[Robotic Arm project] - 01

◈ Introduction to the project

 본 카테고리 '2019 Robotic Arm project'는 2019년도 하반기에 진행되었던 개인 프로젝트의 내용을 담고 있다. 

 

1. Hardware specification

<Fig, 1-1> Draft description of robotic arm

 

 Robotic arm의 구조는 위의 초안 그림처럼 4-DoF이다. 1 개의 stepper motor와 3개의 servo motor가 사용된다. 이를 기구학적으로 분석하기 위해서 FBD(Free Body Diagram)를 그렸으며 아래의 그림과 같다. 이를 그리기 위해 DH(Denavit-Hartenburg) convention을 사용하였다.

<Fig. 1-2> FBD of robotic arm for static analysis

 

W = Robotic arm이 드는 물체의 무게

w1, w2 = 서보모터의 무게. 동일한 서보를 사용할 것이므로 동일 (55g)

m1, m2, m3 = 각 서보에 걸리는 모멘트, 토크

l1, l2, l3 = 각 바의 길이 (15cm)

 

1-1. Motor

• Stepper motor

<Fig. 1-3> Stepper mtoro (17HS19-2004S1)

<Fig. 1-4> Pull out torque graph

 

 위의 stepper motor는 예전에 미리 사두었던 모터를 사용하였다. 원래는 필요한 spec에 맞는 motor를 선정해야 하지만 기존에 갖고 있는 것을 사용하였다. 이 motor의 spec은 다음과 같다.

 Specification:

1. 2.00A/phase (12-24V) 
2. Holding torque: 0.59 N*m
3. Step angle: 1.80 (±5%)

 

• Servo motor

<Fig. 1-5> MG996R

 Specification:

1. Operating voltage: 4.8V~7.2V
2. Running current: 0.5A~0.9A (@6V)
3. Stall current: 2.5A (@ 6V)
4. Stall torque: 9.4 kg/cm (@ 4.8V)
5. Max. Stall torque: 11kg/cm (@ 6V)
6. Operating speed: 0.17s/ 60degree (@4.8V) ~ 0.14s/ 60degree (@6V)
7. Gear type: metal
8. Dead band width: 5us
9. Rotation: 0 ~ 180degree
10. Weight of motor: 55g
11. Temp. Range: 0~55 degree of celsius

 

1-2 Motor driver

<Fig. 1-6> Motor driver A4988

 

 Stepper motor를 제어하기 위해서는 motor driver가 필요하다. 이는 MCU에서 보내는 control signal은 전류량도 그렇고 전압범위(logic high와 logic low)가 stepper motor를 제어(전류: 2.00A, 전압:최소 12V)하기에는 부족하기 때문이다. 이를 사용하는 방법은 A4988 datasheet를 참고한다. 기본적인 회로는 다음과 같이 구성된다.

<Fig. 1-7> General circuit layout to use A4988

 

<Fig. 1-8> Equivalent circuit of A4988

 

※ Active low가 걸린 Reset sleep 핀은 직접 연결하기보다는 reset에 low signal을 MCU에서 정확히 주는 것이 안전하다.

 

1-3 Power

 4개의 motor를 구동하기 위해서는 대략 78W(24W(for stepper motor) + 18W(for servo motor)*3)이 필요하다. 따라서 12V-10A(최대 120W)의 SMPS방식의 adaptor를 이용하여 전원을 공급하기로 결정하였다. 

<Fig. 1-9> Power parts list

 

2-1 MCU

<Fig. 2-1> STM32H743ZI

 

 이 당시 해당보드를 공부하고 있었던 때라 해당보드를 Robotic arm을 control하기 위한 MCU로 사용하였다.