【知識教學文】開源 MOVEO 大型機械手臂-硬體篇

【知識教學文】開源 MOVEO 大型機械手臂-硬體篇

 

機械手臂(robotic arm)是由機械結構與馬達所模仿出的手臂構想,透過程式控制,以實現三維運動來達到自動化的需求。起初用於危險組裝,如焊接、噴漆、鑄造等,但因為它運作的彈性很高,只要稍微修改程式便能變更動作,因此可以說是工業 4.0 智慧製造中,不可或缺的機器設備。

MOVEO 機械手臂

MOVEO 是 BCN3D(一間位於巴塞隆納的 3D 列印機製造商)在 2016 年的一個智慧製造計畫,目的是希望讓學生可以不用花大錢,也能自己做一隻巨大手臂,學習並應用它,因此零件都由 3D 列印件與螺絲組成,非常簡單,而且全部的 3D 圖檔及程式都在 Github 上有公開原始碼,讓 Maker 與使用者可以自由取得並依照喜好修改。本篇將會介紹 MOVEO 開源機械手臂的組裝與製作的經驗分享!

MOVEO 機械手臂外觀(圖片來源:MOVEO 官網

 

準備工具與材料

 

首先到 Github 的 BCN3D-Mevoe git 檔案庫(repository),將整個專案下載之後進行解壓縮,其目錄結構與說明如下:

  • BOM(Bill of Material,材料列表)
  • CAD files(3D 工程圖設計檔, SolidWorks)
  • STL files (3D 列印模型檔)
  • USER MANUAL(使用操作手冊)

在 BOM 資料夾裡有詳細的材料列表,下方是筆者建議的工具及幫大家翻譯整理過的材料表,讓我們可以更快速地找到所需要的零件,英文閱讀能力較佳者也可以看著原文件購買,購買時需注意金屬部件的精度與誤差,以免造成組裝困難,不確定購買的零件是否正確時,可以看著 USER MANUAL 資料夾底下的 User Manual BCN3D Moveo.pdf(組裝說明書),來看看這個零件是否符合後續組裝。舉例來說,若買不到所需的銅管,可以看它實際運用在螺絲與列印件的潤滑,來調整列印件或螺絲來符合買的到的規格。

 

材料清單列表

類型 名稱 數量
工具設備 3D 印表機 1
十字螺絲起子 1
內六腳板手 1
電纜剪 1
剝線鉗 1
螺絲膠 1
銲槍 1
材料 PLA 3 +(kg)
35 步進馬達 長 36 1
42 步進馬達 長 33 1
42 步進馬達 長 47 1
42 步進馬達 長 48 加行星減速機 1
57 步進馬達 長 112 2
步進馬達驅動器 tb6560 6
伺服馬達 MG996R 1
ARDUINO MEGA 2560 1
RAMPS V1.4(可有可無) 1
電源供應器 24V 320W 1
降壓模組 24V to 12V 1
光軸 134 mm 1
光軸 114 mm 1
光軸 80 mm 1
軸承(培林)608ZZ 10
軸承(培林) 623ZZ 3
軸承(培林)624ZZ 9
軸承(培林)625ZZ 8
同步輪 內徑 8 mm 外徑 17 mm 14 齒 3
同步輪 內徑 5 mm 外徑 17 mm 10 齒 2
螺桿 M8 長42 mm 1
聯軸器 5 to 8 mm 1
熱壓螺母 M4 3
熱壓螺母 M3 20
銅管 5 mm x 8 mm x 10 mm 8
銅管 8 mm x 12 mm x 20 mm 2
風扇(驅動散熱用可有可無) 1
電源線 1
Usb 傳輸線(arduino 用) 1
束線帶、捲式束線帶
木板 550 mm x 550 mm x 16 mm 1
同步帶 T5 寬 16 mm 2.5 +(m)
螺絲 請參考官方文件
列印件 檔案在 STL files 資料夾

User Manual 內的零件組立圖,可用來參照零件規格與用途(圖片來源:組裝說明書

 

另外在購買金屬零件時(如光軸),最好請廠商加工好要使用的長度,如果沒有金屬切割的經驗在加工上會有些困擾,不建議自行處理。像筆者就是過於自信買回來進行裁切,實際加工過程並不是很順利,除了裁切不易,加工時的金屬發熱與危險性都需要小心注意,相關防護措施也要做好。

金屬零件裁切加工(圖片來源:Kevin Chiu & Felix Lin)

 

微調與列印手臂外殼

開始列印前要注意馬達座的列印件,是否與購買的馬達規格相符合,特別是行星齒輪的部分,每個馬達都不盡相同,很有可能會不一樣。可用建模軟體量測 CAD 的尺寸是否吻合,如有不符合可以進行微調,再更改原始圖檔後匯出 STL 模型檔即可。

MOVEO 專案有提供 3D 工程圖,可以自行編修以符合購買的零件規格(圖片來源:Kevin Chiu & Felix Lin)

 

3D 列印會使用到的模型檔案都在 STL 資料夾中,除了選用不同零件需要微調外,多數可直接使用切片軟體轉換成 GCODE 再放到 3D 列印機列印。列印時因為物件體積較大,強烈建議開啟熱床加熱至 50 ~ 60 度(以 PLA 為例),否則產生曲翹現象會造成組裝誤差。

3D 列印成品圖(圖片來源:Kevin Chiu & Felix Lin)

 

硬體組裝

準備好所有材料及列印完後,就可以依照之前有提到的 User Manual(組裝說明書)完成,各部件組裝成果如下圖,如果在組裝時發現零件卡不上去,也不用急著研磨重印,可以用吹風機或熱風槍加熱列印件,熱脹冷縮的原理及 PLA 玻璃化的特性,再試試看可不可以裝上去,切記要注意加熱的時間與溫度,不要太久或太熱,否則可能會造成列印件變形,或是把零件放置冰箱冷卻後再裝裝看。

組裝機械手臂外殼(圖片來源:Kevin Chiu & Felix Lin)

筆者建議馬達同步輪在組裝時可以點上螺絲膠,避免鬆脫組裝機械手臂外殼(圖片來源:Kevin Chiu & Felix Lin)

 

在組裝文件中看到這個符號,就代表組裝時需要加熱才能組裝,可以使用電烙鐵壓入軟化 3D 列印件,為了方便操作可以卸下烙鐵頭,讓前端是平的比較好操作,注意壓入時要盡量保持垂直,之後鎖螺絲才不會鎖不進去。

烙鐵熱壓組裝(圖片來源:Kevin Chiu & Felix Lin)

 

同步皮帶剛開始組裝時可以先預留多一點長一點,再用電纜剪慢慢剪短,抓出適當放入的長度,若一次剪太多,過短就不能用了,最後再調整皮帶鬆緊。此外,在底座的列印件中官方是沒有設計皮帶鬆緊調整的,而是需要用手先拉緊後,再固定馬達座來拉緊,如果不想也可以自行設計鬆緊調整。

皮帶的組裝固定與鬆緊調整(圖片來源:Kevin Chiu & Felix Lin)

筆者在底座列印件上增加的皮帶逼緊機構(圖片來源:Kevin Chiu & Felix Lin)

組立完成的MOVEO機械手臂外觀(圖片來源:Kevin Chiu & Felix Lin)

 

電路接線

硬體組裝的最後一步,就是電路接線了。下圖是 BCN3D 官方提供的簡易接線圖,一樣在組裝說明書內可以找到原始圖,他是以 RAMPS V1.4 擴充板(常用於 3D 列印機)來做範例,讓使用者可以更清楚每一軸所對應的馬達,然而每一個馬達對應到手臂的軸都是可以任意置換的,只要自己搞清楚就好。

電路連接圖(圖片來源:User Manual BCN3D Moveo.pdf)

 

當然,如果不買 RAMPS V1.4 擴充板也可以完成,照著 RAMPS V1.4 的電路圖自行接線,只要找到你要接的軸,再對照到 MEGA Conn. 這個電路,找到你要接的 pin。以範例來說要接 X 軸的 STEP 這隻腳就找到電路中 x – step 對應到 arduino mega 的接腳是 A0,很簡單吧!這樣就可以省一筆錢了。

RAMPS 1.4 擴充板線路圖(圖片來源:reprap wiki)

 

驅動器接腳與 Arduino 對照表

驅動器接腳 Arduino Mega Pin
X–STEP A0
X–DIR A1
X–EN D38
Y–STEP A6
Y–DIR A7
Y–EN A2
Z–STEP D46
Z–DIR D48
Z–EN A8
E0–STEP D26
E0–DIR D28
E0–EN D24
E1–STEP D36
E1–DIR D34
E1–EN D30

 

再來就是電源的連接,要注意 Arduino Mega 的供電,官網建議輸入電壓要在 7-12V,如果買的是 24V 的電源供應器就要降壓,透過降壓模組 24V to 12V 再接到 Arduion Mega Vin 接腳輸入。在電源供應器測,則是可以將所有的電源線用絕緣端子,統一押入,再上一點焊錫,安全快速又牢固。

電源供應器的端子可以使用絕緣 O 型端子壓接,保障連接性與安全性。(圖片來源:Kevin Chiu & Felix Lin)

 

最後依照筆者的經驗,為了方便更換與測試每一軸,同時顧及維修拆裝的便利,可以把馬達接線統一到一塊板子上,後面測試與使用時會輕鬆許多。 電路接線便於此完成了喔!

筆者建議將每一軸的馬達接線獨立出來,方便測試與維護。(圖片來源:Kevin Chiu & Felix Lin)

 

小結

進行至此就組裝完成我們的機械手臂啦!可以用 FIRMWARE 資料夾中的程式或簡單的步驟進行馬達控制,以測試整體機能是否正常。詳細的進一步操作就敬請期待筆者下一篇的 MOVEO 開源機械手臂軟體篇囉!

 

作者:

Kevin Chiu
高雄科技大學學學生,喜歡動手做,擅長工業控制、四軸飛行器與 3D 列印。曾獲得全國工科技藝競賽第二名、技藝優良市長獎等,目前研究標的為機械手臂。

 

Felix Lin
自造者社群創客閣樓召集人、亞堤教育創辦人。韌體工程師出身,熱衷於參與自造活動與專案,近期專注在物聯網與 AI 相關領域。

 

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(作者:Felix Lin、Kevin Chiu;責任編輯:葉佳錚)

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