Robot quadruped alimentat per Arduino imprès en 3D: 13 passos (amb imatges)

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:11

Projectes Fusion 360 »

De les instruccions anteriors, probablement podreu veure que tinc un gran interès pels projectes robòtics. Després de l'anterior Instructable, on vaig construir un robot bípede, vaig decidir provar de fabricar un robot quadrúpede que pogués imitar animals com gossos i gats. En aquest instructiu, us mostraré el disseny i el muntatge del quadrúped robot.

L’objectiu principal durant la construcció d’aquest projecte era fer que el sistema fos el més robust possible, de manera que, mentre experimentava amb diverses marxes caminant i corrents, no hauria de preocupar-me constantment de la fallada del maquinari. Això em va permetre portar el maquinari al límit i experimentar amb camins i moviments complexos. Un objectiu secundari era fer que el quadrúpede fos relativament barat utilitzant peces de passatemps fàcilment disponibles i impressió 3D que permetessin fer prototips ràpids. Aquests dos objectius combinats proporcionen una base sòlida per dur a terme diversos experiments, permetent desenvolupar el quadrúped per a requisits més específics, com ara la navegació, l’evitació d’obstacles i la locomoció dinàmica.

Mireu el vídeo adjunt anterior per veure una demostració ràpida del projecte. Seguiu per crear el vostre propi robot quadruped amb tecnologia Arduino i, si us ha agradat el projecte, feu vot en el concurs "Fes-lo moure".

Pas 1: Visió general i procés de disseny

El quadrúped va ser dissenyat amb el programari de modelatge 3D Fusion 360 d’ús gratuït d’Autodesk. Vaig començar important els servomotors al disseny i vaig construir les potes i el cos al seu voltant. Vaig dissenyar mènsules per al servomotor que proporcionen un segon punt de pivot diametralment oposat a l’eix del servomotor. Tenir eixos dobles a tots dos extrems del motor proporciona estabilitat estructural al disseny i elimina qualsevol inclinació que es pugui produir quan les potes prenen una mica de càrrega. Els enllaços van ser dissenyats per subjectar un coixinet mentre que els suports utilitzaven un pern per a l'eix. Una vegada que els enllaços es muntessin als eixos mitjançant una rosca, el coixinet proporcionaria un punt de gir suau i robust al costat oposat de l'eix del servomotor.

Un altre objectiu durant el disseny del quadruped era mantenir el model el més compacte possible per aprofitar al màxim el parell proporcionat pels servomotors. Les dimensions dels enllaços es van fer per aconseguir un ampli rang de moviment mentre es minimitzava la longitud total. En fer-los massa curts, els suports xocarien, reduint el rang de moviment i fer-lo massa llarg, exerciria un parell innecessari sobre els actuadors. Finalment, vaig dissenyar el cos del robot sobre el qual es muntarien l’Arduino i altres components electrònics. També he deixat punts de muntatge addicionals al tauler superior per fer que el projecte sigui escalable per obtenir més millores. Una vegada es podrien afegir sensors com a sensors de distància, càmeres o altres mecanismes accionats com ara pinça robòtica.

Nota: Les parts s’inclouen en un dels passos següents.

Pas 2: materials necessaris

Aquí teniu la llista de tots els components i peces necessaris per fabricar el vostre propi robot quadruped Powered Arduino. Totes les peces haurien d’estar disponibles i fàcils de trobar a les ferreteries locals o en línia.

ELECTRONNICA:

Arduino Uno x 1

Servomotor Towerpro MG995 x 12

Arduino Sensor Shield (recomano la versió V5 però tenia la versió V4)

Jumper Wires (10 peces)

MPU6050 IMU (opcional)

Sensor d'ultrasons (opcional)

HARDWARE:

Rodaments de boles (8x19x7mm, 12 peces)

Femelles i femelles M4

Filament d'impressora 3D (en cas que no tingueu cap impressora 3D, hi hauria d'haver una impressora 3D en un espai de treball local o les impressions es puguin fer en línia per un preu bastant econòmic)

Fulls acrílics (4 mm)

EINES

Impressora 3D

Tallador làser

El cost més important d’aquest projecte són els 12 servomotors. Recomano anar a la versió de gamma mitjana a alta, en lloc d’utilitzar les de plàstic barates, ja que tendeixen a trencar-se fàcilment. Sense les eines, el cost total d'aquest projecte és d'aproximadament 60 $.

Pas 3: peces fabricades digitalment

Les peces necessàries per a aquest projecte havien de ser dissenyades a mida, per la qual cosa vam utilitzar la potència de les peces fabricades digitalment i el CAD per construir-les. La majoria de les peces s’imprimeixen en 3D a part d’unes quantes que es tallen amb làser en acrílic de 4 mm. Les impressions es van fer al 40% d’ompliment, 2 perímetres, broquet de 0,4 mm i una alçada de capa de 0,1 mm amb PLA. Algunes de les peces requereixen suports, ja que tenen una forma complexa amb voladissos, però, els suports són fàcilment accessibles i es poden treure mitjançant alguns talladors. Podeu triar el color del filament que vulgueu escollir. A continuació podeu trobar la llista completa de peces i els STL per imprimir la vostra pròpia versió i els dissenys 2D de les peces tallades amb làser.

Nota: A partir d’aquí es farà referència a les parts mitjançant els noms de la llista següent.

Parts impreses en 3D:

• suport de servo de maluc x 2
• mirall de suport de servo de maluc x 2
• suport de servo per genoll x 2
• mirall de suport de genoll x 2
• suport de coixinets x 2
• mirall de suport de coixinets x 2
• cama 4
• enllaç de banya servo x 4
• enllaç de rodament x 4
• titular arduino x 1
• suport del sensor de distància x 1
• Suport en L x 4
• casquet de rodament x 4
• espaiador de trompa x 24

Peces tallades amb làser:

• panell de servoportes x 2
• tauler superior x 1

En total, hi ha 30 parts que s’han d’imprimir en 3D, excloent els diferents separadors, i 33 peces fabricades digitalment en total. El temps total d’impressió és d’unes 30 hores.

Pas 4: Preparació dels enllaços

Podeu començar el muntatge configurant algunes parts al principi que faran que el procés final de muntatge sigui més manejable. Podeu començar amb l’enllaç. Per fer l'enllaç del coixinet, lijeu lleugerament la superfície interna dels forats del coixinet i, a continuació, empenyeu el coixinet al forat dels dos extrems. Assegureu-vos d’empènyer el coixinet fins que un dels laterals quedi a ras. Per construir l’enllaç del servocorn, agafeu dos servocorns circulars i els cargols que els acompanyaven. Col·loqueu les banyes a la impressió 3D i alineeu els dos forats i, a continuació, cargoleu la banya a la impressió 3D fixant el cargol de la cara d'impressió 3D. Vaig haver d'utilitzar alguns espaiadors de trompa impresos en 3D, ja que els cargols subministrats eren una mica llargs i es creuaven amb el cos del servomotor mentre girava. Un cop construïts els enllaços, podeu començar a configurar els diferents suports i claudàtors.

Repetiu-ho per als 4 enllaços dels dos tipus.

Pas 5: Preparació dels suports de servo

Per configurar el suport de servocomunicació del genoll, només cal passar un pern de 4 mm pel forat i subjectar-lo amb una femella. Això funcionarà com l'eix secundari del motor. Des del suport del servo de maluc, passeu dos parabolts pels dos forats i subjecteu-los amb dues femelles més. A continuació, agafeu una altra banya de servo circular i fixeu-la a la secció lleugerament elevada del suport mitjançant els dos cargols que venien amb les banyes. Una vegada més, us recomanaria que feu servir el separador de la banya del servo perquè els cargols no sobresurten al buit del servo. Finalment, agafeu la part del suport del coixinet i empenyeu-lo al forat. És possible que hagueu de polir lleugerament la superfície interior per obtenir un bon ajustament. A continuació, empenyeu una empenta de coixinet cap al coixinet cap a on es doblegui la peça del suport del coixinet.

Consulteu les imatges adjuntes anteriorment mentre construïu els claudàtors. Repetiu aquest procés per a la resta de claudàtors. Els emmirallats són similars, només tot s’emmiralla.

Pas 6: Muntatge de les cames

Un cop muntats tots els enllaços i claudàtors, podeu començar a construir les quatre potes del robot. Comenceu fixant els servos als suports mitjançant cargols i femelles de 4 x M4. Assegureu-vos d’alinear l’eix del servo amb el pern que sobresurt de l’altra banda.

A continuació, enllaceu el servo de maluc amb el servo de genoll mitjançant la peça d’enllaç del servo horn. No utilitzeu encara un cargol per fixar la banya a l’eix del servomotor, ja que és possible que hàgim d’ajustar la posició més endavant. Al costat oposat, munteu l’enllaç de rodament que conté els dos coixinets als cargols sortints amb femelles.

Repetiu aquest procés per a la resta de les tres potes i les 4 potes per als quadrúpedes estan a punt.

Pas 7: Muntatge del cos

A continuació, ens podem centrar a construir el cos del robot. El cos alberga quatre servomotors que donen a les potes el 3r grau de llibertat. Comenceu utilitzant perns i perns de 4 x M4 per fixar el servo al tauler del suport del servo tallat amb làser.

Nota: Assegureu-vos que el servo estigui fixat de manera que l'eix estigui a la part exterior de la peça, tal com es veu a les imatges adjuntes més amunt. Repetiu aquest procés per a la resta dels tres servomotors tenint en compte l’orientació.

A continuació, fixeu els suports en L a banda i banda del tauler amb dos cargols i femelles M4. Aquesta peça ens permet fixar fermament el tauler del suport del servo al tauler superior. Repetiu aquest procés amb dos suports en L més i el segon panell de suport de servomotor que conté el segon conjunt de servomotors.

Un cop els suports L estiguin al seu lloc, utilitzeu més rosques i cargols M4 per fixar el tauler del suport del servo al tauler superior. Comenceu amb el joc exterior de cargols i femelles (cap a la part davantera i posterior). Els cargols i les femelles centrals també mantenen premuda la peça del suport arduino. Feu servir quatre cargols i femelles per fixar el suport arduino des de la part superior al tauler superior i alineeu els cargols de manera que també passin pels forats de suport L. Consulteu les imatges adjuntes més amunt per obtenir aclariments. Finalment, introduïu quatre femelles a les ranures dels panells del suport del servo i utilitzeu cargols per fixar els panells del servo servo al panell superior.

Pas 8: ajuntar-ho tot

Un cop muntades les cames i el cos, podeu començar a completar el procés de muntatge. Munteu les quatre potes als quatre servos mitjançant les banyes de servo que estaven connectades al suport del servo de maluc. Finalment, utilitzeu les peces del suport del coixinet per recolzar l’eix oposat del suport del maluc. Passeu l'eix pel coixinet i utilitzeu un pern per fixar-lo al seu lloc. Col·loqueu els suports de coixinets al tauler superior mitjançant dos cargols i femelles M4.

Amb això, el muntatge de maquinari del quaduped està llest.

Pas 9: cablejat i circuit

Vaig decidir utilitzar un blindatge del sensor que proporcionés connexions per als servomotors. Us recomanaria que feu servir el blindatge del sensor v5, ja que disposa d’un port d’alimentació extern incorporat. Tanmateix, el que he utilitzat no tenia aquesta opció. En mirar més detingudament el blindatge del sensor, em vaig adonar que el blindatge del sensor estava prenent energia del pin de 5 V incorporat de l’Arduino (que és una idea terrible quan es tracta de servomotors d’alta potència, ja que es corre el risc de danyar l’Arduino). La solució a aquest problema era doblegar el pin de 5v a l’escut del sensor perquè no es connectés al pin de 5v de l’Arduino. D’aquesta manera, ara podem subministrar energia externa a través del pin de 5 V sense danyar l’Arduino.

Les connexions dels pins de senyal dels 12 servomotors s’indiquen a la taula següent.

Nota: Hip1Servo fa referència al servo connectat al cos. Hip2Servo fa referència al servo unit a la cama.

Etapa 1 (endavant esquerra):

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

Etapa 2 (endavant a la dreta):

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

Cama 3 (esquerra esquerra):

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

Cama 4 (esquena dreta):

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

Pas 10: configuració inicial

Abans de començar a programar marxes complexes i altres moviments, hem de configurar els punts zero de cada servo. Això proporciona al robot un punt de referència que utilitza per realitzar els diferents moviments.

Per evitar danys al robot, podeu eliminar els enllaços de la banya del servo. A continuació, pengeu el codi que s'adjunta a continuació. Aquest codi situa cadascun dels servos a 90 graus. Un cop els servos han assolit la posició de 90 graus, podeu tornar a connectar els enllaços de manera que les potes siguin perfectament rectes i el servo unit al cos sigui perpendicular al tauler superior del quadrúped.

En aquest punt, a causa del disseny de les banyes servo, és possible que algunes de les juntes no siguin perfectament rectes. La solució a això és ajustar la matriu zeroPositions que es troba a la 4a línia del codi. Cada número representa la posició zero del servo corresponent (l'ordre és el mateix que l'ordre en què heu connectat el servo a l'Arduino). Afineu una mica aquests valors fins que les cames quedin perfectament rectes.

Nota: Aquests són els valors que faig servir, tot i que és possible que aquests valors no us funcionin:

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

Pas 11: una mica sobre la cinemàtica

Per fer que els quadrúpedes realitzin accions útils com ara córrer, caminar i altres moviments, cal que els servos es programin en forma de camins de moviment. Els camins de moviment són camins pels quals recorre l'efector final (els peus en aquest cas). Hi ha dues maneres d'aconseguir-ho:

1. Un enfocament seria alimentar els angles articulats dels diversos motors de manera bruta. Aquest enfocament pot ser llarg, tediós i també pot contenir errors, ja que el judici és purament visual. En canvi, hi ha una manera més intel·ligent d’aconseguir els resultats desitjats.
2. El segon enfocament gira al voltant de l'alimentació de les coordenades de l'efector final en lloc de tots els angles articulars. Això és el que es coneix com a cinemàtica inversa. L'usuari introdueix coordenades i els angles de les articulacions s'ajusten per situar l'efector final a les coordenades especificades. Aquest mètode es pot considerar com una caixa negra que pren com a entrades una coordenada i emet els angles de les articulacions. Els que estiguin interessats en com es van desenvolupar les equacions trigonomètriques d’aquesta caixa negra poden veure el diagrama anterior. Per a aquells que no estiguin interessats, les equacions ja estan programades i es poden utilitzar utilitzant la funció pos que pren com a entrada x, y, z, que és la ubicació cartesiana de l'efector final i emet tres angles corresponents als motors.

El programa que conté aquestes funcions es troba al següent pas.

Pas 12: Programació del Quadruped

Un cop finalitzat el cablejat i la inicialització, podeu programar el robot i generar camins de moviment frescos perquè el robot realitzi tasques interessants. Abans de continuar, canvieu la quarta línia del codi adjunt als valors que havíeu definit al pas d'inicialització. Després de carregar el programa, el robot hauria de començar a caminar. Si observeu que algunes de les juntes estan invertides, podeu canviar el valor de direcció corresponent a la matriu de direcció de la línia 5 (si és 1, feu-la -1 i si és -1, feu-la 1).

Pas 13: Resultats finals: temps per experimentar

El robot quadrúpede pot fer passos que varien de 5 a 2 cm de llarg. La velocitat també es pot variar mantenint la marxa equilibrada. Aquest quadrúped proporciona una plataforma sòlida per experimentar amb altres marxes i altres objectius com el salt o tasques completes. Us recomanaria que proveu de canviar els camins de moviment de les cames per crear les vostres pròpies marxes i descobrir com diverses marxes afecten el rendiment del robot. També he deixat diversos punts de muntatge a la part superior del robot per a sensors addicionals, com ara sensors de mesura de distància per a tasques d’evitació d’obstacles o IMU per a marxes dinàmiques en terrenys irregulars. També es podria experimentar amb un braç de subjecció addicional muntat a la part superior del robot, ja que el robot és extremadament estable i robust i no es bolca fàcilment.

Espero que us hagi agradat aquest instructiu i us hagi inspirat a construir el vostre.

Si us ha agradat el projecte, doneu-hi suport votant al concurs "Fes-lo moure".

Feliç fer!

Accèssit al concurs Make it Move 2020