Drukowany w 3D czworokątny robot z napędem Arduino: 13 kroków (ze zdjęciami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:27

Projekty Fusion 360 »

Z poprzednich Instructables prawdopodobnie widać, że bardzo interesują mnie projekty robotyki. Po poprzednim Instructable, w którym zbudowałem robota dwunożnego, postanowiłem spróbować stworzyć czworonoga, który mógłby naśladować zwierzęta, takie jak psy i koty. W tej instrukcji pokażę Ci projekt i montaż robota czworonożnego.

Głównym celem podczas budowania tego projektu było uczynienie systemu tak solidnym, jak to tylko możliwe, aby podczas eksperymentowania z różnymi chodami i bieganiem nie musiałem stale martwić się o awarię sprzętu. To pozwoliło mi docisnąć sprzęt do granic możliwości i eksperymentować ze złożonymi chodami i ruchami. Drugim celem było stworzenie czworonoga stosunkowo taniego przy użyciu łatwo dostępnych części hobbystycznych i druku 3D, co umożliwiło szybkie prototypowanie. Te dwa cele połączone razem zapewniają solidną podstawę do przeprowadzania różnych eksperymentów, pozwalając rozwijać czworonogi pod kątem bardziej szczegółowych wymagań, takich jak nawigacja, unikanie przeszkód i dynamiczna lokomocja.

Sprawdź załączony powyżej film, aby zobaczyć szybkie demo projektu. Kontynuuj, aby stworzyć własnego czworonożnego robota z Arduino i oddaj głos w konkursie „Make it Move Contest”, jeśli podobał Ci się projekt.

Krok 1: Przegląd i proces projektowania

Czworonóg został zaprojektowany w darmowym oprogramowaniu do modelowania 3d firmy Autodesk Fusion 360. Zacząłem od zaimportowania serwonapędów do projektu i zbudowałem wokół nich nogi i korpus. Zaprojektowałem wsporniki do serwomotoru, które zapewniają drugi punkt obrotu diametralnie przeciwny do wału serwomotoru. Posiadanie podwójnych wałów na obu końcach silnika zapewnia stabilność konstrukcji i eliminuje wszelkie przekrzywienia, które mogą wystąpić, gdy nogi są wykonane, aby przejąć pewne obciążenie. Ogniwa zostały zaprojektowane tak, aby utrzymać łożysko, podczas gdy wsporniki wykorzystywały śrubę do wału. Po zamontowaniu ogniw na wałach za pomocą nakrętki łożysko zapewni gładki i solidny punkt obrotu po przeciwnej stronie wału serwomotoru.

Innym celem podczas projektowania czworonoga było zachowanie jak najbardziej zwartego modelu, aby maksymalnie wykorzystać moment obrotowy zapewniany przez serwomotory. Wymiary ogniw zostały wykonane tak, aby osiągnąć duży zakres ruchu przy jednoczesnej minimalizacji całkowitej długości. Skrócenie ich spowodowałoby zderzenie wsporników, zmniejszając zakres ruchu, a zbyt długie powodowałoby niepotrzebny moment obrotowy na siłownikach. Na koniec zaprojektowałem korpus robota, na którym montuje się Arduino i inne elementy elektroniczne. Zostawiłem również dodatkowe punkty mocowania na górnym panelu, aby projekt był skalowalny do dalszych ulepszeń. Kiedyś można było dodać czujniki, takie jak czujniki odległości, kamery lub inne uruchamiane mechanizmy, takie jak chwytaki robotów.

Uwaga: Części są zawarte w jednym z poniższych kroków.

Krok 2: Potrzebne materiały

Oto lista wszystkich komponentów i części wymaganych do stworzenia własnego czworonożnego robota Arduino Powered. Wszystkie części powinny być powszechnie dostępne i łatwe do znalezienia w lokalnych sklepach ze sprzętem lub w Internecie.

ELEKTRONIKA:

Arduino Uno x 1

Silnik serwo Towerpro MG995 x 12

Arduino Sensor Shield (polecam wersję V5 ale miałem wersję V4)

Zworki (10 sztuk)

MPU6050 IMU (opcjonalnie)

Czujnik ultradźwiękowy (opcjonalnie)

SPRZĘT KOMPUTEROWY:

Łożyska kulkowe (8x19x7mm, 12 sztuk)

Nakrętki i śruby M4

Filament do drukarki 3D (jeśli nie posiadasz drukarki 3D, powinna ona znajdować się w lokalnym miejscu pracy lub wydruki można wykonać online za dość tanio)

Arkusze akrylowe (4mm)

NARZĘDZIA

drukarka 3d

Wycinarka laserowa

Najważniejszym kosztem tego projektu jest 12 serwosilników. Zalecam przejście na wersję ze średniego zakresu do wysokiego zakresu zamiast używania tanich plastikowych, ponieważ mają tendencję do łatwego pękania. Bez narzędzi całkowity koszt tego projektu to około 60$.

Krok 3: Części wyprodukowane cyfrowo

Części wymagane do tego projektu musiały być zaprojektowane na zamówienie, dlatego do ich budowy wykorzystaliśmy moc części wytworzonych cyfrowo i CAD. Większość części jest drukowana w 3D, z wyjątkiem kilku, które są wycinane laserowo z 4mm akrylu. Wydruki wykonano z wypełnieniem 40%, 2 obwodami, dyszą 0,4 mm i wysokością warstwy 0,1 mm z PLA. Niektóre części wymagają podpór, ponieważ mają złożony kształt z nawisami, jednak podpory są łatwo dostępne i można je usunąć za pomocą niektórych noży. Możesz wybrać kolor filamentu do wyboru. Poniżej znajdziesz pełną listę części i STL do wydrukowania własnej wersji oraz projekty 2D dla części wycinanych laserowo.

Uwaga: Od tego momentu części będą się odwoływać za pomocą nazw z poniższej listy.

Części drukowane w 3D:

• wspornik serwa biodrowego x 2
• lustro wspornika serwomechanizmu biodrowego x 2
• wspornik serwomechanizmu kolanowego x 2
• lustro wspornika serwomechanizmu kolanowego x 2
• uchwyt łożyska x 2
• lustro uchwytu łożyska x 2
• noga x 4
• link klaksonu serwa x 4
• ogniwo nośne x 4
• uchwyt na arduino x 1
• uchwyt czujnika odległości x 1
• Wspornik L x 4
• tuleja łożyska x 4
• dystansownik klaksonu serwa x 24

Części wycinane laserowo:

• panel uchwytu serwa x 2
• panel górny x 1

W sumie jest 30 części, które należy wydrukować w 3D, z wyłączeniem różnych przekładek, i łącznie 33 części wyprodukowane cyfrowo. Całkowity czas drukowania to około 30 godzin.

Krok 4: Przygotowanie linków

Montaż można rozpocząć, konfigurując na początku kilka części, co sprawi, że końcowy proces montażu będzie łatwiejszy w zarządzaniu. Możesz zacząć od linku. Aby utworzyć ogniwo łożyska, delikatnie przeszlifuj wewnętrzną powierzchnię otworów na łożysko, a następnie wepchnij łożysko do otworu na obu końcach. Upewnij się, że wsuwasz łożysko, aż jedna strona znajdzie się w jednej płaszczyźnie. Aby zbudować łącznik klaksonu serwomechanizmu, chwyć dwa okrągłe klaksony serwomechanizmu i dołączone do nich śruby. Umieść rogi na wydruku 3D i wyrównaj dwa otwory, następnie przykręć róg do wydruku 3D, dokręcając śrubę od strony wydruku 3D. Musiałem użyć drukowanych w 3D podkładek dystansowych do serwomechanizmów, ponieważ dostarczone śruby były nieco długie i przecinały się z korpusem serwomechanizmu podczas jego obracania. Po zbudowaniu linków możesz zacząć konfigurować różne uchwyty i wsporniki.

Powtórz to dla wszystkich 4 linków obu typów.

Krok 5: Przygotowanie wsporników serwo

Aby ustawić wspornik serwomechanizmu kolanowego, po prostu przełóż śrubę 4 mm przez otwór i przymocuj ją nakrętką. Będzie działać jako druga oś silnika. Ze wspornika serwomechanizmu biodrowego przełóż dwie śruby przez dwa otwory i przymocuj je dwoma kolejnymi nakrętkami. Następnie chwyć kolejny okrągły klakson serwo i przymocuj go do lekko podniesionej części wspornika za pomocą dwóch śrub dostarczonych z klaksonami. Jeszcze raz sugerowałbym użycie podkładki dystansowej do serwomechanizmu, aby śruby nie wystawały w szczelinę dla serwomechanizmu. Na koniec chwyć część uchwytu łożyska i wepchnij łożysko do otworu. Może być konieczne lekkie przeszlifowanie wewnętrznej powierzchni, aby uzyskać dobre dopasowanie. Następnie wciśnij łożysko dociskowe w łożysko w kierunku wygięcia elementu uchwytu łożyska.

Patrz zdjęcia załączone powyżej podczas budowania wsporników. Powtórz ten proces dla pozostałych nawiasów. Te lustrzane są podobne, tylko wszystko jest lustrzane.

Krok 6: Montaż nóg

Po złożeniu wszystkich ogniw i wsporników możesz rozpocząć budowę czterech nóg robota. Zacznij od przymocowania serw do wsporników za pomocą 4 śrub i nakrętek M4. Upewnij się, że oś serwa jest wyrównana z wystającą śrubą po drugiej stronie.

Następnie połącz serwomechanizm biodrowy z serwomechanizmem kolanowym za pomocą łącznika z serwomechanizmem. Nie używaj jeszcze śruby, aby przymocować klakson do osi serwomotoru, ponieważ być może będziemy musieli później wyregulować pozycję. Po przeciwnej stronie zamontuj ogniwo łożyska zawierające dwa łożyska na wystających śrubach za pomocą nakrętek.

Powtórz ten proces dla pozostałych trzech nóg, a 4 nogi dla czworonoga są gotowe!

Krok 7: Składanie ciała

Następnie możemy skupić się na budowie ciała robota. W korpusie znajdują się cztery serwomotory, które zapewniają nogom trzeci stopień swobody. Zacznij od użycia 4 śrub M4, aby przymocować serwo do wyciętego laserowo panelu uchwytu serwa.

Uwaga: Upewnij się, że serwo jest zamocowane w taki sposób, że oś znajduje się po zewnętrznej stronie elementu, jak widać na załączonych zdjęciach. Powtórz ten proces dla pozostałych trzech serwomotorów, pamiętając o orientacji.

Następnie przymocuj wsporniki L po obu stronach panelu za pomocą dwóch śrub i nakrętek M4. Ten element pozwala nam mocno przymocować panel uchwytu serwomechanizmu do górnego panelu. Powtórz ten proces z dwoma kolejnymi wspornikami L i drugim panelem uchwytu serwa, przytrzymującym drugi zestaw serwomotorów.

Gdy wsporniki L są na miejscu, użyj więcej nakrętek i śrub M4, aby przymocować panel uchwytu serwomechanizmu do górnego panelu. Zacznij od zewnętrznego zestawu nakrętek i śrub (z przodu iz tyłu). Centralne nakrętki i śruby również przytrzymują element uchwytu arduino. Użyj czterech nakrętek i śrub, aby przymocować uchwyt arduino od góry do górnego panelu i wyrównaj śruby tak, aby przeszły również przez otwory podporowe L. Aby uzyskać wyjaśnienia, zapoznaj się z załączonymi obrazami powyżej. Na koniec wsuń cztery nakrętki w szczeliny na panelach uchwytów serwomechanizmu i użyj śrub, aby przymocować panele uchwytów serwomechanizmu do górnego panelu.

Krok 8: Składanie wszystkiego razem

Po złożeniu nóg i korpusu możesz rozpocząć proces montażu. Zamontuj cztery nogi do czterech serw, używając rogów serw, które były przymocowane do wspornika serw biodrowego. Na koniec użyj elementów uchwytu łożyska do podparcia przeciwległej osi wspornika biodrowego. Przełóż oś przez łożysko i użyj śruby, aby ją zamocować. Przymocuj uchwyty łożysk do górnego panelu za pomocą dwóch śrub i nakrętek M4.

Dzięki temu montaż okucia czworokąta jest gotowy.

Krok 9: Okablowanie i obwód

Postanowiłem użyć osłony czujnika, która zapewniała połączenia dla serwomotorów. Zalecam korzystanie z osłony czujnika v5, ponieważ ma ona wbudowany port zewnętrznego zasilania. Jednak ten, z którego korzystałem, nie miał tej opcji. Przyglądając się dokładniej osłonie czujnika, zauważyłem, że osłona czujnika pobiera energię z wbudowanego pinu 5v Arduino (co jest strasznym pomysłem, jeśli chodzi o serwosilniki dużej mocy, ponieważ istnieje ryzyko uszkodzenia Arduino). Rozwiązaniem tego problemu było odgięcie pinu 5v na osłonie czujnika, aby nie łączył się z pinem 5v Arduino. W ten sposób możemy teraz zapewnić zewnętrzne zasilanie przez pin 5v bez uszkodzenia Arduino.

Połączenia pinów sygnałowych 12 serwosilników przedstawiono w poniższej tabeli.

Uwaga: Hip1Servo odnosi się do serwa przymocowanego do korpusu. Hip2Servo odnosi się do serwa przymocowanego do nogi.

Noga 1 (przód w lewo):

• Hip1Serwo >> 2
• Hip2Servo >> 3
• KolanoSerwo >> 4

Noga 2 (przód w prawo):

• Hip1Serwo >> 5
• Hip2Servo >> 6
• KolanoSerwo >> 7

Noga 3 (tylna lewa):

• Hip1Serwo >> 8
• Hip2Servo >> 9
• KolanoSerwo >> 10

Noga 4 (tył po prawej):

• Hip1Serwo >> 11
• Hip2Servo >> 12
• KolanoSerwo >> 13

Krok 10: Konfiguracja wstępna

Przed przystąpieniem do programowania złożonych chodów i innych ruchów, musimy ustawić punkty zerowe każdego serwa. Daje to robotowi punkt odniesienia, którego używa do wykonywania różnych ruchów.

Aby uniknąć uszkodzeń robota, możesz usunąć łączniki klaksonu serwa. Następnie prześlij kod, który jest załączony poniżej. Ten kod umieszcza każdy z serwomechanizmów pod kątem 90 stopni. Gdy serwa osiągną pozycję 90 stopni, możesz ponownie podłączyć linki tak, aby nogi były idealnie proste, a serwomechanizm przymocowany do ciała był prostopadły do górnego panelu czworonoga.

W tym momencie, ze względu na konstrukcję rogów serwomechanizmu, niektóre połączenia mogą nadal nie być idealnie proste. Rozwiązaniem tego problemu jest dostosowanie tablicy zeroPositions znajdującej się w czwartym wierszu kodu. Każda liczba reprezentuje pozycję zerową odpowiedniego serwomechanizmu (kolejność jest taka sama, jak kolejność dołączania serwomechanizmu do Arduino). Dostosuj nieco te wartości, aż nogi będą idealnie proste.

Uwaga: Oto wartości, których używam, chociaż te wartości mogą nie działać dla Ciebie:

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

Krok 11: Trochę o kinematyce

Aby czworonog wykonywał przydatne czynności, takie jak bieganie, chodzenie i inne ruchy, serwa muszą być zaprogramowane w postaci ścieżek ruchu. Ścieżki ruchu to ścieżki, po których porusza się efektor końcowy (w tym przypadku stopy). Można to osiągnąć na dwa sposoby:

1. Jednym podejściem byłoby podawanie kątów połączeń różnych silników w sposób brutalny. Takie podejście może być czasochłonne, żmudne, a także pełne błędów, ponieważ ocena jest czysto wizualna. Zamiast tego istnieje mądrzejszy sposób na osiągnięcie pożądanych rezultatów.
2. Drugie podejście polega na podaniu współrzędnych efektora końcowego zamiast wszystkich kątów połączenia. To jest tak zwana kinematyka odwrotna. Wprowadzane przez użytkownika współrzędne i kąty połączeń dostosowują się, aby ustawić efektor końcowy na określonych współrzędnych. Tę metodę można uznać za czarną skrzynkę, która przyjmuje jako dane wejściowe współrzędne i wyprowadza kąty połączenia. Dla tych, którzy są zainteresowani tym, jak powstały równania trygonometryczne tej czarnej skrzynki, mogą spojrzeć na powyższy diagram. Dla tych, którzy nie są zainteresowani, równania są już zaprogramowane i mogą być używane za pomocą funkcji pos, która przyjmuje jako dane wejściowe x, y, z, które jest kartezjańskim położeniem efektora końcowego i wyprowadza trzy kąty odpowiadające silnikom.

Program zawierający te funkcje można znaleźć w następnym kroku.

Krok 12: Programowanie czworonoga

Po zakończeniu okablowania i inicjalizacji możesz zaprogramować robota i wygenerować fajne ścieżki ruchu, aby robot wykonywał interesujące zadania. Zanim przejdziesz dalej, zmień czwarty wiersz w załączonym kodzie na wartości, które ustawiłeś w kroku inicjalizacji. Po wgraniu programu robot powinien zacząć chodzić. Jeśli zauważysz, że niektóre złącza są odwrócone, możesz po prostu zmienić odpowiednią wartość kierunku w tablicy kierunku w linii 5 (jeśli jest 1, ustaw -1, a jeśli -1, ustaw 1).

Krok 13: Wyniki końcowe: czas na eksperymenty

Czworonożny robot może wykonywać kroki o długości od 5 do 2 cm. Prędkość również można zmieniać, zachowując równowagę chodu. Ten czworonóg zapewnia solidną platformę do eksperymentowania z różnymi innymi chodami i innymi celami, takimi jak skakanie lub wykonywanie zadań. Polecam spróbować zmienić ścieżki ruchu nóg, aby stworzyć własne chody i odkryć, jak różne chody wpływają na wydajność robota. Pozostawiłem również wiele punktów mocowania w górnej części robota dla dodatkowych czujników, takich jak czujniki pomiaru odległości do zadań omijania przeszkód lub IMU do dynamicznego chodu na nierównym terenie. Można również poeksperymentować z dodatkowym ramieniem chwytaka zamontowanym na górze robota, ponieważ robot jest niezwykle stabilny i wytrzymały oraz nie będzie się łatwo przewracał.

Mam nadzieję, że podobał Ci się ten Instructable i zainspirował Cię do zbudowania własnego.

Jeśli podobał Ci się projekt, wesprzyj go, odrzucając głos w konkursie „Niech się ruszy”.

Miłego tworzenia!

II nagroda w konkursie Make it Move 2020