Pneumatische hand op elektrische arm

Voortbordurend op het ontwerp van de elektrisch bewegende hand nu de pneumatische variant. Het grootste voordeel is dat het gewicht van de vier elektromotoren nu plaatsmaakt voor vier pneumatische cilinders die nagenoeg niets wegen. Ook de ruimte die de cilinders nodig hebben is veel geringer dus kon ik de hand een meer natuurlijke vorm geven. Deze keer heb ik de stand en lengte van de vingers gevarieerd zodat de vorm nog natuurlijker is dan zijn voorganger. De afmetingen van de hand zijn gelijk aan die van een volwassen man. De kracht in de vingers is nog iets toegenomen vergeleken met de elektrische variant. Maar dan moet je de luchtdruk wel tot flinke hoogte opvoeren. Heeft hij je pols te pakken dan staat de afdruk van zijn vingers in je arm!

 

Ober, een pilsje graag!

Tijdens het bouwen van de arm bedacht ik mij één ultiem doel voor het gevaarte… Laat deze verzameling legostenen mij, met één druk op de knop, een glas bier inschenken en dat vervolgens netjes aangeven. 

 

Heb je een beetje snelle internet verbinding?

 

Kijk dan eens naar dit filmpje (3,9MByte WMV file) en zie hoe ook jouw Lego Mindstorms jou een welverdiend drankje kan inschenken en aangeven! Overigens wordt het filmpje versneld afgespeeld. In werkelijkheid gaat het ruim 2x zo langzaam. Een klein Lego Motortje kan anders geen volle glazen optillen!

Enkele details van het systeem:

 

Automatisch bewegende arm.

Het geheel is 110cm lang en weegt ruim 3,7 kilogram. De arm en hand functioneren desgewenst vol-automatisch, reagerend op de omgeving en binnen een vooraf geprogrammeerd patroon. De hand komt tot aan de grond zodat spullen netjes opgepakt en neergezet kunnen worden. De voet aan de arm heeft een extra brede basis zodat stabiliteit gewaarborgd is.

 

 

Tilt 0,5kilogram tot 50cm hoogte.

De stand van de pols blijft horizontaal zodat ook op hoger gelegen vlakken zaken netjes opgepakt of neergezet kunnen worden. De arm heeft tevens een uitzwaai van 90° naar links en rechts. Het contragewicht aan de achterzijde van de arm zorgt ervoor dat het hefvermogen aanzienlijk is (getest tot 500gram met één motortje) en de arm niet voorover duikelt. Gezien de lengte van de arm gaat het tillen van een dergelijk gewicht wel gepaard met flink wat knarsend Lego… De grenzen van een Lego-arm zijn hiermee wel bereikt vermoed ik…

 

 

High Power Gear Racks. [details]

Om het relatief hoge moment tussen arm en voet de baas te blijven is voor een hefconstructie gekozen die o.a. in de mijnbouw wordt toegepast. Twee 16cm lange gear racks binnen in de arm (links op de foto) trekken de arm omhoog. Op elk gear rack grijpt een 8-tands tandwiel aan dat buitenom aan weerszijden met twee 40-tands tandwielen in verbinding staat met de interne wormschroef-gearbox die 24x vertraagt. De wormschroef zorgt ervoor dat de armhoogte gefixeerd is als de motor niet draait. Een rotatie-sensor meet de stand van de arm.

 

 

Driedubbel gefixeerde voetscharnier.

Vele varianten van de voetscharnier zijn aan dit ontwerp vooraf gegaan. Door het enorme moment in de voet bleek het niet eenvoudig een draaiend mechanisme te construeren dat de stijfheid van een solide balk heeft. Uiteindelijk is het gelukt door twee draaiplateaus nog eens extra te fixeren met een draaischijf (onderste rode pijl) waardoor de vereiste stijfheid wordt verkregen. De beide Technic Turntables worden aangedreven door 8-tands tandwielen die in combinatie met het onderliggend tandwielstelsel de 9V Geared Motor onder in de voet totaal 315x vertragen. Het naar links of rechts draaien van de arm wordt gemeten door een “home-brew” rotatie-sensor. Ik kwam er één tekort dus heb ik het met een tellende tastsensor opgelost die 17x wordt ingedrukt als de arm 90 graden uitzwenkt. (Arm versie 1.0)

 

Een light-sensor als rotatie-sensor. (Arm versie 2.0)

Bij het testen van de “Schenk bierglas vol” routine bleek de arm onvoldoende nauwkeurig uit te zwenken. Dat werd een natte boel. Het probleem was dat het indrukken van de tellende tastsensor veel kracht kost en derhalve torsiekrachten op de asjes veroorzaakte die de meeting van de arm-rotatie ernstig vertroebelen, afgezien van het feit dat ik “maar” 17 tikken op 90 graden rotatie had. Ik had dus een rotatie-sensor nodig die geen kracht vergt. En dat terwijl ik geen gewone rotatiesensor meer had! De light-sensor staat gericht op een zwart/wit geblokte schijf (papieren strook op 40tands tandwiel) die 35 witte vlakken voorbij laat schieten als de arm 90 graden uitzwenkt.

 

 

Anti-slip strips.

Gele rubber Lego snaren in de handpalm zorgen voor een stevige grip op gladde voorwerpen. Door deze rubbers in de handpalm te plaatsen blijft de zijwaartse kracht op de vingers beperkt zodat de scharnierende vingerkoontjes niet open gewrikt worden en de constructie relatief “licht” kan blijven.

 

 

Lichtgevoelige handpalm.

Een flexibele Fiber-optic Cable geleidt het invallend licht op de handpalm naar een lichtsensor. De fiber zit met het andere eind tegen de sensor aan. De lichtsensor is in de hand weggewerkt. Bij een lichtreductie van tenminste 10% wordt de hand automatisch gesloten. De ijkingsmomenten voor lichtinval (dus voordat een voorwerp in de handpalm komt) worden door de RCX bepaald. Zo kan de hand in wisselende lichtomstandigheden correct voorwerpen detecteren.

 

 

Elektrisch bediende pneumatische schakelaar. [details]

Een 27x vertraagde 9V Geared Motor beweegt de pneumatische schakelaar voor het sluiten en openen van de hand. Als de hand “open” is, dan staat de pneumatische schakelaar in de middenstand (alle leidingen geblokkeerd). Dit heeft als voordeel dat het opnieuw opbouwen van luchtdruk sneller gaat doordat de “terugvoerleidingen” geen nieuwe druk opbouwen die bij het sluiten van de hand toch direct vrijgegeven zou worden.

 

Robuust polsgewricht.

Twee gekoppelde Lego Technic TurnTables in de pols omklemmen een 2x2 steens dikke pin die vanuit de handrug de arm in steekt. Door deze dubbele draaischijfconstructie buigt de pols niet door als de hand een zwaar voorwerp draagt. Inderdaad, de pols kan dus niet buigen in tegenstelling tot de voorganger. De 252x vertragende tandwielcombinatie, inclusief wormschroef voor fixatie in rusttoestand, laat de hand behoedzaam draaien om de as van het polsgewricht. De stand van de pols wordt gemeten met een rotatiesensor (niet in beeld) achter de tandwielcombinatie.

 

 

Compressor.

Houdt de luchtdruk in het systeem op peil. Een motor drijft een kruk-as aan met daaraan twee mini-pompjes. Als de éne cilinder lucht perst, wordt de ander juist opnieuw volgezogen met lucht. Zo blijft de kracht op de kruk-as redelijk regelmatig. Een tandwielverhouding van 8:24 is net voldoende om die éne 9V Geared Motor voldoende druk op te laten bouwen voor een “stevige handdruk”.

 

 

Luchtdruk-meter.

Een pneumatische cilinder wordt tegengewerkt door twee spiraalveer-elementen (de krachtigste variant, uit de Silver Champion). Bij zeer hoge luchtdruk raakt de cilinderstang de touch-sensor (’t gele puntje links op de foto). Dat is het teken voor de compressor om te stoppen met pompen. Zodra de luchtdruk terugvalt (door het sluiten of openen van de hand) komt de touch-sensor weer vrij en start de compressor opnieuw.

 

Handpomp. [details]

De luchtcapaciteit van het gehele systeem is behoorlijk gezien de 2 meter aan pneumatische leidingen en de twee luchttanks. Dit heeft als voordeel dat de luchtdruk redelijk constant blijft bij het sluiten van de hand. Nadeel is dat de compressor met zijn beperkte luchtinhoud wel een tijdje zoet is met pompen voordat het systeem op druk is. De dubbel uitgevoerde handpomp kan je gebruiken om flink wat vaart te maken. Bovendien bespaart het je flink wat batterijen... Als het systeem eenmaal op druk is kan je de compressor het werk prima alleen laten doen.

 

Twee RCX Modulen.

Links de “Master”, rechts de “Slave”. De slave regelt autonoom de luchtdruk en sluit/opent de hand. De master bestuurt de slave (master bepaalt of de hand überhaupt mag sluiten als er een voorwerp in geplaatst wordt, maar kan deze ook geforceerd sluiten/openen). Daarnaast bestuurt de master de motoren voor de arm (hoogte en uitzwaai naar links of rechts) en de polsstand. Master en slave communiceren met elkaar via Infra-Rood boodschappen. Daarnaast reageren  zij beiden op IR-Messages vanaf de Mindstorms Afstandbediening (afkomstig uit Ultimate Accessory Set). Bijvoorbeeld om de hand en arm op elk gewenst moment naar de “rust-stand” terug te bewegen en de programma’s te beëindigen.

 

 

Voor een “closer look” hier een foto van voorzijde of achterzijde op hoge resolutie.

 

Download (rechter muisknop)

MLCAD-file: Hand essentials (Zipped)

PDF     -file: Bouwinstructies van de hand

LSC     -file: Balls_in_Basket – Master v1.0

LSC     -file: One_Beer_Please – Master v2.0

LSC     -file: Generic_- Slave_RCX

 

v1.0 = Armrotatie gemeten met tastsensor

v2.0 = Armrotatie gemeten met lichtsensor

 

 

Note: Start Master en Slave tegelijkertijd OF eerst de Master, daarna de Slave.

Korte beschrijving van “Balls_in_Basket”;

De hand komt in beweging zodra de luchtdruk op niveau is. Hij doorloopt de volgende routine (grove schets):

Korte beschrijving van “One Beer Please”;

De hand komt in beweging zodra de luchtdruk op niveau is. De arm en hand doorlopen de volgende routine (grove schets):

 

 

IR MESSAGING CONVENTION

M   =   Master RCX (Controlling Arm and Slave RCX)

S    =   Slave RCX (Controlling Air Pressure and Fingers)

R    =   Remote Control (From Ultimate Accessory Set)

 

From

To

IR-MsgNr.

Function

R

M

1

Select next arm movement routine (Set of multiple moves)

R

S

2

Reverse hand status from Open to Closed or back

R

M+S

3

Start Shut-Down-Sequence to move Arm & Hand to powerdown-position, then terminate program.

M

S

4

Status: Arm not ready for opening/closing hand [DEFAULT]

M

S

5

Status: Arm ready for hand to open/close

M

S

6

Status: Arm ready +
Command: Recalibrate Light Sensor (only effective when Hand=Open)

M

S

7

Command: Close Hand (Light sensor overruled)

M

S

8

Command: Open Hand (Slave timing overruled)

S

M

9

Status: Hand closed on light sensor

S

M

10

Status: Air Pressure = 100%

S

M

11

Status: No Air Pressure detected [DEFAULT]

 

 

…

 

M

S

20

Status: Message Confirmed [Used for IR-Code: <none>]

S

M

21

Status: Message Confirmed [Used for IR-Code: <none>]

 

 

…

 

 

 

 

Terug naar de TOP