Robot Quadruped Bertenaga Arduino 3D Bercetak 3D: 13 Langkah (dengan Gambar)

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Diubah suai terakhir: 2024-01-30 11:07

Projek Fusion 360 »

Dari Instructables sebelumnya, anda mungkin dapat melihat bahawa saya mempunyai minat yang mendalam untuk projek robotik. Setelah Instructable sebelumnya di mana saya membina robot biped, saya memutuskan untuk mencuba dan membuat robot berkaki empat yang dapat meniru haiwan seperti anjing dan kucing. Dalam Instructable ini, saya akan menunjukkan kepada anda reka bentuk dan pemasangan robot berkaki empat.

Matlamat utama semasa membina projek ini adalah untuk menjadikan sistem sekuat mungkin sehingga ketika bereksperimen dengan pelbagai jalan berjalan dan berjalan, saya tidak perlu bimbang akan kerosakan perkakasan. Ini membolehkan saya mendorong perkakasan ke hadnya dan bereksperimen dengan gerakan dan gerakan yang kompleks. Tujuan kedua adalah untuk membuat empat kali ganda kos rendah menggunakan bahagian hobi yang tersedia dan percetakan 3D yang memungkinkan untuk membuat prototaip cepat. Kedua-dua tujuan ini digabungkan memberikan asas yang kuat untuk melakukan pelbagai eksperimen, membiarkan satu mengembangkan empat kali ganda untuk keperluan yang lebih spesifik seperti navigasi, penghalang halangan dan pergerakan yang dinamik.

Lihat video yang dilampirkan di atas untuk melihat demo ringkas projek. Ikutilah untuk membuat Robot Kuadruped Bertenaga Arduino anda sendiri dan jatuhkan undi dalam "Make It Move Contest" sekiranya anda menyukai projek ini.

Langkah 1: Gambaran Keseluruhan dan Proses Reka Bentuk

Quadruped ini dirancang di Autodesk secara percuma untuk menggunakan perisian pemodelan 3d Fusion 360. Saya bermula dengan mengimport motor servo ke dalam reka bentuk dan membina kaki dan badan di sekelilingnya. Saya merancang pendakap untuk motor servo yang memberikan titik pangsi kedua yang bertentangan dengan batang servo motor. Memiliki dwi poros di kedua hujung motor memberikan kestabilan struktur pada reka bentuk dan menghilangkan kemiringan yang mungkin berlaku ketika kaki dibuat untuk mengambil sedikit beban. Pautan dirancang untuk menahan bantalan sementara pendakap menggunakan bolt untuk poros. Setelah pautan dipasang ke poros menggunakan mur, galas akan memberikan titik pangsi yang halus dan kuat di sisi bertentangan poros motor servo.

Tujuan lain semasa merancang segiempat adalah untuk memastikan modelnya sekerap mungkin untuk menggunakan tork maksimum yang disediakan oleh motor servo. Dimensi pautan dibuat untuk mencapai jarak gerakan yang besar sambil meminimumkan panjang keseluruhan. Membuatnya terlalu pendek akan membuat kurungan bertabrakan, mengurangi jarak gerakan, dan membuatnya terlalu lama akan memberikan tork yang tidak perlu pada penggerak. Akhirnya, saya merancang badan robot di mana Arduino dan komponen elektronik lain akan dipasang. Saya juga meninggalkan titik pemasangan tambahan di panel atas untuk menjadikan projek itu dapat ditingkatkan untuk penambahbaikan selanjutnya. Sekali boleh menambah sensor seperti sensor jarak, kamera atau mekanisme penggerak lain seperti pencengkam robot.

Catatan: Bahagian-bahagian tersebut disertakan dalam salah satu langkah berikut.

Langkah 2: Bahan Yang Diperlukan

Berikut adalah senarai semua komponen dan bahagian yang diperlukan untuk membuat Robot Aradino Powered Quadruped anda sendiri. Semua bahagian mestilah tersedia dan senang didapati di kedai perkakasan tempatan atau dalam talian.

ELEKTRONIK:

Arduino Uno x 1

Motor servo Towerpro MG995 x 12

Arduino Sensor Shield (Saya mengesyorkan versi V5 tetapi saya mempunyai versi V4)

Kawat Jumper (10 keping)

MPU6050 IMU (pilihan)

Sensor Ultrasonik (pilihan)

PERKAKASAN:

Galas Bola (8x19x7mm, 12 keping)

Mur dan selak M4

Filamen pencetak 3D (sekiranya anda tidak memiliki pencetak 3D, harus ada pencetak 3D di ruang kerja tempatan atau cetakan dapat dilakukan secara dalam talian dengan harga yang cukup murah)

Lembaran Akrilik (4mm)

ALAT

Pencetak 3D

Pemotong laser

Kos yang paling ketara untuk projek ini ialah 12 motor servo. Saya cadangkan untuk menggunakan versi jarak pertengahan hingga jarak tinggi dan bukannya menggunakan plastik murah kerana mudah pecah. Tidak termasuk alat, jumlah kos projek ini adalah sekitar $ 60.

Langkah 3: Bahagian Fabrikasi Digit

Bahagian yang diperlukan untuk projek ini harus dirancang khas oleh itu kami menggunakan kekuatan bahagian yang dibuat secara digital dan CAD untuk membinanya. Sebilangan besar bahagiannya dicetak 3D selain beberapa yang dipotong laser dari akrilik 4mm. Cetakan dibuat pada pengisian 40%, 2 perimeter, muncung 0,4 mm, dan ketinggian lapisan 0,1 mm dengan PLA. Beberapa bahagian memerlukan penyokong kerana mereka memiliki bentuk yang kompleks dengan penutup, namun, penyokong mudah diakses dan dapat dikeluarkan menggunakan beberapa pemotong. Anda boleh memilih warna filamen pilihan anda. Di bawah ini anda boleh mendapatkan senarai bahagian dan STL lengkap untuk mencetak versi anda sendiri dan reka bentuk 2D untuk bahagian potong laser.

Catatan: Dari sini bahagian akan disebut menggunakan nama dalam senarai berikut.

Bahagian bercetak 3D:

• pendakap servo pinggul x 2
• cermin pendakap pinggul servo x 2
• pendakap servo lutut x 2
• cermin pendakap servo lutut x 2
• pemegang galas x 2
• cermin pemegang galas x 2
• kaki x 4
• pautan tanduk servo x 4
• pautan galas x 4
• pemegang arduino x 1
• pemegang sensor jarak x 1
• L-sokongan x 4
• bantalan semak x 4
• servo horn spacer x 24

Bahagian potong laser:

• panel pemegang servo x 2
• panel atas x 1

Secara keseluruhan, terdapat 30 bahagian yang perlu dicetak 3D tidak termasuk pelbagai spacer, dan 33 bahagian yang dibuat secara digital. Jumlah masa percetakan adalah sekitar 30 jam.

Langkah 4: Menyiapkan Pautan

Anda boleh memulakan pemasangan dengan menyiapkan beberapa bahagian pada awalnya yang akan menjadikan proses pemasangan akhir lebih terkawal. Anda boleh mulakan dengan pautan. Untuk membuat pautan galas, pasir permukaan permukaan lubang dengan lembut kemudian tekan galas ke dalam lubang di kedua hujungnya. Pastikan menolak bantalan ke dalam sehingga satu sisi memerah. Untuk membina pautan tanduk servo, ambil dua tanduk servo bulat dan skru yang disertakan dengannya. Letakkan tanduk pada cetakan 3D dan gariskan dua lubang, pasangkan tanduk seterusnya ke cetakan 3D dengan memasang skru dari sisi cetak 3D. Saya terpaksa menggunakan beberapa spacer servo horn 3D yang dicetak kerana skru yang dibekalkan agak panjang dan akan bersilang dengan badan motor servo semasa dipusingkan. Setelah pautan dibina, anda boleh mula mengatur pelbagai pemegang dan kurungan.

Ulangi ini untuk keempat-empat pautan kedua-dua jenis.

Langkah 5: Menyiapkan Kurungan Servo

Untuk memasang braket servo lutut, masukkan bolt 4mm melalui lubang dan kencangkan dengan mur. Ini akan berfungsi sebagai gandar sekunder bagi motor. Dari pendakap servo pinggul, hantarkan dua baut melalui dua lubang dan pasangkannya dengan dua lagi kacang. Seterusnya, ambil tanduk servo pekeliling yang lain dan pasangkannya ke bahagian pendakap yang sedikit tinggi dengan menggunakan dua skru yang disertakan dengan tanduk. Sekali lagi saya mengesyorkan anda menggunakan spacer tanduk servo supaya skru tidak menonjol ke celah servo. Akhirnya, ambil bahagian pemegang galas dan tolak galas ke dalam lubang. Anda mungkin perlu pasir permukaan dalam dengan ringan agar sesuai. Seterusnya, tolak tolak galas ke dalam galas ke arah sehingga bahagian pemegang galas membengkok.

Rujuk gambar yang dilampirkan di atas semasa membina pendakap. Ulangi proses ini untuk kurungan selebihnya. Cerminnya serupa, hanya semuanya yang dicerminkan.

Langkah 6: Memasang Kaki

Setelah semua pautan dan pendakap dipasang, anda boleh mula membina empat kaki robot. Mulakan dengan memasang servo ke pendakap menggunakan baut dan mur 4 x M4. Pastikan untuk meluruskan gandar servo dengan bolt yang menonjol di sisi lain.

Seterusnya, paut servo pinggul dengan servo lutut menggunakan bahagian pautan servo tanduk. Jangan gunakan skru untuk menahan tanduk ke gandar motor servo kerana kita mungkin perlu menyesuaikan kedudukan di kemudian hari. Di seberang, pasangkan pautan galas yang mengandungi dua galas ke atas bolt yang menonjol menggunakan mur.

Ulangi proses ini untuk selebihnya dari tiga kaki dan 4 kaki untuk yang berlipat empat sudah siap!

Langkah 7: Menyusun Badan

Seterusnya, kita dapat memberi tumpuan untuk membina badan robot. Badan ini menempatkan empat motor servo yang memberikan kebebasan tahap ketiga pada kaki. Mulakan dengan menggunakan baut dan butang 4 x M4 untuk memasang servo ke panel pemegang servo potong laser.

Catatan: Pastikan servo terpasang sedemikian rupa sehingga gandar berada di bahagian luar bahagian seperti yang dilihat pada gambar yang dilampirkan di atas. Ulangi proses ini untuk sisa tiga motor servo dengan mengingat orientasi.

Seterusnya, pasangkan penyokong L di kedua sisi panel menggunakan dua mur dan baut M4. Bahagian ini membolehkan kita mengikat panel pemegang servo dengan kuat ke panel atas. Ulangi proses ini dengan dua lagi penyokong L dan panel pemegang servo kedua yang memegang set motor servo kedua.

Setelah penyokong L dipasang, gunakan lebih banyak kacang dan baut M4 untuk memasang panel pemegang servo ke panel atas. Mulakan dengan set mur dan bolt luar (ke arah depan dan belakang). Mur dan baut pusat juga menahan bahagian pemegang arduino. Gunakan empat mur dan baut untuk memasang pemegang arduino dari atas ke panel atas dan sejajarkan baut sehingga mereka juga melalui lubang sokongan L. Rujuk gambar yang dilampirkan di atas untuk penjelasan. Akhirnya masukkan empat kacang ke dalam slot pada panel pemegang servo dan gunakan bolt untuk menahan panel pemegang servo ke panel atas.

Langkah 8: Menggabungkan Semuanya

Setelah kaki dan badan dipasang, anda boleh memulakan proses pemasangan. Pasang empat kaki ke empat servo menggunakan tanduk servo yang dilekatkan pada pendakap servo pinggul. Akhirnya, gunakan potongan pemegang galas untuk menyokong gandar yang berlawanan dari pendakap pinggul. Pasangkan gandar melalui galas dan gunakan bolt untuk menahannya di tempatnya. Pasang pemegang galas ke panel atas menggunakan dua mur dan baut M4.

Dengan ini pemasangan perkakasan quaduped sudah siap.

Langkah 9: Pendawaian dan Litar

Saya memutuskan untuk menggunakan pelindung sensor yang menyediakan sambungan untuk motor servo. Saya mengesyorkan agar anda menggunakan perisai sensor v5 kerana ia mempunyai port bekalan kuasa luaran. Walau bagaimanapun, yang saya gunakan tidak mempunyai pilihan ini. Melihat perisai sensor dengan lebih dekat, saya perhatikan bahawa pelindung sensor menarik tenaga dari pin 5v onboard Arduino (yang merupakan idea yang mengerikan ketika datang ke motor servo berkuasa tinggi kerana anda berisiko merosakkan Arduino). Penyelesaian masalah ini adalah dengan membengkokkan pin 5v pada pelindung sensor agar tidak tersambung ke pin 5v Arduino. Dengan cara ini, kita sekarang dapat memberikan kuasa luaran melalui pin 5v tanpa merosakkan Arduino.

Sambungan pin isyarat dari 12 motor servo ditunjukkan dalam jadual di bawah.

Catatan: Hip1Servo merujuk kepada servo yang melekat pada badan. Hip2Servo merujuk kepada servo yang melekat pada kaki.

Kaki 1 (ke depan kiri):

• Hip1Servo >> 2
• Hip2Servo >> 3
• Lutut Layan >> 4

Kaki 2 (ke hadapan kanan):

• Hip1Servo >> 5
• Hip2Servo >> 6
• Lutut Layan >> 7

Kaki 3 (belakang kiri):

• Hip1Servo >> 8
• Hip2Servo >> 9
• Lutut Layan >> 10

Kaki 4 (belakang kanan):

• Hip1Servo >> 11
• Hip2Servo >> 12
• Lutut Layan >> 13

Langkah 10: Persediaan Awal

Sebelum memulakan program kelemahan dan pergerakan lain, kita perlu menetapkan titik sifar setiap servo. Ini memberi robot titik rujukan yang digunakannya untuk melakukan pelbagai pergerakan.

Untuk mengelakkan kerosakan pada robot, anda boleh melepaskan pautan tanduk servo. Seterusnya, muat naik kod yang dilampirkan di bawah. Kod ini meletakkan setiap servo pada 90 darjah. Setelah servo mencapai kedudukan 90 darjah, anda boleh memasang kembali pautan sehingga kaki betul-betul lurus dan servo yang melekat pada badan tegak lurus ke panel atas empat kali ganda.

Pada ketika ini, kerana reka bentuk tanduk servo, beberapa sendi mungkin masih tidak lurus dengan sempurna. Penyelesaian untuk ini adalah dengan menyesuaikan array zeroPositions yang terdapat pada baris ke-4 kod. Setiap nombor mewakili kedudukan sifar servo yang sesuai (urutannya sama dengan urutan di mana anda melampirkan servo ke Arduino). Ubah nilai ini sedikit sehingga kaki betul-betul lurus.

Catatan: Berikut adalah nilai yang saya gunakan walaupun nilai ini mungkin tidak sesuai untuk anda:

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

Langkah 11: Sedikit Mengenai Kinematik

Untuk membuat quadruped melakukan tindakan yang berguna seperti berlari, berjalan, dan pergerakan lain, servo perlu diprogramkan dalam bentuk jalur gerakan. Laluan gerakan adalah jalan di mana penggerak akhir (kaki dalam kes ini) bergerak. Terdapat dua cara untuk mencapai ini:

1. Salah satu pendekatannya ialah memberi makan sudut sendi dari pelbagai motor secara kasar. Pendekatan ini dapat memakan waktu, membosankan, dan juga dipenuhi dengan kesalahan kerana penilaian itu hanya visual. Sebaliknya, ada cara yang lebih bijak untuk mencapai hasil yang diinginkan.
2. Pendekatan kedua berkisar pada memberi makan koordinat dari efektor akhir dan bukannya semua sudut sendi. Inilah yang dikenali sebagai Inverse Kinematics. Pengguna memasukkan koordinat dan sudut sendi disesuaikan untuk meletakkan efektor akhir pada koordinat yang ditentukan. Kaedah ini boleh dianggap sebagai kotak hitam yang mengambil sebagai input koordinat dan mengeluarkan sudut sendi. Bagi mereka yang berminat bagaimana persamaan trigonometri kotak hitam ini dikembangkan boleh melihat rajah di atas. Bagi mereka yang tidak berminat, persamaan sudah diprogramkan dan dapat digunakan menggunakan fungsi pos yang mengambil input x, y, z, yang merupakan lokasi kartesian dari efektor akhir dan mengeluarkan tiga sudut yang sesuai dengan motor.

Program yang mengandungi fungsi-fungsi ini boleh didapati di langkah seterusnya.

Langkah 12: Memprogramkan Quadruped

Setelah pendawaian dan inisialisasi selesai, anda boleh memprogramkan robot dan menghasilkan jalan gerakan yang sejuk sehingga robot melakukan tugas yang menarik. Sebelum meneruskan, ubah baris ke-4 dalam kod yang dilampirkan ke nilai yang telah anda tetapkan pada langkah permulaan. Setelah memuat naik program, robot harus mula berjalan. Sekiranya anda melihat bahawa beberapa sendi terbalik, anda hanya boleh menukar nilai arah yang sesuai dalam susunan arah pada baris 5 (jika ia 1 menjadikannya -1 dan jika -1 membuatnya 1).

Langkah 13: Hasil Akhir: Masa untuk Percubaan

Robot berkaki empat boleh mengambil langkah yang bervariasi antara 5 hingga 2 cm. Kelajuan juga dapat berubah-ubah sambil menjaga keseimbangan. Quadruped ini menyediakan platform yang mantap untuk bereksperimen dengan pelbagai kelebihan dan objektif lain seperti melompat atau menyelesaikan tugas. Saya mengesyorkan anda untuk mencuba mengubah jalan gerakan kaki untuk membuat pakaian anda sendiri dan mengetahui bagaimana pelbagai pakaian mempengaruhi prestasi robot. Saya juga telah meninggalkan beberapa titik pemasangan di bahagian atas robot untuk sensor tambahan seperti sensor pengukur jarak untuk tugas mengelakkan halangan atau IMU untuk jurang dinamik di kawasan yang tidak rata. Seseorang juga boleh bereksperimen dengan lengan gripper tambahan yang dipasang di bahagian atas robot kerana robotnya sangat stabil dan kuat dan tidak mudah terbalik.

Semoga anda menikmati Instructable ini dan ini telah memberi inspirasi kepada anda untuk membina sendiri.

Sekiranya anda menyukai projek tersebut, sokonglah dengan membuang undi dalam "Make It Move Contest".

Selamat Membuat!

Hadiah Kedua dalam Peraduan Make it Move 2020