Arduino контролиран роботизиран двуног: 13 стъпки (със снимки)

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

Проекти на Fusion 360 »

Винаги съм бил заинтригуван от роботи, особено от онези, които се опитват да имитират човешки действия. Този интерес ме накара да се опитам да проектирам и разработя роботизиран двуног, който да имитира човешко ходене и бягане. В тази инструкция ще ви покажа дизайна и монтажа на роботизирания двуног.

Основната цел при изграждането на този проект беше да направим системата възможно най -здрава, така че докато експериментирам с различни походки и бягане, нямаше да се налага постоянно да се тревожа за повреда на хардуера. Това ми позволи да натисна хардуера до краен предел. Второстепенна цел беше да се направи двуногата сравнително евтина, като се използват лесно достъпни части за хоби и 3D печат, оставяйки място за по-нататъшни надстройки и разширения. Тези две цели, комбинирани, осигуряват здрава основа за извършване на различни експерименти, позволявайки на човек да развие двуногите до по -специфични изисквания.

Продължете, за да създадете свой собствен Robotic Biped, управляван от Arduino, и пуснете гласуване в „Arduino Contest“, ако проектът ви е харесал.

Стъпка 1: Процес на проектиране

Хуманоидните крака са проектирани в безплатния за използване софтуер за моделиране на Fusion 360 на Autodesk. Започнах с импортирането на серво моторите в дизайна и изградих краката 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 двунога е да се запази моделът възможно най -компактен, за да се използва максимално въртящият 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.

Забележка: Частите са включени в една от следните стъпки.

Стъпка 2: Ролята на Arduino

В този проект беше използван Arduino Uno. Arduino беше отговорен за изчисляването на пътищата на движение на различните походки, които бяха тествани, и инструктира задвижващите механизми да се придвижват до точни ъгли с точни скорости, за да създадат плавно движение. Arduino е чудесен избор за разработване на проекти поради своята гъвкавост. Той осигурява куп IO пинове и също така предоставя интерфейси като сериен, I2C и SPI за комуникация с други микроконтролери и сензори. Arduino също така предоставя чудесна платформа за бързо прототипиране и тестване, а също така дава възможност на разработчиците за подобрения и разширяемост. В този проект по -нататъшните версии ще включват инерционно измервателно устройство за обработка на движение, като откриване на падане и динамично движение в неравен терен и сензор за измерване на разстояние, за да се избегнат препятствия.

За този проект беше използвана IDE на Arduino. (Arduino предоставя и уеб базирана IDE)

Забележка: Програмите за робота могат да бъдат изтеглени от една от следните стъпки.

Стъпка 3: Необходими материали

Ето списъка с всички компоненти и части, необходими за направата на вашия собствен собствен двуноги робот с Arduino. Всички части трябва да са общодостъпни и лесни за намиране.

ЕЛЕКТРОНИКА:

Arduino Uno x 1

Серво мотор Towerpro MG995 x 6

Perfboard (подобен размер на Arduino)

Мъжки и женски щифтове (около 20 от всеки)

Джъмперни проводници (10 броя)

MPU6050 IMU (по избор)

Ултразвуков сензор (по избор)

Хардуер:

Лагер за скейтборд (8x19x7mm)

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)

С изключение на Arduino и 3D принтера общата цена на този проект е 20 $.

Стъпка 4: 3D отпечатани части

Частите, необходими за този проект, трябваше да бъдат проектирани по поръчка, поради което беше използван 3D принтер за отпечатването им. Отпечатъците са направени при 40% пълнене, 2 периметра, 0,4 мм дюза и височина на слоя 0,1 мм с PLA, цвят по ваш избор. По -долу можете да намерите пълния списък с части и STL, за да отпечатате своя собствена версия.

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

• държач за серво крак x 1
• огледало за държач на серво крак x 1
• серво държач за коляното x 1
• огледало за серво държач за коляното x 1
• държач за серво крак x 1
• огледало за държач за серво крак x 1
• лагерна връзка x 2
• серво връзка за клаксон x 2
• крачна връзка x 2
• мост x 1
• монтаж на електроника x 1
• дистанционер за електроника x 8 (по избор)
• пространство за сервосигнал x 12 (по избор)

Като цяло, с изключение на дистанционерите, има 14 части. Общото време за печат е около 20 часа.

Стъпка 5: Подготовка на серво скобите

След като всички части бъдат отпечатани, можете да започнете с настройката на сервомоторите и серво скобите. Първо натиснете лагер в държача на коляното. Прилягането трябва да е плътно, но бих препоръчал да шлайфате вътрешната повърхност на отвора малко, вместо да форсирате лагера, което може да рискува да счупи детайла. След това прокарайте болт М4 през отвора и го затегнете с помощта на гайка. След това вземете крака и прикрепете към него кръгъл серво рог с помощта на приложените винтове. Прикрепете крачната връзка към държача на коляното със серво, като използвате винтовете, които ще използвате и за закрепване на серво мотора. Не забравяйте да подравните двигателя, така че валът да е от същата страна на болта, който сте закрепили по -рано. Накрая закрепете серво с останалите гайки и болтове.

Направете същото с държача за хип серво и държача за крака. С това трябва да имате три серво мотора и съответните им скоби.

Забележка: Предоставям инструкции за изграждане на единия крак, другият е просто огледален.

Стъпка 6: Осъществяване на връзките

След като скобите са сглобени, започнете да правите връзки. За да направите лагерната връзка, още веднъж леко шлайфайте вътрешната повърхност на отворите за лагера, след което натиснете лагера в отвора от двете страни. Не забравяйте да натиснете лагера, докато едната страна е изравнена. За да изградите връзка на серво клаксона, вземете два кръгови серво рога и приложените винтове. Поставете рогата върху 3D отпечатването и подравнете дупките, след това завийте клаксона върху 3D отпечатването, като прикрепите винта от страната на 3D отпечатването. Препоръчвам да използвате 3D отпечатан дистанционер за серво рога за тези винтове. След като връзките са изградени, можете да започнете сглобяването на крака.

Стъпка 7: Сглобяване на краката

След като връзките и скобите са сглобени, можете да ги комбинирате, за да изградите крака на робота. Първо, използвайте връзката на серво клаксона, за да прикрепите заедно серво -скобата на тазобедрената става и коляното. Забележка: Все още не завивайте клаксона към сервото, тъй като на следващия етап има етап на настройка и ще бъде неудобно, ако клаксонът беше завинтен към серво мотора.

От другата страна монтирайте лагерната връзка върху стърчащите болтове с помощта на гайки. И накрая, прикрепете скобата за серво крак, като вкарате стърчащия болт през лагера на държача на коляното. И фиксирайте серво вала към серво клаксона, свързан към държача на коляното от другата страна. Това може да е трудна задача и бих препоръчал втори чифт ръце за това.

Повторете стъпките за другия крак. Използвайте снимките, приложени към всяка стъпка като справка.

Стъпка 8: Персонализирана печатна платка и окабеляване

Това е незадължителна стъпка. За да направя окабеляването по -изрядно, реших да направя персонализирана печатна платка, използвайки перф платка и щифтове на заглавието. Печатната платка съдържа портове за директно свързване на проводниците на серво мотора. Освен това оставих и допълнителни портове в случай, че искам да разширя и добавя други сензори като инерционни измервателни единици или ултразвукови сензори за разстояние. Той също така съдържа порт за външен източник на захранване, необходим за захранване на серво моторите. Използва се джъмперна връзка за превключване между USB и външно захранване за Arduino. Монтирайте Arduino и печатната платка от двете страни на монтажа на електрониката с помощта на винтове и 3D отпечатани дистанционни елементи.

Забележка: Не забравяйте да изключите джъмпера, преди да свържете Arduino към компютъра си чрез USB. Ако не направите това, може да повредите Arduino.

Ако решите да не използвате печатната платка и вместо това да използвате макет, ето серво връзките:

• Ляв бедро >> щифт 9
• Десен бедро >> щифт 8
• Ляво коляно >> щифт 7
• Дясно коляно >> щифт 6
• Ляв крак >> щифт 5
• Десен крак >> щифт 4

Ако решите да накарате печатната платка да следва същия ред, както по -горе, като използвате портовете на печатната платка отдясно наляво с IMU порта нагоре. И използвайте обикновени проводници от мъжки към женски, за да свържете печатната платка към Arduino, като използвате горните номера на пиновете. Не забравяйте също да свържете заземяващия щифт и да създадете същия потенциал за заземяване и Vin pin, когато решите да го пуснете без USB захранване.

Стъпка 9: Сглобяване на тялото

След като двата крака и електрониката бъдат сглобени, комбинирайте ги заедно, за да изградите тялото на робота. Използвайте моста, за да свържете двата крака заедно. Използвайте същите монтажни отвори на хип серво държача и гайки и болтове, които държат серво мотора. Накрая свържете монтажа на електрониката към моста. Подравнете дупките на моста и монтажа на електрониката и използвайте M4 гайки и болтове, за да направите фугата.

Вижте приложените изображения за помощ. С това завършихте хардуерното изграждане на робота. След това нека да влезем в софтуера и да оживим робота.

Стъпка 10: Начална настройка

Това, което забелязах при изграждането на този проект, е, че серво моторите и клаксоните не трябва да се подравняват перфектно, за да останат относително успоредни. Ето защо "централното положение" на всеки серво мотор трябва да се регулира ръчно, за да се подравнява с краката. За да постигнете това, премахнете серво клаксоните от всяко серво и стартирайте скицата initial_setup.ino. След като двигателите се установят в централното си положение, прикрепете клаксоните така, че краката да са идеално изправени, а стъпалото да е перфектно успоредно на земята. Ако случаят е такъв, имате късмет. Ако не отворите файла constants.h, намиращ се в съседния раздел, и променете стойностите на серво отместването (редове 1-6), докато краката са перфектно подравнени и стъпалото е плоско. Поиграйте със стойностите и ще получите представа какво е необходимо във вашия случай.

След като константите са зададени, отбележете тези стойности, тъй като те ще са необходими по -късно.

Вижте снимките за помощ.

Стъпка 11: Малко за кинематиката

За да накарате двуногия да изпълнява полезни действия като бягане и ходене, различните походки трябва да бъдат програмирани под формата на пътища за 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 pos функция, която приема като вход x, z и извежда три ъгъла, съответстващи на двигателите.

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

Стъпка 12: Програмиране на Arduino

Преди да програмирате Arduino, трябва да се направят леки промени във файла. Помните ли константите, които ви помолих да си вземете бележка? Променете същите константи до стойностите, които сте задали във файла constants.h.

Забележка: Ако сте използвали дизайните, предоставени в тази инструкция, нямате какво да променяте. В случай, че някои от вас са направили свои собствени дизайни, ще трябва да промените още няколко стойности заедно с отместванията. Константата l1 измерва разстоянието между опората на бедрото и коляното. Константата l2 измерва разстоянието между опората на коляното и глезена. Така че, ако сте проектирали свой собствен модел, измерете тези дължини и променете константите. Последните две константи се използват за походките. Константата stepClearance измерва колко високо ще се повдигне кракът, докато идва напред след стъпка, а константата stepHeight измерва височината от земята до бедрото, докато прави стъпки.

След като всички константи бъдат променени според вашите нужди, можете да качите основната програма. Основната програма просто инициализира робота в ходеща позиция и започва да прави стъпки напред. Функциите могат да бъдат променяни според вашите нужди да изследвате различните походки, скорости и дължини на стъпките, за да видите кое работи най -добре.

Стъпка 13: Крайни резултати: Време за експеримент

Двуногият може да предприеме стъпки, които варират от 10 до 2 см дълги, без да се преобръщат. Скоростта също може да се променя, като същевременно се поддържа балансирана походка. Този двуног, съчетан със силата на Arduino, осигурява здрава платформа за експерименти с различни други походки и други цели, като скачане или балансиране, докато ритате топка. 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. Сензори като IMU и сензор за разстояние могат да бъдат добавени към системата, за да се увеличат нейните функционалности, докато сензорите за сила могат да бъдат добавени към краката, за да експериментират с динамично движение по неравни повърхности.

Надявам се, че сте харесали този Instructable и е достатъчно вдъхновение, за да създадете свой собствен. Ако проектът ви е харесал, подкрепете го, като гласувате в „Arduino Contest“.

Честито създаване!

Първа награда в конкурса Arduino 2020