Материал: Проектирование манипулятора

Доступные в данный момент сервоприводы с достаточно большим моментом были сервоприводы DF15RMG (Рис. 3.7) для работы 1 го звена манипулятора и RDS3115 (Рис. 3.8) для работы 2 го звена, эти сервоприводы практически идентичны по характеристикам и одинаковые по размерам.

Рис. 3.7. Внешний вид DF15RMG с дополнительными кронштейнами

Спецификации для сервопривода DF15RMG:

угол поворота:   170°

Скорость поворота:     60°/0.16s

Момент:     19.3 кг∙см при 7.4V

Металлические шестерни

Размеры:   40x40x20 мм

Вес:   65 г.

Рабочее напряжение:   5-7.4v

Максимальный ток: 3A при 8.5V

PPM Voltage:3V-5V

Разрешение:        2 мкс

- Частота:   до 4 КГц [17]

Рис. 3.8. Внешний вид RDS3115 с дополнительными кронштейнами

Спецификации для сервопривода RDS3115:

угол поворота:   180°

Скорость поворота:     60°/0.16s

Момент:     17 кг∙см при 7.2V

Металлические шестерни

Размеры:   40x40x20 мм

Вес:   60 г.

Рабочее напряжение:   4.8-8.4v [18]

Для работы захвата и поворота основания манипулятора будут использованы сервоприводы SR430 (Рис. 3.8). Они развивают меньший момент чем DF15RMG, т.к. для работы захвата и поворота основания не требуется высокий момент.

Рис. 3.8. Внешний вид SR430

Спецификации для сервопривода SR430:

Рабочее напряжение: 6,0 - 7,4 В

Скорость: 0,18 сек/60° при 6 В

Усилие на валу: 4,2 кг/см при 6 В

Скорость: 0,16 сек/60° при 7,4 В

Усилие на валу: 5,3 кг/см при 7,4 В

Угол вращения: 180°

Размеры: 42 x 39,5 x 20,5 мм

Вес: 44 гр.

Шестерни редуктора: пластиковые [19]

3.4 Проектирование деталей

Выбор САПР

Для проектирования 3D моделей деталей робота была выбрана программа Google SketchUp, т.к. она является одной из простейших программ для 3D моделирования и является бесплатной, а также имеет интерфейс на русском языке. Программа оснащена упрощенным набором инструментов, с которым пользователю работать максимально удобно - это позволит всего лишь за несколько часов освоить работу в программе и начать проектировать самые разные 3D-модели, от простейших геометрических фигур до полномасштабных красивых моделей [20].

Проектирование 1-го и 2-го звеньев

Сервоприводы DF15RMG уже обладают готовыми креплениями (Рис. 3.9) к ним, поэтому звено нужно спроектировать таким образом, чтобы оно могло крепиться к ним. Значит необходимо в детали сделать такие же отверстия как и в кронштейнах, чтобы их можно было стянуть болтами. Диаметр отверстий 3 мм, расстояние между ним 10 мм. Деталь будет сделана из алюминиевой рейки т.к. металл выдержит более высокие нагрузки и он менее деформируется по сравнению с пластиком.

Рис. 3.9. 3D модель сервопривода DF15RMG и его кронштейнов

Стоит учесть, что сервоприводы, соединённые с рейкой образуют единое звено манипулятора, которое должно иметь длину 20 см (Рис. 3.10), следовательно длину рейки нужно подобрать таким образом, чтобы выполнялось это условие.

Рис. 3.10. Модель 1-го звена

В результате получится рейка длиной 12,8 см (Рис. 3.11), которая образует с двумя сервоприводами 1 ое звено длиной 20 см.

Рис. 3.11. Трёхмерный вид детали 1 го звена с указанными размерами

Рейка 2 го звена будет такая же как и для 1 го звена, но только другой длинны. 2 ое звено образуют сервопривод, металлическая рейка и специальное крепление для схвата. Расстояние между осью вала сервопривода и осью вращения крепления для схвата составляет 20 см, что является длиной 2 ого звена (Рис. 3.12).

Рис. 3.12. Модель 2-го звена

В результате получится рейка 2 го звена длиной 14,9 см (Рис. 3.13).

Рис. 3.13. Трёхмерный вид детали 2 го звена с указанными размерами

Проектирование схвата

Модель схвата будет строится на основе готового чертежа (Рис. 3.14). Такой схват имеет 6 подвижных деталей, которые крепятся на основание (Рис. 3.15).

Рис. 3.14. Чертёж для построения модели схвата

Рис. 3.15. Модель основания схвата с разных сторон

Расположение крепления для сервопривода было изменено, по сравнению с готовым чертежом, для того, чтобы схват мог шире раскрыться. Также на креплении добавлены специальные опоры для сервопривода SR430. В основании имеется специальное отверстие, чтобы вал сервопривода соединить с шестернёй, которая приводит механизм схвата в движение.

Расположение подвижных деталей и их форма остались как на чертеже. Все детали схвата (Рис. 3.17) должны крепится между собой болтами диаметром 3 мм и длиной желательно 15 мм.

Рис. 3.17. Детали и основание схвата и сервопривод SR430

На рисунке 3.19 изображены 3D модели собранного схвата с разных ракурсов вместе с сервоприводом SR430.

Рис. 3.19. Модель собранного схвата с разных ракурсов

Из рисунка 3.20 видно, что длина схвата меняется в зависимости от степени его раскрытия.

Рис. 3.20. Схват при различных положениях и проставленные размеры

Проектирование основания

На основание манипулятора будут идти самые большие нагрузки, также оно примет на себя весь его вес. К тому же к основанию предъявляется ряд требований: оно должно иметь возможность крепиться к плоской поверхности; поворачиваться вокруг своей оси; за вращение должен отвечать сервопривод SR430; основание должно быть достаточно широким, чтобы не опрокинуться при нагрузках и прочным, чтобы не сломаться от высоких нагрузок.

При проектировании основания было решено следующее: т.к. основание вращается оно должно быть цилиндрической формы, в нём должен поместиться сервопривод, оно должно иметь крепления для 1 го звена манипулятора. Креплением 1 го звена является кронштейн его сервопривода, сделаем в основании отверстия для крепления кронштейна (Рис. 3.21).

Рис. 3.21. Крепление 1 го звена к основанию манипулятора

Внутри основания предусмотрены крепления для сервопривода SR430, они достаточно прочны чтобы выдержать нагрузки при вращении основания. Сервопривод крепится так, чтобы центр его вала находился по центру основания (Рис. 3.22).

Рис. 3.22. Крепление сервопривода в основании манипулятора

Чтобы основание вращалось, у него есть отдельная нижняя часть, относительно которой оно вращается (Рис. 3.23). Нижняя часть имеет по контуру 8 отверстий для крепления к плоской поверхности. Чтобы основание не вывалилось из своей нижней части, нижняя часть крепится болтами к валу сервопривода, который крепится к основанию (Рис. 3.24). При вращении вала сервопривода основание начнёт вращаться относительно нижней части.

Рис. 3.23. Соединение основания с нижней частью

Рис. 3.24. Структура основания

На рисунках 3.25 и 3.26 указаны основные размеры деталей основания: верхней поворачивающейся части и нижней части, крепящейся к поверхности.

Рис. 3.25. Верхняя часть основания с указанными размерами

Рис. 3.26. Нижняя часть основания с указанными размерами

Проектирование всей конструкции манипулятора

Используя разработанные модели основания, звеньев и схвата манипулятора необходимо разработать модель всей конструкции манипулятора на основе его кинематической схемы (Рис. 3.1). Для этого нужно разработать модели деталей, которые должны образовать параллельный механизм согласно кинематической схеме. На рисунке 3.27 обозначены числами 1 - 5 те шарниры и звенья, которые нужно спроектировать для параллельного механизма.

Рис. 3.27. Обозначение элементов параллельного механизма на кинематической схеме

Звенья под номерами 2 и 4 (Рис. 3.27) имеют одинаковую длину по 20 см. Следовательно детали этих звеньев можно спроектировать одинаковыми. На рисунке 3.28 изображена модель этих звеньев, они будут выполняться из алюминиевых пластин, чтобы иметь достаточную прочность при их длине.

Рис. 3.28. Модель дополнительных звеньев для параллельного механизма

Модель детали, которая образует шарнирное соединение в точке 1 (Рис. 3.27) изображена на рисунке 3.29. Эта деталь будет изготавливаться при помощи 3D печати и будет крепиться к поворачивающемуся основанию манипулятора.

Рис. 3.29. Модель детали для шарнирного соединения

Модель детали, которая образует 3 шарнирных соединения в точке 3 (Рис. 3.27) изображена на рисунке 3.30. Эта деталь будет изготавливаться при помощи 3D печати и будет крепиться к валу сервопривода 2 го звена манипулятора, а также будет соединять дополнительные звенья.

Рис. 3.30. Модель центральной детали параллельного механизма

Модель шарнирного механизм а под номером 5 (Рис. 3.27) объединяет 2 ое звено, схват и дополнительное звено манипулятора, она состоит из двух отдельных деталей, которые печатаются на 3D принтере и соединяются между собой длинным болтом. На рисунках 3.31 и 3.32 изображены эти детали по отдельности и объединённые вместе.

Рис. 3.31. Модель деталей шарнирного соединения манипулятора в области схвата

Рис. 3.32. Вид сбоку и сверху шарнирного соединения

Разработав модели всех деталей конструкции манипулятора, можно объединить их и получить модель полностью собранного манипулятора (Рис. 3.33). Чтобы лучше различить отдельные детали, они были окрашены в разные цвета.

Рис. 3.33. Модель всей конструкции манипулятора

На рисунке 3.34 показаны различные положения модели манипулятора и их кинематические схемы, тут же демонстрируется принцип работы параллельного механизма.

Рис. 3.34. Манипулятор в различных положениях

3.5 Определение диапазонов углов поворотов звеньев

Построив 3D модель манипулятора (Рис. 3.33) с учётом всех длин звеньев и размеров деталей, можно определить диапазоны углов поворотов звеньев робота относительно начального положения. Эти диапазоны будут учитываться при определении рабочей зоны динамической модели манипулятора.

Угол поворота основания q₀:

За поворот основания отвечает сервопривод SR430, диапазон его поворота составляет 180⁰. В конструкции робота нет препятствий, ограничивающих этот диапазон, следовательно робот будет поворачивать на ±90⁰ относительно начального положения (Рис. 3.35).

Рис. 3.35. Угол поворота основания q₀

Угол поворота 1 го звена q₁:

За поворот 1 го звена отвечает сервопривод DF15RMG с диапазоном поворота 170⁰. Конструкция робота позволяет максимально наклонить звено в одну сторону на 102⁰, а на поворот в другую сторону 38⁰ относительно начального положения (Рис. 3.36).

Рис. 3.36. Угол поворота 1 го звена q₁

Угол поворота 2 го звена q₂:

За поворот 2 го звена отвечает сервопривод RDS3115 с диапазоном поворота 180⁰. Конструкция робота позволяет максимально наклонить звено в одну сторону на 48⁰, поворот в другую возможен только на 90⁰ (Рис. 3.37).

Рис. 3.37. Угол поворота 2 го звена q₂

Диапазоны поворотов углов были сделаны максимально возможными в одну сторону для того, чтобы сделать рабочую зону перед роботом как можно больше.

4.      Разработка динамической модели манипулятора

.1 Система виртуального моделирования Adams

Динамическая модель робота-манипулятора (Рис. 4.1) строилась в программе Adams View. При построении были учтены все размеры из кинематической схемы (Рис. 3.1) и 3D модели робота (Рис. 3.33).

Рис. 4.1. Трёхмерная модель робота для моделирования динамики

ADAMS/View предназначен для создания, тестирования и оптимизации работы моделей механизмов и конструкций, состоящих из абсолютно твердых тел и их соединений (шарниров, нитей, пружин и т.д.).

Создание модели подразумевает описание всех ее характеристик: геометрических размеров, физических свойств, способов соединения подвижных и неподвижных частей, задание действующих сил и моментов, начального положения элементов модели и их скоростей.

Этап тестирования модели включает в себя моделирование поведения частей модели под действием приложенных сил и заданных движений и выявление критических параметров, наиболее сильно влияющих на эффективность работы модели в целом.

Построенная модель робота в Adams при входных данных: углы поворота, угловая скорость и масса звеньев, позволяет определить выходные данные: координаты положения звеньев в пространстве, силы, моменты, угловые ускорения действующие в сочленениях звеньев (Рис. 4.2).

Рис. 4.2. Входные и выходные данные в модели манипулятора

Также возможны и другие варианты входных и выходных данных, например при заданном моменте найти угловые скорость и ускорение.

Основой для системы уравнений, описывающих динамику модели робота в программе Adams, послужили уравнения в форме Эйлера-Лагранжа с множителями

Для задания движения твердого тела используются инерциальные глобальные координаты его центра масс и углы Эйлера. По умолчанию ориентация определяется последовательными поворотами вокруг главных центральных осей тела. Выбор одной из 24-х систем углов Эйлера должен быть сделан в процессе сборки модели, перед началом симуляции. Необходимость смены системы эйлеровых обобщенных координат, связана с вырождением матрицы связи проекций вектора угловой скорости на ортогональные оси и обобщенных скоростей [10].

4.2 Рабочая зона манипулятора

Была задана функция, с помощью которой модель робота повернула свои звенья по всему диапазону допустимых углов. На рисунке 4.3 показан скриншот движения модели манипулятора. При этом схват робота прошёлся по контуру своей рабочей зоны. Координаты точек контура были сохранены, по которым потом построилась рабочая зона на координатной плоскости. Контур рабочей зоны показан на плоскости по с осями OXZ на рисунке 4.4 и на плоскости с осями OXY на рисунке 4.5.

Рис. 4.3. Движение модели манипулятора для определения рабочей зоны

Для большей наглядности была добавлена модель манипулятора на координатную плоскость с рабочей зоной.

Рис. 4.4. Контур рабочей зоны с моделью манипулятора (вид сбоку)

Рис. 4.5. Контур рабочей зоны с моделью манипулятора (вид сверху)

4.3 Динамические характеристики манипулятора

Нужно определить динамические характеристики в точках поворота звеньев манипулятора q0, q1, q2 (Рис. 4.6) при различных его положениях и передвижениях т.к. в этих точках расположены сервоприводы и важно понять какая будет действовать на них нагрузка.

Рис. 4.6. точки в которых будут определены динамические характеристики

Динамические характеристики будут следующими: сила F, момент M, угловая скорость ω, угловое ускорение а. Чтобы их определить нужно задать движение звеньев модели манипулятора, а именно повернуть на определённые углы с конкретной скоростью. Далее программа рассчитает массив данных, на основе которых построятся графики, по которым можно определить значения динамических характеристик при определённом угле поворота звена и в конкретный момент времени.