3D Printed Arduino Powered Quadruped Robot: 13 Mga Hakbang (na may Mga Larawan)

2024 May -akda: John Day | [email protected]. Huling binago: 2024-01-30 13:10

Mga Proyekto ng Fusion 360 »

Mula sa mga nakaraang Instructable, maaari mong makita na mayroon akong malalim na interes para sa mga robotic na proyekto. Matapos ang nakaraang Instructable kung saan nagtayo ako ng isang robotic biped, nagpasya akong subukan at gumawa ng isang quadruped robot na maaaring gayahin ang mga hayop tulad ng mga aso at pusa. Sa Instructable na ito, ipapakita ko sa iyo ang disenyo at pagpupulong ng robotic quadruped.

Ang pangunahing layunin habang itinataguyod ang proyektong ito ay upang gawing mas matatag ang system hangga't maaari na habang nag-eeksperimento sa iba't ibang paglalakad at pagpapatakbo ng mga lakad ay hindi ko na patuloy na magalala tungkol sa pagkabigo ng hardware. Pinapayagan akong itulak ang hardware sa limitasyon nito at mag-eksperimento sa mga kumplikadong lakad at galaw. Ang pangalawang layunin ay upang gawing quadruped medyo murang gastos gamit ang madaling magagamit na mga bahagi ng libangan at pag-print ng 3D na pinapayagan para sa mabilis na prototype. Ang dalawang layunin na ito ay pinagsama ay nagbibigay ng isang matatag na pundasyon upang maisagawa ang iba't ibang mga eksperimento, na hinahayaan ang isa na paunlarin ang quadruped para sa mas tiyak na mga kinakailangan tulad ng pag-navigate, pag-iwas sa balakid at pabagu-bagong lokomotion.

Suriin ang nakalakip na video sa itaas upang makita ang isang mabilis na demo ng proyekto. Sundin upang lumikha ng iyong sariling Arduino Powered Quadruped Robot at i-drop ang isang boto sa "Make it Mov Contest" kung gusto mo ang proyekto.

Hakbang 1: Pangkalahatang-ideya at Proseso ng Disenyo

Ang quadruped ay dinisenyo sa Autodesk's libre upang magamit ang Fusion 360 3d modeling software. Nagsimula ako sa pamamagitan ng pag-import ng mga motor na servo sa disenyo at itinayo ang mga binti at katawan sa paligid nila. Nagdisenyo ako ng mga braket para sa motor ng servo na nagbibigay ng pangalawang point ng pivot na diametrically kabaligtaran ng baras ng servo motor. Ang pagkakaroon ng dalawahang mga shaft sa magkabilang dulo ng motor ay nagbibigay ng katatagan sa istruktura sa disenyo at tinatanggal ang anumang pag-skewing na maaaring mangyari kapag ang mga binti ay ginawang tumagal. Ang mga link ay idinisenyo upang humawak ng isang tindig habang ang mga braket ay gumamit ng isang bolt para sa baras. Kapag na-mount ang mga link sa mga shaft gamit ang isang nut, ang tindig ay magbibigay ng isang makinis at matatag na pivot point sa kabaligtaran ng servo motor shaft.

Ang isa pang layunin habang ang pagdidisenyo ng quadruped ay upang mapanatili ang modelo bilang compact hangga't maaari upang magamit ang maximum na metalikang kuwintas na ibinigay ng mga motor na servo. Ang mga sukat ng mga link ay ginawa upang makamit ang isang malaking hanay ng paggalaw habang pinapaliit ang pangkalahatang haba. Ang paggawa ng mga ito masyadong maikli ay gagawa ng mga braket na mabangga, mabawasan ang saklaw ng paggalaw, at gawin itong masyadong mahaba ay magbibigay ng hindi kinakailangang metalikang kuwintas sa mga actuator. Sa wakas, dinisenyo ko ang katawan ng robot kung saan ang Arduino at iba pang mga elektronikong sangkap ay mai-mount. Nag-iwan din ako ng mga karagdagang mounting point sa tuktok na panel upang maisukat ang proyekto para sa karagdagang mga pagpapabuti. Ang isang beses ay maaaring magdagdag ng mga sensor tulad ng mga distansya na sensor, camera o iba pang mga aktibong mekanismo tulad ng mga robotic griper.

Tandaan: Ang mga bahagi ay kasama sa isa sa mga sumusunod na hakbang.

Hakbang 2: Kailangan ng Mga Materyales

Narito ang listahan ng lahat ng mga bahagi at bahagi na kinakailangan upang makagawa ng iyong sariling Arduino Powered Quadruped Robot. Ang lahat ng mga bahagi ay dapat na karaniwang magagamit at madaling makahanap sa mga lokal na tindahan ng hardware o online.

Elektroniko:

Arduino Uno x 1

Towerpro MG995 servo motor x 12

Arduino Sensor Shield (Inirerekumenda ko ang bersyon ng V5 ngunit mayroon akong bersyon na V4)

Jumper Wires (10 piraso)

MPU6050 IMU (opsyonal)

Ultrasonic Sensor (opsyonal)

HARDWARE:

Ball Bearings (8x19x7mm, 12 piraso)

M4 na mani at bolts

3D filament filament (kung sakaling hindi ka nagmamay-ari ng isang 3D printer, dapat mayroong isang 3D printer sa isang lokal na workspace o ang mga kopya ay maaaring gawin sa online para sa medyo murang)

Mga Acrylic Sheet (4mm)

TOOLS

3d printer

Laser pamutol

Ang pinakamahalagang gastos sa proyektong ito ay ang 12 servo motor. Inirerekumenda ko ang pagpunta sa mid range hanggang sa mataas na saklaw na bersyon sa halip na gamitin ang murang plastik dahil madalas silang masira. Hindi kasama ang mga tool, ang kabuuang gastos ng proyektong ito ay humigit-kumulang na $ 60.

Hakbang 3: Mga Bahaging Digitally Fabricated

Ang mga bahagi na kinakailangan para sa proyektong ito ay dapat na pasadyang nakadisenyo samakatuwid ginamit namin ang lakas ng mga digital na gawa-gawang bahagi at CAD upang maitayo ang mga ito. Karamihan sa mga bahagi ay naka-print na 3D bukod sa iilan na pinutol ng laser ng 4mm acrylic. Ang mga kopya ay ginawa sa 40% infill, 2 perimeter, 0.4mm nozzle, at isang layer taas na 0.1mm na may PLA. Ang ilan sa mga bahagi ay nangangailangan ng mga suporta dahil mayroon silang isang kumplikadong hugis na may mga overhang, gayunpaman, ang mga suporta ay madaling ma-access at maaaring alisin gamit ang ilang mga cutter. Maaari mong piliin ang kulay na iyong pinili ng filament. Sa ibaba makikita mo ang kumpletong listahan ng mga bahagi at mga STL upang mai-print ang iyong sariling bersyon at ang mga disenyo ng 2D para sa mga bahagi ng hiwa ng laser.

Tandaan: Mula dito sa mga bahagi ay tatukoy sa paggamit ng mga pangalan sa sumusunod na listahan.

Mga naka-print na bahagi ng 3D:

• balakang servo bracket x 2
• salamin ng braket ng servo ng balakang x 2
• braso ng servo ng tuhod x 2
• mirror ng braso ng servo ng tuhod x 2
• may hawak ng tindig x 2
• may hawak na salamin ng salamin x 2
• binti x 4
• link ng servo sungay x 4
• link ng tindig x 4
• may-ari ng arduino x 1
• distansya sensor may hawak x 1
• L-suporta x 4
• nagdadala ng bush x 4
• servo sungay spacer x 24

Mga bahagi na pinutol ng laser:

• panel ng may hawak ng servo x 2
• tuktok na panel x 1

Sa kabuuan, mayroong 30 mga bahagi na kailangang naka-print na 3D hindi kasama ang iba't ibang mga spacer, at 33 na digital na gawa ng mga bahagi sa kabuuan. Ang kabuuang oras ng pag-print ay halos 30 oras.

Hakbang 4: Paghahanda ng Mga Link

Maaari mong simulan ang pagpupulong sa pamamagitan ng pagse-set up ng ilang mga bahagi sa simula na gagawing mas madaling pamahalaan ang panghuling proseso ng pagpupulong. Maaari kang magsimula sa link. Upang gawin ang link ng tindig, gaanong buhangin ang panloob na ibabaw ng mga butas para sa tindig pagkatapos ay itulak ang tindig sa butas sa magkabilang dulo. Siguraduhin na itulak ang tindig hanggang sa ang isang gilid ay mapula. Upang mabuo ang link ng servo sungay, kumuha ng dalawang pabilog na servo na sungay at mga tornilyo na kasama nito. Ilagay ang mga sungay sa 3D print at i-line up ang dalawang butas, susunod na i-tornilyo ang sungay papunta sa 3D print sa pamamagitan ng paglakip ng tornilyo mula sa panig ng 3D na naka-print. Kailangan kong gumamit ng ilang naka-print na 3D na servo sungay spacer dahil ang mga tornilyo na ibinibigay ay medyo mahaba at makikipag-intersect sa katawan ng servo motor habang umiikot ito. Kapag naitayo ang mga link maaari mong simulan upang i-set up ang iba't ibang mga may hawak at braket.

Ulitin ito para sa lahat ng 4 na mga link ng parehong uri.

Hakbang 5: Paghahanda ng Mga Servo Bracket

Upang mai-set up ang bracket ng servo ng tuhod, ipasa lamang ang isang 4mm bolt sa butas at i-fasten ito ng isang nut. Ito ay gagana bilang pangalawang ehe para sa motor. Mula sa hip servo bracket, ipasa ang dalawang bolts sa dalawang butas at i-fasten ang mga ito ng dalawa pang mga nut. Susunod, kumuha ng isa pang pabilog na servo sungay at ilakip ito sa bahagyang nakataas na seksyon ng bracket gamit ang dalawang mga turnilyo na kasama ng mga sungay. Muli ay inirerekumenda kong gamitin mo ang servo sungay spacer upang ang mga turnilyo ay hindi lumabas sa puwang para sa servo. Panghuli, kunin ang bahagi ng may-ari ng tindig at itulak ang isang tindig sa butas. Maaaring kailanganin mong gaanong buhangin ang panloob na ibabaw para sa isang mahusay na akma. Susunod, itulak ang isang tindig na itulak sa tindig patungo sa baluktot na piraso ng may-ari ng tindig.

Sumangguni sa mga larawan na nakakabit sa itaas habang itinatayo ang mga braket. Ulitin ang prosesong ito para sa natitirang mga braket. Ang mga naka-mirror ay magkatulad, lahat lamang ay nakasalamin.

Hakbang 6: Pag-iipon ng mga binti

Kapag ang lahat ng mga link at braket ay tipunin, maaari mong simulang buuin ang apat na binti ng robot. Magsimula sa pamamagitan ng paglakip ng mga servos papunta sa mga braket gamit ang 4 x M4 bolts at nut. Tiyaking ihanay ang ehe ng servo sa nakausli na bolt sa kabilang panig.

Susunod, i-link ang servo ng balakang sa servo ng tuhod gamit ang piraso ng link ng servo sungay. Huwag gumamit ng isang tornilyo upang ma-secure ang sungay sa servo motor axle dahil maaaring kailanganin nating ayusin ang posisyon sa paglaon. Sa kabaligtaran, i-mount ang link ng tindig na naglalaman ng dalawang bearings papunta sa nakausli na mga bolt gamit ang mga mani.

Ulitin ang prosesong ito para sa natitirang bahagi ng tatlong mga binti at ang 4 na mga binti para sa quadruped ay handa na!

Hakbang 7: Pagtitipon sa Katawan

Susunod, maaari kaming tumuon sa pagbuo ng katawan ng robot. Naglalagay ang katawan ng apat na servo motor na nagbibigay sa mga binti ng kanilang ika-3 antas ng kalayaan. Magsimula sa pamamagitan ng paggamit ng 4 x M4 bolts at buts upang ikabit ang servo sa panel ng may hawak ng laser cut servo.

Tandaan: Siguraduhin na ang servo ay nakakabit tulad ng ang ehe ay nasa panlabas na bahagi ng piraso tulad ng nakikita sa mga larawan na nakakabit sa itaas. Ulitin ang prosesong ito para sa natitirang tatlong servo motor na isinasaalang-alang ang oryentasyon.

Susunod, ikabit ang mga L-support sa magkabilang panig ng panel gamit ang dalawang M4 nut at bolts. Pinapayagan kami ng piraso na ito na matatag na ma-secure ang panel ng may hawak ng servo sa tuktok na panel. Ulitin ang prosesong ito gamit ang dalawa pang mga L-support at ang pangalawang panel ng may hawak ng servo na humahawak sa pangalawang hanay ng mga servo motor.

Kapag ang L suporta ay nasa lugar na, gumamit ng higit pang mga M4 nut at bolts upang ikabit ang panel ng may hawak ng servo sa tuktok na panel. Magsimula sa panlabas na hanay ng mga nut at bolts (patungo sa harap at likod). Ang sentral na mga mani at bolt ay pinipigilan din ang piraso ng may-ari ng arduino. Gumamit ng apat na nut at bolts upang ikabit ang may-ari ng arduino mula sa itaas papunta sa tuktok na panel at ihanay ang mga bolt upang dumaan din sila sa mga butas ng suporta ng L. Sumangguni sa mga imaheng nakalakip sa itaas para sa mga paglilinaw. Sa wakas ay i-slide ang apat na mga mani sa mga puwang sa mga panel ng may hawak ng servo at gumamit ng mga bolt upang ma-secure ang mga panel ng may hawak ng servo sa tuktok na panel.

Hakbang 8: Pagsasama-sama sa Lahat ng Ito

Kapag ang mga binti at katawan ay tipunin maaari kang magsimula upang makumpleto ang proseso ng pagpupulong. I-mount ang apat na binti sa apat na servos gamit ang mga sungay ng servo na nakakabit sa balakang na servo bracket. Panghuli, gamitin ang mga piraso ng may-ari ng tindig upang suportahan ang kabaligtaran ng ehe ng balakang bracket. Ipasa ang ehe sa tindig at gumamit ng isang bolt upang ma-secure ito sa lugar. Ikabit ang mga may hawak ng tindig sa tuktok na panel gamit ang dalawang M4 na mani at bolts.

Sa pamamagitan nito ang hardware ng pagpupulong ng quaduped ay handa na.

Hakbang 9: Mga Kable at Circuit

Nagpasya akong gumamit ng isang kalasag ng sensor na nagbibigay ng mga koneksyon para sa mga motor na servo. Inirerekumenda ko na gamitin mo ang sensor shield v5 dahil nagtatampok ito ng isang onboard external power supply port. Gayunpaman, ang ginamit ko ay walang pagpipiliang ito. Sa pagtingin sa kalasag ng sensor nang mas malapit, napansin ko na ang kalasag ng sensor ay kumukuha ng lakas mula sa onboard 5v pin ng Arduino (na kung saan ay isang kahila-hilakbot na ideya pagdating sa mga motor na may mataas na kapangyarihan na servo dahil nanganganib kang mapahamak ang Arduino). Ang pag-aayos sa problemang ito ay upang yumuko ang 5v pin sa sensor kalasag sa labas ng paraan upang hindi ito kumonekta sa 5v pin ng Arduino. Sa ganitong paraan, maaari na kaming makapagbigay ng panlabas na lakas sa pamamagitan ng 5v pin nang hindi nakakasira sa Arduino.

Ang mga koneksyon ng mga signal pin ng 12 servo motors ay ipinahiwatig sa talahanayan sa ibaba.

Tandaan: Ang Hip1Servo ay tumutukoy sa servo na nakakabit sa katawan. Ang Hip2Servo ay tumutukoy sa servo na nakakabit sa binti.

Leg 1 (pasulong sa kaliwa):

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

Leg 2 (pasulong sa kanan):

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

Leg 3 (likod sa kaliwa):

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

Leg 4 (likod sa kanan):

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

Hakbang 10: Paunang Pag-set up

Bago simulan ang programa ng mga kumplikadong lakad at iba pang mga paggalaw, kailangan naming i-set up ang mga zero point ng bawat servo. Binibigyan nito ang robot ng isang sanggunian na ginagamit nito upang maisagawa ang iba't ibang mga paggalaw.

Upang maiwasan ang mga pinsala sa robot maaari mong alisin ang mga link ng servo sungay. Susunod, i-upload ang code na nakakabit sa ibaba. Inilalagay ng code na ito ang bawat servo sa 90 degree. Kapag naabot ng mga servos ang posisyon na 90-degree maaari mong muling ikabit ang mga link na ang mga binti ay perpektong tuwid at ang servo na nakakabit sa katawan ay patayo sa tuktok na panel ng quadruped.

Sa puntong ito, dahil sa disenyo ng mga sungay ng servo, ang ilan sa mga kasukasuan ay maaaring hindi pa rin perpekto na tuwid. Ang solusyon dito ay upang ayusin ang zeroPositions array na matatagpuan sa ika-4 na linya ng code. Ang bawat numero ay kumakatawan sa zero na posisyon ng kaukulang servo (ang pagkakasunud-sunod ay pareho sa pagkakasunud-sunod kung saan mo ikinabit ang servo sa Arduino). Tweak ang mga halagang ito nang kaunti hanggang sa ganap na tuwid ang mga binti.

Tandaan: Narito ang mga halagang ginagamit ko bagaman ang mga halagang ito ay maaaring hindi gumana para sa iyo:

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

Hakbang 11: Medyo Tungkol sa Kinematics

Upang maisagawa ang quadruped na may kapaki-pakinabang na mga aksyon tulad ng pagtakbo, paglalakad, at iba pang mga paggalaw ang mga servo ay kailangang i-program sa anyo ng mga landas ng paggalaw. Ang mga path ng paggalaw ay mga landas na kasama kung saan ang end effector (ang mga paa sa kasong ito) ay naglalakbay kasama. Mayroong dalawang paraan upang makamit ito:

1. Ang isang diskarte ay upang pakainin ang magkasanib na mga anggulo ng iba't ibang mga motor sa isang mabangis na paraan ng puwersa. Ang diskarte na ito ay maaaring gumugol ng oras, nakakapagod, at puno din ng mga pagkakamali dahil ang paghuhukom ay pulos visual. Sa halip, mayroong isang mas matalinong paraan ng pagkamit ng nais na mga resulta.
2. Ang ikalawang diskarte ay umiikot sa pagpapakain ng mga coordinate ng end effector sa halip na lahat ng magkasanib na mga anggulo. Ito ang kilala bilang Inverse Kinematics. Ang mga gumagamit ay nagko-input ng mga coordinate at ang magkasanib na mga anggulo ayusin upang iposisyon ang end effector sa tinukoy na mga coordinate. Ang pamamaraang ito ay maaaring isaalang-alang bilang isang itim na kahon na kumukuha ng mga input ng isang coordinate at naglalabas ng magkasanib na mga anggulo. Para sa mga interesado sa kung paano binuo ang mga equation ng trigonometric ng itim na kahon na ito ay maaaring tingnan ang diagram sa itaas. Para sa mga hindi interesado, ang mga equation ay naka-program na at maaaring magamit gamit ang pos function na tumatagal bilang input x, y, z, na kung saan ay ang lokasyon ng cartesian ng end effector at naglalabas ng tatlong mga anggulo na naaayon sa mga motor.

Ang program na naglalaman ng mga pagpapaandar na ito ay maaaring matagpuan sa susunod na hakbang.

Hakbang 12: Programming ang Quadruped

Kapag kumpleto na ang mga kable at pagsisimula, maaari mong i-program ang robot at makabuo ng mga cool na landas ng paggalaw upang ang robot ay gumaganap ng mga kagiliw-giliw na gawain. Bago ka magpatuloy, baguhin ang ika-4 na linya sa naka-attach na code sa mga halagang itinakda mo sa hakbang sa pagsisimula. Matapos i-upload ang programa, dapat magsimulang maglakad ang robot. Kung napansin mo na ang ilan sa mga kasukasuan ay baligtad maaari mong baguhin ang kaukulang halaga ng direksyon sa direksyon ng direksyon sa linya 5 (kung ito ay 1 gawin itong -1 at kung ito ay -1 gawin itong 1).

Hakbang 13: Pangwakas na Mga Resulta: Oras sa Eksperimento

Ang quadruped robot ay maaaring gumawa ng mga hakbang na nag-iiba mula 5 hanggang 2 cms ang haba. Ang bilis din ay maaaring iba-iba habang pinapanatili ang balanse ng lakad. Ang quadruped na ito ay nagbibigay ng isang matatag na platform upang mag-eksperimento sa iba't ibang mga lakad at iba pang mga layunin tulad ng paglukso o kumpletong mga gawain. Inirerekumenda ko sa iyo na subukang baguhin ang mga galaw ng galaw ng mga binti upang lumikha ng iyong sariling mga lakad at tuklasin kung paano nakakaapekto ang iba't ibang mga lakad sa pagganap ng robot. Nag-iwan din ako ng maraming mga mounting point sa tuktok ng robot para sa karagdagang sensor tulad ng mga sensor ng distansya sa pagsukat para sa mga gawain sa pag-iwas sa balakid o IMU para sa mga dinamikong lakad sa hindi pantay na lupain. Maaari ring mag-eksperimento ang isa sa isang karagdagang braso ng gripper na naka-mount sa tuktok ng robot dahil ang robot ay lubos na matatag at matatag at hindi madaling magtapos.

Inaasahan kong nasiyahan ka sa Instructable na ito at napasigla ka nitong bumuo ng sarili mo.

Kung nagustuhan mo ang proyekto suportahan ito sa pamamagitan ng pag-drop ng isang boto sa "Make it Move Contest".

Maligayang Paggawa!

Pangalawang Gantimpala sa Make it Move Contest 2020