Arduino kontrolēts robots divkājains: 13 soļi (ar attēliem)

2025 Autors: John Day | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2025-01-23 14:59

Fusion 360 projekti »

Mani vienmēr ir interesējuši roboti, īpaši tādi, kas mēģina atdarināt cilvēku darbības. Šī interese lika man mēģināt izstrādāt un izstrādāt robotu divkāju, kas varētu atdarināt cilvēku staigāšanu un skriešanu. Šajā pamācībā es parādīšu robota divkājaino 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. Sekundārais mērķis bija padarīt biped salīdzinoši zemu cenu, izmantojot viegli pieejamas hobija detaļas un 3D drukāšanu, atstājot vietu turpmākiem uzlabojumiem un paplašinājumiem. Šie divi mērķi apvienojumā nodrošina stabilu pamatu dažādu eksperimentu veikšanai, ļaujot vienam attīstīt divkājaino konkrētākām prasībām.

Turpiniet, lai izveidotu savu Arduino kontrolēto robotu Biped, un, ja jums patika projekts, atlaidiet balsojumu "Arduino konkursā".

1. darbība: projektēšanas process

Humanoīda kājas tika izstrādātas, izmantojot Autodesk bezmaksas izmantošanas modelēšanas programmatūru Fusion 360. Es sāku, importējot servo motorus projektā, un ap tiem izveidoju kājas. 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 divkājaino, 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.

Piezīme. Daļas ir iekļautas vienā no šīm darbībām.

2. solis: Arduino loma

Šajā projektā tika izmantots Arduino Uno. Arduino bija atbildīgs par dažādu gājienu kustības ceļu aprēķināšanu, kas tika pārbaudīti, un uzdeva izpildmehānismiem virzīties uz precīziem leņķiem ar precīzu ātrumu, lai radītu vienmērīgu kustību. Arduino ir lieliska izvēle projektu izstrādei tās daudzpusības dēļ. Tas nodrošina virkni IO tapu, kā arī nodrošina saskarnes, piemēram, sērijas, I2C un SPI, lai sazinātos ar citiem mikrokontrolleriem un sensoriem. Arduino arī nodrošina lielisku platformu ātrai prototipēšanai un testēšanai, kā arī dod izstrādātājiem iespēju uzlabot un paplašināt. Šajā projektā turpmākajās versijās tiks iekļauta inerces mērīšanas iekārta kustību apstrādei, piemēram, kritiena noteikšana un dinamiska pārvietošanās nelīdzenā apvidū, un attāluma mērīšanas sensors, lai izvairītos no šķēršļiem.

Šim projektam tika izmantots Arduino IDE. (Arduino nodrošina arī tīmekļa IDE)

Piezīme. Robota programmas var lejupielādēt, veicot vienu no šīm darbībām.

3. darbība. Nepieciešamie materiāli

Šeit ir saraksts ar visām sastāvdaļām un detaļām, kas nepieciešamas, lai izveidotu savu Arduino darbināmu divkāju robotu. Visām detaļām jābūt plaši pieejamām un viegli atrodamām.

ELEKTRONIKA:

Arduino Uno x 1

Towerpro MG995 servomotors x 6

Perfboard (līdzīgs Arduino izmēram)

Vīriešu un sieviešu galvenes tapas (apmēram 20 no katras)

Džemperu vadi (10 gab.)

MPU6050 IMU (pēc izvēles)

Ultraskaņas sensors (pēc izvēles)

Aparatūra:

Skeitborda gultnis (8x19x7mm)

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)

Neskaitot Arduino un 3D printeri, šī projekta kopējās izmaksas ir 20 USD.

4. solis: 3D drukātās detaļas

Šim projektam nepieciešamās detaļas bija jāprojektē pēc pasūtījuma, tāpēc to izdrukāšanai tika izmantots 3D printeris. Izdrukas tika veiktas ar 40% piepildījumu, 2 perimetriem, 0,4 mm sprauslu un slāņa augstumu 0,1 mm ar PLA, jūsu izvēlēto krāsu. Zemāk varat atrast pilnu daļu sarakstu un STL, lai izdrukātu savu versiju.

Piezīme. Turpmāk uz daļām tiks atsauktas, izmantojot sarakstā esošos nosaukumus.

• kāju servo turētājs x 1
• kāju servo turētāja spogulis x 1
• ceļa servo turētājs x 1
• ceļa servo turētāja spogulis x 1
• kāju servo turētājs x 1
• kāju servo turētāja spogulis x 1
• gultņu saite x 2
• servo ragu saite x 2
• kāju saite x 2
• tilts x 1
• elektronikas stiprinājums x 1
• elektronikas starplikas x 8 (pēc izvēles)
• servo ragu vieta x 12 (pēc izvēles)

Kopumā, neskaitot starplikas, ir 14 daļas. Kopējais drukāšanas laiks ir aptuveni 20 stundas.

5. solis: Servo kronšteinu sagatavošana

Kad visas detaļas ir izdrukātas, varat sākt ar servo un servokronšteinu uzstādīšanu. Vispirms iespiediet gultni ceļa servo turētājā. Pielāgojumam jābūt cieši pieguļošam, bet es ieteiktu mazliet slīpēt cauruma iekšējo virsmu, nevis piespiest gultni, kas var apdraudēt detaļas salaušanu. Pēc tam caur caurumu izvelciet M4 skrūvi un pievelciet to, izmantojot uzgriezni. Pēc tam satveriet kāju saiti un pievienojiet tam apļveida servo ragu, izmantojot komplektā iekļautās skrūves. Piestipriniet pēdas saiti pie ceļa servo turētāja, izmantojot skrūves, kuras izmantosit arī, lai piestiprinātu servomotoru. Noteikti izlīdziniet motoru tā, lai vārpsta atrastos tajā pašā skrūves pusē, kuru iepriekš piestiprinājāt. Visbeidzot nostipriniet servo ar pārējiem uzgriežņiem un skrūvēm.

Dariet to pašu ar gūžas servo turētāju un kāju servo turētāju. Tādējādi jums vajadzētu būt trim servomotoriem un tiem atbilstošajiem kronšteiniem.

Piezīme: Es sniedzu norādījumus vienas kājas uzbūvēšanai, otru vienkārši atspoguļo.

6. darbība: saišu gabalu izgatavošana

Kad kronšteini ir samontēti, sāciet veidot saites. Lai izveidotu gultņa saiti, vēlreiz viegli noslīpējiet gultņa caurumu iekšējo virsmu un pēc tam iespiediet gultni caurumā abās pusēs. Noteikti nospiediet gultni, līdz tā viena puse ir vienā līmenī. Lai izveidotu servo ragu saiti, satveriet divus apļveida servo ragus un komplektā iekļautās skrūves. Novietojiet ragus uz 3D izdrukas un sakārtojiet caurumus, pēc tam pieskrūvējiet ragu pie 3D drukas, piestiprinot skrūvi no 3D drukas puses. Es iesaku šīm skrūvēm izmantot 3D drukātu servo ragu starpliku. Kad saites ir izveidotas, jūs varat sākt kājas montāžu.

7. solis: kāju salikšana

Kad saites un kronšteini ir samontēti, varat tos apvienot, lai izveidotu robota kāju. Vispirms izmantojiet servo raga saiti, lai kopā piestiprinātu gūžas servo kronšteinu un ceļa servo kronšteinu. Piezīme: vēl nepieskrūvējiet ragu pie servo, jo nākamajā posmā ir uzstādīšanas posms, un tas radīs neērtības, ja signāls tiks pieskrūvēts pie servomotora.

Pretējā pusē, izmantojot uzgriežņus, uzstādiet gultņu saiti uz izvirzītajām skrūvēm. Visbeidzot, piestipriniet pēdas servo kronšteinu, ievietojot izvirzīto skrūvi caur ceļa servo turētāja gultni. Un piestipriniet servo vārpstu pie servo raga, kas savienots ar ceļa servo turētāju otrā pusē. Tas var būt grūts uzdevums, un es ieteiktu šim nolūkam otru roku pāri.

Atkārtojiet soļus otrai kājai. Izmantojiet katrai darbībai pievienotos attēlus kā atsauci.

8. darbība: pielāgota PCB un elektroinstalācija

Šis ir neobligāts solis. Lai padarītu elektroinstalāciju kārtīgāku, es nolēmu izveidot pielāgotu PCB, izmantojot perforācijas plāksni un galvenes tapas. PCB ir porti, lai tieši savienotu servomotoru vadus. Turklāt es atstāju arī papildu portus, ja vēlos paplašināt un pievienot citus sensorus, piemēram, inerciālās mērīšanas vienības vai ultraskaņas attāluma sensorus. Tajā ir arī ports ārējam barošanas avotam, kas nepieciešams servomotoru darbināšanai. Arduino savienojums tiek izmantots, lai pārslēgtos starp USB un ārējo barošanu. Uzstādiet Arduino un PCB abās elektronikas stiprinājuma pusēs, izmantojot skrūves un 3D drukātos starplikas.

Piezīme: Pirms Arduino pievienošanas datoram, izmantojot USB, noteikti atvienojiet džemperi. To nedarot, jūs varat sabojāt Arduino.

Ja jūs nolemjat neizmantot PCB un tā vietā izmantot maizes dēli, šeit ir servo savienojumi:

• Kreisā gūžas >> tapa 9
• Labais gūžas >> tapa 8
• Kreisā ceļgala >> tapa 7
• Labais ceļgalis >> tapa 6
• Kreisā pēda >> tapa 5
• Labā pēda >> tapa 4

Ja jūs nolemjat izveidot PCB saskaņā ar iepriekš minēto secību, izmantojot PCB portus no labās uz kreiso pusi ar IMU portu uz augšu. Un izmantojiet parastos vīriešu un sieviešu džemperu vadus, lai savienotu PCB ar Arduino, izmantojot iepriekš minētos tapu numurus. Noteikti pievienojiet arī zemējuma tapu un izveidojiet tādu pašu zemes potenciālu un Vin tapu, kad nolemjat to palaist bez USB barošanas.

9. solis: ķermeņa salikšana

Kad abas kājas un elektronika ir samontētas, apvienojiet tās kopā, lai izveidotu robota korpusu. Izmantojiet tilta gabalu, lai savienotu abas kājas kopā. Izmantojiet tos pašus montāžas caurumus uz gūžas servo turētāja un uzgriežņus un skrūves, kas tur servomotoru. Visbeidzot, savienojiet elektronikas stiprinājumu ar tiltu. Izlīdziniet caurumus uz tilta un elektronikas stiprinājuma un izmantojiet M4 uzgriežņus un skrūves, lai izveidotu savienojumu.

Lai saņemtu palīdzību, skatiet pievienotos attēlus. Ar to jūs esat pabeidzis robota aparatūras izveidi. Tālāk ieskatīsimies programmatūrā un iedzīvosim robotu.

10. darbība: sākotnējā iestatīšana

Veidojot šo projektu, esmu ievērojis, ka servomotoriem un ragiem nav jābūt perfekti izlīdzinātiem, lai tie paliktu samērā paralēli. Tāpēc katra servodzinēja "centrālā pozīcija" ir manuāli jāpielāgo, lai tas atbilstu kājām. Lai to panāktu, noņemiet servo ragus no katra servo un palaidiet skici initial_setup.ino. Kad motori ir nostājušies centrālajā stāvoklī, atkal piestipriniet ragus tā, lai kājas būtu pilnīgi taisnas un pēda būtu pilnīgi paralēla zemei. Ja tas tā ir, jums ir paveicies. Ja tā nav, atveriet failu konstants.h, kas atrodas blakus esošajā cilnē, un mainiet servo nobīdes vērtības (1.-6. Rindiņa), līdz kājas ir pilnībā izlīdzinātas un pēda ir plakana. Spēlējiet ar vērtībām, un jūs iegūsit priekšstatu par to, kas ir nepieciešams jūsu gadījumā.

Kad konstantas ir iestatītas, ņemiet vērā šīs vērtības, jo tās būs nepieciešamas vēlāk.

Lai saņemtu palīdzību, skatiet attēlus.

11. solis: mazliet par kinemātiku

Lai divkājainais varētu veikt noderīgas darbības, piemēram, skriet un staigāt, dažādas gaitas jāprogrammē kustību 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 poz funkciju, kas izmanto kā ieeju x, z un izvada trīs leņķus, kas atbilst motoriem.

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

12. solis: Arduino programmēšana

Pirms Arduino programmēšanas failā ir jāveic nelielas izmaiņas. Atcerieties konstantes, kuras es jums lūdzu, lai noņemtu piezīmi? Mainiet tās pašas konstantes uz vērtībām, kuras iestatījāt failā constants.h.

Piezīme. Ja esat izmantojis šajā instrukcijā sniegtos dizainus, jums nekas nav jāmaina. Ja daži no jums ir izveidojuši savus dizainus, jums būs jāmaina vēl dažas vērtības kopā ar kompensācijām. Konstante l1 mēra attālumu starp gūžas un ceļgala šarnīru. Konstante l2 mēra attālumu starp ceļa un potītes šarnīru. Tātad, ja veidojāt savu modeli, izmēriet šos garumus un mainiet konstantes. Pēdējās divas konstantes tiek izmantotas gaitai. StepClearance konstante mēra, cik augstu pēda pacelsies, virzoties uz priekšu pēc soļa, un stepHeight konstante mēra augstumu no zemes līdz gurnam, veicot soļus.

Kad visas konstantes ir mainītas atbilstoši jūsu vajadzībām, varat augšupielādēt galveno programmu. Galvenā programma vienkārši inicializē robotu staigāšanas stāvoklī un sāk spert soļus uz priekšu. Funkcijas var mainīt atbilstoši jūsu vajadzībām, lai izpētītu dažādas gaitas, ātrumus un soļu garumus, lai redzētu, kas darbojas vislabāk.

13. darbība. Galīgie rezultāti: laiks eksperimentēt

Divkājainais var veikt pasākumus, kas var būt no 10 līdz 2 cm gari, neapgāžoties. Arī ātrumu var mainīt, saglabājot gaitu līdzsvarā. Šis divkājainais kopā ar Arduino spēku nodrošina spēcīgu platformu, lai eksperimentētu ar dažādām citām gaitām un citiem mērķiem, piemēram, lekt vai līdzsvarot bumbu sperot. Es ieteiktu jums mēģināt mainīt kāju kustības ceļus, lai izveidotu savas gaitas un atklātu, kā dažādas gaitas ietekmē robota darbību. Sistēmai var pievienot sensorus, piemēram, IMU un attāluma sensoru, lai palielinātu tās funkcionalitāti, savukārt spēka sensorus var pievienot kājām, lai eksperimentētu ar dinamisku pārvietošanos uz nelīdzenas virsmas.

Ceru, ka jums patika šī pamācība un tā ir pietiekama iedvesma, lai izveidotu savu. Ja jums patika projekts, atbalstiet to, atmetot balsojumu "Arduino konkursā".

Laimīgu izgatavošanu!

Pirmā balva Arduino konkursā 2020