Chciałbym zbudować ramię robota, które może podnieść użyteczną wagę (np. 3-6 kg na ramieniu, które może rozciągać się na około 1,25 metra). Jakie siłowniki są dostępne, aby to osiągnąć. Główne czynniki i punkty konstrukcyjne to:

• Nie drogie
• 5 do 6 dof
• do zamontowania na jeszcze zaprojektowanej platformie mobilnej
• zasilanie bateryjne
• mocniejsze niż serwo hobbystyczne (przynajmniej w stawach „barkowych” i „łokciowych”)
• nie wolno uruchamiać

To, które siłowniki są odpowiednie dla Twojej aplikacji, zależy w dużej mierze od rodzaju ramienia robota, które chcesz zbudować. Po podjęciu decyzji o rodzaju ramienia można wybrać odpowiedni siłownik dla każdej osi .

Ramię

Zakładając z twojego opisu, że robot bramowy nie byłby wykonalny, to w zależności od konkretnego zastosowania, możesz rozważyć użycie ramienia SCARA nad ramieniem przegubowym , o czym myśli większość ludzi, gdy myśli o ramieniu robota .

Dużą zaletą ramienia SCARA jest to, że większość siły udźwigu znajduje się w łożyskach. Główne stawy barkowe, łokciowe i nadgarstkowe (odchylenie) znajdują się w płaskiej płaszczyźnie, co oznacza, że ​​silniki muszą być wystarczająco mocne, aby wytworzyć wymagane siły boczne, nie muszą utrzymywać ciężaru pozostałych osi.

Oś Z, skok i przechylenie (i przyczepność oczywiście) muszą działać przeciw grawitacji, ale oś Z jest łatwa do przełożenia wystarczająco wysoko, aby móc utrzymać duży ciężar, a pochylenie, przechylenie i przyczepność muszą jedynie podtrzymywać ciężar ładunku, a nie ciężar innych osi.

Porównaj to z ramieniem przegubowym, w którym wiele osi musi wytrzymać ciężar wszystkich osi w dalszej części łańcucha kinematycznego .

Siłowniki

Roboty bramowe

Zazwyczaj robot portalowy użyje siłowników liniowych dla głównych osi X, Y i Z. Mogą to być siłowniki o niskiej wydajności, niskiej dokładności i dużej sile, takie jak śruba pociągowa z serwonapędem lub napędem krokowym (można wymieniać siłę i wydajność, ale dokładność zawsze będzie ograniczona przez luz), aż do wysokiej wydajności, wysokiej dokładności silniki liniowe z bezpośrednim napędem i precyzyjnymi enkoderami.

Pozostały manipulator 3DOF będzie zazwyczaj wymagał precyzyjnego ruchu obrotowego dla pochylenia, przechylenia i odchylenia, więc zwykle najbardziej odpowiedni jest silnik elektryczny (krokowy lub serwo). Nawet mały silnik z dość wysokim przełożeniem może wytrzymać grawitację przy dość dużych obciążeniach.

Oprócz silników serwo w porównaniu do silników krokowych

Różnica między serwomechanizmem ⁽¹⁾ a silnikiem krokowym jest kompromisem między złożonością a pewnością kontroli.

Silnik serwo wymaga enkodera do sprzężenia zwrotnego położenia, podczas gdy silnik krokowy nie. Oznacza to, że stepper jest elektrycznie znacznie prostszy , a z punktu widzenia kontroli prostszy, jeśli chcesz niskiej wydajności.

Jeśli jednak chcesz maksymalnie wykorzystać możliwości silnika (przesuwając go blisko granicy), steppery stają się znacznie trudniejsze do kontrolowania. Dzięki informacjom zwrotnym o położeniu serwomechanizmu możesz znacznie bardziej agresywnie dostroić wydajność, a ponieważ wiesz, że jeśli nie osiągnie on docelowej pozycji lub prędkości, twoja pętla serwa będzie mogła się o tym dowiedzieć i poprawić.

Dzięki stepperowi musisz dostroić system, abyś mógł zagwarantować , że zawsze będzie mógł wykonać krok, niezależnie od pożądanej prędkości ruchu lub masy ładunku. Zauważ, że niektórzy sugerują dodanie enkodera do wykrywania pominiętych kroków na silniku krokowym, ale jeśli masz zamiar to zrobić, równie dobrze możesz użyć silnika serwo!

Ramię SCARA

W przypadku ramienia SCARA oś Z jest prawdopodobnie jedyną osią liniową, podczas gdy pozostałe osie można wykonać za pomocą silnika obrotowego, a więc ponownie silnika krokowego lub serwo. Wymiarowanie tych silników jest stosunkowo łatwe, ponieważ przenoszony ciężar jest mniej ważny dla wielu z nich. Silnik wymagany do pokonania bezwładności ładunku jest raczej mniejszy niż dobranie go do pokonania grawitacji.

Ramię przegubowe

W przypadku przegubowego ramienia obliczenia są trudniejsze, ponieważ większość osi potrzebuje siłowników o wymiarach zależnych zarówno od przemieszczania ładunku, jak i podnoszenia go, ale znowu silnik elektryczny jest najłatwiejszy do kontrolowania i użytkowania.

Chwytak

Wreszcie jest chwytak. Tutaj widziałem największą różnorodność siłowników. W zależności od aplikacji można łatwo użyć dowolnej liczby różnych siłowników.

Użyłem systemów z tradycyjnymi chwytakami napędzanymi silnikiem, chwytakami uruchamianymi liniowo, chwytakami piezoelektrycznymi , chwytakami uruchamianymi pneumatycznie, chwytakami próżniowymi i prostymi szczelinami lub hakami, z których wiele było specyficznych dla danego zastosowania. Typowa ładowność może znacznie zmienić siłownik, który jest dla Ciebie najlepszy. ⁽²⁾

Robiąc cielęta

Jak sugeruje Rocketmagnet, ostatecznie będziesz musiał złamać kalkulator.

Będziesz musiał wziąć pod uwagę kinematykę swojego systemu, maksymalne obciążenie każdego silnika (biorąc pod uwagę najgorszy przypadek z całkowicie wysuniętym ramieniem, jeśli używasz ramienia przegubowego), prędkość (mniejszy silnik z wyższym przełożeniem może dać potrzebna siła bez prędkości, ale mocniejszy silnik może zapewnić wyższy moment obrotowy przy niższym przełożeniu i wyższej prędkości itp.) oraz potrzebną dokładność pozycjonowania.

Ogólnie rzecz biorąc, im więcej pieniędzy rzucisz na problem, tym lepszą wydajność (prędkość, dokładność, zużycie energii) otrzymasz. Ale analiza specyfikacji i podejmowanie trafnych decyzji zakupowych może pomóc zoptymalizować cenę / wydajność robota.

^{(1) Zwróć uwagę, że moje doświadczenie dotyczy serwosilników przemysłowych , zwykle szczotkowanych lub bezszczotkowych silników prądu stałego z enkoderem obrotowym, więc może to dotyczyć serwomechanizmów RC typu hobby .}

^{(2) Sugerowałbym postawienie kolejnego pytania w tej sprawie.}

Wybierając siłowniki, warto zacząć od obliczenia mocy potrzebnej na efektorze końcowym. Kiedy mówisz „nie za wolno”, powinieneś mieć pojęcie, co to oznacza, zwłaszcza w różnych warunkach obciążenia.

Na przykład możesz powiedzieć: 6 kg przy 0,2 m / s i 0 kg przy 0,5 m / s

Teraz dodaj szacunkową wagę ramienia: 10 kg przy 0,2 m / si 4 kg przy 0,5 m / s

Teraz obliczyć moc: 100 N * 0,2 m / s = 20 W i 40 N * 0,5 m / s = 20 W.

Więc moc szczytowa na końcówki to 20W . Będziesz potrzebował siłownika, który może wygodnie wytwarzać więcej niż 20 W.

Zakładam, że ostatecznie decydujesz się na użycie silnika elektrycznego jako siłownika. Nadal są to siłowniki z wyboru do wydajnych systemów robotów elektrycznych. (Jeśli z powodzeniem sprawisz, że ten robot będzie pracował z drutem mięśniowym bez spalenia warsztatu, zjem moją mysz).

Ponieważ używasz silnika elektrycznego, prawie na pewno będziesz używał jakiegoś rodzaju przekładni. Załóżmy, że przekładnia zębata na silniku jest wydajna w około 50%. Oznacza to, że potrzebujesz silnika elektrycznego o mocy co najmniej 40 W. Jeśli chcesz, aby było to niezawodne ramię, wybrałbym silnik o mocy co najmniej 60 W.

Następnie musisz podać układ przekładni. Jaki jest potrzebny moment obrotowy? 100 N * 1,25 m = 125 Nm Ale jak zwykle trzeba podać większy moment obrotowy dla przekładni, między innymi dlatego, że potrzebny będzie zapasowy moment obrotowy, aby przyspieszyć ładunek w górę. Wybierz przekładnię, która może przyjąć obciążenie większe niż obciążenie znamionowe.

Na koniec upewnij się, że moment obrotowy silnika pomnożony przez przełożenie pomnożone przez sprawność przekracza wymagany moment obrotowy, ale nie maksymalne obciążenie przekładni.

Platforma mobilna: elektromechaniczny siłownik liniowy może być dobrym wyborem dla lekkiego siłownika, który można zamontować na mobilnej platformie.

Zasilanie bateryjne: elektromechaniczny siłownik liniowy jest lepszym wyborem niż serwosilniki, ponieważ siłowniki liniowe pobierają energię tylko wtedy, gdy się porusza, i nie potrzebuje energii do utrzymania swojej pozycji.

5-6 DoF: Osiągnięcie tego za pomocą elektromechanicznego siłownika liniowego może być trudne, ponieważ są skomplikowane mechanicznie i mają ograniczony zakres ruchu

Możesz wypróbować siłowniki liniowe ze strony www.firgelli.com. Mają także miniaturowe siłowniki liniowe, które są dobre do zastosowań na małą skalę.

Koncepcja mechanicznej konstrukcji ramienia z siłownikiem liniowym: większość urządzeń do robót ziemnych ma hydrauliczny siłownik liniowy. Niektóre złącza siłownika liniowego można wykonać na tej linii.

Należy wziąć pod uwagę jeszcze dwa czynniki: złożoność i koszt.

Takie ramię robota przemysłowego

ramię robota przemysłowego http://halcyondrives.com/images/robotic_arm.png
^{Zdjęcie z http://halcyondrives.com}

zwykle używasz momentu obrotowego ze skrzyni biegów do bezpośredniego napędzania przegubu, czy teraz zastanawiasz się nad momentem obrotowym, który powinna wspierać redukcja przekładni, oraz o wielkości / wadze? To proste, ogromne i drogie, ich materiały muszą wytrzymać ogromny moment obrotowy.

Weźmy twój przykład z ramieniem całkowicie wyciągniętym poziomo. Rozważmy tylko obciążenie 6 kg na 1 m, masz . Nie obejmuje to ciężaru własnego ramienia robota (łatwo więcej 4Kg) i biorąc pod uwagę zaledwie 1m.$600Kgf/cm$

Niektóre rozwiązania stosowane w branży

Przekładnia falowa lub napęd harmoniczny

^{Zdjęcie z http://commons.wikipedia.org}

Aby uzyskać lżejszą redukcję biegów przy wysokich przełożeniach, większość używa przekładni falowej lub napędu harmonicznego . Jego niska waga, solidność i według wikipedii może mieć redukcję (wikipedia mówi więcej), gdzie sprzęt planetarny może archiwizować .$200:1$$~ 10:1$

Ale ten rodzaj przekładni jest bardzo drogi i złożony.

Sprężyny i przeciwwagi

^{Zdjęcie z http://www.globalrobots.ae}

Innym, nawet prostym rozwiązaniem jest dodawanie przeciwwagi, jak widać na obrazku. Ma to związek z działaniem zarówno na przedramieniu (nie pamiętam nazwy), jak i na ramieniu. Sprężyny również pomogą, a jeśli zostaną zamontowane na tej samej osi złącza, ale z pewnym przesunięciem, przyłożą więcej siły, gdy ramię będzie bardziej wysunięte.

Tanie i mniej złożone rozwiązania dla mechanicznego układu napędowego

Teraz, jeśli chodzi o tańsze i mniej skomplikowane rozwiązania, powinienem pomyśleć o usunięciu wysokiego momentu obrotowego z napędu przekładni, abyś mógł używać tańszych materiałów. W przypadku napędu czysto elektronicznego byłby to siłownik liniowy .

Istnieje wiele siłowników liniowych. Ale chodzi o to, że będzie wymagał mniejszej siły (w zależności od tego, które punkty ramienia jest przymocowane).

• „Nakrętka” i śruba pociągowa

Ten typ siłownika ma wiele podtypów, co wpływa na wydajność, zużycie, siłę i wiele innych. Ale ogólnie rzecz biorąc, mają one dużą siłę i względną prędkość od niskiej do średniej (to znowu będzie zależeć od typu, może się zmieniać szybko, podobnie jak w niektórych symulatorach platformy ruchu).

Platforma ruchu 6 dof z elektrycznymi siłownikami liniowymi http://cfile29.uf.tistory.com/T250x250/195BAD4B4FDB0AF104C30F .

Elektryczne siłowniki liniowe zastępują hydrauliczne siłowniki liniowe w tym zastosowaniu i muszą być szybkie i mocne, niektóre symulatory łatwo ważą ponad 2 tony.

• Napęd pasowy lub łańcuchowy

Aby uzyskać większą prędkość i inną prostą metodą, jest taki napęd pasowy lub łańcuchowy

^{Zdjęcie z http://images.pacific-bearing.com}

Jest to oczywiście produkcja przemysłowa, jest to zrób to sam i ma więcej do zastosowania: (tak, ma miejsce na wiele ulepszeń, ale jest dobrą formą, aby pokazać, jak szybko i mocna może być nawet w tym projekcie ). http://bffsimulation.com/linear-act.php

Pozwala to na zastosowanie mniejszego uzębienia, jeśli silnik mógłby a użyjesz koła pasowego o średnicy 2 cm, dostaniesz (nie biorąc pod uwagę strat) przy pełnym skoku.$50Kgf/cm$$50Kgf$

Również łożyska tego siłownika będą musiały wytrzymać większość sił promieniowych, przy czym w „śrubie pociągowej i nakrętce” łożysko przejmie największą siłę osiową. Dlatego w zależności od siły należy zastosować łożysko kulkowe wzdłużne .

Myślę, że najlepszym wyborem byłyby zwykłe serwomechanizmy hobby, jeśli nie mają wystarczającego momentu obrotowego, używaj wielu serw równolegle na tym samym złączu. Dobrą opcją byłyby serwomechanizmy Dynamixel firmy Robotis, ale są one droższe niż serwery hobby i trzeba by było zhakować protokół komunikacyjny, ponieważ są one kontrolowane przez ttl / rs232 / rs485 lub użyć konwertera usb2dynamixel (lub usb2ax). Zaletami są ich moment obrotowy, prędkość i precyzja.