Bioinšpirovaný robotický had: 16 krokov (s obrázkami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 12:00

Inšpirovalo ma začať tento projekt po tom, čo som videl výskumné videá robotických hadov lezúcich po stromoch a robotických úhorov. Toto je môj prvý pokus a stavanie robotov pomocou hadovitej lokomócie, ale nebude to môj posledný! Ak chcete vidieť budúci vývoj, prihláste sa na odber YouTube.

Ďalej uvádzam konštrukciu 2 rôznych hadov spolu so súbormi pre 3D tlač a diskusiu o kóde a algoritmoch na dosiahnutie pohybu podobného hadovi. Ak sa chcete ďalej učiť, po prečítaní tohto návodu by som vám odporučil prečítať si odkazy v sekcii referencií v spodnej časti stránky.

Tento návod je technicky 2 v 1, v ktorom vysvetlím, ako vyrobiť 2 rôzne verzie robotického hada. Ak vás zaujíma iba stavba jedného z hadov, ignorujte pokyny pre druhého hada. Tieto 2 rôzne hady sa budú odtiaľto používať a budú sa zamieňať pomocou nasledujúcich fráz:

1. Jednoosý had, 1D had alebo žltý a čierny had
2. Dvojosý had, 2D had alebo biely had

Samozrejme môžete hady vytlačiť v ľubovoľnom farebnom vlákne, ktoré chcete. Jediný rozdiel medzi týmito dvoma hadmi je ten, že v 2D hadovi je každý motor otočený o 90 stupňov v porovnaní s predchádzajúcim, zatiaľ čo v 1D hadovi sú všetky motory zarovnané v jednej osi.

Posledná predslov je, že hoci každý z mojich hadov má iba 10 serv, je možné vyrobiť hady s viac alebo menej servami. Jedna vec, ktorú je potrebné vziať do úvahy, je, že s menším počtom serva dosiahnete menej úspešný pohyb a s viacerými servami budete pravdepodobne úspešnejší so serpentínovým pohybom, ale budete musieť vziať do úvahy náklady, aktuálne čerpanie (pozri neskoršie poznámky) a počet pinov. k dispozícii na Arduino. Nebojte sa zmeniť dĺžku hada, nezabúdajte však, že budete musieť tiež zmeniť kód, ktorý bude túto zmenu zohľadňovať.

Krok 1: Komponenty

Toto je zoznam dielov pre jedného hada, ak chcete urobiť oboch hadov, budete musieť zdvojnásobiť objem komponentov.

• 10 serva MG996R*
• Vlákno pre 3D tlač 1,75 mm
• 10 guľkových ložísk, číslo 608 (zachránil som svoje z vonkajšieho okraja vrtákov Jitterspin)
• 20 malých guľkových ložísk, číslo dielu r188, na kolesá ** (moje som zachránil z vnútornej časti vrtákov Jitterspin)
• 40 skrutiek s hlavou Philips 6-32 x 1/2 "(alebo podobných)
• 8 dlhších skrutiek (nemám číslo dielu, ale majú rovnaký priemer ako skrutky vyššie)
• Najmenej 20 kusov 4 -palcových zipsov (záleží na vás, koľko chcete použiť)
• 5 m každý z červeného a čierneho drôtu s priemerom 20 alebo hrubšieho ***
• Štandardný drôt s priemerom 22
• 30 kolíkových zástrčiek (rozdelených do 10 dávok po 3)
• Arduino Nano
• 3D tlačené diely (pozri nasledujúcu časť)
• Nejaký spôsob napájania (ďalšie informácie nájdete v časti: „Napájanie hada“), osobne som použil upravený zdroj ATX
• 25u elektrolytický kondenzátor 1000uF
• Teplom zmrštiteľná trubica rôznych veľkostí, spájka, lepidlo a ďalšie rôzne nástroje

*Môžete použiť aj iné typy, ale budete musieť 3D súbory prepracovať tak, aby zodpovedali vašim servám. Tiež, ak sa pokúsite použiť menšie serva, ako je sg90, môžete zistiť, že nie sú dostatočne silné (toto som netestoval a bude na vás, aby ste experimentovali).

** Na kolesá nepotrebujete používať malé guličkové ložiská, len som toho veľa povaľoval. Alternatívne môžete použiť kolesá LEGO alebo iné kolesá hračiek.

*** Tento drôt ním môže prechádzať až 10 ampérov, je príliš tenký a prúd ho roztaví. Viac informácií nájdete na tejto stránke.

Krok 2: Komponenty 3D tlače

Ak vyrábate 1D hada, vytlačte tieto kúsky.

Ak vyrábate 2D hada, vytlačte tieto kúsky.

Dôležitá poznámka: Váha môže byť nesprávna! Súčiastky navrhujem vo Fusion 360 (v jednotkách mm), dizajn som exportoval ako súbor.stl do softvéru MakerBot a potom vytlačil na tlačiarni Qidi Tech (klonovaná verzia programu MakerBot Replicator 2X). Niekde v tomto pracovnom toku je chyba a všetky moje výtlačky sú príliš malé. V softvéri MakerBot sa mi nepodarilo identifikovať umiestnenie chyby, ale dočasne som opravil zmenu mierky každého výtlačku na 106%, čím sa problém vyriešil.

Vzhľadom na to vás upozorňujeme, že ak vytlačíte súbory vyššie, môžu mať nesprávnu mierku. Pred tlačou všetkých odporúčam vytlačiť iba jeden kus a skontrolovať, či sa hodí k vášmu servu MG996R.

Ak vytlačíte niektorý zo súborov, dajte mi vedieť, aký je výsledok: ak je tlač príliš malá, správna, príliš veľká a o koľko percent. Spoločnou spoluprácou ako komunity dokážeme vyriešiť problém s umiestnením chyby pomocou rôznych 3D tlačiarní a krájačov.stl. Hneď ako bude problém vyriešený, aktualizujem túto časť a vyššie uvedené odkazy.

Krok 3: Zostavenie hadov

Proces montáže je pre obe verzie hada väčšinou rovnaký. Jediným rozdielom je, že v 2D hadi je každý motor otočený o 90 stupňov v porovnaní s predchádzajúcim, zatiaľ čo v 1D hadi sú všetky motory zarovnané v jednej osi.

Začnite odskrutkovaním serva, odskrutkujte skrutky a odstráňte horné a spodné diely čierneho plastového rámu a dávajte pozor, aby ste nestratili žiadne prevody! Posuňte servo do rámu s 3D tlačou, orientovaným ako na obrázkoch vyššie. Vymeňte hornú časť puzdra serva a zaskrutkujte ho na miesto štyrmi skrutkami 6-32 1/2 . Spodnú časť rámu servomotora uložte (v prípade, že ho budete chcieť znova použiť v neskorších projektoch) a nahraďte ho 3D. tlačené puzdro, jediným rozdielom je dodatočný gombík na prevlečenie guľkového ložiska. Poskrutkujte servo späť k sebe, opakujte 10 -krát.

DÔLEŽITÉ: Predtým, ako budete pokračovať, musíte nahrať kód do Arduina a posunúť každé servo o 90 stupňov. Ak tak neurobíte, môže dôjsť k rozbitiu jedného alebo viacerých servopohonov alebo 3D tlačených rámov. Ak si nie ste istí, ako posunúť servo o 90 stupňov, pozrite sa na túto stránku. V zásade pripojte červený vodič serva k 5V na Arduine, hnedý vodič k GND a žltý vodič k digitálnemu kolíku 9, potom nahrajte kód do odkazu.

Teraz, keď má každé servo 90 stupňov, pokračujte:

Pripojte 10 segmentov vložením 3D tlačeného gombíka z jedného puzdra serva do otvoru druhého kusa segmentu a potom malou silou zatlačte os serva do jeho otvoru (kvôli prehľadnosti pozrite obrázky vyššie a video). Ak vyrábate 1D hada, všetky segmenty by mali byť zarovnané, ak robíte 2D hada, každý segment by mal byť otočený o 90 stupňov k predchádzajúcemu segmentu. Všimnite si, že rám chvosta a hlavy je iba polovičný ako dĺžka ostatných segmentov, spojte ich, ale nekomentujte kusy v tvare pyramídy, kým nedokončíme zapojenie.

Pripevnite rameno serva v tvare x a zaskrutkujte ho na svoje miesto. Nasuňte guľkové ložisko na 3D tlačený gombík, bude to vyžadovať jemné stlačenie 2 polkruhových stĺpikov k sebe. V závislosti od toho, akú značku vlákna použijete a hustoty výplne, môžu byť stĺpiky príliš krehké a prichytávacie, nemyslím si, že to tak bude, ale napriek tomu nepoužívajte nadmernú silu. Osobne som použil vlákno PLA s 10% výplňou. Keď je guľkové ložisko zapnuté, malo by zostať zaistené prevismi na gombíku.

Krok 4: Okruh

Okruh je pre oboch robotických hadov rovnaký. Počas procesu zapojovania skontrolujte, či je k dispozícii dostatok miesta na zapojenie, aby sa každý segment mohol úplne otáčať, najmä v prípade 2D hada.

Hore je schéma zapojenia iba s 2 servami. Skúsil som nakresliť obvod s 10 servami, ale bol príliš preplnený. Jediným rozdielom medzi týmto obrázkom a skutočným životom je, že potrebujete paralelne zapojiť ďalších 8 serv a pripojiť signálne vodiče PWM k kolíkom na Arduino Nano.

Pri zapojovaní elektrických vedení som použil jeden kus drôtu s priemerom 18 (dostatočne hrubý, aby vydržal 10 svetelných zdrojov) ako hlavné 5V vedenie vedené po dĺžke hada. Pomocou odizolovača som v 10 pravidelných intervaloch odstránil malú časť izolátora a z každého z týchto intervalov spájkoval krátky kus drôtu skupinu 3 kolíkových kolíkov. Zopakujte to druhýkrát pre čierny vodič GND s rozmermi 18 a druhým kolíkovým konektorom. Nakoniec na 3. kolíkový kolíkový kolík spájkujte dlhší vodič, tento pin bude prenášať signál PWM na servo z Arduino Nano v hlave hada (drôt musí byť dostatočne dlhý na to, aby sa dosiahol, aj keď sa segmenty ohýbajú). Podľa potreby pripevnite zmršťovaciu trubicu. Pripojte 3 zástrčkové kolíky samice k 3 zástrčkovým kolíkom zásuviek servo vodičov. Opakujte 10 -krát pre každé z 10 serv. Nakoniec sa tým dosiahne paralelné zapojenie serva a vedenie signálnych vodičov PWM do Nano. Dôvodom kolíkových konektorov muž/žena bolo to, že môžete ľahko oddeliť segmenty a vymeniť servá, ak sa zlomia, bez toho, aby ste všetko odpájali.

Spájajte vodiče GND a 5V na koncovej doske s 3x7 otvormi v chvoste pomocou kondenzátora a skrutkových svoriek. Účelom kondenzátora je odstrániť všetky špičky odberu prúdu spôsobené pri spustení serv, ktoré môžu resetovať Arduino Nano (ak kondenzátor nemáte, pravdepodobne sa bez neho dostanete, ale je lepšie byť v bezpečí). Pamätajte si, že dlhý hrot elektrolytických kondenzátorov je potrebné pripojiť k 5V vedeniu a kratší hrot k vodiču GND. Spájajte vodič GND na kolík GND na Nano a 5V vodič na 5V pin. Všimnite si toho, ak používate iné napätie (pozri nasledujúcu časť), povedzme batériu Lipo so 7,4 V, potom zapojte červený vodič do kolíka Vin, NIE do kolíka 5 V, v opačnom prípade sa pin zničí.

Spájkujte 10 signálnych vodičov PWM na kolíky na Arduino Nano. Moje som zapojil v nasledujúcom poradí, môžete sa rozhodnúť zapojiť ten svoj inak, ale pamätajte na to, že potom budete musieť zmeniť riadky servo.attach () v kóde. Ak si nie ste istí, o čom hovorím, zapojte ho rovnakým spôsobom ako ja a nebudete mať problémy. V poradí od serva na chvoste hada po hlavu hada som zapojil oboch svojich hadov v nasledujúcom poradí. Pripojenie signálnych kolíkov k: A0, A1, A2, A3, A4, A5, D4, D3, D8, D7.

Na čistenie káblov použite zipsy. Pred pokračovaním skontrolujte, či sa všetky segmenty môžu pohybovať s dostatočným priestorom na pohyb drôtov bez toho, aby boli roztrhané. Teraz, keď je zapojenie hotové, môžeme naskrutkovať viečka v tvare hlavy a chvosta v tvare pyramídy. Všimnite si toho, že na chvoste je otvor, z ktorého môže vyviazať popruh, a na hlave je otvor pre programovací kábel Arduino.

Krok 5: Napájanie hada

Pretože sú serva zapojené paralelne, majú všetky rovnaké napätie, ale prúd je potrebné sčítať. Pri pohľade na technický list servomotorov MG996r môže počas behu čerpať až 900 mA (za predpokladu, že nedochádza k zastaveniu). Celkový odber prúdu, ak sa súčasne pohybuje všetkých 10 serv, je 0,9A*10 = 9A. Ako taký normálny 5V, 2A adaptér do zásuvky nebude fungovať. Rozhodol som sa upraviť napájací zdroj ATX s výkonom 5 V pri 20 A. Nebudem vysvetľovať, ako to urobiť, pretože o tom sa už veľa diskutovalo na stránkach Instructables a YouTube. Rýchle vyhľadávanie online vám ukáže, ako upraviť jeden z týchto zdrojov napájania.

Za predpokladu, že ste upravili napájací zdroj, ide jednoducho o pripojenie dlhého popruhu medzi napájacím zdrojom a skrutkovými svorkami na hadovi.

Ďalšou možnosťou je použiť vstavanú lipo batériu. Neskúšal som to, takže bude na vás, aby ste navrhli držiak pre batérie a zapojili ich. Majte na pamäti prevádzkové napätie, odber serva a Arduina (nepájajte nič iné ako 5 V na 5v pin na Arduine, choďte na pin Vin, ak máte vyššie napätie).

Krok 6: Otestujte, či všetko funguje

Pred pokračovaním vyskúšajte, či všetko funguje. Nahrajte tento kód. Váš had by mal pohybovať každým servom jednotlivo medzi 0-180 a potom skončil položením v priamke. Ak sa tak nestane, niečo je zle, pravdepodobne je nesprávne zapojenie alebo serva neboli pôvodne vycentrované na 90 stupňov, ako je uvedené v časti „Montáž hadov“.

Krok 7: Kód

Momentálne neexistuje žiadny diaľkový ovládač pre hada, všetok pohyb je predprogramovaný a vy si môžete vybrať, čo chcete. Vyviniem diaľkové ovládanie vo verzii 2, ale ak ho chcete ovládať na diaľku, navrhujem pozrieť sa na ďalšie návody na tému Instructables a prispôsobiť hada tak, aby bol kompatibilný s bluetooth.

Ak vyrábate 1D hada, nahrajte tento kód.

Ak vyrábate 2D hada, nahrajte tento kód.

Odporúčame vám pohrať sa s kódom, vykonať vlastné zmeny a vytvoriť nové algoritmy. V niekoľkých ďalších častiach si prečítajte podrobné vysvetlenie každého typu pohybu a toho, ako kód funguje.

Krok 8: Váhy vs kolies

Jeden z hlavných spôsobov, akým sa hady môžu pohybovať vpred, je tvar ich šupín. Váhy umožňujú jednoduchší pohyb vpred. Ďalšie vysvetlenie nájdete v tomto videu od 3:04, aby ste zistili, ako váhy pomáhajú hadovi pohnúť sa vpred. Pohľad na 3:14 v tom istom videu ukazuje efekt, keď sú hady v rukáve, čím sa odstráni trenie vah. Ako ukazuje moje video na YouTube, robotický had 1D sa pokúša kĺzať po tráve bez šupín, nepohybuje sa ani dopredu, ani dozadu, pretože súčet síl dosahuje čistú nulu. Ako také musíme do podbruška robota pridať niekoľko umelých váh.

Výskum v oblasti obnovy pohybu pomocou váh bol vykonaný na Harvardskej univerzite a demonštrovaný v tomto videu. Nedokázal som vymyslieť podobnú metódu, ktorou by som na svojom robote mohol posúvať váhy hore a dole, a namiesto toho som sa uspokojil s pripevnením pasívnych 3D tlačených váh k podbrušku.

Toto sa bohužiaľ ukázalo ako neúčinné (pozri moje video na YouTube v čase 3:38), pretože šupiny stále kĺzali po povrchu koberca, namiesto aby sa zachytávali o vlákna a zvyšovali trenie.

Ak chcete experimentovať s mierkami, ktoré som vyrobil, môžete súbory vytlačiť 3D pomocou môjho GitHubu. Ak si úspešne vytvoríte vlastnú, dajte mi vedieť v nižšie uvedených komentároch!

Iným prístupom som sa pokúsil použiť kolesá vyrobené z guľkových ložísk r188 s tepelne zmršťovacou trubicou zvonku ako „pneumatiky“. Na moje GitHub môžete 3D plastové nápravy kolies vytlačiť zo súborov.stl. Aj keď kolesá nie sú biologicky presné, sú analogické k mierkam v tom, že otáčanie dopredu je ľahké, ale pohyb zo strany na stranu je výrazne ťažší. Úspešný výsledok koliesok si môžete pozrieť v mojom videu na YouTube.

Krok 9: Plíživý pohyb (had s jednou osou)

Prvá cena v súťaži Make it Move