3D drukāts Arduino darbināms četrkājains robots: 13 soļi (ar attēliem)

2024 Autors: John Day | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2024-01-30 10:51

Fusion 360 projekti »

No iepriekšējiem Instructables droši vien redzat, ka mani ļoti interesē robotu projekti. Pēc iepriekšējā Instructable, kurā es uzbūvēju robotu divkāju, es nolēmu izmēģināt un izveidot četrkājainu robotu, kas varētu atdarināt tādus dzīvniekus kā suņi un kaķi. Šajā pamācībā es parādīšu robota četrkājaina konstrukciju un montāžu.

Veidojot šo projektu, galvenais mērķis bija padarīt sistēmu pēc iespējas izturīgāku, lai, eksperimentējot ar dažādām staigāšanas un skriešanas gaitām, man nebūtu pastāvīgi jāuztraucas par aparatūras kļūmēm. Tas ļāva man novirzīt aparatūru līdz robežai un eksperimentēt ar sarežģītām gaitām un kustībām. Sekundārais mērķis bija padarīt četrkājaino salīdzinoši zemu cenu, izmantojot viegli pieejamas hobija detaļas un 3D drukāšanu, kas ļāva ātri izveidot prototipus. Šie divi mērķi kopā nodrošina spēcīgu pamatu dažādu eksperimentu veikšanai, ļaujot vienam četrkājainajam attīstīt specifiskākas prasības, piemēram, navigāciju, šķēršļu novēršanu un dinamisku pārvietošanos.

Pārbaudiet iepriekš pievienoto video, lai redzētu ātru projekta demonstrāciju. Turpiniet, lai izveidotu savu Arduino darbināmo četrkājaino robotu, un, ja jums patika projekts, nobalsojiet konkursā "Make it Move Contest".

1. darbība. Pārskats un projektēšanas process

Četrkājainais tika izstrādāts, izmantojot Autodesk bezmaksas lietojamo Fusion 360 3D modelēšanas programmatūru. Es sāku, importējot servomotorus projektā, un ap tiem izveidoju kājas un ķermeni. Es izstrādāju kronšteinus servodzinējam, kas nodrošina otru pagrieziena punktu diametrāli pretēji servomotora vārpstai. Dubultās vārpstas abos motora galos nodrošina konstrukcijas stabilitāti un novērš jebkādu šķībumu, kas var rasties, ja kājas ir izgatavotas, lai uzņemtu nelielu slodzi. Saites tika veidotas tā, lai noturētu gultni, kamēr kronšteiniem vārpstai tika izmantota skrūve. Kad saites tika uzmontētas pie vārpstām, izmantojot uzgriezni, gultnis nodrošinās vienmērīgu un stabilu pagrieziena punktu servodzinēja vārpstas pretējā pusē.

Vēl viens mērķis, veidojot četrkāju, bija saglabāt modeli pēc iespējas kompaktāku, lai maksimāli izmantotu servodzinēju sniegto griezes momentu. Saišu izmēri tika izveidoti, lai panāktu lielu kustību diapazonu, vienlaikus samazinot kopējo garumu. Ja tās padarīs pārāk īsas, kronšteini sadursies, samazinot kustības diapazonu un padarot to pārāk garu, izpildmehānismiem radīs nevajadzīgu griezes momentu. Visbeidzot, es izstrādāju robota korpusu, uz kura tiks uzstādīts Arduino un citi elektroniskie komponenti. Esmu arī atstājis papildu stiprinājuma punktus augšējā panelī, lai padarītu projektu mērogojamu turpmākiem uzlabojumiem. Reiz varēja pievienot sensorus, piemēram, attāluma sensorus, kameras vai citus iedarbināmus mehānismus, piemēram, robotu satvērējus.

Piezīme. Daļas ir iekļautas vienā no šīm darbībām.

2. darbība. Nepieciešamie materiāli

Šeit ir saraksts ar visām sastāvdaļām un detaļām, kas nepieciešamas, lai izveidotu savu Arduino darbināmo četrkājaino robotu. Visām detaļām jābūt plaši pieejamām un viegli atrodamām vietējos datortehnikas veikalos vai tiešsaistē.

ELEKTRONIKA:

Arduino Uno x 1

Towerpro MG995 servomotors x 12

Arduino sensora vairogs (es iesaku V5 versiju, bet man bija V4 versija)

Džemperu vadi (10 gab.)

MPU6050 IMU (pēc izvēles)

Ultraskaņas sensors (pēc izvēles)

Aparatūra:

Lodīšu gultņi (8x19x7mm, 12 gab.)

M4 uzgriežņi un skrūves

3D printera kvēldiegs (ja jums nepieder 3D printeris, vietējā darbvietā jābūt 3D printerim vai izdrukas var izdarīt tiešsaistē par diezgan lētu cenu)

Akrila loksnes (4 mm)

RĪKI

3D printeris

Lāzera griezējs

Šī projekta nozīmīgākās izmaksas ir 12 servomotori. Es iesaku izvēlēties vidējā diapazona augstākās klases versiju, nevis izmantot lētus plastmasas modeļus, jo tie mēdz viegli salūzt. Neskaitot rīkus, šī projekta kopējās izmaksas ir aptuveni 60 USD.

3. darbība. Digitāli izgatavotas detaļas

Šim projektam nepieciešamās detaļas bija jāprojektē pēc pasūtījuma, tāpēc to izgatavošanai mēs izmantojām digitāli izgatavotu detaļu un CAD spēku. Lielākā daļa detaļu ir 3D drukātas, izņemot dažas, kuras ir izgrieztas ar lāzeru no 4 mm akrila. Izdrukas tika veiktas ar 40% piepildījumu, 2 perimetriem, 0, 4 mm sprauslu un 0, 1 mm slāņa augstumu ar PLA. Dažām detaļām ir nepieciešami balsti, jo tām ir sarežģīta forma ar pārkarēm, tomēr balsti ir viegli pieejami un tos var noņemt, izmantojot dažus griezējus. Jūs varat izvēlēties vēlamo kvēldiega krāsu. Zemāk varat atrast pilnu daļu sarakstu un STL, lai drukātu savu versiju, un 2D dizainu lāzera griezuma detaļām.

Piezīme. Turpmāk uz detaļām tiks atsauktas, izmantojot nosaukumus, kas norādīti šajā sarakstā.

3D drukātas detaļas:

• gūžas servo kronšteins x 2
• gūžas servo kronšteina spogulis x 2
• ceļa servo kronšteins x 2
• ceļa servo kronšteina spogulis x 2
• gultņa turētājs x 2
• gultņa turētāja spogulis x 2
• kāja x 4
• servo ragu saite x 4
• gultņa saite x 4
• arduino turētājs x 1
• attāluma sensora turētājs x 1
• L-atbalsts x 4
• gultņa bukse x 4
• servo ragu starplikas x 24

Lāzera griešanas detaļas:

• servo turētāja panelis x 2
• augšējais panelis x 1

Kopumā ir 30 daļas, kas jāizdrukā 3D, izņemot dažādus starplikas, un kopumā 33 digitāli izgatavotas detaļas. Kopējais drukāšanas laiks ir aptuveni 30 stundas.

4. solis: saišu sagatavošana

Jūs varat sākt montāžu, sākumā uzstādot dažas detaļas, kas padarīs pēdējo montāžas procesu vieglāk vadāmu. Jūs varat sākt ar saiti. Lai izveidotu gultņa saiti, viegli noslīpējiet gultņa caurumu iekšējo virsmu, pēc tam iespiediet gultni caurumā abos galos. Noteikti nospiediet gultni, līdz tā viena puse ir vienā līmenī. Lai izveidotu servo ragu saiti, satveriet divus apļveida servo ragus un skrūves, kas bija kopā ar tām. Novietojiet ragus uz 3D izdrukas un sakārtojiet abus caurumus, pēc tam pieskrūvējiet ragu pie 3D izdrukas, piestiprinot skrūvi no 3D drukas puses. Man bija jāizmanto daži 3D drukāti servo ragu starplikas, jo komplektā iekļautās skrūves bija nedaudz garas un grieztos krustojas ar servomotora korpusu. Kad saites ir izveidotas, varat sākt uzstādīt dažādus turētājus un kronšteinus.

Atkārtojiet to visām 4 abu veidu saitēm.

5. solis: Servo kronšteinu sagatavošana

Lai uzstādītu ceļa servo kronšteinu, vienkārši izlaidiet 4 mm skrūvi caur caurumu un piestipriniet to ar uzgriezni. Tas darbosies kā motora sekundārā ass. No gūžas servo kronšteina izvelciet divas skrūves caur abiem caurumiem un piestipriniet tos ar vēl diviem uzgriežņiem. Pēc tam satveriet vēl vienu apļveida servo ragu un piestipriniet to nedaudz paceltajai kronšteina daļai, izmantojot divas skrūves, kas pievienotas ragiem. Vēlreiz es ieteiktu jums izmantot servo ragu starpliku, lai skrūves netiktu izvirzītas servo spraugā. Visbeidzot, satveriet gultņa turētāja daļu un iespiediet gultni caurumā. Lai labi pieguļ, jums var būt nepieciešams viegli noslīpēt iekšējo virsmu. Tālāk spiediet gultņa spiedienu gultnī pret to, lai gultņa turētāja gabals izliektos.

Veidojot kronšteinus, skatiet iepriekš pievienotos attēlus. Atkārtojiet šo procesu pārējām iekavām. Spoguļattēli ir līdzīgi, tikai viss ir atspoguļots.

6. solis: kāju salikšana

Kad visas saites un kronšteini ir samontēti, jūs varat sākt veidot četras robota kājas. Sāciet ar servo piestiprināšanu pie kronšteiniem, izmantojot 4 x M4 skrūves un uzgriežņus. Noteikti izlīdziniet servo asi ar izvirzīto skrūvi otrā pusē.

Pēc tam savienojiet gūžas servo ar ceļa servo, izmantojot servo ragu saites gabalu. Vēl neizmantojiet skrūvi, lai piestiprinātu ragu pie servodzinēja ass, jo mums, iespējams, būs jāpielāgo stāvoklis vēlāk. Pretējā pusē, izmantojot uzgriežņus, uz izvirzītajām skrūvēm piestipriniet gultņu saiti, kurā ir divi gultņi.

Atkārtojiet šo procesu pārējām trim kājām, un četrkājainās četras kājas ir gatavas!

7. solis: ķermeņa salikšana

Tālāk mēs varam koncentrēties uz robota ķermeņa veidošanu. Korpusā ir četri servomotori, kas kājām piešķir trešo brīvības pakāpi. Vispirms izmantojiet 4 x M4 skrūves un uzgaļus, lai piestiprinātu servo pie lāzera griešanas servo turētāja paneļa.

Piezīme: Pārliecinieties, ka servo ir piestiprināts tā, lai ass būtu gabala ārējā pusē, kā redzams iepriekš pievienotajos attēlos. Atkārtojiet šo procesu pārējiem trim servomotoriem, paturot prātā orientāciju.

Pēc tam piestipriniet L balstus abās paneļa pusēs, izmantojot divus M4 uzgriežņus un skrūves. Šis gabals ļauj mums stingri nostiprināt servo turētāja paneli pie augšējā paneļa. Atkārtojiet šo procesu ar vēl diviem L balstiem un otro servo turētāja paneli, kas satur otro servomotoru komplektu.

Kad L balsti ir savās vietās, izmantojiet vairāk M4 uzgriežņu un skrūvju, lai piestiprinātu servo turētāja paneli pie augšējā paneļa. Sāciet ar uzgriežņu un skrūvju ārējo komplektu (priekšpusē un aizmugurē). Centrālie uzgriežņi un skrūves arī tur nospiestu arduino turētāja gabalu. Izmantojiet četrus uzgriežņus un skrūves, lai no augšas piestiprinātu arduino turētāju augšējam panelim un izlīdzinātu skrūves tā, lai tās arī izietu cauri L atbalsta atverēm. Skaidrojumus skatiet iepriekš pievienotajos attēlos. Visbeidzot iebīdiet četrus uzgriežņus servo turētāja paneļu spraugās un izmantojiet skrūves, lai nostiprinātu servo turētāja paneļus pie augšējā paneļa.

8. solis: salieciet to visu kopā

Kad kājas un korpuss ir salikti, jūs varat sākt pabeigt montāžas procesu. Uzstādiet četras kājas pie četriem servos, izmantojot servo ragus, kas bija piestiprināti pie gūžas servo kronšteina. Visbeidzot, izmantojiet gultņu turētāja detaļas, lai atbalstītu gurnu kronšteina pretējo asi. Izvelciet asi caur gultni un izmantojiet skrūvi, lai to nostiprinātu vietā. Piestipriniet gultņu turētājus pie augšējā paneļa, izmantojot divus M4 uzgriežņus un skrūves.

Ar to četrkāršā datora aparatūras komplekts ir gatavs.

9. solis: elektroinstalācija un ķēde

Es nolēmu izmantot sensoru vairogu, kas nodrošināja savienojumus servodzinējiem. Es ieteiktu izmantot sensoru vairogu v5, jo tam ir iebūvēts ārējais barošanas avots. Tomēr manis izmantotajam nebija šādas iespējas. Aplūkojot sensora vairogu rūpīgāk, es pamanīju, ka sensora vairogs patērē enerģiju no Arduino iebūvētās 5 V tapas (kas ir briesmīga ideja, runājot par lieljaudas servodzinējiem, jo jūs riskējat sabojāt Arduino). Šīs problēmas risinājums bija saliekt 5V tapu uz sensora vairoga tā, lai tas netiktu savienots ar Arduino 5V tapu. Tādā veidā mēs tagad varam nodrošināt ārēju barošanu caur 5V tapu, nesabojājot Arduino.

12 servomotoru signāla tapu savienojumi ir norādīti tabulā zemāk.

Piezīme: Hip1Servo attiecas uz servo, kas piestiprināts pie ķermeņa. Hip2Servo attiecas uz servo, kas piestiprināts pie kājas.

1. kāja (uz priekšu pa kreisi):

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

2. kāja (uz priekšu pa labi):

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

3. kāja (aizmugurē pa kreisi):

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

4. kāja (aizmugurē pa labi):

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

10. darbība: sākotnējā iestatīšana

Pirms sākat programmēt sarežģītas gaitas un citas kustības, mums ir jāiestata katra servo nulles punkti. Tas robotam dod atskaites punktu, ko tas izmanto dažādu kustību veikšanai.

Lai izvairītos no robota bojājumiem, varat noņemt servo ragu saites. Pēc tam augšupielādējiet zemāk pievienoto kodu. Šis kods novieto katru servo 90 grādu leņķī. Kad servoservisi ir sasnieguši 90 grādu stāvokli, jūs varat atkārtoti piestiprināt saites tā, lai kājas būtu pilnīgi taisnas un pie ķermeņa piestiprinātais servo būtu perpendikulārs četrkājainajam augšējam panelim.

Šobrīd servo ragu konstrukcijas dēļ daži savienojumi joprojām var nebūt pilnīgi taisni. Risinājums tam ir koriģēt zeroPositions masīvu, kas atrodams koda 4. rindā. Katrs skaitlis apzīmē atbilstošā servo nulles pozīciju (secība ir tāda pati kā secība, kādā jūs pievienojāt servo Arduino). Nedaudz mainiet šīs vērtības, līdz kājas ir pilnīgi taisnas.

Piezīme. Šeit ir manis izmantotās vērtības, lai gan šīs vērtības jums var nedarboties:

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

11. solis: mazliet par kinemātiku

Lai četrkājains veiktu noderīgas darbības, piemēram, skriešanu, staigāšanu un citas kustības, servos jābūt ieprogrammētiem kustības ceļu veidā. Kustības ceļi ir ceļi, pa kuriem iet gala efektors (šajā gadījumā pēdas). Ir divi veidi, kā to sasniegt:

1. Viena pieeja būtu barot dažādu motoru savienojuma leņķus brutāla spēka veidā. Šī pieeja var būt laikietilpīga, garlaicīga un arī kļūdu pilna, jo spriedums ir tikai vizuāls. Tā vietā ir gudrāks veids, kā sasniegt vēlamos rezultātus.
2. Otrā pieeja ir saistīta ar gala efektora koordinātu barošanu, nevis visu savienojuma leņķu vietā. To sauc par apgriezto kinemātiku. Lietotājs ievada koordinātas un savienojuma leņķi noregulē, lai gala efektoru novietotu norādītajās koordinātās. Šo metodi var uzskatīt par melno kasti, kas kā ievadi ņem koordinātu un izdala savienojuma leņķus. Tiem, kurus interesē, kā tika izstrādāti šīs melnās kastes trigonometriskie vienādojumi, var apskatīt iepriekš redzamo diagrammu. Tiem, kurus tas neinteresē, vienādojumi jau ir ieprogrammēti, un tos var izmantot, izmantojot funkciju pos, kas tiek izmantota kā ieeja x, y, z, kas ir gala efekta taisnleņķa vieta un izvada trīs leņķus, kas atbilst motoriem.

Programmu, kas satur šīs funkcijas, var atrast nākamajā darbībā.

12. solis: četrkājaina programmēšana

Kad elektroinstalācija un inicializēšana ir pabeigta, varat ieprogrammēt robotu un ģenerēt vēsus kustības ceļus, lai robots veiktu interesantus uzdevumus. Pirms turpināt, mainiet pievienotā koda 4. rindu uz vērtībām, kuras iestatījāt inicializācijas posmā. Pēc programmas augšupielādes robotam jāsāk staigāt. Ja pamanāt, ka daži savienojumi ir apgriezti, jūs varat vienkārši mainīt atbilstošo virziena vērtību virzienu masīvā 5. rindā (ja tas ir 1, padariet to -1 un, ja tas ir -1, padariet to par 1).

13. darbība. Galīgie rezultāti: laiks eksperimentēt

Četrkājainais robots var veikt darbības, kas svārstās no 5 līdz 2 cm. Arī ātrumu var mainīt, saglabājot gaitu līdzsvarā. Šis četrkājainais nodrošina spēcīgu platformu, lai eksperimentētu ar dažādām citām gaitām un citiem mērķiem, piemēram, lekt vai izpildītu uzdevumus. Es ieteiktu jums mēģināt mainīt kāju kustības ceļus, lai izveidotu savas gaitas un atklātu, kā dažādas gaitas ietekmē robota darbību. Esmu arī atstājis vairākus montāžas punktus robota augšpusē papildu sensoriem, piemēram, attāluma mērīšanas sensorus šķēršļu novēršanas uzdevumiem vai IMU dinamiskām gaitām nelīdzenā apvidū. Varētu arī eksperimentēt ar papildu satvērēja roku, kas uzstādīta robota augšpusē, jo robots ir ārkārtīgi stabils un izturīgs, un tam nav viegli apgāzties.

Ceru, ka jums patika šī pamācība un tā ir iedvesmojusi jūs izveidot savu.

Ja jums patika projekts, atbalstiet to, atmetot balsojumu konkursā “Padariet to kustībā”.

Laimīgu izgatavošanu!

Otrā balva konkursā Make it Move 2020