Arduino Controlled Robotic Biped: 13 քայլ (նկարներով)

2024 Հեղինակ: John Day | [email protected]. Վերջին փոփոխված: 2024-01-30 09:45

Fusion 360 նախագծեր »

Ինձ միշտ հետաքրքրել են ռոբոտները, հատկապես այն տեսակները, որոնք փորձում են ընդօրինակել մարդկային գործողությունները: Այս հետաքրքրությունը ստիպեց ինձ փորձել նախագծել և մշակել ռոբոտացված երկոտանի, որը կարող էր ընդօրինակել մարդու քայլելն ու վազելը: Այս Ուղեցույցում ես ձեզ ցույց կտամ ռոբոտային երկոտանի ձևավորումն ու հավաքումը:

Այս նախագիծը կառուցելիս առաջնային նպատակն էր համակարգը հնարավորինս ամուր դարձնել այնպիսին, որ տարբեր քայլելիս և վազելիս քայլելիս փորձեր կատարելիս ես անընդհատ անհանգստանամ ապարատային սարքավորումների խափանումից: Սա ինձ թույլ տվեց սարքաշարը հասցնել իր սահմանին: Երկրորդական նպատակն էր երկոտանի համեմատաբար ցածր գինը դարձնել ՝ մատչելի հոբբիի մասերի և 3D տպագրության համար, ինչը հնարավորություն կտա հետագա կատարելագործման և ընդլայնման համար: Այս երկու նպատակները միասին ստեղծում են ամուր հիմք `տարբեր փորձեր կատարելու համար, ինչը թույլ է տալիս երկկողմանի զարգացնել ավելի կոնկրետ պահանջներ:

Շարունակեք ՝ ձեր սեփական Arduino- ով կառավարվող Robotic Biped ստեղծելու համար և ձայն տվեք «Arduino Contest» - ին, եթե ձեզ դուր եկավ նախագիծը:

Քայլ 1: Նախագծման գործընթաց

Մարդանման ոտքերը նախագծված են Autodesk- ում ՝ Fusion 360 3D մոդելավորման ծրագրակազմն օգտագործելու համար: Ես սկսեցի սերվո շարժիչների ներմուծումը դիզայնի մեջ և ոտքերը կառուցեցի դրանց շուրջը: Ես նախագծեցի փակագծեր servo շարժիչի համար, որն ապահովում է երկրորդ առանցքային կետը տրամագծորեն հակառակ servo շարժիչի լիսեռին: Շարժիչի երկու ծայրերում երկակի լիսեռներ ունենալը դիզայնի կառուցվածքային կայունություն է հաղորդում և վերացնում է ցանկացած շեղում, որը կարող է առաջանալ, երբ ոտքերը որոշակի բեռ են վերցնում: Հղումները նախագծված էին առանցքակալ պահելու համար, իսկ փակագծերում լիսեռի համար օգտագործվում էր պտուտակ: Երբ կապերը ամրացվեցին լիսեռների վրա ընկույզի միջոցով, առանցքակալը կապահովեր հարթ և ամուր առանցքային կետ սերվո շարժիչի լիսեռի հակառակ կողմում:

Երկկողմանի նախագծելիս մեկ այլ նպատակ էր մոդելը պահել հնարավորինս կոմպակտ, որպեսզի առավելագույնս օգտագործի սերվո շարժիչներով ապահովված ոլորող մոմենտը: Հղումների չափերը կատարվել են շարժման մեծ տիրույթի հասնելու համար ՝ միաժամանակ նվազեցնելով ընդհանուր երկարությունը: Դրանք չափազանց կարճ դարձնելու դեպքում փակագծերը կբախվեին, կնվազեցնեին շարժման միջակայքը և չափազանց երկար դարձնելով ՝ անհարկի ոլորող մոմենտ կգործեր շարժիչների վրա: Ի վերջո, ես նախագծեցի ռոբոտի մարմինը, որի վրա տեղադրվելու էին Arduino- ն և այլ էլեկտրոնային բաղադրիչները:

Նշում. Մասերը ներառված են հետևյալ քայլերից մեկում:

Քայլ 2. Արդուինոյի դերը

Այս նախագծում օգտագործվել է Arduino Uno: Arduino- ն պատասխանատու էր փորձարկված տարբեր քայլարշավների շարժման ուղիների համար և հրահանգեց շարժիչներին ճշգրիտ արագությամբ շարժվել դեպի ճշգրիտ անկյուններ `քայլելու հարթ շարժում ստեղծելու համար: Arduino- ն հիանալի ընտրություն է նախագծերի մշակման համար `իր բազմակողմանիության պատճառով: Այն ապահովում է IO կապերի մի փունջ, ինչպես նաև տրամադրում է միջերեսներ, ինչպիսիք են սերիական, I2C և SPI այլ միկրոկոնտրոլերների և տվիչների հետ հաղորդակցվելու համար: Arduino- ն նաև հիանալի հարթակ է տալիս արագ նախատիպավորման և փորձարկման համար, ինչպես նաև ծրագրավորողներին հնարավորություն է տալիս կատարելագործման և ընդլայնման համար: Այս նախագծում հետագա տարբերակները կներառեն շարժման մշակման իներցիոն չափման միավոր, ինչպիսիք են անկման հայտնաբերումը և դինամիկ տեղաշարժը անհարթ տեղանքներում և հեռավորության չափման սենսորը `խոչընդոտներից խուսափելու համար:

Այս նախագծի համար օգտագործվել է Arduino IDE- ն: (Arduino- ն նաև տրամադրում է վեբ վրա հիմնված IDE)

Նշում. Ռոբոտի ծրագրերը կարելի է ներբեռնել հետևյալ քայլերից մեկից:

Քայլ 3: Անհրաժեշտ նյութեր

Ահա այն բոլոր բաղադրիչների և մասերի ցանկը, որոնք անհրաժեշտ են ձեր սեփական Arduino- ով աշխատող երկփեղկ ռոբոտ պատրաստելու համար: Բոլոր մասերը պետք է լինեն մատչելի և հեշտ գտնելու համար:

ELECTRONICS:

Arduino Uno x 1

Towerpro MG995 servo շարժիչ x 6

Տախտակամած (Arduino- ի նման չափ)

Արական և իգական վերնագրի քորոցներ (յուրաքանչյուրից մոտ 20 -ը)

Jumper Wires (10 հատ)

MPU6050 IMU (ըստ ցանկության)

Ուլտրաձայնային տվիչ (ըստ ցանկության)

HARDWARE:

Skateboard կրող (8x19x7 մմ)

M4 ընկույզներ և պտուտակներ

3D տպիչի թել (եթե 3D տպիչ չունեք, տեղական աշխատավայրում պետք է լինի 3D տպիչ, կամ տպումները կարող են կատարվել առցանց բավականին էժան գնով)

Առանց Arduino- ի և 3D տպիչի ՝ այս նախագծի ընդհանուր արժեքը 20 $ է:

Քայլ 4: 3D տպագիր մասեր

Այս նախագծի համար անհրաժեշտ մասերը պետք է հատուկ մշակված լինեն, ուստի դրանք տպելու համար օգտագործվել է 3D տպիչ: Տպումները կատարվել են 40% լցմամբ, 2 պարագծով, 0.4 մմ վարդակով և 0.1 մմ շերտի բարձրությամբ PLA- ով, ձեր ընտրած գույնով: Ստորև կարող եք գտնել մասերի ամբողջական ցանկը և STL- ները ՝ ձեր սեփական տարբերակը տպելու համար:

Նշում. Այստեղից մասերը կվերաբերվեն ցուցակի անունների օգտագործմանը:

• ոտնաթաթի սպասարկող x 1
• ոտքի servo կրող հայելի x 1
• ծնկի սերվո պահող x 1
• ծնկի servo կրող հայելի x 1
• ոտնաթաթի սպասարկող x 1
• ոտքի servo կրող հայելի x 1
• կրող օղակ x 2
• servo horn հղում x 2
• ոտքի հղում x 2
• կամուրջ x 1
• էլեկտրոնիկայի տեղադրում x 1
• Էլեկտրոնիկա spacer x 8 (ըստ ցանկության)
• servo horn space x 12 (ըստ ցանկության)

Ընդհանուր առմամբ, առանց անջատիչների, կան 14 մասեր: Տպման ընդհանուր ժամանակը մոտ 20 ժամ է:

Քայլ 5. Սերվո փակագծերի պատրաստում

Բոլոր մասերը տպվելուց հետո կարող եք սկսել սերվերի և սերվո փակագծերի տեղադրմամբ: Սկզբում առանցքակալը մղեք ծնկի սերվո կրիչի մեջ: Հարմարեցումը պետք է լինի հարմարավետ, բայց ես խորհուրդ կտամ մի փոքր հղկել անցքի ներքին մակերեսը, առանց բռնակն ամրացնելու, որը կարող է վտանգել հատվածը կոտրելը: Այնուհետև անցքի միջով անցեք M4 պտուտակ և ամրացրեք այն ՝ օգտագործելով ընկույզ: Հաջորդը, բռնեք ոտնաթաթի կապը և դրան ամրացրեք շրջանաձև սերվերի եղջյուր ՝ օգտագործելով տրամադրված պտուտակները: Կցեք ոտնաթաթի կապը ծնկի սերվերի ամրացմանը `օգտագործելով պտուտակները, որոնցով դուք նույնպես կցեք սերվո շարժիչը: Համոզվեք, որ շարժիչը հավասարեցրեք այնպես, որ առանցքը լինի պտուտակի նույն կողմում, որը դուք ավելի վաղ ամրացրել եք: Վերջապես ամրացրեք servo- ն մնացած ընկույզներով և պտուտակներով:

Նույնը արեք հիփ սերվերի և ոտքի սերվերի պահիչի հետ: Դրանով դուք պետք է ունենաք երեք servo շարժիչ և դրանց համապատասխան փակագծերը:

Նշում. Ես տալիս եմ մի ոտք կառուցելու հրահանգներ, մյուսը պարզապես հայելային է:

Քայլ 6: Կապի կտորներ պատրաստելը

Երբ փակագծերը հավաքվում են, սկսեք կատարել հղումները: Կրող օղակը դարձնելու համար մեկ անգամ ևս թեթև հղկեք առանցքակալի անցքերի ներքին մակերեսը, այնուհետև կրողը երկու կողմերում մղեք անցքի մեջ: Համոզվեք, որ առանցքակալը ներս եք մղում մինչև մի կողմը ողողվի: Servo եղջյուրի կապը կառուցելու համար բռնեք երկու շրջանաձև servo եղջյուրներ և մատակարարվող պտուտակներ: Տեղադրեք եղջյուրները 3D տպման վրա և շարեք անցքերը, այնուհետև պտուտակը պտուտակեք 3D տպման վրա ՝ պտուտակը կցելով 3D տպման կողմից: Այս պտուտակների համար խորհուրդ եմ տալիս օգտագործել եռաչափ տպված servo horn spacer: Հղումները կառուցվելուց հետո կարող եք սկսել ոտքը հավաքելը:

Քայլ 7: Ոտքերի հավաքում

Հղումներն ու փակագծերը հավաքվելուց հետո կարող եք դրանք համատեղել ՝ կառուցելու ռոբոտի ոտքը: Նախ, օգտագործեք servo horn- ի կապը, որպեսզի հիպ servo բրա և ծնկի servo փակագիծը միասին ամրացնեն: Նշում. Դեռ մի պտուտակեք եղջյուրը սերվոյին, քանի որ հաջորդ փուլում տեղադրման փուլ կա, և անհարմարություն կլինի, եթե եղջյուրը պտուտակված լինի սերվո շարժիչի վրա:

Հակառակ կողմում ամրացրեք կրող օղակը դուրս ցցված պտուտակների վրա `օգտագործելով ընկույզներ: Ի վերջո, կցեք ոտքի սերվո փակագիծը `տեղադրելով դուրս ցցված պտուտակը ծնկի սերվո կրիչի վրա կրողի միջով: Եվ ամրացրեք servo լիսեռը մյուս կողմում ծնկի servo պահողին միացված servo եղջյուրին: Սա կարող է բարդ խնդիր լինել, և ես դրա համար խորհուրդ կտամ երկրորդ զույգ ձեռքերը:

Կրկնեք քայլերը մյուս ոտքի համար: Որպես հղում օգտագործեք յուրաքանչյուր քայլին կցված նկարները:

Քայլ 8: Պատվերով PCB և լարերի տեղադրում

Սա ընտրովի քայլ է: Էլեկտրագծերը ավելի կոկիկ դարձնելու համար ես որոշեցի պատրաստել անհատական PCB ՝ օգտագործելով տախտակ և վերնագրերի կապում: PCB- ն պարունակում է սերվոր շարժիչի լարերը ուղղակիորեն միացնելու նավահանգիստներ: Բացի այդ, ես նաև թողեցի լրացուցիչ նավահանգիստներ, եթե ցանկանայի ընդլայնել և ավելացնել այլ տվիչներ, ինչպիսիք են իներցիոն չափման միավորները կամ ուլտրաձայնային հեռավորության տվիչները: Այն նաև պարունակում է միացք արտաքին էներգիայի աղբյուրի համար, որն անհրաժեշտ է սերվո շարժիչների սնուցման համար: USB- ի և արտաքին հոսանքի միջև Arduino- ի միացման համար օգտագործվում է jumper միացում: Տեղադրեք Arduino- ն և PCB- ն էլեկտրոնիկայի տեղադրման երկու կողմերից ՝ օգտագործելով պտուտակներ և 3D տպիչով անջատիչներ:

Նշում. Համոզվեք, որ անջատեք jumper- ը, նախքան Arduino- ն ձեր համակարգչին USB- ի միջոցով միացնելը: Դա չանելը կարող է վնասել Arduino- ին:

Եթե որոշեք չօգտագործել PCB- ն և փոխարենը օգտագործել տախտակ, ահա սերվո միացումները.

• Ձախ ազդր >> կապ 9
• Աջ կոնք >> փին 8
• Ձախ ծնկի >> քորոց 7
• Աջ ծնկ >> փին 6
• Ձախ ոտք >> փին 5
• Աջ ոտք >> կապ 4

Եթե դուք որոշեք ստիպել PCB- ին կատարել նույն կարգը, ինչ վերը նշվածը, ապա օգտագործելով PCB- ի նավահանգիստները աջից ձախ `IMU նավահանգիստը դեպի վեր: Իսկ PCB- ն Arduino- ին PCB- ն միացնելու համար օգտագործեք սովորական արուից դեպի կին jumper լարերը `օգտագործելով վերը նշված փին համարները: Համոզվեք, որ միացրեք նաև գրունտի քորոցը և ստեղծեք նույն գրունտային ներուժը և Vin կապը, երբ որոշեք այն գործարկել առանց USB հոսանքի:

Քայլ 9. Մարմնի հավաքում

Երբ երկու ոտքերը և էլեկտրոնիկան հավաքվում են, դրանք համատեղեք միասին ՝ կառուցելու ռոբոտի մարմինը: Օգտագործեք կամրջի կտորը ՝ երկու ոտքերը միմյանց միացնելու համար: Օգտագործեք միևնույն ամրացման անցքերը հիփ սերվերի ամրակի և ընկույզների և պտուտակների վրա, որոնք պահում են servo շարժիչը: Ի վերջո, էլեկտրոնիկայի սարքը միացրեք կամրջին: Կամրջի և էլեկտրոնիկայի ամրացման վրա տեղադրեք անցքեր և միաձուլման համար օգտագործեք M4 ընկույզներ և պտուտակներ:

Օգնության համար դիմեք կից պատկերներին: Դրանով դուք ավարտել եք ռոբոտի ապարատային կառուցվածքը: Հաջորդը, եկեք անցնենք ծրագրակազմին և կյանքի կոչենք ռոբոտին:

Քայլ 10: Intial կարգավորումը

Այն, ինչ ես նկատել եմ այս նախագիծը կառուցելիս, այն է, որ սերվո շարժիչներն ու եղջյուրները պետք չէ կատարելապես հավասարվել `համեմատաբար զուգահեռ մնալու համար: Ահա թե ինչու յուրաքանչյուր servo շարժիչի «կենտրոնական դիրքը» պետք է ձեռքով ճշգրտվի ՝ ոտքերի հետ հավասարեցնելու համար: Դրան հասնելու համար հեռացրեք servo եղջյուրները յուրաքանչյուր servo- ից և գործարկեք initial_setup.ino էսքիզը: Երբ շարժիչները տեղավորվում են իրենց կենտրոնական դիրքում, միացրեք եղջյուրները այնպես, որ ոտքերը կատարյալ ուղիղ լինեն, իսկ ոտքը կատարյալ զուգահեռ գետնին: Եթե դա այդպես է, ապա ձեր բախտը բերել է: Եթե ոչ, բացեք հարակից ներդիրում գտնված constants.h ֆայլը և փոփոխեք servo offset- ի արժեքները (տողեր 1-6), մինչև ոտքերը կատարյալ հավասարվեն, և ոտքը հարթ լինի: Խաղացեք արժեքների հետ և գաղափար կստանաք, թե ինչն է անհրաժեշտ ձեր դեպքում:

Հաստատունները սահմանելուց հետո նշեք այս արժեքները, քանի որ դրանք հետագայում անհրաժեշտ կլինեն:

Օգնության համար դիմեք նկարներին:

Քայլ 11: Մի փոքր կինեմատիկայի մասին

Երկկողմանի կատարելու համար օգտակար գործողություններ, ինչպիսիք են վազքը և քայլելը, տարբեր քայլվածքները պետք է ծրագրավորվեն շարժման ուղիների տեսքով: Շարժման ուղիները ուղիներ են, որոնց երկայնքով անցնում է վերջնական էֆեկտորը (այս դեպքում ոտքերը): Դրան հասնելու երկու եղանակ կա.

1. Մոտեցումներից մեկը կլինի տարբեր շարժիչների համատեղ անկյունները սնուցել կոպիտ ուժով: Այս մոտեցումը կարող է լինել ժամանակատար, հոգնեցուցիչ և նաև լի սխալներով, քանի որ դատողությունը զուտ տեսողական է: Փոխարենը կա ցանկալի արդյունքների հասնելու ավելի խելացի միջոց:
2. Երկրորդ մոտեցումը պտտվում է վերջնական էֆեկտորի կոորդինատները կերակրելու շուրջ `բոլոր հոդերի անկյունների փոխարեն: Սա այն է, ինչը հայտնի է որպես հակադարձ կինեմատիկա: Օգտվողի մուտքագրման կոորդինատները և հոդերի անկյունները հարմարվում են, որպեսզի վերջնական էֆեկտորը տեղադրվի նշված կոորդինատների մոտ: Այս մեթոդը կարելի է համարել որպես սև արկղ, որը որպես մուտքի կոորդինատ է վերցնում և դուրս է բերում հոդերի անկյունները: Նրանց համար, ովքեր հետաքրքրված են, թե ինչպես են ձևավորվել այս սև արկղի եռանկյունաչափական հավասարումները, կարող են դիտել վերևի դիագրամը: Նրանց համար, ովքեր հետաքրքրված չեն, հավասարումները արդեն ծրագրված են և կարող են օգտագործվել pos գործառույթի միջոցով, որը որպես մուտքագրում է x, z և թողարկում է շարժիչներին համապատասխանող երեք անկյուն:

Այս գործառույթները պարունակող ծրագիրը կարելի է գտնել հաջորդ քայլին:

Քայլ 12. Arduino- ի ծրագրավորում

Նախքան Arduino- ի ծրագրավորումը, անհրաժեշտ է փոքր փոփոխություններ կատարել ֆայլում: Հիշու՞մ եք այն հաստատունները, որոնք ես խնդրել էի ձեզ գրառում կատարել: Փոփոխեք նույն հաստատունները այն արժեքներին, որոնք սահմանել եք constants.h ֆայլում:

Նշում. Եթե դուք օգտագործել եք սույն Հրահանգում ներկայացված նմուշները, ապա ոչինչ չունեք փոխելու: Եթե ձեզանից ոմանք կան, ովքեր պատրաստել են իրենց սեփական դիզայնը, ապա ստիպված կլինեք փոխել ևս մի քանի արժեք `փոխհատուցումների հետ միասին: Հաստատուն l1- ը չափում է ազդրի առանցքի և ծնկի առանցքի միջև հեռավորությունը: Հաստատուն l2- ը չափում է ծնկի առանցքի և կոճի առանցքի միջև հեռավորությունը: Այսպիսով, եթե դուք նախագծել եք ձեր սեփական մոդելը, չափեք այս երկարությունները և փոփոխեք հաստատունները: Վերջին երկու հաստատունները օգտագործվում են քայլարշավների համար: StepClearance- ի մշտական չափիչը չափում է, թե որքան բարձր կբարձրանա ոտքը քայլից հետո առաջ գնալիս, և քայլը:

Երբ բոլոր հաստատունները փոփոխվեն ըստ ձեր կարիքի, կարող եք վերբեռնել հիմնական ծրագիրը: Հիմնական ծրագիրը պարզապես ռոբոտին նախաստորագրում է քայլող դիրք և սկսում քայլեր կատարել առաջ: Գործառույթները կարող են փոփոխվել ՝ կախված ձեր տարբեր արագությունների, արագությունների և քայլերի երկարությունների ուսումնասիրման ձեր անհրաժեշտությունից ՝ տեսնելու, թե որն է ամենալավը:

Քայլ 13. Վերջնական արդյունքներ. Փորձի ժամանակը

Երկոտանը կարող է քայլեր կատարել, որոնք տատանվում են 10 -ից 2 սմ երկարության վրա ՝ առանց շրջվելու: Արագությունը նույնպես կարող է փոփոխվել ՝ քայլվածքը հավասարակշռված պահելով: Arduino- ի հզորության հետ համատեղ այս երկկողմանի ուժը ապահովում է ամուր հարթակ ՝ փորձելու տարբեր այլ շարժումներ և այլ նպատակներ, ինչպիսիք են ցատկելը կամ հավասարակշռությունը գնդակը խփելիս: Ես ձեզ խորհուրդ կտայի փորձել փոխել ոտքերի շարժման ուղիները `ձեր սեփական քայլվածքները ստեղծելու համար և պարզել, թե ինչպես են տարբեր քայլարշավներն ազդում ռոբոտի աշխատանքի վրա: Սենսորներ, ինչպիսիք են IMU- ն և հեռավորության սենսորը, կարող են ավելացվել համակարգին `դրա ֆունկցիոնալությունը բարձրացնելու համար, մինչդեռ ուժի սենսորները կարող են ավելացվել ոտքերին` անհավասար մակերևույթների վրա դինամիկ շարժման փորձեր կատարելու համար:

Հուսով եմ, որ ձեզ դուր եկավ այս Instructable- ը և բավական ոգեշնչում է ձեր սեփականը կառուցելու համար: Եթե ձեզ դուր եկավ նախագիծը, ապա աջակցեք դրան ՝ ձայները հանելով «Արդուինոյի մրցույթում»:

Happy Making!

Առաջին մրցանակ Arduino մրցույթ 2020 -ում