3D Çaplı Arduino Powered Quadruped Robot: 13 Addım (Şəkillərlə birlikdə)

2024 Müəllif: John Day | [email protected]. Son dəyişdirildi: 2024-01-30 07:43

Fusion 360 Layihələri »

Əvvəlki Təlimatlardan, yəqin ki, robot layihələrinə böyük marağım olduğunu görə bilərsiniz. Bir robotlu iki ayaqlı robot qurduğum əvvəlki Təlimat kitabından sonra, it və pişik kimi heyvanları təqlid edə bilən dördlü robot hazırlamağa qərar verdim. Bu Təlimat kitabında sizə dördlü robotun dizaynını və montajını göstərəcəyəm.

Bu layihəni qurarkən əsas məqsəd sistemi mümkün qədər möhkəm etmək idi ki, müxtəlif gəzinti və qaçış yürüşləri ilə təcrübə apararkən, cihazın uğursuz olması barədə daim narahat olmayım. Bu, aparatı həddinə çatdırmağa və kompleks gedişlər və hərəkətlərlə sınaq keçirməyə imkan verdi. İkinci bir məqsəd, hazır hobbi hissələri və sürətli prototip hazırlamağa imkan verən 3D çapdan istifadə edərək dördlüləri nisbətən aşağı qiymətə çevirmək idi. Birlikdəki bu iki məqsəd, müxtəlif eksperimentlər aparmaq üçün möhkəm bir təməl yaradır, beləliklə, naviqasiya, maneələrdən qaçınma və dinamik lokomotiv kimi daha spesifik tələblər üçün dördlüyün inkişaf etdirilməsinə imkan verir.

Layihənin sürətli bir demosunu görmək üçün yuxarıdakı videoya baxın. Öz Arduino Powered Quadruped Robotunuzu yaratmağa davam edin və layihəni bəyənmisinizsə "Move it Move Contest" ə səs verin.

Addım 1: Baxış və Dizayn Prosesi

Dördlük Autodesk -in pulsuz Fusion 360 3d modelləşdirmə proqramından istifadə etmək üçün hazırlanmışdır. Servo mühərrikləri dizayna daxil etməklə başladım və ətraflarında ayaqları və gövdəsini qurdum. Servo mühərrikin milinə tam əks olaraq ikinci bir dönmə nöqtəsi təmin edən servo motor üçün mötərizələr hazırladım. Motorun hər iki ucunda ikili şaftların olması dizaynın struktur sabitliyini təmin edir və ayaqları yük götürərkən meydana gələ biləcək hər hansı bir əyilməni aradan qaldırır. Bağlantılar, rulman tutmaq üçün nəzərdə tutulmuşdur, mötərizədə isə mil üçün bolt istifadə edilmişdir. Bağlantılar bir qoz istifadə edərək şaftlara monte edildikdən sonra, rulman servo motor milinin əks tərəfində hamar və möhkəm bir dönmə nöqtəsi təmin edər.

Dördlü dizayn edərkən başqa bir məqsəd, servo mühərriklərin verdiyi torkdan maksimum istifadə etmək üçün modeli mümkün qədər yığcam saxlamaq idi. Bağlantıların ölçüləri, ümumi uzunluğu minimuma endirərkən böyük bir hərəkət aralığına nail olmaq üçün hazırlanmışdır. Onları çox qısaltmaq mötərizələrin toqquşmasına səbəb olacaq, hərəkət aralığını azaldacaq və çox uzunlaşdırdıqda aktuatorlara lazımsız tork tətbiq edəcək. Nəhayət, Arduino və digər elektron komponentlərin quraşdırılacağı robotun gövdəsini hazırladım. Layihənin daha da təkmilləşdirilməsi üçün ölçeklenebilir olması üçün üst paneldə əlavə montaj nöqtələri də qoymuşam. Bir dəfə məsafə sensorlar, kameralar və ya robot tutucular kimi digər hərəkət mexanizmləri kimi sensorlar əlavə edilə bilər.

Qeyd: Parçalar aşağıdakı addımlardan birinə daxil edilmişdir.

Addım 2: Lazımi materiallar

Öz Arduino Powered Quadruped Robotunuzu hazırlamaq üçün lazım olan bütün komponentlərin və hissələrin siyahısı budur. Bütün hissələr yerli avadanlıq mağazalarında və ya onlayn olaraq tapıla bilər.

ELEKTRONİK:

Arduino Uno x 1

Towerpro MG995 servo motor x 12

Arduino Sensor Shield (V5 versiyasını məsləhət görürəm, amma V4 versiyam var idi)

Jumper telləri (10 ədəd)

MPU6050 IMU (isteğe bağlı)

Ultrasonik Sensor (isteğe bağlı)

DONANIM:

Bilyalı Rulmanlar (8x19x7mm, 12 ədəd)

M4 qoz -fındıq və boltlar

3D printer filamenti (3D printeriniz yoxdursa, yerli iş yerində bir 3D printer olmalıdır və ya çaplar olduqca ucuza onlayn olaraq edilə bilər)

Akrilik təbəqələr (4 mm)

ARAÇLAR

3D printer

Lazer kəsici

Bu layihənin ən əhəmiyyətli dəyəri 12 servo mühərrikdir. Ucuz plastik olanları istifadə etmək əvəzinə orta səviyyədən yüksək səviyyəyə qədər getməyi məsləhət görürəm, çünki asanlıqla qırılır. Alətlər istisna olmaqla, bu layihənin ümumi dəyəri təxminən 60 dollardır.

Addım 3: Rəqəmsal Hazırlanan Parçalar

Bu layihə üçün lazım olan hissələr xüsusi olaraq dizayn edilməli idi, buna görə də onları istehsal etmək üçün rəqəmsal olaraq hazırlanmış hissələrin və CAD-in gücündən istifadə etdik. Parçaların əksəriyyəti 4 mm akrilikdən lazerlə kəsilmiş bir neçə hissədən başqa 3D çapdır. Çaplar 40% doldurma, 2 perimetr, 0,4 mm nozzle və PLA ilə 0,1 mm təbəqə yüksəkliyində hazırlanmışdır. Çıxışlarla mürəkkəb bir forma sahib olduqları üçün bəzi hissələrə dayaqlar lazımdır, lakin dayaqlar asanlıqla əldə edilə bilər və bəzi kəsicilərlə çıxarıla bilər. Filamentdən istədiyiniz rəng seçə bilərsiniz. Aşağıda, öz versiyanızı çap etmək üçün hissələrin və STL -lərin tam siyahısını və lazer kəsmə hissələri üçün 2D dizaynlarını tapa bilərsiniz.

Qeyd: Buradan hissələr aşağıdakı siyahıda adların istifadə edilməsinə istinad ediləcək.

3D çaplı hissələr:

• hip servo mötərizə x 2
• hip servo bracket güzgü x 2
• diz servo dəstəyi x 2
• diz servo bracket güzgü x 2
• rulman tutucusu x 2
• rulman tutucu güzgü x 2
• ayaq x 4
• servo buynuz bağlantısı x 4
• daşıyıcı keçid x 4
• arduino tutucu x 1
• məsafə sensoru tutucusu x 1
• L dəstəyi x 4
• rulman kolu x 4
• servo buynuz boşluğu x 24

Lazerlə kəsilmiş hissələr:

• servo tutacaq paneli x 2
• üst panel x 1

Ümumilikdə, müxtəlif boşluqlar istisna olmaqla, 3D çap edilməli olan 30 hissə və cəmi 33 rəqəmsal olaraq hazırlanmış parça var. Ümumi çap müddəti təxminən 30 saatdır.

Addım 4: Bağlantıların hazırlanması

Son montaj prosesini daha idarəedici hala gətirəcək bəzi hissələri əvvəlində quraraq montaja başlaya bilərsiniz. Bağlantı ilə başlaya bilərsiniz. Rulman halqasını düzəltmək üçün, yatağın çuxurlarının daxili səthini yüngülcə zımparalayın, sonra yatağı hər iki ucdakı çuxura itələyin. Rulmanı bir tərəfi yuyulana qədər itələdiyinizə əmin olun. Servo buynuz bağlantısını qurmaq üçün iki dairəvi servo buynuzu və onlarla birlikdə gələn vintləri tutun. Buynuzları 3D çapa qoyun və iki çuxuru düzəldin, sonra vidanı 3D çap tərəfdən bağlayaraq 3D çapa vidalayın. Verilən vintlər bir qədər uzun olduğundan və dönərkən servo motor gövdəsi ilə kəsişdiyindən bəzi 3D çaplı servo buynuz boşluqlarından istifadə etməli oldum. Bağlantılar qurulduqdan sonra müxtəlif tutacaqlar və mötərizələr qurmağa başlaya bilərsiniz.

Bunu hər iki növün bütün 4 keçidi üçün təkrarlayın.

Addım 5: Servo Mötərizələrin Hazırlanması

Diz servo mötərizəsini qurmaq üçün 4 mm boltu delikdən keçirin və qozla bərkidin. Bu, motor üçün ikincil ox rolunu oynayacaq. Kalça servo braketindən iki boltu iki delikdən keçirin və daha iki qoz ilə bağlayın. Sonra, başqa bir dairəvi servo buynuzu tutun və buynuzlarla gələn iki vintdən istifadə edərək mötərizənin bir qədər yüksək hissəsinə yapışdırın. Vidaların servonun boşluğuna çıxmaması üçün bir daha servo buynuz ayırıcıdan istifadə etməyi məsləhət görürəm. Nəhayət, rulman tutucu hissəsini tutun və yatağı çuxura itələyin. Yaxşı uyğunlaşmaq üçün daxili səthi yüngülcə zımpara etmək lazım ola bilər. Sonra, rulman tutucu parçasının əyildiyi tərəfə bir rulman itələyin.

Mötərizəni qurarkən yuxarıdakı şəkillərə baxın. Qalan mötərizələr üçün bu prosesi təkrarlayın. Güzgülü olanlar oxşardır, yalnız hər şey aynadır.

Addım 6: Ayaqların yığılması

Bütün bağlantılar və mötərizələr yığıldıqdan sonra robotun dörd ayağını qurmağa başlaya bilərsiniz. 4 x M4 bolt və qoz -fındıqdan istifadə edərək servoları mötərizələrə bağlayaraq başlayın. Digər tərəfdən servonun oxunu çıxan boltla hizaladığınızdan əmin olun.

Daha sonra, servo buynuz keçid hissəsini istifadə edərək, kalça servosunu diz servo ilə bağlayın. Buynuzu servo motor oxuna bağlamaq üçün hələ bir vida istifadə etməyin, çünki daha sonra mövqeyi tənzimləməyimiz lazım ola bilər. Qarşı tərəfdə, iki yatağı olan rulman halqasını qoz -fındıqdan istifadə edərək çıxan boltlara quraşdırın.

Üç ayağın qalan hissəsi üçün bu prosesi təkrarlayın və dörd ayaqlılar üçün 4 ayaq hazırdır!

Addım 7: Bədənin yığılması

Daha sonra, robotun gövdəsini qurmağa diqqət edə bilərik. Bədəndə ayaqlara 3 -cü sərbəstlik dərəcəsi verən dörd servo mühərrik var. Servanı lazerlə kəsilmiş servo tutucu panelə bağlamaq üçün 4 x M4 bolt və qıfıq istifadə edərək başlayın.

Qeyd: Servanın, yuxarıdakı şəkillərdə göründüyü kimi, aksın xarici tərəfində olacağına əmin olun. Oriyentasiyanı nəzərə alaraq üç servo mühərrikin qalan hissəsi üçün bu prosesi təkrarlayın.

Sonra, iki M4 qoz-fındıq və bolt istifadə edərək panelin hər iki tərəfinə L-dayaqları bağlayın. Bu parça, servo tutucu panelini üst panelə möhkəm bağlamağa imkan verir. Bu prosesi daha iki L dəstəyi və ikinci servo mühərrik dəstini tutan ikinci servo tutucu paneli ilə təkrarlayın.

L dayaqları yerində olduqdan sonra, servo tutucu panelini üst panelə bağlamaq üçün daha çox M4 somun və bolt istifadə edin. Fındıq və boltların xarici dəsti ilə başlayın (ön və arxaya doğru). Mərkəzi qoz -fındıq və boltlar da arduino tutacaq hissəsini basıb saxlayır. Arduino tutucusunu yuxarıdan üst panelə bağlamaq üçün dörd qoz -fındıq və bolt istifadə edin və boltları da L dayaq deliklərindən keçəcək şəkildə hizalayın. Aydınlıq üçün yuxarıdakı şəkillərə baxın. Nəhayət, dörd qoz -fındıqı servo tutucu panellərindəki yuvalara sürüşdürün və servo tutucu panelləri üst panelə bağlamaq üçün boltlardan istifadə edin.

Addım 8: Hamısını bir yerə yığın

Ayaqları və bədəni yığdıqdan sonra montaj prosesini tamamlamağa başlaya bilərsiniz. Kalça servo braketinə bərkidilmiş servo buynuzlarından istifadə edərək dörd ayağı dörd servoya bağlayın. Nəhayət, kalça mötərizəsinin əks oxunu dəstəkləmək üçün rulman tutucu parçalarını istifadə edin. Dingili yatağın içindən keçirin və yerini möhkəmləndirmək üçün bolt istifadə edin. Rulman tutucularını iki M4 qoz -fındıq və boltdan istifadə edərək üst panelə bağlayın.

Bununla dördlüyün aparat montajı hazırdır.

Addım 9: Kablolama və dövrə

Servo mühərriklər üçün əlaqə təmin edən bir sensor qalxanı istifadə etmək qərarına gəldim. Sensor qalxanı v5 -dən istifadə etməyinizi məsləhət görürəm, çünki daxili bir enerji təchizatı portuna malikdir. Ancaq istifadə etdiyim variantda bu seçim yox idi. Sensor qalxanına daha yaxından baxdığımda, sensor qalxanın Arduino -nun 5v pinindən enerji aldığını gördüm (bu, Arduino -ya ziyan vurmaq riski olduğundan yüksək güclü servo mühərriklərə gəldikdə dəhşətli bir fikirdir). Bu problemin həlli, Arduinonun 5v pininə qoşulmaması üçün sensor qalxanındakı 5v pinini əyilmək idi. Bu şəkildə, indi Arduinoya zərər vermədən 5v pin vasitəsilə xarici güc təmin edə bilərik.

12 servo mühərrikin siqnal pinlərinin əlaqələri aşağıdakı cədvəldə göstərilmişdir.

Qeyd: Hip1Servo bədənə qoşulmuş servoya aiddir. Hip2Servo, ayağa bağlanan servoya aiddir.

Ayaq 1 (irəli sola):

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

Ayaq 2 (irəli sağa):

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

Ayaq 3 (arxa sol):

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

Ayaq 4 (arxa sağ):

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

Addım 10: İlkin Quraşdırma

Kompleks gedişləri və digər hərəkətləri proqramlaşdırmağa başlamazdan əvvəl hər bir servonun sıfır nöqtələrini qurmalıyıq. Bu, robotun müxtəlif hərəkətləri yerinə yetirmək üçün istifadə etdiyi bir istinad nöqtəsi verir.

Robotun zədələnməməsi üçün servo buynuz bağlantılarını silə bilərsiniz. Sonra, aşağıda göstərilən kodu yükləyin. Bu kod servoların hər birini 90 dərəcə yerləşdirir. Servolar 90 dərəcəlik mövqeyə çatdıqda, ayaqları mükəmməl düz və gövdəyə bərkidilmiş servo dördlüyün üst panelinə dik olacaq şəkildə bağlaya bilərsiniz.

Bu nöqtədə, servo buynuzların dizaynı səbəbindən bəzi oynaqlar hələ də mükəmməl düz ola bilməz. Bunun həlli, kodun 4 -cü sətirində tapılan zeroPositions dizisini tənzimləməkdir. Hər bir nömrə müvafiq servonun sıfır mövqeyini təmsil edir (sifariş, servoyu Arduinoya bağladığınız sifarişlə eynidir). Ayaqları mükəmməl düz olana qədər bu dəyərləri bir az çimdik.

Qeyd: Bu dəyərlər sizin üçün işləməsə də, istifadə etdiyim dəyərlər bunlardır:

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

Addım 11: Kinematik haqqında bir az

Dörd nəfərin qaçış, gəzinti və digər hərəkətlər kimi faydalı hərəkətlər etməsi üçün servoların hərəkət yolları şəklində proqramlaşdırılması lazımdır. Hərəkət yolları, son effektorun (ayaqların bu vəziyyətdə) hərəkət etdiyi yollardır. Buna nail olmağın iki yolu var:

1. Bir yanaşma, müxtəlif mühərriklərin birləşmə açılarını kobud bir şəkildə qidalandırmaq olar. Bu yanaşma çox vaxt aparan, yorucu və səhvlərlə dolu ola bilər, çünki mühakimə yalnız vizualdır. Əksinə, istədiyiniz nəticəni əldə etməyin daha ağıllı bir yolu var.
2. İkinci yanaşma, bütün oynaq bucaqları yerinə son effektorun koordinatlarını qidalandırmaqla bağlıdır. Ters Kinematik kimi tanınan budur. İstifadəçi koordinatları daxil edir və birləşmə açıları son effektoru göstərilən koordinatlarda yerləşdirmək üçün düzəldir. Bu üsul, bir koordinat daxil edən və birləşmə açılarını çıxaran bir qara qutu olaraq qəbul edilə bilər. Bu qara qutunun trigonometrik tənliklərinin necə hazırlandığı ilə maraqlananlar yuxarıdakı diaqrama baxa bilərlər. Maraqlanmayanlar üçün tənliklər artıq proqramlaşdırılmışdır və son effektorun kartezyen yeri olan x, y, z girişini alan və mühərriklərə uyğun üç bucaq verən pos funksiyasından istifadə oluna bilər.

Bu funksiyaları ehtiva edən proqramı növbəti addımda tapa bilərsiniz.

Addım 12: Dörd Dördün Proqramlaşdırılması

Kablolama və işə salınma tamamlandıqda, robotu proqramlaşdıra və sərin hərəkət yolları yarada bilərsiniz ki, robot maraqlı vəzifələr yerinə yetirsin. Davam etmədən əvvəl, əlavə edilmiş kodun 4 -cü sətrini başlanğıc mərhələsində təyin etdiyiniz dəyərlərə dəyişdirin. Proqramı yüklədikdən sonra robot gəzməyə başlamalıdır. Bəzi oynaqların tərsinə döndüyünü görürsünüzsə, 5 -ci sətirdəki istiqamət silsiləsindəki müvafiq istiqamət dəyərini dəyişə bilərsiniz (1 -dirsə -1 -ə, -1 -dirsə 1 -ə çevirin).

Addım 13: Son Nəticələr: Təcrübə Zamanı

Dördbucaqlı robot uzunluğu 5 ilə 2 sm arasında dəyişən addımlar ata bilər. Yürüşü balanslı saxlayarkən sürət də dəyişə bilər. Bu dördlü, müxtəlif yerişlər və atlama və ya tapşırıqları yerinə yetirmək kimi digər məqsədləri sınamaq üçün möhkəm bir platforma təmin edir. Öz yerişlərinizi yaratmaq və müxtəlif yerişlərin robotun performansına necə təsir etdiyini öyrənmək üçün ayaqlarınızın hərəkət yollarını dəyişdirməyə çalışmanızı tövsiyə edərdim. Maneələrin qarşısını almaq üçün məsafə ölçmə sensorları və ya qeyri -bərabər ərazilərdə dinamik gedişlər üçün IMU kimi əlavə sensorlar üçün robotun üstündə birdən çox montaj nöqtəsi buraxdım. Robotun üstünə quraşdırılmış əlavə tutacaq qolu ilə də təcrübə aparmaq olar, çünki robot son dərəcə sabit və möhkəmdir və asanlıqla yıxılmır.

Ümid edirik ki, bu Təlimatlandırıcıdan zövq aldınız və özünüzü qurmaq üçün sizə ilham verdi.

Layihəni bəyənmisinizsə, "Hərəkət Yarışması" na səs verərək dəstək verin.

Xoşbəxt olun!

Make it Move Contest 2020 -də ikinci mükafat