Bioinspirált robotkígyó: 16 lépés (képekkel)

2024 Szerző: John Day | [email protected]. Utoljára módosítva: 2024-01-30 09:43

Az inspirációt arra kaptam, hogy elkezdjem ezt a projektet, miután megnéztem a videókat a fára mászó robotkígyókról és a robot angolnákról. Ez az első kísérletem, és robotokat építek szerpentin mozgással, de nem ez lesz az utolsó! Iratkozz fel a YouTube -ra, ha látni szeretnéd a jövőbeli fejleményeket.

Az alábbiakban felvázolom a 2 különböző kígyó felépítését a 3D nyomtatáshoz szükséges fájlokkal együtt, valamint a vita a kódról és az algoritmusokról a kígyószerű mozgás elérése érdekében. Ha tovább szeretne tanulni, akkor ezt az oktatóanyagot elolvasva azt javaslom, hogy olvassa el a hivatkozásokat az oldal alján található hivatkozások részben.

Ez az utasítás gyakorlatilag egy az egyben, mivel elmagyarázom, hogyan lehet 2 különböző verziót készíteni egy robotkígyóból. Ha csak az egyik kígyó építése érdekli, figyelmen kívül hagyja a másik kígyóra vonatkozó utasításokat. Ez a 2 különböző kígyó innentől fogva a következő kifejezések felcserélhető használatával lesz hivatkozva:

1. Egytengelyes kígyó, 1D kígyó vagy sárga és fekete kígyó
2. Kettős tengelyű kígyó, 2D kígyó vagy fehér kígyó

Természetesen kinyomtathatja a kígyókat bármilyen színű izzószálból. Az egyetlen különbség a két kígyó között az, hogy a 2D kígyóban minden motor 90 fokkal el van forgatva az előzőhöz képest, míg az 1D kígyóban minden motor egyetlen tengelyen van igazítva.

Az utolsó előszó az, hogy míg mindegyik kígyómnak csak 10 szervója van, a kígyókat többé -kevésbé szervóval is meg lehet csinálni. Egy dolgot figyelembe kell venni, hogy kevesebb szervóval kevésbé sikeres mozgást érhet el, és több szervóval valószínűleg sikeresebb lesz a szerpentin mozgás, de figyelembe kell vennie a költségeket, az aktuális húzást (lásd későbbi megjegyzéseket) és a csapok számát elérhető az Arduino -n. Nyugodtan módosítsa a kígyó hosszát, de ne feledje, hogy módosítani kell a kódot is, hogy figyelembe vegye ezt a változást.

1. lépés: Alkatrészek

Ez egy kígyó alkatrészlistája, ha mindkét kígyót szeretné elkészíteni, meg kell dupláznia az alkatrészek mennyiségét.

• 10 MG996R szervó*
• 1,75 mm -es 3D nyomtatási szál
• 10 golyóscsapágy, 608 -as cikkszám (az enyémet a Jitterspin -fidget spinners külső pereméről mentettem ki)
• 20 kis golyóscsapágy, r188 cikkszámú, a kerekekhez ** (az enyémet a Jitterspin izgulók belső részéből mentettem ki)
• 40 db Philips fejcsavar 6-32 x 1/2 "(vagy hasonló)
• 8 hosszabb csavar (nincs cikkszámom, de átmérőjük megegyezik a fenti csavarokkal)
• Legalább 20 darab 4 hüvelykes cipzár (csak rajtad múlik, mennyit akarsz használni)
• Egyenként 5 m piros és fekete 20 méteres huzal vagy vastagabb ***
• Standard 22 -es drót
• 30 db fejléc (10 darab 3 részre osztva)
• Arduino Nano
• 3D nyomtatott alkatrészek (lásd a következő részt)
• A tápellátás valamilyen formája (további információkért lásd a "Kígyó áramellátása" című részt), én személy szerint módosított ATX tápegységet használtam
• 1000uF 25V elektrolit kondenzátor
• Különböző méretű zsugorcső, forrasztóanyag, ragasztó és egyéb szerszámok

*Használhat más típusokat is, de újra kell terveznie a 3D fájlokat, hogy illeszkedjenek a szervókhoz. Továbbá, ha megpróbál kisebb szervókat használni, mint például az sg90, előfordulhat, hogy nem elég erősek (ezt nem teszteltem, és rajtad áll a kísérlet).

** Nem kell kis golyóscsapágyakat használni a kerekekhez, csak sokat feküdtem. Alternatívaként használhat LEGO kerekeket vagy más játékkerekeket.

*** Ezen a huzalon akár 10 amper is átmehet, túl vékony, és az áram megolvasztja. További információért tekintse meg ezt az oldalt.

2. lépés: 3D nyomtatási összetevők

Ha az 1D kígyót készíti, nyomtassa ki ezeket a darabokat.

Ha a 2D kígyót készíti, nyomtassa ki ezeket a darabokat.

Fontos megjegyzés: Lehet, hogy a mérleg rossz! Alkatrészeimet a Fusion 360 -ban tervezem (mm -es egységekben), a mintát.stl fájlként exportáltam a MakerBot szoftverbe, majd kinyomtattam egy Qidi Tech nyomtatón (a MakerBot Replicator 2X klón verziója). Valahol a munkafolyamat mentén van egy hiba, és az összes nyomatom túl kicsi. Nem tudtam azonosítani a hiba helyét, de ideiglenesen javítottam, hogy a MakerBot szoftverben minden nyomtatás 106% -os méretre méretezhető, ez megoldja a problémát.

Figyelembe kell venni, hogy ha kinyomtatja a fenti fájlokat, előfordulhat, hogy helytelenül méretezik őket. Javaslom, hogy csak egy darabot nyomtasson ki, és ellenőrizze, hogy illeszkedik -e az MG996R szervójához, mielőtt mindet kinyomtatná.

Ha kinyomtat egy fájlt, kérjük, tudassa velem, mi az eredmény: ha a nyomtatás túl kicsi, éppen megfelelő, túl nagy és hány százalékkal. Közösségként együttműködve különböző 3D nyomtatók és.stl szeletelők segítségével elháríthatjuk a hiba helyét. Amint a probléma megoldódott, frissítem ezt a részt és a fenti linkeket.

3. lépés: A kígyók összeszerelése

Az összeszerelési folyamat többnyire ugyanaz a kígyó mindkét verziójában. Az egyetlen különbség az, hogy a 2D kígyóban minden motor 90 fokkal el van forgatva az előzőhöz képest, míg az 1D kígyóban minden motor egyetlen tengelyen van igazítva.

Kezdje a szervó kicsavarásával, mentse el a csavarokat, és távolítsa el a fekete műanyag keret felső és alsó darabjait, és vigyázzon, nehogy elveszítse a fogaskerekeket! Csúsztassa a szervót a 3D nyomtatott keretbe, a fenti képek szerint. Helyezze vissza a szervoház tetejét, és csavarja be a helyére négy 6-32 1/2 -os csavarral. Mentse el a szervokeret alját (ha későbbi projektekben szeretné újra használni), és cserélje ki a 3D-re nyomtatott tok, az egyetlen különbség a golyóscsapágy felcsúszásához szükséges kiegészítő gomb. Csavarja vissza a szervót, ismételje meg 10 -szer.

FONTOS: A folytatás előtt fel kell töltenie a kódot az Arduino -ba, és minden szervót 90 fokra kell mozgatnia. Ennek elmulasztása egy vagy több szervó és/vagy a 3D nyomtatott keret törését eredményezheti. Ha nem biztos abban, hogyan mozgassa a szervót 90 fokra, tekintse meg ezt az oldalt. Alapvetően csatlakoztassa a szervó piros vezetékét az Arduino 5V -ra, a barna vezetéket a GND -re és a sárga vezetéket a 9 -es digitális tűre, majd töltse fel a kódot a linkben.

Most, hogy minden szervó 90 fokban van, folytassa:

Csatlakoztassa a 10 szegmenst úgy, hogy az egyik szervoház 3D nyomtatott gombját behelyezi a második szegmensdarab lyukába, majd kis erővel nyomja be a szervo tengelyét a lyukba (az egyértelműség érdekében lásd a fenti képeket és a videót). Ha az 1D kígyót készíti, akkor az összes szegmenst igazítani kell, ha a 2D kígyót, akkor minden szegmenst 90 fokkal el kell forgatni az előző szegmenshez képest. Ne feledje, hogy a farok és a fejkeret csak fele a többi szegmensnek, kösse össze őket, de a piramis alakú darabokat csak a huzalozás befejezése után kommentálja.

Csatlakoztassa az x alakú szervokart és csavarja a helyére. Csúsztassa a golyóscsapágyat a 3D nyomtatott gomb fölé, ehhez óvatosan össze kell szorítani a 2 félkör alakú oszlopot. Attól függően, hogy milyen márkájú szálat használ, és a betöltési sűrűséget, az oszlopok túl törékenyek és bepattanhatnak, nem hiszem, hogy ez így lesz, de ennek ellenére ne használjon túlzott erőt. Én személy szerint 10% töltetű PLA szálat használtam. Amint a golyóscsapágy be van kapcsolva, azt rögzíteni kell a gomb túlnyúlásai által.

4. lépés: Áramkör

Az áramkör mindkét robotkígyó esetében azonos. A bekötési folyamat során győződjön meg arról, hogy elegendő huzalozási hely van minden szegmens számára ahhoz, hogy teljesen elfordulhasson, különösen a 2D kígyóban.

A fenti kapcsolási rajz csak 2 szervóval van ellátva. Próbáltam egy áramköri rajzot készíteni 10 szervóval, de túlságosan túlzsúfolt lett. Az egyetlen különbség a kép és a valós élet között az, hogy további 8 szervót kell párhuzamosan kötni, és a PWM jelvezetékeket az Arduino Nano csapjaihoz kell csatlakoztatni.

Az elektromos vezetékek bekötésekor egyetlen darab 18 méteres vezetéket használtam (elég vastag ahhoz, hogy ellenálljon 10 ampernek), mint a fő 5V -os vezetéket, amely a kígyó hosszában fut. Vezetékeltávolítókkal 10 szabályos időközönként eltávolítottam egy kis szigetelő részt, és mindegyik intervallumból egy rövid huzaldarabot forrasztottam egy 3 db fejlécből álló csoportból. Ismételje meg ezt másodszor is a fekete 18 -as GND vezetékhez és egy második hüvelyes csatlakozóhoz. Végül forrasztson egy hosszabb vezetéket a 3. dugófejhez, ez a csap a PWM jelet továbbítja a szervóba az Arduino Nano -ból a kígyó fejében (a huzalnak elég hosszúnak kell lennie ahhoz, hogy elérje, még akkor is, ha a szegmensek hajlanak). Szükség szerint rögzítse a zsugorcsövet. Csatlakoztassa a szervohuzalok 3 dugós csatlakozóját a 3 hüvelyes csatlakozóhoz. Ismételje meg 10 -szer mind a 10 szervót. Végül ez azt eredményezi, hogy a szervókat párhuzamosan kell bekötni, és PWM jelvezetékeket vezetni a Nano -hoz. A férfi/női fejléc csapok oka az volt, hogy könnyen szétszedheti a szegmenseket, és cserélheti a szervókat, ha eltörik, anélkül, hogy mindent feloldana.

Forrasztja a GND és az 5 V vezetékeket egy 3x7 lyukú perf kártyára a farokban kondenzátorral és csavaros kapcsokkal. A kondenzátor célja, hogy eltávolítsa a szervók indításakor fellépő áramfelvételi tüskéket, amelyek visszaállíthatják az Arduino Nano -t (ha nincs kondenzátora, valószínűleg megússza nélküle, de jobb, ha biztonságban van). Ne feledje, hogy az elektrolit kondenzátorok hosszú, 5 V -os vezetékét és a rövidebb GND -vezetéket kell csatlakoztatni. Forrasztja a GND vezetéket a Nano GND csapjához, és az 5 V -os vezetéket az 5 V -os tűhöz. Vegye figyelembe, ha más feszültséget használ (lásd a következő részt), mondjuk egy Lipo akkumulátort 7,4 V -os feszültséggel, majd a piros vezetéket kösse a Vin csaphoz, NEM az 5 V -os tűhöz, mert ez tönkreteszi a csapot.

Forrasztja a 10 PWM jelvezetéket az Arduino Nano csapjaira. Az enyémet a következő sorrendben kötöttem be, választhat másként is, de ne feledje, hogy ezután meg kell változtatnia a servo.attach () sorokat a kódban. Ha nem biztos abban, hogy miről beszélek, kösse össze ugyanúgy, mint én, és nem lesz probléma. Annak érdekében, hogy a szervótól a kígyó farkán át a kígyó fejéig, mindkét kígyómat a következő sorrendben kötöttem be. A jelzőcsapok csatlakoztatása: A0, A1, A2, A3, A4, A5, D4, D3, D8, D7.

Használjon cipzárokat a vezetékek tisztításához. Mielőtt folytatná, ellenőrizze, hogy minden szegmens mozoghat -e elegendő hellyel a vezetékek széthúzása nélkül. Most, hogy a huzalozás elkészült, felcsavarhatjuk a fej és a farok piramis alakú kupakjait. Ne feledje, hogy a faroknál van egy lyuk, amiből a heveder kijöhet, és a fején egy lyuk az Arduino programozókábel számára.

5. lépés: A kígyó áramellátása

Mivel a szervók párhuzamosan vannak kötve, mindegyik ugyanazt a feszültséget kapja, de az áramot össze kell adni. Az MG996r szervók adatlapját tekintve futás közben akár 900 mA -t is fel tudnak venni (feltételezve, hogy nem akadozik). Így a teljes áramfelvétel, ha mind a 10 szervó egyszerre mozog, 0,9A*10 = 9A. Mint ilyen, egy normál 5V, 2A fali konnektor adapter nem fog működni. Úgy döntöttem, hogy módosítok egy ATX tápegységet, amely képes 5V -ra 20A -nál. Nem fogom elmagyarázni, hogyan kell ezt megtenni, mivel már sokat tárgyaltak róla az Instructables és a YouTube oldalain. Egy gyors online keresés megmutatja, hogyan módosíthatja az egyik ilyen tápegységet.

Feltételezve, hogy módosította a tápegységet, egyszerűen csak egy hosszú kötést kell csatlakoztatni a tápegység és a kígyó csavaros csatlakozói közé.

Egy másik lehetőség a fedélzeti lipo akkumulátorcsomag használata. Ezt még nem próbáltam, így rajtad múlik, hogy megtervezed -e az elemek rögzítését és bekötését. Tartsa szem előtt az üzemi feszültségeket, a szervók és az Arduino áramfelvételét (ne forrasztjon mást, mint 5 V -ot az 5 V -os tüskét az Arduino -n, menjen a Vin csaphoz, ha nagyobb a feszültsége).

6. lépés: Ellenőrizze, hogy minden működik

A folytatás előtt teszteljük, hogy minden működik. Töltse fel ezt a kódot. A kígyónak külön kell mozgatnia minden szervót 0-180 között, majd egyenes vonalban kell befejeznie. Ha nem, akkor valami nincs rendben, valószínűleg a kábelezés nem megfelelő, vagy a szervók eredetileg nem voltak 90 fokos központtal, amint azt a „Kígyók összeszerelése” szakaszban említettük.

7. lépés: Kód

Jelenleg nincs távirányító a kígyó számára, minden mozgás előre programozott, és kiválaszthatja, amit szeretne. Távirányítót fogok fejleszteni a 2 -es verzióban, de ha távolról szeretné irányítani, javaslom, hogy nézzen meg más oktatóanyagokat az Instructables -ről, és alakítsa át a kígyót Bluetooth -kompatibilisnek.

Ha az 1D kígyót készíti, töltse fel ezt a kódot.

Ha a 2D kígyót készíti, töltse fel ezt a kódot.

Javaslom, hogy játsszon a kóddal, végezze el saját módosításait és hozzon létre új algoritmusokat. Olvassa el a következő néhány részt, hogy részletesen elmagyarázza az egyes mozgástípusokat és a kód működését.

8. lépés: Mérlegek Vs kerekek

A kígyók előrehaladásának egyik fő módja a pikkelyek alakja. A mérleg megkönnyíti az előrehaladást. További magyarázatért nézze meg ezt a videót 3: 04 -től, hogy megtudja, hogyan segítik a mérlegek a kígyót előrehaladni. Ugyanebben a videóban a 3: 14 -et nézve látható a hatás, amikor a kígyók hüvelyben vannak, eltávolítva a mérleg súrlódását. Amint azt a YouTube -os videóm is mutatja, amikor az 1D robotkígyó pikkelyek nélkül próbál csúszni a fűben, nem mozdul előre vagy hátra, mivel az erők nettó nullát tesznek ki. Ezért hozzá kell adnunk néhány mesterséges mérleget a robot hasához.

A mozgásképesség skálán keresztüli újjáépítésével kapcsolatos kutatásokat a Harvard Egyetemen végezték, és ebben a videóban is bemutatják. Nem tudtam hasonló módszert kitalálni a mérleg felfelé és lefelé mozgatására a robotomon, és inkább a passzív 3D nyomtatott mérlegeknek az alhasra való csatlakoztatásával foglalkoztam.

Sajnos ez hatástalannak bizonyult (lásd YouTube -videómban 3: 38 -nál), mivel a mérlegek még mindig a szőnyeg felületén átfutottak, ahelyett, hogy megragadták volna a szálakat és növelnék a súrlódást.

Ha kísérletezni szeretne az általam készített skálákkal, 3D -ben kinyomtathatja a fájlokat a GitHub -ból. Ha sikeresen elkészítette a sajátját, tudassa velem az alábbi megjegyzésekben!

Más megközelítést alkalmazva próbáltam r188 golyóscsapágyakból készült kerekeket használni, amelyek külső oldalán hőzsugorodó csöveket használtak „gumiként”. A műanyag keréktengelyeket 3D -ben kinyomtathatja a GitHub.stl fájljaiból. Bár a kerekek biológiailag nem pontosak, analógok a mérlegekkel, mivel az előre forgás könnyű, de az oldalirányú mozgás lényegesen nehezebb. A kerekek sikeres eredményét a YouTube -videómban láthatod.

9. lépés: Csúszó mozgás (egytengelyes kígyó)

Első díj a Make it Move versenyben