3D -trükitud Arduino jõul töötav neljajalgne robot: 13 sammu (piltidega)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Viimati modifitseeritud: 2024-01-30 08:46

Fusion 360 projektid »

Eelmistest juhistest näete ilmselt, et mul on sügav huvi robotprojektide vastu. Pärast eelmist Instructable'i, kus ma ehitasin kahejalgse roboti, otsustasin proovida teha neljajalgset robotit, mis suudaks jäljendada loomi nagu koerad ja kassid. Selles juhendis näitan teile roboti neljajalgse disaini ja kokkupanekut.

Selle projekti ehitamisel oli esmane eesmärk muuta süsteem võimalikult tugevaks, nii et erinevate kõndimis- ja jooksutõusudega katsetades ei peaks ma pidevalt muretsema riistvara rikke pärast. See võimaldas mul riistvara oma piirini viia ja katsetada keeruliste kõnnakute ja liigutustega. Teisene eesmärk oli muuta neljajalgne suhteliselt odav, kasutades hõlpsasti kättesaadavaid hobiosasid ja 3D-printimist, mis võimaldas kiiret prototüüpimist. Need kaks eesmärki koos annavad tugeva aluse erinevate katsete tegemiseks, võimaldades neljajalgset arendada konkreetsemate nõuete jaoks, nagu navigeerimine, takistuste vältimine ja dünaamiline liikumine.

Vaadake ülaltoodud videot, et näha projekti kiiret demot. Jätkake oma Arduino jõul töötava neljajalgse roboti loomisega ja kui projekt teile meeldis, jätke hääl võistlusel "Tee see liikuma".

Samm: ülevaade ja disainiprotsess

Neljajalgne kujundati Autodeski tasuta kasutamiseks Fusion 360 3D modelleerimistarkvaras. Alustasin servomootorite importimisest disaini ja ehitasin nende ümber jalad ja keha. Kavandasin servomootori jaoks kronsteinid, mis pakuvad teist pöördepunkti servomootori võllile diametraalselt vastupidiseks. Kahe võlli olemasolu mootori mõlemas otsas annab konstruktsioonile stabiilsuse ja välistab kõik viltused, mis võivad tekkida, kui jalad on koormatud. Lingid olid konstrueeritud laagrit hoidma, samal ajal kui sulgudes kasutati võlli jaoks polti. Kui lingid olid mutri abil võllidele kinnitatud, tagaks laager servomootori võlli vastasküljele sujuva ja tugeva pöördepunkti.

Teine eesmärk neljajalgse projekteerimisel oli hoida mudel võimalikult kompaktsena, et maksimaalselt ära kasutada servomootorite pakutavat pöördemomenti. Lingide mõõtmed tehti suure liikumisulatuse saavutamiseks, vähendades samal ajal kogupikkust. Nende liiga lühikeseks muutmine tooks klambrid kokku, vähendades liikumisulatust ja liiga pikaks ajamine tekitaks ajamitele tarbetut pöördemomenti. Lõpuks kujundasin roboti kere, millele Arduino ja muud elektroonilised komponendid paigaldatakse. Samuti olen jätnud ülemisele paneelile täiendavaid kinnituspunkte, et muuta projekt edasiste täiustuste jaoks skaleeritavaks. Ükskord võis lisada andureid, nagu kaugusandurid, kaamerad või muud käivitatavad mehhanismid, näiteks robothaaratsid.

Märkus. Osad kuuluvad ühte järgmistest sammudest.

Samm: vajalikud materjalid

Siin on nimekiri kõigist komponentidest ja osadest, mis on vajalikud teie enda Arduino jõul töötava neljajalgse roboti valmistamiseks. Kõik osad peaksid olema üldkasutatavad ja kergesti leitavad kohalikest riistvara kauplustest või veebist.

ELEKTROONIKA:

Arduino Uno x 1

Towerpro MG995 servomootor x 12

Arduino andurikilp (soovitan V5 versiooni, kuid mul oli V4 versioon)

Jumper juhtmed (10 tk)

MPU6050 IMU (valikuline)

Ultraheli andur (valikuline)

RIISTVARA:

Kuullaagrid (8x19x7mm, 12 tk)

M4 mutrid ja poldid

3D -printeri hõõgniit (kui teil pole 3D -printerit, peaks kohalikus tööruumis olema 3D -printer või saab printida Internetis üsna odavalt)

Akrüülplaadid (4 mm)

TÖÖRIISTAD

3D printer

Laserlõikur

Selle projekti kõige olulisem kulu on 12 servomootorit. Soovitan odavate plastikmaterjalide asemel valida keskmise ja kõrgema versiooni, kuna need kipuvad kergesti purunema. Kui tööriistad välja arvata, on selle projekti kogumaksumus ligikaudu 60 dollarit.

3. samm: digitaalselt valmistatud osad

Selle projekti jaoks vajalikud osad pidid olema kohandatud, seetõttu kasutasime nende valmistamiseks digitaalselt valmistatud osade ja CAD-i võimsust. Enamik osi on 3D -trükitud, välja arvatud mõned, mis on laseriga lõigatud 4 mm akrüülist. Väljatrükid tehti 40% täite, 2 perimeetri, 0,4 mm otsiku ja 0,1 mm kihi kõrgusega PLA -ga. Mõned osad vajavad tuge, kuna neil on keeruline kuju ja üleulatuvad osad, kuid toed on kergesti ligipääsetavad ja neid saab mõne lõikuri abil eemaldada. Hõõgniidi jaoks saate valida soovitud värvi. Allpool leiate täieliku nimekirja osadest ja STL -idest oma versiooni printimiseks ning laserlõigatud osade 2D -kujundused.

Märkus. Siit alates viidatakse osadele järgmises loendis olevate nimede abil.

3D trükitud osad:

• puusa servohoidik x 2
• puusa servohoidiku peegel x 2
• põlve servoklamber x 2
• põlve servohoidiku peegel x 2
• laagrihoidik x 2
• laagrihoidja peegel x 2
• jalg x 4
• servosarve link x 4
• laagri lüli x 4
• arduino hoidik x 1
• kaugusanduri hoidja x 1
• L-tugi x 4
• laagripuks x 4
• servosarve vahekaugus x 24

Laserlõigatud osad:

• servohoidiku paneel x 2
• ülemine paneel x 1

Kokku on 3D -trükkimiseks vaja 30 osa, välja arvatud erinevad vaheseinad, ja kokku 33 digitaalselt valmistatud osa. Kogu trükkimisaeg on umbes 30 tundi.

4. samm: linkide ettevalmistamine

Kokkupanekut saate alustada, seadistades alguses mõned osad, mis muudavad lõpliku kokkupaneku protsessi paremini hallatavaks. Võite alustada lingiga. Laagriühenduse tegemiseks lihvige kergelt laagri avade sisepinda ja lükake laager mõlema otsa auku. Lükake laager kindlasti sisse, kuni üks külg on ühtlane. Servosarve lingi ehitamiseks haarake kaks ümmargust servosarve ja nendega kaasas olnud kruvisid. Asetage sarved 3D -prindile ja joondage kaks auku, seejärel keerake sarv 3D -prindile, kinnitades kruvi 3D -printimise küljelt. Pidin kasutama mõnda 3D -prinditud servosarve vahekaugust, kuna kaasasolevad kruvid olid natuke pikad ja ristusid servomootori korpusega, kui see pöörles. Kui lingid on üles ehitatud, võite hakata seadistama erinevaid hoidikuid ja sulgusid.

Korrake seda mõlema tüübi kõigi nelja lingi puhul.

Samm: servoklambrite ettevalmistamine

Põlveliigese servaklambri paigaldamiseks lase 4 mm polt läbi augu ja kinnita see mutriga. See toimib mootori teisese teljena. Lükake puusaservo klambrist kaks polti läbi kahe ava ja kinnitage need veel kahe mutriga. Seejärel haarake veel üks ümmargune servosarv ja kinnitage see sarvega kaasas olnud kahe kruvi abil kronsteini veidi kõrgendatud sektsiooni külge. Soovitan veel kord kasutada servosarve vahetükki, et kruvid ei ulatuks servo pilusse. Lõpuks haarake laagrihoidja osast ja suruge laager auku. Hea sobivuse tagamiseks peate võib -olla sisepinda kergelt lihvima. Järgmisena lükake laagritõuke laagrisse, et laagrihoidja tükk painduks.

Klambrite ehitamisel vaadake ülaltoodud pilte. Korrake seda protsessi ülejäänud sulgudes. Peegelpildid on sarnased, ainult kõik on peegelpildis.

6. samm: jalgade kokkupanek

Kui kõik lingid ja sulgud on kokku pandud, võite hakata ehitama roboti nelja jalga. Alustuseks kinnitage servod 4 x M4 poldi ja mutri abil kronsteinide külge. Joondage servo telg kindlasti teisel pool oleva väljaulatuva poldiga.

Seejärel ühendage puusaservo põlveservoga servosarve lüli abil. Ära kasuta veel kruvi, et sarv servomootori telje külge kinnitada, sest võib -olla peame hiljem asendit reguleerima. Paigaldage vastasküljele laagriühendus, mis sisaldab kahte laagrit, mutrite abil väljaulatuvate poltide külge.

Korrake seda protsessi ülejäänud kolme jala jaoks ja neljajalgsete neli jalga on valmis!

7. samm: keha kokkupanek

Järgmisena saame keskenduda roboti kere ehitamisele. Kere sisaldab nelja servomootorit, mis annavad jalgadele kolmanda vabadusastme. Alustage servo kinnitamiseks laserlõigatud servohoidiku paneelile 4 x M4 poldi ja nupuga.

Märkus: Veenduge, et servo on kinnitatud nii, et telg on detaili välisküljel, nagu on näidatud ülaltoodud piltidel. Korrake seda protsessi ülejäänud kolme servomootori puhul, pidades silmas suunda.

Seejärel kinnitage L-toed paneeli mõlemale küljele, kasutades kahte M4 mutrit ja polti. See tükk võimaldab meil servohoidiku paneeli kindlalt kinnitada ülemise paneeli külge. Korrake seda protsessi veel kahe L-toega ja teise servohoidiku paneeliga, mis hoiab teist servomootorite komplekti.

Kui L -toed on paigas, kasutage servohoidiku paneeli ülemise paneeli külge kinnitamiseks rohkem M4 mutreid ja polte. Alustage mutrite ja poltide välimise komplektiga (ees ja taga). Keskmised mutrid ja poldid hoiavad ka arduino hoidikutükki all. Kasutage nelja mutrit ja polti, et kinnitada arduino hoidik ülalt ülemisele paneelile ja joondada poldid nii, et need läbiksid ka L -tugiavasid. Täpsustuste saamiseks vaadake ülaltoodud pilte. Lõpuks lükake servohoidiku paneelide piludesse neli mutrit ja kinnitage servohoidiku paneelid ülemise paneeli külge poltidega.

8. samm: pange see kõik kokku

Kui jalad ja keha on kokku pandud, võite hakata monteerimisprotsessi lõpule viima. Paigaldage neli jalga nelja servo külge, kasutades servasarvi, mis olid kinnitatud puusa servohoidiku külge. Lõpuks kasutage laagrihoidiku tükke puusaklambri vastassilla toetamiseks. Viige telg läbi laagri ja kinnitage see oma kohale poltidega. Kinnitage laagrihoidjad ülemise paneeli külge, kasutades kahte M4 mutrit ja polti.

Sellega on quadupedi riistvarakomplekt valmis.

9. samm: juhtmestik ja ahel

Otsustasin kasutada andurikilpi, mis pakkus servomootorite ühendusi. Soovitan kasutada andurikaitset v5, kuna sellel on sisseehitatud väline toiteport. Kuid sellel, mida ma kasutasin, seda võimalust polnud. Andurikilpi lähemalt vaadates märkasin, et andurikilp ammutab energiat Arduino pardal olevast 5 -voldisest tihvtist (mis on kohutav mõte suure võimsusega servomootorite puhul, kuna riskite Arduino kahjustamisega). Selle probleemi lahenduseks oli anduri kilbi 5v tihvti painutamine teelt välja, nii et see ei ühenduks Arduino 5v tihvtiga. Sel moel saame nüüd pakkuda välist toite 5 V pinni kaudu ilma Arduino kahjustamata.

Allpool olevas tabelis on näidatud 12 servomootori signaalipistikute ühendused.

Märkus: Hip1Servo viitab keha külge kinnitatud servole. Hip2Servo viitab jala külge kinnitatud servole.

Jalg 1 (ettepoole vasakul):

• Hip1Servo >> 2
• Hip2Servo >> 3
• KneeServo >> 4

Jalg 2 (edasi paremale):

• Hip1Servo >> 5
• Hip2Servo >> 6
• KneeServo >> 7

Jalg 3 (taga vasakul):

• Hip1Servo >> 8
• Hip2Servo >> 9
• KneeServo >> 10

Jalg 4 (taga paremal):

• Hip1Servo >> 11
• Hip2Servo >> 12
• KneeServo >> 13

Samm: esmane seadistamine

Enne keeruliste kõnnakute ja muude liigutuste programmeerimise alustamist peame seadistama iga servo nullpunkti. See annab robotile võrdluspunkti, mida ta kasutab erinevate liigutuste tegemiseks.

Roboti kahjustuste vältimiseks võite servosarve lingid eemaldada. Seejärel laadige alla lisatud kood. See kood asetab iga servo 90 kraadi. Kui servod on jõudnud 90-kraadisesse asendisse, saate lingid uuesti kinnitada nii, et jalad on täiesti sirged ja kere külge kinnitatud servo on neljajalgse ülemise paneeliga risti.

Siinkohal ei pruugi servosarvede konstruktsiooni tõttu mõned liigendid siiski olla täiesti sirged. Selle lahenduseks on koodi neljandal real leitud massiivi zeroPositions reguleerimine. Iga number tähistab vastava servo nullpositsiooni (järjekord on sama, mis servo Arduino külge kinnitamise järjekorras). Muutke neid väärtusi veidi, kuni jalad on täiesti sirged.

Märkus. Siin on väärtused, mida ma kasutan, kuigi need väärtused ei pruugi teie jaoks töötada:

int zeroPositions [12] = {93, 102, 85, 83, 90, 85, 92, 82, 85, 90, 85, 90};

11. samm: natuke kinemaatikast

Et panna neljajalgsed sooritama kasulikke toiminguid, nagu jooksmine, kõndimine ja muud liigutused, tuleb servod programmeerida liikumisteede kujul. Liikumisrajad on rajad, mida mööda kulgeb lõpp -efektor (sel juhul jalad). Selle saavutamiseks on kaks võimalust:

1. Üks lähenemisviis oleks toita erinevate mootorite liigendnurki toore jõuga. See lähenemisviis võib olla aeganõudev, tüütu ja täis vigu, kuna otsus on puhtalt visuaalne. Selle asemel on nutikam viis soovitud tulemuste saavutamiseks.
2. Teine lähenemisviis keerleb ümber kõikide nurkade asemel lõpp -efektori koordinaatide söötmise. Seda nimetatakse pöördkinemaatikaks. Kasutaja sisestab koordinaadid ja liigendinurgad reguleerivad lõpp -efektori paigutamist määratud koordinaatidele. Seda meetodit võib pidada mustaks kastiks, mis võtab sisenditeks koordinaadi ja väljastab liigendnurgad. Neile, kes on huvitatud selle musta kasti trigonomeetriliste võrrandite väljatöötamisest, saate vaadata ülaltoodud diagrammi. Neile, keda see ei huvita, on võrrandid juba programmeeritud ja neid saab kasutada pos -funktsiooni abil, mis võtab sisendiks x, y, z, mis on lõpp -efektori destaarne asukoht ja väljastab kolm mootoritele vastavat nurka.

Neid funktsioone sisaldava programmi leiate järgmisest sammust.

12. samm: neljajalgse programmeerimine

Kui juhtmestik ja lähtestamine on lõpule jõudnud, saate robotit programmeerida ja genereerida lahedaid liikumisteid, et robot saaks huvitavaid ülesandeid täita. Enne jätkamist muutke lisatud koodi 4. rida väärtustele, mille määrasite lähtestamisetapis. Pärast programmi üleslaadimist peaks robot hakkama kõndima. Kui märkate, et mõned liigendid on tagurpidi, saate lihtsalt muuta vastava suuna väärtust suuna massiivis reas 5 (kui see on 1, tehke see -1 ja kui see on -1, tehke see 1).

13. samm: lõpptulemused: aeg katsetamiseks

Neljajalgne robot võib astuda samme, mis on vahemikus 5 kuni 2 cm. Ka kiirust saab muuta, hoides kõnnaku tasakaalus. See neljajalgne pakub tugevat platvormi, et katsetada mitmesuguseid muid kõnnakuid ja muid eesmärke, nagu hüpped või ülesannete täitmine. Soovitan teil proovida muuta jalgade liikumisteid, et luua oma kõnnakud ja avastada, kuidas erinevad kõnnakud mõjutavad roboti jõudlust. Samuti olen jätnud roboti ülaossa mitu kinnituspunkti täiendavate andurite jaoks, näiteks takistuste vältimise kaugusemõõtmisandurid või dünaamiliste kõnnakute korral ebaühtlasel maastikul IMU. Samuti võiks katsetada roboti ülaosale paigaldatud täiendava haaratsiga, kuna robot on äärmiselt stabiilne ja vastupidav ning ei saa kergesti ümber kukkuda.

Loodan, et teile see juhendamine meeldis ja see on inspireerinud teid ise looma.

Kui teile projekt meeldis, toetage seda, jättes hääle konkursil „Tee see liikuma”.

Head tegemist!

Teise auhinna konkursil Make it Move 2020