Проектирование плеча, предплечья и кисти робота

В данном подразделе описаны этапы разработки части антропоморфного робота — две руки (правой и левой). Руки должны иметь схожесть с человеческими, то есть иметь характерные черты для рук. Для этого выделим три составляющие части руки: кисть, предплечье и плечо. Также стоит обратить внимание на движение рук: вращение кисти, движение пальцев, локтевого и плечевого суставов. Для реализации подвижности робота используются сервомоторы модели Tower Pro MG995. В связи с этим осуществление движение кисти и пальцев становится затруднительным, из-за расположения вращающегося вала, и поэтому данные части не будут иметь подвижности, которой обладает человек. Сгибание локтя, поднятие руки, вращение руки и другие действия будут реализованы с помощью использования сервомоторов. Каждый сервомотор должен находиться в детали руки, чтобы он мог производить вращения. Отсюда следует, что каждая рука будет иметь три детали, в сумме же необходимо спроектировать 6 компонентов.

При создании деталей робота необходимо учесть эстетическую сторону, так как в первую очередь практический каждый человек оценивает сначала внешний вид. В проектируемом роботе подразумевается, что каждый сервомотор требуется подключить к аппаратной платформе. Следовательно, необходимо грамотно продумать расположение проводов к платформе Arduino, выбранная для управления робота. Неправильное расположение проводов может ограничивать движение одной из частей робота или даже привести к поломке, например, разрыв контактов, когда провод был сильно натянут или зацеплен за движущуюся деталь и так далее. Во внешнем облике стоит еще обратить внимание на сколько видны электронные устройства. Если рассматривать руки, то постараться минимизировать видимость сервоприводов или если части сервомоторов видны, то они должны создавать общую картину руки, то есть отсутствие каких-либо выступов в руке. С точки зрения внешнего вида требуется сохранять пропорциональность деталей рук как между собой, так и пропорциональность руки с другими частями робота. Имеется в виду, рука не должны быть длиннее ног или плечо не должно быть уже, чем локоть и т. п.

Один из важных этапов в моделирование — анализ креплений деталей между собой и крепление сервомоторов к деталям, так чтобы все необходимые детали вращались. Для крепления сервомоторов используются различные виды насадок из набора или же есть другой вариант, спроектировать отверстие для вращающегося стержня, но есть вероятность несовпадения из-за погрешности при печати. При проектировании деталей нужно сделать отверстия для всех винтов, учитывая размер винтов.

Выделим главное из вышесказанного данного этапа работы:

• ? в создании рук робота необходимо 6 деталей;
• ? используются 6 сервомоторов;
• ? грамотное расположение проводов;
• ? пропорциональность деталей;
• ? внешний вид должен быть привлекательным и хорошо продуманным;
• ? наличие всех необходимых отверстий для крепления сервоприводов и деталей.

Для решения поставленной задачи необходимо иметь навыки работы в среде проектирования SOLIDWORKS. Рассматривая инструменты выбранного ПО, можно выделить два основных раздела: работа с эскизом (2D графика), работа с 3D графикой. Удобно разработано взаимодействие между данными графиками, например, при создании нового эскиза, линии, которые являются потомками другого эскиза, имеется возможность задействовать их, определив, допустим, точку середины одной этой линии. При этом редактировать, удалять элементы возможно только перейдя в эскиз, в котором они были созданы.

Общий подход в создании деталей был такой:

• 1) создание файла формата *. sldpart;
• 2) создание эскиза детали, одной из граней;
• 3) создание трехмерного объекта;
• 4) нанесение вытянутых вырезов, скругление ребер, граней.

После создания всех деталей, производились общие сборки их. Имеется в виду объединение деталей в представлении руки в целом. Сборка имеет файл формата *. sldasm. На этом этапе заметны становятся все недочеты при создании деталей, и, внося правки в деталь, сборка автоматически перестраивается с учетом внесенных изменений. Такое решение избавляет от необходимости каждый раз делать новую сборку.

Для создания всех деталей руки, сначала нужно было определить размеры сервопривода Tower Pro MG995, так как он находится в детали. Размеры сервомотора показаны на рисунке 16.

Рис. 16. Размеры сервопривода Tower Pro MG995.

В проектировании первой детали руки, до локтя, были созданы два основных эскиза. На основании данных эскизов будет строиться вся деталь. Первый эскиз имеет прямоугольную форму, размеры которой отталкиваются от размеров сервомотора. Второй эскиз является продолжением первого эскиза, то есть они имеют одинаковые точки, которые их связывают. Второй эскиз является потомком первого. Потомок состоит из линий, которые образуют фигуру, олицетворяющую полусогнутую кисть. На этих этапах использовались инструменты эскиза: прямоугольник по углам, линии. По размерам длина кисти составляет 85,5 мм, а ширина 23 мм. В такие габариты Размеры указаны на рисунке 17.

Рис. 17. Размеры эскизов детали руки до локтя.

Далее данные эскизы необходимо сделать объемными. С помощью инструмента «Вытянутая бобышка/основание» вытягиваем выбранные фигуры на указанную высоту с учетом направления. Итог получается трехмерная фигура. Но необходимо нанести все разрезы для обеспечения вставки сервомотора, его крепления и крепления другой детали, также разрезы для пальцев.

Для этого выбирается грань, на которой создается эскиз, который является основанием для выреза. Так для выреза под нахождения сервомотора, на выбранной грани создается прямоугольник, размеры которого учитываются от размеров сервопривода. Затем инструментом «Вытянутый разрез» растягиваем наш вырез, так чтобы сервомотор можно было без затруднений вставить и, если нужно, заменить. При этом возникает необходимость в создании еще одного выреза для вывода проводов от двигателя. Процесс выреза точно такой же, как описано выше, главное, размер эскиза должен соответствовать выводу проводов. Еще один из важных этапов — это нанесение отверстий под крепление. Для крепления мотора необходимо использование четырех винтов, отсюда следует, что нужно отразить на детали четыре отверстия, чтобы центры отверстий сервомотора совпадали с центрами отверстий для крепления. И необходимо еще отразить на противоположной грани отверстие для крепления другой детали, с учетом того, что стержень сервопривода и данные вырез должны находиться на одной оси. Для схожести с человеческой рукой наносятся три выреза для образования четырех пальцев. Данные процедуры отображены на рисунке 18.

Рис. 18. Деталь руки до локтя.

Для улучшения внешнего облика используется инструмент «Скругление». В этой команде можно методом перечисления выбрать ребра, которые нужно скруглить, и указывается радиус. В данной детали использовалось везде одинаковое скругление радиусом 2 мм. Также для преобразования внешнего вида был использован инструмент «Уклон» в части кончиков пальцев. Здесь выбираются две грани, между которыми делается уклон, и указывается угол уклона.

К полученной детали присоединяется другая деталь — предплечье. Предплечье состоит из основания для крепления сервомотора и крепление к кисти. Следовательно, данная деталь также имеет два основных эскиза. Эскиз, который предполагает расположение мотора, можно продублировать из кисти, так как в предплечье сервомотор будет прикрепляться точно таким же способом. Для этого нужно сделать копию разработанной уже детали руки. В копии удалить элементы, которые в предплечье не нужны, а именно эскиз, иллюстрировавший согнутую кисть.

В построение крепления к первой части руки строится эскиз, который представляет собой замкнутую фигуру, показанной на рисунке 19.

Рис. 19. Эскиз предплечья с размерами.

Стоит отметить, что в указанных размерах, необходимо сохранить пропорции руки и учесть размеры детали-кисти с сервомотором. Также на стержне сервомотора будет находиться насадка и для лучшего движения детали в креплении будет использована шайбы.

Следующим шагом является вытяжение основания, как было это сделано в создании кисти с помощью «Вытянутая бобышка/основание». После этого на крепление наносятся разрезы, которые необходимы для крепления, их расположение должно быть на одной оси. Данная деталь содержит в себе отверстие для проводов, которые тянутся от первой части руки. Располагается данное приспособление на внутренней боковой грани, и размеры учтены для свободного прохождения проводов и штекера для подключения.

На последнем этапе для привлекательного внешнего вида сделан ряд округлений ребер и граней. Так были скруглены грани в крепление, ребер с внешней и внутренней стороны. Также необходимо было произвести округления для отверстия проводов, чтобы не повредить провода при трении, когда рука будет двигаться.

Итог данных преобразований можно увидеть на рисунке 20.

Рис. 20. Деталь руки (предплечье).

Последней частью руки является плечо. В создании этой детали было принято решение, что сервопривод, который будет вращать данную часть, будет находиться в теле робота, отсюда следует, что в плечо служит связующим звеном, оно крепиться к предплечью и к сервомотору, который закреплен в теле. Данная деталь отличается внешним видом и характер ее движения будет по другой траектории. Так робот будет иметь возможность поднимать руку вверх, вперед и назад.

В проектировании детали задействован все тот же подход, как и в других деталях. Сначала строим эскиз, который будет служить основой. Строится замкнутая фигура с размерами, которые учитываются от размеров другой фигуры и их крепления. Затем следует вытяжение основания, чтобы фигура получилась трехмерной. Столбики для крепления у плеча, находятся под наклоном. Это сделано для привлекательности вида, чтобы имелся плавный переход от плеча к предплечью. Реализовано это с помощью второго эскиза, который является потомком первого, то есть они имеют общие точки. Здесь строится фигура, которая имеется наклон.

Данный эскиз можно рассмотреть на рисунке 21.

Строится точно такой же эскиз на противоположной стороне, потом соответственно они вытягиваются.

Рис. 21. Эскиз детали руки (плечо).

Для прочности крепления достаточно и 4 мм. Переходим к нанесению различных отверстий. В данной детали необходимо создать отверстия для прохождения проводов. Здесь есть два решения. Первое — создание одного широкого отверстия, чтобы проходили два провода сразу или два небольших отверстия. Было принято решение сделать отверстия для проводов у каждого сервомотора. Размеры можно взять у эскиза с детали-предплечья. Также на плече нужно отразить отверстия для крепления с предплечьем и отверстие для крепления с сервомотором.

На заключительном этапе остаются произвести скругления ребер и граней. Необходимо провести скругление столбиков, которые служат для крепления. Делаем с помощью инструмента «Скругление» выбираем две грани, меду которыми нужно произвести скругление, указываем радиус. Радиус выбран 11,5 мм. Также нужно было округлить отверстия для прохождения проводов, чтобы провод не истирался. На рисунке 22 представлен образец.

Рис. 22. Деталь плечо.

В итоге получаем три спроектированные детали. Необходимо произвести проверки на их совместимость между собой и сервомоторами. Также воспроизвести вращение движущихся частей, проверить на наличие препятствий, например, нехватка расстояния между соединенными деталями, что мешает детали полностью делать поворот по траектории. Для реализации данного этапа производится сборка. В программе SOLIDWORKS нажимаем «Новый файл» и выбираем «assem». Далее выбираем «Вставить компоненты», если проектируемые файлы открыты, то программа уже предлагает выбрать файл или через «Обзор». Выбранные файлы располагаем на плоскости, имеется возможность повернуть по осям X, Y, Z. После того как были расположены детали необходимо их соединить друг с другом с помощью инструмента «Сопряжение». В данном инструменте указываются точки, грани, ребра объектов и условие их сопряжения: параллельность, совпадение, у окружности концентричность и т. д. Так, пример сборки кисти и сервомотора показаны на рисунке 23.

Рис. 23. Сборка кисти и сервомотора.

Кисть и сервомотор соединены по концентричности верхних и нижний отверстий для крепления и совпадении граней, где они расположены. Таким образом, вращая деталь кисть, зафиксированные точки не позволяют сервомотору самостоятельно производить вращение. Это очень удобно при просмотре полной собранной руки, до какой степени возможен угол вращения. Все остальные детали также можно присоединить выше описанным способом.

Описанные три детали: кисть, предплечье и плечо, проектировались для правой руки. Левая рука, как и у человека, выглядит как при зеркальном отображении. Следовательно, нужно все сделанные детали спроектировать с такими же размерами, только зеркально отобразить. Но рассмотрев части руки, деталь_плечо не нужно переделывать, так как столбики для крепления выглядят симметричными, нет нужды перестраивать фигуру. Остается переделать части кисти и предплечья. В SOLIDWORKS имеется удобная функция «Зеркально отобразить объекты». С помощью данного инструмента мы избегаем необходимости полной перестройки детали. Возьмем, например, деталь кисть. Выбираем плоскость или грань, относительно которой будет выполнять отражение. В верхней панели команд выбираем «Вставка», «Зеркальное отображение детал». Затем программа сама открывается новый файл, где в левом окно необходимо поставить галку «Уничтожить связь с исходной деталью». На экране отображается кисть для левой руки. Полученная деталь показана на рисунке 24.

Рис. 24. Кисть левой руки.

Для предплечья подойдет точно такой же подход. Так, в результате двух зеркально отображенных деталей получается левая рука.

Следующий из этапов в проектировании рук — проверка совместимости других частей робота и общей пропорциональности. Для этого необходимо произвести полную сборку робота из других частей. Сборка производится аналогично, как и сборка руки, то есть добавляются компоненты и в функции «Сопряжение» указываются условия соединения. Следует сказать, что в сборке можно использовать не только объекты «part», но и «assem», что также дает избежание лишней работы. В полученной сборке следим, чтобы рука доходила почти до середины бедра, как это бывает у человека.

Убедившись, что руки пропорциональны и сочетаются с остальными частями робота, производится печать деталей на 3D-принтере. Модель Picaso 3D Designer позволяет распечатывать спроектированные детали за 3 — 4 часа. Технология печати осуществляется методом послойного наплавления (FDM). Поддерживающие форматы файлов. stl,. plg. Для печати частей рук, нужно сохранить в поддерживаемый тип формата. stl. Данный принтер позволяет довольно качественно распечатать, при небольших недочетах можно воспользоваться инструментом, например, пилкой и подправить появившуюся погрешность. Если же по какой_нибудь причине деталь плохо распечаталась или деформировалась, особенно это бывает, когда деталь имеет тонкие стенки, то деталь необходимо перепечатать.

Далее после распечатки деталей, завершающим этапом является прикручивание сервомоторов к деталям, при этом нужно правильно позиционировать насадку, чтобы деталь правильно двигалась, так как выходной вал сервопривода поворачивается приблизительно на 120 градусов (60 градусов в каждом направлении). Необходимо также убедиться, что провод с штекером хорошо проходят через отверстия. После присоединения деталей, сервомоторов и проверки работоспособности, полученные руки можно прикреплять к туловищу робота.