Как сделать манипулятор на 3D-принтере: пошаговая инструкция

Роботы-манипуляторы представляют собой обширный класс высокотехнологичных приборов, предназначенных для воздействия на объект методом перемещения, вращения или других манипуляций. Развитие робототехники привело к набору популярности этих устройств и существенному расширению модельного ряда, предлагаемого производителями. Однако собрать робота можно и в домашних условиях, особенно при наличии 3D-принтера.

• Что такое робот-манипулятор?
• Как сделать манипулятор на 3D-принтере: пошаговая инструкция
  • Какие материалы и инструменты нужны?
  • Как собрать манипулятор на принтере своими руками?
  • Настройка робота
  • Как двигать манипулятором?
• Преимущества

Что такое робот-манипулятор?

Робот-манипулятор – устройство, которое используется в производстве для воздействия на объект. В большинстве случаев манипуляторы имеют параметры, схожие с способностями человеческих рук. Они могут быть как полностью автономными, так и входить в состав сложных роботизированных комплексов. Их фрагменты могут отличаться присутствием тех или иных механических узлов, которые ответственны за осуществление вращательных или поступательных движений.

Применение роботов-манипуляторов в производстве позволяет существенно оптимизировать процессы, сократив затраты и повысив качество произведенной продукции за счет сокращения числа ошибок, допускаемых на линии из-за человеческого фактора. Еще одним неоспоримым плюсом применения роботизированной техники на производстве является снижение нецелесообразной потери сырья и количества травм среди наемного персонала.

Применение манипуляторов позволяет не только поднять уровень производства, но и повысить доходность предприятия за счет снижения издержек и объема некачественной продукции.

Независимо от предназначения робота, конструкция манипуляторов является схожей и напоминает строением руку человека.

Механизм включает:

• плечо, представляющее собой статичную основу, на которую прикрепляются прочие детали и узлы;
• запястье;
• локоть;
• кисть.

Яркими представителями класса являются:

• LEGO Mindstorms. Представляет собой серию учебной техники, предназначенную для понимания принципов роботостроения в полном объеме – от этапа сборки, до программирования и последующего тестирования.
• Роботизированная система Vegebot, предназначенная для автоматизированного сбора урожая в сельскохозяйственной деятельности. Робот может самостоятельно убрать урожай с поля, подстроившись под тип овощей.
• KUKA LBR Med – робот-манипулятор, предназначенный для работы в медицинской отрасли. В его основу лег предельно чувствительный робот модели LBR iiwa. Предназначение этого робота – помощь в операционной.

Стоимость промышленных роботов-манипуляторов зависит от их предназначения, но крайне редко опускается ниже 150 000 рублей.

Как сделать манипулятор на 3D-принтере: пошаговая инструкция

Какие материалы и инструменты нужны?

Для самостоятельной сборки робота-манипулятора с помощью 3D-принтера понадобятся:

• Серво-моторы, например DYNAMIXEL AX-12A или SG 90 или 3 995(946). Количество зависит от планируемой мощности и предназначения робота. Их стоимость – от 6500 рублей за 1 штуку.
• 3D-принтер и пластиковая нить к нему.
• Плата Arduino Uno.
• Плата расширения Arduino Power Shield (цена – от 4000 рублей).
• Лабораторный источник питания (от 3500 рублей).

Также для сборки манипулятора потребуются:

• болты М6 25 мм и гайки с прорезиненной подставкой соответствующего размера;
• болты М4 40 мм;
• болты М4 30 мм;
• болты М4 20 мм;
• гайки М4 (с защитой от раскрутки);
• болты М3 20 мм и гайки с прорезиненной подставкой соответствующего размера;
• болты М3 10 мм;
• болты М4 20 мм;
• ось М4 60 мм с нарезкой;
• ось 32 мм с нерезкой;
• подшипник 606zz;
• шилд или макетка с соединительными проводами.

Как собрать манипулятор на принтере своими руками?

Сборку робота-манипулятора следует начать с распечатки деталей руки на 3D-принтере. Для этого потребуется разработать соответствующие 3D-модели или скачать готовые файлы в формате STL. Далее напечатанные части необходимо собрать и установить серво-моторы.

Когда рука будет собрана, необходимо установить управляющий модуль. Для этого потребуется:

• Установить Robot Operating System (ROS) – программу с открытым кодом, которая представляет собой совокупность инструментов и библиотек, позволяющих создавать приложения для управления роботизированной техникой.
• Для эффективной работы с ROS необходимо создать URDF-модель. Она нужна для полноценного управления рукой-манипулятором с использованием пакета MoveIT. Построение модели – ответственная задача, которая требует сосредоточенности и серьезных временных затрат. Все созданные ранее STL-файлы необходимо собрать в единый файл формата XML, опытным путем подобрав подходящие коэффициенты смещения деталей относительно друг друга. Когда процесс будет завершен, из URDF-файла будет создана конфигурация для работы с модулем MoveIT, которая позволит программировать движения робота и управлять устройством.

Настройка робота

Для настройки пользователю потребуется наличие ПК или ноутбука. При использовании ПК необходимо дополнительно установить плату для беспроводного подключения. Если соответствующий модуль не будет установлен, точка доступа не будет найдена.

Далее необходимо приступить к предварительной настройке серводвигателей. Сделать это необходимо до того, как они будут зафиксированы на робо-руке. Это обусловлено тем, что конструкция устройств предполагает наличие мертвых зон. Поэтому прежде чем они будут закреплены, их нужно запрограммировать на угол в 90 градусов для того, чтобы кран мог двигаться и вправо, и влево. После этого сервомотор захватывающей клешни следует выставить на нулевое значение, сомкнуть ее лопасти, а затем закрепить.

Как двигать манипулятором?

Движение робота-манипулятора обеспечивается платами Arduino UNO и Power Shield.
Один из моторов робота необходимо подключить к Power Shield и блоку питания, соединив data pin двигателя с 3 и 4 выводами платы. Именно data pin сервомотора используется одновременно для получения команд и ответа от устройства (связь мотора организована по протоколу Half Duplex Asynchronous Serial Communication).

Использование этого режима и объясняет подключение мотора к 3 и 4 выходам шилда одномоментно.

Для того чтобы двигать манипулятором, потребуется:

• Скачать библиотеку arduino (через специальную программу Arduino Library Manager).
• Установить значение baud rate, равное 57 600. Скорость, заданная сервомоторами по умолчанию – 1 000 000, слишком высока для Software Serial Interface.
• Все моторы робота соединены между собой последовательно, поэтому для обращения к каждому из них необходимо знать их персональный адрес (ID). ID адрес будет персональным для каждого двигателя, interface – одинаков для всех. ID каждому двигателю пользователь должен задать в ручном режиме. Для этого каждый из моторов следует отдельно подключить к плате Arduino (отсоединив от остальных) и присвоить каждому мотору значение NEW_ID. После этого манипулятором можно будет управлять с помощью приложения ROS.

Преимущества

Манипулятор, созданный самостоятельно на 3D-принтере, обладает рядом достоинств в сравнении с готовыми моделями. К основным преимуществам относятся:

• Существенная экономия. Самостоятельная сборка робо-руки обойдется в 2–3 раза дешевле, чем покупка аналогичного устройства от производителя.
• 3D-принтер позволит максимально быстро создать компоненты для сборки манипулятора. Скорость трехмерной печати даже на самых простых устройствах, предназначенных для домашнего использования, достаточно высока. Пользователю не придется покупать запчасти у производителей и ждать доставку.
• Возможность напечатать детали сложной формы с учетом будущей функциональности робота.
• Самостоятельная сборка манипулятора с помощью 3D-принтера позволяет разработать модель устройства таким образом, чтобы она максимально точно отвечала поставленным требованиям.

Роботы-манипуляторы представляют собой технически сложные устройства, широко распространенные практически во всех сферах деятельности человека. Технология современной 3D-печати позволяет собрать подобный манипулятор в домашних условиях, напечатав детали для робо-руки на 3D-принтере. Самостоятельная сборка позволит не только существенно сэкономить, но и разработать модель робота, максимально отвечающую запросам пользователя.