Có một loạt các thiết bị truyền động tuyến tính. Nhưng ý tưởng là nó sẽ mất ít lực hơn (tùy thuộc vào điểm nào của cánh tay mà nó được gắn vào).

• "Nut" và loại chì

Loại thiết bị truyền động này có nhiều loại phụ, và điều đó ảnh hưởng đến hiệu quả, hao mòn, lực và nhiều hơn nữa. Nhưng nói chung, chúng có lực mạnh và tốc độ chậm đến trung bình tương đối (điều này một lần nữa sẽ phụ thuộc vào loại, nó có thể thay đổi nhanh, giống như tốc độ được sử dụng trên một số mô phỏng nền tảng chuyển động).

Nền tảng chuyển động 6 dof với bộ truyền động tuyến tính điện http://cfile29.uf.tistory.com/T250x250/195BAD4B4FDB0AF104C30F .

Thiết bị truyền động tuyến tính điện đang thay thế bộ truyền động tuyến tính thủy lực tại ứng dụng này, và chúng cần phải nhanh và mạnh, một số mô phỏng dễ dàng nặng hơn 2 tấn.

• Vành đai hoặc ổ đĩa xích

Để có thêm tốc độ và phương pháp đơn giản khác là vành đai hoặc ổ đĩa xích như thế

^{Hình ảnh từ http://images.pacific-bear.com}

Tất nhiên đây là một sản phẩm công nghiệp, đây là một sản phẩm DIY và nó có nhiều ứng dụng hơn: (vâng, nó có không gian để cải thiện nhiều, nhưng là một hình thức tốt để cho thấy nó có thể nhanh và mạnh như thế nào trong thiết kế này ). http://bffsimulation.com/linear-act.php

Điều này cho phép bạn sử dụng ít bánh răng hơn, nếu một động cơ có thể tạo ra và bạn sử dụng ròng rọc đường kính 2 cm, bạn sẽ nhận được (không tính đến tổn thất) trên toàn bộ hành trình.$50Kgf/cm$$50Kgf$

Ngoài ra, các ổ trục tại bộ truyền động này sẽ cần phải hỗ trợ hầu hết các lực hướng tâm, trong đó trong một "chì và đai ốc", ổ trục sẽ chịu phần lớn lực dọc trục. Vì vậy, tùy thuộc vào lực bạn cần sử dụng một vòng bi lực đẩy .

Tôi nghĩ rằng đặt cược tốt nhất của bạn sẽ là các động cơ sở thích thông thường, nếu chúng không có đủ mô-men xoắn, hãy sử dụng nhiều động cơ song song trên cùng một khớp. Một lựa chọn tốt sẽ là các động cơ Dynamicixel từ Robotis nhưng chúng đắt hơn so với các sở thích sở thích và bạn sẽ phải hack giao thức truyền thông khi chúng được điều khiển bởi ttl / rs232 / rs485 hoặc sử dụng bộ chuyển đổi usb2dynamixel (hoặc usb2ax). Những lợi thế là mô-men xoắn, tốc độ và độ chính xác của họ.