Manipulator Torquemani - manipulator z silnikami BLDC

[JaxGW]

Cześć, od dawna zajmuję się zagadnieniami związanymi z silnikami BLDC i ostatnio przyszedł mi do głowy manipulator o trzech stopniach swobody. Kończę studia, praca magisterska była gotowa i miałem trochę wolnego czasu - nie było powodów, by tego nie robić. Przeszukałem składzik z gratami, wybrałem trochę części i zabrałem się za projektowanie.

Aby manipulator wyróżnił się pośród innych opisywanych w internecie chciałem zastosować napęd bezpośredni - ramie przymocowane bezpośrednio do wirnika silnika. Napędy muszą mieć całkiem spory moment obrotowy  jeśli nie stosujemy przekładni dlatego wybrałem największe silniki jakie miałem - iFlight iPower ex-8 105KV, znacznie tańsze kopie używanych w dużych wirnikowcach T-Motor U8. Dzięki swojej budowie (płaska konstrukcja i duża średnica) pozwalają one wygenerować szczytowo 2Nm momentu obrotowego.

Mając w głowię gotową wizję robota wykonałem projekt tak aby całość można było wydrukować na drukarce 3D. Wszystkie silniki umieściłem możliwie blisko podstawy a przeniesienie napędu na ostatni człon ramienia realizowane jest przez przekładnię pasową. Wykorzystałem do tego najpopularniejszy pasek zębaty do drukarek 3D i koła pasowe 18T.

 

Części wydrukowałem na drukarce Creality CR-10S z filamentów Spectrum PLA (1, 2).

Złożony manipulator prezentuję się następująco:

Jak realizowane jest sterowanie?

Aby zmienić silnik BLDC w serwonapęd potrzebna jest specjalna elektronika. W pracy miałem pod ręką wolne sterowniki MAB driver. Wykorzystane układy komunikują się przez protokół CAN, mamy możliwość zarówno zadawania położenia, prędkości i momentu, jak również ich odczyt. Jako jednostkę sterującą całością wybrałem Husarion Core2-ROS, którego dostałem kiedyś na zawodach robotycznych. Jego zaletą w tym przypadku jest fakt, że posiada interfejs CAN. Pozwoliło to szybko uruchomić działanie manipulatora.

Ponieważ w układach MAB Driver jedną z opcji jest impedancyjne sterowanie przegubami, w bardzo prosty sposób można zadać trajektorię napędom przez regulator PD, którego wyjściem jest moment. Taka technika sterowania sprawia także, że manipulator nie trzyma się sztywno pozycji, ale zachowuje się jakby silniki były sprężynami torsyjnymi. Parametry można regulować podając wprost stałe sprężystości i tłumienia, razem z pozycją zadaną.

Do zasilania napędów użyłem najmniejszą baterię jaką miałem pod ręką - litowo-polimerową, 4 celową, o pojemności 6750mAh(polecam na podróże samolotem za granicę, równo 99,9Wh). W takiej konfiguracji uruchomiłem ruch robota (podobny do tego na filmie niżej) i napięcie na celach baterii po około 8h pracy spadło z 4.15V do 3.82V 🙂 Przewodów komunikacyjnych i zasilających było całkiem sporo. Dla większego porządku jak również zmniejszenia ryzyka awarii umieściłem je w oplotach. 

Na koniec film z działania robota. 

Macie jakieś pomysły dot. tego co ciekawego i nietypowego mógłbym założyć na końcówkę robota?
Chętnie powiem więcej o szczegółach technicznych. Zadawajcie pytania!

[Treker (Damian Szymański)]

Właśnie zaakceptowałem Twój opis, możesz go teraz zgłosić do akcji rabatowej umieszczając link w temacie zbiorczym. Dziękuję za przedstawienie ciekawego projektu, zachęcam do prezentowania kolejnych DIY oraz aktywności na naszym forum 🙂

[Anonim]

Mógłbyś przybliżyć działanie/używanie tego MAB drivera, co w nim jest takiego niesamowitego, że ktoś go wycenił na 300€ ?  Manipulator super - gratuluję, tylko trochę drogi jak na budżet przeciętnego studenta.

[ethanak]

Ja bym tam dodał mały palnik gazowy - byłaby idealna (chociaż faktycznie nieco przydroga) stacjonarna zapalniczka do cygar 🙂

[Polecacz 101]

Produkcja i montaż PCB - wybierz sprawdzone PCBWay!
   • Darmowe płytki dla studentów i projektów non-profit
   • Tylko 5$ za 10 prototypów PCB w 24 godziny
   • Usługa projektowania PCB na zlecenie
   • Montaż PCB od 30$ + bezpłatna dostawa i szablony
   • Darmowe narzędzie do podglądu plików Gerber
Zobacz również » Film z fabryki PCBWay

[JaxGW]

@atMegaTona  gdybym musiał płacić za sterowniki to faktycznie sporo jak na prosty manipulator. Sterownik ma zaimplementowane sterowanie wektorowe silnika, w przeciwieństwie np. do regulatora obrotów można zadawać położenie, prędkość i moment, jak również je odczytywać. Działa to a tyle dobrze, że możemy szybko wykryć zmianę momentu co może wskazywać np. na kolizję i zatrzymać działanie napędu. Pozwala na sterowanie praktycznie każdym BLDC (ograniczeniem jest moc). Na rynku jest sporo różnego rodzaju kontrolerów, ale najbliższy jeśli chodzi o możliwości jest Gold Twitter.

[Anonim]

Przy okazji przeglądania linków które tu wrzuciłeś wpadło mi w oko coś takiego: driver i tu na stronie producenta driver fajna kostka a do tego uniwersalna przy względnie znośnej cenie. Używał ktoś już tego?

Mają tam IDE do współpracy z tym i fajny DS.. to chyba rozwiązuje każdy problem silników i serw definitywnie bez różnicy jakiego uC by do tego nie zastosować. Przynajmniej pierwsze moje wrażenie takie jest.

[JaxGW]

@atMegaTona  wygląda to ciekawie ale nigdy nie miałem z tym styczności. Ciekaw jestem jak w praktyce z uruchomieniem silnika, no i trzeba dokładać procek i część mocy.

Na stronie też widzę jakieś kompletne napędy ale z dość małymi silnikami, jednak z pewności jest to o niebo lepsze niż krokowiec 🙂

Edytowano Październik 24, 2019 przez JaxGW

[wn2001]

1) Gratuluję świetnego projektu, płynność i szybkość ruchów - pełen profesjonalizm :)

2) Czy ten dość cienki pasek zębaty daje radę przenieść tak duży moment? Jak go naprężasz?

3) Nie robiłeś już czwartej osi, aby pozycjonować np. narzędzie?

4) Nad silnikiem krokowym to oczywiste, a czy są jakieś przewagi BLDC względem np. serwomotorów?

5) Łożyskujesz jakoś pierwszą oś? Cz na ramionach są jakieś luzy?

Teraz możesz dodać np. elektromagnes i system wizyjny i zbierać śrubki - elektromagnes nie musi być prostopadle, do ssawek, chwytaków, narzędzi itd. chyba musiałbyś jednak dodać 4. lub nawet 5. oś :)

[JaxGW]

@wn2001 
1) Dzięki 🙂 Film nie pokazuje niestety pełnej prędkości. Przy wyższych ta 2kg stalowa płyta w podstawie latała po całym stole. Uruchamiałem ~4 razy szybciej trzymając podstawę ale bałem się, że wszystko się rozpadnie. Potem już silniki nie nadążają za sterowaniem.

2) Ten pasek to chyba najgorszy element konstrukcji, nie jest w stanie przenieść dużego momentu. Pasek czasem przeskakuje po kołach. Napinam go dwiema sprężynami. Większe koła pasowe pomogłyby przenieść większy moment ale nic innego nie miałem.

3) Po zmianie paska na szerszy i zastosowaniu większych kół mógłbym  końcu drugiego członu umieścić mniejszego bldc i kolejnym paskiem przenieść obroty na końcówkę. Fajny pomysł, jak znowu będę miał więcej czasu coś z tym pokombinuję.

4) Jeśli chodzi o profesjonalny sprzęt plusów jest sporo ten artykuł trochę wyjaśnia. Bardzo ważna jest gęstość mocy, czyli kilka, nieraz kilkanaście razy lżejszy silnik BLDC wygeneruje ten sam moment co serwo AC. Pozwala to stosować większy silnik jako napęd bezpośredni (omijając przekładnie). Daje to doskonała dynamikę pracy i niską impedancję układu (silnik może dokładnie odczytywać zmiany obciążenia) - np. robot gdy uderzy w człowieka wykryje to i szybko się zatrzyma łagodząc obrażenia. Brak przekładni to też niezawodność. Jeśli używałeś modelarskie serwa to z pewnością wytarły lub wyłamały Ci się koła zębate. Tutaj możemy uderzać manipulatorem w ścianę i jedyne co obrywa to łożyska a one nie dość, że są tanie to i tak trudno je popsuć.

5) Myślę, że przekrój najlepiej pokaże jak umieszczone są łożyska. Na ramionach nie ma luzów, całość też jest całkiem sztywna.

Edytowano Październik 24, 2019 przez JaxGW