Projekt Mechatroniczny

ROBOT SCARA

Kompletny, 4-osiowy system mechatroniczny zaprojektowany i zbudowany od podstaw, z autorskim oprogramowaniem i zdalnym interfejsem HMI, stworzony w celu pełnego zrozumienia i kontroli nad każdym aspektem jego działania.

Poznaj Projekt

Filozofia Projektu

U podstaw tego projektu leży filozofia pełnej kontroli i głębokiego zrozumienia. Zamiast składać gotowe komponenty, każdy element – od mechaniki, przez elektronikę, po oprogramowanie – został zaprojektowany i wykonany przez nas. Pozwoliło to na dogłębne poznanie technologii i stworzenie urządzenia w pełni zintegrowanego i zoptymalizowanego.

Specyfikacja Techniczna

Kinematyka	4-osiowa SCARA (Selective Compliance Assembly Robot Arm)
Przestrzeń robocza	Zasięg: ~600 mm
Udźwig maksymalny	6 kg
Napęd	Silniki krokowe NEMA z przekładniami pasowymi (rdzeń stalowy/włókno szklane)
Sterownik główny	System sterowania: Raspberry Pi 4 (Backend) + ESP32 (Firmware)
Oprogramowanie sterujące	Autorski system sterowania (Python/Flask, C++) oraz webowy panel HMI

Architektura Systemu

System został zaprojektowany w sprawdzonej, modułowej architekturze trójwarstwowej, która oddziela interfejs użytkownika, logikę aplikacji i sterowanie w czasie rzeczywistym. Komunikacja między warstwą logiki (Backend na Raspberry Pi) a warstwą wykonawczą (Firmware na ESP32) odbywa się przez port szeregowy. Backend pełni rolę serwera webowego dla interfejsu HMI, umożliwiając zdalne sterowanie i monitoring robota z dowolnego urządzenia w sieci lokalnej.

Warstwa Prezentacji

Interfejs HMI dostępny przez przeglądarkę na dowolnym urządzeniu.

HTML / CSS / JS

HTTP

Warstwa Logiki

Serwer webowy, przetwarzanie G-code i planowanie ruchu.

Raspberry Pi 4 / Python

Port Szeregowy

Warstwa Wykonawcza

Sterowanie silnikami krokowymi i obsługa czujników w czasie rzeczywistym.

ESP32 / C++

Proces Projektowy

Projekt realizowano iteracyjnie, przechodząc przez kluczowe etapy rozwoju produktu inżynierskiego.

Koncepcja i Badania
Analiza istniejących rozwiązań, zdefiniowanie wymagań projektowych i wybór kluczowych technologii.
Projektowanie CAD
Modelowanie 3D wszystkich komponentów mechanicznych w środowiskach CAD (Fusion 360, Solid Edge), symulacje ruchu i przygotowanie do produkcji.
Prototypowanie i Montaż
Wydruk 3D części (FDM, SLA), montaż mechaniki, budowa szafy sterowniczej i integracja komponentów elektronicznych.
Programowanie i Testy
Implementacja firmware'u, rozwój panelu HMI, testowanie poszczególnych modułów i finalna integracja oprogramowania ze sprzętem.

Inżynieria i Technologie

Inżynieria Mechaniczna

Konstrukcja robota została zoptymalizowana pod kątem sztywności i niskiej masy. Zastosowano iteracyjny proces projektowy oparty na 3 prototypach, co pozwoliło na eliminację luzów i dobór zaawansowanych materiałów. Precyzję transmisji napędu osiągnięto dzięki kołom zębatym drukowanym w technologii SLA oraz wzmacnianym paskom zębatym.

Fusion 360
Solid Edge
Druk 3D (FDM, SLA)
Kompozyty drukowane

System Sterowania i Elektronika

Sercem systemu jest dedykowana szafa sterownicza, integrująca logikę opartą na Raspberry Pi, sterowniki silników zasilane napięciem 48V oraz dwupoziomowe systemy bezpieczeństwa (E-STOP). Firmware na mikrokontrolerze ESP32 odpowiada za wykonywanie poleceń i precyzyjne sterowanie ruchem z wykorzystaniem mikrokroku.

PlatformIO + VS Code
Python (Flask)
C++
Raspberry Pi
ESP32

O Zespole

Projekt został zrealizowany przez trzyosobowy zespół. Połączenie umiejętności z zakresu mechaniki, elektroniki i oprogramowania pozwoliło na kompleksową realizację zadania – od modelu 3D po działający system sterowania.

Tymon Jasiulek

Odpowiedzialny za projekt w środowisku CAD i iteracyjny rozwój całej konstrukcji mechanicznej ramienia robota, dbając o jego sztywność, dynamikę i precyzję ruchu.

Jakub Szewczyk

Odpowiedzialny za projekt i wykonanie efektora końcowego (chwytaka), montaż oraz okablowanie szafy sterowniczej i ramienia robota.

Miłosz Grudziłowicz

Odpowiedzialny za architekturę oprogramowania, dobór komponentów elektronicznych, projekt i integrację szafy sterowniczej.

Dziennik Projektowy: Od Pomysłu do Ruchu

Wyzwanie – Precyzja Transmisji Napędu

Problem: Wczesne prototypy cierpiały na problemy z precyzją ruchu spowodowane przeskakiwaniem standardowych pasków zębatych.

Rozwiązanie: Po analizie, całkowicie przeprojektowaliśmy przeniesienie napędu. Zastosowaliśmy koła zębate drukowane w wysokorozdzielczej technologii SLA oraz wzmacniane paski zębate z rdzeniem stalowym i z włókna szklanego. To posunięcie radykalnie zwiększyło precyzję i wyeliminowało problem gubienia kroków.

Wyzwanie – Stabilność Architektury Oprogramowania

Problem: Jak zapewnić spójność danych i niezawodną komunikację w systemie rozproszonym na trzech różnych platformach (przeglądarka, Raspberry Pi, ESP32)?

Rozwiązanie: Zdecydowaliśmy się na klasyczną, trójwarstwową architekturę, w której backend w Pythonie pełni rolę centralnego "mózgu" i jedynego źródła prawdy (Single Source of Truth). Tłumaczy on wysokopoziomowe polecenia z interfejsu HMI na proste komendy dla firmware'u, zapewniając stabilność i eliminując konflikty.

Wyzwanie – Profesjonalny Montaż Elektroniki

Problem: Jak zintegrować kilkanaście różnych modułów elektronicznych w sposób bezpieczny, niezawodny i łatwy w serwisowaniu?

Rozwiązanie: Zamiast prowizorycznego montażu, zbudowaliśmy dedykowaną szafę sterowniczą. Zaprojektowaliśmy i wydrukowaliśmy niestandardowe uchwyty na szynę DIN, co pozwoliło na czysty, modułowy i zgodny ze standardami przemysłowymi montaż wszystkich komponentów.

Galeria Projektu

Plany Rozwoju i Przyszłe Możliwości

Projekt jest podstawą do dalszych iteracji. Poniżej przedstawiamy kluczowe kierunki, w których planujemy rozwijać platformę.

Kinematyka Odwrotna (IK)

Priorytetem jest implementacja algorytmów kinematyki odwrotnej. Pozwoli to na sterowanie robotem w intuicyjnej przestrzeni kartezjańskiej (X, Y, Z), a nie w przestrzeni stawowej (kąty obrotu silników). Umożliwi to programowanie złożonych trajektorii ruchu, takich jak rysowanie, grawerowanie czy śledzenie zdefiniowanych ścieżek.

Integracja z Systemami Wizyjnymi

Kolejnym krokiem będzie montaż kamery i integracja z biblioteką OpenCV. Celem jest stworzenie systemu "pick and place", w którym robot będzie w stanie samodzielnie lokalizować, identyfikować i przenosić obiekty znajdujące się w jego przestrzeni roboczej.

Automatyczny Magazyn Narzędzi

Długofalowym celem jest rozbudowa konstrukcji o system pozwalający na autonomiczną wymianę efektorów końcowych. Umożliwiłoby to robotowi automatyczne przełączanie się między różnymi narzędziami (np. chwytakiem, wiertarką, dyszą do druku 3D), co znacząco zwiększyłoby jego wszechstronność.

Rozbudowa API i Integracja z ROS

Planowane jest rozszerzenie API serwera, aby umożliwić integrację robota z nadrzędnymi systemami sterowania, takimi jak ROS (Robot Operating System). Uczyniłoby to z naszego projektu platformę zgodną ze standardami przemysłowymi i akademickimi.

Dokumentacja na GitHub

Planowane jest udostępnienie całego projektu, włączając kod źródłowy, modele CAD i schematy, jako open-source. Pozwoli to na transparentność, ułatwi współpracę i umożliwi innym czerpanie z naszych doświadczeń.