3D печатен Arduino задвижван четириъгълен робот: 13 стъпки (със снимки)

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последно модифициран: 2024-01-30 07:50

Проекти на Fusion 360 »

От предишните Instructables вероятно можете да видите, че имам дълбок интерес към роботизираните проекти. След предишния Instructable, където построих роботизиран двуног, реших да опитам да направя четириног робот, който да имитира животни като кучета и котки. В тази инструкция ще ви покажа дизайна и монтажа на роботизирания четириног.

Основната цел при изграждането на този проект беше да направим системата възможно най -здрава, така че докато експериментирам с различни походки за ходене и бягане, нямаше да се налага постоянно да се тревожа за повреда на хардуера. Това ми позволи да принудя хардуера до краен предел и да експериментирам със сложни походки и движения. Второстепенна цел беше да се направи четворката сравнително евтина, като се използват лесно достъпни части за хоби и 3D печат, което позволи бързо прототипиране. Тези две цели, комбинирани, осигуряват здрава основа за извършване на различни експерименти, позволявайки на човек да разработи четириножника за по -специфични изисквания като навигация, избягване на препятствия и динамично придвижване.

Вижте видеото, приложено по -горе, за да видите бърза демонстрация на проекта. Продължете, за да създадете свой собствен четириъгълен робот с Arduino и пуснете глас в конкурса „Make it Move“, ако проектът ви е харесал.

Стъпка 1: Преглед и процес на проектиране

Четириногият е проектиран в безплатния за използване софтуер за моделиране на Fusion 360 на Autodesk. Започнах с импортирането на серво моторите в дизайна и изградих краката и тялото около тях. Проектирах скоби за серво мотора, който осигурява втора точка на завъртане, диаметрално противоположна на вала на серво мотора. Наличието на двойни валове от двата края на двигателя дава структурна стабилност на дизайна и елиминира всяко изкривяване, което може да възникне, когато краката са направени да поемат известно натоварване. Връзките са проектирани да държат лагер, докато скобите използват болт за вала. След като връзките са монтирани към валовете с помощта на гайка, лагерът ще осигури гладка и здрава точка на завъртане от противоположната страна на вала на серво мотора.

Друга цел при проектирането на четворката беше да запази модела възможно най -компактен, за да използва максимално въртящия момент, осигурен от серво моторите. Размерите на връзките са направени, за да се постигне голям обхват на движение, като същевременно се сведе до минимум общата дължина. Прекалено късите им биха накарали скобите да се сблъскат, намалявайки обхвата на движение и прекалено дългите биха оказали ненужен въртящ момент върху задвижващите механизми. Накрая проектирах тялото на робота, върху което ще се монтират Arduino и други електронни компоненти. Оставих и допълнителни точки за монтиране на горния панел, за да направя проекта мащабируем за по -нататъшни подобрения. Веднъж можеше да добави сензори като сензори за разстояние, камери или други задействани механизми като роботизирани грайфери.

Забележка: Частите са включени в една от следните стъпки.

Стъпка 2: Необходими материали

Ето списъка с всички компоненти и части, необходими, за да направите свой собствен Arduino Powered Quadruped Robot. Всички части трябва да са общодостъпни и лесни за намиране в местни магазини за хардуер или онлайн.

ЕЛЕКТРОНИКА:

Arduino Uno x 1

Серво мотор Towerpro MG995 x 12

Arduino Sensor Shield (препоръчвам версията V5, но имах версията V4)

Джъмперни проводници (10 броя)

MPU6050 IMU (по избор)

Ултразвуков сензор (по избор)

Хардуер:

Сачмени лагери (8x19x7mm, 12 броя)

M4 гайки и болтове

Нишка за 3D принтер (в случай, че не притежавате 3D принтер, трябва да има 3D принтер в локално работно пространство или разпечатките могат да се правят онлайн на доста евтини цени)

Акрилни листове (4 мм)

ИНСТРУМЕНТИ

3D принтер

Лазерен нож

Най -значителната цена на този проект са 12 -те серво мотора. Препоръчвам да преминете към среден и висок клас, вместо да използвате евтините пластмасови, тъй като те са склонни да се счупят лесно. Като изключим инструментите, общата цена на този проект е приблизително 60 $.

Стъпка 3: Цифрово произведени части

Частите, необходими за този проект, трябваше да бъдат проектирани по поръчка, затова използвахме силата на цифрово произведените части и CAD, за да ги изградим. Повечето части са 3D отпечатани, освен няколко, които са лазерно изрязани от 4 мм акрил. Отпечатъците са направени при 40% пълнене, 2 периметра, 0,4 мм дюза и височина на слоя 0,1 мм с PLA. Някои от частите наистина се нуждаят от опори, тъй като имат сложна форма с надвеси, но подпорите са лесно достъпни и могат да бъдат премахнати с помощта на някои фрези. Можете да изберете цвета на нишката по ваш избор. По -долу можете да намерите пълния списък с части и STL, за да отпечатате своя собствена версия и 2D дизайна за лазерно изрязани части.

Забележка: От тук нататък частите ще бъдат препращани към имената в следния списък.

3D отпечатани части:

• хип серво скоба x 2
• огледало за хип серво конзола x 2
• серво скоба за коляното x 2
• огледало за серво скоба за коляното x 2
• държач на лагер x 2
• огледало за държач на лагер x 2
• крак х 4
• връзка към серво клаксон x 4
• лагерна връзка x 4
• държач arduino x 1
• държач за сензор за разстояние x 1
• L-опора x 4
• носеща втулка х 4
• дистанционер за серво рога x 24

Лазерно изрязани части:

• панел на държача на серво x 2
• горен панел x 1

Общо има 30 части, които трябва да бъдат отпечатани 3D, с изключение на различните дистанционни елементи, и общо 33 части, произведени в цифров вид. Общото време за печат е около 30 часа.

Стъпка 4: Подготовка на връзките

Можете да започнете сглобяването, като настроите някои части в началото, което ще направи процеса на окончателно сглобяване по -управляем. Можете да започнете с връзката. За да направите лагерната връзка, леко шлайфайте вътрешната повърхност на отворите за лагера, след което натиснете лагера в отвора от двата края. Не забравяйте да натиснете лагера, докато едната страна е изравнена. За да изградите връзка на серво клаксона, вземете два кръгови серво рога и винтовете, които идват заедно с тях. Поставете рогата върху 3D отпечатването и подравнете двата отвора, след това завийте клаксона върху 3D отпечатването, като прикрепите винта от страната на 3D отпечатването. Трябваше да използвам някои 3D отпечатани дистанционни елементи за серво рога, тъй като доставените винтове бяха малко дълги и ще се пресичат с корпуса на серво мотора, докато се върти. След като връзките са изградени, можете да започнете да настройвате различните държачи и скоби.

Повторете това за всичките 4 връзки от двата типа.

Стъпка 5: Подготовка на серво скобите

За да настроите скобата за коляното, просто прокарайте 4 мм болт през отвора и го затегнете с гайка. Това ще функционира като вторична ос на двигателя. От хидравличната серво скоба, прекарайте два болта през двата отвора и ги закрепете с още две гайки. След това вземете друг кръгъл серво рог и го прикрепете към леко повдигнатия участък на скобата, като използвате двата винта, които се доставят с клаксоните. Още веднъж бих ви препоръчал да използвате дистанционер за серво рога, така че винтовете да не стърчат в пролуката за серво. Накрая вземете частта на държача на лагера и натиснете лагер в отвора. Може да се наложи леко да шлайфате вътрешната повърхност за добро прилягане. След това натиснете лагера в лагера към това, че държачът на лагера се огъва.

Вижте снимките, приложени по -горе, докато изграждате скобите. Повторете този процес за останалите скоби. Огледалните са подобни, само всичко е огледално.

Стъпка 6: Сглобяване на краката

След като всички връзки и скоби са сглобени, можете да започнете да изграждате четирите крака на робота. Започнете, като прикрепите сервомоторите към скобите, като използвате 4 x M4 болта и гайки. Не забравяйте да подравните оста на серво с изпъкналия болт от другата страна.

След това свържете хип серво с коляното, като използвате частта на серво рога. Все още не използвайте винт, за да закрепите клаксона върху оста на сервомотора, тъй като може да се наложи по -късно да регулираме позицията. От другата страна монтирайте лагерната връзка, съдържаща двата лагера, върху стърчащите болтове с помощта на гайки.

Повторете този процес за останалите три крака и четирите крака за четириногите са готови!

Стъпка 7: Сглобяване на тялото

След това можем да се съсредоточим върху изграждането на тялото на робота. Тялото разполага с четири серво мотора, които дават на краката третата степен на свобода. Започнете, като използвате 4 x M4 болта и бута, за да прикрепите серво към лазерно изрязания панел на държача на серво.

Забележка: Уверете се, че сервото е прикрепено така, че оста да е от външната страна на парчето, както се вижда на снимките, приложени по -горе. Повторете този процес за останалите три серво мотора, като имате предвид ориентацията.

След това прикрепете L-опори от двете страни на панела, като използвате две гайки и болтове M4. Това парче ни позволява здраво да закрепим панела на държача на серво към горния панел. Повторете този процес с още две L-опори и втория панел на държача на серво, който държи втория комплект серво мотори.

След като L опорите са на място, използвайте още M4 гайки и болтове, за да прикрепите панела на държача на серво към горния панел. Започнете с външния набор от гайки и болтове (отпред и отзад). Централните гайки и болтове също държат частта на държача на arduino. Използвайте четири гайки и болтове, за да прикрепите държача на arduino отгоре към горния панел и подравнете болтовете, така че да преминават и през L опорните отвори. Вижте изображенията, приложени по -горе, за пояснения. Накрая плъзнете четири гайки в слотовете на панелите на серво държача и използвайте болтове, за да фиксирате панелите на серво държача към горния панел.

Стъпка 8: Съберете всичко заедно

След като краката и тялото са сглобени, можете да започнете да завършите процеса на сглобяване. Монтирайте четирите крака към четирите сервомотора, като използвате серво рогата, които са били прикрепени към хип серво скобата. Накрая, използвайте частите на държача на лагера, за да поддържате противоположната ос на тазобедрената скоба. Прекарайте оста през лагера и използвайте болт, за да го закрепите на място. Прикрепете държачите на лагерите към горния панел с помощта на две гайки и болтове М4.

С това хардуерният монтаж на четириъгълника е готов.

Стъпка 9: Окабеляване и верига

Реших да използвам сензорен щит, който осигурява връзки за серво мотори. Бих препоръчал да използвате сензорния щит v5, тъй като той разполага с вграден порт за външно захранване. Този, който използвах обаче, нямаше тази опция. Разглеждайки по -внимателно щита на сензора, забелязах, че сензорният щит черпи енергия от вградения 5V щифт на Arduino (което е ужасна идея, когато става въпрос за серво мотори с висока мощност, тъй като рискувате да повредите Arduino). Решението на този проблем беше да огънете 5V щифта на сензорния щит настрани, така че да не се свързва с 5v щифта на Arduino. По този начин вече можем да осигурим външно захранване чрез 5v щифт, без да повредим Arduino.

Връзките на сигналните щифтове на 12 -те серво мотора са посочени в таблицата по -долу.

Забележка: Hip1Servo се отнася до сервото, прикрепено към тялото. Hip2Servo се отнася до серво, прикрепено към крака.

Крак 1 (напред вляво):

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

Крак 2 (напред вдясно):

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

Крак 3 (отзад вляво):

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

Крак 4 (отзад вдясно):

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

Стъпка 10: Първоначална настройка

Преди да започнем да програмираме сложни походки и други движения, трябва да настроим нулевите точки на всяко серво. Това дава на робота отправна точка, която използва за извършване на различните движения.

За да избегнете повреди на робота, можете да премахнете връзките на серво клаксона. След това качете кода, който е приложен по -долу. Този код поставя всеки от сервомоторите на 90 градуса. След като сервомоторите достигнат позиция от 90 градуса, можете да прикрепите връзките така, че краката да са идеално прави, а сервото, прикрепено към тялото, да е перпендикулярно на горния панел на четворката.

В този момент, поради дизайна на серво рогата, някои от фугите все още може да не са идеално прави. Решението на това е да се коригира масивът zeroPositions, намерен на 4 -ти ред на кода. Всяко число представлява нулевата позиция на съответното серво (редът е същият като реда, в който сте прикрепили серво към Arduino). Поправете малко тези стойности, докато краката са идеално изправени.

Забележка: Ето стойностите, които използвам, въпреки че тези стойности може да не работят за вас:

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

Стъпка 11: Малко за кинематиката

За да накарате четворката да изпълнява полезни действия като бягане, ходене и други движения, сервомоторите трябва да бъдат програмирани под формата на пътища на движение. Пътеките на движение са пътища, по които крайният ефект (краката в този случай) се движат по протежение. Има два начина за постигане на това:

1. Един подход би бил захранването на ъглите на свързване на различните двигатели по груба сила. Този подход може да отнеме много време, досаден и също така изпълнен с грешки, тъй като преценката е чисто визуална. Вместо това има по -интелигентен начин за постигане на желаните резултати.
2. Вторият подход се върти около захранването на координатите на крайния ефектор вместо на всички съединителни ъгли. Това е известно като обратна кинематика. Потребителят въвежда координати и ъглите на фугите се регулират, за да позиционират крайния ефект върху посочените координати. Този метод може да се разглежда като черна кутия, която приема като входове координата и извежда ъглите на съединението. За тези, които се интересуват как са разработени тригонометричните уравнения на тази черна кутия, могат да разгледат диаграмата по -горе. За тези, които не се интересуват, уравненията вече са програмирани и могат да се използват с помощта на функцията pos, която приема като вход x, y, z, което е декартовото местоположение на крайния ефектор и извежда три ъгъла, съответстващи на двигателите.

Програмата, съдържаща тези функции, може да бъде намерена в следващата стъпка.

Стъпка 12: Програмиране на четириногите

След като свързването и инициализирането приключат, можете да програмирате робота и да генерирате хладни пътища на движение, така че роботът да изпълнява интересни задачи. Преди да продължите, променете четвъртия ред в прикачения код на стойностите, които сте задали в стъпката за инициализация. След качване на програмата роботът трябва да започне да ходи. Ако забележите, че някои от фугите са обърнати, можете просто да промените съответната стойност на посоката в посоката в ред 5 (ако е 1, направете -1 и ако е -1, направете 1).

Стъпка 13: Крайни резултати: Време за експеримент

Четириногият робот може да предприема стъпки с дължина от 5 до 2 см. Скоростта също може да се променя, като същевременно се поддържа балансирана походка. Тази четворка осигурява здрава платформа за експериментиране с различни други походки и други цели, като скачане или изпълняване на задачи. Бих ви препоръчал да опитате да промените пътищата на движение на краката, за да създадете свои собствени походки и да откриете как различните походки влияят върху работата на робота. Също така оставих множество точки за монтаж в горната част на робота за допълнителен сензор, като например сензори за измерване на разстояние за задачи за избягване на препятствия или IMU за динамични походки по неравен терен. Може да се експериментира и с допълнително захващащо рамо, монтирано на върха на робота, тъй като роботът е изключително стабилен и здрав и няма да се преобърне лесно.

Надявам се, че този Instructable ви е харесал и той ви е вдъхновил да създадете свой собствен.

Ако проектът ви е харесал, подкрепете го, като пуснете глас в конкурса „Направи го преместване“.

Честито създаване!

Втора награда в конкурса Make it Move 2020