Компонент · Исполнительный механизм
Захват на сервоприводе
Сервопривод, тяга и два пальца — доступный рабочий орган. Что он удерживает, почему сминает хрупкие детали и что изменить первым.
Что это такое
Сервоприводный захват — самый маленький законченный рабочий орган: один хобби-сервопривод, тяга, преобразующая вращение рычага в синхронное движение двух пальцев, и два пальца с накладками. Большинство таких устройств печатают: рама представляет собой одну деталь, тяга выполнена либо как пара шестерён на двух осях пальцев, либо как ножничный механизм, а вся конструкция вместе с сервоприводом весит 30–60 g.
Он существует потому, что является самым дешёвым устройством в робототехнике, превращающим систему позиционирования в машину, которая что-то делает. У него также есть вполне определённый набор ограничений, и каждое из них связано с одним фактом: хобби-сервопривод задаёт угол, а предмет чувствителен к силе.
Единственное число, которое никто не публикует
В каждом объявлении приведён момент останова сервопривода. Практически нигде не указана длина плеча — расстояние от центра рычага сервопривода до точки, где накладка действительно касается предмета, — а именно она определяет половину уравнения и возможности захвата:
F_jaw = τ_stall / L| Длина плеча | Усилие при останове (SG90) | Непрерывное усилие (~70%) | Ход захвата на один шаг сервопривода | Раскрытие при повороте на 120° |
|---|---|---|---|---|
| 12 mm | 14.67 N | 10.27 N | 0.209 mm | 25 mm |
| 20 mm | 8.80 N | 6.16 N | 0.349 mm | 42 mm |
| 30 mm | 5.87 N | 4.11 N | 0.524 mm | 63 mm |
| 45 mm | 3.91 N | 2.74 N | 0.785 mm | 94 mm |
| 60 mm | 2.93 N | 2.05 N | 1.047 mm | 126 mm |
Короткое плечо лучше по усилию и по разрешению. Цена этого — диапазон, который определяется самым широким предметом, который необходимо поднять. Порядок проектирования таков: измерьте наибольший предмет, выберите длину плеча, обеспечивающую достаточное раскрытие, и примите получающееся усилие. Если усилия недостаточно, тогда и стоит искать более мощный сервопривод или другую тягу, но не раньше.
Измерьте L на имеющемся у вас захвате. В угловом захвате оно изменяется вместе с шириной предмета, поэтому
один и тот же захват кажется сильным с деталью 20 mm и слабым с деталью 50 mm.
Что он может и не может удерживать
С SG90 и плечом 30 mm (4.11 N непрерывно), резиноподобными накладками с μ 0.4, коэффициентом запаса 2 и быстрым подъёмом:
| Предмет | Удерживает? | Почему |
|---|---|---|
| Болт M6, 12 g | Да, легко | Лёгкий, высокий μ, неразрушимый |
| Деревянный блок, 40 g | Да | Комфортный запас |
| Куриное яйцо, 58 g | Да — но сервопривод работает в останове | Нужно 1.9 N; сервопривод упирается при 4.1 N, тогда как предел раздавливания яйца составляет 30 N |
| Пустая PET-бутылка, 20 g | Да, на пределе | Гладкая поверхность, низкий μ, на ней остаётся вмятина |
| Бумажный стакан, 8 g | Нет | Раздавливается примерно при 4 N, когда сервопривод упирается |
| Клубника, 15 g | Нет | Раздавливается примерно при 3 N |
| Деталь 200 g при быстром перемещении | Нет | Нужно 6.6 N; сократите плечо до 18 mm или замедлите перемещение |
Обратите внимание на закономерность отказов: не выдерживают лёгкие хрупкие предметы, а тяжёлые прочные выдерживают. Это противоположно интуиции и составляет основную проблему данного компонента.
Почему он раздавливает хрупкие предметы
Привод захвата задаёт положение. Пределы предмета задаются силами. Их связывает последовательная жёсткость пальца, накладки, тяги и предмета, а при жёстких напечатанных деталях она крайне неблагоприятна:
usable window (mm) = ( min(F_crush, F_servo) − F_slip ) / k| Палец | k | Диапазон для клубники | Рабочие положения сервопривода |
|---|---|---|---|
| Жёсткий напечатанный | 25 N/mm | 0.108 mm | 0 |
| Пенополимерная накладка | 4 N/mm | 0.677 mm | 1 |
| Последовательно включённая пружина | 0.8 N/mm | 3.386 mm | 7 |
| Напечатанный упругий элемент | 0.35 N/mm | 7.739 mm | 15 |
Жёсткий захват никогда не попадает внутрь собственного рабочего диапазона. Он перелетает нужное положение и остаётся упирающимся в предел усилия сервопривода, и это работает лишь потому, что данный предел случайно ниже предела раздавливания большинства прочных предметов: сервопривод фактически действует как непредусмотренная муфта сцепления. Установите более мощный сервопривод, и предел сцепления повысится — теперь он также будет разбивать яйца.
Симулятор захвата позволяет сопоставить все эти параметры, а руководство усилие, останов и податливость сервоприводного захвата разбирает решение.
Изготовление или покупка
Напечатайте. Три важных числа — длина плеча, раскрытие захвата и жёсткость пальцев — это именно те параметры, которые покупной комплект фиксирует на значениях, выбранных для рекламной фотографии. Напечатанный захват позволяет задать длину плеча по своей детали и заменить палец с упругим элементом за десять минут.
Что необходимо сделать правильно:
| Решение | Что делать |
|---|---|
| Длина плеча | Задаётся самым широким предметом, после чего остаётся принять усилие |
| Тяга | Пара шестерён на двух осях обеспечивает симметричное самопозиционирующее движение пальцев. Схема с одним пальцем при закрытии сдвигает деталь в сторону |
| Материал пальцев | PETG или нейлон для упругих элементов. PLA ползуче деформируется при постоянной нагрузке и принимает остаточную деформацию за несколько недель |
| Накладки | TPU или самоклеящийся пеноматериал EVA. Они примерно удваивают μ по сравнению с чистым PLA и бесплатно добавляют податливость |
| Податливость | Витая пружина между рычагом и пальцем — самое ценное вложение стоимостью 40p в конструкции |
| Жёсткий упор | Не позволяет команде с большой ошибкой заклинить пружину и передать через тягу полный момент останова |
| Обратная связь | Рычажный микровыключатель на одном пальце, примерно 50 пенсов. Именно он превращает демонстрацию в рабочую машину |
| Подключение | Отдельная шина питания сервопривода, общая земля и несколько сотен µF возле сервопривода |
Чего он не делает
Стоит сказать об этом прямо, поскольку именно эти ограничения требуют выбрать другое устройство:
- Нет управления силой. Вы задаёте положение и определяете по нему силу. Если задаче нужна заданная сила, необходим тензодатчик или драйвер с измерением тока, а не такое устройство.
- Сам по себе не определяет факт захвата. Обычный хобби-сервопривод ничего не сообщает. Добавьте выключатель.
- Плохо работает с круглыми, коническими или неправильными предметами. Требуется силовое замыкание, а не большее усилие; более сильное сжатие только ухудшает результат.
- Не удерживает бесконечно. Ток останова, нагрев и отказ сервопривода. Рассчитывайте рабочий цикл.
- Две точки контакта позволяют детали поворачиваться. Длинные предметы в середине перемещения выворачиваются из пальцев. Это исправляют три точки контакта или охватывающий палец.
Где он применяется
Это рабочий орган для комплекта руки 4-DOF и робота для захвата и перемещения. Он приводится точно как любой другой сервопривод — одним каналом PWM или одним из шестнадцати на PCA9685, когда в руке становится больше суставов, чем таймеров на плате.
Если вы подбираете плоские гладкие предметы сверху, сначала остановитесь и оцените стоимость присоски и небольшого насоса. Это будет дешевле, быстрее и бережнее любого устройства, которое можно напечатать.
Исследуйте граф
Используется в этих сборках
Проекты, учебные пути и симуляторы, в которых используется Захват на сервоприводе.
Вопросы
Захват на сервоприводе: частые вопросы
Что такое сервоприводный захват?
Двухпальцевый рабочий орган, который приводится одним хобби-сервоприводом, обычно через пару шестерён или ножничную тягу, чтобы оба пальца двигались вместе. Это самое дешёвое устройство, способное поднять предмет; оно крепится к запястью любой хобби-руки, и именно его использует почти каждая первая конструкция для захвата и перемещения. Вся конструкция обычно состоит из напечатанной рамы и одного SG90 и стоит несколько фунтов.
Сколько может поднять сервоприводный захват?
Усилие захвата равно моменту останова, делённому на длину плеча, поэтому SG90 с моментом 0.176 N·m и плечом 30 mm обеспечивает 5.87 N при останове и около 4.11 N непрерывно. Какую массу это поднимет, зависит от трения: при стандартной формуле F = m(g + a)·SF/(μ·n), усилии захвата 4.11 N, μ 0.4, коэффициенте запаса 2 и быстром подъёме удерживается примерно 100–120 g. Уменьшение длины плеча вдвое удваивает усилие, но вдвое уменьшает раскрытие пальцев.
Почему мой сервоприводный захват раздавливает предметы?
Потому что вы задаёте положение, а предмет чувствителен к силе, и жёсткие напечатанные пальцы преобразуют одно в другое слишком резко. При жёстких пальцах рабочий диапазон между падением клубники и её раздавливанием составляет около 0.1 mm хода захвата, тогда как один шаг сервопривода перемещает пальцы примерно на 0.5 mm. Нет ни одной команды, попадающей в этот диапазон. Последовательно включите пенополимерную накладку, пружину или напечатанный упругий элемент, и диапазон увеличится пропорционально 1/k.
Нужна ли обратная связь сервоприводному захвату?
Для самого захвата нет, но она нужна, чтобы знать, удалось ли захватить предмет. Обычный хобби-сервопривод для вас работает без обратной связи — удерживает угол и ничего не сообщает. Самое простое полезное решение — рычажный микровыключатель на внутренней стороне одного пальца, примерно 50 пенсов, который выдаёт цифровой сигнал о наличии предмета. Также можно измерять ток; это дополнительно позволяет обнаружить сдавливание, но требует настройки порога.
Может ли удержание предмета повредить сервопривод?
Да, при длительном удержании. Захват, сжатый на предмете, останавливает сервопривод, который без обдува потребляет около 0.5 A; SG90 нагревается за десятки секунд и выходит из строя за несколько минут такого режима. После размещения детали сразу откройте пальцы, после захвата уменьшите команду на один или два шага, питайте сервопривод от отдельного источника, а для длительного удержания используйте рычажный механизм с мёртвым положением или механическая защёлка, который не потребляет ток.
Что лучше — купить комплект или напечатать захват?
Напечатайте. Геометрия, которая действительно важна — длина плеча, раскрытие захвата и жёсткость пальцев, — это именно то, что покупной комплект фиксирует на значениях, выбранных для фотографии, а не для вашей детали. Напечатанный захват позволяет задать длину плеча по самому широкому нужному предмету и заменить палец с упругим элементом за десять минут. Покупайте комплект, только если для тяжёлой конструкции нужна металлическая рама.
Дополнительные материалы