ORT Robotic Arm

[Read this article and all following information about the restoration of this robotic arm in English]

De ORT Robotic Arm van Concorde Robotique in Cardiff werd in 1987 geproduceerd in Engeland. Ik kwam er eentje tegen op Marktplaats voor weinig en kon de verleiding niet weerstaan. De robot arm is in prima staat, de grijper ziet er wat ongeordend uit maar dat lijkt me oplosbaar. Alle andere assen draaien soepel. De robot arm kwam met een 12 V voeding en een 10-aderige flatcable. De aansturing kon nog wel eens een klusje worden. Over Concorde Robotique kan ik helemaal geen informatie vinden.

Deze blauwe robot arm heeft aan de binnenkant een printplaat van Colne Robotics en heeft onder de verflaag een oranjerode kleur. Misschien een grondlaag, maar mogelijk betreft het hier een overgespoten robot arm van het type Armdroid van Colne Robotics. Over Colne Robotics is heel veel informatie op het internet beschikbaar en de Armdroid robot armen van dit bedrijf lijken sprekend op deze blauwe, zij het dat ze oranjerood van kleur zijn.

Het elektrische deel van de robot arm bestaat uit zes uit de kluiten gewassen stappenmotoren, die op een printplaat zijn aangesloten, waarop zo op het eerste gezicht alleen enkele logische IC’s en een paar motordrivers zijn gemonteerd. Er is geen CPU en daarom zal de logische aansturing van buitenaf moeten komen, via de 10-aderige kabel. De printplaat bevat 15 verschillende IC’s, waarvan de meest voorkomende productiedatum week 3 in 1987 is. Hiernaast zijn er nog 5 lege IC-voeten.

Ik lees in het ETI magazine uit 1981, waar deze robot arm voor het eerst werd geïntroduceerd, dat er over de 10-aderige kabel zowel schakelaars kunnen worden ingelezen, als de zes stappenmotoren worden aangestuurd. Nu bevat deze ORT robot arm geen schakelaars, maar voor het bufferen van schakelaars zullen de lege IC-voeten voor zijn. Misschien valt er nog iets uit te breiden.

De aansturing van de stappenmotoren is heel low level: de signalen op de 10-aderige kabel bevatten 3 bits voor de selectie van een stappenmotor, 4 bits die gebruikt worden om de stappenmotor te laten draaien, een enable (of richting) bit en 2 voedingslijnen. Op basis van de beschikbare informatie heb ik de volgende schematische weergave opgesteld.

driverboardschematic

Om deze robot arm met bijvoorbeeld een Arduino of Raspberry Pi te besturen zal er een vertaling moeten plaatsvinden van één of andere vorm van commando (zoals ‘beweeg pols drie stappen omhoog’ of ‘beweeg pols naar positie x’) naar de low level besturing van de stappenmotoren (‘activeer spoel A en spoel B van motor 1’). Ik denk dat ik de commandostructuur leen van de CS-113, die hiervoor prima documentatie heeft. De Arduino moet dan de vertaling doen. Als ik dat eenmaal aan de praat heb, kan ik de Arduino uitbreiden met een toetsenbord of joystick.


Micro-Professor MPF-1

Microprofessor advertentieEr was een tijd dat er geen iPads en Macintoshes waren en beide Apple Computer medewerkers nog in de garage van Steve Jobs bivakkeerden. In die tijd (het zal 1981 zijn geweest) kwam Multitech (het tegenwoordige Acer) met zijn eerste computer-voor-onderwijsdoeleinden op de markt: de Micro-Professor MPF-1.

De MPF-1 was een microprocessorsysteem gebaseerd op een Zilog Z80. De kleine printplaat bevatte de 1,7MHz processor, een rekenmachine-achtig toetsenbord met 36 toetsen en een 6-cijferig 7-segment LED display. Er was verder voorzien in een 8255 PPI Programmable Peripheral Interface die het toetsenbord uitlas en 4KB ROM en 2KB RAM in de vorm van een 2732 EPROM en een 6116 RAM chip. Ook waren er drie lege IC-voeten voor geheugenuitbreiding, naar wens EPROM of RAM, en twee lege IC-voeten voor een Z80 PIO Parallel I/O en een Z80 CTC Counter Timer. De MPF-1 had een kleine luidspreker, aansluitingen voor een cassetterecorder en een gebied waarop kleine eigen schakelingen konden worden gesoldeerd. Bijzonder was de behuizing: die bestond uit een kunststof boekomslag die, dichtgeslagen, zo de boekenkast in kon.

De MPF-1 werd in Z80 assembly geprogrammeerd. De bijgeleverde handleidingen bevatten veel uitgewerkte voorbeelden van onder meer timers en spelletjes die gebruik maakten van het 6-cijferige display. De hexadecimale codes van deze voorbeelden werden byte-voor-byte via het toetsenbord ingevoerd. Het ingebouwde monitorprogramma maakte wijzigingen op het ingevoerde programma eenvoudig en ook het stoppen en instellen van breakpoints was mogelijk. Gebruikers die verder wilden dan de voorbeelden moesten zich specialiseren in Z80 assembly.

Vrij snel na de introductie in 1981 kwam Multitech uit met een kleine versie van een BASIC interpreter, die samen met het monitorprogramma in een 4 kilobyte ROM werd aangeboden. Een overlay over het toetsenbord werd meegeleverd en ook de handleiding, met alweer veel voorbeelden, was prima in orde.

Sciento, de Nederlandse importeur van de MPF-1, gebruikte later de printplaat uit de boekomslag van de Micro-Professor voor hun eigen Teach Pendant CS-113, een besturingscomputer voor hun robot arm CS-113. De EPROM was in deze Teach Pendant door Sciento voorzien van een speciaal programma om de robot arm bewegingen te laten maken en te laten herhalen. Een toetsenbord overlay maakte het apparaat compleet. Het geheel was in een stevige aluminium kast ingebouwd met een voedingsaansluiting en een parallelle poort waarop de robot arm werd aangesloten.


Retromaand 2013

Het is nog lang donker ’s ochtends en de avonden beginnen eerder; de centrale verwarming staat al een paar weken aan en de zoldertrap gaat vaker open en dicht; de herfst is in volle gang en het einde van het jaar komt in rap tempo dichterbij. Het duurt nog ruim een maand maar ik merk dat retromaand december, in aankomst is. In de jaren voorafgaande aan 2006 ging retromaand nog vooraf door de HCC Dagen, een beurs in november waar je met tassen vol rommel bruikbare spullen vandaan kwam en waarvoor je de hele decembermaand nodig had om het geheel in de vuilcontainer te dumpen op ordentelijke wijze in je huiselijke leven te verwerken. Tegenwoordig hebben we echter Marktplaats en sinds kort de Groningen Mini Maker Faire. Ondanks het ontbreken van een HCC Beurs is er dus geen geldige reden om retromaand dit jaar over te slaan. Wat staat er op de planning?

  • Restauratie van de CS-113 van Sciento, een robot arm die ik vorige maand opduikelde en waarvan de vorige eigenaar(s) in alle enthousiasme bij de restauratie volledig het overzicht was/waren kwijtgeraakt. Assen zaten op de verkeerde plaats, schakelaar verkeerd om gemonteerd en een hels gepiep werd veroorzaakt door een verstopt potlood. Hier moet nog een nieuwe staalkabel gemonteerd worden en misschien moeten er nog wat lagers gesmeerd. De parallelle-poort aansturing kan prima door een Arduino, misschien een dedicated Arduino in een stoere 3D-geprinte behuizing?
  • Restauratie van de Teach Pendant CS-113 die met de robot arm meekwam. Dit stukje retronostalgie is een MPF-1 Micro Professor in een aluminium Sciento behuizing die een zwaar leven heeft gehad en die het verdient om een nieuw leven ingeblazen te krijgen. Ik heb de behuizing ondertussen gestript, geschuurd en opnieuw voorzien van een glanzende creme laklaag. De bedrukking moet nog opnieuw en de hele boel moet opnieuw gemonteerd. Samen met de robot arm een leuk stel.
  • Betrouwbaarheid van de robot arm bepalen: het zou een leuke gimmick zijn om de robot arm te kunnen gebruiken als grijper voor een grabbelton. Gooi een munt in een doos, de robot arm pakt een doosje van een stapel en legt deze op een helling, het doosje glijdt naar beneden en de muntwerper krijgt z’n verrassing. Moet dit wel feilloos werken natuurlijk: de robot arm moet minstens 100 keer achter elkaar hetzelfde kunnen doen. Leuke test!
  • Handleiding voor de CS-113 afschrijven. Ik heb een aanzet gedaan, met wat ervaring erbij en het is een leuk document voor de belangstellenden. Er kunnen nog wel wat afbeeldingen bij en de commandoset moet hoognodig van voorbeelden worden voorzien.
  • Fotosessie en artikel over de Micro Professor MPF-1. Ik heb er eentje op zolder liggen, met een BASIC interpreter, en wat zou er leuker zijn dan een paar goede foto’s en een artikel op mijn blog? Misschien een goede gelegenheid om Marktplaats eens af te struinen op zoek naar accessoires, zoals de printer.
  • Oude artikelen van rudiniemeijer.nl uit de ‘wayback machine‘ terugzetten op de site. Bij groot onderhoud aan de website in 2012 zijn alle oude artikelen kwijtgeraakt. Van de afbeeldingen heb ik nog een backup, maar van de teksten niet. Laten die nu net door Google en de Wayback Machine verzameld zijn. Ik heb er al een aantal overgezet, dat wil best.

J-Head en NTC’s

De J-Head smeltinrichting van mijn nieuwe extruder-combinatie deed het in eerste instantie niet zo heel goed: de eerste proefprint zag eruit alsof de temperatuur te laag was. De ingestelde temperatuur was 230° C, wat ruim voldoende moet zijn om het filament gemakkelijk te kunnen smelten. Ik twijfelde daarom aan de feitelijke temperatuur. En een testje bij een ingestelde 100° C, waarbij water hoort te koken en natte-vingers-op-hete-extruders horen te sissen bleek mijn vermoedens te bevestigen: de temperatuur was lager dan ingesteld, mijn natte vinger siste niet. Pas bij een ingestelde temperatuur van 110° C sisde de natte vinger. Tenminste 10 graden lager dan ingesteld. Dat betekende zoeken waar de fout zat: een andere temperatuurcurve van de NTC, temperatuurverlies of nog iets anders. De beide NTC’s gaven bij kamertemperatuur wel ongeveer dezelfde temperatuur aan. Ik verdacht daarom de temperatuurcurve van de NTC.

De J-Head is gemaakt van een aluminium smeltblok, een PEEK isolator en (aan de binnenkant) een PTFE buisje. Het materiaal PEEK is goed bestand tegen thermische degradatie, heeft uitstekende mechanische eigenschappen en heeft een smelttemperatuur van 343° C. PTFE staat vooral bekend om zijn zelfsmerende eigenschappen (teflon) en heeft een smelttemperatuur van 327° C.

Het filament van ABS heeft geen smeltpunt maar begint vanaf 80° C zachter te worden. Afhankelijk van de samenstelling (waaronder de kleur) worden andere smeltpunten voor de 3D printer aangehouden die tussen de 220° C en 260° C liggen. Proefondervindelijk (langzaam) de temperatuur verhogen tot het ABS goed smelt is dus een optie, maar meten is weten.

Onderstaande tabel geeft bij verschillende voor de extruder ingestelde temperaturen aan, wat gemeten temperatuur aan de onderzijde van het smeltblok is:

Ingesteld Gemeten Verschil Afwijking
18,5 19,2 0,8 4,1%
50,0 46,2 -3,8 -7,6%
75,0 64,1 -10,9 -14,5%
100,0 86,3 -13,7 -13,7%
125,0 103,2 -21,8 -17,4%
150,0 126,2 -23,8 -15,9%
175,0 149,6 -25,4 -14,5%
200,0 167,9 -32,1 -16,1%
225,0 191,5 -33,5 -14,9%
250,0 212,0 -38,0 -15,2%

Het zal op basis van de meetresultaten duidelijk zijn, waarom het filament bij een ingestelde temperatuur van 230° C de indruk geeft met een te lage temperatuur te zijn verwerkt: de werkelijke temperatuur ligt dan nog ruim beneden de 200° C! Het is positief opmerkelijk dat de EZStruder het filament nog heeft kunnen doorvoeren.

De gebruikte temperatuursensor is van het NTC type: een warmtegevoelige weerstand waarvan de weerstand minder wordt naarmate de temperatuur stijgt. De relatie tussen weerstand en temperatuur is echter niet lineair en de verschillende types NTC hebben allemaal eigen curves. De voor de hand liggende verklaring voor de afwijking tussen ingestelde en gemeten temperatuur is, dat er een ander type NTC wordt toegepast dan waar de software rekening mee houdt.

De Repetier firmware heeft voor verschillende types NTC een tabel en het is mogelijk zelf een extra tabel te definiëren. Omdat ik verschillende NTC’s in de la had liggen, zijn dit de mogelijke NTC’s in de J-Head:

EZStruder en J-Head

Mijn 3D printer heeft het goed gedaan op de Groningen Mini Maker Faire 2013, maar tijdens de expo liep de extruder wel vaak vast. Het gele ABS filament (Tweety Yellow) gaf geen problemen, maar het groene (Perry Green) en het blauwe (Bic Blue) waren een bron van ergernis.

De nieuwe extruder is een combinatie van een EZStruder en een J-Head mark IV kloon. Over beide hoor ik goede dingen en de problemen van vastlopend filament zouden hiermee uit de wereld moeten zijn. Maarja, dit is natuurlijk wel Makerland en er zal een reden voor zijn dat er wekelijks nieuwe, nu nog betere, versies van de extruders worden bedacht.

Voor de montage van de nieuwe extrudercombinatie is een beugel nodig die ik nog met de oude MBE extruder heb geprint. De nieuwe gemonteerd en de eerste vragen hebben zich al weer aangediend: welk type NTC zou er eigenlijk meegeleverd zijn? En is het PEEK materiaal eigenlijk wel bestand tegen hoge temperaturen?

De eerste carabiner proefprint was maar zo-zo: het filament was nauwelijks met de hand door te voeren en de print zelf was dan ook niet heel netjes. De EZStruder was echter indrukwekkend sterk. De matige kwaliteit van de proefprint is aardig consistent met een nét te lage temperatuur.


Sciento Robot Training Arm CS-113

In 1989 was Sciento uit ’s Hertogenbosch een bekende naam op de technische Hogescholen en Universiteiten. In hun portfolio zat onder meer lesmateriaal op het gebied van digitale elektronica, computertechniek en robotica. Bijzonder van het lesmateriaal was dat het allemaal robuust was uitgevoerd en dat je er hele klassen vol technisch onderlegde jongelui hun gang mee kon laten gaan. Mooi was dat. En nu heb ik twee van die historische producten op de kop kunnen tikken: een ‘Robotic Training Arm CS-113’ en een ‘Teach Pendant CS-113’. Die laatste is voor mij, in een andere vorm welliswaar, heel bekend. Ik heb letterlijk honderden uren doorgebracht met het handmatig compileren van Zilog Z80 machinecode op diverse computers (met Rodney Zaks op tafel) en de Micro Professor was daar eentje van. Sciento, die in Nederland ook al importeur was van de MPF-1, heeft daar een stevige metalen doos omheen gefabriceerd en er een eigen EPROM met de robotarm besturingssoftware in geplaatst.

Schema-gewrichtnamen

Veel documentatie vind je niet over deze robotarm. Behalve wat zoekvragen en een paar leuke video’s, vind je via Google eigenlijk alleen maar één website van de Spaanse Universiteit Valladolid met bruikbare informatie (een soortgelijke Nederlandse website noemt de robotarm wel maar geeft geen informatie). Ik heb de spaarzaam beschikbare documentatie verzameld, vertaald en voor de liefhebber in een handleiding gegoten.

Update: Pepijn de Vos heeft een leuke aansturing gemaakt.

Update: Dezelfde robot arm werd geproduceerd door Marcraft onder de naam ProArm RS2200. Ik heb er een uitvoerige handleiding voor gevonden.