روبوت رباعي الأرجل يعمل بطباعة ثلاثية الأبعاد من Arduino: 13 خطوة (مع صور)

2024 مؤلف: John Day | [email protected]. آخر تعديل: 2024-01-30 07:36

مشاريع فيوجن 360 »

من Instructables السابقة ، ربما يمكنك أن ترى أن لدي اهتمامًا عميقًا بالمشاريع الروبوتية. بعد Instructable السابق حيث قمت ببناء روبوت ذو قدمين ، قررت أن أحاول صنع روبوت رباعي يمكنه تقليد الحيوانات مثل الكلاب والقطط. في هذا Instructable ، سأريك تصميم وتجميع الروبوت رباعي الأرجل.

كان الهدف الأساسي أثناء بناء هذا المشروع هو جعل النظام قويًا قدر الإمكان بحيث لا أضطر إلى القلق باستمرار بشأن تعطل الأجهزة أثناء تجربة المشي والجري. سمح لي هذا بدفع الأجهزة إلى أقصى حدودها وتجربة المشية والحركات المعقدة. كان الهدف الثانوي هو جعل التكلفة الرباعية منخفضة نسبيًا باستخدام أجزاء هواية متاحة بسهولة والطباعة ثلاثية الأبعاد التي سمحت بالنماذج الأولية السريعة. يوفر هذان الهدفان مجتمعان أساسًا قويًا لإجراء تجارب مختلفة ، مما يسمح لأحدهما بتطوير رباعي الأرجل لمتطلبات أكثر تحديدًا مثل التنقل وتجنب العقبات والحركة الديناميكية.

تحقق من الفيديو المرفق أعلاه لمشاهدة عرض توضيحي سريع للمشروع. استمر في إنشاء روبوت رباعي الأرجل يعمل بنظام Arduino وقم بإسقاط تصويت في "مسابقة Make it Move" إذا أعجبك المشروع.

الخطوة 1: نظرة عامة وعملية التصميم

تم تصميم رباعي الأرجل في Autodesk مجانًا لاستخدام برنامج Fusion 360 للنمذجة ثلاثية الأبعاد. لقد بدأت باستيراد محركات المؤازرة في التصميم وقمت ببناء الأرجل والجسم من حولهم. لقد صممت أقواس للمحرك المؤازر الذي يوفر نقطة محورية ثانية تمامًا مقابل عمود محرك المؤازرة. إن وجود أعمدة مزدوجة على أي من طرفي المحرك يمنح ثباتًا هيكليًا للتصميم ويزيل أي انحراف قد يحدث عندما يتم تصنيع الأرجل لتحمل بعض الحمل. تم تصميم الروابط لتحمل محمل بينما تستخدم الأقواس مسمارًا للعمود. بمجرد تثبيت الروابط على الأعمدة باستخدام صمولة ، سيوفر المحمل نقطة محورية سلسة وقوية على الجانب الآخر من عمود المحرك المؤازر.

كان الهدف الآخر أثناء تصميم الرباعي هو الحفاظ على النموذج مضغوطًا قدر الإمكان لتحقيق أقصى استفادة من عزم الدوران الذي توفره محركات المؤازرة. تم عمل أبعاد الروابط لتحقيق نطاق كبير من الحركة مع تقليل الطول الكلي. إن جعلها أقصر من اللازم سيجعل الأقواس تصطدم ، ويقلل من نطاق الحركة ، ويجعلها طويلة جدًا من شأنه أن يبذل عزم دوران غير ضروري على المشغلات. أخيرًا ، صممت جسم الروبوت الذي سيتم تركيب Arduino والمكونات الإلكترونية الأخرى عليه. لقد تركت أيضًا نقاط تثبيت إضافية على اللوحة العلوية لجعل المشروع قابلاً للتوسع لمزيد من التحسينات. مرة واحدة يمكن إضافة أجهزة استشعار مثل أجهزة الاستشعار عن بعد ، والكاميرات أو غيرها من الآليات التي يتم تشغيلها مثل القابض الآلي.

ملاحظة: يتم تضمين الأجزاء في إحدى الخطوات التالية.

الخطوة الثانية: المواد المطلوبة

فيما يلي قائمة بجميع المكونات والأجزاء المطلوبة لصنع روبوت رباعي الأرجل يعمل بنظام Arduino. يجب أن تكون جميع الأجزاء متاحة بشكل عام ويسهل العثور عليها في متاجر الأجهزة المحلية أو عبر الإنترنت.

الكترونيات:

اردوينو أونو x 1

محرك مؤازر Towerpro MG995 x 12

Arduino Sensor Shield (أوصي بإصدار V5 ولكن كان لدي إصدار V4)

أسلاك توصيل (10 قطع)

MPU6050 IMU (اختياري)

جهاز استشعار بالموجات فوق الصوتية (اختياري)

المعدات:

محامل كروية (8 × 19 × 7 ملم ، 12 قطعة)

صواميل و مسامير M4

خيوط طابعة ثلاثية الأبعاد (في حالة عدم امتلاكك طابعة ثلاثية الأبعاد ، يجب أن تكون هناك طابعة ثلاثية الأبعاد في مساحة عمل محلية أو يمكن إجراء المطبوعات عبر الإنترنت بسعر رخيص جدًا)

صفائح أكريليك (4 مم)

أدوات

طابعة 3D

قاطع ليزري

التكلفة الأكثر أهمية لهذا المشروع هي 12 محركًا مؤازرًا. أوصي بالانتقال إلى إصدار النطاق المتوسط إلى الإصدار العالي بدلاً من استخدام البلاستيك الرخيص نظرًا لأنها تميل إلى الانكسار بسهولة. باستثناء الأدوات ، تبلغ التكلفة الإجمالية لهذا المشروع حوالي 60 دولارًا.

الخطوة الثالثة: الأجزاء المصنعة رقمياً

يجب أن تكون الأجزاء المطلوبة لهذا المشروع مصممة خصيصًا لذلك استخدمنا قوة الأجزاء المصنعة رقميًا و CAD لبناءها. تتم طباعة معظم الأجزاء ثلاثية الأبعاد باستثناء عدد قليل منها مقطوع بالليزر من الاكريليك 4 مم. تم عمل المطبوعات بنسبة 40٪ حشو ، محيطان ، فوهة 0.4 مم ، وارتفاع طبقة 0.1 مم باستخدام PLA. تتطلب بعض الأجزاء دعائم نظرًا لأن لها شكلًا معقدًا مع بروزات متدلية ، ومع ذلك ، يمكن الوصول إلى الدعامات بسهولة ويمكن إزالتها باستخدام بعض القواطع. يمكنك اختيار اللون الذي تختاره للخيوط. يمكنك العثور أدناه على القائمة الكاملة للأجزاء و STLs لطباعة نسختك الخاصة والتصميمات ثنائية الأبعاد لأجزاء القطع بالليزر.

ملاحظة: من هنا ستتم الإشارة إلى الأجزاء باستخدام الأسماء الموجودة في القائمة التالية.

الأجزاء المطبوعة ثلاثية الأبعاد:

• قوس مضاعفات الورك × 2
• مرآة كتيفة الورك × 2
• قوس مضاعفات الركبة × 2
• مرآة ركبة مؤازرة × 2
• حامل تحمل × 2
• مرآة حامل تحمل × 2
• الساق × 4
• رابط بوق مؤازر × 4
• وصلة تحمل × 4
• حامل اردوينو × 1
• حامل مستشعر المسافة × 1
• دعم L × 4
• شجيرة تحمل × 4
• قرن مؤازر فاصل × 24

قطع الليزر:

• لوحة حامل مؤازرة × 2
• اللوحة العلوية × 1

في المجموع ، هناك 30 جزءًا يلزم طباعتها ثلاثية الأبعاد باستثناء الفواصل المختلفة ، وإجمالي 33 جزءًا مُصنَّعًا رقميًا. إجمالي وقت الطباعة حوالي 30 ساعة.

الخطوة 4: تجهيز الروابط

يمكنك بدء التجميع عن طريق إعداد بعض الأجزاء في البداية مما يجعل عملية التجميع النهائية أكثر قابلية للإدارة. يمكنك البدء بالرابط. لعمل رابط المحمل ، قم برمل السطح الداخلي للفتحات للمحمل برفق ثم ادفع المحمل في الفتحة على كلا الطرفين. تأكد من دفع المحمل للداخل حتى يتدفق جانب واحد. لبناء رابط بوق المؤازرة ، احصل على قرنين مؤازرين دائريين والمسامير التي تأتي معهم. ضع الأبواق على الطباعة ثلاثية الأبعاد وقم بمحاذاة الفتحتين ، ثم قم بربط القرن على الطباعة ثلاثية الأبعاد عن طريق ربط المسمار من جانب الطباعة ثلاثية الأبعاد. اضطررت إلى استخدام بعض فواصل القرن المؤازرة المطبوعة ثلاثية الأبعاد لأن البراغي التي تم توفيرها كانت طويلة بعض الشيء وستتقاطع مع جسم محرك المؤازرة أثناء تدويره. بمجرد إنشاء الروابط ، يمكنك البدء في إعداد مختلف الحوامل والأقواس.

كرر هذا لجميع الروابط الأربعة من كلا النوعين.

الخطوة 5: تحضير المؤازرة بين قوسين

لإعداد قوس معزز الركبة ، مرر ببساطة مسمارًا مقاس 4 مم عبر الفتحة وقم بتثبيته بصمولة. سيعمل هذا كمحور ثانوي للمحرك. من دعامة الورك المؤازرة ، مرر اثنين من البراغي من خلال الفتحتين واربطهما بصامولتين أخريين. بعد ذلك ، امسك بوقًا دائريًا مؤازرًا آخر وأرفقه بالجزء المرتفع قليلاً من الحامل باستخدام المسمارين اللذين يأتيان مع الأبواق. مرة أخرى ، أوصيك باستخدام مباعد قرن المؤازرة حتى لا تبرز البراغي في فجوة المؤازرة. أخيرًا ، أمسك بجزء حامل المحمل وادفع المحمل في الفتحة. قد تحتاج إلى صنفرة السطح الداخلي برفق للحصول على ملاءمة جيدة. بعد ذلك ، ادفع دفعًا محملًا في المحمل باتجاه انحناء قطعة حامل المحمل.

راجع الصور المرفقة أعلاه أثناء بناء الأقواس. كرر هذه العملية لبقية الأقواس. المرآة متشابهة ، فقط كل شيء معكوس.

الخطوة 6: تجميع الساقين

بمجرد تجميع كل الروابط والأقواس ، يمكنك البدء في بناء الأرجل الأربعة للروبوت. ابدأ بإرفاق الماكينات على الأقواس باستخدام مسامير وصواميل 4 × M4. تأكد من محاذاة محور المؤازرة مع الترباس البارز على الجانب الآخر.

بعد ذلك ، اربط مؤازرة الورك بمؤازرة الركبة باستخدام قطعة وصلة قرن المؤازرة. لا تستخدم برغيًا حتى الآن لتأمين البوق على محور محرك المؤازرة لأننا قد نحتاج إلى ضبط الموضع لاحقًا. على الجانب الآخر ، قم بتركيب رابط المحمل الذي يحتوي على اثنين من المحامل على البراغي البارزة باستخدام الصواميل.

كرر هذه العملية لبقية الأرجل الثلاثة والأرجل الأربعة للرباعية جاهزة!

الخطوة 7: تجميع الجسم

بعد ذلك ، يمكننا التركيز على بناء جسم الإنسان الآلي. يحتوي الجسم على أربعة محركات مؤازرة تمنح الأرجل الدرجة الثالثة من الحرية. ابدأ باستخدام مسامير 4 × M4 وألواح تثبيت المؤازرة على لوحة حامل أجهزة القطع بالليزر.

ملاحظة: تأكد من توصيل المؤازرة بحيث يكون المحور على الجانب الخارجي للقطعة كما هو موضح في الصور المرفقة أعلاه. كرر هذه العملية لبقية محركات المؤازرة الثلاثة مع مراعاة الاتجاه.

بعد ذلك ، قم بتوصيل دعامات L على جانبي اللوحة باستخدام صامولتين ومسامير M4. تسمح لنا هذه القطعة بتأمين لوحة حامل المؤازرة بإحكام على اللوحة العلوية. كرر هذه العملية مع دعامتين إضافيتين على شكل L ولوحة حامل المؤازرة الثانية التي تحتوي على المجموعة الثانية من محركات المؤازرة.

بمجرد وضع دعامات L في مكانها ، استخدم المزيد من صواميل ومسامير M4 لتوصيل لوحة حامل المؤازرة باللوحة العلوية. ابدأ بالمجموعة الخارجية من الصواميل والمسامير (باتجاه الأمام والخلف). كما تعمل الصواميل والمسامير المركزية على تثبيت قطعة حامل اردوينو. استخدم أربعة صواميل ومسامير لربط حامل اردوينو من الأعلى باللوحة العلوية وقم بمحاذاة البراغي بحيث تمر أيضًا عبر فتحات الدعم L. الرجوع إلى الصور المرفقة أعلاه للحصول على توضيحات. أخيرًا ، قم بإدخال أربعة صواميل في الفتحات الموجودة على لوحات حامل المؤازرة واستخدم البراغي لتأمين لوحات حامل المؤازرة على اللوحة العلوية.

الخطوة 8: وضع كل ذلك معًا

بمجرد تجميع الأرجل والجسم ، يمكنك البدء في إكمال عملية التجميع. قم بتركيب الأرجل الأربعة على الماكينات الأربعة باستخدام الأبواق المؤازرة التي تم إرفاقها بقوس أجهزة الورك. أخيرًا ، استخدم قطع حامل المحمل لدعم المحور المعاكس لقوس الورك. مرر المحور عبر المحمل واستخدم مسمارًا لتثبيته في مكانه. قم بتوصيل حاملات المحامل باللوحة العلوية باستخدام صامولتين ومسامير M4.

مع هذا تجميع الأجهزة من الرباعية جاهزة.

الخطوة 9: الأسلاك والدائرة

قررت استخدام درع مستشعر يوفر توصيلات لمحركات مؤازرة. أوصي باستخدام درع المستشعر v5 لأنه يتميز بمنفذ مصدر طاقة خارجي مدمج. ومع ذلك ، لم يكن لدى الشخص الذي استخدمته هذا الخيار. عند النظر إلى درع المستشعر عن كثب ، لاحظت أن درع المستشعر كان يستمد الطاقة من دبوس Arduino 5 فولت الموجود على اللوحة (وهي فكرة رهيبة عندما يتعلق الأمر بمحركات مؤازرة عالية الطاقة لأنك تخاطر بإتلاف Arduino). كان إصلاح هذه المشكلة هو ثني دبوس 5 فولت على درع المستشعر بعيدًا عن الطريق بحيث لا يتصل بدبوس 5 فولت في Arduino. بهذه الطريقة ، يمكننا الآن توفير طاقة خارجية من خلال دبوس 5 فولت دون الإضرار بـ Arduino.

يشار إلى اتصالات دبابيس الإشارة لمحركات مؤازرة 12 في الجدول أدناه.

ملاحظة: يشير Hip1Servo إلى المؤازرة المرفقة بالجسم. يشير Hip2Servo إلى المؤازرة المرفقة بالساق.

الساق 1 (إلى الأمام إلى اليسار):

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

الساق 2 (إلى الأمام يمينًا):

• الورك 1 سيرفو >> 5
• Hip2Servo >> 6
• KneeServo >> 7

الساق 3 (خلف اليسار):

• الورك 1 سيرفو >> 8
• Hip2Servo >> 9
• KneeServo >> 10

الساق 4 (الظهر الأيمن):

• الورك 1 سيرفو >> 11
• Hip2Servo >> 12
• KneeServo >> 13

الخطوة 10: الإعداد الأولي

قبل البدء في برمجة المشية المعقدة والحركات الأخرى ، نحتاج إلى إعداد نقاط الصفر لكل مؤازر. هذا يعطي الروبوت نقطة مرجعية يستخدمها لأداء الحركات المختلفة.

لتجنب تلف الروبوت ، يمكنك إزالة روابط بوق المؤازرة. بعد ذلك ، قم بتحميل الكود المرفق أدناه. يضع هذا الرمز كل من الماكينات عند 90 درجة. بمجرد وصول الماكينات إلى وضع 90 درجة ، يمكنك إعادة توصيل الروابط بحيث تكون الأرجل مستقيمة تمامًا وتكون المؤازرة المتصلة بالجسم متعامدة على اللوحة العلوية للرباعي.

في هذه المرحلة ، وبسبب تصميم الأبواق المؤازرة ، قد لا تكون بعض الوصلات مستقيمة تمامًا. الحل لذلك هو ضبط صفيف المواقع الصفرية الموجودة في السطر الرابع من الكود. يمثل كل رقم الموضع الصفري للمؤازرة المقابلة (الترتيب هو نفس الترتيب الذي قمت فيه بإرفاق المؤازرة بـ Arduino). قم بتعديل هذه القيم قليلاً حتى تصبح الأرجل مستقيمة تمامًا.

ملاحظة: فيما يلي القيم التي أستخدمها على الرغم من أن هذه القيم قد لا تعمل من أجلك:

int صفر مواضع [12] = {93، 102، 85، 83، 90، 85، 92، 82، 85، 90، 85، 90} ؛

الخطوة 11: قليلا عن الكينماتيكا

لجعل الرباعي يؤدي إجراءات مفيدة مثل الجري والمشي والحركات الأخرى ، يجب برمجة الماكينات في شكل مسارات الحركة. مسارات الحركة هي المسارات التي يسير على طولها المستجيب النهائي (القدمان في هذه الحالة). هناك طريقتان لتحقيق ذلك:

1. تتمثل إحدى الطرق في تغذية الزوايا المشتركة لمختلف المحركات بطريقة القوة الغاشمة. يمكن أن يكون هذا النهج مضيعة للوقت ومملًا ومليئًا أيضًا بالأخطاء نظرًا لأن الحكم مرئي بحت. بدلاً من ذلك ، هناك طريقة أكثر ذكاءً لتحقيق النتائج المرجوة.
2. يدور النهج الثاني حول تغذية إحداثيات المستجيب النهائي بدلاً من جميع زوايا المفصل. هذا ما يعرف بالحركية العكسية. إحداثيات مدخلات المستخدم وضبط الزوايا المشتركة لوضع المستجيب النهائي عند الإحداثيات المحددة. يمكن اعتبار هذه الطريقة كصندوق أسود يأخذ تنسيقًا كمدخلات ويخرج زوايا المفصل. بالنسبة لأولئك المهتمين بكيفية تطوير المعادلات المثلثية لهذا الصندوق الأسود ، يمكنهم إلقاء نظرة على الرسم التخطيطي أعلاه. بالنسبة لأولئك غير المهتمين ، تمت برمجة المعادلات بالفعل ويمكن استخدامها باستخدام وظيفة pos التي تأخذ كمدخلات x ، y ، z ، وهي الموقع الديكارتي للمستجيب النهائي والمخرجات بثلاث زوايا مقابلة للمحركات.

يمكن العثور على البرنامج الذي يحتوي على هذه الوظائف في الخطوة التالية.

الخطوة 12: برمجة الملف الرباعي

بمجرد اكتمال الأسلاك والتهيئة ، يمكنك برمجة الروبوت وإنشاء مسارات حركة رائعة بحيث يقوم الروبوت بمهام مثيرة للاهتمام. قبل المتابعة ، قم بتغيير السطر الرابع في الكود المرفق إلى القيم التي قمت بتعيينها في خطوة التهيئة. بعد تحميل البرنامج ، يجب أن يبدأ الروبوت في المشي. إذا لاحظت أن بعض المفاصل معكوسة ، يمكنك ببساطة تغيير قيمة الاتجاه المقابلة في صفيف الاتجاه في السطر 5 (إذا كانت 1 اجعلها -1 وإذا كانت -1 اجعلها 1).

الخطوة 13: النتائج النهائية: حان وقت التجربة

يمكن للإنسان الآلي رباعي الأرجل أن يتخذ خطوات تتراوح من 5 إلى 2 سم في الطول. يمكن أيضًا تغيير السرعة مع الحفاظ على توازن المشية. يوفر هذا رباعي الأرجل منصة قوية لتجربة المشيات الأخرى المختلفة والأهداف الأخرى مثل القفز أو إكمال المهام. أود أن أوصيك بمحاولة تغيير مسارات حركة الساقين لإنشاء مشي خاص بك واكتشاف كيف تؤثر المشيات المختلفة على أداء الروبوت. لقد تركت أيضًا نقاط تثبيت متعددة في الجزء العلوي من الروبوت للحصول على مستشعر إضافي مثل مستشعرات قياس المسافة لمهام تجنب العوائق أو IMU للمشي الديناميكي على التضاريس غير المستوية. يمكن للمرء أيضًا تجربة ذراع قابض إضافي مثبت في الجزء العلوي من الروبوت نظرًا لأن الروبوت مستقر للغاية وقوي ولن ينقلب بسهولة.

آمل أن تكون قد استمتعت بهذا Instructable وقد ألهمك لبناء بنفسك.

إذا أعجبك المشروع ، فقم بدعمه من خلال إسقاط تصويت في "مسابقة Make it Move".

صنع سعيد!

الجائزة الثانية في مسابقة Make it Move 2020