Konstrukční návrh kompaktního robotického ramena

Abstract

Bakalářská práce se zabývá návrhem a realizací kompaktního šestiosého robotického ramena sériové kinematické struktury. Cílem práce bylo vytvořit funkční prototyp určený pro demonstrační a výukové účely, s důrazem na malé rozměry, nízkou hmotnost, dostupné výrobní technologie a možnost řízení v prostředí ROS2. V úvodní části je provedena analýza existujících kompaktních robotických ramen, na jejímž základě jsou stanoveny požadavky na vlastní konstrukční řešení. Následně je popsán návrh mechanické konstrukce, elektroniky, řídicího softwaru a digitálního dvojčete.

Mechanická část ramena je tvořena převážně 3D tištěnými díly doplněnými o kovové a normalizované součásti. Pro pohon jednotlivých os jsou použity krokové motory s převody navrženými podle zatížení a prostorových možností dané osy. Řídicí systém je založen na jednodeskovém počítači Raspberry Pi 5 a vlastní řídicí desce s mikrokontroléry ESP32-S3. Software využívá ROS2 Jazzy, ros2_control, MoveIt2 a generovaný řešič IKFast pro inverzní kinematiku a plánování trajektorií. Součástí řešení je také ovládání a vizualizace v prostředí RViz, které slouží jako digitální dvojče ramena.

Výsledkem práce je funkční prototyp šestiosého robotického ramena s dosahem 310 mm, hmotností 2 550 g, nosností 100 g a spolehlivou rychlostí pohybu do 0,1 m/s. Ověření ukázalo, že rameno je schopné základního řízeného pohybu, plánování trajektorií a vizualizace skutečného stavu v digitálním dvojčeti. Navržené řešení kombinuje kompaktní konstrukci, nízkou cenu a pokročilé řízení v prostředí ROS2. Hlavní omezení představuje přesnost některých převodových mechanismů vyráběných pomocí 3D tisku, zejména šnekového převodu páté osy.

This bachelor thesis deals with the design and implementation of a compact six-axis robotic arm with a serial kinematic structure. The aim of the thesis was to develop a functional prototype intended for demonstration and educational purposes, with an emphasis on small dimensions, low weight, accessible manufacturing technologies, and the possibility of control in the ROS2 environment. The introductory part presents an analysis of existing compact robotic arms, based on which the requirements for the proposed design are defined. The following sections describe the design of the mechanical structure, electronics, control software, and digital twin.

The mechanical structure of the robotic arm consists mainly of 3D-printed parts supplemented with metal and standardized components. Stepper motors are used to drive the individual axes, together with transmission mechanisms designed according to the load and spatial requirements of each axis. The control system is based on a Raspberry Pi 5 single-board computer and a custom control board with ESP32-S3 microcontrollers. The software uses ROS2 Jazzy, ros2_control, MoveIt2, and a generated IKFast solver for inverse kinematics and trajectory planning. The solution also includes control and visualization in RViz, which serves as a digital twin of the robotic arm.

The result of the thesis is a functional prototype of a six-axis robotic arm with a reach of 310 mm, a weight of 2,550 g, a payload of 100 g, and a reliable motion speed of up to 0.1 m/s. Verification showed that the robotic arm is capable of basic controlled motion, trajectory planning, and visualization of its actual state in the digital twin. The proposed solution combines a compact structure, low cost, and advanced control in the ROS2 environment. The main limitation is the accuracy of some transmission mechanisms manufactured using 3D printing, especially the worm gear of the fifth axis.