Brat Robotic

Proiectul consta in realizarea unui brat robotic de aproximativ 30 cm lungime, cu cinci grade de libertate, controlat wireless prin intermediul unui modul Bluetooth de pe un dispozitiv mobil sau calculator. Bratul poate executa miscari de rotatie pe axa verticala (yaw) la baza, flexie in articulatia umarului, flexie in articulatia cotului, rotatie a incheieturii si deschidere-inchidere a unui gripper. Scopul principal al proiectului este integrarea mai multor tipuri de actuatoare intr-un sistem embedded functional, acoperind atat lantul de alimentare, cat si comunicatia wireless si controlul in bucla deschisa al motoarelor. Ideea a pornit de la dorinta de a construi un manipulator compact care sa poata fi folosit ca platforma de experimentare pentru algoritmi de cinematica si control. Proiectul este util ca punct de plecare pentru oricine doreste sa inteleaga cum se integreaza un microcontroller cu drivere de servomotoare, drivere de motoare DC cu encoder si comunicatie seriala fara fir, intr-un proiect mecatronic complet.

Sistemul este compus din patru subsisteme principale care interactioneaza intre ele: subsistemul de alimentare, subsistemul de control, subsistemul de comunicatie si subsistemul de actionare. Subsistemul de alimentare furnizeaza energia intregului sistem. Trei acumulatori 18650 conectati in serie formeaza un pachet 3S de 11,1V. Un modul BMS asigura protectia la supradescarcare, supradescarcare si scurtcircuit. Un buck converter regleaza tensiunea de la 11,1V la 6V pentru alimentarea servomotoarelor. Un regulator LM7805 coboara ulterior tensiunea la 5V pentru microcontroller. Incarcarea pachetului se face prin intermediul unui modul USB Type-C cu balansare. Subsistemul de control este reprezentat de un microcontroller ATmega328p care coordoneaza toate celelalte module. El comunica cu driverul de servomotoare prin I2C, cu driverul de motor DC prin linii GPIO/PWM si cu modulul Bluetooth prin interfata UART. Subsistemul de comunicatie consta in modulul HC-05, care primeste comenzi de pozitie de la un host extern si le transmite microcontrollerului prin UART. Subsistemul de actionare include driverul PCA9685, care genereaza semnale PWM pentru cele cinci servomotoare (trei MG995 si doua MG90S), si driverul TB6612FNG, care controleaza motorul DC cu encoder responsabil de rotatia bazei.

Schema bloc

                   +---------------------------+
                   |    SURSA DE ALIMENTARE    |
                   |   Baterii 18650 3S        |
                   |        (11.1V)            |
                   +-------------+-------------+
                                 |
                   +-------------v-------------+
                   |            BMS            |
                   | (protectie baterie 3S)    |
                   +------+------------+-------+
                          |            |
           +--------------v--+    +----v--------------------+
           |  Buck Converter |    |   Modul Incarcare       |
           |  11.1V -> 6V    |    |   USB Type-C 3S         |
           +--------+--------+    +-------------------------+
                    |
           +--------+--------+
           |                 |
   +-------v------+   +------v------+
   |   LM7805     |   | Iesire 6V   |
   | (5V, 1.5A)   |   | (Servos)    |
   +-------+------+   +------+------+
           |                 |
   +-------v-----------------v-------+
   |                                 |
   |          ATmega328p             |
   |      (microcontroller)          |
   |                                 |
   |   UART        I2C      GPIO/PWM |
   +-----+----------+----------+----+
         |          |          |
  +------v---+  +---v------+  +v-----------+
  |  HC-05   |  | PCA9685  |  | TB6612FNG  |
  |Bluetooth |  |  Servo   |  |   Motor    |
  |  (UART)  |  |  Driver  |  |   Driver   |
  +----------+  +----+-----+  +-----+------+
                     |              |
          +----------+--------+     |
          |                   |     v
   +------v------+   +--------v-+ +-v-----------+
   |  MG995 x2   |   |   MG90S  | | Motor DC +  |
   |  (Umar,     |   | (Gripper,| | Encoder     |
   |   Cot,      |   |  Mana)   | | (Yaw baza)  |
   |   Incheiet.)|   +----------+ +-------------+
   +-------------+

Lista de componente:

• ATmega328p — microcontroller principal, 1 bucata, aflat in posesia autorului.
• PCA9685 Servo Driver — driver PWM pe 16 canale cu interfata I2C, 1 bucata. Folosit pentru generarea semnalelor PWM catre toate servomotoarele, degrevand microcontrollerul de aceasta sarcina.
• MG995 Servo — servomotor cu angrenaje metalice, 180 grade, 11 kg*cm, 3 bucati. Utilizate pentru articulatiile umarului, cotului si incheieturii.
• MG90S Servo — servomotor miniatura cu angrenaje metalice, 2 bucati. Utilizate pentru gripper si mana.
• Motor DC cu reductor si encoder 25GA370, 6VDC, 200RPM — 1 bucata. Folosit pentru rotatia bazei bratului pe axa yaw cu feedback de pozitie prin encoder.
• Driver motor TB6612FNG — punte H dubla, 15V, 1A, 1 bucata. Folosit pentru controlul directiei si vitezei motorului DC de la baza.
• Suport acumulatori 18650 3S — 1 bucata.
• Baterie 18650 Samsung INR18650-35E, 3.6V, 3500mAh — 3 bucati, conectate in serie pentru a forma un pachet 3S de 11,1V nominal.
• Buck Converter XH-M401 (4-40V intrare, 1.25-36V iesire, 8A, 200W) — 1 bucata. Regleaza tensiunea pachetului de baterii la 6V pentru alimentarea servomotoarelro. Ales pentru capacitatea de curent de 8A, necesara la pornirea simultana a mai multor servomotoare.
• Regulator de tensiune LM7805 (5V, 1.5A) — 1 bucata. Alimenteaza microcontrollerul ATmega328p si logica digitala la 5V stabili, plasat dupa buck converter.
• BMS 3S, 12V, 10A — 1 bucata. Asigura protectia pachetului de baterii la supradescarcare, supradescarcare si scurtcircuit.
• Modul incarcare 3S cu balansare, USB Type-C — 1 bucata. Permite incarcarea in siguranta a pachetului 3S direct prin conector USB Type-C.
• Modul Bluetooth HC-05 — 1 bucata. Asigura comunicatia wireless cu un dispozitiv extern prin UART, permitand transmiterea comenzilor de pozitie catre microcontroller.
• Breadboard 400 puncte — 2 bucati. Utilizate pentru prototiparea circuitelor de control si conexiunile electronice.
• Componente mecanice