دوپای رباتیک کنترل شده آردوینو: 13 مرحله (همراه با تصاویر)

2024 نویسنده: John Day | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2024-01-30 08:52

پروژه های Fusion 360 »

من همیشه شیفته روبات ها بوده ام ، به ویژه آنهایی که سعی می کنند از اعمال انسان تقلید کنند. این علاقه من را بر آن داشت تا سعی کنم یک دوپای روباتیک طراحی و توسعه دهم که بتواند راه رفتن و دویدن انسان را تقلید کند. در این دستورالعمل ، من طراحی و مونتاژ روباتیک دوپا را به شما نشان خواهم داد.

هدف اولیه در هنگام ساخت این پروژه این بود که سیستم را تا آنجا که می شد قوی کرد تا در حین آزمایش راه رفتن های مختلف و راه رفتن ، من دائما نگران خرابی سخت افزار نباشم. این به من اجازه داد تا سخت افزار را به حد خود برسانم. هدف ثانویه این بود که با استفاده از قطعات سرگرمی موجود و چاپ سه بعدی فضای دوپا را نسبتاً کم هزینه کنیم و جا برای ارتقاء و گسترش بیشتر بگذاریم. این دو هدف با هم پایه ای محکم برای انجام آزمایش های مختلف فراهم می کند و به فرد اجازه می دهد تا دوپا را با نیازهای خاص تر توسعه دهد.

برای ایجاد Robotic Biped تحت کنترل خود با Arduino ادامه دهید و اگر از پروژه خوشتان آمد در "مسابقه Arduino" رأی دهید.

مرحله 1: فرآیند طراحی

پاهای انسان نما به صورت رایگان در Autodesk برای استفاده از نرم افزار مدل سازی Fusion 360 3D طراحی شده است. من با وارد کردن موتورهای سروو به طراحی شروع کردم و پایه ها را در اطراف آنها ساختم. من برای موتور سروو براکت هایی طراحی کردم که نقطه محوری دوم را به طور متقابل با محور سروو موتور فراهم می کند. داشتن شفت های دوگانه در دو طرف موتور به طراحی پایداری می بخشد و هرگونه کج شدن که ممکن است هنگام ایجاد پاها برای تحمل بار ایجاد شود را از بین می برد. پیوندها برای نگه داشتن یاتاقان طراحی شده اند در حالی که براکت ها از پیچ برای شفت استفاده می کردند. هنگامی که پیوندها با استفاده از مهره به شفت ها نصب می شوند ، بلبرینگ یک نقطه چرخش صاف و قوی در طرف مقابل شافت سرو موتور ایجاد می کند.

یکی دیگر از اهداف طراحی دوپا این بود که مدل را تا حد امکان جمع و جور نگه داشت تا حداکثر استفاده از گشتاور ارائه شده توسط موتورهای سروو انجام شود. ابعاد پیوندها برای دستیابی به دامنه وسیعی از حرکت و به حداقل رساندن طول کلی ساخته شده است. کوتاه کردن بیش از حد آنها باعث می شود براکت ها به هم برخورد کنند ، دامنه حرکت را کاهش داده و طولانی شدن آن باعث ایجاد گشتاور غیر ضروری بر روی محرک ها می شود. در نهایت ، من بدن روبات را طراحی کردم که آردوینو و دیگر قطعات الکترونیکی روی آن نصب می شوند.

توجه: قطعات در یکی از مراحل زیر گنجانده شده است.

مرحله 2: نقش آردوینو

در این پروژه از Arduino Uno استفاده شده است. آردوینو مسئول محاسبه مسیرهای حرکت گیت های مختلف مورد آزمایش بود و به محرک ها دستور می داد تا با سرعتهای دقیق به زوایای دقیق حرکت کنند تا حرکت پیاده روی صاف ایجاد شود. آردوینو به دلیل همه کاره بودن ، گزینه ای عالی برای توسعه پروژه ها است. این مجموعه پین های IO را ارائه می دهد و همچنین رابط هایی مانند سریال ، I2C و SPI را برای ارتباط با سایر میکروکنترلرها و حسگرها فراهم می کند. آردوینو همچنین بستر مناسبی برای نمونه سازی سریع و آزمایش فراهم می کند و همچنین به توسعه دهندگان امکان پیشرفت و توسعه را می دهد. در این پروژه ، نسخه های دیگر شامل یک واحد اندازه گیری اینرسی برای پردازش حرکت مانند تشخیص سقوط و حرکت پویا در زمین های ناهموار و سنسور اندازه گیری فاصله برای جلوگیری از موانع است.

Arduino IDE برای این پروژه استفاده شد. (آردوینو همچنین یک IDE مبتنی بر وب ارائه می دهد)

توجه: برنامه های مربوط به ربات را می توانید از یکی از مراحل زیر بارگیری کنید.

مرحله 3: مواد مورد نیاز

در اینجا لیستی از همه اجزا و قطعات مورد نیاز برای ساخت ربات دوپایه خود با آردوینو وجود دارد. همه قطعات باید به طور معمول در دسترس باشند و به راحتی پیدا شوند.

الکترونیک:

آردوینو Uno x 1

سروو موتور Towerpro MG995 x 6

تخته چوبی (اندازه مشابه آردوینو)

پین هدر زنانه و مردانه (حدود 20 عدد از هر کدام)

سیم جامپر (10 عدد)

MPU6050 IMU (اختیاری)

سنسور اولتراسونیک (اختیاری)

سخت افزار:

بلبرینگ اسکیت (8x19x7mm)

پیچ و مهره M4

فیلامنت پرینتر سه بعدی (در صورتی که صاحب یک چاپگر سه بعدی نیستید ، باید یک چاپگر سه بعدی در یک محل کار محلی وجود داشته باشد یا چاپها را می توان بصورت آنلاین با قیمت بسیار ارزان انجام داد)

هزینه این پروژه بدون احتساب آردوینو و چاپگر سه بعدی 20 دلار است.

مرحله 4: قطعات چاپ سه بعدی

قطعات مورد نیاز برای این پروژه باید به صورت سفارشی طراحی شوند ، بنابراین از چاپگر سه بعدی برای چاپ آنها استفاده شد. چاپها در 40٪ پر شدن ، 2 محیط ، نازل 0.4 میلی متر و ارتفاع لایه 0.1 میلی متر با PLA ، رنگ دلخواه شما انجام شده است. در زیر می توانید لیست کاملی از قطعات و STL ها را برای چاپ نسخه خود پیدا کنید.

توجه: از اینجا به بعد ، قطعات با استفاده از نامهای موجود در لیست ارجاع داده می شوند.

• سروو نگهدارنده پا x 1
• آینه سروو نگهدارنده پا x 1
• سروو نگهدارنده زانو x 1
• آینه نگهدارنده سروو زانو x 1
• نگهدارنده سرو پا x 1
• آینه سروو نگهدارنده پا x 1
• لینک بلبرینگ x 2
• پیوند سرو سرونو x 2
• پیوند پا x 2
• پل x 1
• پایه الکترونیک x 1
• الکترونیک اسپیسر x 8 (اختیاری)
• سروو بوق فضای x 12 (اختیاری)

در کل ، به استثنای فاصله دهنده ها ، 14 قسمت وجود دارد. کل زمان چاپ حدود 20 ساعت است.

مرحله 5: آماده سازی براکت سروو

پس از چاپ همه قطعات ، می توانید سرویس ها و براکت های سرو را تنظیم کنید. ابتدا یاتاقان را به سروو نگهدارنده زانو فشار دهید. محل مناسب باید محکم باشد اما توصیه می کنم به جای فشار دادن یاتاقان که ممکن است خطر شکستن قسمت را داشته باشد ، سطح داخلی سوراخ را کمی سنباده بزنید. سپس یک پیچ M4 را از سوراخ عبور داده و با استفاده از مهره آن را محکم کنید. سپس ، پیوند را بگیرید و با استفاده از پیچ های ارائه شده ، یک شاخ سروو مدور به آن وصل کنید. پیوند را با استفاده از پیچ هایی که برای اتصال سروو موتور استفاده می کنید ، به نگهدارنده سروو زانو وصل کنید. مطمئن شوید که موتور را طوری تراز کنید که شفت در همان سمت پیچ باشد که قبلاً چسبانده اید. در نهایت سروو را با بقیه مهره ها و پیچ ها محکم کنید.

همین کار را با نگهدارنده سرو سرو لگن و نگهدارنده سرو سرو پا انجام دهید. با این کار ، شما باید سه موتور سروو و براکت های مربوط به آنها داشته باشید.

توجه: من دستورالعمل هایی را برای ساختن یک پا ارائه می کنم ، پای دیگر به سادگی آینه می شود.

مرحله 6: ساختن قطعات پیوند

پس از جمع شدن براکت ها ، شروع به ساختن پیوندها کنید. برای ایجاد پیوند یاتاقان ، یکبار دیگر سطح داخلی سوراخ ها را برای بلبرینگ کمی سمباده زده و سپس بلبرینگ را در سوراخ هر دو طرف فشار دهید. اطمینان حاصل کنید که بلبرینگ را به داخل فشار دهید تا یک طرف آن صاف شود. برای ایجاد پیوند سرو سرو ، دو شاخ سروو مدور و پیچ های ارائه شده را بگیرید. شاخ ها را روی چاپ سه بعدی قرار دهید و سوراخ ها را در یک خط قرار دهید ، سپس با اتصال پیچ از طرف چاپ سه بعدی ، شاخ را روی چاپ سه بعدی پیچ کنید. توصیه می کنم برای این پیچ ها از دستگاه جداکننده سه بعدی سرو بوق استفاده کنید. پس از ایجاد پیوندها ، می توانید مونتاژ پا را شروع کنید.

مرحله 7: جمع آوری پاها

هنگامی که پیوندها و براکت ها جمع می شوند ، می توانید آنها را برای ساختن پای ربات ترکیب کنید. ابتدا از پیوند سرو سرو استفاده کنید تا براکت سروو مفصل ران و براکت سروو زانو را به یکدیگر متصل کنید. توجه: هنوز بوق را به سروو متصل نکنید زیرا مرحله تنظیم در مرحله زیر وجود دارد و اگر بوق روی سروو موتور پیچ شود ناراحتی ایجاد می کند.

در طرف مقابل با استفاده از مهره ها ، بلبرینگ را روی پیچ های بیرون زده نصب کنید. در نهایت ، براکت سروو پا را با قرار دادن پیچ بیرون زده از طریق بلبرینگ روی نگهدارنده سرو زانو وصل کنید. و شفت سروو را به شاخ سرو متصل به سروو نگهدارنده زانو در طرف دیگر ثابت کنید. این ممکن است یک کار پیچیده باشد و من برای این کار یک جفت دست دوم را توصیه می کنم.

مراحل را برای پای دیگر تکرار کنید. از تصاویر پیوست شده به هر مرحله به عنوان مرجع استفاده کنید.

مرحله 8: PCB سفارشی و سیم کشی

این مرحله اختیاری است. برای تمیز کردن سیم کشی ، تصمیم گرفتم یک PCB سفارشی با استفاده از پرفرفورد و پین هدر بسازم. PCB دارای پورت هایی است که سیم های سرو موتور را مستقیماً به هم متصل می کند. علاوه بر این ، در صورت تمایل به توسعه و اضافه کردن سنسورهای دیگر مانند واحدهای اندازه گیری اینرسیال یا سنسورهای فاصله مافوق صوت ، پورت های اضافی را نیز ترک کردم. همچنین دارای درگاهی برای منبع تغذیه خارجی مورد نیاز برای تغذیه سرو موتورها می باشد. برای جابجایی بین USB و برق خارجی برای آردوینو ، از یک اتصال بلوز استفاده می شود. آردوینو و PCB را با استفاده از پیچ و فاصله گیرهای پرینت سه بعدی در دو طرف پایه لوازم الکترونیکی نصب کنید.

توجه: قبل از اتصال آردوینو به رایانه خود از طریق USB ، جهنده را جدا کنید. عدم انجام این کار ممکن است منجر به آسیب رساندن به آردوینو شود.

اگر تصمیم دارید از PCB استفاده نکنید و در عوض از تخته نان استفاده کنید ، در اینجا اتصالات سروو وجود دارد:

• باسن چپ >> پین 9
• راست ران >> پین 8
• زانوی چپ >> پین 7
• راست زانو >> پین 6
• پای چپ >> پین 5
• پای راست >> پین 4

اگر تصمیم دارید PCB را با استفاده از پورت های روی PCB از راست به چپ و درگاه IMU رو به بالا ، همان دستورالعمل بالا را دنبال کنید. و برای اتصال PCB به آردوینو با استفاده از شماره های پین بالا ، از سیم های بلوز معمولی مرد به زن استفاده کنید. اطمینان حاصل کنید که پین زمین را نیز متصل کرده و پتانسیل زمین و پین Vin را برای زمانی که تصمیم دارید بدون برق USB اجرا کنید ایجاد کنید.

مرحله نهم: مونتاژ بدن

هنگامی که دو پا و وسایل الکترونیکی مونتاژ شدند ، آنها را با هم ترکیب کنید تا بدنه روبات ساخته شود. از قطعه پل برای اتصال دو پا به هم استفاده کنید. از سوراخ های نصب یکسان روی نگهدارنده سرو سرو لگن و پیچ و مهره هایی که سرو موتور را نگه می دارند استفاده کنید. در نهایت ، پایه الکترونیکی را به پل وصل کنید. سوراخ های روی پل و پایه لوازم الکترونیکی را در یک خط قرار دهید و از مهره و پیچ M4 برای ایجاد اتصال استفاده کنید.

برای کمک به تصاویر پیوست مراجعه کنید. با این کار ، ساخت سخت افزار روبات را تکمیل کرده اید. بعد ، بیایید وارد نرم افزار شویم و ربات را زنده کنیم.

مرحله 10: راه اندازی اولیه

چیزی که من هنگام ساخت این پروژه به آن توجه کرده ام این است که موتورهای سروو و بوق ها برای موازی بودن نسبتاً لازم نیست کاملاً تراز شوند. به همین دلیل است که "موقعیت مرکزی" هر موتور سروو باید به صورت دستی تنظیم شود تا با پاها هماهنگ شود. برای دستیابی به این هدف ، شاخ های سرو را از هر سرو بردارید و طرح اولیه_setup.ino را اجرا کنید. هنگامی که موتورها در موقعیت مرکزی خود قرار گرفتند ، شاخها را مجدداً وصل کنید تا پاها کاملاً صاف و پا کاملاً موازی با زمین باشد. اگر این مورد است شما خوش شانس هستید. اگر فایل constants.h موجود در برگه مجاور را باز نکرده و مقادیر سرو افست (خطوط 1-6) را تغییر دهید تا پاها کاملاً تراز شده و پا صاف شود. با ارزشها بازی کنید و در مورد آنچه در مورد شما ضروری است ایده خواهید گرفت.

پس از تنظیم ثابتها ، این مقادیر را توجه کنید زیرا بعداً مورد نیاز خواهند بود.

برای کمک به تصاویر مراجعه کنید.

مرحله 11: کمی در مورد سینماتیک

برای اینکه دوپا اقدامات مفیدی مانند دویدن و راه رفتن را انجام دهد ، گام های مختلف باید در قالب مسیرهای حرکت برنامه ریزی شوند. مسیرهای حرکتی مسیری هستند که در انتهای آن افکت انتهایی (در این حالت پا) طی می شود. برای دستیابی به این هدف دو راه وجود دارد:

1. یک رویکرد این است که زوایای مفصل موتورهای مختلف را به روش نیروی بی رحم تغذیه کنید. این رویکرد می تواند وقت گیر ، خسته کننده و همچنین مملو از اشتباه باشد زیرا قضاوت کاملاً بصری است. در عوض ، راهی هوشمندانه برای دستیابی به نتایج مطلوب وجود دارد.
2. رویکرد دوم حول تغذیه مختصات اثر نهایی به جای تمام زوایای مفصل می چرخد. این همان چیزی است که به عنوان سینماتیک معکوس شناخته می شود. مختصات ورودی کاربر و زوایای مفصل تنظیم می شود تا اثر نهایی را در مختصات مشخص شده قرار دهد. این روش را می توان به عنوان یک جعبه سیاه در نظر گرفت که مختصات ورودی را گرفته و زاویه های مفصل را خروجی می دهد. برای کسانی که به نحوه ایجاد معادلات مثلثاتی این جعبه سیاه علاقه دارند می توانند به نمودار بالا نگاه کنند. برای کسانی که علاقه ای ندارند ، معادلات از قبل برنامه ریزی شده اند و می توانند با استفاده از تابع pos که ورودی x ، z را در نظر می گیرد و سه زاویه مربوط به موتورها را خروجی می گیرد ، استفاده شوند.

برنامه حاوی این توابع را می توانید در مرحله بعد پیدا کنید.

مرحله 12: برنامه نویسی آردوینو

قبل از برنامه نویسی Arduino ، باید تغییرات جزئی در پرونده ایجاد شود. ثابتی را که از شما خواستم یادداشت بردارید به خاطر دارید؟ همان ثابتها را به مقادیری که در فایل constants.h تنظیم کرده اید تغییر دهید.

توجه: اگر از طرح های ارائه شده در این دستورالعمل استفاده کرده اید ، چیزی برای تغییر ندارید. در صورتی که برخی از شما طرح های خود را طراحی کرده باشید ، مجبور خواهید بود چند مقدار دیگر را به همراه آفست ها تغییر دهید. ثابت l1 فاصله بین محور ران و محور زانو را اندازه گیری می کند. ثابت l2 فاصله بین محور زانو و محور مچ پا را اندازه گیری می کند. بنابراین اگر مدل خود را طراحی کرده اید ، این طول ها را اندازه بگیرید و ثابت ها را تغییر دهید. دو ثابت آخر برای گیت ها استفاده می شود. ثابت stepClearance میزان بلند شدن پا را در حین جلو آمدن بعد از یک مرحله اندازه گیری می کند و ثابت stepHeight ارتفاع از زمین تا لگن را در حین انجام مراحل اندازه گیری می کند.

هنگامی که همه ثابت ها با توجه به نیاز شما تغییر کردند ، می توانید برنامه اصلی را بارگذاری کنید. برنامه اصلی به سادگی ربات را در حالت پیاده روی قرار می دهد و قدم های رو به جلو را بر می دارد. توابع را می توان با توجه به نیاز شما برای کاوش در مراحل مختلف ، سرعت و طول قدم ها تغییر داد تا ببینید چه چیزی به بهترین شکل کار می کند.

مرحله 13: نتایج نهایی: زمان آزمایش

دوپا می تواند قدم هایی از 10 تا 2 سانتیمتر متغیر را بدون سرنگونی انجام دهد. سرعت نیز می تواند متفاوت باشد در حالی که راه رفتن متعادل است. این دوپا همراه با قدرت آردوینو یک بستر قوی برای آزمایش انواع مختلف راهپیمایی ها و اهداف دیگر مانند پرش یا تعادل هنگام لگد زدن به یک توپ فراهم می کند. من به شما توصیه می کنم که مسیر حرکت پاها را تغییر دهید تا راه رفتن خود را ایجاد کنید و دریابید که چگونه گام های مختلف بر عملکرد ربات تأثیر می گذارد. حسگرهایی مانند IMU و سنسور فاصله را می توان به سیستم اضافه کرد تا عملکرد آن افزایش یابد در حالی که سنسورهای نیرو را می توان به پاها اضافه کرد تا حرکت پویا را روی سطوح ناهموار آزمایش کند.

امیدوارم از این دستورالعمل لذت برده باشید و الهام بخش کافی برای ساختن خود باشید. اگر پروژه را دوست داشتید با رأی دادن در "مسابقه آردوینو" از آن حمایت کنید.

ساخت خوشحالم!

جایزه اول در مسابقه آردوینو 2020