ذراع روبوتية بتحكم آلي

مقدمة

تقنيات التصنيع الحديث كثيرة، و كل يوم في تطور مذهل. ولكن هناك بعض التقنيات الأساسية التي لايمكن التخلي عنها في كافة المجالات وتعتبر بمثابة عامل مشترك في جميع مراحل التصنيع، و هي استخدام الأذرع الآلية في مجالات التصنيع المختلفة.

و جدير بالذكر أن أول ذراع روبوتية تم صنعها كانت عام 1961 ميلادية بتكلفة $25,000.

يتم استخدام الأذرع الآلية عادة في رفع المواد الثقيلة وتجميع المكونات المختلفة وجمع الأجزاء والمواد الخام، تستخدم أيضاً في أعمال اللحام والقص والقطع وغيرها العديد من المهام التي لا تحصى، وذلك بغرض توفير الجهد و الوقت على العمال وتسريع معدل الإنتاج.

و في الغالب تكون هذه الأذرع الآلية مبرمجة لعمل مهام معينة و تتكرر تلك المهام لإنجاز مهمة أكبر أو لإنهاء خطوة معينة في مرحلة من مراحل التصنيع بالتكامل مع بعضها البعض لحين تجهيز وتسليم المنتج النهائي. ومثل ذلك في مصانع الأطعمة والتعليب والسيارات و صناعة المعدات و غيرها الكثير في حياتنا اليومية.

تصميم وتنفيذ هذا المجسم من الصفر كان تحدياً كبيراً بالنسبة لي، ولذلك قمت بإختيار تصميم بسيط كبداية، وسيتم تطويره فيما بعد. و لجعل هذا المشروع غير اعتيادي قررت أن يتم التحكم في الذراع الآلي عن طريق برنامج محاكاة وأتمتته كما هو الحال في المصانع الحقيقية، ولكن بشكل مصغر.

عملي كمبرمج جعلني أصنع تطبيق يعمل على أتمتة ومحاكاه المهمات التي يقوم بها الروبوت، ويمكن من خلاله تحريك الذراع لعمل مهمات مختلفة كنقل بعض الأشياء من مواضع مختلفة. وكمثال تم تنفيذه هو نقل مجموعة من المكعبات من مكان لمكان، وسيتم شرح هذه الإمكانيات بالتفصيل في الخطوات.

نبدأ على بركة الله ..

المتطلبات

لكي تبدأ عمل هذا المشروع بنفسك لا تحتاج خبرة كبيرة في مجال البرمجة أو حتى الأردوينو، فبإختصار سيتم شرح كافة الخطوات اللازمة لبناء مشروعك الخاص.

مستوى الصعوبة

متوسط

المكونات

١- لوحة أردوينو

٢- عدد 4 محركات سيرفو

٣- أسلاك توصيل

4- علبة للبطاريات 4 * 1.5 فولت

الأدوات المستخدمة للصنع

١- Rotary tool .. (ماكينة تستخدم للقص و الثقب و الصنفرة)

٢- لوح خشب إم دي أف 2مم  30*30 سم

٣- لوح خشب إم دي أف 4مم 30*30 سم

٤- منشار

٥- مفكات

٦- غراء خشب

٧- غراء ورق

الخطوات

الخطوة الأولي: قص الخامات و تشكيل التصميم

في البداية قم بتحميل ملف تصميم الذراع من هنا وإطبعها على ورق A4.

قم بلصق الـ pattern على الخشب MDF لكي تبدأ في عملية القص (سُمك لوح الخشب 2مم).

قم بقص الخشب بنفس الشكل المطبوع على الورق، وقم بقص فراغات لتثبيت محركات السيرفو، و يتضح هذا في الملف الذي قمته بتحميله.

بعد ذلك أطبع ورق “التصميم الملون” على ورق A4 وإلصقة على الخشب لتجميل الشكل الخارجي.

الخطوة الثانية: بناء قاعدة الذراع الآلية

قاعدة الروبوت أو الذراع مصنوعة من الخشب إم دي أف 4 مم، وتشبه الصندوق إلى حد كبير.

حجمها 17 سم * 10 سم و إرتفاعها 6 سم.

يثبت بهاموتور سيرفو في المنتصف و هو المسؤول عن تحريك الهيكل بالكامل. ستحتاج أيضاً لأسطوانة يتم تثبيت الذراع عليها لتسهيل عملية التحريك وتكون بالمقاسات التالية: ارتفاع 2 سم و القطر 10 سم. و هي يمكن أن تصنع من الكروتون المقوى أو خشب أو أي خامات أخرى قد تراها مناسبة لك.

الخطوة الثالثة: المقبض

مقبض الذراع أو الـ Gripper

و تم صنعه من اسلاك معدن سميكة تشكل على شكل المقبض “يمكن استخدام اسلاك شماعات الملابس المعدنية”، مثبت عليها قطع خشبية صغيرة بحجم 2 سم لكي تحل محل اليد وتكون قادرة على إلتقاط الأشياء.

المقبض مصنوع من جزئين، جزء متثبت في الذراع والجزء الأخر مثبت في موتور السيرفو أعلى الذراع و هو القادر على الحركة للسماح بالتقاط أي شيء.

الخطوة الرابعة: تجميع الهيكل

تجميع الهيكل بسيط جداُ، حيث أنه كل شيء مُعد مسبقاً. فما عليك سوى تركيب محركات السيرفو في المكان المخصص لها كما هو موضح بالصور.

الخطوة الخامسة: تركيب الدائرة الكهربية

الدائرة الكهربية بسيطة وتتكون من:

1. 4 بطاريات 1.5 فولت

2. 4 محركات سيرفو

3. لوحة أردوينو أونو

4. أسلاك توصيل

وفي هذه الصورة توضيح لكيفية توصيل الأسلاك ، ويرجى التأكد من أن المحركات متصلة بمصدر الطاقة الخارجية (البطاريات) لأن لوحة الأردوينو غير قادرة على إمداد الجهد الكهربي لكافة المحركات في آن واحد.

الخطوة السادسة: برنامج المحاكاه والتحكم

تم بناء تطبيق بإستخدام لغة C Sharp يعمل بتقنية Windows Application، ومن خلاله يتم التحكم الكامل في لوحة أردوينو المثبت عليها محركات الذراع الآلي. يقوم هذا البرنامج بإرسال واستقبال أوامر عبر الـ Serial port بين جهاز الحاسب و اللوحة، ويتميز بواجهة رسومية تعمل على محاكاة حركة الذراع، وفيما يلي شرح مفصل لهذا البرنامج:

في الحقيقة يعتبر هذا الجزء المفضل بالنسبة لي، و هو تحدي بناء برنامج لمحاكاة التحكم الآلي Automation في الذراع و إعطاؤه أوامر لتنفيذها، مثل التحرك في اتجاه معين أو التقاط شيء من مكان لمكان، وهكذا تماماً مثلما يتم التحكم في خطوط الإنتاج بالمصانع.

يقوم البرنامج بقراءة زوايا المحركات وإرسالها لواجهة المستخدم وبناء علية يقوم المستخدم بتحريك شريط التمرير لتحريك المحركات بمواضع مختلفة وكأنك تعمل على ريموت كنترول لأحد ألعاب الأطفال.

اعتمدت على قراءة أربع زوايا رئيسية للأربعة محركات وهي المثبتة في الذراع، و تم التعامل معها كمثل الذراع البشري (قاعدة التحكم في الهيكل، الكتف، الكوع، المقبض ). و مع كل حركة يتم تسجيل أربعة زوايا مختلفة في مصفوفة عددية (A,B,C,D) وذلك لتسجيل الموضع الصحيح. فمن المتعارف عليه أن محرك السيرفو المستخدم يقوم بالتحرك في زوايا تبدأ من 0 إلى 180 درجة.

وعند تغيير هذه القيم يتغير موضع ومكان الذراع، ولكي تكون الحركة طبيعية تم تحديد أقصى لزاوية كل محرك على حده، ومن ثم تثبيت هذه القيم و وضعها كدليل إرشادي في الشريط الجانبي لواجهة المستخدم بالبرنامج، و ذلك من أجل السيطرة على الذراع والحفاظ عليها من الكسر.

كما يقوم البرنامج بتسجيل جميع التحركات و عرضها في قائمة للمستخدم، وحساب عدد المرات التي تم تحريك الذراع فيها. كما يمكن تهيئة البرنامج بأن يرسل مهام جديدة يقوم بها الروبوت و يمكن مشاهدة كل هذا في الواجهة الرسومية في صورة مخطط chart.

* كود الأردوينو للمشروع مُقسم إلى ملفين وعند فتح أحدهم على برنامج Arduino ADE سيقوم تلقائياً بفتح الملف الأخر، في تبويب مجاور و ذلك تسهيلاً على القارئ والمُنفذ عند تطبيق المشروع، و يتم تحميلة دفعة واحدة على لوحة الأرديوينو من خلال زر “upload” كالمعتاد.

1- ملف الكود الأول به كافة الدوال الخاصة بالتحكم و تعريف الأزرار التي يمكن استخدامها لتحريك الذراع.

2- ملف الكود الثاني به المهام التي يقوم بها أثناء التحريك وكذلك زوايا محرك السيرفو في كل خطوة.

ملحوظة: برنامج المحاكاه اختياري ويمكنك التحكم من خلال كود الأردوينو المرفق فقط، حيث أن البرنامج مع الشرح سيكون متاح للتحميل في درس آخر قريباً مع شرح وافي إن شاء الله.

الخطوة السابعة: فيديو المشروع

كما سبق الذكر يقوم “روبوت الذراع الآلي” بعمل العديد من المهام وفي الفيديو التالي، يقوم بنقل بعض المكعبات من مكان لمكان آخر بعد تحديد زوايا الإلتقاط والإلقاء بدقة.