Braço robótico DIY 6-DOF do zero: design, código e PCB

Steve & Stanley passaram dois anos desenvolvendo um braço robótico de seis graus de liberdade (6-DOF) do zero, combinando engenharia mecânica, eletrônica e software em um sistema unificado. O processo envolveu mais de 5.000 linhas de código personalizado e diversas versões de hardware. Uma característica notável de seu design foi montagem direta do motor na 3ª juntao que reduziu a folga e melhorou a estabilidade. Outros elementos-chave, como o roteamento interno de cabos e um rolamento de rolos cônicos na base, abordaram desafios como distribuição de carga e movimento preciso.

Explore o processo de projeto mecânico, incluindo estratégias de tensionamento de correias e garantia de durabilidade estrutural. Entenda como um arquitetura personalizada de PCB e barramento CAN simplificou a eletrônica e aumentou a confiabilidade. Saiba mais sobre firmware personalizado que permitiu controle de movimento avançado e ajuste em tempo real, proporcionando uma visão abrangente do desenvolvimento de software.

Projeto Mecânico: Desafios e Inovações

O projeto mecânico do braço do robô apresentou muitos desafios, principalmente para atingir o torque, precisão e durabilidade estrutural necessários. Os primeiros protótipos revelaram limitações significativas, como a resistência insuficiente dos eixos e correias dentadas impressos em 3D, levando a uma série de melhorias importantes no projeto:

• Montagem direta do motor: Um design redesenhado do Joint 3 incorporou a montagem direta do motor que reduziu efetivamente a folga e aumentou a estabilidade geral.
• Estabilidade de base melhorada: Um rolamento de rolos cônicos adicionado à base permitiu que o braço suportasse cargas mais pesadas, mantendo a estabilidade.
• Tensão da correia melhorada: Mecanismos de tensão ajustáveis ​​foram implementados para garantir um desempenho consistente e reduzir o desgaste ao longo do tempo.
• Roteamento interno de cabos: Os cabos foram direcionados internamente, melhorando a estética da mão e reduzindo o risco de danos acidentais durante a operação.

Estas melhorias mecânicas foram fundamentais para a criação de um braço robótico robusto e confiável, capaz de realizar movimentos precisos sob diferentes condições de carga. Cada refinamento removeu gargalos específicos de desempenho, garantindo que o identificador atendesse aos objetivos de design.

Design Eletrônico: Simplificando a Complexidade

O sistema eletrônico foi significativamente melhorado para equilibrar desempenho, custo e complexidade. O projeto utilizou inicialmente um microcontrolador TNC 4.1, mas posteriormente foi substituído por um ESP32, que oferecia desempenho superior com menor custo. Esta transição exigiu a criação de um PCB personalizado adaptado aos requisitos exclusivos do braço.

Uma arquitetura de barramento CAN foi implementada para simplificar a fiação e melhorar a confiabilidade do sistema. Isto reduziu o número de fios de 32 para 4, resultando em um sistema de controle distribuído com os seguintes componentes principais:

• Controlador principal: O microcontrolador STM32H7R7 foi escolhido por sua alta velocidade de processamento, dispositivo de ponto flutuante integrado e suporte a display LCD.
• Drivers de motor de passo: Os drivers personalizados foram construídos usando microcontroladores STM32G431 e chips TMC, proporcionando controle preciso dos motores Nema 17 e Nema 23.

Essas melhorias simplificaram o sistema eletrônico, reduziram a complexidade e aumentaram a confiabilidade e a escalabilidade. A integração da arquitetura do barramento CAN também facilitou a depuração e atualizações futuras.

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Desenvolvimento de software: código de precisão personalizado

A funcionalidade do braço do robô era altamente dependente de um software personalizado cuidadosamente projetado para lidar com controle de movimento, cinemática inversa e protocolos de comunicação. Este software foi a espinha dorsal do sistema, permitindo um desempenho preciso e rápido. Aspectos principais do processo de desenvolvimento de software:

• Algoritmos de controle de movimento: Algoritmos personalizados foram desenvolvidos para garantir movimentos suaves e precisos em todos os seis graus de liberdade.
• Otimização de código: Ferramentas de IA foram utilizadas para revisar e refinar o código, aumentando sua eficiência e confiabilidade.
• Interface de comunicação serial: Uma interface dedicada foi desenvolvida para permitir testes em tempo real, ajuste de parâmetros e depuração de hardware/software.

Um design de firmware personalizado ajudou a alcançar altos níveis de precisão e capacidade de resposta. Cada recurso foi cuidadosamente projetado para atender aos requisitos específicos do projeto, garantindo integração perfeita com o hardware.

Testes e melhorias iterativas

Testes extensivos desempenharam um papel crítico na identificação de áreas de melhoria, resultando em melhorias iterativas de hardware e software. Esses ajustes foram necessários para transformar o braço robótico em um sistema confiável e eficiente. Principais melhorias:

• Melhorias no layout do PCB: Os problemas de integridade do sinal foram resolvidos através da otimização do design da PCB, garantindo uma conexão confiável entre os componentes.
• Ajustes de firmware: As configurações foram ajustadas para melhorar a compatibilidade e o desempenho do hardware.
• Correções de montagem: Erros de montagem foram identificados e corrigidos, e a confiabilidade geral do sistema foi melhorada.
• Otimização de imagem: Os problemas de desempenho do LCD foram resolvidos com melhorias no driver do monitor e nos protocolos de comunicação.
• Calibração do sensor: Os sensores de proximidade foram calibrados para melhorar a precisão e a velocidade durante a operação.
• Reorganização da distribuição de energia: As limitações de energia foram removidas para garantir um desempenho consistente sob carga.

Essas melhorias iterativas enfatizaram a importância de testes rigorosos e da melhoria contínua no desenvolvimento de um sistema robótico de alto desempenho.

Melhorias e capacidades futuras

A base deste projeto oferece um grande potencial para maior desenvolvimento e inovação. Várias melhorias planeadas visam melhorar o desempenho do braço e expandir as suas capacidades:

• Interface de tela sensível ao toque: Tela sensível ao toque integrada para criar uma interface de controle mais intuitiva e conveniente.
• Algoritmos de movimento aprimorados: Otimização adicional dos algoritmos de controle de movimento para movimentos mais suaves e precisos.
• Codificadores magnéticos: Encoders magnéticos estão incluídos para controle de circuito fechado, aumentando a precisão e a capacidade de resposta.

Esses avanços poderiam tornar o braço robótico uma ferramenta mais versátil, adequada para uma variedade de aplicações em áreas como fabricação, pesquisa e educação. O projeto é uma prova do poder do design iterativo e das possibilidades de melhoria contínua em robótica.

Créditos de mídia: Steve e Stanley

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