Напечатанный на 3D-принтере четвероногий робот на базе Arduino: 13 шагов (с изображениями)

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:48

Проекты Fusion 360 »

Из предыдущих инструкций вы, вероятно, заметили, что я очень интересуюсь робототехническими проектами. После предыдущего руководства, в котором я построил робота-двуногого, я решил попробовать создать четвероногого робота, который мог бы имитировать таких животных, как собаки и кошки. В этом руководстве я покажу вам конструкцию и сборку четвероногого робота.

Основная цель при создании этого проекта заключалась в том, чтобы сделать систему как можно более надежной, чтобы во время экспериментов с различными походками для ходьбы и бега мне не приходилось постоянно беспокоиться о сбоях оборудования. Это позволило мне довести оборудование до предела возможностей и поэкспериментировать со сложными походками и движениями. Вторичной целью было сделать четвероногого относительно недорогим, используя легкодоступные детали для хобби и 3D-печать, что позволило быстро создать прототип. Сочетание этих двух целей обеспечивает прочную основу для проведения различных экспериментов, позволяя разрабатывать четвероногих для более специфических требований, таких как навигация, уклонение от препятствий и динамическое передвижение.

Посмотрите видео, прикрепленное выше, чтобы увидеть быструю демонстрацию проекта. Следуйте дальше, чтобы создать своего собственного четвероногого робота на базе Arduino, и оставьте голосование в конкурсе «Заставь его двигаться», если проект вам понравился.

Шаг 1. Обзор и процесс проектирования

Четвероногий был разработан в Autodesk, бесплатно использующем программное обеспечение для 3D-моделирования Fusion 360. Я начал с того, что импортировал серводвигатели в конструкцию и построил вокруг них ножки и корпус. Я разработал кронштейны для серводвигателя, которые обеспечивают вторую точку поворота, диаметрально противоположную валу серводвигателя. Наличие двух валов на обоих концах двигателя придает конструкции устойчивость и исключает перекосы, которые могут возникнуть, когда опоры выдерживают некоторую нагрузку. Звенья были предназначены для удержания подшипника, в то время как в кронштейнах использовался болт для вала. После того, как звенья были прикреплены к валам с помощью гайки, подшипник обеспечил бы гладкую и надежную точку поворота на противоположной стороне вала серводвигателя.

Другой целью при разработке четвероногого животного было сделать модель как можно более компактной, чтобы максимально использовать крутящий момент, обеспечиваемый серводвигателями. Размеры звеньев были сделаны для достижения большого диапазона движения при минимальной общей длине. Если сделать их слишком короткими, кронштейны столкнутся, диапазон движения уменьшится, а слишком длинный - приведет к возникновению ненужного крутящего момента на исполнительных механизмах. Наконец, я спроектировал корпус робота, на который будет устанавливаться Arduino и другие электронные компоненты. Я также оставил дополнительные точки крепления на верхней панели, чтобы сделать проект масштабируемым для дальнейших улучшений. Однажды можно было добавить датчики, такие как датчики расстояния, камеры или другие приводимые в действие механизмы, такие как роботизированные захваты.

Примечание. Детали включены в один из следующих шагов.

Шаг 2: Необходимые материалы

Вот список всех компонентов и деталей, необходимых для создания вашего собственного четвероногого робота на базе Arduino. Все детали должны быть общедоступными и легко доступными в местных магазинах бытовой техники или в Интернете.

ЭЛЕКТРОНИКА:

Arduino Uno x 1

Серводвигатель Towerpro MG995 x 12

Arduino Sensor Shield (я рекомендую версию V5, но у меня была версия V4)

Провода перемычки (10 шт.)

MPU6050 IMU (опционально)

Ультразвуковой датчик (опция)

АППАРАТНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ:

Подшипники шариковые (8x19x7мм, 12 шт.)

Гайки и болты M4

Нить для 3D-принтера (в случае, если у вас нет 3D-принтера, в локальной рабочей области должен быть 3D-принтер, или распечатки можно будет сделать онлайн по довольно низкой цене)

Акриловые листы (4 мм)

ИНСТРУМЕНТЫ

3д принтер

Лазерный резак

Самая большая стоимость этого проекта - 12 серводвигателей. Я рекомендую выбрать версию среднего и высокого уровня вместо дешевых пластиковых, поскольку они легко ломаются. Без учета инструментов общая стоимость этого проекта составляет примерно 60 $.

Шаг 3: детали, изготовленные цифровым способом

Детали, необходимые для этого проекта, должны были разрабатываться по индивидуальному заказу, поэтому мы использовали возможности цифровых деталей и САПР для их создания. Большинство деталей напечатано на 3D-принтере, за исключением нескольких, вырезанных лазером из 4-миллиметрового акрила. Отпечатки были сделаны с заполнением 40%, 2 периметра, соплом 0,4 мм и высотой слоя 0,1 мм с PLA. Некоторым деталям требуются опоры, поскольку они имеют сложную форму с выступами, однако опоры легко доступны и могут быть сняты с помощью некоторых фрез. Вы можете выбрать цвет нити на свой вкус. Ниже вы можете найти полный список деталей и STL для печати вашей собственной версии, а также 2D-проекты для деталей, вырезанных лазером.

Примечание. С этого момента детали будут упоминаться по именам из следующего списка.

Детали, напечатанные на 3D-принтере:

• кронштейн сервопривода бедра x 2
• Зеркало на кронштейне сервопривода бедра x 2
• кронштейн сервопривода колена x 2
• Зеркало кронштейна сервопривода колена x 2
• держатель подшипника x 2
• зеркало держателя подшипника x 2
• нога x 4
• звено сервопривода x 4
• несущее звено x 4
• держатель arduino x 1
• держатель датчика расстояния x 1
• L-опора x 4
• подшипниковая втулка x 4
• проставка для сервопривода x 24

Детали, вырезанные лазером:

• панель держателя сервопривода x 2
• верхняя панель x 1

В общей сложности есть 30 деталей, которые необходимо напечатать на 3D-принтере, за исключением различных прокладок, и всего 33 детали, изготовленные цифровым способом. Общее время печати - около 30 часов.

Шаг 4: Подготовка ссылок

Вы можете начать сборку с установки некоторых деталей в начале, что сделает процесс окончательной сборки более управляемым. Начать можно по ссылке. Чтобы сделать звено подшипника, слегка отшлифуйте внутреннюю поверхность отверстий для подшипника, затем вставьте подшипник в отверстия с обоих концов. Обязательно вдавите подшипник до тех пор, пока одна сторона не окажется заподлицо. Чтобы построить звено сервопривода, возьмите два круглых рожка сервопривода и прилагаемые к ним винты. Поместите рожки на 3D-принт и совместите два отверстия, затем прикрутите рожок к 3D-принту, прикрепив винт со стороны 3D-печати. Мне пришлось использовать некоторые напечатанные на 3D-принтере проставки для сервоприводов, поскольку поставляемые винты были немного длинными и пересекались с корпусом серводвигателя во время его вращения. После того, как ссылки построены, вы можете приступить к установке различных держателей и кронштейнов.

Повторите это для всех 4 звеньев обоих типов.

Шаг 5: Подготовка кронштейнов сервопривода

Чтобы установить кронштейн сервопривода колена, просто пропустите 4-миллиметровый болт через отверстие и закрепите его гайкой. Он будет работать как вспомогательная ось двигателя. От кронштейна сервопривода бедра проденьте два болта через два отверстия и закрепите их еще двумя гайками. Затем возьмите еще один круглый рог сервопривода и прикрепите его к немного приподнятой части кронштейна с помощью двух винтов, прилагаемых к рогам. Еще раз я бы порекомендовал вам использовать проставку для сервопривода, чтобы винты не выступали в зазор для сервопривода. Наконец, возьмитесь за часть держателя подшипника и вставьте подшипник в отверстие. Возможно, вам придется слегка отшлифовать внутреннюю поверхность для лучшего прилегания. Затем вставьте подшипник в подшипник так, чтобы деталь держателя подшипника изогнулась.

При сборке кронштейнов обращайтесь к рисункам, приложенным выше. Повторите этот процесс для остальных скоб. Зеркальные похожи, только зеркально все.

Шаг 6: сборка ножек

После того, как все звенья и кронштейны будут собраны, вы можете приступить к сборке четырех ног робота. Начните с крепления сервоприводов к кронштейнам с помощью 4 болтов и гаек M4. Обязательно совместите ось сервопривода с выступающим болтом на другой стороне.

Затем соедините сервопривод бедра с сервоприводом колена, используя соединительную деталь рупора сервопривода. Пока не используйте винт, чтобы закрепить рог на оси серводвигателя, поскольку нам может потребоваться отрегулировать положение позже. С противоположной стороны установите опорную тягу, содержащую два подшипника, на выступающие болты с помощью гаек.

Повторите этот процесс для остальных трех ног, и 4 ноги четвероногого готовы!

Шаг 7: Сборка корпуса

Далее мы можем сосредоточиться на создании тела робота. В корпусе размещены четыре серводвигателя, которые дают ногам третью степень свободы. Начните с использования 4 болтов M4 и носков, чтобы прикрепить сервопривод к панели держателя сервопривода, вырезанной лазером.

Примечание. Убедитесь, что сервопривод прикреплен таким образом, что ось находится на внешней стороне детали, как показано на рисунках, прикрепленных выше. Повторите этот процесс для остальных трех серводвигателей, не забывая об ориентации.

Затем прикрепите L-образные опоры с обеих сторон панели с помощью двух болтов и гаек M4. Эта деталь позволяет нам надежно прикрепить панель держателя сервопривода к верхней панели. Повторите этот процесс с еще двумя L-образными опорами и второй панелью держателя сервопривода, удерживающей второй набор серводвигателей.

После того, как L-образные опоры будут на месте, используйте дополнительные гайки и болты M4, чтобы прикрепить панель держателя сервопривода к верхней панели. Начните с внешнего набора гаек и болтов (вперед и назад). Центральные гайки и болты также удерживают часть держателя Arduino. Используйте четыре гайки и болта, чтобы прикрепить держатель Arduino сверху к верхней панели, и выровняйте болты так, чтобы они также проходили через L-образные опорные отверстия. Обратитесь к изображениям, прикрепленным выше, для пояснений. Наконец, вставьте четыре гайки в прорези на панелях держателя сервопривода и используйте болты, чтобы прикрепить панели держателя сервопривода к верхней панели.

Шаг 8: Собираем все вместе

После того, как ноги и корпус собраны, можно приступать к завершению процесса сборки. Установите четыре ножки на четыре сервопривода с помощью рупоров сервопривода, которые были прикреплены к кронштейну сервопривода бедра. Наконец, используйте детали держателя подшипника для поддержки противоположной оси тазобедренного кронштейна. Проденьте ось через подшипник и зафиксируйте ее болтом. Прикрепите держатели подшипников к верхней панели с помощью двух болтов и гаек M4.

На этом аппаратная сборка квадроцикла готова.

Шаг 9: Электромонтаж и схема

Я решил использовать сенсорный экран, который обеспечивает соединения для серводвигателей. Я бы порекомендовал вам использовать сенсорный экран v5, так как он имеет встроенный порт внешнего источника питания. Однако тот, который я использовал, не имел этой опции. Присмотревшись к экрану датчика более внимательно, я заметил, что экран датчика потребляет питание от 5-вольтового контакта на плате Arduino (что является ужасной идеей, когда речь идет о серводвигателях высокой мощности, поскольку вы рискуете повредить Arduino). Для решения этой проблемы нужно было согнуть вывод 5 В на экране датчика, чтобы он не подключался к выводу 5 В на Arduino. Таким образом, теперь мы можем подавать внешнее питание через вывод 5 В, не повреждая Arduino.

Подключение сигнальных контактов 12 серводвигателей показано в таблице ниже.

Примечание. Hip1Servo - это сервопривод, прикрепленный к корпусу. Hip2Servo - это сервопривод, прикрепленный к ноге.

Нога 1 (вперед влево):

• Hip1Servo >> 2
• Hip2Servo >> 3
• КоленоСерво >> 4

Нога 2 (передняя правая):

• Hip1Servo >> 5
• Hip2Servo >> 6
• КоленоСерво >> 7

Нога 3 (задняя левая):

• Hip1Servo >> 8
• Hip2Servo >> 9
• КоленоСерво >> 10

Нога 4 (задняя правая):

• Hip1Servo >> 11
• Hip2Servo >> 12
• КоленоСерво >> 13

Шаг 10: Начальная настройка

Прежде чем приступить к программированию сложных походок и других движений, нам нужно установить нулевые точки каждого сервопривода. Это дает роботу ориентир, который он использует для выполнения различных движений.

Чтобы избежать повреждений робота, вы можете удалить звенья сервопривода. Затем загрузите код, который прилагается ниже. Этот код помещает каждый из сервоприводов под углом 90 градусов. Как только сервоприводы достигли положения под углом 90 градусов, вы можете повторно прикрепить звенья так, чтобы ноги были совершенно прямыми, а сервопривод, прикрепленный к корпусу, был перпендикулярен верхней панели четвероногого.

На этом этапе из-за конструкции рупоров сервопривода некоторые соединения могут быть не совсем прямыми. Решением является корректировка массива zeroPositions, находящегося в 4-й строке кода. Каждое число представляет собой нулевую позицию соответствующего сервопривода (порядок совпадает с порядком, в котором вы прикрепили сервопривод к Arduino). Немного измените эти значения, пока ноги не станут идеально прямыми.

Примечание. Вот значения, которые я использую, хотя эти значения могут вам не подойти:

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

Шаг 11: Немного о кинематике

Чтобы четвероногие выполняли полезные действия, такие как бег, ходьба и другие движения, сервоприводы должны быть запрограммированы в виде траекторий движения. Пути движения - это пути, по которым движется конечный эффектор (в данном случае ножки). Этого можно добиться двумя способами:

1. Один из подходов - подача углов сочленения различных двигателей методом грубой силы. Этот подход может быть трудоемким, утомительным, а также содержать ошибки, поскольку оценка является чисто визуальной. Вместо этого есть более разумный способ достижения желаемых результатов.
2. Второй подход заключается в подаче координат концевого эффектора, а не всех углов сочленения. Это то, что известно как обратная кинематика. Пользователь вводит координаты, а углы шарниров регулируются, чтобы расположить конечный эффектор в заданных координатах. Этот метод можно рассматривать как черный ящик, который принимает в качестве входных данных координату и выдает углы сочленения. Те, кому интересно, как были разработаны тригонометрические уравнения этого черного ящика, могут посмотреть на диаграмму выше. Для тех, кому это не интересно, уравнения уже запрограммированы и могут использоваться с помощью функции pos, которая принимает в качестве входных данных x, y, z, которое является декартовым местоположением конечного эффектора, и выводит три угла, соответствующие двигателям.

Программа, содержащая эти функции, может быть найдена на следующем шаге.

Шаг 12: Программирование четвероногих

После завершения подключения и инициализации вы можете запрограммировать робота и создать крутые траектории движения, чтобы робот выполнял интересные задачи. Прежде чем продолжить, измените 4-ю строку прилагаемого кода на значения, которые вы установили на этапе инициализации. После загрузки программы робот должен начать ходить. Если вы заметили, что некоторые из суставов перевернуты, вы можете просто изменить соответствующее значение направления в массиве направлений в строке 5 (если оно равно 1, сделайте его -1, а если оно -1, сделайте его 1).

Шаг 13: Окончательные результаты: время экспериментировать

Четвероногий робот может делать шаги длиной от 5 до 2 см. Скорость также можно изменять, сохраняя при этом походку сбалансированной. Этот четвероногий представляет собой надежную платформу для экспериментов с различными другими походками и другими целями, такими как прыжки или выполнение заданий. Я бы порекомендовал вам попробовать изменить траектории движения ног, чтобы создать свои собственные походки и узнать, как различные походки влияют на производительность робота. Я также оставил несколько точек крепления в верхней части робота для дополнительных датчиков, таких как датчики измерения расстояния для задач уклонения от препятствий или IMU для динамической походки по неровной местности. Можно также поэкспериментировать с дополнительной рукой-захватом, установленной на верхней части робота, поскольку робот чрезвычайно стабилен и прочен и не может легко опрокинуться.

Надеюсь, вам понравился этот учебник, и он вдохновил вас на создание своего собственного.

Если вам понравился проект, поддержите его, отказавшись от голосования в конкурсе «Сделай так, чтобы он двигался».

Удачи!

Второй приз конкурса Make it Move 2020