3D nyomtatott Arduino hajtású négylábú robot: 13 lépés (képekkel)

2024 Szerző: John Day | [email protected]. Utoljára módosítva: 2024-01-30 09:39

Fusion 360 projektek »

A korábbi Instructables -ből valószínűleg láthatja, hogy mélyen érdekelnek a robotprojektek. Az előző Instructable után, ahol egy robot kétlábúat építettem, úgy döntöttem, hogy megpróbálok egy négylábú robotot készíteni, amely képes állatokat, például kutyákat és macskákat utánozni. Ebben az utasításban bemutatom a robot négylábú tervezését és összeszerelését.

A projekt építése során az volt az elsődleges cél, hogy a rendszert a lehető legerősebbé tegyük, hogy a különböző gyalogos és futó lépésekkel kísérletezve ne kelljen állandóan aggódnom a hardver meghibásodása miatt. Ez lehetővé tette számomra, hogy a hardvert a végére tegyem, és összetett járásokkal és mozdulatokkal kísérletezzek. Másodlagos cél az volt, hogy a négylábúakat viszonylag olcsóvá tegyék a könnyen elérhető hobbialkatrészek és a 3D nyomtatás segítségével, amely lehetővé tette a gyors prototípus-készítést. Ez a két cél együttesen erőteljes alapot biztosít különböző kísérletek elvégzéséhez, lehetővé téve a négylábúak fejlesztését olyan speciális követelményekhez, mint a navigáció, az akadályok elkerülése és a dinamikus mozgás.

Nézze meg a fenti videót, hogy megnézze a projekt gyors bemutatóját. Folytassa a saját Arduino Powered Quadruped Robot létrehozását, és dobja le a szavazatot a "Make it Move Contest" versenyen, ha tetszett a projekt.

1. lépés: Áttekintés és tervezési folyamat

A négylábút az Autodesk szabadon használható Fusion 360 3D modellező szoftverével tervezték. Azzal kezdtem, hogy a szervomotorokat importáltam a tervezésbe, és köré építettem a lábakat és a testet. Terveztem konzolokat a szervomotorhoz, amely egy második forgáspontot biztosít a szervomotor tengelyével ellentétesen. A kettős tengely a motor mindkét végén szerkezeti stabilitást kölcsönöz a konstrukciónak, és kiküszöböli az esetleges ferdüléseket, amelyek akkor fordulhatnak elő, ha a lábakat bizonyos terhelésnek teszik ki. A kapcsokat úgy tervezték, hogy tartsák a csapágyat, míg a konzolok csavart használtak a tengelyhez. Miután a tengelykapcsokat anyával rögzítették a tengelyekre, a csapágy sima és masszív forgáspontot biztosít a szervomotor tengelyével szemben.

A négylábú tervezésekor egy másik cél az volt, hogy a modell a lehető legkompaktabb legyen, hogy maximálisan ki lehessen használni a szervomotorok nyújtotta nyomatékot. A láncszemek méreteit úgy határozták meg, hogy nagy mozgástartományt érjenek el, minimálisra csökkentve a teljes hosszúságot. Ha túl rövidre tesszük őket, a konzolok ütköznek, csökken a mozgástartomány, és túlságosan hosszú lesz, szükségtelen nyomatékot gyakorol a hajtóművekre. Végül megterveztem a robot testét, amelyre az Arduino és más elektronikus alkatrészek felszerelhetők. További rögzítési pontokat is hagytam a felső panelen, hogy a projekt méretezhető legyen a további fejlesztések érdekében. Egyszer hozzáadhattak olyan érzékelőket, mint a távolságérzékelők, kamerák vagy más működtetett mechanizmusok, például robotkapcsoló.

Megjegyzés: Az alkatrészek az alábbi lépések egyikében szerepelnek.

2. lépés: Szükséges anyagok

Itt található az összes összetevő és alkatrész, amelyek szükségesek a saját Arduino Powered Quadruped Robot elkészítéséhez. Minden alkatrésznek elérhetőnek kell lennie, és könnyen megtalálható a helyi hardverboltokban vagy az interneten.

ELEKTRONIKA:

Arduino Uno x 1

Towerpro MG995 szervomotor x 12

Arduino szenzorpajzs (a V5 -ös verziót ajánlom, de volt V4 -es verzióm)

Jumper vezetékek (10 db)

MPU6050 IMU (opcionális)

Ultrahangos érzékelő (opcionális)

HARDVER:

Golyóscsapágy (8x19x7mm, 12 db)

M4 anyák és csavarok

3D nyomtatószál (abban az esetben, ha nem rendelkezik 3D nyomtatóval, 3D nyomtatónak kell lennie a helyi munkaterületen, vagy a nyomatokat online is meg lehet csinálni meglehetősen olcsón)

Akril lapok (4 mm)

ESZKÖZÖK

3d nyomtató

Lézervágó

A projekt legjelentősebb költsége a 12 szervomotor. Javaslom, hogy a középkategóriás és a nagykategóriás változatot válasszák, ahelyett, hogy olcsó műanyagokat használnának, mivel ezek könnyen törnek. Az eszközöket leszámítva ennek a projektnek a teljes költsége körülbelül 60 dollár.

3. lépés: Digitálisan gyártott alkatrészek

A projekthez szükséges alkatrészeket egyedi tervezésnek kellett alávetni, ezért a digitálisan gyártott alkatrészek és a CAD erejét használtuk fel. A legtöbb alkatrész 3D nyomtatással készült, kivéve néhányat, amelyek 4 mm -es akrilból vannak kivágva. A nyomatok 40% -os kitöltéssel, 2 kerülettel, 0,4 mm -es fúvókával és 0,1 mm -es rétegmagassággal készültek PLA -val. Néhány alkatrészhez támaszokra van szükség, mivel összetett alakúak, túlnyúlásokkal, azonban a tartók könnyen hozzáférhetők, és néhány vágóeszköz segítségével eltávolíthatók. Kiválaszthatja az izzószál színét. Az alábbiakban megtalálja az alkatrészek teljes listáját és a saját verziójának nyomtatásához szükséges STL -ket, valamint a lézervágott alkatrészek 2D -s mintáit.

Megjegyzés: Innentől kezdve az alkatrészekre a következő listában szereplő nevek segítségével hivatkozunk.

3D nyomtatott alkatrészek:

• csípő szervo konzol x 2
• csípő szervókeret tükör x 2
• térd szervókeret x 2
• térdszervókonzolos tükör x 2
• csapágytartó x 2
• csapágytartó tükör x 2
• láb x 4
• szervo kürt lánc x 4
• csapágyazás x 4
• arduino tartó x 1
• távolságérzékelő tartó x 1
• L-támogatás x 4
• csapágypersely x 4
• szervo kürt távtartó x 24

Lézerrel vágott alkatrészek:

• szervo tartó panel x 2
• felső panel x 1

Összesen 30 alkatrészt kell 3D -ben kinyomtatni, kivéve a különböző távtartókat, és összesen 33 digitálisan gyártott alkatrészt. A teljes nyomtatási idő körülbelül 30 óra.

4. lépés: A hivatkozások előkészítése

Az összeszerelést úgy kezdheti el, hogy az elején beállít néhány alkatrészt, ami könnyebben kezelhetővé teszi a végső összeszerelési folyamatot. Kezdheti a linkkel. A csapágyazás elkészítéséhez enyhén csiszolja a csapágy lyukainak belső felületét, majd nyomja be a csapágyat a két lyukba. Feltétlenül nyomja be a csapágyat, amíg az egyik oldala egy síkba nem kerül. A szervo kürt csatlakozójának megépítéséhez ragadjon meg két kör alakú szervókürtöt és a hozzájuk tartozó csavarokat. Helyezze a szarvakat a 3D nyomtatásra, és igazítsa a két lyukat, majd csavarja a kürtöt a 3D nyomtatásra úgy, hogy a csavart a 3D nyomtatási oldalról rögzíti. Néhány 3D nyomtatott szervo kürt távtartót kellett használnom, mivel a mellékelt csavarok kissé hosszúak voltak, és keresztezték a szervomotor testét, miközben forgott. A linkek felépítése után elkezdheti a különböző tartók és konzolok beállítását.

Ismételje meg mind a 4 link mindkét típusát.

5. lépés: A szervókeret előkészítése

A térdszervó konzol beállításához egyszerűen hajtson át egy 4 mm -es csavart a lyukon, és rögzítse anyával. Ez a motor másodlagos tengelyeként fog működni. A csípő szervo konzoljából húzzon át két csavart a két lyukon, és rögzítse még két anyával. Ezután ragadjon meg egy másik kör alakú szervókürtöt, és rögzítse a konzol kissé megemelt részéhez a szarvakhoz mellékelt két csavar segítségével. Még egyszer azt javaslom, hogy használja a szervo kürt távtartót, hogy a csavarok ne nyúljanak ki a szervó résébe. Végül fogja meg a csapágytartó részt, és nyomja be a csapágyat a lyukba. A jó illeszkedés érdekében szükség lehet a belső felület enyhe csiszolására. Ezután nyomja be a csapágyat a csapágyba, hogy a csapágy tartódarabja meghajoljon.

A konzolok felépítése során nézze meg a fenti mellékelt képeket. Ismételje meg ezt a folyamatot a többi zárójelben. A tükrözöttek hasonlóak, csak minden tükrözött.

6. lépés: A lábak összeszerelése

Miután az összes láncszem és konzol összeszerelt, elkezdheti a robot négy lábának építését. Kezdje a szervók rögzítésével a konzolokra 4 x M4 csavar és anya segítségével. Ügyeljen arra, hogy a szervo tengelyét igazítsa a másik oldalon lévő kiálló csavarhoz.

Ezután kösse össze a csípő szervót a térd szervóval a szervo kürt kapcsolóelem segítségével. Ne használjon még csavart, hogy rögzítse a kürtöt a szervomotor tengelyére, mert később szükség lehet a helyzet beállítására. Az ellenkező oldalon anyákkal rögzítse a két csapágyat tartalmazó csapágyat a kiálló csavarokra.

Ismételje meg ezt a folyamatot a három láb többi részével, és a négylábú négy lába készen áll!

7. lépés: A test összeszerelése

Ezután a robot testének felépítésére összpontosíthatunk. A karosszériában négy szervomotor található, amelyek a lábak 3. szabadságfokát biztosítják. Kezdje 4 x M4 csavarral és csavarral, hogy a szervót a lézervágású szervo tartópanelre rögzítse.

Megjegyzés: Győződjön meg arról, hogy a szervó úgy van rögzítve, hogy a tengely a darab külső oldalán van, amint az a fenti képeken látható. Ismételje meg ezt a folyamatot a többi szervomotor többi részével is, szem előtt tartva a tájolást.

Ezután két M4 anya és csavar segítségével rögzítse az L-tartóelemeket a panel mindkét oldalára. Ez a darab lehetővé teszi, hogy szilárdan rögzítsük a szervo tartópanelt a felső panelhez. Ismételje meg ezt a folyamatot további két L támasszal és a második szervo tartópanellel, amely a szervomotorok második készletét tartja.

Ha az L támaszok a helyükön vannak, használjon további M4 anyákat és csavarokat a szervo tartópaneljének a felső panelhez való rögzítéséhez. Kezdje a külső anyák és csavarok készletével (elöl és hátul). A központi anyák és csavarok is lenyomják az arduino tartódarabot. Négy anyával és csavarral rögzítse az arduino tartót felülről a felső panelre, és igazítsa a csavarokat úgy, hogy azok átmenjenek az L támasztónyílásokon is. A pontosítás érdekében nézze meg a fenti mellékelt képeket. Végül csúsztasson négy anyát a szervótartó panelek réseibe, és csavarokkal rögzítse a szervo tartópaneleit a felső panelhez.

8. lépés: Összerakni

A lábak és a test összeszerelése után megkezdheti az összeszerelési folyamat befejezését. Szerelje fel a négy lábat a négy szervóra a csípő szervo konzolhoz rögzített szervókürtök segítségével. Végül használja a csapágytartó darabokat a csípőtartó ellentétes tengelyének megtámasztására. Vezesse át a tengelyt a csapágyon, és csavarral rögzítse a helyén. Rögzítse a csapágytartókat a felső panelhez két M4 anyával és csavarral.

Ezzel a quaduped hardver szerelvénye készen áll.

9. lépés: Kábelezés és áramkör

Úgy döntöttem, hogy érzékelőpajzsot használok, amely a szervomotorok csatlakoztatását biztosítja. Azt javaslom, hogy használja a v5 érzékelőpajzsot, mivel rendelkezik beépített külső tápegységgel. Azonban az általam használtnak nem volt ez a lehetősége. Ha közelebbről megvizsgáljuk az érzékelőpajzsot, észrevettem, hogy az érzékelőpajzs az Arduino fedélzeti 5 V -os tűjéből meríti az energiát (ami szörnyű ötlet, ha nagy teljesítményű szervomotorokról van szó, mivel veszélyeztetheti az Arduino károsodását). Ennek a problémának a megoldása az volt, hogy az érzékelőpajzs 5 V -os érintkezőjét hajlítsa el az útból, hogy ne csatlakozzon az Arduino 5 V -os tüskéjéhez. Ily módon most külső áramot tudunk biztosítani az 5 V -os tűn keresztül anélkül, hogy károsítanánk az Arduino -t.

A 12 szervomotor jelcsapjainak csatlakozásait az alábbi táblázat tartalmazza.

Megjegyzés: A Hip1Servo a testhez rögzített szervóra vonatkozik. A Hip2Servo a lábhoz rögzített szervóra utal.

1. láb (előre balra):

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

2. láb (előre jobbra):

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

3. láb (bal hátsó):

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

4. láb (jobb hátsó):

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

10. lépés: Kezdeti beállítás

Mielőtt elkezdenénk programozni az összetett járásokat és más mozgásokat, be kell állítanunk minden szervó nulla pontját. Ez a robot egy referenciapontot ad a különböző mozgások végrehajtásához.

A robot károsodásának elkerülése érdekében eltávolíthatja a szervo kürt csatlakozóit. Ezután töltse fel az alább csatolt kódot. Ez a kód mindegyik szervót 90 fokban helyezi el. Miután a szervók elérték a 90 fokos helyzetet, újra rögzítheti a kapcsokat úgy, hogy a lábak tökéletesen egyenesek legyenek, és a testhez rögzített szervó merőleges legyen a négylábú felső paneljére.

Ezen a ponton a szervókürtök kialakítása miatt előfordulhat, hogy egyes kötések még mindig nem teljesen egyenesek. A megoldás erre a kód 4. sorában található zeroPositions tömb beállítása. Minden szám a megfelelő szervó nulla pozícióját jelöli (a sorrend megegyezik azzal a sorrenddel, amelyben a szervót az Arduino -hoz rögzítette). Kicsit módosítsa ezeket az értékeket, amíg a lábak teljesen egyenesek nem lesznek.

Megjegyzés: Íme az általam használt értékek, bár előfordulhat, hogy ezek az értékek nem működnek:

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

11. lépés: Egy kicsit a kinematikáról

Ahhoz, hogy a négylábú hasznos műveleteket végezzen, például futást, gyaloglást és egyéb mozgásokat, a szervókat mozgásutak formájában kell programozni. A mozgáspályák olyan utak, amelyek mentén a véghatás (ebben az esetben a lábak) haladnak. Ennek elérésére két módszer létezik:

1. Az egyik megközelítés a különböző motorok csuklási szögeinek nyers erővel történő előtolása lenne. Ez a megközelítés időigényes, fárasztó és hibákkal is tele lehet, mivel az ítélet pusztán vizuális. Ehelyett van egy okosabb módszer a kívánt eredmények elérésére.
2. A második megközelítés a véghatás koordinátáinak betáplálása körül forog, az összes csuklószög helyett. Ez az úgynevezett fordított kinematika. A felhasználó bemeneti koordinátákat és az illesztési szögeket úgy állítja be, hogy a véghatást a megadott koordinátákra helyezze. Ez a módszer fekete doboznak tekinthető, amely bemenetként koordinátát vesz fel és adja ki az illesztési szögeket. Azok, akik érdeklődnek a fekete doboz trigonometriai egyenleteinek kidolgozása iránt, megnézhetik a fenti diagramot. Azok számára, akiket nem érdekel, az egyenletek már be vannak programozva, és használhatók a pos függvény használatával, amely az x, y, z bemenetet veszi fel, amely a véghatás derékszögű helye és három szöget ad ki a motoroknak.

Az ezeket a funkciókat tartalmazó program a következő lépésben található.

12. lépés: A négylábúak programozása

A huzalozás és az inicializálás befejezése után programozhatja a robotot, és hűvös mozgási útvonalakat generálhat, hogy a robot érdekes feladatokat végezzen. Mielőtt folytatná, módosítsa a mellékelt kód 4. sorát az inicializálási lépésben beállított értékekre. A program feltöltése után a robotnak el kell kezdenie járni. Ha észreveszi, hogy néhány kötés megfordult, egyszerűen módosíthatja a megfelelő irányértéket az 5. sor iránytömbjében (ha 1, akkor -1, ha -1, akkor 1).

13. lépés: Végeredmények: ideje kísérletezni

A négylábú robot 5–2 cm hosszú lépéseket tehet. A sebesség is változtatható, miközben a járás kiegyensúlyozott. Ez a négylábú robusztus platformot kínál különféle egyéb járások és egyéb célok, például ugrás vagy feladatok elvégzésére. Azt javaslom, hogy próbálja meg megváltoztatni a lábak mozgási útvonalait, hogy saját járását hozza létre, és fedezze fel, hogy a különböző járások hogyan befolyásolják a robot teljesítményét. Emellett több rögzítési pontot is hagytam a robot tetején további érzékelők számára, például távolságmérő érzékelőket akadályok elkerülésére vagy IMU -t dinamikus járáshoz egyenetlen terepen. Kísérletezhet a robot tetejére szerelt kiegészítő fogókarral is, mivel a robot rendkívül stabil és robusztus, és nem szokott könnyen felborulni.

Remélem, élvezte ezt az Instructable -t, és ez inspirálta Önt saját készítésére.

Ha tetszett a projekt, támogassa a szavazást a „Make it Move Contest” versenyen.

Boldog készítést!

Második díj a Make it Move versenyen 2020