3D -tiskan Arduino štirikotni robot: 13 korakov (s slikami)

2024 Avtor: John Day | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2024-01-30 12:02

Projekti Fusion 360 »

Iz prejšnjih Instructables verjetno vidite, da me močno zanimajo robotski projekti. Po prejšnjem Instructable, kjer sem zgradil robotskega dvonožca, sem se odločil, da bom poskusil izdelati štirinožnega robota, ki bi lahko posnemal živali, kot so psi in mačke. V tem navodilu vam bom pokazal zasnovo in montažo robotske štirionoge.

Primarni cilj pri izgradnji tega projekta je bil narediti sistem čim bolj robusten, tako da mi pri eksperimentiranju z različnimi hojami in tekaškimi hojami ne bi bilo treba nenehno skrbeti za okvaro strojne opreme. To mi je omogočilo, da sem strojno opremo potisnil do meje in eksperimentiral s kompleksnimi hojami in gibi. Sekundarni cilj je bil, da bi bili štirinožci relativno poceni z uporabo razpoložljivih delov za hobi in 3D tiskanjem, kar je omogočilo hitro izdelavo prototipov. Ta dva cilja skupaj zagotavljata trdno podlago za izvajanje različnih poskusov, kar omogoča, da se štirikotnik razvije za bolj specifične zahteve, kot so navigacija, izogibanje oviram in dinamično gibanje.

Oglejte si zgornji videoposnetek, če si želite ogledati hiter predstavitev projekta. Nadaljujte z ustvarjanjem lastnega štirikolesnega robota Arduino z močjo in oddajte glas v natečaju »Naj bo premik«, če vam je bil projekt všeč.

1. korak: Pregled in postopek oblikovanja

Štirikotnik je bil zasnovan v Autodeskovi brezplačni programski opremi za modeliranje Fusion 360 3d. Začel sem z uvozom servo motorjev v zasnovo in okoli njih zgradil noge in telo. Zasnoval sem nosilce za servo motor, ki zagotavlja drugo vrtilno točko, diametralno nasprotno od gredi servo motorja. Dvojne gredi na obeh koncih motorja dajejo konstrukcijsko stabilnost konstrukciji in odpravljajo vsa nagibanja, ki bi se lahko pojavila, ko bi noge prenesle določeno obremenitev. Povezave so bile zasnovane tako, da držijo ležaj, medtem ko so nosilci za gred uporabljali vijak. Ko so bile povezave pritrjene na gredi z matico, bi ležaj zagotovil gladko in robustno vrtilno točko na nasprotni strani gredi servo motorja.

Drugi cilj pri oblikovanju štirikolesnika je bil ohraniti model čim bolj kompakten, da bi kar najbolje izkoristili navor, ki ga zagotavljajo servo motorji. Mere povezav so bile narejene tako, da so dosegle velik obseg gibanja in hkrati zmanjšale celotno dolžino. Če bi bili skrajšani, bi se nosilci trčili, zmanjšal bi se obseg gibanja in bi bilo predolgo, kar bi povzročilo nepotreben navor na aktuatorjih. Nazadnje sem zasnoval telo robota, na katerega bi lahko namestili Arduino in druge elektronske komponente. Na zgornji plošči sem pustil tudi dodatne pritrdilne točke, da je projekt prilagodljiv za nadaljnje izboljšave. Nekoč bi lahko dodali senzorje, kot so senzorji razdalje, kamere ali drugi aktivirani mehanizmi, kot so robotski prijemali.

Opomba: Deli so vključeni v enega od naslednjih korakov.

2. korak: Potrebni materiali

Tu je seznam vseh komponent in delov, ki so potrebni za izdelavo vašega lastnega štirikolesnega robota Arduino. Vsi deli morajo biti splošno dostopni in jih je enostavno najti v lokalnih trgovinah s strojno opremo ali na spletu.

ELEKTRONIKA:

Arduino Uno x 1

Servo motor Towerpro MG995 x 12

Arduino senzorski ščit (priporočam različico V5, vendar sem imel različico V4)

Mostične žice (10 kosov)

MPU6050 IMU (neobvezno)

Ultrazvočni senzor (neobvezno)

STROJNA OPREMA:

Kroglični ležaji (8x19x7mm, 12 kosov)

Matice in vijaki M4

Žica iz 3D tiskalnika (v primeru, da nimate 3D tiskalnika, mora biti v lokalnem delovnem prostoru 3D tiskalnik ali pa je natis na spletu za precej poceni)

Akrilne plošče (4 mm)

ORODJA

3D tiskalnik

Laserski rezalnik

Največji strošek tega projekta je 12 servo motorjev. Priporočam, da namesto poceni uporabite plastiko, ki se zlahka zlomi. Brez orodij so skupni stroški tega projekta približno 60 USD.

Korak: Digitalno izdelani deli

Deli, ki so bili potrebni za ta projekt, so morali biti zasnovani po meri, zato smo za njihovo izdelavo uporabili moč digitalno izdelanih delov in CAD. Večina delov je natisnjenih 3D, razen nekaj, ki so lasersko izrezani iz 4 mm akrila. Odtisi so bili narejeni pri 40% polnitvi, 2 obodih, 0,4 mm šobi in višini sloja 0,1 mm s PLA. Nekateri deli res potrebujejo opore, saj imajo zapleteno obliko s previsi, vendar so nosilci lahko dostopni in jih je mogoče odstraniti z nekaterimi rezalniki. Barvo filamenta lahko izberete po lastni izbiri. Spodaj najdete celoten seznam delov in STL -jev za tiskanje lastne različice in 2D modelov za lasersko rezane dele.

Opomba: Od tu naprej se bodo deli nanašali na imena na naslednjem seznamu.

3D natisnjeni deli:

• servo nosilec kolka x 2
• servo nosilec ogledala x 2
• servo nosilec za koleno x 2
• ogledalo za servo nosilec za kolena x 2
• nosilec ležaja x 2
• ogledalo nosilca ležaja x 2
• noga x 4
• servo povezava x 4
• ležajni člen x 4
• držalo arduino x 1
• držalo senzorja razdalje x 1
• L-nosilec x 4
• ležajna puša x 4
• distančnik za servo rog x 24

Laserski rezani deli:

• servo držalo x 2
• zgornja plošča x 1

Skupaj je 30 delov, ki jih je treba 3D natisniti, razen različnih distančnikov, skupaj pa 33 digitalno izdelanih delov. Skupni čas tiskanja je približno 30 ur.

4. korak: Priprava povezav

Sestavljanje lahko začnete tako, da na začetku nastavite nekatere dele, s katerimi bo postopek končne montaže bolj obvladljiv. Začnete lahko s povezavo. Za izdelavo ležajne povezave rahlo obrusite notranjo površino lukenj za ležaj, nato pa ležaj potisnite v luknjo na obeh koncih. Ležaj potiskajte, dokler se ena stran ne poravna. Za izdelavo povezave servorogov primite dva okrogla servo roga in vijake, ki sta priložena. Rogove položite na 3D tisk in poravnajte dve luknji, nato pa rog privijte na 3D tisk tako, da vijak pritrdite s strani 3D tiskanja. Moral sem uporabiti nekaj 3D natisnjenih distančnikov za servo rogove, saj so bili priloženi vijaki nekoliko dolgi in bi se med vrtenjem sekali s telesom servo motorja. Ko so povezave zgrajene, lahko začnete nastavljati različna držala in oklepaje.

To ponovite za vse 4 povezave obeh vrst.

5. korak: Priprava servo nosilcev

Če želite namestiti servo nosilec za koleno, preprosto skozi luknjo potisnite 4 mm vijak in ga pritrdite z matico. Ta bo deloval kot sekundarna os motorja. S servo nosilca kolka skozi dve luknji potisnite dva vijaka in ju pritrdite s še dvema maticama. Nato primite še en krožni servo rog in ga z dvema vijakoma, ki sta priložena rogovom, pritrdite na nekoliko dvignjen del nosilca. Še enkrat vam priporočam, da uporabite distančnik za servo rog, da vijaki ne štrlijo v režo za servo. Na koncu primite del nosilca ležaja in potisnite ležaj v luknjo. Za dobro prileganje boste morda morali rahlo obrusiti notranjo površino. Nato potisnite ležaj v ležaj, da se kos nosilca ležaja upogne.

Med sestavljanjem nosilcev si oglejte zgornje slike. Ta postopek ponovite za preostale oklepaje. Zrcaljeni so si podobni, le vse je zrcaljeno.

6. korak: Sestavljanje nog

Ko so vse povezave in nosilci sestavljeni, lahko začnete graditi štiri noge robota. Začnite s pritrditvijo servomotorjev na nosilce s 4 x vijaki in maticami M4. Os servomotorja poravnajte s štrlečim vijakom na drugi strani.

Nato povežite servo za kolk s kolenom s pomočjo servo roga. Za pritrditev hupe na os servo motorja še ne uporabljajte vijaka, saj bomo pozneje morda morali prilagoditi položaj. Na nasprotni strani pritrdite ležajno povezavo, ki vsebuje dva ležaja, na matice s pomočjo matic.

Ta postopek ponovite za preostale tri noge in 4 noge za štirinožca so pripravljene!

7. korak: Sestavljanje telesa

Nato se lahko osredotočimo na izgradnjo telesa robota. V telesu so štirje servo motorji, ki nogam dajo tretjo stopnjo svobode. Začnite z uporabo 4 x vijakov M4 in pritrdilnih elementov za pritrditev servomotorja na lasersko izrezano servo držalo.

Opomba: Poskrbite, da je servo motor pritrjen tako, da je os na zunanji strani kosa, kot je prikazano na zgornjih slikah. Ta postopek ponovite za ostale tri servo motorje, pri tem pa upoštevajte orientacijo.

Nato pritrdite L-nosilce na obeh straneh plošče z dvema maticama in vijakoma M4. Ta kos nam omogoča, da trdno pritrdimo servo držalo na zgornjo ploščo. Ta postopek ponovite še z dvema L-nosilcema in drugo ploščo držala servomotorja, ki drži drugi niz servo motorjev.

Ko so nosilci L nameščeni, z več maticami in vijaki M4 pritrdite servo držalo na zgornjo ploščo. Začnite z zunanjim naborom matic in vijakov (spredaj in zadaj). Osrednje matice in vijaki držijo tudi kos nosilca arduina. S štirimi maticami in vijaki pritrdite držalo arduino od zgoraj na zgornjo ploščo in vijake poravnajte tako, da gredo tudi skozi L podporne luknje. Za pojasnila si oglejte zgornje slike. Končno potisnite štiri matice v reže na ploščah nosilca servomotorja in z vijaki pritrdite plošče nosilcev servo na zgornjo ploščo.

8. korak: Vse skupaj

Ko sta nogi in telo sestavljena, lahko začnete dokončati postopek montaže. Štiri noge pritrdite na štiri servomotorje s pomočjo servorogov, ki so bili pritrjeni na servo nosilec kolka. Na koncu z nosilci ležaja podprite nasprotno os kolčnega nosilca. Prenesite os skozi ležaj in jo pritrdite z vijakom. Nosilce ležajev pritrdite na zgornjo ploščo z dvema maticama in vijakoma M4.

S tem je sklop strojne opreme štirikolesnika pripravljen.

9. korak: Ožičenje in vezje

Odločil sem se, da bom uporabil senzorski ščit, ki je zagotavljal povezave za servo motorje. Priporočam, da uporabite ščit senzorja v5, saj ima vgrajena vrata za zunanje napajanje. Vendar pa tisti, ki sem ga uporabil, ni imel te možnosti. Če natančneje pogledam ščit senzorja, sem opazil, da ščit senzorja črpa moč iz vgrajenega 5V vtiča Arduina (kar je grozna ideja, ko gre za servo motorje velike moči, saj tvegate, da bi poškodovali Arduino). Rešitev te težave je bila, da 5v zatič na senzorju upognete, da se ne bi povezal s 5v zatičem Arduina. Na ta način lahko zdaj zagotovimo zunanje napajanje prek 5 -polnega zatiča, ne da bi pri tem poškodovali Arduino.

Priključki signalnih zatičev 12 servo motorjev so prikazani v spodnji tabeli.

Opomba: Hip1Servo se nanaša na servo, pritrjen na telo. Hip2Servo se nanaša na servo, pritrjen na nogo.

Noga 1 (naprej levo):

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

Noga 2 (naprej desno):

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

Noga 3 (zadaj levo):

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

Noga 4 (zadaj desno):

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

10. korak: Začetna nastavitev

Preden začnemo programirati zapletene hoje in druga gibanja, moramo nastaviti ničelne točke vsakega servomotorja. To daje robotu referenčno točko, ki jo uporablja za izvajanje različnih gibov.

Da bi se izognili poškodbam robota, lahko odstranite povezave servorogov. Nato naložite kodo, ki je priložena spodaj. Ta koda postavi vsak servomotor na 90 stopinj. Ko servomotorji dosežejo položaj 90 stopinj, jih lahko znova pritrdite tako, da so noge popolnoma ravne in da je servo, pritrjen na telo, pravokoten na zgornjo ploščo štirikotnika.

Na tej točki zaradi oblikovanja servorogov nekateri sklepi morda še vedno niso popolnoma ravni. Rešitev tega je prilagoditi matriko zeroPositions, ki jo najdemo v 4. vrstici kode. Vsaka številka predstavlja ničelni položaj ustreznega servomotorja (vrstni red je enak vrstnemu redu, v katerem ste servo priklopili na Arduino). Te vrednosti nekoliko spremenite, dokler noge niso popolnoma ravne.

Opomba: Tu so vrednosti, ki jih uporabljam, čeprav vam te vrednosti morda ne bodo delovale:

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

11. korak: Nekaj o kinematiki

Če želite, da štirikolesnik izvede uporabna dejanja, kot so tek, hoja in drugi gibi, je treba servomotorje programirati v obliki poti gibanja. Poti gibanja so poti, po katerih potuje končni efektor (v tem primeru stopala). To lahko dosežete na dva načina:

1. Eden od pristopov bi bil napajanje skupnih kotov različnih motorjev na surovo silo. Ta pristop je lahko dolgotrajen, dolgočasen in napolnjen z napakami, saj je sodba zgolj vizualna. Namesto tega obstaja pametnejši način za dosego želenih rezultatov.
2. Drugi pristop se vrti okoli hranjenja koordinat končnega efektorja namesto vseh spojnih kotov. To je tisto, kar je znano kot obratna kinematika. Uporabnik vnese koordinate in koti spojev se prilagodijo, da se končni efektor postavi na določene koordinate. Ta metoda se lahko obravnava kot črna škatla, ki za vhodne podatke vzame koordinato in oddaja skupne kote. Za tiste, ki jih zanima, kako so bile razvite trigonometrične enačbe te črne škatle, si oglejte zgornji diagram. Za tiste, ki jih ne zanimajo, so enačbe že programirane in jih je mogoče uporabiti s funkcijo pos, ki vzame kot vhodne podatke x, y, z, kar je kartezično mesto končnega efektorja in odda tri kote, ki ustrezajo motorjem.

Program, ki vsebuje te funkcije, najdete v naslednjem koraku.

12. korak: Programiranje četverice

Ko je ožičenje in inicializacija končana, lahko robota programirate in ustvarite hladne poti gibanja, tako da robot opravlja zanimive naloge. Preden nadaljujete, spremenite 4. vrstico v priloženi kodi na vrednosti, ki ste jih nastavili v koraku inicializacije. Po nalaganju programa naj bi robot začel hoditi. Če opazite, da so nekateri sklepi obrnjeni, lahko preprosto spremenite ustrezno vrednost smeri v nizu smeri v vrstici 5 (če je 1, naj bo -1 in če je -1, naj bo 1).

13. korak: Končni rezultati: čas za eksperimentiranje

Štirinožni robot lahko naredi korake, dolge od 5 do 2 cm. Hitrost je mogoče spreminjati, hkrati pa je hoja uravnotežena. Ta štirikolesnik ponuja robustno platformo za eksperimentiranje z različnimi drugimi hojami in drugimi cilji, kot so skakanje ali dokončanje nalog. Priporočam vam, da poskusite spremeniti poti gibanja nog, da ustvarite lastne hoje in odkrijete, kako različne hoje vplivajo na zmogljivost robota. Prav tako sem pustil več pritrdilnih mest na vrhu robota za dodaten senzor, na primer senzorje za merjenje razdalje za naloge izogibanja oviram ali IMU za dinamične hoje na neravnem terenu. Lahko bi poskusili tudi z dodatno ročico prijemala, nameščeno na vrhu robota, saj je robot izredno stabilen in robusten ter se ne bo zlahka prevrnil.

Upam, da ste uživali v tem navodilu in vas je navdihnilo, da si ga ustvarite sami.

Če vam je bil projekt všeč, ga podprite tako, da oddate glasovanje na natečaju »Naj se premakne«.

Srečno ustvarjanje!

Druga nagrada na tekmovanju Make it Move 2020