Robot điều khiển Arduino Biped: 13 bước (có hình ảnh)

2024 Tác giả: John Day | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-01-30 13:31

Các dự án Fusion 360 »

Tôi luôn bị hấp dẫn bởi robot, đặc biệt là loại cố gắng bắt chước hành động của con người. Sở thích này đã khiến tôi cố gắng thiết kế và phát triển một robot đi xe đạp có thể bắt chước bước đi và chạy của con người. Trong phần Có thể hướng dẫn này, tôi sẽ chỉ cho bạn cách thiết kế và lắp ráp robot biped.

Mục tiêu chính trong khi xây dựng dự án này là làm cho hệ thống mạnh nhất có thể để trong khi thử nghiệm với nhiều 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. Mục tiêu thứ hai là làm cho chi phí tương đối thấp bằng cách sử dụng các bộ phận sở thích sẵn có và in 3D để lại chỗ cho việc nâng cấp và mở rộng thêm. 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 các yêu cầu cụ thể hơn.

Hãy tiếp tục để tạo Robotic Biped được điều khiển bằng Arduino của riêng bạn và bỏ phiếu trong "Cuộc thi Arduino" nếu bạn thích dự án.

Bước 1: Quy trình thiết kế

Chân hình người 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 các chân 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 biped là giữ cho mô hình càng nhỏ gọn càng tốt để tận dụng tối đa mô-men xoắn do động cơ servo cung cấp. 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.

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

Bước 2: Vai trò của Arduino

Một Arduino Uno đã được sử dụng trong dự án này. Arduino chịu trách nhiệm tính toán các đường chuyển động của các dáng đi khác nhau đã được thử nghiệm và hướng dẫn các bộ truyền động di chuyển đến các góc chính xác với tốc độ chính xác để tạo ra chuyển động đi bộ mượt mà. Arduino là một lựa chọn tuyệt vời để phát triển các dự án vì tính linh hoạt của nó. Nó cung cấp một loạt các chân IO và cũng cung cấp các giao diện như nối tiếp, I2C và SPI để giao tiếp với các bộ vi điều khiển và cảm biến khác. Arduino cũng cung cấp một nền tảng tuyệt vời để tạo mẫu và thử nghiệm nhanh chóng, đồng thời cung cấp cho các nhà phát triển khả năng cải tiến và mở rộng. Trong dự án này, các phiên bản tiếp theo sẽ bao gồm Đơn vị đo lường quán tính để xử lý chuyển động như phát hiện ngã và chuyển động động ở địa hình không bằng phẳng và cảm biến đo khoảng cách để tránh chướng ngại vật.

Arduino IDE đã được sử dụng cho dự án này. (Arduino cũng cung cấp một IDE dựa trên web)

Lưu ý: Các chương trình cho rô bốt có thể được tải xuống từ một trong các bước sau.

Bước 3: Vật liệu cần thiết

Dưới đây là danh sách tất cả các thành phần và bộ phận cần thiết để tạo ra robot Bipedal được hỗ trợ Arduino của riêng bạn. Tất cả các bộ phận phải phổ biến và dễ tìm.

THIẾT BỊ ĐIỆN TỬ:

Arduino Uno x 1

Động cơ servo Towerpro MG995 x 6

Perfboard (kích thước tương tự như Arduino)

Ghim tiêu đề Nam và Nữ (khoảng 20 chân mỗi chiếc)

Dây nhảy (10 cái)

MPU6050 IMU (tùy chọn)

Cảm biến siêu âm (tùy chọn)

PHẦN CỨNG:

Vòng bi ván trượt (8x19x7mm)

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)

Không tính Arduino và máy in 3D, tổng chi phí của dự án này là 20 đô la.

Bước 4: Các bộ phận in 3D

Các bộ phận cần thiết cho dự án này phải được thiết kế tùy chỉnh do đó máy in 3D đã được sử dụng để in chúng ra. 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, màu sắc tùy chọn của bạn. Dưới đây, bạn có thể tìm thấy danh sách đầy đủ các bộ phận và STL để in phiên bản của riêng bạn.

Lưu ý: Từ đây trở đi các phần sẽ được sử dụng tên trong danh sách.

• giá đỡ servo chân x 1
• gương giữ chân servo x 1
• giá đỡ servo đầu gối x 1
• gương giữ servo đầu gối x 1
• giá đỡ servo chân x 1
• gương giữ chân servo x 1
• liên kết mang x 2
• liên kết còi servo x 2
• liên kết chân x 2
• cầu x 1
• ngàm điện tử x 1
• miếng đệm điện tử x 8 (tùy chọn)
• không gian còi servo x 12 (tùy chọn)

Tổng cộng, không bao gồm các miếng đệm, có 14 phần. Tổng thời gian in khoảng 20 giờ.

Bước 5: Chuẩn bị giá đỡ Servo

Sau khi tất cả các bộ phận được in, bạn có thể bắt đầu bằng cách thiết lập các servo và giá đỡ servo. Đầu tiên đẩy một ổ trục vào giá đỡ servo đầu gối. Khớp phải vừa khít nhưng tôi khuyên bạn nên chà nhám bề mặt bên trong của lỗ một chút thay vì ép ổ trục có thể có nguy cơ làm gãy bộ phận. Sau đó luồn một bu lông M4 qua lỗ và siết chặt nó bằng đai ốc. Tiếp theo, lấy liên kết chân và gắn một còi servo tròn vào nó bằng các vít đi kèm. Gắn liên kết chân vào giá đỡ servo đầu gối bằng các vít mà bạn sẽ sử dụng để gắn động cơ servo. Đảm bảo căn chỉnh động cơ sao cho trục ở cùng phía với bu lông mà bạn đã gắn trước đó. Cuối cùng cố định servo bằng phần còn lại của đai ốc và bu lông.

Làm tương tự với giá đỡ servo hông và giá đỡ servo ở chân. Với điều này, bạn nên có ba động cơ servo và giá đỡ tương ứng của chúng.

Lưu ý: Tôi đang cung cấp hướng dẫn để xây dựng một chân, chân kia được phản chiếu đơn giản.

Bước 6: Tạo các mảnh liên kết

Khi các dấu ngoặc đã được lắp ráp, hãy bắt đầu tạo các liên kết. Để tạo liên kết ổ trục, một lần nữa chà nhám nhẹ bề mặt bên trong của các lỗ cho ổ trục sau đó đẩy ổ trục vào lỗ ở cả hai phía. Đảm bảo đẩy vòng bi vào cho đến khi một bên phẳng. Để tạo liên kết còi servo, hãy lấy hai còi servo tròn và các vít đi kèm. Đặt sừng trên bản in 3D và xếp các lỗ, tiếp theo vặn sừng lên bản in 3D bằng cách gắn vít từ mặt in 3D. Tôi khuyên bạn nên sử dụng miếng đệm còi servo in 3D cho các vít này. Sau khi các liên kết được xây dựng, bạn có thể bắt đầu lắp ráp chân.

Bước 7: Lắp ráp các chân

Sau khi các liên kết và giá đỡ được lắp ráp, bạn có thể kết hợp chúng để tạo chân của robot. Đầu tiên, sử dụng liên kết còi servo để gắn giá đỡ servo hông và giá đỡ servo đầu gối với nhau. Lưu ý: Không vặn còi vào động cơ servo vì có một giai đoạn thiết lập trong giai đoạn sau và sẽ rất bất tiện nếu còi được vặn vào động cơ servo.

Ở phía đối diện, gắn liên kết ổ trục vào các bu lông nhô ra bằng cách sử dụng đai ốc. Cuối cùng, gắn giá đỡ servo chân bằng cách lắp chốt nhô ra qua ổ đỡ trên giá đỡ servo đầu gối. Và cố định trục servo vào còi servo được kết nối với giá đỡ servo đầu gối ở phía bên kia. Đây có thể là một nhiệm vụ khó khăn và tôi muốn giới thiệu một đôi tay thứ hai cho việc này.

Lặp lại các bước cho chân còn lại. Sử dụng các hình ảnh đính kèm cho mỗi bước làm tài liệu tham khảo.

Bước 8: PCB và dây điện tùy chỉnh

Đây là một bước tùy chọn. Để làm cho hệ thống dây gọn gàng hơn, tôi quyết định tạo một PCB tùy chỉnh bằng cách sử dụng bảng điều khiển và chân cắm tiêu đề. PCB chứa các cổng để kết nối trực tiếp các dây động cơ servo. Ngoài ra, tôi cũng để lại các cổng phụ trong trường hợp tôi muốn mở rộng và thêm các cảm biến khác như Đơn vị đo lường quán tính hoặc cảm biến khoảng cách siêu âm. Nó cũng chứa một cổng cho nguồn điện bên ngoài cần thiết để cung cấp năng lượng cho động cơ servo. Kết nối jumper được sử dụng để chuyển đổi giữa USB và nguồn bên ngoài cho Arduino. Gắn Arduino và PCB vào hai bên của ngàm điện tử bằng cách sử dụng vít và miếng đệm in 3D.

Lưu ý: Đảm bảo rút dây nối trước khi kết nối Arduino với máy tính của bạn qua USB. Không làm điều này có thể dẫn đến làm hỏng Arduino.

Nếu bạn quyết định không sử dụng PCB và thay vào đó sử dụng bảng mạch, đây là các kết nối servo:

• Hông trái >> chốt 9
• Hông phải >> pin 8
• Đầu gối trái >> chốt 7
• Đầu gối phải >> pin 6
• Chân trái >> chân 5
• Chân phải >> chân 4

Nếu bạn quyết định làm cho PCB theo thứ tự tương tự như trên bằng cách sử dụng các cổng trên PCB từ phải sang trái với cổng IMU hướng lên trên. Và sử dụng dây jumper nam sang nữ thông thường để kết nối PCB với Arduino bằng cách sử dụng các số pin ở trên. Đảm bảo cũng kết nối chân nối đất và tạo ra cùng một điện thế nối đất và chân Vin khi bạn quyết định chạy nó mà không cần nguồn USB.

Bước 9: Lắp ráp phần thân

Khi hai chân và các thiết bị điện tử đã được lắp ráp, hãy kết hợp chúng lại với nhau để tạo nên cơ thể robot. Dùng miếng cầu để liên kết hai chân với nhau. Sử dụng cùng các lỗ lắp trên giá đỡ servo hông và đai ốc và bu lông giữ động cơ servo. Cuối cùng, kết nối ngàm điện tử với cầu. Xếp các lỗ trên cầu và lắp thiết bị điện tử và sử dụng đai ốc và bu lông M4 để làm mối nối.

Tham khảo các hình ảnh đính kèm để được trợ giúp. Với điều này, bạn đã hoàn thành việc xây dựng phần cứng của robot. Tiếp theo, chúng ta hãy nhảy vào phần mềm và đưa robot vào cuộc sống.

Bước 10: Thiết lập Intial

Điều tôi nhận thấy trong khi xây dựng dự án này là động cơ servo và còi không cần phải căn chỉnh hoàn hảo để giữ tương đối song song. Đây là lý do tại sao "vị trí trung tâm" của mỗi động cơ servo phải được điều chỉnh bằng tay để căn chỉnh với các chân. Để đạt được điều này, hãy loại bỏ sừng servo khỏi mỗi servo và chạy bản phác thảo ban đầu_setup.ino. Khi động cơ đã ổn định ở vị trí trung tâm, hãy lắp lại còi sao cho chân thẳng hoàn toàn và bàn chân hoàn toàn song song với mặt đất. Nếu đây là trường hợp bạn là người may mắn. Nếu không, hãy mở tệp constants.h được tìm thấy trên tab bên cạnh và sửa đổi các giá trị bù của servo (dòng 1-6) cho đến khi các chân được căn chỉnh hoàn hảo và chân bằng phẳng. Chơi với các giá trị và bạn sẽ có ý tưởng về những gì cần thiết trong trường hợp của bạn.

Khi các hằng số đã được thiết lập, hãy lưu ý các giá trị này vì chúng sẽ cần thiết sau này.

Tham khảo các hình ảnh để được trợ giúp.

Bước 11: Một chút về động học

Để làm cho hai chân thực hiện các hành động hữu ích như chạy và đi bộ, các dáng đi khác nhau cần được lập trình dưới dạng 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, z và đầu ra là ba góc tương ứng với động cơ.

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

Bước 12: Lập trình Arduino

Trước khi lập trình Arduino, cần phải thực hiện các sửa đổi nhỏ đối với tệp. Hãy nhớ những hằng số tôi đã yêu cầu bạn ghi chú lại? Sửa đổi các hằng số tương tự thành các giá trị bạn đặt trong tệp constants.h.

Lưu ý: Nếu bạn đã sử dụng các thiết kế được cung cấp trong Tài liệu hướng dẫn này, bạn không có gì phải thay đổi. Trong trường hợp có một số bạn đặt thiết kế riêng thì bạn sẽ phải thay đổi thêm một vài giá trị cùng với phần bù trừ. Hằng số l1 đo khoảng cách giữa trục hông và trục đầu gối. Hằng số l2 đo khoảng cách giữa trục đầu gối và trục cổ chân. Vì vậy, nếu bạn thiết kế mô hình của riêng mình, hãy đo các độ dài này và sửa đổi các hằng số. Hai hằng số cuối cùng được sử dụng cho các dáng đi. Hằng số stepCle Khe đo độ cao của bàn chân sẽ nâng lên khi tiến về phía trước sau một bước và hằng số stepHeight đo chiều cao từ mặt đất đến hông trong khi bước đi.

Khi tất cả các hằng số được sửa đổi theo nhu cầu của bạn, bạn có thể tải lên chương trình chính. Chương trình chính chỉ cần khởi tạo robot ở tư thế đi bộ và bắt đầu thực hiện các bước về phía trước. Các chức năng có thể được sửa đổi theo nhu cầu của bạn để khám phá các dáng đi, tốc độ và độ dài bước khác nhau để xem cách nào hoạt động tốt nhất.

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

Biped có thể thực hiện các bước dài từ 10 đến 2 cms mà không bị lật. Tốc độ cũng có thể thay đổi trong khi giữ cho dáng đi cân bằng. Biped này kết hợp với sức mạnh của Arduino cung cấp một nền tảng mạnh mẽ để thử nghiệm với nhiều dáng đi khác và các mục tiêu khác như nhảy hoặc giữ thăng bằng trong khi đá bóng. 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. Các cảm biến như IMU và cảm biến khoảng cách có thể được thêm vào hệ thống để tăng chức năng của nó trong khi các cảm biến lực có thể được thêm vào chân để thử nghiệm chuyển động động trên các bề mặt không bằng phẳng.

Hy vọng bạn sẽ thích bài giảng này và có đủ cảm hứng để xây dựng bài giảng của riêng bạn. Nếu bạn thích dự án, hãy ủng hộ nó bằng cách bỏ phiếu trong "Cuộc thi Arduino".

Chúc bạn thành công!

Giải nhất Cuộc thi Arduino 2020