Desejo construir um braço robótico que possa levantar uma quantidade útil de peso (como 3-6 kg em um braço que pode se estender até aproximadamente 1,25 metros). Quais atuadores estão disponíveis para fazer isso. Os principais fatores e pontos de design são:

• Não é caro
• 5 a 6 dof
• para ser montado em uma plataforma móvel ainda a ser projetada
• alimentado por bateria
• mais forte que os servos de hobby (pelo menos para as articulações 'ombro' e 'cotovelo')
• lento para atuar

Quais atuadores são adequados para sua aplicação depende muito do tipo de braço do robô que você deseja construir. Depois de decidir sobre o tipo de braço desejado, você pode escolher um atuador adequado para cada eixo .

O braço

Partindo da descrição, que um robô de pórtico não seria viável, dependendo da sua aplicação específica, considere um braço SCARA sobre um braço articulado , que é o que a maioria das pessoas pensa quando pensa que o braço do robô .

A grande vantagem de um braço SCARA é que a maior parte da força de elevação está nos rolamentos. As articulações principais do ombro, cotovelo e punho (guinada) estão em um plano plano, o que significa que os motores precisam ser fortes o suficiente para produzir as forças laterais necessárias, não precisam suportar o peso dos eixos restantes.

O eixo Z, o pitch and roll (e a aderência obviamente) precisam trabalhar contra a gravidade, mas o eixo Z é fácil de engrenar com força suficiente para suportar bastante peso, e os eixos do pitch, roll e grip apenas precisam suportar o peso da carga útil, não o peso de outros eixos.

Compare isso com um braço articulado, onde muitos dos eixos precisam suportar o peso de todos os eixos mais abaixo na cadeia cinemática .

Os atuadores

Robôs de pórtico

Normalmente, um robô de pórtico usará atuadores lineares para os principais eixos X, Y e Z. Podem ser atuadores de baixo desempenho, baixa precisão e alta força, como um parafuso de avanço com um servo ou acionador de passo (força e desempenho podem ser negociados, mas a precisão sempre será limitada pela folga), até alto desempenho e alta precisão motores lineares de acionamento direto com codificadores de precisão.

O manipulador 3DOF restante normalmente exigirá movimento rotacional de precisão para inclinação, rotação e guinada; portanto, geralmente um motor elétrico (passo a passo ou servo) será o mais adequado. Mesmo um motor pequeno com uma engrenagem razoavelmente alta pode resistir à gravidade contra cargas muito altas.

Um aparte em servomotores vs. motores de passo

A diferença entre o servo ⁽¹⁾ e o stepper é uma troca entre complexidade e certeza no controle.

Um servo motor requer um codificador para feedback de posição, enquanto um stepper não. Isso significa que um stepper é eletricamente muito mais simples e, do ponto de vista de controle, mais simples se você deseja baixo desempenho.

No entanto, se você deseja tirar o máximo proveito do seu motor (aproximando-o do limite), os steppers ficam muito mais difíceis de controlar previsivelmente. Com o feedback da posição em um servo, você pode ajustar o desempenho de forma muito mais agressiva e, como você sabe se ele não atinge a posição ou velocidade desejada, seu loop servo descobrirá e corrigirá isso.

Com um stepper, você precisa ajustar o sistema para garantir que ele sempre possa dar o passo, independentemente da velocidade de movimento desejada ou do peso da carga útil. Observe que algumas pessoas sugerem a adição de um codificador para detectar etapas perdidas em um motor de passo, mas se você fizer isso, também poderá ter usado um servo motor em primeiro lugar!

Braço SCARA

Com um braço SCARA, o eixo Z é provavelmente o único eixo linear, enquanto os demais eixos podem ser feitos com motor rotacional, então, novamente, passo a passo ou servomotor. O dimensionamento desses motores é relativamente fácil, porque o peso transportado é menos importante para muitos deles. O motor necessário para superar a inércia de uma carga é um pouco menor do que dimensioná-lo para superar a gravidade.

Articulated arm

Com um braço articulado, os cálculos são mais complicados, porque a maioria dos eixos precisará de atuadores dimensionados dependendo da movimentação e elevação da carga, mas, novamente, um motor elétrico é o mais fácil de controlar e usar.

A garra

Finalmente, há a pinça. É aqui que tenho visto a maior variedade de atuadores. Dependendo das suas aplicações, você pode facilmente usar qualquer número de atuadores diferentes.

Eu usei sistemas com garras tradicionais acionadas por motor, garras atuadas lineares, garras de flexão piezo , garras acionadas pneumaticamente, captadores a vácuo e ranhuras ou ganchos simples, entre outros, muitos dos quais específicos da aplicação. Qual é a sua carga útil típica pode alterar significativamente o atuador que é melhor para você. ²⁾

Fazendo seus cálculos

Como sugere o Rocketmagnet , você terá que quebrar sua calculadora.

Você precisará levar em consideração a cinemática do seu sistema, a carga máxima em cada motor (levando em consideração o pior caso com o braço totalmente estendido se você estiver usando um design de braço articulado), a velocidade (um motor menor com engrenagens mais altas pode causar a força que você precisa sem a velocidade, mas um motor mais robusto pode fornecer um torque mais alto com engrenagens e velocidades mais altas etc.) e a precisão posicional de que você precisa.

Em geral, quanto mais dinheiro você arriscar no problema, melhor será o desempenho (velocidade, precisão, consumo de energia). Mas analisar as especificações e tomar decisões inteligentes de compra pode ajudar a otimizar o preço / desempenho do seu robô.

^{(1) Observe que minha experiência é com servos industriais , normalmente motores DC escovados ou sem escovas com um codificador rotativo; portanto, isso pode ou não se aplicar aos servos RC de hobby .}

^{(2) Eu sugeriria postar outra pergunta sobre isso.}

Ao escolher atuadores, é instrutivo começar calculando quanta energia você precisa no efetor final. Quando você diz "não muito devagar", deve ter alguma idéia do que isso significa, especialmente sob diferentes condições de carga.

Por exemplo, você pode dizer: 6kg a 0,2m / se 0kg a 0,5m / s

Agora adicione o peso estimado do braço: 10kg a 0,2m / se 4kg a 0,5m / s

Agora calcule a potência: 100N * 0,2m / s = 20W e 40N * 0,5m / s = 20W

Portanto, a potência de pico de saída no efetor final é de 20W . Você precisará de um atuador que possa produzir confortavelmente mais de 20W.

Vou assumir que você acaba optando por usar um motor elétrico como seu atuador. Estes ainda são o atuador de escolha para poderosos sistemas de robôs elétricos. (Se você conseguir que esse robô trabalhe com fios musculares sem queimar sua oficina, eu como meu mouse).

Como você está usando um motor elétrico, você certamente usará algum tipo de engrenagem. Suponha que o trem de engrenagens no motor seja cerca de 50% eficiente. Isso significa que você precisará de um motor elétrico classificado para pelo menos 40W. Se você quer que este seja um braço confiável, eu especificaria um motor com classificação de pelo menos 60W.

Em seguida, você precisa especificar o trem de engrenagem. Qual é o torque necessário? 100N * 1,25m = 125Nm. Mas, como de costume, você precisa especificar mais torque do que isso para o trem de engrenagens, principalmente porque precisará de um torque sobressalente para poder acelerar a carga para cima. Selecione um trem de engrenagem que possa suportar mais do que a carga nominal.

Por fim, verifique se o torque do motor multiplicado pela relação da engrenagem multiplicado pela eficiência excede o requisito de torque, mas não a carga máxima da engrenagem.

Plataforma móvel: um atuador linear eletromecânico pode ser uma boa opção para atuadores leves que podem ser montados em plataformas móveis.

Alimentado por bateria: Um atuador linear eletromecânico é uma boa escolha em relação aos servomotores, pois os atuadores lineares consomem energia apenas quando estão em movimento e não precisam de energia para manter sua posição.

5-6 DoF: Pode ser difícil conseguir isso usando o atuador linear eletromecânico, pois eles são complicados mecanicamente e têm amplitude de movimento limitada

Você pode experimentar atuadores lineares em www.firgelli.com. Também possuem atuadores lineares em miniatura, adequados para aplicações em pequena escala.

Conceito de projeto mecânico para braço usando atuador linear: a maioria dos equipamentos de movimentação de terra possui atuador linear hidráulico. Algumas das juntas do atuador linear podem ser implementadas nesta linha.

Há mais dois fatores a serem considerados: Complexidade e custo.

Braço robótico industrial como esse

braço robótico industrial http://halcyondrives.com/images/robotic_arm.png
^{Imagem de http://halcyondrives.com}

normalmente use o torque da caixa de engrenagens para acionar diretamente a junta, pense agora no torque que a redução de marchas deve suportar e no tamanho / peso que será? Simples enorme e caro, seus materiais precisam suportar um torque enorme.

$600Kgf/cm$

Algumas soluções da indústria usam

Engrenagem por onda de deformação ou acionamento harmônico

^{Imagem de http://commons.wikipedia.org}

$200:1$$~ 10:1$

Mas esse tipo de engrenagem é muito caro e complexo.

Molas e contrapesos

^{Imagem de http://www.globalrobots.ae}

Outra solução simples é adicionar contrapesos como você vê na imagem. Isso tem uma ligação para atuar tanto no antebraço (eu esqueço o nome) quanto no braço. As molas também ajudarão e, se montadas no mesmo eixo da junta, mas um pouco deslocadas, colocarão mais força à medida que o braço for mais estendido.

Soluções de baixo custo e menos complexas para o sistema de acionamento mecânico

Agora, com menos custos e soluções menos complexas, o que devo pensar é remover o alto torque no redutor, para que você possa usar materiais mais baratos. Para uma unidade eletrônica pura, isso seria um atuador linear .

Há uma variedade de atuadores lineares. Mas a idéia é que ele precisará de menos força (dependendo de quais pontos do braço ele está conectado).

• Tipo "porca" e parafuso de avanço

Esse tipo de atuador possui muitos subtipos e isso afeta a eficiência, o desgaste, a força e muito mais. Mas, em geral, eles têm uma força alta e uma velocidade lenta a média relativa (isso depende novamente do tipo, pode variar rapidamente, como os usados ​​em alguns simuladores de plataformas de movimento).

Plataforma de movimento de 6 dof com atuadores lineares elétricos http://cfile29.uf.tistory.com/T250x250/195BAD4B4FDB0AF104C30F .

Os atuadores lineares elétricos estão substituindo os atuadores lineares hidráulicos nesta aplicação e precisam ser rápidos e fortes, alguns simuladores pesam facilmente mais de 2 toneladas.

• Acionamento por correia ou corrente

Para obter mais velocidade e outro método simples, são os acionamentos por correia ou corrente assim

^{Imagem de http://images.pacific-bearing.com}

Naturalmente, este é um industrial, é um DIY e tem mais para a aplicação: (sim, tem espaço para muitas melhorias, mas é uma boa forma de mostrar o quão rápido e forte pode ser, mesmo neste design ) http://bffsimulation.com/linear-act.php

$50Kgf/cm$$50Kgf$

Além disso, os mancais neste atuador precisarão suportar a maioria das forças radiais, onde em um "parafuso de avanço e porca" o mancal terá maior força axial. Portanto, dependendo da força, você precisa usar um rolamento de esferas .

Eu acho que sua melhor aposta seria servos de hobby regulares, se eles não tiverem torque suficiente, use vários servos em paralelo na mesma junta. Uma boa opção seria os servos Dynamixel da Robotis, mas eles são mais caros que os servos hobby, e você teria que hackear o protocolo de comunicação, pois eles são controlados pelo ttl / rs232 / rs485 ou usar um conversor usb2dynamixel (ou usb2ax). As vantagens são seu torque, velocidade e precisão.