3D vytištěný čtyřnásobný robot Arduino: 13 kroků (s obrázky)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-30 08:18

Projekty Fusion 360 »

Z předchozích Instructables pravděpodobně vidíte, že mám hluboký zájem o robotické projekty. Po předchozím Instructable, kde jsem postavil robotickou dvojnožku, jsem se rozhodl zkusit vyrobit čtyřnásobného robota, který by dokázal napodobit zvířata, jako jsou psi a kočky. V tomto Instructable vám ukážu design a montáž robotického čtyřnožce.

Primárním cílem při stavbě tohoto projektu bylo, aby byl systém co nejrobustnější, takže při experimentování s různými chůzi a běhy se nebudu muset neustále obávat selhání hardwaru. To mi umožnilo posunout hardware na jeho hranici a experimentovat se složitými chody a pohyby. Sekundárním cílem bylo, aby byl čtyřnásobek relativně levný pomocí snadno dostupných hobby dílů a 3D tisku, který umožňoval rychlé prototypování. Tyto dva cíle v kombinaci poskytují robustní základnu pro provádění různých experimentů, díky čemuž lze vyvinout čtyřnožce pro konkrétnější požadavky, jako je navigace, vyhýbání se překážkám a dynamická lokomoce.

Podívejte se na video připojené výše a podívejte se na rychlou ukázku projektu. Pokračujte a vytvořte si svého vlastního čtyřnásobného robota Arduino a pokud se vám projekt líbí, dejte hlas v soutěži „Make it Move Contest“.

Krok 1: Přehled a proces návrhu

Čtyřnásobek byl navržen ve volném použití Autodesk Fusion 360 3D modelovací software. Začal jsem importem servomotorů do konstrukce a postavil kolem nich nohy a tělo. Pro servomotor jsem navrhl držáky, které poskytují druhý otočný bod diametrálně protilehlý k hřídeli servomotoru. Dvojité hřídele na obou koncích motoru poskytují konstrukční stabilitu konstrukce a eliminují jakékoli zkosení, ke kterému může dojít, když jsou nohy vyrobeny tak, aby unesly určité zatížení. Články byly navrženy tak, aby držely ložisko, zatímco konzoly používaly šroub pro hřídel. Jakmile byly články namontovány na hřídele pomocí matice, ložisko by poskytlo hladký a robustní bod otáčení na opačné straně hřídele servomotoru.

Dalším cílem při navrhování čtyřnožce bylo udržet model co nejkompaktnější, aby se maximálně využil točivý moment poskytovaný servomotory. Rozměry spojů byly provedeny tak, aby bylo dosaženo velkého rozsahu pohybu při minimalizaci celkové délky. Pokud by byly příliš krátké, došlo by ke kolizi držáků, snížení rozsahu pohybu a příliš dlouhé by na akční členy vyvíjelo zbytečný točivý moment. Nakonec jsem navrhl tělo robota, na které by se připevnilo Arduino a další elektronické součástky. Také jsem nechal na horním panelu další montážní body, aby byl projekt škálovatelný pro další vylepšení. Jednou bylo možné přidat senzory, jako jsou senzory vzdálenosti, kamery nebo jiné ovládané mechanismy, jako jsou robotické chapadla.

Poznámka: Díly jsou zahrnuty v jednom z následujících kroků.

Krok 2: Potřebné materiály

Zde je seznam všech komponent a dílů potřebných k vytvoření vlastního čtyřnásobného robota poháněného Arduino. Všechny díly by měly být běžně dostupné a snadno dostupné v místních obchodech s hardwarem nebo online.

ELEKTRONIKA:

Arduino Uno x 1

Servopohon Towerpro MG995 x 12

Arduino Sensor Shield (doporučuji verzi V5, ale měl jsem verzi V4)

Propojovací vodiče (10 kusů)

MPU6050 IMU (volitelně)

Ultrazvukový senzor (volitelně)

HARDWARE:

Kuličková ložiska (8x19x7mm, 12 kusů)

Matice a šrouby M4

Filament 3D tiskárny (v případě, že nevlastníte 3D tiskárnu, měla by být v místním pracovním prostoru 3D tiskárna nebo lze tisknout online za poměrně levnou cenu)

Akrylové desky (4 mm)

NÁSTROJE

3D tiskárna

Laserová řezačka

Nejvýznamnější cenou tohoto projektu je 12 servomotorů. Doporučuji jít na verzi pro střední a vyšší rozsah místo použití levných plastových, protože mají tendenci se snadno lámat. Bez nástrojů jsou celkové náklady na tento projekt přibližně 60 $.

Krok 3: Digitálně vyrobené díly

Díly požadované pro tento projekt musely být navrženy na míru, proto jsme k jejich výrobě použili sílu digitálně vyrobených dílů a CAD. Většina dílů je vytištěna 3D, kromě několika, které jsou laserem vyřezány ze 4 mm akrylu. Výtisky byly provedeny se 40% výplní, 2 obvody, tryskou 0,4 mm a výškou vrstvy 0,1 mm s PLA. Některé části vyžadují podpěry, protože mají složitý tvar s přesahy, ale podpěry jsou snadno přístupné a lze je odstranit pomocí některých fréz. Můžete si vybrat barvu vlákna podle svého výběru. Níže naleznete kompletní seznam dílů a STL pro tisk vlastní verze a 2D návrhů pro laserem řezané díly.

Poznámka: Odtud budou na díly odkazovány názvy v následujícím seznamu.

3D tištěné díly:

• kyčelní servo držák x 2
• zrcadlo držáku kyčelního servopohonu x 2
• servo držák kolena x 2
• zrcadlo servo držáku kolena x 2
• držák ložiska x 2
• zrcadlo držáku ložiska x 2
• noha x 4
• odkaz na servo houkačku x 4
• ložiskový článek x 4
• držák arduina x 1
• držák snímače vzdálenosti x 1
• L-podpora x 4
• ložiskové pouzdro x 4
• mezerník servopohonu x 24

Laserem řezané díly:

• panel držáku serva x 2
• horní panel x 1

Celkem existuje 30 dílů, které je třeba vytisknout 3D bez různých podložek, a 33 digitálně vyrobených dílů. Celková doba tisku je přibližně 30 hodin.

Krok 4: Příprava odkazů

Montáž můžete zahájit nastavením některých dílů na začátku, díky čemuž bude konečný proces montáže lépe ovladatelný. Můžete začít odkazem. Chcete -li vytvořit ložiskový článek, lehce obrouste vnitřní povrch otvorů pro ložisko a poté zatlačte ložisko do otvoru na obou koncích. Ložisko zatlačte dovnitř, dokud nebude jedna strana v jedné rovině. Chcete -li vytvořit článek servo rohu, uchopte dva kruhové servo rohy a šrouby, které byly dodány spolu s nimi. Umístěte rohy na 3D tisk a zarovnejte dva otvory, poté přišroubujte roh na 3D tisk připevněním šroubu ze strany 3D tisku. Musel jsem použít nějaké 3D tištěné distanční podložky servo houkačky, protože dodané šrouby byly trochu dlouhé a při otáčení by se protínaly s tělem servomotoru. Jakmile jsou odkazy vytvořeny, můžete začít nastavovat různé držáky a závorky.

Opakujte to pro všechny 4 odkazy obou typů.

Krok 5: Příprava servo držáků

Chcete -li nastavit kolenový servopohon, jednoduše protáhněte 4mm šroub otvorem a upevněte jej maticí. Toto bude fungovat jako sekundární náprava pro motor. Z držáku kyčelního serva protáhněte dva šrouby dvěma otvory a upevněte je dvěma dalšími maticemi. Dále uchopte další kruhový servo roh a připevněte jej k mírně vyvýšené části držáku pomocí dvou šroubů, které byly dodány s rohy. Ještě jednou bych doporučil použít distanční vložku servo houkačky, aby šrouby nevyčnívaly do mezery pro servo. Nakonec uchopte část držáku ložiska a zatlačte ložisko do otvoru. Možná budete muset vnitřní povrch lehce obrousit, aby dobře seděl. Dále zatlačte zatlačení ložiska do ložiska směrem k ohnutí dílu držáku ložiska.

Při stavbě závorek se podívejte na obrázky připojené výše. Tento postup opakujte pro zbývající závorky. Zrcadlené jsou podobné, pouze vše je zrcadleno.

Krok 6: Sestavení nohou

Jakmile jsou všechny články a držáky sestaveny, můžete začít stavět čtyři nohy robota. Začněte připevněním serva k držákům pomocí 4 šroubů a matic M4. Ujistěte se, že je osa serva zarovnána s vyčnívajícím šroubem na druhé straně.

Dále propojte kyčelní servo s kolenovým servem pomocí spojovacího kusu klaksonu. K upevnění klaksonu na osu servomotoru zatím nepoužívejte šroub, protože možná budeme muset později upravit polohu. Na opačné straně namontujte ložiskový článek obsahující dvě ložiska na vyčnívající šrouby pomocí matic.

Tento postup opakujte pro zbytek tří nohou a 4 nohy pro čtyřnožce jsou připraveny!

Krok 7: Sestavení těla

Dále se můžeme soustředit na stavbu těla robota. Tělo obsahuje čtyři servomotory, které dávají nohám 3. stupeň volnosti. Začněte tím, že použijete 4 šrouby M4 a buts k připevnění serva k panelu držáku serva laserem řezaného.

Poznámka: Ujistěte se, že je servo připevněno tak, aby osa byla na vnější straně dílu, jak je vidět na obrázcích připojených výše. Tento postup opakujte pro zbývající tři servomotory, přičemž pamatujte na orientaci.

Dále připevněte podpěry L na obou stranách panelu pomocí dvou matic a šroubů M4. Tento kus nám umožňuje pevně připevnit panel držáku serva k hornímu panelu. Tento postup opakujte s dalšími dvěma podpěrami L a druhým panelem držáku servo, který drží druhou sadu servomotorů.

Jakmile jsou podpěry L na svém místě, pomocí více matic a šroubů M4 připevněte panel držáku serva k hornímu panelu. Začněte vnější sadou matic a šroubů (směrem dopředu a dozadu). Centrální matice a šrouby také drží kus držáku arduina. Pomocí čtyř matic a šroubů připevněte držák arduina shora na horní panel a zarovnejte šrouby tak, aby procházely také otvory pro podpěru L. Vysvětlení viz obrázky připojené výše. Nakonec zasuňte čtyři matice do otvorů na panelech držáků serva a pomocí šroubů připevněte panely držáku serva k hornímu panelu.

Krok 8: Dát to všechno dohromady

Jakmile jsou nohy a tělo sestaveny, můžete začít dokončovat proces montáže. Namontujte čtyři nohy na čtyři serva pomocí rohů serv, které byly připevněny k držáku kyčelního serva. Nakonec pomocí kusů držáku ložiska podepřete opačnou osu kyčelního držáku. Protáhněte nápravu ložiskem a pomocí šroubu ji zajistěte na místě. Pomocí dvou matic a šroubů M4 připevněte držáky ložisek k hornímu panelu.

Díky tomu je hardwarová sestava quaduped připravena.

Krok 9: Zapojení a obvod

Rozhodl jsem se použít stínění senzoru, které zajišťovalo připojení pro servomotory. Doporučil bych použít senzorový štít v5, protože je vybaven integrovaným portem pro externí napájení. Ten, který jsem použil, však tuto možnost neměl. Při bližším pohledu na senzorový štít jsem si všiml, že senzorový štít odebírá energii z palubního 5v pinu Arduina (což je hrozný nápad, pokud jde o vysoce výkonné servomotory, protože riskujete poškození Arduina). Řešením tohoto problému bylo ohnout 5v pin na štítu senzoru tak, aby se nepřipojil k 5v pinu Arduina. Tímto způsobem můžeme nyní poskytovat externí napájení přes 5v pin, aniž bychom poškodili Arduino.

Připojení signálních kolíků 12 servomotorů je uvedeno v tabulce níže.

Poznámka: Hip1Servo označuje servo připevněné k tělu. Hip2Servo označuje servo připevněné k noze.

Noha 1 (vpřed vlevo):

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

Noha 2 (vpřed vpravo):

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

Noha 3 (vzadu vlevo):

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

Noha 4 (vzadu vpravo):

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

Krok 10: Počáteční nastavení

Než začneme programovat složité chody a další pohyby, musíme nastavit nulové body každého serva. To dává robotu referenční bod, který používá k provádění různých pohybů.

Abyste zabránili poškození robota, můžete odstranit odkazy servo houkačky. Dále nahrajte kód, který je připojen níže. Tento kód umístí každé ze serva na 90 stupňů. Jakmile serva dosáhnou polohy 90 stupňů, můžete znovu připojit články tak, aby byly nohy dokonale rovné a servo připojené k tělu bylo kolmé na horní panel čtyřnožce.

V tomto okamžiku kvůli konstrukci servorohů nemusí být některé spoje stále dokonale rovné. Řešením je upravit pole zeroPositions, které se nachází na 4. řádku kódu. Každé číslo představuje nulovou polohu odpovídajícího serva (pořadí je stejné jako pořadí, ve kterém jste servo připojili k Arduinu). Tyto hodnoty trochu upravte, dokud nebudou nohy dokonale rovné.

Poznámka: Zde jsou hodnoty, které používám, i když tyto hodnoty pro vás nemusí fungovat:

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

Krok 11: Trochu o kinematice

Aby mohli čtyřnožci provádět užitečné činnosti, jako je běh, chůze a další pohyby, je třeba serva naprogramovat ve formě pohybových drah. Cesty pohybu jsou cesty, po kterých se pohybuje koncový efektor (v tomto případě nohy). Existují dva způsoby, jak toho dosáhnout:

1. Jedním z přístupů by bylo krmit spojovací úhly různých motorů způsobem hrubé síly. Tento přístup může být časově náročný, únavný a také plný chyb, protože úsudek je čistě vizuální. Místo toho existuje chytřejší způsob, jak dosáhnout požadovaných výsledků.
2. Druhý přístup se točí kolem podávání souřadnic koncového efektoru místo všech kloubových úhlů. Tomu se říká inverzní kinematika. Uživatel zadá souřadnice a úhly spojů se přizpůsobí poloze koncového efektoru na zadaných souřadnicích. Tuto metodu lze považovat za černou skříňku, která bere jako vstupy souřadnice a výstupy kloubových úhlů. Kdo se zajímá o to, jak byly vyvinuty trigonometrické rovnice této černé skříňky, může se podívat na výše uvedený diagram. Pro ty, které to nezajímá, jsou rovnice již naprogramovány a lze je použít pomocí funkce pos, která bere jako vstup x, y, z, což je karteziánské umístění koncového efektoru a výstupy tří úhlů odpovídajících motorům.

Program obsahující tyto funkce najdete v dalším kroku.

Krok 12: Programování čtyřnožců

Jakmile je zapojení a inicializace dokončena, můžete robota naprogramovat a generovat chladné pohybové cesty, aby robot vykonával zajímavé úkoly. Než budete pokračovat, změňte 4. řádek v připojeném kódu na hodnoty, které jste nastavili v kroku inicializace. Po nahrání programu by měl robot začít chodit. Pokud si všimnete, že některé spoje jsou obrácené, můžete jednoduše změnit odpovídající hodnotu směru ve směrovém poli v řádku 5 (pokud je 1, udělejte jej -1 a pokud je -1, udělejte jej 1).

Krok 13: Konečné výsledky: Čas na experiment

Čtyřnásobný robot může provádět kroky, které se liší od 5 do 2 cm. Rychlost lze také měnit při zachování vyvážené chůze. Tento čtyřnásobek poskytuje robustní platformu pro experimentování s různými dalšími chody a dalšími cíli, jako je skákání nebo plnění úkolů. Doporučil bych vám, abyste zkusili změnit dráhy pohybu nohou, abyste si vytvořili vlastní chody a zjistili, jak různé chody ovlivňují výkon robota. V horní části robota jsem také nechal několik montážních bodů pro další senzory, jako jsou senzory pro měření vzdálenosti pro úkoly vyhýbání se překážkám nebo IMU pro dynamické chody na nerovném terénu. Dalo by se také experimentovat s přídavným ramenem chapadla namontovaným na horní části robota, protože robot je extrémně stabilní a robustní a snadno se nepřevrhne.

Doufáme, že se vám tento Instructable líbil a inspiroval vás k vytvoření vlastního.

Pokud se vám projekt líbil, podpořte ho hlasováním v soutěži „Make it Move Contest“.

Šťastné tvoření!

Druhá cena v soutěži Make it Move 2020