Bioinspired Robot Snake: 16 soļi (ar attēliem)

2024 Autors: John Day | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2024-01-30 10:57

Es biju iedvesmots sākt šo projektu pēc tam, kad esmu redzējis izpētes video par koku kāpšanas robotām čūskām un robotizētiem zušiem. Šis ir mans pirmais mēģinājums un robotu būvēšana, izmantojot serpentīna kustību, taču tas nebūs mans pēdējais! Abonējiet vietnē YouTube, ja vēlaties redzēt turpmāko attīstību.

Zemāk es ieskicēju 2 dažādu čūsku uzbūvi kopā ar 3D drukāšanas failiem un diskusiju par kodu un algoritmiem, lai panāktu čūskai līdzīgu kustību. Ja vēlaties turpināt mācīties vairāk, pēc šīs pamācības izlasīšanas es ieteiktu izlasīt saites lapas apakšdaļā esošajā atsauču sadaļā.

Šis pamācības tehniski ir 2-in-1, jo es paskaidroju, kā izveidot 2 dažādas robotu čūskas versijas. Ja jūs interesē tikai vienas čūskas būvēšana, ignorējiet norādījumus par otru čūsku. Šīs divas dažādas čūskas turpmāk tiks apzīmētas, savstarpēji aizstājot šādas frāzes:

1. Viena ass čūska, 1D čūska vai dzeltena un melna čūska
2. Divasu čūska, 2D čūska vai balta čūska

Protams, jūs varat izdrukāt čūskas jebkurā krāsu pavedienā, kuru vēlaties. Vienīgā atšķirība starp abām čūskām ir tā, ka 2D čūskā katrs motors ir pagriezts par 90 grādiem salīdzinājumā ar iepriekšējo, savukārt 1D čūskā visi motori ir izlīdzināti vienā asī.

Pēdējais priekšvārds ir tāds, ka, lai gan katrai manai čūskai ir tikai 10 servo, čūskas ir iespējams izgatavot ar vairāk vai mazāk serviem. Viena lieta, kas jāņem vērā, ir tāda, ka ar mazāku servo skaitu jūs sasniegsit mazāk veiksmīgu kustību, un, ja būs vairāk servo, jūs, iespējams, gūsit panākumus ar serpentīna kustību, taču jums būs jāņem vērā izmaksas, pašreizējā izloze (sk. Vēlākas piezīmes) un tapas. pieejams vietnē Arduino. Jūtieties brīvi mainīt čūskas garumu, tomēr paturiet prātā, ka jums būs jāmaina arī kods, lai ņemtu vērā šīs izmaiņas.

1. darbība: sastāvdaļas

Šis ir vienas čūskas detaļu saraksts, ja vēlaties izgatavot abas čūskas, jums būs divkāršojams komponentu tilpums.

• 10 MG996R servo*
• 1,75 mm 3D drukas kvēldiegs
• 10 lodīšu gultņi, detaļas numurs 608 (es izglābu raktuvi no Jitterspin satraukuma vērpēju ārējās malas)
• 20 mazi lodīšu gultņi, daļas numurs r188, riteņiem ** (es izglābu raktuvi no Jitterspin izkustēšanās centrifūgas iekšējās daļas)
• 40 Philips galvas skrūves 6-32 x 1/2 "(vai līdzīgas)
• 8 garākas skrūves (man nav detaļas numura, bet to diametrs ir tāds pats kā iepriekšminētajām skrūvēm)
• Vismaz 20 gab. 4 collu rāvējslēdzēji (atkarīgs no jums, cik daudz vēlaties izmantot)
• Katrs 5 m no sarkanā un melnā 20 gabarīta stieples vai biezāks ***
• Standarta 22 gabarīta vads
• 30 vīriešu galvenes tapas (sadalītas 10 partijās pa 3)
• Arduino Nano
• 3D drukātas detaļas (skatīt nākamo sadaļu)
• Daži enerģijas veidi (lai iegūtu vairāk informācijas sadaļā “Čūskas barošana”), es personīgi izmantoju modificētu ATX barošanas avotu
• 1000uF 25V elektrolītiskais kondensators
• Dažādu izmēru termiski saraušanās caurule, lodēšana, līme un citi dažādi instrumenti

*Jūs varat izmantot citus veidus, bet jums būs jāpārveido 3D faili, lai tie atbilstu jūsu servos. Arī tad, ja mēģināsit izmantot mazākus servos, piemēram, sg90, iespējams, atklāsit, ka tie nav pietiekami spēcīgi (es to neesmu pārbaudījis, un jums būs jāeksperimentē).

** riteņiem nav jāizmanto mazi lodīšu gultņi, man vienkārši bija daudz gulēšanas. Varat arī izmantot LEGO riteņus vai citus rotaļu riteņus.

*** Šim vadam var būt līdz 10 ampēriem, tas ir pārāk plāns, un strāva to izkausēs. Plašāku informāciju skatiet šajā lapā.

2. darbība: 3D drukāšanas komponenti

Ja veidojat 1D čūsku, izdrukājiet šos gabalus.

Ja veidojat 2D čūsku, izdrukājiet šos gabalus.

Svarīga piezīme: skala var būt nepareiza! Es izstrādāju savus komponentus programmā Fusion 360 (mm vienībās), eksportēju dizainu kā.stl failu MakerBot programmatūrā un pēc tam izdrukāju uz Qidi Tech printera (MakerBot Replicator 2X klona versija). Kaut kur šajā darbplūsmā ir kļūda, un visas manas izdrukas ir pārāk mazas. Man nav izdevies noteikt kļūdas atrašanās vietu, bet ir īslaicīgs labojums, kā MakerBot programmatūrā katru izdruku mērogot līdz 106%, tas novērš problēmu.

Ņemot to vērā, jābrīdina, ka, izdrukājot iepriekš minētos failus, tie var būt nepareizi mērogoti. Pirms visu drukāšanas es iesaku drukāt tikai vienu gabalu un pārbaudīt, vai tas atbilst jūsu MG996R servo.

Ja jūs drukājat kādu no failiem, lūdzu, dariet man zināmu, kāds ir rezultāts: ja izdruka ir pārāk maza, tieši tā, pārāk liela un par cik procentiem. Strādājot kopā kā kopiena, mēs varam novērst kļūdas atrašanās vietu, izmantojot dažādus 3D printerus un.stl griezējus. Kad problēma būs atrisināta, es atjaunināšu šo sadaļu un iepriekš minētās saites.

3. solis: čūsku montāža

Montāžas process lielākoties ir vienāds abām čūskas versijām. Vienīgā atšķirība ir tāda, ka 2D čūskā katrs motors ir pagriezts par 90 grādiem salīdzinājumā ar iepriekšējo, savukārt 1D čūskā visi motori ir izlīdzināti vienā asī.

Sāciet, atskrūvējot servo, saglabājiet skrūves un noņemiet melnā plastmasas rāmja augšējos un apakšējos gabalus, un esiet uzmanīgi, lai nepazaudētu nevienu pārnesumu! Iebīdiet servo 3D drukātajā rāmī, orientējoties tāpat kā iepriekš redzamajos attēlos. Nomainiet servo korpusa augšpusi un pieskrūvējiet to vietā ar četrām 6-32 1/2 skrūvēm. Saglabājiet servo rāmja apakšdaļu (ja vēlaties to izmantot vēlākos projektos) un nomainiet to ar 3D drukāts korpuss, vienīgā atšķirība ir papildu poga lodīšu gultņa pārslīdēšanai. Skrūvējiet servo atpakaļ, atkārtojiet 10 reizes.

SVARĪGI: Pirms turpināt, augšupielādējiet kodu Arduino un katru servo pārvietojiet līdz 90 grādiem. Pretējā gadījumā jūs varat salauzt vienu vai vairākus servo un/vai 3D drukātos rāmjus. Ja neesat pārliecināts, kā pārvietot servo uz 90 grādiem, skatiet šo lapu. Būtībā savienojiet servo sarkano vadu ar 5 V uz Arduino, brūno vadu ar GND un dzelteno vadu ar 9. ciparu tapu, pēc tam augšupielādējiet kodu saitē.

Tagad, kad katrs servo ir 90 grādu leņķī, turpiniet:

Savienojiet 10 segmentus, ievietojot 3D drukāto pogu no viena servo korpusa otrā segmenta gabala atverē, pēc tam ar nelielu spēku iespiediet servo asi savā caurumā (skaidrības labad skatiet attēlus iepriekš un video). Ja veidojat 1D čūsku, visiem segmentiem jābūt izlīdzinātiem, ja veidojat 2D čūsku, katrs segments jāpagriež par 90 grādiem pret iepriekšējo segmentu. Ņemiet vērā, ka astes un galvas rāmis ir tikai puse no pārējo segmentu garuma, savienojiet tos, bet nekomentējiet piramīdas formas gabalus tikai pēc elektroinstalācijas pabeigšanas.

Pievienojiet x formas servo sviru un ieskrūvējiet to vietā. Pārvelciet lodīšu gultni virs 3D drukātās pogas, tas prasīs viegli saspiest abus pusloka statņus. Atkarībā no izmantotā kvēldiega zīmola un pildījuma blīvuma stabi var būt pārāk trausli un nofiksēti, es nedomāju, ka tas tā būs, bet tomēr neizmantojiet pārmērīgu spēku. Es personīgi izmantoju PLA kvēldiegu ar 10% pildījumu. Kad lodīšu gultnis ir ieslēgts, tam jāpaliek bloķētam ar kloķa pārkares palīdzību.

4. solis: ķēde

Ķēde ir vienāda abām robotu čūskām. Elektroinstalācijas procesa laikā pārliecinieties, ka katram segmentam ir pietiekami daudz vietas, lai pilnībā pagrieztos, it īpaši 2D čūskā.

Iepriekš ir elektroinstalācijas shēma ar tikai 2 servos. Es mēģināju izdarīt ķēdes zīmējumu ar 10 serviem, bet tas kļuva pārāk pārpildīts. Vienīgā atšķirība starp šo attēlu un reālo dzīvi ir tāda, ka paralēli jāpievieno vēl 8 servo un PWM signāla vadi jāpievieno Arduino Nano tapām.

Pieslēdzot elektrības vadus, es izmantoju vienu 18 gabarīta stieples gabalu (pietiekami biezu, lai izturētu 10 ampērus) kā galveno 5 V līniju, kas iet gar čūskas garumu. Izmantojot stieples noņēmējus, es ar 10 regulāriem intervāliem noņēmu nelielu izolatora daļu un no katra no šiem intervāliem pielodēju īsu stieples gabalu, kurā bija 3 vīriešu galviņu tapas. Atkārtojiet to otro reizi melnajam 18 gabarīta GND vadam un otrajam vāciņam. Visbeidzot pielodējiet garāku vadu pie 3. tērauda galvenes tapas, šī tapa pārnesīs PWM signālu uz servo no Arduino Nano čūskas galvā (vadam jābūt pietiekami garam, lai sasniegtu pat tad, ja segmenti ir saliekti). Pēc vajadzības pievienojiet termiski saraušanās cauruli. Savienojiet 3 ārējās galvenes tapas ar 3 vadu savienotājvadiem. Atkārtojiet 10 reizes katram no 10 servos. Visbeidzot, tas tiek panākts, pieslēdzot servos paralēli un vadot PWM signāla vadus uz Nano. Vīriešu/sieviešu galvenes tapas iemesls bija tāds, ka jūs varat viegli sadalīt segmentus un nomainīt servos, ja tie saplīst, neatlaidot visu.

Lodējiet GND un 5V vadus pie 3x7 caurumu perforācijas plāksnes astē ar kondensatoru un skrūvju spailēm. Kondensatora mērķis ir novērst visus strāvas pieplūdes tapas, kas radušās, palaižot servos, kas var atiestatīt Arduino Nano (ja jums nav kondensatora, iespējams, varat iztikt bez tā, bet labāk ir būt drošam). Atcerieties, ka elektrolītisko kondensatoru garais zars jāpievieno 5V līnijai, bet īsākais - GND līnijai. Lodējiet GND vadu pie Nano GND tapas un 5 V vadu pie 5 V tapas. Ņemiet vērā, ja izmantojat citu spriegumu (skatiet nākamo sadaļu), teiksim Lipo akumulatoru ar 7,4 V spriegumu, pēc tam pievienojiet sarkano vadu pie Vin tapas, nevis 5V kontakta, tas iznīcinās tapu.

Lodējiet 10 PWM signāla vadus pie Arduino Nano tapām. Es vadu savu šādā secībā, jūs varat izvēlēties savādāk pieslēgt savējo, taču atcerieties, ka tad jums būs jāmaina servo.attach () līnijas kodā. Ja neesat pārliecināts, par ko es runāju, vienkārši sakārtojiet to tāpat kā es, un jums nebūs problēmu. Lai no servo pie čūskas astes līdz čūskas galvai es abas čūskas vadu šādā secībā. Signāla tapu savienošana ar: A0, A1, A2, A3, A4, A5, D4, D3, D8, D7.

Elektroinstalācijas tīrīšanai izmantojiet rāvējslēdzējus. Pirms turpināt, pārbaudiet, vai visi segmenti var pārvietoties ar pietiekami daudz vietas, lai vadi varētu pārvietoties, tos neatraujot. Tagad, kad elektroinstalācija ir pabeigta, mēs varam pieskrūvēt galvas un astes piramīdas formas vāciņus. Ņemiet vērā, ka astē ir caurums, no kura var iziet piesaiste, un galvai ir caurums Arduino programmēšanas kabelim.

5. solis: Čūskas barošana

Tā kā servos ir vadi paralēli, tiem visiem ir vienāds spriegums, bet strāva ir jāsummē. Aplūkojot MG996r servo tehnisko datu lapu, viņi var darboties līdz 900 mA (pieņemot, ka tie neapstājas). Tādējādi kopējais strāvas patēriņš, ja visi 10 servos pārvietojas vienlaicīgi, ir 0,9A*10 = 9A. Šāds parasts 5V, 2A sienas kontaktligzdas adapteris nedarbosies. Es nolēmu modificēt ATX barošanas avotu, kas spēj 5 V pie 20A. Es neskaidrošu, kā to izdarīt, jo tas jau ir daudz apspriests vietnē Instructables un YouTube. Ātrā meklēšana tiešsaistē parādīs, kā mainīt vienu no šiem barošanas avotiem.

Pieņemot, ka esat mainījis barošanas avotu, tas ir vienkārši gadījums, kad starp strāvas padevi un čūskas skrūvju spailēm tiek pieslēgta garā saite.

Vēl viena iespēja ir izmantot iebūvētu lipo akumulatoru. Es to neesmu izmēģinājis, tāpēc jums būs jāizstrādā akumulatora stiprinājums un jāpievieno vads. Paturiet prātā darba spriegumu, servo un Arduino strāvas patēriņu (nelodējiet neko citu kā 5 V 5 V tapu uz Arduino, dodieties uz Vin tapu, ja jums ir augstāks spriegums).

6. darbība: pārbaudiet, vai viss darbojas

Pirms turpināt, vienkārši pārbaudiet, vai viss darbojas. Augšupielādējiet šo kodu. Jūsu čūskai vajadzētu pārvietot katru servo atsevišķi no 0 līdz 180 un pēc tam pabeigt, noliekot taisnā līnijā. Ja tā nenotiek, tad kaut kas nav kārtībā, visticamāk, ka elektroinstalācija ir nepareiza vai arī servos sākotnēji nebija centrēts 90 grādu leņķis, kā minēts sadaļā "Čūsku montāža".

7. darbība: kods

Pašlaik čūskai nav tālvadības pults, visa kustība ir ieprogrammēta, un jūs varat izvēlēties, ko vēlaties. Es izstrādāšu tālvadības pulti 2. versijā, bet, ja vēlaties to vadīt attālināti, es ieteiktu izpētīt citas pamācības par Instructables un pielāgot čūsku, lai tā būtu saderīga ar Bluetooth.

Ja veidojat 1D čūsku, augšupielādējiet šo kodu.

Ja veidojat 2D čūsku, augšupielādējiet šo kodu.

Es aicinu jūs spēlēties ar kodu, veikt izmaiņas un izveidot jaunus algoritmus. Izlasiet nākamās vairākas sadaļas, lai iegūtu detalizētu skaidrojumu par katru pārvietošanās veidu un tā darbības kodu.

8. solis: svari pret riteņiem

Viens no galvenajiem veidiem, kā čūskas spēj virzīties uz priekšu, ir zvīņu forma. Svari ļauj vieglāk kustēties uz priekšu. Lai iegūtu sīkāku skaidrojumu, skatieties šo videoklipu no pulksten 3:04, lai redzētu, kā svari palīdz čūskai virzīties uz priekšu. Skatoties 3:14 tajā pašā video, redzams efekts, kad čūskas atrodas piedurknē, noņemot zvīņu berzi. Kā redzams manā YouTube videoklipā, kad robotizētā 1D čūska mēģina slīdēt pa zāli bez svariem, tā nevirzās uz priekšu vai atpakaļ, jo spēki ir līdz nullei. Tāpēc mums jāpievieno daži mākslīgie svari robota apakšdaļai.

Pētījumi par kustību atjaunošanu, izmantojot svarus, tika veikti Hārvardas universitātē un parādīti šajā video. Es nevarēju izdomāt līdzīgu metodi, lai pārvietotu svarus uz augšu un uz leju uz mana robota, un tā vietā samierinājos ar pasīvo 3D drukāto svaru pievienošanu vēdera lejasdaļai.

Diemžēl tas izrādījās neefektīvs (skat. Manā YouTube videoklipā 3:38), jo svari joprojām slējās virs paklāja virsmas, nevis uztvēra šķiedras un palielināja berzi.

Ja vēlaties eksperimentēt ar manis izveidotajiem svariem, varat 3D drukāt failus no mana GitHub. Ja jūs veiksmīgi izveidojat savu, paziņojiet man komentāros zemāk!

Izmantojot citu pieeju, es kā “riepas” izmantoju riteņus, kas izgatavoti no r188 lodīšu gultņiem ar termiski saraušanās cauruli ārpusē. Jūs varat 3D drukāt plastmasas riteņu asis no.stl failiem manā GitHub. Lai gan riteņi nav bioloģiski precīzi, tie ir līdzīgi svariem, jo rotācija uz priekšu ir vienkārša, bet kustība no vienas puses uz otru ir ievērojami grūtāka. Riteņu veiksmīgo rezultātu varat redzēt manā YouTube videoklipā.

9. solis: slīdoša kustība (vienas ass čūska)

Pirmā balva konkursā Make it Move