Educational Robot Arm with 6DOF

Robot arm w/ 6DOF for educational use

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Resumen

Brazo robótico con seis grados de libertad para uso en entornos educativos. El brazo ha sido desarrollado y optimizado para impresión 3D y pensando en su bajo coste y facilidad de montaje y uso. Es personalizable al poder aumentar o disminuir los grados de libertad, del mismo modo que permite controlarse desde diferentes plataformas.

Instalación

En esta sección se cubre la instalación de software y hardware para el montaje recomendado, mediante Scratch y Arduino.

Requerimientos de software

Para poder usar Scratch (v2.0 online) con Arduino, es necesario s2a_fm una extensión de Scratch para comunicarse con Arduino. Para generar los archivos aptos para la impresora 3D desde los archivos .stl será necesario adicionalmente un software para esta función, como puede ser Slic3r.

Ver los requerimientos de mencionados programas previamente.

Requerimientos de hardware

Será necesario para su montaje y uso una fuente de alimentación que proporcione 7.5W a 5V, un Arduino Uno o equivalente, seis servomotores tipo 9g con sus correspondientes accesorios (tornillos y cuernos). El brazo está optimizado para usar los servos TowerPro SG90.

Uso

Instrucciones de montaje y puesta en marcha.

Montaje del brazo robótico

1. Imprimir una unidad de los archivos feet.stl, grip.stl, plate.stl, wrist, rest.stl, axle.stl, left_jaw.stl and right_jaw.stl. Imprimir dos unidades de arm.stl. Imprimir cinco unidades de fastener.stl y clip.stl. Puede ser necesario repasar las piezas impresas con el fin de eliminar rebabas.
2. Presentar la base del brazo (feet) en un tablero y atornillarlo al mismo con cuatro tornillos para madera.
3. Colocar un servo (sin cuerno) en la base, haciéndo coincidir el eje del mismo con el centro de la base y atornillarlo a la misma con los tornillos de montaje del servo.
4. Poner el cuerno del servo sobre la huella con su forma en la parte inferior del plato (grip), considerando que el eje estará en hacia abajo.
5. Insertar el plato (plate) en la pieza anterior, asegurando que el cuerno encaja en su posición.
6. Comprobar que una vez colocado el conjunto del plato sobre el servo, éste realiza el giro de la forma deseada. En ese momento se puede atornillar el servo al cuerno con el tornillo provisto por el servo.
7. Fijar el siguiente servo con dos tornillos en la parte superior del plato, de forma que quede el eje centrado con respecto al plato.
8. Del primer tramo del brazo (arm), hacer coincidir el orificio destinado para el cuerno del servo en el eje del mismo mientras que se inserta el otro extremo en el saliente del plato.
9. Asegurar el brazo en esta posición usando un pasador (fastener y clip), insertando el primero desde fuera hacia dentro, y retenerlo aquí con el segundo.
10. Encastrar el cuerno en el brazo y asegurar que el servo es capaz de realizar giro completo de un extremo al otro. Entonces atornillarlo al servo.
11. Atornillar un servo en el extremo del tramo del brazo recién montado, con el eje lo más distante a la base.
12. Repetir los pasos ocho al once para el siguiente tramos de brazo (arm), estándo este montado rotado con respecto al anterior.
13. De la misma manera, poner el último tramo (wrist) en la parte superior del brazo, también rotado con respecto al tramo intermedio.
14. Introducir el servo del último tramo de forma que el eje del mismo quede centrado y atornillarlo.
15. Hacer coincidir los dos orificios del último tramo montado con los respectivos del asiento (rest) y fijarlos. El grande mediante pasador como anteriormente y el pequeño con un alambre y doblándolo después. Un clip para papel es perfecto para esta función. Cortar el sobrante una vez doblado en los extremos.
16. Encajar las dos piezas que permitirán que rote la pinza (gripper y axle). Insertar el cuerno del servo en la endidura central de los mismos.
17. Presentar este bloque contra el asiento y asegurar que gira de la forma deseada antes de atornillar el cuerno al servo.
18. Montar el último servo en la parte más alta del brazo, con el eje hacia el centro. Atornillarlo por la parte externa.
19. Con el cuerno del servo dentro de la mitad derecha de la pinza (right_jaw), insertarlo en el eje del servo correspondiente y asegurar que realiza el giro necesario. Acto seguido atornillarlo.
20. Colocar la otra mitad de pinza (left_jaw), engranarla con la primera de forma que realicen el cierre en el centro. Fijarlo al cuerpo del brazo con un pasador.
21. Realizar una correcta gestión de cableado para asegurar que todos llegan hasta la base sin impedir el movimiento de cada tramo, ni que son aplastado por los mismos. Puede ser necesario extender algunos de ellos.

Conexión eléctrica

Todas las alimentaciones de los servomotores van en paralelo y a la fuente de alimentación. Las señales de control de los servos van a Arduino, usando las conexiones del dos al siete para los servos de la pinza a la base, respectivamente y por orden. La masa del Arduino y de la fuente de alimentación ha de ser compartida. Conectar el Arduino a un puerto USB libre del ordenador a usar.

Firmware

El Arduino deberá tener cargado el firmware Firmata (incluido con Arduino IDE bajo en nombre de StandardFirmata).

Software

Con el Arduino conectado al ordenador, lanzar s2a_fm con el nombre del puerto donde realizar la comunicación con Arduino. Por ejemplo:

    python s2a_fm.py /dev/ttyACM0

Abrir Scratch y cargar el proyecto educational-robot-arm-with-6DOF.sb2, una vez hecho, se podrá ver en la interfaz gráfica los posibles movimientos del brazo en forma de flechas para dichas órdenes. Se presentan dos formas de mover el brazo:

• Semiautomática.
• Manual.

Para conmutar entre ellos se usa el botón situado en la esquina superior derecha, que al ser pulsado mostrará las opciones STEP, BIG STEP, FULL y MANUAL. Las tres primeras son semiautomáticas, mientras que la última permite controlar el brazo robótico manualmente.

En semiautomático, es tan sencillo como pulsar la flecha correspondiente al tramo y dirección deseado para realizar un movimiento angular de tantos grados como esté seleccionado.

En manual, ha de seleccionarse el tramo a mover, después seleccionar el número de grados a mover dicho tramo y deseleccionar el tramo para efectuar el movimiento.

La interfaz gráfica incluye los límites físicos del brazo para prevenir la rotación de los servos más allá de estos.

Bugs

Se han observado los siguientes problemas:

• Las dos partes de la pinza tienen cierta holgura, eso provoca que no se cierren alineadas.
• El brazo totalmente extendido en horizontal presenta demasiada carga para los servos más cercanos a la base.
• El software de control provoca al inicio movimientos extraños.
• En determinados momentos hay servos que se deshabilitan sin razón aparente. (Problema de PyMata?).
• Por protocolo de Firmata, es necesario un pequeño tiempo entre órdenes para asegurar que son recibidas y procesadas. (Implementado).

Enlaces externos

Este proyecto también está presente en:

• Scratch.
• Thingiverse.

Créditos

Proyecto realizado por Taller de Inventores 2015, representado por:

• kwendenarmo kwendenarmo@akornsys-rdi.net

Alumnos de Centro de Formación Padre Piquer:

• G, Ayman El-
• S, Safaa