Opetuskäyttöön tarkoitetun robottikäden mallintaminen

Abstract

Insinöörityön tavoitteena oli tuottaa raportti opetuskäyttöön tarkoitetun robottikäden mallin-tamisprosessista. Työssä suunniteltiin, mallinnettiin ja valmistettiin ihmiskättä muistuttava kiertyvänivelinen robotti 3D-tulostamalla. Työn toimeksiantajana oli Metropolia Ammattikorkeakoulun sovelletun elektroniikan tutkimus- ja kehitysyksikkö Electria.

Suunnittelussa määriteltiin robottikädelle tarvittavia ominaisuuksia, kuten koko, edullisuus ja nivelten lukumäärä. Päätavoitteena oli pitää robottikäsi edullisena ja ihmiskäden kaltaisena. Suunnittelun jälkeen robottikäden osat mallinnettiin käyttäen Solidworks 3D-mallinnusohjelmaa. Mallinnetuista osista tehtiin virtuaalinen kokoonpano, jonka avulla tutkittiin osien yhteensopivuutta. Kokoonpano todettiin toimivaksi ja osat valmistettiin 3D-tulostamalla ABS-muovista.

Robottikäden valmistamista varten työssä tutkittiin yleisimpiä pikavalmistustekniikoita, sekä käytetyimpiä 3D-tulostusmateriaaleja. ABS-muovin 3D-tulostaminen todettiin hyväksi valmistusmenetelmäksi robottikäsiprototyypille, mutta kaupallisten tuotteiden valmistamiseen se ei vielä sovellu hitauden ja kalleuden vuoksi. 3D-tulostamalla valmistettuja osia jouduttiin vahvistamaan epoksihartsilla, jotta ne kestivät robottikäden pidempiaikaisessa käytössä.

Työn tuloksena valmistettu robottikäsi oli toimiva, mutta sen pidempiaikainen käyttö paljasti kehitettävää. Robottikäden edullisten toimilaitteiden huonona puolena ilmeni niiden lyhyt käyttöikä ja käsivarren rotaatioissa käytettyjen 3D-tulostamalla valmistettujen pienten hammasrattaiden rakenne ei kestänyt toistuvia liikkeitä. Käden seuraavaan versioon rotaa-tioiden mekaniikkaa pitää vielä kehittää ja toimilaitteina siirtyä pelkkien tasavirtamoottoreiden käyttöön.

Robottikäden toimivuudesta kertoo insinöörityön loppuvaiheilla osallistuminen kansainväliseen The World Embedded Software Contest 2014 -kilpailuun, jossa robottikäsi selvisi finaaleihin. Robottikäsiprojektin onnistumisen johdosta, sen kehittämistyötä päätettiin jatkaa Electrian toimesta.

The purpose of this thesis was to document a design process of an educational robot arm. The work included designing and manufacturing of a humanlike articulated robot arm. Manufacturing was made by using 3D printing. This thesis was made for Electria, an electronics research and development unit of the Metropolia University of Applied Sciences.

During the design phase of the thesis, the features for the robot arm were determined, including size, price range and the number of the joints. The focus was to keep the price as affordable as possible and maintain the humanlike features. After specifying the specs for the robot arm, all the parts were modelled using Solidworks 3D modelling software. To inspect how the 3D modelled parts fit together, a virtual assembly was created. After the results of the virtual assembly were found satisfying, the parts were manufactured from ABS plastic by using 3D printer.

As a outcome of this study a working robot arm prototype was created, however, further studies showed some need for improvement. The robot arm’s affordable actuators had short lifespan. Another weak point was discovered from the arm’s rotation mechanics. The small 3D printed gear teeth, which were used as power transmission for the arms rotations, were breaking down when the robot arm was operational for longer periods. As a conclusion for the study some suggestions were made for the next version of the robot arm. Joint mechanics need upgrading and the actuating for them should be made by using only the default current motors.

As a proof of robot arms functionality the robot arm was used to take part in The World Embedded Software Contest 2014, in which the arm made it to the finals. As a result of this thesis, Electria decided to continue developing the robot arm in the future.