Bras de robot DIY 6-DOF à partir de zéro : conception, code et PCB

Steve et Stanley ont passé deux ans à créer un bras robotique à six degrés de liberté (6-DOF) à partir de zéro, combinant l'ingénierie mécanique, l'électronique et les logiciels dans un système unifié. Leur processus impliquait plus de 5 000 lignes de code personnalisé et plusieurs révisions matérielles. Une caractéristique notable de leur conception était la montage moteur direct sur Joint 3ce qui minimise le jeu et améliore la stabilité. D'autres éléments clés, tels que le routage interne des câbles et un roulement à rouleaux coniques à la base, ont permis de relever des défis tels que la répartition de la charge et la précision des mouvements.

Explorez le processus de conception mécanique, y compris les stratégies de tension des courroies et la garantie de la durabilité structurelle. Découvrez comment un architecture personnalisée de PCB et de bus CAN rationalisé l’électronique tout en améliorant la fiabilité. Découvrez le micrologiciel personnalisé qui a permis un contrôle de mouvement avancé et un débogage en temps réel, en fournissant une vue détaillée du développement logiciel impliqué.

Conception mécanique : défis et innovations

La conception mécanique du bras du robot a présenté de nombreux défis, notamment pour atteindre le couple, la précision et la durabilité structurelle nécessaires. Les premiers prototypes ont révélé des limites importantes, telles qu'une résistance insuffisante des arbres et des courroies de distribution imprimés en 3D, ce qui a conduit à une série d'améliorations critiques de la conception :

• Montage direct du moteur : Une refonte du Joint 3 a incorporé un montage direct du moteur, ce qui a efficacement réduit le jeu et amélioré la stabilité globale.
• Stabilité de base améliorée : L'ajout d'un roulement à rouleaux coniques à la base a permis au bras de supporter des charges plus lourdes tout en conservant la stabilité.
• Tension de courroie raffinée : Des mécanismes de tension réglables ont été introduits pour garantir des performances constantes et réduire l'usure au fil du temps.
• Acheminement des câbles internes : Les fils ont été acheminés à l'intérieur, améliorant ainsi l'esthétique du bras et minimisant le risque de dommages accidentels pendant le fonctionnement.

Ces améliorations mécaniques ont joué un rôle essentiel dans la création d'un bras robotique robuste et fiable, capable d'exécuter des mouvements précis dans diverses conditions de charge. Chaque amélioration résolvait des goulots d'étranglement de performances spécifiques, garantissant que le bras atteignait ses objectifs de conception.

Développement électronique : rationaliser la complexité

Le système électronique a subi des améliorations significatives pour équilibrer les performances, le coût et la complexité. Initialement, le projet utilisait un microcontrôleur TNC 4.1, mais celui-ci a ensuite été remplacé par un ESP32, qui offrait des performances supérieures à moindre coût. Cette transition a nécessité le développement d'un PCB personnalisé adapté aux exigences uniques de l'armement.

Pour simplifier le câblage et améliorer la fiabilité du système, une architecture de bus CAN a été mise en œuvre. Cela a réduit le nombre de fils de 32 à seulement 4, permettant un système de contrôle distribué avec les composants clés suivants :

• Contrôleur principal : Le microcontrôleur STM32H7R7 a été sélectionné pour sa vitesse de traitement élevée, son unité à virgule flottante intégrée et sa prise en charge d'un écran LCD.
• Pilotes de moteur pas à pas : Des pilotes personnalisés ont été développés à l'aide de microcontrôleurs STM32G431 et de puces TMC, garantissant un contrôle précis des moteurs Nema 17 et Nema 23.

Ces avancées ont rationalisé le système électronique, réduisant ainsi la complexité tout en améliorant la fiabilité et l'évolutivité. L'intégration d'une architecture de bus CAN a également facilité le débogage et les mises à niveau futures.

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Développement de firmware : code personnalisé pour la précision

La fonctionnalité du bras robot reposait en grande partie sur un micrologiciel personnalisé, soigneusement développé pour gérer le contrôle de mouvement, la cinématique inverse et les protocoles de communication. Ce logiciel constituait l'épine dorsale du système, permettant un fonctionnement précis et réactif. Les principaux aspects du processus de développement du micrologiciel comprenaient :

• Algorithmes de contrôle de mouvement : Des algorithmes personnalisés ont été conçus pour garantir des mouvements fluides et précis sur les six degrés de liberté.
• Optimisation du code : Des outils d'IA ont été utilisés pour examiner et affiner le code, améliorant ainsi son efficacité et sa fiabilité.
• Interface de communication série : Une interface dédiée a été créée pour permettre les tests en temps réel, les ajustements des paramètres et le débogage du matériel et des logiciels.

La conception sur mesure du micrologiciel a joué un rôle déterminant dans l'atteinte du haut niveau de précision et de réactivité du bras. Chaque fonctionnalité a été soigneusement développée pour répondre aux exigences spécifiques du projet, garantissant une intégration transparente avec le matériel.

Tests et améliorations itératives

Des tests approfondis ont joué un rôle crucial dans l’identification des domaines à améliorer, conduisant à des améliorations itératives tant au niveau matériel que logiciel. Ces ajustements ont été essentiels pour transformer le bras robotique en un système fiable et efficace. Les principales améliorations comprenaient :

• Affinements de la disposition des PCB : Les problèmes d'intégrité du signal ont été résolus en optimisant la conception du PCB, garantissant ainsi une communication fiable entre les composants.
• Ajustements du micrologiciel : Les configurations ont été affinées pour améliorer la compatibilité et les performances avec le matériel.
• Corrections d'assemblage : Les erreurs d'assemblage ont été identifiées et corrigées, améliorant ainsi la fiabilité globale du système.
• Optimisation de l'affichage : Les problèmes de performances de l'écran LCD ont été résolus en affinant le pilote d'affichage et les protocoles de communication.
• Calibrage du capteur : Les capteurs de proximité ont été calibrés pour améliorer la précision et la réactivité pendant le fonctionnement.
• Refonte de la distribution électrique : Les limitations de l'alimentation électrique ont été résolues pour garantir des performances constantes sous charge.

Ces améliorations itératives ont souligné l’importance de tests approfondis et d’un perfectionnement continu pour parvenir à un système robotique hautement performant.

Améliorations et opportunités futures

La base de ce projet offre un potentiel important de développement et d’innovation ultérieurs. Plusieurs améliorations prévues visent à améliorer les performances du bras et à étendre ses capacités :

• Interface à écran tactile : Intégration d'un écran tactile pour fournir une interface de contrôle plus intuitive et conviviale.
• Algorithmes de mouvement raffinés : Optimiser davantage les algorithmes de contrôle de mouvement pour obtenir des mouvements plus fluides et plus précis.
• Encodeurs magnétiques : Intégration d'encodeurs magnétiques pour permettre un contrôle en boucle fermée, améliorant ainsi la précision et la réactivité.

Ces avancées pourraient transformer le bras robotique en un outil plus polyvalent, adapté à un large éventail d’applications dans des domaines tels que la fabrication, la recherche et l’éducation. Le projet témoigne de la puissance de la conception itérative et du potentiel d’amélioration continue de la robotique.

Crédit média : Steve et Stanley

Classé sous : Projets de bricolage, Matériel, Top News

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