Manipulator Delta Astra*

[wn2001]

Jakiś rok temu pomyślałem, ze może spróbuję swoich sił w tematyce robotów typu "delta". Zainspirowała mnie również konstrukcje Kolegów, @Eukaryota Delta Robot V3.0 oraz @deshipu Deltabot; którym serdecznie dziękuję za opisanie rezultatów swoich prac 🙂 Zacząłem nieco od tyłu, bo od zakupu 3 silników krokowych NEMA17 z przekładnią planetarną (przełożenie ~5-krotne) i związku ztym robot wyszedł dość duży - teraz zastanawiam się, czy istnieje możliwość jest transportu np. pociągiem... Ale przechodząc już do konkretów, zamieszczam poniżej krótki film ( z góry przepraszam za jakość, ale w związku z obecną sytuacją, zmuszony byłem nagrywać telefonem):

Założenia

Celem projektu było zbudowanie robota typu delta, 3-osiowego (to jest bez dodatkowych osi obrotowych w efektorze) i długości ramion rzędu kilkunastu centymetrów. Koniecznie chciałem wykorzystać w tym projekcie RaspberryPi 3B+ (o czym za chwilę), coś związanego z pneumatyką (gdyż posiadam cały kartonik pneumatycznych przyda-mi-się), dodać jakiś prosty panel operatora, a samo demonstracyjne zadanie miało być w miarę efektowne, ale jednocześnie możliwe przy luzie na poziomie kilku milimetrów - wybór padł na sortowanie krążków według kolorów.

Konstrukcja mechaniczna

Sam stelaż składa się z profili V-slot 20x20mm, bardzo lubianych w środowisku "konstruktorów - DIY". Jest on przykręcony do podstawy-płyty spienionego PCV. Jak łatwo zauważyć, profile oprócz konstrukcji nośnej pełnią również rolę mocowanie elektrozaworów, kilku elementów elektronicznych itd... Do stelażu przykręcona jest płyta a'la trójkąt ramienny z rezokartu, a do niego trzy główne silniki. Od silników odchodzą drukowane 3D (wszystkie drukowane w tym robocie elementy to ABS). Od pomarańczowych ramion, przez przeguby kulowe firmy Igus® (której w tym miejscu serdecznie dziękuję 🙂, gdyż otrzymałem je bezpłatnie w ramach sponsoringu) i odcinki gwintowanego prętu M6 całość "schodzi się" do wspólnego efektora, na koncu którego zamontowana jest ssawka podciśnieniowa.

Peryferia - szufladka pneumatyczna i podajnik rewolwerowy

Będąc przy sprawach mechaniki, wspomnę o dodatkach zamieszczonych w robocie celem wyznaczonego zadania - podajniku rewolwerowym (stole obrotowym), który składa się z silnika krokowego, drukowanej 3D przekładni planetarnej oraz talerza (plexi + drukowana 3D obwódka) z 9 gniazdami, każde umożliwiające umieszczenie obiektu krążka. Sama szufladka natomiast to siłownik pneumatyczny SMC (nietypowy, gdyż tłok został zastąpiony magnesem, który sprzężony jest z wózkiem na nim umieszczonym, zatem w czasie pracy siłownik nie zmienia swojej długości) oraz 2 prowadnice o średnicy 10mm, na których umieszczony jest również 9-gniazdowa płytka, ale już nie okrągła, a kwadratowa). Po zakończonym cyklu układania może się ona wysunąć "na zewnątrz", co pozwala zabrać krążki i ponownie ułożyć je na talerzu.

Elektronika

"Mózgiem" robota jest płytka Nucleo F401RE, programowana w środowisku mBED. Ponadto w "sterowniku" (żółta płyta z plexi) umieszczony jest układ dystrybuujący zasilanie, przetwornica step-down (12V -> 5V) oraz moduł 2x przekaźnik, celem sterowania elektrozaworem eżektora i siłownika 5/2. Na zewnątrz sterownika "wychodzą" przewody sygnałowe dla łącznie 4 sterowników silników krokowych (czwarty, dla stołu obrotowego, jest znacznie mniejszy (TB6560) i umieszczony jest z tyłu, na profilu 🙂). Warto dodać, że płytka rozdzielająca zasilanie została wyposażona w 3 transoptory, które pośredniczą między czujnikami krańcowymi umieszczonymi u góry, a samym STM32.

Zasilanie

Zasilanie robota jest dość złożoną sprawą, gdyż dla trzech głównych silników wykorzystałem zasilacz 36V 10A - tak duże napięcie pozwala na osiągnięcie dość dużych prędkości obrotowych, natomiast czwarty, "mały sterownik", nie może być takim napięcie zasilany - konieczne było użycie przetwornicy step-down (36V -> 24V). Logika/elektrozawory są natomiast czerpią energię z osobnego zasilacza, 12V 5A, które do logicznego 5V obniżane jest wymienioną w podpunkcie "Elektronika" wspomnianą przetwornicą. Ostatecznie, napięcie 3,3V wymagane przez Nucleo jest uzyskane z jego wewnętrznego stablizatora. Mamy więc linię napięcia stałego 36V, 24V, 12V, 5V, 3V3 😉

"Panel operatora"

U góry konstrukcji umieszczono przycisk bezpieczeństwa, który po naciśnięciu zwiera pin RESET Nucleo z masą - nie jest to może rozwiązanie profesjonalne (nie zadziała, jeśli np. naderwałby się kabel łączący sterownik z "grzybkiem"), ale stosunkowo proste i skuteczne. Poniżej znajduje się właściwy "panel", składający się z wyświetlacza 2,8" opartego o sterownik ILI9341. Wyświetla on na początku "menu", a po rozpoczęciu pracy robota - informacje o kolorach krążków oraz koordynaty XYZ. Poniżej znajdują się przyciski z podświetleniem, pozwalają one na rozpoczęcie cyklu (właściwej pracy), wsunięcie/wysunięcie siłownika, wyzerowanie osi oraz odłączenie silników tak, aby można było nimi ręcznie poruszać (to ostatnie muszę jeszcze dopracować). Warto zaznaczyć, że samą obsługą modułu "HMI" zajmuje się NodeMCU, a z samym sterownikiem komunikuje się po UART'cie.

System wizyjny - RapsberryPi 3B+

Wspomniane RPi posłużyło jako prosty system wizyjny. Wiem, że można było zrobić rozpoznawanie barw znacznie prościej, ale za pomocą kamerki jest to znacznie skuteczniejsze i ponadto stanowiło łagodny wstęp do OpenCV - wycinam odpowiednie fragmenty obrazu, obliczam składowe średnie RGB i porównuję. kamerka jest na małej prowadnicy, ponownie od firmy Igus®, możliwa jest jej regulacja. Tutaj również komnikacja RPi <-> STM32 zachodzi po UART'cie.

Układ pneumatyki

Pneumatyka w robocie jest stosunkowo prosta, składa się na wejściu z osuszacza powietrza i regulatora ciśnienia wraz z manometrem (robot wymaga ciśnienia 4 barów). Następnie, przez elektrozawory, sprzężone powietrze doprowadzone jest do eżektora (generowanie podciśnienia dla ssawki) oraz siłownik SMC (ruch szufladki).

Kilka zdjęć

Podziękowania

Projekt ten nie powstałby bez pomocy kilku firm, którym chciałbym serdecznie podziękować: wspomniany już wyżej Igus®, Mondi Polska, ST oraz ENEA (Akademia Talentów), a także mojej Szkole, Zespołowi Szkół Łączności im. M. Kopernika w Poznaniu 🙂

Pozdrawiam, zapraszam do zadawania pytań 😉

[deshipu]

Bardzo ładny projekt demonstracyjno—edukacyjny. Napiszesz może coś o programach? Robiłeś kinematykę sam, czy używasz gotowców?

[wn2001]

@deshipu  Dziękuję! 🙂 Jeśli chodzi o programy, to mamy w sumie trzy, dla Nucleo (najważniejszy), RPi 3B+ (system wizyjny) i NodeMCU/ESP8266 (obsługa wyświetlacza):

1. Nucleo było programowane w online'owym środowisku mBED, coś podobnego jak C dla Arduino. Funkcje kinematyki odwrotnej "pożyczyłem" z forum Trossen, gdzie znajduje się genialny artykuł tłumaczący to zagadnienie w ujęciu robotów delta. Następnie jest też funkcja wywołująca ruch silników (biblioteka AccelStepper, niestety ruch odbywa się "na sztywno" - nie potrafię zrobić tego tak, aby np. końcówka płynnie przejechała z punktu A do B w linii prostej 😞), załączanie/odłączanie elektrozaworów, brzęczyka czy lampy przy kamerce to wiadomo, sterowanie pojedynczymi pinami. Czwarty silnik (ten od stołu), jest sterowany bez akceleracji, cyklicznie zmieniam stan pinu w pętli for, ale to wystarczy. I wspomniane dwa porty szeregowe, jeden łączący Nucleo z RPi (Nucleo wysyła 'q', a RPi w odpowiedzi zwraca ciąg np. 'czb' - czerwony, żółty, biały). Natomiast drugi port, ten od panelu, "nasłuchuje", czy nacisnąłem jakiś przycisk, a podczas ruchów/detekcji kolorów wysyła na NodeMCU (a ten na wyświetlacz) kolory krążków lub koordynaty typu "X100 Y100 Z200\n"

2. RPi ma bibliotekę OpenCV, napisałem prosty programik (Python), który muszę uruchomić ręcznie przez np. VNC - ten z kolei czeka, aż otrzyma literkę 'q' od Nucleo, jeśli tak, robi zdjęcie, wycina ustawione na sztywno fragmenty, liczy średnie R,G i B; a następnie odsyła wspomniany już wyżej ciąg literek symbolizujących kolory

3. NodeMCU, program pisany w Arduino IDE, ma podpięte 4 przyciski (połączone z rezystorami, dzięki czemu do odczytu, który z nich wcisnąłem, wystarczy tylko jeden pin analogowy) oraz wspomniany już wyświetlacz ILI9341, na start wyświetla się ekran powitalny, jeśli wykryje, że coś przychodzi od Nucleo, przełącza się w tryb coś a'la terminal i wypisuje to, co od niego otrzymał (no chyba, że np. jest to literka c, to wtedy zamiast nie wyświetlam czerwone O). Ponadto cyklicznie sprawdzam, czy nie naciśnięto przycisku bezpieczeństwa (ma dwa niezależne styki, jeden NO służący do twardego resetu Nucleo, drugi NC podłączony jest właśnie pod NodeMCU jako przycisk) i ewentualnie wówczas wyświetlam migający czerwony napis "STOP AWARIA"

[deshipu]

Dzięki. Wrzucę link do tego artykułu, choć chyba im się akurat baza danych posypała: http://forums.trossenrobotics.com/tutorials/introduction-129/delta-robot-kinematics-3276/

Na szczęście się zarchiwizowało: https://web.archive.org/web/20191022083533/http://forums.trossenrobotics.com/tutorials/introduction-129/delta-robot-kinematics-3276/

[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

[wn2001]

@deshipu, ta baza to już chyba wysypała się na zawsze, więc dobrze, że znalazłeś archiwum. Doszedłem do wniosku, że bez przykładów z forum Trossen, strony PyImageSearch, kursów Forbota itd... niewiele samodzielnie bym zdziałał, dlatego ja też podzielę się swoim kodem do tego projektu - wprawdzie nie ma nic tam odkrywczego, ale może ktoś kiedyś skorzysta, chociażby aby wiedzieć jak użyć tych funkcji IK:

https://github.com/wnowacki/deltaAstra_public/tree/master

Z góry zaznaczam, że jakość kodu jest taka, że zawodowi programiści mogą się złapać za głowę 🙂

Pozdrawiam

Edit: Zapomniałem dodać, że jutro wrzucę film z poprawionym algorytmem sortowania, który dość mocno przyspieszył cykl

Edytowano Maj 30, 2020 przez wn2001

[wn2001]

Zgodnie z obietnicą, wstawiam film z finalną, ukończoną już w 100% wersją delty, projekt można uznać za całkowicie zamknięty i zakończony sukcesem 🙂

Spiąłem ładnie kable, poprawiłem trochę kod (link powyżej) i maksymalnie zwiększyłem prędkość - na pojedynczą operację przeniesienia krążka robot potrzebuje około 5 sekund 😉

To, co robię na początku to to, o czym wspomniałem w opisie - prosty panel HMI pozwala na luzowanie silników, ręczne wyzerowanie, sterowanie siłownikiem i przede wszystkim - start cyklu