Arduino e kontrolluar me anë të robotëve: 13 hapa (me fotografi)

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

Projektet Fusion 360 »

Unë kam qenë gjithmonë i intriguar nga robotët, veçanërisht ata që përpiqen të imitojnë veprimet njerëzore. Ky interes më shtyri të përpiqem të krijoj dhe zhvilloj një këmbë robotike që mund të imitojë ecjen dhe vrapimin e njeriut. Në këtë Udhëzues, unë do t'ju tregoj modelin dhe montimin e dykëmbëshit robotik.

Qëllimi kryesor gjatë ndërtimit të këtij projekti ishte që sistemi të ishte sa më i fuqishëm që të ishte i tillë që gjatë eksperimentimit me ecje të ndryshme dhe ecje vrapimi, nuk do të më duhej të shqetësohesha vazhdimisht për dështimin e harduerit. Kjo më lejoi ta çoja harduerin në kufirin e tij. Një qëllim dytësor ishte të bënte një këmbë me kosto relativisht të ulët duke përdorur pjesë hobi të gatshme dhe printimin 3D duke lënë hapësirë për azhurnime dhe zgjerime të mëtejshme. Këta dy qëllime të kombinuara sigurojnë një themel të fortë për të kryer eksperimente të ndryshme, duke e lejuar atë të zhvillojë kërkesat më specifike me dy këmbë.

Vazhdoni të krijoni Robot Biped tuaj të kontrolluar nga Arduino dhe bëni një votë në "Konkursin Arduino" nëse ju pëlqeu projekti.

Hapi 1: Procesi i projektimit

Këmbët humanoid u krijuan në Autodesk falas për të përdorur softuerin e modelimit Fusion 360 3d. Fillova duke importuar servo motorët në dizajn dhe ndërtova këmbët 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 dykëmbëshit ishte mbajtja e modelit sa më kompakt të ishte e mundur për të përdorur maksimalisht çift rrotullues të ofruar 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.

Shënim: Pjesët përfshihen në një nga hapat e mëposhtëm.

Hapi 2: Roli i Arduino -s

Një Arduino Uno u përdor në këtë projekt. Arduino ishte përgjegjës për të llogaritur shtigjet e lëvizjes së ecjeve të ndryshme që u testuan dhe udhëzoi aktivizuesit të lëviznin në kënde të sakta me shpejtësi të sakta për të krijuar një lëvizje të qetë në këmbë. Një Arduino është një zgjedhje e shkëlqyeshme për zhvillimin e projekteve për shkak të shkathtësisë së tij. Ai siguron një mori kunjash IO dhe gjithashtu siguron ndërfaqe të tilla si serial, I2C dhe SPI për të komunikuar me mikrokontrolluesit dhe sensorët e tjerë. Arduino gjithashtu siguron një platformë të shkëlqyeshme për prototipimin dhe testimin e shpejtë dhe gjithashtu u jep zhvilluesve hapësirë për përmirësime dhe zgjerueshmëri. Në këtë projekt, versionet e mëtejshme do të përfshijnë një Njësi Matëse Inerciale për përpunimin e lëvizjes, të tilla si zbulimi i rënies dhe lëvizja dinamike në terrene të pabarabarta dhe një sensor matës të distancës për të shmangur pengesat.

Arduino IDE u përdor për këtë projekt. (Arduino gjithashtu siguron një IDE të bazuar në ueb)

Shënim: Programet për robotin mund të shkarkohen nga një nga hapat e mëposhtëm.

Hapi 3: Materialet e nevojshme

Këtu është lista e të gjithë përbërësve dhe pjesëve të kërkuara për të bërë robotin tuaj Bipedal të mundësuar nga Arduino. Të gjitha pjesët duhet të jenë zakonisht të disponueshme dhe të lehta për tu gjetur.

ELEKTRONIKA:

Arduino Uno x 1

Servo motor Towerpro MG995 x 6

Perfboard (madhësi e ngjashme me Arduino)

Kunjat e kokës për meshkuj dhe femra (rreth 20 secila)

Telat Jumper (10 copë)

MPU6050 IMU (opsionale)

Sensori tejzanor (opsional)

HARDWARE:

Mbajtës skateboard (8x19x7mm)

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)

Duke përjashtuar printerin Arduino dhe 3D kostoja totale e këtij projekti është 20 $.

Hapi 4: Pjesët e printuara në 3D

Pjesët e kërkuara për këtë projekt duhej të ishin të dizajnuara me porosi, prandaj u përdor një printer 3D për t'i printuar ato. Printimet u bënë me mbushje 40%, 2 perimetra, hundë 0.4mm dhe një shtresë prej 0.1mm me PLA, ngjyra e zgjedhjes suaj. Më poshtë mund të gjeni listën e plotë të pjesëve dhe STL -të për të printuar versionin tuaj.

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

• mbajtës servo këmbësh x 1
• pasqyrë servo mbajtëse këmbë x 1
• mbajtës i servo gjurit x 1
• pasqyrë servo mbajtëse e gjurit x 1
• mbajtës servo këmbësh x 1
• pasqyrë servo mbajtëse këmbë x 1
• lidhja mbajtëse x 2
• servo bri lidhja x 2
• lidhja e këmbës x 2
• ura x 1
• montim elektronik x 1
• pajisje elektronike spacer x 8 (opsionale)
• servo bri hapësirë x 12 (opsionale)

Në total, duke përjashtuar ndarësit, ka 14 pjesë. Koha totale e printimit është rreth 20 orë.

Hapi 5: Përgatitja e kllapave Servo

Pasi të jenë shtypur të gjitha pjesët, mund të filloni duke vendosur servot dhe kllapat servo. Fillimisht shtyjeni një kushinetë në mbajtësen e servo të gjurit. Përshtatshmëria duhet të jetë e ngushtë, por unë do të rekomandoja lëmimin e sipërfaqes së brendshme të vrimës në vend që të detyroni kushinetën e cila mund të rrezikojë thyerjen e pjesës. Pastaj kaloni një rrufe në qiell M4 përmes vrimës dhe shtrëngoni atë duke përdorur një arrë. Tjetra, kapni lidhësen e këmbës dhe ngjitni një bri rrethore servo në të duke përdorur vidhat e dhëna. Lidhni lidhësin e këmbës në mbajtësin e servo të gjurit duke përdorur vida që do të përdorni për të bashkangjitur edhe servo motorin. Sigurohuni që të rreshtoni motorin në mënyrë që boshti të jetë në të njëjtën anë të rrufe në qiell që keni lidhur më herët. Më në fund sigurojeni servon me pjesën tjetër të arrave dhe bulonave.

Bëni të njëjtën gjë me mbajtësin e servo të hip dhe mbajtësin e servo këmbës. Me këtë, ju duhet të keni tre servo motorë dhe kllapat e tyre përkatëse.

Shënim: Unë jam duke dhënë udhëzime për ndërtimin e njërës këmbë, tjetra thjesht pasqyrohet.

Hapi 6: Bërja e Pjesëve të Lidhjes

Pasi të mblidhen kllapat, filloni të bëni lidhjet. Për të bërë lidhësin mbajtës, sërish lyejeni lehtë sipërfaqen e brendshme të vrimave për kushinetën dhe më pas shtyjeni kushinetën në vrimën në të dyja anët. 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 e furnizuara. Vendosni brirët në printimin 3D dhe rreshtoni vrimat, më pas vidhoseni bririn në printimin 3D duke bashkuar vidën nga ana e printimit 3D. Unë rekomandoj që të përdorni një ndarës servo të bririt të servo të printuar për këto vida. Pasi të krijohen lidhjet, mund të filloni të montoni këmbën.

Hapi 7: Montimi i Këmbëve

Pasi lidhjet dhe kllapat të jenë mbledhur, ju mund t'i kombinoni ato për të ndërtuar këmbën e robotit. Së pari, përdorni lidhjen e servo bri për të bashkuar kllapën servo të hip dhe kllapën servo të gjurit së bashku. Shënim: Mos e vidhosni bririn në servo sapo ka një fazë të konfigurimit në fazën vijuese dhe do të jetë një shqetësim nëse briri do të jetë i dehur në motorin servo.

Në anën e kundërt montoni lidhësen e mbajtjes mbi bulonat e spikatura duke përdorur arra. Së fundmi, bashkëngjitni kllapën servo të këmbës duke futur rrufe në qiell të dalë përmes mbajtëses në mbajtësen e servo të gjurit. Dhe fiksojeni boshtin e servo -s në bririn e servo -së të lidhur me mbajtësin e servo -së të gjurit në anën tjetër. Kjo mund të jetë një detyrë e ndërlikuar dhe unë do të rekomandoja një palë të dytë të duarve për këtë.

Përsëritni hapat për këmbën tjetër. Përdorni fotografitë e bashkangjitura në secilin hap si referencë.

Hapi 8: PCB e personalizuar dhe instalime elektrike

Ky është një hap opsional. Për të bërë instalimin e instalimeve elektrike, vendosa të bëj një PCB të personalizuar duke përdorur bordin e perf dhe kunjat e kokës. PCB përmban porte për të lidhur drejtpërdrejt telat e servo motorit. Për më tepër, unë gjithashtu lashë porte shtesë në rast se do të doja të zgjeroja dhe shtoja sensorë të tjerë, siç janë Njësitë e Matjes Inerciale ose sensorët e distancës tejzanor. Ai gjithashtu përmban një port për burimin e jashtëm të energjisë të kërkuar për të fuqizuar servo motorët. Një lidhje bluzë përdoret për të kaluar midis USB dhe fuqisë së jashtme për Arduino. Montoni Arduino dhe PCB në të dyja anët e montimit elektronik duke përdorur vida dhe ndarës të printuar 3D.

Shënim: Sigurohuni që të shkëputni bluzën para se të lidhni Arduino me kompjuterin tuaj përmes USB. Mos bërja e kësaj mund të rezultojë në dëmtimin e Arduino.

Nëse vendosni të mos përdorni PCB dhe në vend të kësaj përdorni një dërrasë buke këtu janë lidhjet servo:

• Hipi i majtë >> pin 9
• Hip i djathtë >> pin 8
• Gjuri i majtë >> pin 7
• Gjuri i djathtë >> kunja 6
• Këmba e majtë >> kunja 5
• Këmba e djathtë >> kunja 4

Nëse vendosni ta bëni PCB -në të ndiqni të njëjtën mënyrë si më sipër duke përdorur portat në PCB nga e djathta në të majtë me portën IMU përballë. Dhe përdorni telat e zakonshëm të bluzave meshkuj me femra për të lidhur PCB me Arduino duke përdorur numrat e mësipërm të pin. Sigurohuni që gjithashtu të lidhni pinin e tokëzimit dhe të krijoni të njëjtin potencial tokësor dhe pin Vin për kur vendosni ta përdorni pa energji USB.

Hapi 9: Montimi i Trupit

Pasi të jenë mbledhur dy këmbët dhe pajisjet elektronike, kombinojini ato së bashku për të ndërtuar trupin e robotit. Përdorni pjesën e urës për të lidhur dy këmbët së bashku. Përdorni të njëjtat vrima montimi në mbajtësen e servo të hip dhe arrat dhe bulonat që mbajnë servo motorin. Së fundi, lidhni montimin elektronik me urën. Rreshtoni vrimat në urë dhe montoni pajisjet elektronike dhe përdorni arra dhe bulona M4 për të bërë lidhjen.

Referojuni imazheve të bashkangjitura për ndihmë. Me këtë, ju keni përfunduar ndërtimin e harduerit të robotit. Tjetra, le të hidhemi në softuer dhe ta sjellim robotin në jetë.

Hapi 10: Konfigurimi Intial

Ajo që kam vënë re gjatë ndërtimit të këtij projekti është se motorët servo dhe brirët nuk duhet të përafrohen në mënyrë perfekte për të qëndruar relativisht paralel. Kjo është arsyeja pse "pozicioni qendror" i secilit servo motor duhet të rregullohet me dorë për t'u përafruar me këmbët. Për të arritur këtë, hiqni brirët e servo nga secili servo dhe ekzekutoni skicën initial_setup.ino. Pasi motorët të vendosen në pozicionin e tyre qendror rilidhni brirët në mënyrë që këmbët të jenë krejtësisht të drejta dhe këmba të jetë krejtësisht paralele me tokën. Nëse ky është rasti, ju jeni me fat. Nëse nuk hapni skedarin constants.h që gjendet në skedën ngjitur dhe modifikoni vlerat e kompensimit të shërbimit (rreshtat 1-6) derisa këmbët të jenë të përafruara në mënyrë të përsosur dhe këmba të jetë e sheshtë. Luani me vlerat dhe do të merrni një ide se çfarë është e nevojshme në rastin tuaj.

Pasi të jenë vendosur konstantet, vini re këto vlera pasi ato do të nevojiten më vonë.

Referojuni fotografive për ndihmë.

Hapi 11: Pak për Kinematikën

Për t'i bërë të dyfishtë të kryejnë veprime të dobishme të tilla si vrapimi dhe ecja, ecjet e ndryshme 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 janë programuar tashmë dhe mund të përdoren duke përdorur funksionin pos i cili merr si hyrje x, z dhe nxjerr tre kënde që korrespondojnë me motorët.

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

Hapi 12: Programimi i Arduino

Para programimit të Arduino, duhet të bëhen modifikime të vogla në skedar. I mbani mend konstantet që ju kisha kërkuar të hiqni një shënim? Ndryshoni të njëjtat konstante në vlerat që vendosni në skedarin e constants.h.

Shënim: Nëse keni përdorur modelet e dhëna në këtë Udhëzues, nuk keni asgjë për të ndryshuar. Në rast se ka disa prej jush që kanë bërë modelet e tyre do t'ju duhet të ndryshoni disa vlera të tjera së bashku me kompensimet. Konstanta l1 mat distancën midis pivot -it të hip -it dhe pivot -it të gjurit. Konstanta l2 mat distancën midis boshtit të gjurit dhe boshtit të kyçit të këmbës. Pra, nëse keni krijuar modelin tuaj, matni këto gjatësi dhe modifikoni konstantet. Dy konstantet e fundit përdoren për ecjet. Konstanta stepClearance mat se sa e lartë do të ngrihet këmba gjatë daljes përpara pas një hapi dhe konstantja e hapit Lartësia mat lartësinë nga toka në ijë gjatë marrjes së hapave.

Pasi të gjitha konstantet të modifikohen sipas nevojës tuaj, mund të ngarkoni programin kryesor. Programi kryesor thjesht inicializon robotin në një qëndrim në këmbë dhe fillon të bëjë hapa përpara. Funksionet mund të modifikohen sipas nevojës tuaj për të eksploruar ecje të ndryshme, shpejtësi dhe gjatësi hapash për të parë se çfarë funksionon më mirë.

Hapi 13: Rezultatet Finale: Koha për të Eksperimentuar

Dykëmbëshi mund të ndërmarrë hapa që ndryshojnë nga 10 në 2 cm të gjatë pa u përmbysur. Shpejtësia gjithashtu mund të ndryshojë duke e mbajtur ecjen të balancuar. Ky dykëmbësh i kombinuar me fuqinë e Arduino siguron një platformë të fortë për të eksperimentuar me ecje të ndryshme të tjera dhe objektiva të tjerë të tillë si kërcimi ose balancimi gjatë goditjes së një topi. 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. Sensorë të tillë si një IMU dhe një sensor i distancës mund t'i shtohen sistemit për të rritur funksionalitetin e tij ndërsa sensorë të forcës mund t'i shtohen këmbëve për të eksperimentuar me lëvizje dinamike në sipërfaqe të pabarabarta.

Shpresoj se ju ka pëlqyer ky udhëzues dhe është mjaft frymëzim për të ndërtuar tuajin. Nëse ju pëlqeu projekti, mbështeteni atë duke hequr votën në "Arduino Contest".

Gatim i lumtur!

Çmimi i Parë në Konkursin Arduino 2020