3D tlačený štvornásobný robot Arduino: 13 krokov (s obrázkami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 11:55

Projekty Fusion 360 »

Z predchádzajúcich inštrukcií môžete pravdepodobne vidieť, že mám hlboký záujem o robotické projekty. Po predchádzajúcom Instructable, kde som postavil robotickú dvojnožku, som sa rozhodol skúsiť vyrobiť štvornásobného robota, ktorý by dokázal napodobňovať zvieratá ako psy a mačky. V tomto návode vám ukážem návrh a montáž robotického štvornožca.

Primárnym cieľom pri stavbe tohto projektu bolo urobiť systém čo najrobustnejším, aby som sa pri experimentovaní s rôznymi krokmi pri chôdzi a behu nemusel neustále obávať zlyhania hardvéru. To mi umožnilo posunúť hardvér na maximum a experimentovať so zložitými krokmi a pohybmi. Sekundárnym cieľom bolo dosiahnuť, aby štvornásobný bol relatívne lacný pomocou ľahko dostupných hobby dielov a 3D tlače, ktorá umožňovala rýchle prototypovanie. Tieto dva ciele v kombinácii poskytujú robustný základ pre vykonávanie rôznych experimentov, vďaka čomu je možné vyvinúť štvornožku pre špecifickejšie požiadavky, ako je navigácia, vyhýbanie sa prekážkam a dynamická lokomócia.

Pozrite sa na vyššie uvedené video a pozrite sa na rýchlu ukážku projektu. Pokračujte v vytváraní svojho vlastného štvornásobného robota poháňaného Arduino a hlasujte v súťaži „Make it Move Contest“, ak sa vám projekt páčil.

Krok 1: Prehľad a proces návrhu

Štvornásobný bol navrhnutý v bezplatnom softvéri 3D modelovania Fusion 360 od spoločnosti Autodesk. Začal som importom servomotorov do konštrukcie a postavil som okolo nich nohy a telo. Navrhol som konzoly pre servomotor, ktoré poskytujú druhý otočný bod diametrálne proti hriadeľu servomotora. Dvojité hriadele na oboch koncoch motora poskytujú konštrukčnú stabilitu konštrukcie a eliminujú akékoľvek zošikmenie, ktoré môže nastať, keď sú nohy vyrobené tak, aby uniesli určité zaťaženie. Články boli navrhnuté tak, aby držali ložisko, zatiaľ čo konzoly používali skrutku pre hriadeľ. Akonáhle boli články namontované na hriadele pomocou matice, ložisko by poskytlo hladký a robustný bod otáčania na opačnej strane hriadeľa servomotora.

Ďalším cieľom pri navrhovaní štvorkoliek bolo udržať model čo najkompaktnejší, aby sa maximálne využil krútiaci moment poskytovaný servomotormi. Rozmery článkov boli navrhnuté tak, aby bol dosiahnutý veľký rozsah pohybu pri minimalizácii celkovej dĺžky. Ak by boli príliš krátke, konzoly by sa zrazili, znížil by sa rozsah pohybu a príliš dlhé by na ovládače vyvíjali zbytočný krútiaci moment. Nakoniec som navrhol telo robota, na ktoré by sa namontovalo Arduino a ďalšie elektronické súčiastky. Na hornom paneli som tiež nechal ďalšie montážne body, aby bol projekt škálovateľný pre ďalšie vylepšenia. Once mohli pridať senzory, ako sú snímače vzdialenosti, kamery alebo iné ovládané mechanizmy, ako sú robotické chápadlá.

Poznámka: Diely sú zahrnuté v jednom z nasledujúcich krokov.

Krok 2: Potrebný materiál

Tu je zoznam všetkých komponentov a dielov potrebných na vytvorenie vlastného štvornožkového robota poháňaného Arduino. Všetky diely by mali byť bežne dostupné a ľahko dostupné v miestnych obchodoch s hardvérom alebo online.

ELEKTRONIKA:

Arduino Uno x 1

Servomotor Towerpro MG995 x 12

Arduino Sensor Shield (odporúčam verziu V5, ale mal som verziu V4)

Prepojovacie vodiče (10 kusov)

MPU6050 IMU (voliteľné)

Ultrazvukový senzor (voliteľný)

HARDWARE:

Guličkové ložiská (8 x 19 x 7 mm, 12 kusov)

Matice a skrutky M4

Vlákno pre 3D tlačiareň (v prípade, že nevlastníte 3D tlačiareň, mala by byť v miestnom pracovnom priestore 3D tlačiareň alebo je možné tlačiť pomerne lacno online)

Akrylové listy (4 mm)

NÁSTROJE

3D tlačiareň

Laserová rezačka

Najvýznamnejšou cenou tohto projektu je 12 servomotorov. Odporúčam namiesto verzie lacných plastových verzií prejsť na stredné a vyššie verzie, pretože sa ľahko lámu. Bez nákladov na nástroje sú celkové náklady na tento projekt približne 60 $.

Krok 3: Digitálne vyrobené diely

Časti potrebné pre tento projekt museli byť navrhnuté na mieru, preto sme na ich stavbu použili silu digitálne vyrobených dielov a CAD. Väčšina dielov je vytlačená 3D okrem niekoľkých, ktoré sú laserom vyrezané zo 4 mm akrylu. Výtlačky boli urobené so 40% výplňou, 2 obvodmi, 0,4 mm dýzou a výškou vrstvy 0,1 mm s PLA. Niektoré časti vyžadujú podpery, pretože majú zložitý tvar s presahmi, ale podpery sú ľahko prístupné a dajú sa odstrániť pomocou niektorých fréz. Môžete si vybrať farbu vlákna, ktorú si vyberiete. Nasleduje kompletný zoznam dielov a STL na vytlačenie vašej vlastnej verzie a 2D návrhov pre diely rezané laserom.

Poznámka: Odtiaľ budú na diely odkazované pomocou názvov v nasledujúcom zozname.

3D tlačené diely:

• bedrový servo držiak x 2
• zrkadlo držiaka bedrového servo x 2
• servo držiak kolena x 2
• zrkadlo servo držiaka kolena x 2
• držiak ložiska x 2
• zrkadlo držiaka ložiska x 2
• noha x 4
• odkaz na roh serva x 4
• ložiskový článok x 4
• držiak na arduino x 1
• držiak senzora vzdialenosti x 1
• Podpera L x 4
• ložiskové puzdro x 4
• rozpera servo klaksónu x 24

Laserom rezané diely:

• panel držiaka serva x 2
• horný panel x 1

Celkovo je k dispozícii 30 dielov, ktoré je potrebné vytlačiť 3D, bez rôznych medzier, a 33 digitálne vyrobených dielov. Celková doba tlače je približne 30 hodín.

Krok 4: Príprava prepojení

Montáž môžete začať tým, že na začiatku nastavíte niektoré diely, vďaka ktorým bude konečný proces montáže lepšie zvládnuteľný. Môžete začať odkazom. Ak chcete vytvoriť ložiskový článok, jemne obrúste vnútorný povrch otvorov pre ložisko a potom zatlačte ložisko do otvoru na oboch koncoch. Ložisko zatlačte dovnútra, kým nebude jedna strana v jednej rovine. Ak chcete vytvoriť prepojenie servo rohu, chyťte dva kruhové servo rohy a skrutky, ktoré boli dodané spolu s nimi. Umiestnite rohy na 3D tlač a zarovnajte dva otvory, potom naskrutkujte roh na 3D tlač pripevnením skrutky zo strany 3D tlače. Musel som použiť nejaké 3D tlačené rozpery servorožiaka, pretože dodané skrutky boli trochu dlhé a pri otáčaní sa krížili s telom servomotora. Akonáhle sú odkazy zostavené, môžete začať nastavovať rôzne držiaky a zátvorky.

Opakujte to pre všetky 4 odkazy oboch typov.

Krok 5: Príprava servopohonov

Ak chcete nastaviť držiak servo kolena, jednoducho prevlečte 4 mm skrutku cez otvor a pripevnite ho maticou. Bude fungovať ako sekundárna náprava pre motor. Z držiaka bedrového serva prevlečte dva skrutky cez dva otvory a pripevnite ich dvoma ďalšími maticami. Potom chyťte ďalší kruhový servo roh a pripevnite ho k mierne vyvýšenej časti konzoly pomocou dvoch skrutiek, ktoré boli dodané s rohmi. Ešte raz by som vám odporučil použiť rozperu klaksónu, aby skrutky nevyčnievali do medzery pre servo. Nakoniec chyťte časť držiaka ložiska a zatlačte ložisko do otvoru. Aby ste dobre sadli, možno budete musieť vnútorný povrch jemne obrúsiť. Potom zatlačte zatlačenie ložiska do ložiska smerom k ohnutiu kusa držiaka ložiska.

Pri stavbe zátvoriek si pozrite obrázky vyššie. Tento postup zopakujte so zvyšnými zátvorkami. Zrkadlové sú podobné, iba všetko je zrkadlené.

Krok 6: Zostavenie nôh

Akonáhle sú všetky články a konzoly zostavené, môžete začať stavať štyri nohy robota. Začnite pripevnením serv na konzoly pomocou 4 skrutiek a matíc M4. Dbajte na to, aby bola os serva zarovnaná s vyčnievajúcou skrutkou na druhej strane.

Ďalej spojte bedrové servo s kolenovým servom pomocou spojovacieho kusu klaksónu. Na zaistenie klaksónu na osi servomotora ešte nepoužívajte skrutku, pretože možno budeme musieť polohu neskôr upraviť. Na opačnej strane namontujte ložiskový článok obsahujúci obe ložiská na vyčnievajúce skrutky pomocou matíc.

Tento postup zopakujte so zvyšnými tromi nohami a 4 nohy so štvornožcom sú pripravené!

Krok 7: Zostavenie tela

Ďalej sa môžeme zamerať na stavbu tela robota. V tele sú umiestnené štyri servomotory, ktoré dodávajú nohám tretí stupeň voľnosti. Začnite pomocou 4 skrutiek a zástrčiek M4 na pripevnenie serva k panelu držiaka serva laserom rezaného.

Poznámka: Uistite sa, že je servo pripevnené tak, aby bola os na vonkajšej strane kusu, ako je vidieť na vyššie uvedených obrázkoch. Tento postup zopakujte pre zvyšné tri servomotory, pričom pamätajte na orientáciu.

Potom pripevnite podpery L na obidve strany panelu pomocou dvoch matíc a skrutiek M4. Tento kus nám umožňuje pevne pripevniť panel držiaka serva k hornému panelu. Tento postup zopakujte s ďalšími dvoma L-podperami a druhým panelom držiaka serva, ktorý drží druhú sadu servomotorov.

Akonáhle sú podpery L na svojom mieste, pomocou viac matíc a skrutiek M4 pripevnite panel držiaka serva k hornému panelu. Začnite s vonkajšou sadou matíc a skrutiek (smerom dopredu a dozadu). Stredové matice a skrutky tiež držia kus držiaka arduina. Na upevnenie držiaka arduina zhora na horný panel použite štyri matice a skrutky a zarovnajte skrutky tak, aby prechádzali aj podpornými otvormi L. Vysvetlenie nájdete na vyššie uvedených obrázkoch. Nakoniec zasuňte štyri matice do otvorov na paneloch držiaka serva a pomocou skrutiek pripevnite panely držiaka serva k hornému panelu.

Krok 8: Dajte to všetko dohromady

Akonáhle sú nohy a telo zostavené, môžete začať s montážou. Namontujte štyri nohy na štyri servá pomocou servo rohov, ktoré boli pripevnené k držiaku bedrového serva. Nakoniec pomocou kusov držiaka ložiska podoprite opačnú nápravu bedrovej konzoly. Prevlečte nápravu ložiskom a zaistite ho skrutkou na mieste. Pomocou dvoch matíc a skrutiek M4 pripevnite držiaky ložísk k hornému panelu.

S týmto je hardvérová zostava quaduped pripravená.

Krok 9: Zapojenie a obvod

Rozhodol som sa použiť štítový štít, ktorý poskytoval pripojenia pre servomotory. Odporúčam vám použiť štítový štít v5, pretože je vybavený integrovaným portom pre externé napájanie. Ten, ktorý som použil, však túto možnosť nemal. Pri bližšom pohľade na štít senzora som si všimol, že štít senzora čerpal energiu z palubného 5V kolíka Arduina (čo je strašný nápad, pokiaľ ide o vysoko výkonné servomotory, pretože riskujete poškodenie Arduina). Riešením tohto problému bolo ohnutie 5v kolíka na štíte senzora tak, aby sa nepripojil k 5v kolíku Arduina. Týmto spôsobom môžeme teraz poskytovať externé napájanie prostredníctvom kolíka 5v bez poškodenia Arduina.

Pripojenia signálnych kolíkov 12 servomotorov sú uvedené v tabuľke nižšie.

Poznámka: Hip1Servo označuje servo pripevnené k telu. Hip2Servo označuje servo pripevnené k nohe.

Noha 1 (dopredu vľavo):

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

Noha 2 (vpred vpravo):

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

Noha 3 (vzadu vľavo):

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

Noha 4 (vzadu vpravo):

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

Krok 10: Počiatočné nastavenie

Pred programovaním zložitých chodov a iných pohybov musíme nastaviť nulové body každého serva. To dáva robotovi referenčný bod, ktorý používa na vykonávanie rôznych pohybov.

Aby ste zabránili poškodeniu robota, môžete odstrániť odkazy servo klaksónu. Potom nahrajte kód, ktorý je priložený nižšie. Tento kód umiestni každé zo serva na 90 stupňov. Akonáhle serva dosiahnu polohu 90 stupňov, môžete články znova pripevniť tak, aby boli nohy úplne rovné a servo pripevnené k telu bolo kolmé na horný panel štvornožca.

V tomto mieste nemusia byť niektoré spoje kvôli konštrukcii rohov servomotora stále úplne rovné. Riešením je upraviť pole zeroPositions nachádzajúce sa na 4. riadku kódu. Každé číslo predstavuje nulovú polohu zodpovedajúceho serva (poradie je rovnaké ako poradie, v ktorom ste servo pripevnili k Arduinu). Tieto hodnoty trochu upravte, kým nebudú nohy úplne rovné.

Poznámka: Tu sú hodnoty, ktoré používam, aj keď tieto hodnoty pre vás nemusia fungovať:

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

Krok 11: Trochu o kinematike

Aby mohli štvornožky vykonávať užitočné činnosti, ako je beh, chôdza a iné pohyby, je potrebné serva naprogramovať vo forme pohybových dráh. Cesty pohybu sú cesty, po ktorých sa pohybuje koncový efektor (v tomto prípade nohy). Existujú dva spôsoby, ako to dosiahnuť:

1. Jedným prístupom by bolo napájanie uhlov spoja rôznych motorov spôsobom hrubej sily. Tento prístup môže byť časovo náročný, únavný a tiež plný chýb, pretože úsudok je čisto vizuálny. Namiesto toho existuje inteligentnejší spôsob, ako dosiahnuť požadované výsledky.
2. Druhý prístup sa točí okolo kŕmenia súradníc koncového efektora namiesto všetkých kĺbových uhlov. Toto je známe ako inverzná kinematika. Užívateľ zadá súradnice a uhly spoja sa nastavia tak, aby koncový efektor bol umiestnený na určených súradniciach. Túto metódu možno považovať za čiernu skrinku, ktorá ako vstupy používa súradnice a výstupy kĺbových uhlov. Tí, ktorí sa zaujímajú o to, ako boli vyvinuté trigonometrické rovnice tejto čiernej skrinky, sa môžu pozrieť na vyššie uvedený diagram. Pre tých, ktorých to nezaujíma, sú rovnice už naprogramované a dajú sa použiť pomocou funkcie pos, ktorá berie ako vstup x, y, z, čo je karteziánska poloha koncového efektora a na výstupe má tri uhly zodpovedajúce motorom.

Program obsahujúci tieto funkcie nájdete v nasledujúcom kroku.

Krok 12: Programovanie štvornožcov

Po dokončení zapojenia a inicializácie môžete robota naprogramovať a generovať chladné pohybové cesty, aby robot vykonával zaujímavé úlohy. Predtým, ako budete pokračovať, zmeňte 4. riadok v priloženom kóde na hodnoty, ktoré ste nastavili v kroku inicializácie. Po nahraní programu by mal robot začať chodiť. Ak si všimnete, že niektoré spoje sú obrátené, môžete jednoducho zmeniť zodpovedajúcu hodnotu smeru v smerovom poli v riadku 5 (ak je 1, urobte -1 a ak je -1, urobte 1).

Krok 13: Konečné výsledky: Čas na experiment

Štvornásobný robot môže robiť kroky dlhé 5 až 2 cm. Rýchlosť sa dá tiež meniť, pričom je chôdza vyrovnaná. Tento štvornásobný robot poskytuje robustnú platformu na experimentovanie s rôznymi inými krokmi a inými cieľmi, ako je skákanie alebo plnenie úloh. Odporučil by som vám, aby ste sa pokúsili zmeniť dráhy pohybu nôh, aby ste si vytvorili vlastné chody, a zistili, ako rôzne chody ovplyvňujú výkon robota. V hornej časti robota som tiež nechal niekoľko montážnych bodov pre ďalšie senzory, ako sú senzory na meranie vzdialenosti pre úlohy vyhýbania sa prekážkam alebo IMU pre dynamické pochody na nerovnom teréne. Dalo by sa tiež experimentovať s prídavným ramenom uchopovača namontovaným na vrchu robota, pretože robot je extrémne stabilný a robustný a ľahko sa neprevráti.

Dúfam, že sa vám tento návod páčil a inšpiroval vás k vytvoreniu vlastného.

Ak sa vám projekt páčil, podporte ho hlasovaním v „Make it Move Contest“.

Šťastnú tvorbu!

Druhá cena v súťaži Make it Move 2020