Сила сервопривода в захвате: заклинивание и податливость

Это задача единиц, а не настройки

Вся сложность захвата на сервоприводах для любителей укладывается в две строки:

• Объект реагирует на силу. Ниже нижнего предела он выпадает, выше верхнего — разрушается.
• Сервопривод принимает положение. writeMicroseconds(1300) соответствует углу, и сервопривод удерживает этот угол, прикладывая необходимые усилия.

Это разные величины, а преобразует их последовательная жёсткость всей цепи от рычага сервопривода до объекта — рычага, пальца, накладки и самого объекта. Если жёсткость этой цепи равна k, то перемещение пальцев на Δc за пределы первого контакта создаёт

N = k · Δc

а допустимый диапазон сил, выраженный в единицах перемещения, которые можно задать, равен

Δc_window = ( F_ceiling − F_floor ) / k

Все положения этой страницы следуют из одного уравнения, включая причину, по которой более жёсткий и качественно напечатанный палец делает захват хуже.

Что сервопривод действительно может разрешить

Рабочее разрешение любительского сервопривода составляет примерно один градус после учёта мёртвой зоны, люфта редуктора и квантования источника импульсов. Этот градус превращается в перемещение пальцев через плечо силы L:

step = L · (π/180)

Обратите внимание на два важных обстоятельства. Короткое плечо силы обеспечивает одновременно большую силу и более высокое разрешение — по обоим параметрам, важным для захвата. Цена этого — диапазон: перемещение пальцев при повороте рычага на θ равно L·θ, поэтому плечо 12 mm при повороте на 120° обеспечивает раскрытие 25 mm и не позволяет обхватить бутылку диаметром 65 mm.

Плечо силы выбирают по самому широкому объекту, который необходимо поднять, а сила и разрешение получаются как следствие. Если одновременно нужны диапазон и сила, для этого служат тяга или кинематическая схема.

Второй важный момент: PCA9685 с 12 битами обеспечивает разрешение команды примерно 0.09°, которое может показаться достаточным для решения проблемы, но это не так. Граница задаётся мёртвой зоной и редуктором сервопривода, а не источником импульсов. Более точные команды дают более плавное движение, а не более высокую точность силы — та же закономерность, что и при микрошагах, повышающих разрешение следования, а не точность.

Измеренный диапазон сил

Теперь объединим обе части. Возьмём клубнику: 15 g, μ 0.6, предел разрушения около 3 N и SG90 с плечом 30 mm, создающим 4.11 N непрерывно. При подъёме на 250 mm за 0.9 s нижний предел по скольжению равен 0.29 N, а верхний — min(3, 4.11) = 3 N, поэтому диапазон сил равен 2.71 N. Разделив его на жёсткость, получим:

Диапазон изменяется точно как 1/k. Двадцать пять, делённое на тридцать пять сотых, даёт семьдесят один, и 7.739 / 0.108 — тоже семьдесят один. Здесь нет приблизительности: перетаскивая ползунок жёсткости в симуляторе захвата, можно наблюдать, как два значения изменяются согласованно друг с другом.

Ниже одного шага сервопривода не существует рабочего положения. Это не «сложно настроить» — значение команды, попадающее в диапазон, просто не существует, и никакая прошивка его не обеспечит. Это самое полезное знание, которое стоится получить перед печатью пальца.

Почему тогда работают жёсткие захваты?

Потому что они вообще не попадают в диапазон. Они перелетают его и останавливаются, зафиксированные на собственной границе силы сервопривода, и это работает, только пока граница случайно находится ниже предела разрушения объекта.

Прогоните объекты в симуляторе с жёстким пальцем, и столбец «рабочие положения» будет равен нулю для каждого из них — тем не менее четыре из шести удерживаются вполне надёжно:

Сервопривод работает как муфта, которую вы не проектировали и не можете настроить. Она удерживается на значении τ·0.7/L, и всё, что слабее, разрушается.

Это действительно контринтуитивное следствие: установка более крупного сервопривода делает захват хуже. Переместите ползунок момента заклинивания от SG90 к MG996R, и случайная муфта поднимется выше предела разрушения яйца — теперь вы разбиваете и яйца. Увеличение момента почти так же часто является неверным ответом на вопрос «он роняет предметы», как и правильным.

Цена удержания при заклинивании

Сервопривод, зафиксированный против объекта, находится в состоянии заклинивания. Он не вращается, поэтому не создаёт механической мощности, и вся потребляемая обмоткой энергия превращается в тепло.

• SG90 при заклинивании и 4.8 V потребляет примерно 650–750 mA. При 70% момента заклинивания через двигатель без обдува и в пластиковом корпусе всё ещё проходит около 0.49 A.
• Сервоприводы нагреваются за десятки секунд и выходят из строя за минуты. Обычный симптом — сервопривод работает, затем слабеет и начинает дрожать, затем гудит и не делает ничего.
• Дешёвый стабилизатор 5 V, питающий несколько таких сервоприводов, создаст просадку питания, которая перезагрузит микроконтроллер посреди захвата.

Что исправляет это, примерно по возрастанию стоимости:

1. Не удерживайте то, что не требуется удерживать. Откройте захват сразу после установки детали. Самая распространённая ошибка — конечный автомат, который оставляет пальцы закрытыми на пустом захвате на весь обратный путь.
2. После захвата уменьшите усилие. Сначала плотно закройте пальцы, затем уменьшите команду на один-два шага. При последовательной податливости большая часть силы сохранится; без неё сила исчезнет полностью, что служит ещё одним доводом в пользу податливости.
3. Питайте сервопривод от отдельного источника, а не от стабилизатора платы, и разместите рядом конденсатор на несколько сотен µF.
4. Для длительного удержания добавьте механический фиксатор или рычажную схему с самофиксацией за предельным углом. Так поступают промышленные захваты, и механизм потребляет нулевой ток.
5. После минуты удержания измерьте температуру корпуса пальцем. Тёплый корпус допустим. Если палец нельзя удержать на корпусе, остаётся примерно неделя работы.

Создание податливости

Податливость одновременно исправляет обе проблемы: расширяет диапазон и выводит сервопривод из режима заклинивания. Есть четыре способа получить её, от самого дешёвого:

Пенная накладка или TPU (k ≈ 4 N/mm)

Наклейте пену EVA или напечатайте накладку из TPU толщиной 3–4 mm. Это ничего не стоит, выполняется за пять минут и переводит решение из нуля рабочих положений примерно в одно. Это работоспособное минимальное исправление, но для хрупких деталей его недостаточно.

Последовательная удлинительная пружина (k ≈ 0.8 N/mm)

Разместите пружину между рычагом сервопривода и пальцем, добавив паз и штифт, чтобы механизм мог компенсировать ход. Теперь сервопривод задаёт прогиб пружины, то есть фактически силу с реальным допуском. Это последовательный упругий исполнительный механизм, собранный из компонента стоимостью 40p и лучшее по соотношению цены и результата изменение во всём захвате.

Правила проектирования: выберите пружину, рабочий прогиб которой охватывает ваш диапазон в несколько миллиметров, слегка создайте натяжение, чтобы при первом контакте не было мёртвой зоны, и добавьте жёсткий упор, чтобы аварийная команда не могла свести витки пружины и передать через механизм полный момент заклинивания.

Напечатанный упругий палец (k ≈ 0.35 N/mm)

Палец с намеренно тонким участком, который изгибается. При печати ничего не стоит, дополнительные детали не нужны, а диапазон самый широкий из четырёх. Печатайте из PETG или нейлона, а не из PLA: PLA подвержен ползучести при постоянной нагрузке, и за несколько недель удержания деталей упругий элемент примет остаточную деформацию.

Толщина имеет решающее значение: жёсткость изгибающейся балки пропорциональна кубу толщины, поэтому 2 mm против 1.5 mm дают коэффициент 2.4. Напечатайте полоску для испытания, подвесьте известные грузы, измерьте прогиб, и через десять минут получите k. В симулятор следует вносить именно измеренное значение, а не предустановленное.

Пальцы fin-ray

Весь палец представляет собой ферму, которая обхватывает объект при нагружении. Это одновременно обеспечивает податливость и частичное геометрическое замыкание, поэтому такие пальцы стали основным решением для любительских захватов неправильных объектов. Их сложнее моделировать: эффективная жёсткость изменяется по мере обхвата, поэтому значение следует измерить, а не вычислять.

Чем обходится податливость

Она не бесплатна, и о компромиссе следует сказать прямо:

• Точность положения объекта. Деталь оказывается там, куда её поместила податливость, а не там, куда вы задали команду. Если деталь необходимо установить с точностью 0.2 mm, податливость работает против вас и нужен жёсткий захват с реальным измерением силы.
• Время установления. После быстрого движения мягкий палец колеблется. После смыкания и перед подъёмом добавьте короткую задержку, иначе вы измерите колебание, а не силу захвата.
• Ползучесть. Любой пластик под постоянной нагрузкой постепенно деформируется. Пружины и упругие элементы из PETG значительно лучше PLA.
• Невозможность ощутить объект. Податливость делает положение самого сервопривода менее точным показателем состояния кончика пальца, поэтому для обнаружения захвата нужен выключатель или датчик — см. конечный автомат перемещения деталей.

Четыре значения, которые нужны перед печатью

1. L, плечо силы — определяется самым широким объектом. Остальные значения следуют из него.
2. k, последовательная жёсткость — измеряется подвешиванием грузов к напечатанному испытательному пальцу.
3. F_crush — измеряется кухонными весами и несколькими разрушиваемыми образцами.
4. step = L·(π/180) — вычисляется арифметически.

Затем проверьте (min(F_crush, τ·0.7/L) − F_floor)/k > step. Если условие не выполнено, никакая прошивка не заставит захват работать, а исправление всегда состоит в уменьшении k, а не в увеличении момента.

Далее

• Трение, силовое замыкание и почему два контакта — это ставка — отказ, который нельзя устранить одной силой
• Типы роботозахватов и сила сжатия — откуда берётся нижний предел
• Симулятор захвата — изменяйте жёсткость и следите, как диапазон изменяется как 1/k
• Сервопривод SG90 — компонент, предполагаемый на этой странице
• Управление сервоприводами с PCA9685 — что делать, когда сервоприводов становится шесть