Drei-Achsen-Roboterarm

Einleitung

In Rahmen des GET-Fachpraktikums soll ein mechatronisches System entwickelt und getestet werden. Dies soll unter Zuhilfenahme der theoretisch erworbenen Kenntnisse der Mess- und Regelungstechnik, Elektrotechnik und der Aufbau und Verbindungstechnik geschehen. Im Zuge des Fachpraktikums wird ein Drei-Achsen-Roboterarm mit einer manuell-mechanischen Bewegungsprogrammierung gebaut. Diesbezüglich wird ein dem Arm nachempfundener "Joystick" gefertigt über den das Bewegungsmuster des Armes manuell eingegeben werden kann. Hierfür werden an alle drei Drehachsen Sensoren befestigt um den Drehwinkel und Richtung zu erfassen. Mittels zwei Knöpfe kann das Muster gelernt oder gelöscht werden. Der Arm fährt live mit.

Die Aufgabe ist es den Arm dazu zu bringen Objekte aufzuheben und an eine andere Stelle zu legen.

Das Projekt wurde initiiert und umgesetzt von den Mechatronikstudenten des Studienschwerpunktes SDE, im Wintersemester 2022/2023, Benjamin Dilly und David Weigt.

Anforderungen

Roboterarm

ID	Anforderung	Umgesetzt	Datum
1	Gelenke für die Bewegung	Beispiel	Beispiel
2	Greifer zum Transportieren von Objekten	Beispiel	Beispiel
3	Aktuatoren für Gelenke	Beispiel	Beispiel
4	Schnittstelle für Aktuatoren und Positionsübermittlung	Beispiel	Beispiel
5	Greifermotor	Beispiel	Beispiel
6	Einfaches Ansteuern	Beispiel	Beispiel
7	Flüssige Bewegung und mechanische Robustheit	Beispiel	Beispiel

Steuereinheit (Arduino)

ID	Anforderung	Umgesetzt	Datum
1	Schnittstelle für Winkelsensoren des Joysticks	Beispiel	Beispiel
2	Schnittstelle für Aktoren des Roboterarms	Beispiel	Beispiel
3	Schnittstelle Operationstaster	Beispiel	Beispiel
4	Erfassen und Verarbeiten des Bewegungsmusters	Beispiel	Beispiel
5	Bewegungsmusternachverfolgung bei Programmierung mit Roboterarm	Beispiel	Beispiel
6	Umsetzen des Bewegungsmusters (Dauerschleife)	Beispiel	Beispiel
7	Asynchrones Erfassen der Joystickausrichtung	Beispiel	Beispiel
8	Nach Programmierstart, Arm nach Joystick ausrichten	Beispiel	Beispiel
9	Speichern der letzten Roboterarmausrichtung /Position bei Programmierstart	Beispiel	Beispiel
10	Nach Programmierabbruch, zur gespeicherten Armausrichtung zurückkehren, warten auf Befehle	Beispiel	Beispiel
11	Nach Programmierabbruch, auf Befehle warten	Beispiel	Beispiel
12	Nach Programmierung: Bewegungsmuster Dauerhaft speichern	Beispiel	Beispiel
13	Nach Programmierung: In Ausgangsposition zurückkehren	Beispiel	Beispiel
14	Bei Rücksetzung zurück in die Grundstellung fahren, Flags und letzte Armposition löschen	Beispiel	Beispiel
15	Bei Abschaltung in Grundstellung fahren, Flag setzen	Beispiel	Beispiel
16	Nach Programmstart / Neustart Flags prüfen, auf Befehle warten	Beispiel	Beispiel
17	Bei Bewegungsstopp: Bewegung stoppen, auf Befehle warten	Beispiel	Beispiel
18	Anzeigen des allgemeinen Systemstatus	Beispiel	Beispiel

Joystick

ID	Anforderung	Umgesetzt	Datum
1	Möglichst genaues Nachempfinden des Roboterarms	Beispiel	Beispiel
2	Sensoren zum Erfassen des Bewegungsmusters (Winkelsensoren)	Beispiel	Beispiel
3	Sensoren ermöglichen das Erfassen der Drehrichtung	Beispiel	Beispiel
4	Schnittstelle zum Abfragen der Winkelsensoren	Beispiel	Beispiel
5	Robuster Aufbau	Beispiel	Beispiel
6	Einfache und flüssige Handhabung/Flüssiges bewegen lassen	Beispiel	Beispiel
7	Beibehalten der Position	Beispiel	Beispiel

Taster

ID	Anforderung	Umgesetzt	Datum
1	Allgemeines Erfassen der Systembefehle	Beispiel	Beispiel

Funktionaler Systementwurf/Technischer Systementwurf

Gezeigt ist schematischer Systemaufbau

Gezeigt ist der skizzenhafte Armaufbau

Schaltplan der Servomotoren und der Potentiometer

Komponentenspezifikation

Die zu verwundene Hardware erstreckt sich über die im nächsten Abschnitt gelisteten Bauteile. Dazu gehören die Taster, Servomotoren, Potenziometer und einen Arduino (Uno, Nano, Mini).

Servomotor

Die Servomotoren sollten mindestens einen Winkel von 180° verfahren und möglichst direkt an den Arduino angeschlossen werden können.

Sensoren

Für die Sensoren werden einfache Potenziometer verwendet. Diese besitzen einen Widerstand von 10k Ohm, was eine hohe Auflösung ermöglichen würde.

Arduino Uno

Da für das Projekt ein Arduino Uno im Vorfeld zur Verfügung stand, wurde dieser für die spätere Auslegung des eingebetteten Systems verwendet. Kleine Varianten wie der Arduino Nano eignet sich genauso gut, da diese mehr als fünf analoge und digitale Pins besitzen. Zu beachten ist, dass jeder Arduino über eine verbaute Sicherung verfügt, welche im USB Betrieb die USB Schnittstelle vor Überlast schützen soll. Dabei dürfen keine Ströme über 500mA an der Schnittstelle anliegen. Somit sollte der Uno über ein zusätzliches Netzteil (6-20 Volt) versorgt werden und beim Nano über Pin 30 (6-20 Volt) oder Pin 27 (5 Volt) anliegen. Achtung ! Es ist zu beachten, dass nur die Arduino originalen Boards eine geleichzeitige Spannungsversorgung über USB und einem Netzteil ermöglichen.

Bedienung

Tasten...
Start/Stopp: startet und stoppt die Bewegung. Speichert im Programmiermodus die Zwischenschritte des Bewegungsmusters ab. Es können max. 10 Schritte und mindestens 4 zwischengespeichert werden.

Programmiertaster: Startet/stoppt die Programmierung.

Rücksetzungstaster: Wenn nichts anderes aktiv ist, setzt er das Bewegungsmuster zurück. Während Programmierung, löscht er den zuletzt gespeicherten Zwischenschritt.

Abschalttaster: Einmaliges Betätigen hält den Arm an und sperrt alle weiteren Aktionen für 3 Sekunden. Erneutes Betätigen während dieser Zeit, fährt Arm in Nullposition zum Ausschalten zurück.

Wenn eine Aktion nicht ausgeführt werden kann, wird ein Signal gegeben. Dieses wird solange aufrechterhalten, wie der verursachende Zustand aktiv ist.
Um dies zu vermeiden, sollte das Bewegungsmuster vor Aktivierung des Programmiermodus zurückgesetzt werden (wenn bereits vorhanden).
Zudem sollte vermieden das Bewegungsmuster auszuführen, solange nicht mehr oder genau vier Zwischenschritte eingespeichert wurden.
Das Deaktivierung des Signals kann einfach durch erneutes betätigen des verursachenden Tasters geschehen.

Hardware

Systembefehle

Befehl	Taster
Bewegung starten / speichern
Bewegung stoppen	1
Programmierung starten
Programmierung beenden	1
Zurücksetzen	1
Abschaltung	1
Taster insgesamt:	4

Info: Beim Beenden der Programmierung ohne voriges speichern, gilt die Programmierung als verworfen/abgebrochen und der Arm kehrt zum alten Bewegungsmuster zurück

Schnittstellenkonfiguration

Schnittstelle	Breite (Pins)	Typ
Taster	4	Digital
Joystick	5	Analog
Roboterarm	5	Digital

Pins insgesamt: 14

Steckbrett

Als Platine wurde ein einfaches Steckbrett benutzt, wie das oben gezeigte.

10K Poti

Als Sensoren wurden die 10K Potis benutzt.

Servos

Verwendet wurden Servos vom Typ SG90 (Erhältlich von verschiedenen Anbietern wie: WAVESHARE, AZDelivery etc.).

Mikrokontroller

Als Mikrokontroller wurde ein Arduino Uno verwendet (Kein Original Uno von Arduino selbst (s.o.) sondern einer eines Drittanbieters mit identischem Aufbau).

Software

Programmablaufplan

Umsetzung (HW/SW)

Software

Softwareaufbau mit Matlab/Simulink

Das Hauptmodell übernimmt die eigentliche Ansteuerung und das Abfragen der Hardwarebausteine. Wie Servos, Analog- & Digitalpins sowie der seriellen Schnittstelle.

Systemstatusmodell

Modell zum generieren des allgemeinen Systemstatus

Filtert die Hardwaretasten und triggert auf die steigende Flanke der Tasten. Des Weiteren filtert es prioritär die Tasten bei multipler Tastenbetätigung.
Der Systemstatus wird durch den Stateflow generiert.

Virtuelle Tasten Modell

Modell zum virtuellen Simulieren der Tasten auf dem Arduino Uno

Ermöglicht das Testen auch ohne Hardwaretasten, bzw. die Handhabung/Steuerung.

Sensoren Modell

Modell zum Umwandeln der Sensordaten

Rechnet die digitalen Werte der Analogpins des Arduino Unos in Gradmaße um, um die Servos anzusteuern.

Executer Modell

Modell zum Ausführen von Systemaktionen und der Servosteuerung

Mit zu sehen ist noch eine alte Stateflow-Version des Executer Modells. Er übernimmt die Systemverwaltung und alle auszuführenden Aktionen, wie Ausführen des Bewegungsmusters, der Programmierung, dem Speichern etc.

Clock Modell

Clock

Generiert das Clock-Signal zur zeitlichen Messung in Executer und der Tastenauswertung.

Komponententest

Software

Datei:Statusgenerierungstest

Datei:Testen der gesamten Steuerung

Datei:Vereinfachter Hardwaretest

Ergebnis

Fertiges Roboterarm Modell

Lessons Learned

bestehen aus...

• Projektplanung
• Kommunikation
• Simulation vereinfacht die Umsetzung & Validierung
• Aufgezählter Listeneintrag

Projektunterlagen

Alle Unterlagen können in den folgenden Zip-Ordnern heruntergeladen werden: Code[[1]], CAD-Modelle [[2]]

Die Benutzung der Dateien geschieht auf eigene Gefahr!

Projektplan

Projektdurchführung

Bei der Umsetzung der Software stellte uns die Umstellung von schriftbasiertem Programmieren auf blockbasiertes Programmieren vor die Herausforderung sich in die Neue Art der Programmierung einzudenken. Insbesondere das notwendige, permanente Casten von Datentypen war hier ungewohnt und verursachte häufige Fehler beim Kompilieren. Nachdem man sich aber daran gewöhnt hatte konnten wir schnell und einfach das Programm umsetzen. Ein Nachteil hierbei ist, das Simulink sehr viel Programmierspeicher beansprucht und wir deshalb besonderen Wert darauf legen mussten besonders effizient zu programmieren. Durch das einfügen des Funktionsblocks in Executer.slx konnten wir den Programmspeicherbedarf senken. Der Vorteil lag jedoch ganz klar in der Möglichkeit die Software in einer Simulation zu testen, wodurch nur noch das Testen der Hardware über bleibt. Beim Finalen Test mit dem fertigen Armmodell war das System zunächst nicht funktionstüchtig was an den Verbindungsleitungen lag. Für das Projekt sind wir nach dem V-Modell vorgegangen.

Weblinks

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