Technisch ontwerp Project: Mannequin Arm + Schouder Bedrijf:Armus-Cubiti Opleiding Mechatronica Enschede, 22 november 2013 Versie 1.0 Opgesteld door: Klas: EMT2B Groep: 5B Sverre Centen 325537 Joost Dommerholt 332782 Egbert Leeftink 328105 Deloy Spijkers 300595
Afkortingen Afkorting betekenis BOM Bill of Materials ( Materialen lijst ) TCD Technisch constructie dossier TPD Technisch product dossier o.a. Onder andere d.m.v Door middel van PC Personal computer TTL Transistor transistor logic n.v.t. Niet van toepassing stk. Stuk(s) USB Universele seriële bus DC Direct current (gelijk stroom) GND Ground VDD Positive supply voltage
Inhoudsopgave technisch ontwerp 1. Inleiding... 4 1.1 Doel van het project... 4 1.2 Overzicht van het document... 5 2. Technisch constructie dossier (TCD)... 6 2.1 Algemeen... 6 2.1.1 Technische blokschema... 6 2.2 Mechanisch... 7 2.2.1 Keuze en berekeningen van mechanische componenten... 7 2.3 Elektrisch en Elektronisch... 8 2.3.1 Berekeningen van elektr(on)ische componenten... 9 2.3.2 Keuze van elektr(on)ische componenten... 12 2.4 Software... 13 2.4.1 Flowchart... 14 3. Technisch product dossier (TPD)... 15 3.1 Mechanisch... 15 3.1.1 Mechanisch schouder... 16 3.1.2 Mechanische elleboog... 17 3.1.3 Technische tekeningen... 18 3.1.4 Materialenlijst (BOM)... 19 3.1.5 Benodigdheden... 20 3.2 Elektrisch en Elektronisch... 21 3.2.1 Bedradingschema s... 21 3.2.2 IO-lijst... 22 3.2.3 Materialenlijst (BOM)... 23 3.3 Software... 24 Bijlage A... 25 Bijlage B... 28 3
1. Inleiding Dit hoofdstuk is een algemene introductie van dit project door middel van een beschrijving van het doel en een overzicht van de documentstructuur. 1.1 Doel van het project Het doel van het project is om de linker arm van een mannequin te laten bewegen. Onder de arm vallen de schouder en het ellebooggewricht, het is de bedoeling dat de arm een zo natuurlijk mogelijke beweging maakt. Het doel van het document is het vast leggen van de technische aspecten van het gehele systeem. In dit document wordt beschreven wat er allemaal nodig is om het systeem te realiseren. Tevens staan in dit document de technische tekeningen. Het automatiseren van de arm kan op verschillende manieren gebeuren, deze groep gaat gebruik maken van elektromotoren genaamd dynamixels. Deze motoren zijn zeer compact en zeer sterk, dus goed om te gebruiken voor de beweging van de arm. De arm moet volledig worden geautomatiseerd, dat wil zeggen dat er een softwarematige interface wordt gemaakt waarbij geregeld kan worden of de arm bestuurd kan worden vanuit de interface d.m.v. een aantal knoppen of dat de besturing een autonoom programma afloopt zodat de arm vanuit zichzelf een aantal bewegingen laat zien. Daarnaast moet de arm van de mannequin beveiligd worden tegen beknelling of storingen. Hiervoor moet bedacht worden wat er moet gebeuren als bijvoorbeeld iemand tussen de beweging komt. 4
1.2 Overzicht van het document In hoofdstuk twee is het TCD beschreven. In het TCD wordt alles beschreven wat betrekking heeft tot de realisatie van het systeem en het uiteindelijke ontwerp. Het hoofdstuk is onderverdeeld in de volgende paragrafen, met bijbehorende beschrijving: - 2.1 Algemeen: Algemene beschrijving van de realisatie en het ontwerpen van het systeem. - 2.2 Mechanisch: Mechanische beschrijving van de realisatie en het ontwerpen van het systeem. - 2.3 Elektrisch en elektronische: Elektr(on)ische beschrijving van de realisatie en het ontwerpen van het systeem. - 2.4 Software: Software beschrijving van de realisatie en het ontwerpen van het systeem. In hoofdstuk drie wordt het TPD beschreven. In het TPD worden alle benodigdheden beschreven die nodig zijn voor het maken van het systeem. Het hoofdstuk is onderverdeeld in de volgende paragraven, met bijbehorende beschrijving: - 3.1 Mechanisch: Overzicht van de mechanische benodigdheden voor het maken van het systeem. - 3.2 Elektrisch en elektronisch: Overzicht van de elektr(on)ische benodigdheden voor het maken van het systeem. - 3.3 Software: Overzicht van de software benodigdheden voor het maken van het systeem. 5
2. Technisch constructie dossier (TCD) Het technisch constructie dossier bevat alle informatie betreft het ontwerp en realisatie van het systeem. Het hoofdstuk is onderverdeeld in de volgende onderwerpen: algemeen, mechanisch, elektr(on)isch en software. In elk paragraaf wordt een onderwerp behandeld. 2.1 Algemeen In deze paragraaf staat een algemene beschrijving van het systeem gegeven met behulp van o.a. een technisch blokschema. 2.1.1 Technische blokschema In deze deelparagraaf wordt het systeem d.m.v. een technisch blokschema beschreven. (zie afbeelding 1). Het blokschema begint vooraan met de voeding van 230V AC, direct na deze voeding wordt de voeding omgezet naar 12V DC, dit is om de motoren van een juiste voeding te voorzien. De besturing van de Motoren wordt geregeld door een PC met het software programma labview. Deze stuurt zijn signalen in de vorm van een TTL signaal door een USB to TTL convertor naar de juiste motoren. Dynamixel (schouder) Tandwiel overbrenging Rotatie (Hele arm) Voeding 230V Transformator naar 12V PC met labview USB2dynamixel Dynamixel (elleboog) Rotatie (Onder arm) Afbeelding 1: Technisch blokschema 6
2.2 Mechanisch De enige mechanische berekening in dit project is de tandwieloverbrenging in de schouder. Deze wordt in deze deelparagraaf uitgelegd en berekend. 2.2.1 Keuze en berekeningen van mechanische componenten De arm is te zwaar om direct met een motor aan te worden gedreven. Daarom wordt er een tandwiel overbrenging in de schouder aangebracht (afbeelding 2). De motor wordt op tandwiel (1 ) diameter 14mm aangesloten. Deze staat in verbinding met tandwiel (2) diameter 42mm die is aangesloten op de schouder. De twee zorgen voor een verhouding van: =3 Voorbeeld: Diameter cirkel 1 = 14mm Straal = a= 0.007 m Diameter cirkel 2 = 42mm Straal = a = 0.021 m Nm cirkel1 ; 1 Nm Nm cirkel 2 Afbeelding 2: Berekening tandwiel overbrengen 7
2.3 Elektrisch en Elektronisch Hier in dit hoofdstuk worden de elektrische en elektronische componenten beschreven. De dynamixel motoren worden in dit systeem met elkaar door gelust via een Daisy chain, dit zijn 3 aders twee voor de voeding en één voor de data (TTL), hiermee worden de motoren aan elkaar gekoppeld. Om er voor te zorgen dat de arm nog demontabel is wordt er een in de schouder een koppeling gemaakt doormiddel van een RS 232 connector verbinding. De data verbinding wordt aangesloten op de TTL poort van de USB2dynamixel die wordt aangestuurd d.m.v. een PC/laptop met het software pakket Labview. Omdat de voeding 12V is en de USB2dynamixel maar 5V kan leveren wordt er gebruik gemaakt van een externe voeding. Het geheel is nog een keer hieronder weergegeven (afbeelding 3 elektr(on)ische schema). PIN 1 GND Motor schouder Type: Dynamixel MX-64T Voltage 12V Protocol: TTL Max current: 4.1 A Encoder: intern PIN 2 VDD PIN 3 Data PIN 1 GND PIN 2 VVD PIN 3 Data Motor elleboog Type: Dynamixel MX-64T Voltage 12V Protocol: TTL Max current: 4.1 A Encoder: intern PIN 1 GND PIN 2 VDD PIN 3 Data Legenda 230V AC 0V Aarde TTL USB2dynamixel PIN 1 PIN 2 PIN 3 RS 232 Female RS 232 Male PIN 1 PIN 2 PIN 3 12V dc GND Data USB PC (Labview) GND VDD Delta Elektronika Power supply E 030-3 220V-50Hz-200VA Serial: 08843 Fuse: 2A Ingested op 12 V 230V 0V Aarde Afbeelding 3: Elektr(on)ische schema 8
2.3.1 Berekeningen van elektr(on)ische componenten De keuze en de berekeningen van alle elektrische en elektronische componenten worden in deze deelparagraaf behandeld. Berekening hele arm Gegevens hele arm: m =Massa Gehele arm: 1.2 kg Massa punt F1 (motor): 0.2 kg Massa punt F2 (externe last): 1 kg Massa punt F3 (boven arm): 0,5 kg Massa punt F4 (onderarm); 0,5 kg h =Lengte: 0.80 m Ra = straal buitenkant:` 0.06 m Ri = Straal binnenkant : 0.05 m a = afstand van massamiddelpunt tot draaipunt: 0.4 m (zie afbeelding 4) Snelheid: 60 deg/s = 1.047 Rad/s Versnelling : 200 deg/s2 = 3.491 Rad/s 2 Berekening dynamische moment voor de gehele arm Eerst word de massatraagheid van de hele arm berekend De wet van Steiner zorgt ervoor dat de massatraagheid om de motor as kan worden berekend. 9
Berekening voor statisch moment: Afbeelding 4: Gehele arm Het statische en dynamisch moment zorgen voor het totale moment. Moment hele arm = Berekening onderarm Gegevens onderarm: m=massa onderarm: 0.5 kg Massa punt F4 (onderarm); 0,5 kg Massa punt F2 (externe last): 1 kg h =Lengte: 0.45 m Ra = straal buitenkant: 0.05 m Ri = Straal binnenkant: 0.04 m a = afstand van massamiddelpunt tot draaipunt: 0.225 m (zie afbeelding 5) Snelheid: 60 deg/s = 1.047 Rad/s Versnelling: 200 deg/s 2 = 3.491 Rad/s Berekening dynamische moment voor de gehele arm Eerst word de massatraagheid van de hele arm berekend De wet van Steiner zorgt ervoor dat de massatraagheid om de motor as kan worden berekend. de massatraagheid maal de versnelling zorgt voor het dynamische moment. 10
Berekening voor statisch moment: Het statische en dynamisch moment zorgen voor het totale moment. Moment onderarm = Afbeelding 5: Onderarm 11
2.3.2 Keuze van elektr(on)ische componenten In deze deelparagraaf wordt de keuze van de gebruikte motoren beschreven. Voor de motoren in de schouder en in de elleboog is er aan de hand van de berekening van hoofdstukken 2.2.1 en 2.3.1 gekozen voor de Dynamixel motor MX-64T (afbeelding 6). Dit is een motor met een zeer hoog koppel. Deze is sterk genoeg om direct in de elleboog te plaatsen. Voor de schouder is een overbrenging nodig deze berekening hiervoor staat in hoofdstuk 2.2.1 Het uiteindelijke koppel dat nodig is voor de motor geplaatst in de elleboog is 5.3Nm zoals berekend in hoofdstuk 2.3.1 Voor de motor geplaats in de schouder is echter een tand wiel overbrenging nodig (hoofdstuk 2.2.1). dit is een verhouding van 3:1. Het moment van de gehele arm is 13.11 (Hoofdstuk 2.3.1) Door de tandwielverhouding toe te passen kan dit met een factor drie worden terug gebracht. Hierdoor is het moment dat de motor aan moet kunnen 4.37Nm. Beide momenten kunnen worden geleverd door de MX-64T. Afbeelding 6: Keuze en specificaties motoren 12
2.4 Software Hieronder gaan we het hebben over de realisatie van de software van het systeem. Voor de realisatie van de software wordt in het programma LabVIEW gebruikt. Hierdoor hoeft er geen hardware matige interface gemaakt te worden omdat deze kan worden gevisualiseerd in software zelf. Onze motoren, de dynamixels, werken heel goed samen met het programma LabVIEW. Hiervoor zijn verschillende mogelijkheden om de motoren aan te sturen. Hieronder volgen een paar voorbeelden van het gebruik van dynamixels in het programma LabVIEW zoals het in dit project ook gebruikt gaat worden. Op afbeelding 7 wordt weergegeven hoe de software achter de interface er uit ziet. Hier kan ook worden ingegeven welke motor bij welke ID hoort en hoe de motoren aangestuurd moeten worden. Afbeelding 7: Voorbeeld software in het programma LabView. Op afbeelding 8 wordt weergegeven hoe de interface gemaakt wordt in het programma labview. Deze interface is zo gemaakt dat er gekozen kan worden tussen handmatig besturen of door een automatisch programma te laten lopen. Handmatig kan de vuist van de mannequin bestuurd worden, zoals op neer voor en achter. Bij automatisch zal er een vooraf geprogrammeerd programma worden uitgevoerd. Afbeelding 8: Voorbeeld van de interface om de arm te besturen. 13
2.4.1 Flowchart De software is in deze paragraaf weergegeven door middel van een flowchart toegelicht (zie afbeelding 9). Als eerste wordt het systeem geïnitialiseerd naar zijn begin stand. Daarna wordt moet de operator een keuze maken of hij voor een automatisch programma kiest of het systeem handmatig wil bedienen. Als de operator voor een automatisch programma kiest, ga het systeem door tot de operator het systeem weer uit zet. Als de operator voor handmatig kiest heeft hij de keuze uit vier opties: hand naar voren, hand naar achteren, hand naar boven en hand naar onderen. Afhankelijk van de positie van de hand zal het systeem de twee motoren in de elleboog en schouder voor/-achteruit bewegen of een combinatie van beide. Als het systeem ontdekt dat een actie langer duurt dan 5 seconde, dan gaat hij in storing en stopt alle acties. Hij blijft in deze mode tot de operator het systeem weer vrij geeft. Wanneer het systeem weer uit de storing mode komt gaat hij zicht weer initialiseren naar zijn begin stand. Systeem aan Initialiseren Automatische werking aan Automatisch Proces keuze Manueel Manuele werking aan Start automatische programma Besturing module aan Hand naar voren Hand naar boven Hand naar beneden Hand naar achteren Ja Initialiseer postie hand Initialiseer postie hand Initialiseer postie hand Initialiseer postie hand Storing vrijgeven Nee Beweeg hand naar voren Actie hand naar boven Actie hand naar beneden Actie hand naar achteren Actie langer dan 5 sec? Ja Actie langer dan 5 sec? Ja Actie langer dan 5 sec? Ja Actie langer dan 5 sec? Ja Nee Nee Nee Nee Alle actie s stoppen Aan Automatische werking aan/uit Uit Uit Manuele werking Aan aan/uit Afbeelding 9: Flowchart Software 14
3. Technisch product dossier (TPD) In dit hoofdstuk wordt het technisch product dossier beschreven. In het technisch product dossier staat alles wat er nodig is om het systeem te maken. Het hoofdstuk is onderverdeeld in de volgende onderwerpen: Mechanisch, elektr(on)isch en software. In elk paragraaf wordt een onderwerp behandeld d.m.v. tekeningen, schema s en lijsten. 3.1 Mechanisch In deze paragraaf wordt de benodigde mechanische onderdelen beschreven aan de hand van tekeningen, materialenlijst en verdere benodigdheden. 15
3.1.1 Mechanisch schouder De tekeningen hieronder zijn de tekeningen van de schouder motor. Hierin is een overbrenging aangebracht die het gewicht van de gehele arm moet tillen. De Dynamixel komt in de torso van de mannequin, en de andere montage plaat komt in de schouder van de arm. Deze arm wordt ook geborgd aan de motor in de torso. In de schouder wordt de as geborgd met een borgpen, de borgpen kan uit de schouder worden gehaald zodat de hele arm los kan worden gemaakt. (afbeeldingen.. en.. ) Afbeelding 10: zij aanzicht schouder Afbeelding 11: exploded view schouder 16
3.1.2 Mechanische elleboog De tekeningen hieronder zijn de tekeningen van de elleboog motor en de bevestigingsbeugels. De Dynamixel is direct op de bevestigingsbeugel gemaakt. Op de bevestigingsbeugels zijn platen gemaakt. Op die platen, zitten cilinders, deze cilinders vallen in de boven- en onder arm en kunnen in de armen worden vastgezet. (afbeeldingen.. en.. ) Afbeelding 12: exloded view elleboog Afbeelding 13: Zijaanzicht elleboog 17
3.1.3 Technische tekeningen De technische tekeningen staan hier onder beschreven, de tekeningen zijn onderverdeelt in twee delen. De elleboog en de schouder. De elleboog: De technische tekening van de elleboog staat in bijlage A. In bijlage A staat een totale tekening van de elleboog (afbeelding 16) en tekeningen van de aparte onderdelen (afbeelding 17 t/m 20). De schouder: De technische tekening van de schouder staat in bijlage B. In bijlage B staat een totale tekening van de schouder (afbeelding 21) en tekeningen van de aparte onderdelen (afbeelding 22 t/m 29). 18
3.1.4 Materialenlijst (BOM) In deze deelparagraaf wordt de benodigde materialen beschreven die nodig zijn voor het bouwen van het mechanische gedeelte van het systeem. De materialen worden weergegeven d.m.v. een materialenlijst (zie tabel 1). Tabel 1: Mechanische materialenlijst (BOM) Materiaal Dynamixel MX-64T (besteld) Bevestigingsbeugel (besteld) Tandwiel 12 tanden (besteld) Tandwiel 42 tanden (besteld) Aantal 2stk. 1 stk. 1 stk. 1 stk. 19
3.1.5 Benodigdheden In deze deelparagraaf staan de overige benodigdheden die nodig zijn voor het bouwen van het systeem. Denk hierbij aan schroeven en andere benodigdheden. De materialen worden weergegeven d.m.v. een materialenlijst (zie tabel 2). Tabel 2: Mechanische benodigdheden Materiaal Aluminium plaat 5mm Dikte (500*500mm) (aanwezig in werkplaats) Aluminium plaat 10mm Dikte (100*100mm) (aanwezig in werkplaats) Aluminium As 30mm Dikte (100mm lengte) (aanwezig in werkplaats) Inbus Schroeven M3*20 Sluitring M3 Zeskantmoeren M3 Inbus Schroeven M4*30 Sluitring M4 Zeskantmoeren M4 Aantal 1 stk. 2 stk. 1 stk. 20 stk. 20 stk. 20 stk. 20 stk. 20 stk. 20 stk. Gereedschap M4 handtap Aluminium Staalboor 3,5 mm Kolomboormachine Afkortzaag (voor het afzagen van de arm bij de elleboog) Draaibank (voor het maken van een as voor de motoren) Freesbank (voor het frezen van het systeem voor de overbrenging) Aantal 1 stk. 1 stk. 1 stk. 1 stk. 1 stk. 1 stk. 20
3.2 Elektrisch en Elektronisch In dit hoofdstuk worden de elektrische en elektronische onderdelen beschreven aan de hand van tekeningen, materialenlijst en verdere benodigdheden. 3.2.1 Bedradingschema s Hieronder worden de bedradingen van het systeem beschreven. Dit wordt met behulp van bedradingschema s verduidelijkt (zie hoofdstuk 2.3 afbeelding 3 bedradingschema pagina 8). De dynamixel motoren worden in dit systeem met elkaar door gelust via een Daisy chain, dit zijn 3 aders twee voor de voeding en één voor de data (TTL), hiermee worden de motoren aan elkaar gekoppeld. Om er voor te zorgen dat de arm nog demontabel is wordt er een in de schouder een koppeling gemaakt doormiddel van een RS 232 connector verbinding. De data verbinding wordt aangesloten op de TTL poort van de USB2dynamixel die wordt aangestuurd d.m.v. een PC/laptop met het software pakket Labview. Omdat de voeding 12V is en de USB2dynamixel maar 5V kan leveren wordt er gebruik gemaakt van een externe voeding. 21
3.2.2 IO-lijst Hieronder worden de inputs en outputs van het systeem beschreven. In dit project wordt gebruikt gemaakt van één IO signaal die de twee dynamixels aanstuurt. Dit signaal wordt gebruikt om te communiceren tussen de dynamixels en de USB2dynamixel converter. Dit TTL signaal is een één draadsysteem, er gaat dus een send & recieve bericht over één en dezelfde draad. Om de dynamixel motoren aan te sturen hoeven er maar 3 draden naar elke motor gemaakt te worden. Alle motoren zitten doorgelust achter elkaar achter de USB2dynamixel converter. De converter ( zie afbeelding 15) zit met USB weer verbonden aan de laptop of PC met labview software (zie afbeelding 16), in deze software wordt de interface gevisualiseerd en kunnen de motoren aangestuurd worden. Afbeelding 14: USB to TTL omzetter Afbeelding 15: Complete IO van PC tot dynamixels 22
3.2.3 Materialenlijst (BOM) In deze paragraaf staat de materialenlijst die nodig is voor het bouwen van het elektrisch en elektronisch gedeelte van het systeem. De materialen worden weergegeven door middel van een materialenlijst.(zie tabel 3). Tabel 3: Elektrische materialenlijst (BOM) Materiaal Kabel 0.5mm 2 Rood Kabel 0.5mm 2 zwart Kabel 0.5mm 2 paars Soldeertin RS 232 Male RS 232 Female eurostekker Krimpkous Aantal 2m 2m 2m 1m 1stk. 1stk. 1stk. 1m Gereedschappen Soldeerbout Zijkniptang Schroevendraaiers Föhn (voor krimpkous) Aantal 1stk 1stk. 1 stk. 1stk. 23
3.3 Software In deze fase van het project is er nog niet gewerkt aan de code die bedoeld is voor de software. De software is daarom nog niet af en kan dan ook nog niet worden weergegeven in dit hoofdstuk. 24
Bijlage A In deze bijlage staat de totale tekening (zie afbeelding 16) voor de elleboog en de losse onderdelen (zie afbeelding 17 t/m 20) die nodig zijn voor de elleboog. Afbeelding 16: totale tekening elleboog 25
Afbeelding 17: bevestigingsblok Afbeelding 18: plaat boven 26
Afbeelding 19: plaat boven Afbeelding 20: Verbindingsbeugel boven 27
Bijlage B In deze bijlage staat de totale tekening (zie afbeelding 21) voor de elleboog en de losse onderdelen (zie afbeelding 22 t/m 29) die nodig zijn voor de elleboog. Afbeelding 21: totale tekening schouder 28
Afbeelding 22: As Afbeelding 23: bevestiging kleine tandwiel 29
Afbeelding 24: bevestigingbus Afbeelding 25: bevestigingsplaat groot tandwiel 30
Afbeelding 26: bevestigingbus 2 Afbeelding 27: borgpen 31
Afbeelding 28: verbindingsbeugel Afbeelding 29: verbindingsblok 32