Robot bốn chân chạy bằng Arduino được in 3D: 13 bước (có hình ảnh)

2024 Tác giả: John Day | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-01-30 13:30

Các dự án Fusion 360 »

Từ các Tài liệu hướng dẫn trước, bạn có thể thấy rằng tôi có một mối quan tâm sâu sắc đối với các dự án rô bốt. Sau lần hướng dẫn trước, nơi tôi chế tạo rô bốt hai chân, tôi quyết định thử chế tạo rô bốt bốn chân có thể bắt chước các động vật như chó và mèo. Trong phần Có thể hướng dẫn này, tôi sẽ chỉ cho bạn cách thiết kế và lắp ráp robot bốn chân.

Mục tiêu chính trong khi xây dựng dự án này là làm cho hệ thống càng mạnh càng tốt để trong khi thử nghiệm với các dáng đi và chạy khác nhau, tôi sẽ không phải lo lắng về việc phần cứng bị lỗi. Điều này cho phép tôi đẩy phần cứng đến giới hạn của nó và thử nghiệm với các dáng đi và chuyển động phức tạp. Mục tiêu thứ hai là làm cho bộ tứ chi phí tương đối thấp bằng cách sử dụng các bộ phận sở thích sẵn có và in 3D cho phép tạo mẫu nhanh. Hai mục tiêu này kết hợp cung cấp một nền tảng vững chắc để thực hiện các thử nghiệm khác nhau, cho phép một người phát triển bốn mục tiêu cho các yêu cầu cụ thể hơn như điều hướng, tránh chướng ngại vật và chuyển động động.

Hãy xem video đính kèm ở trên để xem bản demo nhanh về dự án. Hãy tiếp tục để tạo Robot bốn chân được hỗ trợ bởi Arduino của riêng bạn và bỏ phiếu trong "Cuộc thi Make it Move" nếu bạn thích dự án.

Bước 1: Tổng quan và Quy trình thiết kế

Bộ tứ được thiết kế trong phần mềm mô hình 3D Fusion 360 miễn phí của Autodesk. Tôi bắt đầu bằng cách nhập các động cơ servo vào thiết kế và chế tạo chân và thân xung quanh chúng. Tôi đã thiết kế giá đỡ cho động cơ servo cung cấp điểm trục thứ hai đối diện theo đường kính với trục của động cơ servo. Việc có trục kép ở một trong hai đầu của động cơ mang lại sự ổn định về cấu trúc cho thiết kế và loại bỏ bất kỳ hiện tượng lệch nào có thể xảy ra khi các chân được tạo ra để chịu một số tải trọng. Các liên kết được thiết kế để giữ ổ trục trong khi giá đỡ sử dụng bu lông cho trục. Khi các liên kết được gắn vào trục bằng đai ốc, ổ trục sẽ cung cấp một điểm trục trơn và chắc chắn ở phía đối diện của trục động cơ servo.

Một mục tiêu khác trong khi thiết kế mô hình bốn chân là giữ cho mô hình càng nhỏ gọn càng tốt để tận dụng tối đa mô-men xoắn được cung cấp bởi động cơ servo. Kích thước của các liên kết được thực hiện để đạt được phạm vi chuyển động lớn trong khi giảm thiểu chiều dài tổng thể. Làm cho chúng quá ngắn sẽ làm cho các giá đỡ va chạm, làm giảm phạm vi chuyển động và làm cho nó quá dài sẽ tạo ra mô-men xoắn không cần thiết lên các bộ truyền động. Cuối cùng, tôi thiết kế phần thân của robot để gắn Arduino và các thành phần điện tử khác. Tôi cũng đã để lại các điểm gắn bổ sung trên bảng điều khiển trên cùng để làm cho dự án có thể mở rộng để cải thiện thêm. Một lần có thể thêm các cảm biến như cảm biến khoảng cách, máy ảnh hoặc các cơ chế hoạt động khác như bộ gắp rô bốt.

Lưu ý: Các phần được bao gồm trong một trong các bước sau.

Bước 2: Vật liệu cần thiết

Dưới đây là danh sách tất cả các thành phần và bộ phận cần thiết để tạo ra Robot bốn người được hỗ trợ bởi Arduino của riêng bạn. Tất cả các bộ phận phải thường có sẵn và dễ dàng tìm thấy trong các cửa hàng phần cứng địa phương hoặc trực tuyến.

THIẾT BỊ ĐIỆN TỬ:

Arduino Uno x 1

Động cơ servo Towerpro MG995 x 12

Lá chắn cảm biến Arduino (Tôi đề xuất phiên bản V5 nhưng tôi đã có phiên bản V4)

Dây nhảy (10 cái)

MPU6050 IMU (tùy chọn)

Cảm biến siêu âm (tùy chọn)

PHẦN CỨNG:

Vòng bi (8x19x7mm, 12 cái)

Đai ốc và bu lông M4

Dây tóc máy in 3D (trong trường hợp bạn không sở hữu máy in 3D, nên có một máy in 3D trong không gian làm việc cục bộ hoặc các bản in có thể được thực hiện trực tuyến với giá khá rẻ)

Tấm acrylic (4mm)

CÔNG CỤ

máy in 3D

Máy cắt laser

Chi phí đáng kể nhất của dự án này là 12 động cơ servo. Tôi khuyên bạn nên chọn phiên bản tầm trung đến tầm cao thay vì sử dụng loại nhựa rẻ tiền vì chúng có xu hướng dễ vỡ. Không bao gồm các công cụ, tổng chi phí của dự án này là khoảng 60 $.

Bước 3: Các bộ phận được chế tạo kỹ thuật số

Các bộ phận cần thiết cho dự án này phải được thiết kế riêng, do đó chúng tôi sử dụng sức mạnh của các bộ phận được chế tạo kỹ thuật số và CAD để chế tạo chúng. Hầu hết các bộ phận được in 3D, trừ một số bộ phận được cắt bằng laser từ acrylic 4mm. Các bản in được thực hiện với 40% mực in, 2 chu vi, vòi phun 0,4mm và chiều cao lớp 0,1mm với PLA. Một số bộ phận cần có giá đỡ vì chúng có hình dạng phức tạp với phần nhô ra, tuy nhiên, các bộ phận này có thể dễ dàng tiếp cận và có thể tháo ra bằng một số máy cắt. Bạn có thể chọn màu tùy thích của dây tóc. Dưới đây, bạn có thể tìm thấy danh sách đầy đủ các bộ phận và STL để in phiên bản của riêng bạn và các thiết kế 2D cho các bộ phận cắt bằng laser.

Lưu ý: Từ đây các bộ phận sẽ được sử dụng tên trong danh sách sau.

Các bộ phận in 3D:

• giá đỡ servo hông x 2
• gương giá đỡ servo hông x 2
• giá đỡ servo đầu gối x 2
• gương giá đỡ servo đầu gối x 2
• ổ đỡ x 2
• gương giữ ổ trục x 2
• chân x 4
• liên kết còi servo x 4
• liên kết mang x 4
• ngăn chứa arduino x 1
• giá đỡ cảm biến khoảng cách x 1
• Hỗ trợ L x 4
• mang bụi cây x 4
• bộ đệm còi servo x 24

Các bộ phận được cắt bằng laser:

• bảng giá đỡ servo x 2
• bảng điều khiển trên cùng x 1

Tổng cộng, có 30 bộ phận cần được in 3D không bao gồm các bộ đệm khác nhau và tổng cộng 33 bộ phận được chế tạo kỹ thuật số. Tổng thời gian in khoảng 30 giờ.

Bước 4: Chuẩn bị liên kết

Bạn có thể bắt đầu lắp ráp bằng cách thiết lập một số bộ phận ngay từ đầu, điều này sẽ giúp quá trình lắp ráp cuối cùng dễ quản lý hơn. Bạn có thể bắt đầu với liên kết. Để tạo liên kết ổ trục, hãy chà nhám nhẹ bề mặt bên trong của các lỗ cho ổ trục sau đó đẩy ổ trục vào lỗ ở cả hai đầu. Đảm bảo đẩy vòng bi vào cho đến khi một bên phẳng. Để tạo liên kết còi servo, hãy lấy hai sừng servo tròn và các vít đi kèm với chúng. Đặt sừng trên bản in 3D và xếp hai lỗ, tiếp theo vặn sừng lên bản in 3D bằng cách gắn vít từ mặt in 3D. Tôi đã phải sử dụng một số bộ đệm còi servo in 3D vì các vít được cung cấp hơi dài và sẽ giao với thân động cơ servo khi nó quay. Sau khi các liên kết được tạo, bạn có thể bắt đầu thiết lập các giá đỡ và dấu ngoặc vuông khác nhau.

Lặp lại điều này cho tất cả 4 liên kết của cả hai loại.

Bước 5: Chuẩn bị giá đỡ Servo

Để thiết lập giá đỡ servo đầu gối, chỉ cần luồn một bu lông 4mm qua lỗ và buộc chặt nó bằng đai ốc. Điều này sẽ hoạt động như trục thứ cấp cho động cơ. Từ giá đỡ servo hông, luồn hai bu lông qua hai lỗ và buộc chặt chúng bằng hai đai ốc nữa. Tiếp theo, lấy một còi servo hình tròn khác và gắn nó vào phần hơi cao của giá đỡ bằng cách sử dụng hai vít đi kèm với sừng. Một lần nữa, tôi khuyên bạn nên sử dụng miếng đệm còi servo để các vít không nhô vào khe hở của servo. Cuối cùng, lấy phần giữ ổ trục và đẩy một ổ trục vào lỗ. Bạn có thể cần phải chà nhám nhẹ bề mặt bên trong cho vừa vặn. Tiếp theo, đẩy một lực đẩy vào ổ trục theo hướng mà miếng giữ ổ trục uốn cong.

Tham khảo các hình ảnh đính kèm ở trên trong khi xây dựng giá đỡ. Lặp lại quá trình này cho phần còn lại của dấu ngoặc. Những cái được nhân đôi tương tự nhau, chỉ có mọi thứ được nhân đôi.

Bước 6: Lắp ráp các chân

Sau khi tất cả các liên kết và giá đỡ được lắp ráp, bạn có thể bắt đầu chế tạo bốn chân của robot. Bắt đầu bằng cách gắn các servo vào giá đỡ bằng cách sử dụng bu lông và đai ốc 4 x M4. Đảm bảo căn chỉnh trục của servo với chốt nhô ra ở phía bên kia.

Tiếp theo, liên kết servo hông với servo đầu gối bằng cách sử dụng miếng liên kết sừng servo. Không sử dụng vít để cố định còi vào trục động cơ servo vì chúng ta có thể cần phải điều chỉnh vị trí sau này. Ở phía đối diện, lắp liên kết ổ trục chứa hai ổ trục lên các bu lông nhô ra bằng cách sử dụng đai ốc.

Lặp lại quá trình này cho phần còn lại của ba chân và 4 chân cho bốn chân đã sẵn sàng!

Bước 7: Lắp ráp phần thân

Tiếp theo, chúng ta có thể tập trung vào việc xây dựng cơ thể của robot. Phần thân chứa bốn động cơ servo cung cấp cho các chân của chúng mức độ tự do thứ 3. Bắt đầu bằng cách sử dụng bu lông và buts 4 x M4 để gắn servo vào bảng giá đỡ servo được cắt bằng laser.

Lưu ý: Đảm bảo rằng servo được gắn sao cho trục nằm ở phía bên ngoài của chi tiết như trong các hình ảnh đính kèm ở trên. Lặp lại quy trình này cho phần còn lại của ba động cơ servo, lưu ý hướng.

Tiếp theo, gắn các giá đỡ chữ L vào cả hai mặt của bảng điều khiển bằng cách sử dụng hai đai ốc và bu lông M4. Miếng này cho phép chúng tôi cố định chắc chắn bảng giá đỡ servo vào bảng trên cùng. Lặp lại quy trình này với thêm hai giá đỡ L và bảng giá đỡ servo thứ hai giữ bộ động cơ servo thứ hai.

Khi giá đỡ L đã ở đúng vị trí, hãy sử dụng thêm đai ốc và bu lông M4 để gắn bảng giá đỡ servo vào bảng trên cùng. Bắt đầu với bộ đai ốc và bu lông bên ngoài (về phía trước và sau). Các đai ốc và bu lông trung tâm cũng giữ miếng giữ arduino. Sử dụng bốn đai ốc và bu lông để gắn giá đỡ arduino từ trên xuống bảng điều khiển trên cùng và căn chỉnh các bu lông sao cho chúng cũng đi qua các lỗ hỗ trợ L. Tham khảo các hình ảnh đính kèm ở trên để rõ hơn. Cuối cùng, trượt bốn đai ốc vào các khe trên bảng giá đỡ servo và sử dụng bu lông để cố định các bảng giá đỡ servo vào bảng điều khiển trên cùng.

Bước 8: Kết hợp tất cả lại với nhau

Sau khi chân và thân được lắp ráp, bạn có thể bắt đầu hoàn tất quá trình lắp ráp. Gắn bốn chân vào bốn servo bằng cách sử dụng còi servo được gắn vào giá đỡ servo hông. Cuối cùng, sử dụng các miếng giữ ổ trục để hỗ trợ trục đối diện của khung hông. Đưa trục qua ổ trục và sử dụng một bu lông để cố định nó vào vị trí. Gắn các giá đỡ ổ trục vào bảng điều khiển trên cùng bằng cách sử dụng hai đai ốc và bu lông M4.

Với điều này, việc lắp ráp phần cứng của quaduped đã sẵn sàng.

Bước 9: Đấu dây và mạch điện

Tôi quyết định sử dụng một tấm chắn cảm biến cung cấp kết nối cho động cơ servo. Tôi khuyên bạn nên sử dụng tấm chắn cảm biến v5 vì nó có cổng cấp nguồn bên ngoài tích hợp. Tuy nhiên, cái mà tôi đã sử dụng không có tùy chọn này. Xem xét kỹ hơn tấm chắn cảm biến, tôi nhận thấy rằng tấm chắn cảm biến đang lấy điện từ chân 5v trên bo mạch của Arduino (đây là một ý tưởng khủng khiếp khi nói đến động cơ servo công suất cao vì bạn có nguy cơ làm hỏng Arduino). Cách khắc phục sự cố này là bẻ cong chân 5v trên tấm chắn cảm biến ra khỏi đường để nó không kết nối với chân 5v của Arduino. Bằng cách này, bây giờ chúng ta có thể cung cấp nguồn điện bên ngoài thông qua chân 5v mà không làm hỏng Arduino.

Kết nối của các chân tín hiệu của 12 động cơ servo được chỉ ra trong bảng dưới đây.

Lưu ý: Hip1Servo dùng để chỉ servo được gắn vào thân máy. Hip2Servo đề cập đến servo được gắn vào chân.

Chân 1 (về phía trước bên trái):

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

Chân 2 (về phía trước bên phải):

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

Chân 3 (trái trở lại):

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

Chân 4 (trở lại bên phải):

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

Bước 10: Thiết lập ban đầu

Trước khi bắt đầu lập trình các dáng đi phức tạp và các chuyển động khác, chúng ta cần thiết lập các điểm 0 của mỗi servo. Điều này cung cấp cho robot một điểm tham chiếu mà nó sử dụng để thực hiện các chuyển động khác nhau.

Để tránh hư hỏng cho rô-bốt, bạn có thể tháo các liên kết còi servo. Tiếp theo, tải lên mã được đính kèm bên dưới. Mã này đặt mỗi servos ở góc 90 độ. Khi servo đã đạt đến vị trí 90 độ, bạn có thể gắn lại các liên kết sao cho các chân thẳng hoàn toàn và servo được gắn vào thân vuông góc với bảng điều khiển trên cùng của thiết bị bốn chân.

Tại thời điểm này, do thiết kế của còi servo, một số khớp nối có thể vẫn chưa thẳng hoàn toàn. Giải pháp cho điều này là điều chỉnh mảng zeroPositions được tìm thấy trên dòng thứ 4 của mã. Mỗi số đại diện cho vị trí không của servo tương ứng (thứ tự giống như thứ tự mà bạn đã gắn servo vào Arduino). Chỉnh sửa các giá trị này một chút cho đến khi chân thẳng hoàn toàn.

Lưu ý: Dưới đây là các giá trị mà tôi sử dụng mặc dù các giá trị này có thể không phù hợp với bạn:

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

Bước 11: Một chút về động học

Để làm cho các bộ bốn thực hiện các hành động hữu ích như chạy, đi bộ và các chuyển động khác, các servo cần được lập trình dưới dạng các đường chuyển động. Đường chuyển động là đường mà hiệu ứng cuối (chân trong trường hợp này) di chuyển dọc theo. Có hai cách để đạt được điều này:

1. Một cách tiếp cận sẽ là cung cấp các góc khớp của các động cơ khác nhau theo cách thô bạo. Cách tiếp cận này có thể tốn thời gian, tẻ nhạt và cũng chứa đầy sai sót vì phán đoán hoàn toàn là trực quan. Thay vào đó, có một cách thông minh hơn để đạt được kết quả mong muốn.
2. Cách tiếp cận thứ hai xoay quanh việc cung cấp tọa độ của bộ tạo hiệu ứng cuối thay vì tất cả các góc khớp. Đây là những gì được gọi là Chuyển động học nghịch đảo. Người dùng nhập tọa độ và các góc khớp điều chỉnh để định vị hiệu ứng cuối tại các tọa độ được chỉ định. Phương pháp này có thể được coi là một hộp đen lấy tọa độ đầu vào và xuất ra các góc khớp. Đối với những ai quan tâm đến cách phát triển các phương trình lượng giác của hộp đen này có thể xem sơ đồ trên. Đối với những người không quan tâm, các phương trình đã được lập trình và có thể được sử dụng bằng cách sử dụng hàm pos lấy đầu vào là x, y, z, là vị trí cacte của bộ tạo hiệu ứng cuối và xuất ra ba góc tương ứng với động cơ.

Chương trình chứa các hàm này có thể được tìm thấy trong bước tiếp theo.

Bước 12: Lập trình Quadruped

Sau khi hoàn tất việc nối dây và khởi tạo, bạn có thể lập trình rô bốt và tạo các đường chuyển động mát mẻ để rô bốt thực hiện các nhiệm vụ thú vị. Trước khi bạn tiếp tục, hãy thay đổi dòng thứ 4 trong mã đính kèm thành các giá trị mà bạn đã đặt trong bước khởi tạo. Sau khi tải lên chương trình, robot sẽ bắt đầu bước đi. Nếu bạn nhận thấy rằng một số khớp bị đảo ngược, bạn có thể chỉ cần thay đổi giá trị hướng tương ứng trong mảng hướng ở dòng 5 (nếu là 1 thì làm -1 và nếu là -1 thì làm 1).

Bước 13: Kết quả cuối cùng: Thời gian để thử nghiệm

Robot bốn chân có thể thực hiện các bước dài từ 5 đến 2 cm. Tốc độ cũng có thể thay đổi trong khi giữ cho dáng đi cân bằng. Bộ bốn này cung cấp một nền tảng mạnh mẽ để thử nghiệm với nhiều dáng đi khác và các mục tiêu khác như nhảy hoặc hoàn thành nhiệm vụ. Tôi khuyên bạn nên thử thay đổi đường chuyển động của chân để tạo dáng đi của riêng bạn và khám phá các dáng đi khác nhau ảnh hưởng như thế nào đến hiệu suất của rô bốt. Tôi cũng đã để lại nhiều điểm gắn trên đầu rô bốt để lắp thêm cảm biến như cảm biến đo khoảng cách cho các nhiệm vụ tránh chướng ngại vật hoặc IMU cho dáng đi năng động trên địa hình không bằng phẳng. Người ta cũng có thể thử nghiệm với một cánh tay kẹp bổ sung được gắn vào đầu rô-bốt vì rô-bốt cực kỳ ổn định và mạnh mẽ và sẽ không dễ dàng lật nhào.

Hy vọng bạn thích tài liệu có thể hướng dẫn này và nó đã truyền cảm hứng để bạn xây dựng tài liệu của riêng mình.

Nếu bạn thích dự án, hãy ủng hộ nó bằng cách bỏ phiếu bầu trong "Cuộc thi Make it Move".

Chúc bạn thành công!

Giải nhì cuộc thi Make it Move 2020