Робот-манипулятор: создание механической руки своими руками

Автор Николай Шевчук November 23, 2023

Роботы-манипуляторы активно используются на производстве, но мало кто знает, что создать такого робота можно и в домашних условиях. В этой статье мы рассмотрим, как с помощью 3D-печати и деталей, которые можно найти дома или купить в магазине радиодеталей, собрать полноценную механическую руку-манипулятор, управляемую с компьютера или микроконтроллера.

Выбор конструкции и двигателей

При создании робота-манипулятора своими руками первым делом нужно определиться с его конструкцией. Существует несколько распространенных вариантов:

Манипулятор с вращательными суставами (по типу человеческой руки)
Манипулятор картезианского типа (прямолинейное перемещение звеньев)
Шарнирно-рычажный механизм (сочетание вращения и линейного движения)
Параллелограммный механизм (несколько параллельных рычагов)

Для начинающего создателя роботов лучше всего подойдет простая конструкция из 3-4 вращательных суставов, соединенных ремнями или тросами. Это позволит сделать манипулятор своими руками без сложных расчетов или дорогостоящих комплектующих.

Выбор приводов

Следующий важный этап - выбор типа приводов для осуществления движения. Наиболее распространены следующие варианты:

Сервоприводы. Недорогие и простые в управлении двигатели для точного позиционирования.
Шаговые двигатели. Обеспечивают высокую точность перемещения без обратной связи.
Гидравлические и пневматические цилиндры. Для создания больших усилий и нагрузок.

Для нашей задачи оптимальны будут недорогие сервоприводы с металлическими зубчатыми передачами. Например, TowerPro MG995R - отличное соотношение цены и качества. Для простейшего 3-4 суставного манипулятора таких сервоприводов будет достаточно.

Моделирование и печать деталей

После выбора типа конструкции и компонентов можно приступать к проектированию отдельных манипулятор своими руками чертежи. Этот этап лучше всего выполнять в специальных программах трехмерного моделирования.

Программы для 3D-моделирования

Для любительского конструирования механических систем хорошо подойдут такие бесплатные пакеты как FreeCAD, Blender или SketchUp. Их функционала будет достаточно для создания простых механических конструкций.

Основные этапы 3D-моделирования детали:

Построение эскиза фигуры в двух проекциях
Создание трехмерного тела на основе эскиза
Добавление монтажных отверстий и пазов
Экспорт модели в STL-файл для 3D-печати

Среди готовых 3D-моделей манипуляторов можно выделить Robotic Arm V2 от автора Ashing. Этот механизм отлично подходит для новичков.

Печать деталей манипулятора

Ремонт манипулятора своими руками в случае поломки может быть затруднителен, поэтому на этапе печати очень важно правильно подобрать настройки принтера и материал.

Рекомендуется использовать пластики PLA или PETG с плотностью заполнения 60-80% и толщиной стенок не менее 1.2 мм для ключевых деталей.

При печати крупных звеньев манипулятора следите за температурой рабочей камеры и соосностью вала экструдера в процессе работы. Первый слой также должен ложиться ровно.

Установка манипулятора своими руками - тоже отдельная задача, но к ней мы еще вернемся в следующих частях статьи.

Сборка механической части

После того как все необходимые детали напечатаны, можно приступать к сборке механической части робота-манипулятора. Рассмотрим основные этапы этого процесса.

Сборка основания

На первом этапе собирается неподвижное основание, к которому в дальнейшем будут крепиться вращающиеся секции. У робота Ashing это 6 деталей, соединяемых болтами М3.

База основания
2 боковые панели
2 держателя сервомоторов
Крышка электроники

Перед окончательной затяжкой болтов нужно убедиться в свободном вращении сервоприводов в пазах держателей. Также проверьте регулировочные винты в основании для фиксации углов поворота.

Установка сервоприводов

Следующим этапом является непосредственная установка сервоприводов в сборку. Для нашего варианта с 4 степенями свободы потребуется 4 двигателя.

Закрепите сервоприводы в держателях основания
Подсоедините ремни или тросы к валам двигателей
Отрегулируйте натяжение передач для плавного вращения

Очень важно не перетянуть тросы, иначе возможен преждевременный износ или поломка сервоприводов. Также убедитесь, что тросы не цепляются за корпус манипулятора.

Подключение электроники

Прежде чем закрывать защитный корпус манипулятора, необходимо подключить сервоприводы и другие электрические компоненты к плате управления.

Калибровка и тестирование

Перед началом эксплуатации робота-манипулятора очень важно провести его тестирование и калибровку для предотвращения возможных поломок.

Установка датчиков

Для расширения возможностей управления движением манипулятора можно установить различные датчики обратной связи и положения.

Подключение платы управления

Для управления сервоприводами манипулятора потребуется специальная плата, например Arduino или контроллер на базе микросхемы L298. Такие платы позволяют генерировать управляющие ШИМ-сигналы для всех подключенных двигателей.

Основные этапы подключения:

Установите плату управления в корпус манипулятора
Подсоедините выводы питания платы к блоку питания
Подключите сигнальные провода каждого сервопривода
При необходимости установите перемычки или дополнительные компоненты

Обязательно зафиксируйте все провода, чтобы избежать обрывов при движении манипулятора.

Проверка датчиков и индикаторов

При наличии различных датчиков в конструкции манипулятора их также необходимо подключить к плате управления и проверить работоспособность.

Возможный список датчиков:

Концевые выключатели
Энкодеры положения
Датчики усилия
Датчики расстояния и препятствий

Для визуального контроля состояния обычно подключают светодиодные индикаторы, зуммеры или небольшие дисплеи.

Загрузка тестовой программы

После того как манипулятор собран и все компоненты подключены, можно загружать тестовую управляющую программу для первичной проверки работоспособности всей системы.

Такая программа должна: