Běžný 6DOF manipulátor: od kinematiky po optimalizaci konstrukce
Tým vývojářů vyvinul prototyp 6DOF manipulátoru za méně než 900 USD určený pro úkoly imitation learning v domácích scénářích. Hlavní omezení zahrnují rozpočtové servomotory s luftem až 0,8° a vysoké zatížení na základní osy. Řešení: poloviční SCARA kinematika s vertikálním lineárním zdvihem a horizontálními články, párové servy pro kompenzaci backlashu, topologická optimalizace prvků.
Prototyp používá 11 servomotorů Feetech STS3215 (magnetický enkodér 12 bitů, 4096 pozic, moment 15 kg·cm) plus jeden krokový motor pro osu Z s šroubovou převodovkou. Celková BOM je 900 USD včetně dopravy.
Výběr pohonů a kinematiky
Rozpočtové alternativy: krokové motory bez vnitřní zpětné vazby nebo inteligentní servy s TTL/RS485 sběrnicí. Vybrány servy Feetech STS3215 kvůli ceně 15–30 USD, hmotnosti 55 g a možnosti daisy-chain připojení.
Klasická antropomorfní schéma není vhodné: moment M = F × L = 1 kg × 9,81 m/s² × 0,65 m ≈ 65 kg·cm překračuje možnosti serva (15 kg·cm). Poloviční SCARA řeší tento problém:
- Vertikální osa Z – šroubová převodovka (stejně jako u 3D tiskáren).
- Horizontální SCARA část – články bez gravitačního zatížení na pohony.
- Předloktí s chytákem pro 6 stupňů volnosti.
Prototyp byl zahájen pomocí Lego Technic pro ověření konceptu, následně následoval CAD model.
Kompenzace luftu párovými servy
Luft u levných servů je 0,8° (proti uváděným <0,5°). Na rameni 650 mm to znamená lineární odchylku ~9 mm na kloubu, celková chyba polohování >1 cm.
Řešení: dva servy na osu s předpětím (preload) – jeden tlačí ve směru hodinových ručiček, druhý proti. Backlash je eliminován, ale roste tření a opotřebení redukce při vysokých zatíženích. Dobré pro mírné úkoly.
Měření na speciálním stojanu: gumová páska zajišťuje minimální předpětí bez zkreslení. Metodika je popsána v recenzovaném článku HardwareX.
CAD uzel ukazuje párové servy pro kolmé osy v husté uspořádané konfiguraci. Testovací sestava z akrylu a plechu potvrdila funkci pod zátěží.
Optimalizace konstrukce a nákladů
První verze: 46 vlastních dílů (laserové řezání, CNC, soustružení), náklady ~1500 USD. Zjednodušení na 6 dílů: hliníkové profily, pevná konstrukce. BOM – 452 USD (díly + doprava z Číny), celkem 900 USD.
Varianta zjednodušení:
- Minimální počet dílů (např. Aharobot) – kompromis v pevnosti.
- Pevná varianta s zachováním poloviční SCARA.
Topologická optimalizace nosných prvků:
| Parametr | Původní | Po optimalizaci | Zlepšení |
|----------|----------|-------------------|------------|
| Hmotnost | 1,937 kg | 2,376 kg | +22% |
| Maximální napětí | 93 MPa | 25 MPa | ↓3,7× |
| Odchylka Y | 1,05 mm | 0,41 mm | ↓2,5× |
| Odchylka X | 1,03 mm | 0,31 mm | ↓3,3× |
| Odchylka Z | 0,62 mm | 0,21 mm | ↓3,0× |
Zvýšení hmotnosti o 22 % vedlo ke snížení napětí o 3,7× a odchylek o 2,5–3,3×. Finální prototyp má organická zpevnění.
Finální montáž a použití
Konstrukce: 11 servů + 1 krokový motor, číslování pohonů v CAD. Testování – stojany s zátěží, video pohybů uzlů.
Škálování: stolní instalace z 4 manipulátorů, integrace na mobilní platformy. Ideální pro výzkum imitation learning bez výdajů 19–30 tisíc USD na komerční analogie (Aloha, Agilex).
Důležité:
- Poloviční SCARA snižuje moment na základní pohony z 65 kg·cm na přijatelné hodnoty.
- Párové servy kompenzují backlash 0,8°, chyba polohování <1 cm.
- Optimalizace BOM: z 1500 USD na 900 USD, díly z 46 na 6.
- Topologická optimalizace: napětí ↓3,7×, odchylky ↓2,5–3,3×.
- Feetech STS3215 – základ pro DIY 6DOF s enkodérem 12 bitů a sběrnicí TTL/RS485.
— Editorial Team
Zatím žádné komentáře.