Arduino נשלט רובוטי דו כיווני: 13 שלבים (עם תמונות)

2024 מְחַבֵּר: John Day | [email protected]. שונה לאחרונה: 2024-01-30 09:12

פרויקטים של Fusion 360 »

תמיד סיקרן אותי רובוטים, במיוחד מהסוג שמנסה לחקות מעשים אנושיים. עניין זה הוביל אותי לנסות לעצב ולפתח רובוטים דו -רגליים שיכולים לחקות הליכה וריצה אנושיים. במדריך זה אראה לכם את העיצוב וההרכבה של הרגליים הרובוטיות.

המטרה העיקרית בעת בניית הפרויקט הזה הייתה להפוך את המערכת לחזקה ככל האפשר כך שבעוד התנסות בהליכות הליכה וריצה שונות, לא אצטרך לדאוג כל הזמן שהחומרה תקלה. זה איפשר לי לדחוף את החומרה לגבול שלה. מטרה משנית הייתה להפוך את בעלות הזול יחסית בעלות נמוכה יחסית באמצעות חלקי תחביב זמינים והדפסה תלת מימדית ותשאיר מקום לשדרוגים והרחבות נוספות. שתי מטרות אלה יחד מספקות בסיס איתן לביצוע ניסויים שונים, ומאפשרות לאדם לפתח דרישות דו -רגליים לדרישות ספציפיות יותר.

המשך כדי ליצור משלך Arduino נשלט רובוטי Biped ולעשות הצבעה ב "תחרות Arduino" אם אהבת את הפרויקט.

שלב 1: תהליך עיצוב

הרגליים הומנואידיות תוכננו בתוכנת דוגמנות תלת מימד Fusion 360 החופשית לשימוש של Autodesk. התחלתי בייבוא מנועי הסרוו לתוך העיצוב ובניתי את הרגליים סביבן. עיצבתי סוגריים עבור מנוע הסרוו המספק נקודת ציר שנייה הפוכה באופן קוטר לציר מנוע הסרוו. בעל פירים כפולים משני קצות המנוע מעניק יציבות מבנית לעיצוב ומונע כל הטייה שעלולה להתרחש כאשר הרגליים נאלצות לסבול קצת עומס. החוליות נועדו להחזיק מסב בזמן שהסוגריים השתמשו בברג לפיר. ברגע שהחוליות היו מותקנות על הפירים באמצעות אגוז, המסב יספק נקודת ציר חלקה וחזקה בצד הנגדי של פיר מנוע הסרוו.

מטרה נוספת בעת עיצוב הדו -רגליים הייתה להשאיר את הדגם קומפקטי ככל האפשר על מנת לנצל את המומנט המסופק על ידי מנועי הסרוו. ממדי הקישורים נועדו להשיג טווח תנועה גדול תוך צמצום האורך הכולל. הפיכתם לקצרים מדי תגרום להתנגשות הסוגריים, צמצום טווחי התנועה והפיכתה לארוכה מדי תפעיל מומנט מיותר על המפעילים. לבסוף, עיצבתי את גוף הרובוט שעליו יתנוססו הארדואינו ורכיבים אלקטרוניים אחרים.

הערה: החלקים כלולים באחד השלבים הבאים.

שלב 2: תפקידו של הארדואינו

בפרויקט זה נעשה שימוש באנו ארדואינו. הארדואינו היה אחראי לחשב את נתיבי התנועה של ההליכות השונות שנבדקו והורה למפעילים לנוע לזוויות מדויקות במהירות מדויקת ליצירת תנועת הליכה חלקה. Arduino היא בחירה מצוינת לפיתוח פרויקטים בגלל הרבגוניות שלה. הוא מספק חבורה של סיכות IO וגם מספק ממשקים כגון סדרתי, I2C ו- SPI לתקשורת עם מיקרו -בקרים וחיישנים אחרים. ה- Arduino מספק גם פלטפורמה מצוינת לאב טיפוס מהיר ובדיקות וגם נותן למפתחים מקום לשיפורים והרחבה. בפרויקט זה, גרסאות נוספות יכללו יחידת מדידת אינרציה לעיבוד תנועה כגון זיהוי נפילה ותנועה דינמית בשטח לא אחיד וחיישן מדידת מרחק למניעת מכשולים.

ה- Arduino IDE שימש לפרויקט זה. (Arduino מספק גם IDE מבוסס אינטרנט)

הערה: ניתן להוריד את התוכניות של הרובוט מאחד השלבים הבאים.

שלב 3: חומרים דרושים

להלן רשימת כל הרכיבים והחלקים הנדרשים לייצור רובוט דו -פדלי המונע על ידי ארדואינו. כל החלקים צריכים להיות זמינים וקלים לאיתורם.

מכשירי חשמל:

Arduino Uno x 1

מנוע סרוו Tower99 MG995 x 6

פרבורד (גודל דומה לארדואינו)

סיכות כותרת לזכר ולנקבה (בערך 20 מכל אחת)

חוטי מגשר (10 חלקים)

MPU6050 IMU (אופציונלי)

חיישן קולי (אופציונלי)

חוּמרָה:

מיסב סקייטבורד (8x19x7 מ"מ)

ברגים וברגים M4

נימה של מדפסת תלת מימד (במידה ואין ברשותך מדפסת תלת מימד, צריכה להיות מדפסת תלת מימד בסביבת עבודה מקומית או שניתן לבצע את ההדפסות באינטרנט בזול למדי)

לא כולל מדפסת Arduino ו- 3D העלות הכוללת של הפרויקט היא 20 $.

שלב 4: חלקים מודפסים בתלת מימד

החלקים הנדרשים לפרויקט זה היו צריכים להיות בעיצוב אישי ולכן מדפסת תלת מימד שימשה להדפיס אותם. ההדפסים נעשו במילוי של 40%, 2 היקפים, חריר 0.4 מ"מ וגובה שכבה של 0.1 מ"מ עם PLA, צבע לבחירתך. להלן תוכל למצוא את רשימת החלקים המלאה ואת ה- STLs להדפסת גרסה משלך.

הערה: מכאן ואילך החלקים יופנו באמצעות השמות ברשימה.

• מחזיק סרוו לרגליים x 1
• מראה מחזיק סרוו לרגל x 1
• מחזיק סרוו ברכיים x 1
• מראה מחזיק סרוו הברך x 1
• מחזיק סרוו לרגליים x 1
• מראה מחזיק סרוו לרגל x 1
• חוליה נושאת x 2
• קישור סרוו סרוו x 2
• קישור לרגל x 2
• גשר x 1
• הר אלקטרוניקה x 1
• מרווח אלקטרוניקה x 8 (אופציונלי)
• מרחב קרן סרוו x 12 (אופציונלי)

בסך הכל, למעט המרווחים, יש 14 חלקים. זמן ההדפסה הכולל הוא כ -20 שעות.

שלב 5: הכנת סוגרי סרוו

לאחר הדפסת כל החלקים תוכל להתחיל בהגדרת סרוויים וסוגריים של סרוו. דחוף תחילה מיסב למחזיק סרוו הברך. ההתאמה צריכה להיות צמודה אך הייתי ממליץ לשייף מעט את המשטח הפנימי של החור במקום לאלץ את המסב שעלול להסתכן בשבירת החלק. לאחר מכן העבר בורג M4 דרך החור והדק אותו בעזרת אגוז. לאחר מכן, תפס את הקישור לכף הרגל והצמד אליו קרן סרוו עגולה באמצעות הברגים המצורפים. חבר את הקישור לכף הרגל למחזיק סרוו הברכיים באמצעות הברגים בהם תשתמש כדי לחבר גם את מנוע הסרוו. הקפד ליישר את המנוע כך שהפיר יהיה באותו צד של הבורג שהצמדת קודם לכן. לבסוף אבטח את הסרוו עם שאר האומים והברגים.

עשו את אותו הדבר עם מחזיק סרוו הירך ומחזיק סרוו הרגליים. עם זאת, אמור להיות לך שלושה מנוע סרוו והסוגריים המתאימים להם.

הערה: אני מספק הנחיות לבניית רגל אחת, השנייה פשוט משתקפת.

שלב 6: הכנת חתיכות הקישור

לאחר הרכבת הסוגריים, התחל ליצור את הקישורים. כדי ליצור את הקישור הנושא, שוב חול קלות את המשטח הפנימי של החורים למסב ואז דחף את המסב לתוך החור משני הצדדים. הקפד לדחוף את המיסב פנימה עד שהצד אחד סומק. כדי לבנות את קישור קרן הסרוו, אחזו בשתי קרני סרוו עגולות ובברגים המצורפים. מניחים את הקרניים על הדפס התלת -ממד ומיישרים את החורים, ומברגים את הצופר על ההדפסה התלת -ממדית על ידי הצמדת הבורג מצד הדפס התלת -ממד. אני ממליץ להשתמש ברווח מקרן סרוו מודפס בתלת מימד עבור ברגים אלה. לאחר בניית הקישורים תוכל להתחיל בהרכבת הרגל.

שלב 7: הרכבת הרגליים

לאחר חיבור הקישורים והסוגריים, ניתן לשלב אותם לבניית רגל הרובוט. ראשית, השתמש בקישור צופר הסרוו כדי לחבר את סוגר סרוו הירך ותושבת סרוו הברך יחד. הערה: אל תברג את הצופר לסרוו עדיין מכיוון שיש שלב התקנה בשלב הבא וזה יהווה אי נוחות אם הקרן תוברג על מנוע הסרוו.

בצד הנגדי הרכיבו את חולית הנושא על הברגים הבולטים באמצעות אגוזים. לבסוף, חבר את סוגר סרוו הרגליים על ידי החדרת הבורג הבולט דרך המסב על מחזיק סרוו הברך. ותקן את פיר סרוו לצופר הסרווו המחובר למחזיק סרוו הברך בצד השני. זו עשויה להיות משימה מסובכת והייתי ממליץ על זוג ידיים שנייה לשם כך.

חזור על השלבים עבור הרגל השנייה. השתמש בתמונות המצורפות לכל שלב כהפניה.

שלב 8: PCB וחיווט מותאם אישית

זהו שלב אופציונלי. כדי להפוך את החיווט מסודר החלטתי לעשות PCB מותאם אישית באמצעות לוח perf וסיכות כותרת. ה- PCB מכיל יציאות לחיבור ישיר של חוטי מנוע הסרוו. בנוסף, השארתי גם יציאות נוספות למקרה שארצה להרחיב ולהוסיף חיישנים נוספים כגון יחידות מדידה אינרטיבית או חיישני מרחק קולי. הוא מכיל גם יציאה למקור הכוח החיצוני הנדרש להפעלת מנועי הסרוו. חיבור מגשר משמש למעבר בין USB לחשמל חיצוני עבור Arduino. הר את ה- Arduino וה- PCB לשני צדי הר האלקטרוניקה באמצעות ברגים ומרווחים המודפסים בתלת -ממד.

הערה: הקפד לנתק את המגשר לפני חיבור ה- Arduino למחשב שלך באמצעות USB. אי עשייה זו עלולה לגרום לפגיעה בארדואינו.

אם תחליט לא להשתמש ב- PCB ובמקום זאת להשתמש בלוח להלן חיבורי הסרוו:

• ירך שמאל >> סיכה 9
• ירך ימין >> סיכה 8
• ברך שמאל >> סיכה 7
• ברך ימין >> סיכה 6
• רגל שמאל >> סיכה 5
• רגל ימין >> סיכה 4

אם בכל זאת תחליט לגרום למחשב הלוח לפעול לפי אותו הסדר שלמעלה באמצעות יציאות הלוח מימין לשמאל כאשר יציאת ה- IMU פונה כלפי מעלה. והשתמש בחוטי מגשר רגילים של זכר לנקבה כדי לחבר את הלוח המודפס לארדואינו באמצעות מספרי הסיכה לעיל. הקפד לחבר גם את סיכה הארקה וליצור את אותו פוטנציאל הארקה ופין Vin כאשר תחליט להפעיל אותו ללא מתח USB.

שלב 9: הרכבת הגוף

לאחר הרכבת שני הרגליים והאלקטרוניקה, שלבו אותן יחד לבניית גוף הרובוט. השתמש ביצירת הגשר כדי לקשר את שתי הרגליים יחד. השתמש באותם חורי הרכבה על מחזיק סרוו הירך ובאגוזים וברגים שמחזיקים את מנוע הסרוו. לבסוף, חבר את הר האלקטרוניקה לגשר. מסדר את החורים בגשר ואלקטרוניקה והשתמש באומים ובברגים M4 כדי ליצור את המפרק.

עיין בתמונות המצורפות לעזרה. בכך השלמת את בניית החומרה של הרובוט. לאחר מכן, בואו נקפוץ לתוכנה ונחיה את הרובוט לחיים.

שלב 10: התקנה פנימית

מה ששמתי לב בעת בניית הפרויקט הזה הוא שמנועי הסרוו והקרניים לא צריכים להתיישר בצורה מושלמת כדי להישאר מקבילים יחסית. זו הסיבה מדוע יש להתאים את "המיקום המרכזי" של כל מנוע סרוו באופן ידני כדי ליישר קו עם הרגליים. כדי להשיג זאת הסר את קרני הסרו מכל סרוו והפעל את הסקיצה initial_setup.ino. לאחר שהתיישבו המנועים במיקומם המרכזי, חברו מחדש את הקרניים כך שהרגליים ישרות לחלוטין והרגל מקבילה לחלוטין לאדמה. אם זה המצב יש לך מזל. אם לא פתח את הקובץ constants.h שנמצא בכרטיסייה הסמוכה ושנה את ערכי קיזוז הסרוו (שורות 1-6) עד שהרגליים מיושרות בצורה מושלמת והרגל שטוחה. שחקו עם הערכים ותקבלו מושג לגבי מה שצריך במקרה שלכם.

לאחר קביעת הקבועים, שים לב לערכים אלה מכיוון שהם יהיו נחוצים בהמשך.

עיין בתמונות לעזרה.

שלב 11: קצת על הקינמטיקה

בכדי לגרום לאלמנטים לבצע פעולות שימושיות כגון ריצה והליכה יש לתכנת את ההליכים השונים בצורה של נתיבי תנועה. שבילי תנועה הם שבילים שלאורכם מוביל קצה (כפות הרגליים במקרה זה). ישנן שתי דרכים להשיג זאת:

1. גישה אחת תהיה להאכיל את זוויות המפרק של המנועים השונים באופן כוחני. גישה זו יכולה להיות גוזלת זמן, מייגעת וגם מלאה טעויות שכן השיפוט הוא ויזואלי בלבד. במקום זאת, יש דרך חכמה יותר להשיג את התוצאות הרצויות.
2. הגישה השנייה סובבת סביב הזנת הקואורדינטות של מפתח הקצה במקום כל זוויות המפרק. זהו מה שמכונה קינמטיקה הפוכה. המשתמש מכניס קואורדינטות וזוויות המפרק מתאימות למיקום משפיע הקצה בקואורדינטות שצוינו. שיטה זו יכולה להיחשב כקופסה שחורה שלוקחת כקלט מתאם ומוציאה את זוויות המפרק. למי שמעוניין כיצד פותחו המשוואות הטריגונומטריות של הקופסה השחורה הזו יכול להסתכל על התרשים למעלה. למי שאינו מעוניין, המשוואות כבר מתוכנתות וניתן להשתמש בהן באמצעות פונקציית ה- pos שלוקחת כקלט x, z ויוצאת שלוש זוויות המתאימות למנועים.

ניתן למצוא את התוכנית המכילה פונקציות אלה בשלב הבא.

שלב 12: תכנות הארדואינו

לפני שתכנת את הארדואינו, יש לבצע שינויים קלים בקובץ. זוכר את הקבועים שביקשתי ממך להוריד פתק? שנה את אותם קבועים לערכים שהגדרת בקובץ constants.h.

הערה: אם השתמשת בעיצובים המסופקים במדריך זה, אין לך מה לשנות. במידה ויש מכם שעשו עיצובים משלהם תצטרכו לשנות עוד כמה ערכים יחד עם הקיזוזים. הקבוע l1 מודד את המרחק בין ציר הירך לציר הברך. L2 הקבוע מודד את המרחק בין ציר הברך לציר הקרסול. אז אם עיצבת מודל משלך, מדוד את האורך הזה ושנה את הקבועים. שני הקבועים האחרונים משמשים את ההליכות. קבוע stepCleanance מודד עד כמה הרגל תתרומם בזמן ההתקדמות לאחר צעד, וקבוע ה- StepHeight מודד את הגובה מהקרקע אל הירך תוך כדי צעדים.

לאחר שינוי כל הקבועים בהתאם לצורך שלך, תוכל להעלות את התוכנית הראשית. התוכנית הראשית פשוט מאתחלת את הרובוט לעמדת הליכה ומתחילה לעשות צעדים קדימה. ניתן לשנות את הפונקציות בהתאם לצורך שלך לחקור את ההליכות השונות, המהירויות ואורכי הצעד כדי לראות מה עובד הכי טוב.

שלב 13: תוצאות אחרונות: זמן להתנסות

בעל הרגליים יכול לבצע צעדים שאורכם נע בין 10 ל -2 ס מ מבלי להתהפך. ניתן גם לשנות את המהירות תוך שמירה על איזון ההליכה. זה דו משולב עם הכוח של Arduino מספק פלטפורמה חזקה להתנסות בהליכות שונות אחרות ויעדים אחרים כגון קפיצה או איזון תוך בעיטה בכדור. הייתי ממליץ לך לנסות לשנות את נתיבי התנועה של הרגליים כדי ליצור הליכות משלך ולגלות כיצד הליכות שונות משפיעות על ביצועי הרובוט. ניתן להוסיף למערכת חיישנים כגון IMU וחיישן מרחק כדי להגדיל את הפונקציונליות שלה ואילו ניתן להוסיף חיישני כוח לרגליים כדי להתנסות בתנועה דינמית על משטחים לא אחידים.

מקווה שנהניתם מההנחיה הזו ודי בהשראה לבנות משלכם. אם אהבתם את הפרויקט תמכו בכך על ידי הורדת הצבעה ב"תחרות ארדואינו ".

ביצוע שמח!

פרס ראשון בתחרות ארדואינו 2020