Robotska ruka

Kako dimenzionirati komponente za ispravan rad robotske ruke

Uvod

Robotska ruka je odličan projekt za radionicu jer spaja mehaniku, elektroniku i programiranje u jednom sustavu. Ovdje se ne upravlja samo motorima nego se i istražuje koliko struje motor stvarno traži, što se događa kad je opterećenje veće i zašto napajanje mora biti pravilno dimenzionirano.

U ovom projektu izrađujemo i testiramo robotsku ruku s 4 motora uz Arduino, a poseban naglasak stavljamo na strujni dio sklopa i sigurnost rada. Cilj nije samo da se ruka pomakne, nego razumijevanje razlike između napona, struje, snage, opterećenja i ograničenja motornog drivera u stvarnom sustavu.

Cilj projekta

• Razlikovati napon napajanja od struje koju motor povlači pod opterećenjem.
• Objasniti zašto motor pri blokadi ili teškom startu povlači mnogo veću struju nego u praznom hodu.
• Procijeniti zašto jedan izvor napajanja često nije dovoljan i za Arduino i za više motora bez smetnji i padova napona.

Motori

Za pogon robotske ruke koristiti će se servo motori SG90. SG90 radi tipično na 4.8 V do 6 V, a za Arduino projekte se najčešće koristi 5 V napajanje; problem u praksi nije upravljački signal nego to što servo pod opterećenjem može povući znatno više struje nego što Arduino smije sigurno davati sa svoje 5 V grane. Ovi motori traže oko 200 mA u radu pod opterećenjem, dok maksimum po servu može ići do približno 600 mA ili više, pa 4 serva traže ozbiljnije vanjsko 5 V napajanje i zajedničku masu s Arduinom.

SG90 ima moment oko 1.8 kg-cm pri 4.8 V, što je dovoljno za male i lagane školske konstrukcije, ali nije prikladno za težu ruku ili veći doseg. To znači da zadaci trebaju učenike voditi prema zaključku da oblik ruke, duljina krakova i masa hvataljke izravno određuju hoće li servo raditi mirno ili biti stalno blizu preopterećenja.

Istraživanje i analiza

Zadatak 1: Analiza napajanja serva

• Nacrtaj blok dijagram napajanja s odvojenim 5 V izvorom za SG90 servo motor i Arduinom kao upravljačkom jedinicom, uz zajedničku masu. Vanjsko napajanje za servo preporučuje se zato što SG90 pod opterećenjem može povući višestruko više struje od onoga što je sigurno uzeti direktno s Arduino pina ili slabe 5 V grane.
• Izračunaj tri scenarija ukupne struje za 4 serva, mirno držanje položaja, normalno gibanje i vršno opterećenje pri pokretanju ili zapinjanju.
• Procijeni koliko jako napajanje treba za ovakav projekt. Za četiri servo motora treba planirati više od običnog Arduino napajanja.

Zadatak 2: Analiza opterećenja zglobova

• Za svaki servo odredi njegovu funkciju (baza, rame, lakat, hvataljka), te procijeni koji nosi najveći moment.
• Usporedi kratku, laganu ruku i dužu, težu ruku te objasni zašto isti SG90 može raditi dobro u jednom slučaju, a loše u drugom.
• Procijeni što se događa kada servo dugo drži teret bez gibanja.

Zadatak 3: Analiza rizika u radu

• Navedi što se može dogoditi kad su 4 SG90 serva spojena na loše ili preslabo 5 V napajanje.
• Objasni zašto se servo ne smije napajati direktno s Arduino I/O pina.
• Predloži zaštitne mjere, kako bi se zaštitio Arduino i ostale osjetljive komponente u sklopu.

Eksperimenti

Eksperiment 1: Jedan SG90 bez tereta i pod teretom

• Pokreni jedan SG90 bez mehaničkog opterećenja i promatraj mirnoću rada, zvuk i temperaturu
• Dodaj lagani teret i ponoviti opažanje.
• Zapiši zaključak.

Eksperiment 2: Dva pa četiri serva odjednom

• Pokreni jedan, zatim dva, pa sva 4 SG90 serva istovremeno i zabilježi ponašanje sustava. Posebno promotri pojavljuju li se trzaji, usporavanje ili reset sklopa.
• Zapiši zaključak.

Eksperiment 3: Usporedba dva izvora napajanja

• Usporedi rad sustava na slabijem USB izvoru i na stabilnom 5 V vanjskom napajanju većeg kapaciteta. SG90 je nominalno 4.8 V servo i traži vanjski izvor kada ih je više ili kad su pod opterećenjem.
• Zapiši zaključak.

Eksperiment 4: Mehaničko preopterećenje

• Postavi ruku tako da jedan zglob podiže sve teži teret ili dulji krak. Promotri kada servo počne zujati, sporije se pomicati ili više ne može držati položaj.
• Zapiši zaključak.

Pitanja

• Zašto se SG90 ne napaja direktno s Arduino pina ili slabe 5 V grane?
• Zašto robotska ruka sa 4 SG90 serva treba vanjsko 5 V napajanje i zajedničku masu s Arduinom?
• Koji zglob najviše opterećuje servo i zašto duljina kraka mijenja potrebni moment?
• Zašto servo može zujati i grijati se i kad stoji na mjestu?
• Što je prihvatljivo za lagani školski prototip, a što više nije pouzdano za ozbiljniji mehanički sustav?

Razgovaraj na Discord-u. (pridruži se)