Roboti i katërfishtë i fuqizuar me Arduino i printuar 3D: 13 hapa (me fotografi)

2024 Autor: John Day | [email protected]. E modifikuara e fundit: 2024-01-30 12:10

Projektet Fusion 360 »

Nga udhëzimet e mëparshme, me siguri mund të shihni se kam një interes të thellë për projektet robotike. Pas Instructable të mëparshëm ku ndërtova një robotik me dy këmbë, vendosa të provoj dhe të bëj një robot me katër këmbë që mund të imitojë kafshë të tilla si qentë dhe macet. Në këtë Instructable, unë do t'ju tregoj modelin dhe montimin e katërkëmbëshit robotik.

Qëllimi kryesor gjatë ndërtimit të këtij projekti ishte që sistemi të ishte sa më i fuqishëm i tillë që gjatë eksperimentimit me ecje dhe ecje të ndryshme nuk do të më duhej të shqetësohesha vazhdimisht për dështimin e harduerit. Kjo më lejoi ta shtyja harduerin në kufirin e tij dhe të eksperimentoja me ecje dhe lëvizje komplekse. Një qëllim dytësor ishte të bënte katërfishin me kosto relativisht të ulët duke përdorur pjesë hobi të gatshme dhe printim 3D i cili lejoi prototipimin e shpejtë. Këta dy qëllime të kombinuara sigurojnë një bazë të fortë për të kryer eksperimente të ndryshme, duke e lejuar atë të zhvillojë katërkëmbëshin për kërkesa më specifike të tilla si lundrimi, shmangia e pengesave dhe lëvizja dinamike.

Shikoni videon e bashkangjitur më sipër për të parë një demonstrim të shpejtë të projektit. Vazhdoni të krijoni Robotin tuaj Katërkëmbësh me Arduino dhe bëni një votë në "Bëni lëvizjen e konkursit" nëse ju pëlqeu projekti.

Hapi 1: Vështrim i përgjithshëm dhe proces i projektimit

Katërkëmbëshi u projektua në Autodesk falas për të përdorur softuerin e modelimit 3d Fusion 360. Fillova duke importuar motorët servo në dizajn dhe ndërtova këmbët dhe trupin rreth tyre. Kam projektuar kllapa për servo motorin i cili siguron një pikë të dytë të boshtit diametralisht të kundërt me boshtin e servo motorit. Mbajtja e boshteve të dyfishta në të dyja anët e motorit i jep qëndrueshmëri strukturore modelit dhe eliminon çdo shtrembërim që mund të ndodhë kur këmbët janë bërë për të marrë njëfarë ngarkese. Lidhjet janë krijuar për të mbajtur një kushinetë ndërsa kllapat përdorin një rrufe në qiell për boshtin. Pasi lidhjet u montuan në boshtet duke përdorur një arrë, kushineta do të siguronte një pikë rrotullimi të qetë dhe të fortë në anën e kundërt të boshtit të servo motorit.

Një qëllim tjetër gjatë dizajnimit të katërkëmbëshit ishte mbajtja e modelit sa më kompakt që të ishte e mundur për të shfrytëzuar maksimalisht çift rrotullues të siguruar nga motorët servo. Dimensionet e lidhjeve janë bërë për të arritur një gamë të madhe lëvizjesh duke minimizuar gjatësinë e përgjithshme. Duke i bërë ato shumë të shkurtra do të bëjë që kllapat të përplasen, duke zvogëluar gamën e lëvizjes dhe duke e bërë atë shumë të gjatë do të ushtronte çift rrotullues të panevojshëm te aktivizuesit. Së fundi, unë projektova trupin e robotit mbi të cilin do të ngriheshin Arduino dhe komponentët e tjerë elektronikë. Unë gjithashtu kam lënë pika shtesë të montimit në panelin e sipërm për ta bërë projektin të shkallëzueshëm për përmirësime të mëtejshme. Dikur mund të shtoni sensorë të tillë si sensorë të distancës, kamera ose mekanizma të tjerë të aktivizuar siç janë kapëset robotike.

Shënim: Pjesët përfshihen në një nga hapat e mëposhtëm.

Hapi 2: Materialet e nevojshme

Këtu është lista e të gjithë përbërësve dhe pjesëve të kërkuara për të bërë robotin tuaj me katër këmbë me Arduino. Të gjitha pjesët duhet të jenë zakonisht të disponueshme dhe të lehta për tu gjetur në dyqanet lokale të pajisjeve ose në internet.

ELEKTRONIKA:

Arduino Uno x 1

Servo motor Towerpro MG995 x 12

Arduino Sensor Shield (Unë rekomandoj versionin V5 por kam pasur versionin V4)

Telat Jumper (10 copë)

MPU6050 IMU (opsionale)

Sensor tejzanor (opsional)

HARDWARE:

Kushineta me top (8x19x7mm, 12 copë)

M4 arra dhe bulona

Filament i printerit 3D (në rast se nuk zotëroni një printer 3D, duhet të ketë një printer 3D në një hapësirë pune lokale ose printimet mund të bëhen online me çmim mjaft të lirë)

Fletë akrilike (4 mm)

MJETET

Printer 3D

Prerës me lazer

Kostoja më e rëndësishme e këtij projekti janë 12 servo motorët. Unë rekomandoj që të shkoni për versionin e mesëm në atë me rreze të lartë në vend që të përdorni ato plastike të lira pasi ato kanë tendencë të prishen lehtë. Duke përjashtuar mjetet, kostoja totale e këtij projekti është afërsisht 60 $.

Hapi 3: Pjesë të fabrikuara në mënyrë digjitale

Pjesët e kërkuara për këtë projekt duhej të ishin të dizajnuara me porosi, prandaj ne përdorëm fuqinë e pjesëve të fabrikuara digjitale dhe CAD për t'i ndërtuar ato. Shumica e pjesëve janë të shtypura në 3D, përveç disa prej të cilave janë prerë me lazer nga akriliku 4 mm. Shtypjet u bënë në mbushje 40%, 2 perimetra, hundë 0.4mm dhe një lartësi shtrese prej 0.1mm me PLA. Disa nga pjesët kërkojnë mbështetëse pasi ato kanë një formë komplekse me dalje, megjithatë, mbështetëset janë lehtësisht të arritshme dhe mund të hiqen duke përdorur disa hapëse. Ju mund të zgjidhni ngjyrën e fijes së zgjedhur sipas dëshirës tuaj. Më poshtë mund të gjeni listën e plotë të pjesëve dhe STL -ve për të printuar versionin tuaj dhe modelet 2D për pjesët e prera me lazer.

Shënim: Nga këtu e tutje pjesët do të referohen duke përdorur emrat në listën e mëposhtme.

Pjesë të printuara 3D:

• kllapa servo hip 2 x
• pasqyrë e servo bracket hip 2 x
• kllapa servo e gjurit x 2
• pasqyrë servo kllapa servo x 2
• mbajtës mbajtës x 2
• pasqyrë mbajtëse mbajtëse x 2
• këmba x 4
• lidhës servo bri x 4
• lidhja mbajtëse x 4
• mbajtës arduino x 1
• mbajtësi i sensorit të distancës x 1
• L-mbështetja x 4
• shkurre mbajtëse x 4
• servo bri spacer x 24

Pjesët e prera me lazer:

• panel mbajtës servo x 2
• paneli i sipërm x 1

Në total, janë 30 pjesë që duhet të printohen 3D duke përjashtuar ndarësit e ndryshëm, dhe 33 pjesë të fabrikuara në mënyrë dixhitale në total. Koha totale e printimit është rreth 30 orë.

Hapi 4: Përgatitja e lidhjeve

Ju mund të filloni montimin duke vendosur disa pjesë në fillim të cilat do ta bëjnë procesin e montimit përfundimtar më të menaxhueshëm. Mund të filloni me lidhjen. Për të bërë lidhësin mbajtës, lyeni lehtë sipërfaqen e brendshme të vrimave për kushinetën dhe më pas shtyjeni kushinetën në vrimën në të dy skajet. Sigurohuni që ta shtyni kushinetën brenda derisa njëra anë të skuqet. Për të ndërtuar lidhjen e bririt të servo, kapni dy brirë rrethore servo dhe vidhat që erdhën së bashku me to. Vendosni brirët në printimin 3D dhe rreshtoni dy vrimat, pastaj vidhoseni bririn në printimin 3D duke bashkangjitur vidën nga ana e printimit 3D. Më duhej të përdorja disa ndarës të printimit 3D të servisit, pasi vidhat që furnizoheshin ishin pak të gjata dhe do të kryqëzoheshin me trupin e servo motorit ndërsa rrotullohej. Pasi të krijohen lidhjet, mund të filloni të krijoni mbajtëset dhe kllapat e ndryshme.

Përsëriteni këtë për të 4 lidhjet e të dy llojeve.

Hapi 5: Përgatitja e kllapave Servo

Për të ngritur kllapën servo të gjurit, thjesht kaloni një rrufe në qiell 4 mm përmes vrimës dhe fiksojeni atë me një arrë. Kjo do të funksionojë si boshti dytësor për motorin. Nga kllapa servo e hip, kaloni dy bulona nëpër dy vrima dhe lidhini ato me dy arra të tjera. Tjetra, kapni një tjetër bri servo rrethore dhe ngjiteni atë në pjesën pak të ngritur të kllapës duke përdorur dy vidhat që erdhën me brirët. Edhe një herë unë do t'ju rekomandoja të përdorni ndarësin e servisit në mënyrë që vidhat të mos dalin në hendekun për servo. Së fundi, kapeni pjesën e mbajtësit të kushinetës dhe shtyjeni një kushinetë në vrimë. Ju mund të keni nevojë të lyeni lehtë sipërfaqen e brendshme për një përshtatje të mirë. Tjetra, shtyni një shtytje të kushinetës në kushinetën drejt asaj që pjesa e mbajtësit të kushinetës përkulet.

Referojuni fotografive të bashkangjitura më sipër gjatë ndërtimit të kllapave. Përsëriteni këtë proces për pjesën tjetër të kllapave. Ato të pasqyruara janë të ngjashme, vetëm gjithçka është pasqyruar.

Hapi 6: Montimi i Këmbëve

Pasi të jenë mbledhur të gjitha lidhjet dhe kllapat, mund të filloni të ndërtoni katër këmbët e robotit. Filloni duke i bashkuar servot në kllapa duke përdorur 4 bulona dhe arra 4 x M4. Sigurohuni që të rreshtoni boshtin e servo me bulonën e spikatur në anën tjetër.

Tjetra, lidhni servo -n e hip me servo -në e gjurit duke përdorur pjesën e lidhjes së bririt të servo -s. Mos përdorni ende një vidë për të fiksuar bririn në boshtin e servo motorit pasi mund të na duhet të rregullojmë pozicionin më vonë. Në anën e kundërt, montoni lidhësin mbajtës që përmban dy kushineta në bulonat e spikatura duke përdorur arra.

Përsëriteni këtë proces për pjesën tjetër të tre këmbëve dhe 4 këmbët për katërkëmbësh janë gati!

Hapi 7: Montimi i Trupit

Tjetra, ne mund të përqëndrohemi në ndërtimin e trupit të robotit. Trupi strehon katër servo motorë të cilët u japin këmbëve shkallën e tretë të lirisë. Filloni duke përdorur 4 bulona dhe buta M x 4 për të bashkuar servo në panelin e mbajtësit të servo të prerë me lazer.

Shënim: Sigurohuni që servo të jetë e lidhur ashtu që boshti të jetë në anën e jashtme të copës siç shihet në fotografitë e bashkangjitura më sipër. Përsëriteni këtë proces për pjesën tjetër të tre servo motorëve duke pasur parasysh orientimin.

Tjetra, lidhni mbështetëset L në të dy anët e panelit duke përdorur dy arra dhe bulona M4. Kjo pjesë na lejon të sigurojmë fort panelin e mbajtësit të servo në panelin e sipërm. Përsëriteni këtë proces me dy mbështetës të tjerë L dhe panelin e dytë të mbajtësit të servo që mban grupin e dytë të servo motorëve.

Pasi të jenë vendosur mbështetëset L, përdorni më shumë arra dhe bulona M4 për të bashkuar panelin e mbajtësit të servo në panelin e sipërm. Filloni me grupin e jashtëm të arrave dhe bulonave (drejt para dhe mbrapa). Arrat dhe bulonat qendrore mbajnë gjithashtu pjesën e mbajtësit arduino. Përdorni katër arra dhe bulona për të ngjitur mbajtësen arduino nga lart në panelin e sipërm dhe rreshtoni bulonat në mënyrë që ata gjithashtu të kalojnë nëpër vrimat e mbështetjes L. Referojuni imazheve të bashkangjitura më sipër për sqarime. Së fundi, rrëshqisni katër arra në vrimat në panelet e mbajtësit të servo dhe përdorni bulona për të siguruar panelet e mbajtësit të servo në panelin e sipërm.

Hapi 8: Vendosja e të gjitha së bashku

Pasi të jenë mbledhur këmbët dhe trupi, mund të filloni të përfundoni procesin e montimit. Montoni katër këmbët në katër servos duke përdorur brirët servo që ishin ngjitur në kllapa servo të hip. Së fundi, përdorni pjesët e mbajtësit të kushinetave për të mbështetur boshtin e kundërt të kllapës së kofshës. Kaloni boshtin përmes kushinetës dhe përdorni një rrufe në qiell për ta siguruar atë në vend. Bashkangjitni mbajtëset e kushinetave në panelin e sipërm duke përdorur dy arra dhe bulona M4.

Me këtë asambleja e harduerit të katërfishtë është gati.

Hapi 9: Instalimet dhe qarku

Vendosa të përdor një mburojë sensor që siguronte lidhje për motorët servo. Unë do të rekomandoja që të përdorni mburojën e sensorit v5 pasi përmban një port të jashtëm të furnizimit me energji në bord. Sidoqoftë, ai që kam përdorur nuk e kishte këtë mundësi. Duke parë mburojën e sensorit më nga afër, vura re që mburoja e sensorit po merrte energji nga kunja 5v e bordit të Arduino (e cila është një ide e tmerrshme kur bëhet fjalë për servo motorët me fuqi të lartë pasi rrezikoni të dëmtoni Arduino). Rregullimi i këtij problemi ishte të përkulni kunjin 5v në mburojën e sensorit nga rruga, në mënyrë që të mos lidhet me kunjin 5v të Arduino. Në këtë mënyrë, ne tani mund të sigurojmë energji të jashtme përmes pin 5v pa dëmtuar Arduino.

Lidhjet e kunjave të sinjalit të 12 servo motorëve tregohen në tabelën më poshtë.

Shënim: Hip1Servo i referohet servos të bashkangjitur në trup. Hip2Servo i referohet servos të bashkangjitur në këmbë.

Këmba 1 (përpara majtas):

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

Këmba 2 (djathtas përpara):

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

Këmba 3 (prapa majtas):

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

Këmba 4 (prapa djathtas):

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

Hapi 10: Konfigurimi fillestar

Para se të fillojmë të programojmë ecje komplekse dhe lëvizje të tjera, ne duhet të vendosim pikat zero të secilit servo. Kjo i jep robotit një pikë referimi të cilën e përdor për të kryer lëvizje të ndryshme.

Për të shmangur dëmtimin e robotit, mund të hiqni lidhjet e servo bri. Tjetra, ngarkoni kodin që është bashkangjitur më poshtë. Ky kod e vendos secilën nga servot në 90 gradë. Pasi servot të kenë arritur pozicionin 90 gradë, mund t'i lidhni përsëri lidhjet në mënyrë që këmbët të jenë krejtësisht të drejta dhe servoja e bashkangjitur në trup është pingul me panelin e sipërm të katërkëmbëshit.

Në këtë pikë, për shkak të modelit të brirëve servo, disa nga nyjet mund të mos jenë ende krejtësisht të drejta. Zgjidhja për këtë është rregullimi i grupit zeroPositions që gjendet në rreshtin e 4 -të të kodit. Secili numër përfaqëson pozicionin zero të servo -së përkatëse (rendi është i njëjtë me rendin në të cilin e keni lidhur servo -n në Arduino). Ndryshoni pak këto vlera derisa këmbët të jenë krejtësisht drejt.

Shënim: Këtu janë vlerat që unë përdor edhe pse këto vlera mund të mos funksionojnë për ju:

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

Hapi 11: Pak për Kinematikën

Për ta bërë katërkëmbëshin të kryejë veprime të dobishme të tilla si vrapimi, ecja dhe lëvizjet e tjera, servos duhet të programohen në formën e shtigjeve të lëvizjes. Shtigjet e lëvizjes janë shtigje përgjatë të cilave kalon efektori përfundimtar (këmbët në këtë rast). Ka dy mënyra për ta arritur këtë:

1. Një qasje do të ishte ushqimi i këndeve të kyçeve të motorëve të ndryshëm në një mënyrë brutale të forcës. Kjo qasje mund të marrë kohë, e lodhshme dhe gjithashtu e mbushur me gabime pasi gjykimi është thjesht vizual. Në vend të kësaj, ekziston një mënyrë më e zgjuar për të arritur rezultatet e dëshiruara.
2. Qasja e dytë sillet rreth ushqimit të koordinatave të efektorit përfundimtar në vend të të gjitha këndeve të nyjeve. Kjo është ajo që njihet si Kinematika Inverse. Koordinatat e përdoruesit i futin dhe këndet e nyjeve rregullohen për të pozicionuar efektorin përfundimtar në koordinatat e specifikuara. Kjo metodë mund të konsiderohet si një kuti e zezë që merr si hyrje një koordinatë dhe nxjerr këndet e nyjeve. Për ata që janë të interesuar se si janë zhvilluar ekuacionet trigonometrike të kësaj kutie të zezë, mund të shikojnë diagramin e mësipërm. Për ata që nuk janë të interesuar, ekuacionet tashmë janë programuar dhe mund të përdoren duke përdorur funksionin pos i cili merr si hyrje x, y, z, i cili është vendndodhja karteziane e efektorit përfundimtar dhe nxjerr tre kënde që korrespondojnë me motorët.

Programi që përmban këto funksione mund të gjendet në hapin tjetër.

Hapi 12: Programimi i Katërkëmbëshit

Pasi të keni përfunduar instalimet elektrike dhe fillimin, mund të programoni robotin dhe të krijoni shtigje të ftohta lëvizjeje në mënyrë që roboti të kryejë detyra interesante. Para se të vazhdoni, ndryshoni rreshtin e 4 -të në kodin e bashkangjitur në vlerat që keni vendosur në hapin e fillimit. Pas ngarkimit të programit, roboti duhet të fillojë të ecë. Nëse vëreni se disa nga nyjet janë përmbysur, thjesht mund të ndryshoni vlerën përkatëse të drejtimit në grupin e drejtimit në rreshtin 5 (nëse është 1 bëjeni -1 dhe nëse është -1 bëjeni 1).

Hapi 13: Rezultatet Finale: Koha për të Eksperimentuar

Roboti me katër këmbë mund të ndërmarrë hapa që ndryshojnë nga 5 në 2 cm të gjatë. Shpejtësia gjithashtu mund të ndryshojë duke e mbajtur ecjen të balancuar. Ky katërkëmbës siguron një platformë të fortë për të eksperimentuar me ecje të ndryshme të tjera dhe objektiva të tjerë të tillë si kërcimi ose kryerja e detyrave. Unë do t'ju rekomandoja që të përpiqeni të ndryshoni rrugët e lëvizjes së këmbëve për të krijuar ecjet tuaja dhe të zbuloni se si ecje të ndryshme ndikojnë në performancën e robotit. Kam lënë gjithashtu pika të shumta montimi në krye të robotit për sensorë shtesë, siç janë sensorët e matjes së distancës për detyrat e shmangies së pengesave ose IMU për ecjet dinamike në terrene të pabarabarta. Dikush mund të eksperimentojë me një krah shtrëngues shtesë të montuar në majë të robotit pasi roboti është jashtëzakonisht i qëndrueshëm dhe i fortë dhe nuk përmbyset lehtë.

Shpresoj se ju ka pëlqyer ky udhëzues dhe ju ka frymëzuar të krijoni tuajin.

Nëse ju pëlqeu projekti, mbështesni atë duke hequr votën në "Bëni lëvizjen e konkursit".

Gatim i lumtur!

Çmimi i dytë në Konkursin Make it Move 2020