1

ROBOTSKA ROKA

ROBOTIC ARM

Vitijan Juretič

vitjan.juretic@tsc.si

Šolski center Nova Gorica

Vitjan Juretič

Povzetek

V gradivu je predstavljen primer medpredmetnega povezovanja med predmetoma praktičnega pouka mehatronike in fizike. Namen je dijakom na čimenostavnejši način prikazati pomembnost izračunov in spreminjanje parametrov za izvedbo različnih robotskih rok. Prikazana je izvedba primera robotske roke, njena izdelava in sestava. V nadaljevanju je podan primer učne situacije pri predmetu fizike, s pomočjo katere lahko ugotovimo povezavo med določenimi parametri, ki so pomembni za izdelavo robotske roke. Na koncu šolskega leta sva s profesorjem ugotovila, da je bil tak način medpredmetnega sodelovanja za dijake zelo koristen, kar se je opazilo pri njihovi motiviranosti in zavzetosti za tak način dela.

Ključne besede

- robotska roka

- elementi robotske roke

- RC servo motor

- delovanje robotske roke

- učna situacija

Abstract

The assignment describes an example of the connection between practical class and physics. The purpose is to show the importance of calculations and changing of the parameters of the robotic arm in the most simple way. The assignment describes the engineering of the robotic arm and its structure. Later an example is used in the physics class where we can see the connection between various parameters that are important to engineer the robotic arm. At the end of the past school year, the professor and I found out this kind of connection between classes is very useful for the students since they showed a lot of interest and enthusiasm.

Key words - robotic arm - elements of robotic arm - RC servo motor

2

- performance of robotic arm - teaching situation

3

KAZALO

UVOD…………………………..…………………………………………………………………………………………….………...4

2.Definicija robotske roke…………..………………………………………………………………………………...........5

3 Prvi del……………………………………………………………………………………………………………………………....6

3.1 Izdelava robotske roke……………………………………………………………………………………………………6

3.1.1 Laserski razrez……………………………………………………………………………………………………….……6

3.1.2 Opis postopka laserskega razreza…………………………………………………………………………….…6

3.2 Montaža robotske roke…………………………………………………………………………………………………..7

3.2.1 Noga robotske roke……………………………………………………………………………………………….…….7

3.2.2 Fiksna plošča prvega segmenta……………………………………………………………………………….…..7

3.2.3 Drsna plošča prvega segmenta…………………………………………………………………………………….7

3.2.4 Nosilca servomotorjev drugega segmenta……………………………………………………………………7

3.2.5 Drugi segment…………………………………………………………………………………………………………..…7

3.2.6 Tretji segment……………………………………………………………………………………………………………..8

3.2.7 Zapestje robotske roke………………………………………………………………………………………………..8

3.2.8 Kupljeni del - RC Servomotorji……………………………………………………………………………………..8

4 Drugi del…………………………………………………………………………………………………………………………….9

4.1 Fizikalne osnove…………………………………………………………………………………………………………..…9

4.2 Cilji učne situacije…………………………………………………………………………………………………………..9

4.3 Učna situacija………………………………………………………………………………………………………………….9

5 Zaključek………………………………………………………………………………………………………………………….11

6 Viri…………………………………………………………………………………………………………………………………..12

4

1. Uvod

S profesorjem praktičnega pouka sva se pred začetkom prejšnjega šolskega leta dogovorila o medpredmetnem sodelovanju fizike in praktičnega pouka mehatronike. Kot osnovo za to povezavo sva si izbrala izdelavo robotske roke. Izdelava slednje zajema namreč vse tri veje poklica mehatronike: računalništvo, strojništvo in mehatroniko. Dokončana robotska roka služi kot demonstracijski primer za osnove robotike. Cilj te izdelave in povezave med predmetoma je v tem, da dijaki dojamejo pomembnost teoretičnih izračunov pri predmetu fizike, pri tem pa lahko s spreminjanjem različnih parametrov znajo izdelati različne primere robotske roke, ki bi bili primerni za uporabo v industriji.

Tako so dijaki 2. letnika mehatronike v prvem delu izdelali robotsko roko, kot bo opisano v nadaljevanju, in pri tem spoznali delovanje določenih elementov. Pri predmetu fizika v drugem delu pa sem za dijake pripravil učne situacije, ki so se nanašale na zmožnosti dejanske uporabe roke.

5

2. Definicija robotske roke

Robotska roka je naprava, ponavadi programabilna, ki posnema gibe človeške roke. Za robote je značilno, da zajemajo vse tri osi (tri prostorske stopnje). Osi so lahko translacijske ali rotacijske. Translacijske osi delujejo na principu teleskopskega raztezanja segmentov, rotacijske pa oponašajo gibe človeških sklepov. Robotska roka je sestavljena iz noge, segmentov sklepov, zapestja in orodja oziroma prijemala. Celotna robotska roka omogoča zahtevano pozicijo prijemala, zapestje pa orientacijo prijemala.

Robotska roka je v industriji zelo pogosto uporabljen mehatronski sklop kot samostojni člen ali kot del neke linije ali procesa. Zato smo se odločili, da izdelamo maketo učila, ki bi služila za demonstracijo osnovnih načel robotike. Za dejansko fizično delo ni primerna, saj servomotorji, ki smo jih izbrali, ne prenesejo večjih sil in momentov. Zapestje roke je zasnovano tako, da se lahko nanj montira raznorazna prijemala, od električnih navitij, do pnevmatskih cilindrov. Nastali izdelek je prikazan in opisan na Sliki 1 (spodaj).

Slika 1: ROBOTSKA ROKA

Noga robotske roke

Distančnik

RC servomotor

Tretji segment

Zapestje

Drugi segment

Drsna plošča

Fiksna plošča

Nosilec motorja

6

3. Prvi del

3.1 Izdelava robotske roke

3.1.1 Laserski razrez Dijakom je profesor praktičnega pouka v uvodni uri izročil načrt za izdelavo robotske roke. Dogovorili so se, da v programu AutoCAD 2010 preuredijo prvotno risbo robotske roke, za laserski razrez pa bodo poskrbeli v podjetju OCG Idrija. V tem podjetju imajo akromni laser z imenom 'Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation', kar bi se po naše glasilo 'Ojačitev svetlobe s pomočjo spodbujene emisije sevanja'. Slika tega laserja je prikazana spodaj (slika 2).

Slika 2: LASERSKI STROJ

3.1.2 Opis postopka laserskega razreza

Za naš razrez so v podjetju potrebovali datoteko želenega dela shranjeno v formatu "dwg" v različici AutoCAD-a 2007. Postopek izreza se začne s postavitvijo koordinatnega izhodišča ter točno mero obdelovalne površine. Nato se določi potrebne rezalne parametre, kot so moč laserja, hitrost in smer reza po konturi. Če so vse nastavitve primerno nastavljene, se razrez lahko prične. Razrez, ki ga potrebujemo, je naveden na sliki 3.

Slika 3: RAZREZ ELEMENTOV PO DELIH

7

3.2 Montaža robotske roke

Zaradi posledic laserskega razreza, kot je žlindra okrog lukenj, so morali najprej spiliti robove izvrtin z okroglo pilo. Posneli so vse robove in povrtali izvrtine. Opazili so, da so deli po laserskem razrezu tudi precej spraskani po celotni površini, zato so se globljih zarez znebili z brusnim papirjem grobosti P120. Nato so segmente privijačili z izdelanimi distančniki. Pritrdili so jih z vijaki M4 x 10 mm. Z enakimi vijaki so pritrdili RC servomotorje na posamezne segmente. Nastavke servomotorjev so privijačili s samoreznimi vijaki 2.2 x 9.5 mm.

3.2.1 Noga robotske roke Noga robotske roke služi pritrditvi celotne roke na fiksno podlago s štirimi vijaki M3 x 16 mm. Obenem skupaj s šestoglatimi distančniki dolžine 50 mm ter fiksnim delom prvega segmenta zagotovi zadosten prostor za pritrditev servomotorja.

3.2.2 Fiksna plošča prvega segmenta Distančniki jo pritrjujejo na nogo robota. V centru je izvrtina premera 23 mm. Izvrtina služi zglobu servomotorja in drsnim delom prvega segmenta. Servomotor tega segmenta je pritrjen na to ploščo s štirimi vijaki M3 x 16 mm.

3.2.3 Drsna plošča prvega segmenta Drsna plošča omogoča rotacijo celotne roke. V plošči je izdelanih šest utorov za pritrditev nosilcev servomotorjev drugega segmenta.

3.2.4 Nosilca servomotorjev drugega segmenta Nosilca sta s tesnim ujemom pritrjena na drsno ploščo prvega segmenta. Servomotorja sta na vsakem nosilcu pritrjena s štirimi vijaki M3 x 6 mm.

3.2.5 Drugi segment Sestavljajo ga dva dela povezana z distančniki dolžine 45 mm, ki skrbijo za pravšnjo razdaljo med deloma. V obeh delih sta izdelana utora za zmanjšanje mase segmenta. Distančniki so pritrjeni z vijaki M3 x 10 mm. Drugi segment je prikazan na sliki 4.

Slika 4: DRUGI SEGMENT

8

3.2.6 Tretji segment

Tretji segment je s pomočjo servomotorja in njegovega nastavka spojen z drugim segmentom. Nastavek servomotorja je pritrjen s štirimi samoreznimi vijaki M3 x 6mm. Prav tako kot prejšnja, imata tudi ta dva dela izdelana utora za zmanjšanje mase. Dela sta povezana z distančniki dolžine 16mm. Vijaki za pritrditev distančnikov so enaki kot pri prejšnjem segmentu.

Slika 5: TRETJI SEGMENT

3.2.7 Zapestje robotske roke Zapestje je na prejšnji segment pritrjeno preko nastavka servomotorja z nosilnima ploščama. Podstavek za montažo orodja je s tesnim ujemom pritrjen na nosilni plošči, v katerih je izdelan utor 3 x 9 mm. V podstavku so štiri izvrtine z navojem M3. Z vijaki reguliramo moč vpetja orodij preko pritrdilne ploščice.

Slika 6: ZAPESTJE ROBOTSKE ROKE

3.2.8 Kupljeni del - RC Servomotorji Za premikanje posameznih osi smo uporabili standardne servomotorje ali tudi t.i. »RC servomotorje« proizvajalca Modelcraft (RS2). Te smo kupili na tržišču. Tabela 1 (spodaj) prikazuje podatke RC Servomotorja.

9

Tehnični podatki Modelcraft RS2

Servo navor 6 V/ 7,4 V 35

Nastavni čas 6 V / 7,4 V 0,17s/60°

Servo moment (4,8 v) 32 / 35 N/cm

Servo čas (4,8 v) 0,19 / 0,17 s

Način shranjevanja Drsni ležaj

Vtični sistem JR

Mere(D x Š x V) 41 x 20 x 42 mm

Proizvajalčeva številka delov RS 2 JR

Teža 39,2 g

Tip serva Standardni servo

Tehnologija serva Analogni servo

Pogonski material Umetna masa

Območje vrtenja 203°

TABELA 1: PODATKI ZA RC

4 Drugi del

4.1 Fizikalne osnove

V povezavi s predmetom fizika lahko učilo uporabimo kot praktičen primer pri analizi poglavij merjenje, mehanika in elektrotehnika. Poglavje mehanike zajema statiko, dinamiko, delo in energijo. Poglavje elektrotehnike pa ohmov zakon, električni tok in električno moč. Na primeru robotske roke sem izdelal več učnih situacij, ena od teh je navedena v nadaljevanju.

4.2 Cilji učne situacije

- dijak se seznani z novimi fizikalnimi količinami in njihovimi enotami

- dijak spozna uporabnost fizikalnih zakonov in zna izračunati neznane fizikalne količine

- dijak lahko s primerjavo meritev in izračunov posameznih fizikalnih količin določi relativno napako maksimalne obremenitve robotske roke.

- dijak lahko z usvojenim znanjem sam ugotovi parametre oziroma fizikalne količine, ki so pomembni pri izračunih za uporabo robotske roke, in naredi izboljšano verzijo robotske roke.

4.3 Učna situacija

V naslednjem odstavku je naveden enostaven učni primer preračunavanja sil in momentov pri robotski roki.

Izračunali smo največjo nosilnost iztegnjene roke, ko je le ta najšibkejša, ter kotno hitrost in vrtljaje uporabljenega RC servomotorja.

10

Podatki motorja

60/19,0 st

Izračun:

celotnikng rFrFM 2

celotni

g

knr

rFMF

2

NmNmmM

cmsmkgM

rFM

3,0300

1/103 2

Zaradi dveh motorjev moramo upoštevati 2-kratno vrednost tega navora.

NmM

NmM

6,0

3,02

2

2

Kotna hitrost

15/519,0

1

19,0/)160(

sss

rd

srd

Izračun števila vrtljajev:

1min50

30

30

n

n

n

NF

F

m

MF

mFM

NmM

5,1

4,0

6,0

6,0

2

2

2

Torej je maksimalna masa enaka 0,15 kg oziroma 15 dag.

mkgcmkgM navor /300/3)(

NFg 10

11

5 Zaključek

V seminarju je na enostavnem primeru robotske roke prikazano sodelovanje med dvema učiteljema. Skupaj sva določila cilje in izdelala nekaj učnih primerov pri praksi in fiziki na enotnem učilu. Tako sva izdelala novo didaktično učilo ter izboljšala njegovo izkoriščenost. Poudarki pri snovi so predvsem s področja mehatronike, saj je to področje zelo široko zastavljeno in ga je na tak način mogoče združiti v smiselno celoto. Vsekakor bova s takim delom nadaljevala, saj sva ob nastanku tega gradiva opazila, da je na tak način mogoče pripraviti še veliko podobnih učnih situacij, ki dijakom dopolnijo in bolj praktično približajo učno snov.

12

6 Viri

1. Lasersko rezanje

[URL: http://sl.wikipedia.org/wiki/Lasersko_rezanje], 23.4.2012

2. Načrti ogrodja modela

[URL: http://www.thingiverse.com/thing:2433], 23.4.2012

3. Industrijski roboti

Zapiski iz predmeta osnove robotike, 10.10.2011

4. Rudolf Kladnik : Gibanje, sila, snov, založba DZS

5. Krautov strojniški priročnik (1988): Tehniška založba Slovenije