Bras robotique avec pince : 9 étapes (avec photos)

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Dernière modifié: 2024-01-30 09:05

La récolte des citronniers est considérée comme un travail difficile, en raison de la grande taille des arbres et aussi en raison des climats chauds des régions où les citronniers sont plantés. C'est pourquoi nous avons besoin d'autre chose pour aider les travailleurs agricoles à faire leur travail plus facilement. Nous avons donc eu une idée pour faciliter leur travail, un bras robotique avec pince qui cueille le citron de l'arbre. Le bras mesure environ 50 cm de long. Le principe de fonctionnement est simple: on donne une position au robot, puis il ira au bon endroit, et s'il y a un citron, sa pince coupera le pédoncule et saisira le citron en même temps. Ensuite, le citron sera lâché au sol et le robot reprendra sa position initiale. Au début, le projet peut sembler complexe et difficile à réaliser. Cependant, ce n'est pas si complexe, mais cela a nécessité beaucoup de travail acharné et une bonne planification. Il doit juste être construit une chose sur l'autre. Au début, nous avons rencontré quelques problèmes dus à la situation de covid-19 et au travail à distance, mais ensuite nous l'avons fait, et c'était incroyable.

Ce Instructable vise à vous guider tout au long du processus de création d'un bras robotique avec une pince. Le projet a été conçu et réalisé dans le cadre de notre projet Bruface Mechatronics; le travail a été réalisé au Fablab Bruxelles par:

-Hussein Moslimani

-Inès Castillo Fernandez

-Jayesh Jagadesh Deshmukhe

-Raphaël Boitte

Étape 1: Compétences requises

Voici donc quelques compétences dont vous avez besoin pour réaliser ce projet:

-Bases de l'électronique

-Connaissance de base des micro-contrôleurs.

-Codage en langage C (Arduino).

-Être habitué aux logiciels de CAO, tels que SolidWorks ou AutoCAD.

-Découpe au laser

-impression en 3D

Vous devez également avoir de la patience et beaucoup de temps libre, nous vous conseillons également de travailler en équipe comme nous l'avons fait, tout sera plus facile.

Étape 2: Conception CAO

Après avoir essayé différents échantillons, nous avons finalement décidé de concevoir le robot comme le montrent les figures, le bras est à 2 degrés de liberté. Les moteurs sont reliés à l'arbre de chaque bras par des poulies et des courroies. Il y a de nombreux avantages à utiliser des poulies, l'un des plus importants est d'augmenter le couple. La première courroie de poulie du premier bras a un rapport de démultiplication de 2 et la seconde un rapport de démultiplication de 1,5.

La partie difficile du projet était le temps limité au Fablab. Ainsi, la plupart des conceptions ont été adaptées pour être des pièces découpées au laser et seules certaines pièces de connexion ont été imprimées en 3D. Ici vous pouvez trouver la conception CAO ci-jointe.

Étape 3: Liste des composants utilisés

Voici les composants que nous avons utilisés dans notre projet:

I) Composants électroniques:

-Arduino Uno: Il s'agit d'une carte microcontrôleur avec 14 broches d'entrée/sortie numériques (dont 6 peuvent être utilisées comme sorties PWM), 6 entrées analogiques, un cristal de quartz 16 MHz, une connexion USB, une prise d'alimentation, un en-tête ICSP, et un bouton de réinitialisation. Nous avons utilisé ce type de microcontrôleur car il est facile à utiliser et peut faire le travail requis.

-Deux gros servomoteurs (MG996R): est un servomécanisme en boucle fermée qui utilise le retour de position pour contrôler son mouvement et sa position finale. Il est utilisé pour faire tourner les bras Il a un bon couple, jusqu'à 11kg/cm, et grâce à la réduction de couple faite par les poulies et la courroie nous pouvons atteindre un couple plus élevé qui est plus que suffisant pour tenir les bras. Et le fait que nous n'ayons pas besoin de plus de 180 degrés de rotations, ce moteur est très bien à utiliser.

-Un petit servo (E3003): est un servomécanisme en boucle fermée qui utilise le retour de position pour contrôler son mouvement et sa position finale. Ce moteur est utilisé pour contrôler la pince, il a un couple de 2,5 kg/cm, et il est utilisé pour couper et saisir le citron.

-Alimentation DC: Ce type d'alimentation était disponible au fablab, et parce que notre moteur ne bouge pas au sol, donc les alimentations n'ont pas besoin d'être collées les unes aux autres. Le principal avantage de cette alimentation est que nous pouvons ajuster la tension et le courant de sortie à notre guise, donc pas besoin de régulateur de tension. Si ce type d'alimentations n'est pas disponible, mais c'est cher. Une alternative bon marché à cela serait d'utiliser un support de batterie 8xAA, couplé à un régulateur de tension tel que 'MF-6402402' qui est un convertisseur continu-continu, pour obtenir la tension dont vous avez besoin. Leur prix est également indiqué dans la liste des composants.

-Planche à pain: planche en plastique utilisée pour contenir des composants électroniques. Aussi, pour connecter l'électronique à l'alimentation.

-Fils: Utilisés pour connecter les composants électroniques à la maquette.

-Bouton poussoir: Il est utilisé comme bouton de démarrage, donc quand on appuie dessus, le robot fonctionne.

-Capteur à ultrasons: utilisé pour mesurer la distance, il génère un son à haute fréquence et calcule l'intervalle de temps entre l'envoi du signal et la réception de l'écho. Il permet de détecter si le citron a été tenu par la pince ou s'il glisse.

II)Autres composants:

-Plastique pour l'impression 3D

-3mm feuilles de bois pour la découpe laser

-Arbre métallique

-Lames

-Matériau souple: il est collé des deux côtés de la pince, de sorte que la pince comprime la branche de citron tout en la coupant.

-Des vis

-Courroie pour relier les poulies, courroie standard 365 T5

-Roulements circulaires de 8 mm, le diamètre extérieur est de 22 mm.

Étape 4: Impression 3D et découpe laser

Grâce aux machines de découpe laser et d'impression 3D du Fablab, nous fabriquons les pièces dont nous avons besoin pour notre robot.

I- Les pièces que nous avons dû découper au laser sont:

-Base du robot

-Supports pour le moteur du premier bras

-Appuis du premier bras

-Plaques des 2 bras

-Base de la pince

-Connexion entre la pince et le bras.

-Deux côtés de la pince

-Supports pour les roulements, pour s'assurer qu'ils ne glissent pas ou ne bougent pas de leur position, tous les ajustements de roulements sont de deux couches 3mm + 4mm, puisque l'épaisseur du roulement était de 7mm.

Remarque: vous aurez besoin d'une petite feuille de bois de 4 mm, pour certaines petites pièces qui doivent être découpées au laser. De plus, vous trouverez dans la conception CAO une épaisseur de 6 mm, ou toute autre épaisseur multiple de 3, alors vous avez besoin de plusieurs couches de pièces découpées au laser à 3 mm, c'est-à-dire s'il y a 6 mm d'épaisseur, alors vous avez besoin de 2 couches 3 mm chacun.

II- Pièces à imprimer en 3D:

-Les quatre poulies: servent à relier chaque moteur au bras qu'il est chargé de déplacer.

-Support du moteur du deuxième bras

-support pour le roulement sur la base, qui est fixé sous la courroie pour faire force sur elle et augmenter la tension. Il est relié au roulement à l'aide d'un axe métallique rond.

-Deux plaques rectangulaires pour la pince, sont posées sur le matériau souple pour bien tenir la branche et avoir un frottement afin que la branche ne glisse pas.

-Arbre carré avec un trou rond de 8 mm, pour connecter les plaques du premier bras, et le trou devait insérer un arbre métallique de 8 mm pour rendre l'ensemble de l'arbre solide et capable de supporter le couple total. Les arbres métalliques ronds étaient reliés aux roulements et aux deux côtés du bras pour compléter la partie rotative.

-Tige de forme hexagonale avec un trou rond de 8mm pour la même raison que la tige carrée

-Pinces pour soutenir les poulies et les plaques de chaque bras bien à leur place.

Dans les trois figures de la CAO, vous pouvez bien comprendre comment le système est assemblé et comment les arbres sont connectés et soutenus. Vous pouvez voir comment les arbres carrés et hexagonaux sont connectés au bras et comment ils sont connectés aux supports à l'aide de l'arbre métallique. L'ensemble est donné sur ces figures.

Étape 5: Assemblage mécanique

L'assemblage de l'ensemble du robot comporte 3 étapes principales qui doivent être expliquées, d'abord, nous assemblons la base et le premier bras, puis le deuxième bras au premier, et enfin la pince au deuxième bras.

Assemblage de la base et du premier bras:

Tout d'abord, l'utilisateur doit assembler séparément les pièces suivantes:

-Les deux côtés des joints avec les roulements à l'intérieur.

-Le support du moteur avec le moteur, et la petite poulie.

-Le support symétrique pour la petite poulie.

-L'arbre carré, la grande poulie, le bras et les pinces.

-Le palier « tendeur » supporte la plaque de support. Ajouter ensuite le roulement et l'arbre.

Maintenant, chaque sous-ensemble est en place pour être connecté ensemble.

Remarque: pour s'assurer que nous obtenons la tension dans la courroie que nous voulons, la position du moteur sur la base peut être ajustée, nous avons un trou allongé pour que la distance entre les poulies puisse être augmentée ou diminuée et lorsque nous vérifions que le la tension est bonne, nous attachons le moteur à la base par des boulons et le fixons bien. En plus de cela, un roulement a été fixé sur la base à un endroit où il exerce une force sur la courroie pour augmenter la tension, donc lorsque la courroie se déplace le roulement tourne, et aucun problème de frottement.

Assemblage du deuxième bras au premier:

Les pièces doivent être assemblées séparément:

-Le bras droit, avec le moteur, son support, la poulie, ainsi qu'avec le roulement et ses pièces de support. Une vis est également mise pour fixer la poulie à l'arbre comme pour la section précédente.

-Le bras gauche avec les deux roulements et leurs supports.

-La grande poulie peut être coulissante sur l'arbre hexagonal ainsi que les bras supérieurs, et les pinces conçues pour fixer leur position.

Ensuite, nous avons le deuxième bras prêt à être placé dans sa position, le moteur du deuxième bras est placé sur le premier, sa position est également réglable pour atteindre la tension parfaite et éviter le glissement de la courroie, puis le moteur est fixé avec ceinture à cette position.

Assemblage de la pince:

Le montage de cette pince est simple et rapide. Comme pour le montage précédent, les pièces peuvent être assemblées seules avant d'être fixées au bras complet:

-Fixer la mâchoire mobile à l'arbre du moteur, à l'aide de la pièce en plastique fournie avec le moteur.

-Visser le moteur au support.

-Visser le support du capteur dans le support de la pince.

-Mettre le capteur dans son support.

-Mettez le matériau souple sur la pince et fixez la partie imprimée en 3D dessus

La pince peut être facilement assemblée au deuxième bras, juste une pièce de découpe laser supporte la base de la pince par le bras.

La chose la plus importante était le réglage des lames sur le dessus du bras et à quelle distance les lames étaient à l'extérieur de la pince, donc cela a été fait par essais et erreurs jusqu'à ce que nous atteignions l'endroit le plus efficace que nous puissions obtenir pour les lames où couper et la préhension doit se produire presque en même temps.

Étape 6: Connexion des composants électroniques

Dans ce circuit, nous avons trois servomoteurs, un capteur à ultrasons, un bouton-poussoir, Arduino et une alimentation.

La sortie de l'alimentation peut être ajustée à notre guise, et comme tous les servos et les ultrasons fonctionnent sur 5 Volts, donc pas besoin de régulateur de tension, nous ne pouvons réguler la sortie de l'alimentation qu'à 5V.

Chaque servo doit être connecté à Vcc (+5V), à la terre et au signal. Le capteur à ultrasons a 4 broches, une est connectée à Vcc, une pour la terre, et les deux autres broches sont des broches de déclenchement et d'écho, elles doivent être connectées à des broches numériques. Le bouton-poussoir est relié à la terre et à une broche numérique.

Pour l'Arduino, il doit parler de son alimentation à partir de la source d'alimentation, il ne peut pas s'alimenter à partir de l'ordinateur portable ou de son câble, il doit avoir la même masse que les composants électroniques qui lui sont connectés.

!!NOTES IMPORTANTES!!:

- Vous devez ajouter un convertisseur d'alimentation et alimenter le Vin avec 7V.

-Veuillez vous assurer qu'avec cette connexion, vous devez retirer le port Arduino de votre PC afin de le graver, sinon vous ne devez pas utiliser la broche de sortie 5V comme entrée.

Étape 7: Code Arduino et organigramme

Le but de ce bras robotique avec une pince est de collecter un citron et de le mettre ailleurs, donc lorsque le robot est allumé, nous devons appuyer sur le bouton de démarrage et ensuite il va à une certaine position où se trouve le citron, s'il saisit le citron, la pince va se mettre en position finale pour remettre le citron à sa place, on choisit la position finale au niveau horizontal, là où le couple nécessaire est maximum, pour prouver que la pince est assez solide.

Comment le robot peut-il atteindre le citron:

Dans le projet que nous avons réalisé, nous demandons simplement au robot de déplacer les bras dans une certaine position où nous mettons le citron. Eh bien, il y a une autre façon de le faire, vous pouvez utiliser la cinématique inverse pour déplacer le bras, en lui donnant les coordonnées (x, y) du citron, et il calcule combien chaque moteur doit tourner pour que la pince atteigne le citron. Où state=0 est lorsque le bouton de démarrage n'est pas enfoncé, donc le bras est à la position initiale et le robot ne bouge pas, tandis que state=1 est lorsque nous appuyons sur le bouton de démarrage et que le robot démarre.

Cinématique inverse:

Dans les figures il y a un exemple de calcul de cinématique inverse, vous pouvez voir trois croquis, un pour la position initiale et les deux autres pour la position finale. Donc, comme vous le voyez, pour la position finale - peu importe où elle se trouve - il y a deux possibilités, coude en haut et coude en bas, vous pouvez choisir ce que vous voulez.

Prenons l'exemple du coude vers le haut, pour que le robot se déplace vers sa position, deux angles doivent être calculés, theta1 et theta2, dans les figures vous voyez également les étapes et les équations pour calculer theta1 et theta2.

A noter que, si l'obstacle se trouve à une distance inférieure à 10 cm, alors le citron est saisi et maintenu par la pince, enfin il faut le remettre en position finale.

Étape 8: Exécuter le robot

Après tout ce que nous avons fait auparavant, voici des vidéos du robot en fonctionnement, avec le capteur, le bouton-poussoir et tout le reste fonctionnant comme il se doit. Nous avons également fait un test d'agitation sur le robot, pour nous assurer qu'il est stable et que le câblage est bon.

Étape 9: Conclusion

Ce projet nous a donné une bonne expérience dans le traitement de tels projets. Pourtant, ce robot peut être modifié et avoir d'autres valeurs ajoutées telles que la détection d'objets pour détecter le citron, ou peut-être un troisième degré de liberté pour qu'il puisse se déplacer entre les arbres. Aussi, on peut le faire contrôler par une application mobile ou par le clavier donc on le déplace comme on veut. Nous espérons que notre projet vous plaira et un grand merci aux encadrants du Fablab pour leur aide.