ذراع آلية متحكم فيه من Arduino: 13 خطوة (بالصور)

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

مشاريع فيوجن 360 »

لطالما كنت مفتونًا بالروبوتات ، خاصة تلك التي تحاول تقليد أفعال البشر. قادني هذا الاهتمام إلى محاولة تصميم وتطوير روبوت بالقدمين يمكن أن يقلد المشي والجري البشري. في هذا Instructable ، سأريك تصميم وتجميع القدم الروبوتية.

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. كان الهدف الثانوي هو جعل ذات قدمين منخفضة التكلفة نسبيًا باستخدام أجزاء هواية متاحة بسهولة والطباعة ثلاثية الأبعاد مما يترك مجالًا لمزيد من الترقيات والتوسعات. يوفر هذان الهدفان مجتمعًا أساسًا قويًا لإجراء تجارب مختلفة ، مما يتيح للمرء تطوير القدمين لمتطلبات أكثر تحديدًا.

تابع لإنشاء ذراع روبوتية خاصة بك يتحكم فيها Arduino وقم بإسقاط تصويت في "مسابقة Arduino" إذا أعجبك المشروع.

الخطوة 1: عملية التصميم

تم تصميم أرجل الإنسان في Autodesk مجانًا لاستخدام برنامج النمذجة ثلاثية الأبعاد Fusion 360. لقد بدأت باستيراد محركات المؤازرة في التصميم وقمت ببناء الأرجل حولها. 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 القدمين 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.

ملاحظة: يتم تضمين الأجزاء في إحدى الخطوات التالية.

الخطوة 2: دور Arduino

تم استخدام Arduino Uno في هذا المشروع. كان Arduino مسؤولاً عن حساب مسارات الحركة لمختلف المشيات التي تم اختبارها وأعطت تعليمات للمشغلات للانتقال إلى زوايا دقيقة بسرعات دقيقة لإنشاء حركة مشي سلسة. يعد Arduino خيارًا رائعًا لتطوير المشاريع نظرًا لتعدد استخداماته. يوفر مجموعة من دبابيس الإدخال والإخراج كما يوفر واجهات مثل المسلسل و I2C و SPI للتواصل مع المتحكمات الدقيقة وأجهزة الاستشعار الأخرى. يوفر Arduino أيضًا نظامًا أساسيًا رائعًا للنماذج الأولية السريعة والاختبار ، كما يمنح المطورين مجالًا للتحسينات وقابلية التوسيع. في هذا المشروع ، ستتضمن إصدارات أخرى وحدة قياس بالقصور الذاتي لمعالجة الحركة مثل اكتشاف السقوط والحركة الديناميكية في التضاريس غير المستوية ومستشعر قياس المسافة لتجنب العوائق.

تم استخدام Arduino IDE لهذا المشروع. (يوفر Arduino أيضًا IDE مستندًا إلى الويب)

ملاحظة: يمكن تنزيل برامج الروبوت من إحدى الخطوات التالية.

الخطوة 3: المواد المطلوبة

فيما يلي قائمة بجميع المكونات والأجزاء المطلوبة لصنع روبوت ذو قدمين يعمل بنظام Arduino. يجب أن تكون جميع الأجزاء متاحة بشكل عام ويسهل العثور عليها.

الكترونيات:

اردوينو أونو x 1

محرك مؤازر Towerpro MG995 × 6

Perfboard (حجم مشابه لـ Arduino)

دبابيس رأس من الذكور والإناث (حوالي 20 من كل منهما)

أسلاك توصيل (10 قطع)

MPU6050 IMU (اختياري)

جهاز استشعار بالموجات فوق الصوتية (اختياري)

المعدات:

تحمل لوح التزلج (8x19x7mm)

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)

باستثناء طابعة Arduino و 3D ، تبلغ التكلفة الإجمالية لهذا المشروع 20 دولارًا.

الخطوة 4: أجزاء مطبوعة ثلاثية الأبعاد

يجب أن تكون الأجزاء المطلوبة لهذا المشروع مصممة خصيصًا لذلك تم استخدام طابعة ثلاثية الأبعاد لطباعتها. تم عمل المطبوعات بنسبة 40٪ حشو ، محيطان ، فوهة 0.4 مم ، وارتفاع طبقة 0.1 مم باستخدام PLA ، اللون الذي تختاره. يمكنك العثور أدناه على القائمة الكاملة للأجزاء و STLs لطباعة نسختك الخاصة.

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

• حامل مؤازرة القدم × 1
• مرآة حامل مؤازرة القدم × 1
• حامل مضاعفات الركبة × 1
• مرآة حامل مضاعفات الركبة × 1
• حامل مؤازرة القدم × 1
• مرآة حامل مؤازرة القدم × 1
• رابط تحمل × 2
• رابط بوق مؤازر × 2
• وصلة القدم × 2
• الجسر × 1
• جبل الإلكترونيات x 1
• فاصل الإلكترونيات × 8 (اختياري)
• مساحة بوق المؤازرة × 12 (اختياري)

في المجموع ، باستثناء الفواصل ، هناك 14 جزءًا. إجمالي وقت الطباعة حوالي 20 ساعة.

الخطوة 5: تحضير المؤازرة بين قوسين

بمجرد طباعة جميع الأجزاء ، يمكنك البدء بإعداد الماكينات وأقواس المؤازرة. قم أولاً بالضغط على محمل في حامل مضاعفات الركبة. يجب أن يكون الملاءمة محكمًا لكنني أوصي بصنفرة السطح الداخلي للفتحة قليلاً بدلاً من إجبار المحمل الذي قد يؤدي إلى كسر الجزء. ثم قم بتمرير الترباس M4 من خلال الفتحة وشدها باستخدام الجوز. بعد ذلك ، أمسك رابط القدم وقم بإرفاق قرن مؤازر دائري به باستخدام البراغي المرفقة. قم بتوصيل رابط القدم بحامل مضاعفات الركبة باستخدام البراغي التي ستستخدمها أيضًا لتوصيل محرك سيرفو. تأكد من محاذاة المحرك بحيث يكون العمود على نفس الجانب من البرغي الذي قمت بتثبيته سابقًا. أخيرًا ، قم بتثبيت المؤازرة مع بقية الصواميل والمسامير.

افعل نفس الشيء مع حامل أجهزة الورك وحامل أجهزة القدم. مع هذا ، يجب أن يكون لديك ثلاثة محركات مؤازرة والأقواس المقابلة لها.

ملحوظة: أنا أقدم تعليمات لبناء ساق واحدة ، والأخرى ببساطة معكوسة.

الخطوة 6: عمل قطع الرابط

بمجرد تجميع الأقواس ، ابدأ في عمل الروابط. لعمل رابط المحمل ، قم مرة أخرى برمل السطح الداخلي للفتحات الخاصة بالمحمل برفق ثم ادفع المحمل في الفتحة على كلا الجانبين. تأكد من دفع المحمل للداخل حتى يتدفق جانب واحد. لبناء رابط بوق المؤازرة ، احصل على قرنين مؤازرين دائريين والمسامير المرفقة. ضع الأبواق على الطباعة ثلاثية الأبعاد وقم بمحاذاة الثقوب ، ثم قم بلف البوق على الطباعة ثلاثية الأبعاد عن طريق ربط المسمار من جانب الطباعة ثلاثية الأبعاد. أوصي باستخدام فاصل قرن مؤازر مطبوع ثلاثي الأبعاد لهذه البراغي. بمجرد بناء الروابط ، يمكنك البدء في تجميع الساق.

الخطوة 7: تجميع الساقين

بمجرد تجميع الروابط والأقواس ، يمكنك دمجها لبناء رجل الروبوت. أولاً ، استخدم رابط بوق المؤازرة لربط قوس معزز الورك وقوس مضاعفات الركبة معًا. ملاحظة: لا تقم بربط البوق بالمؤازرة حتى الآن حيث توجد مرحلة إعداد في المرحلة التالية وسيكون من الإزعاج إذا تم ثني البوق على محرك سيرفو.

على الجانب المقابل ، قم بتثبيت رابط المحمل على البراغي البارزة باستخدام الصواميل. أخيرًا ، قم بإرفاق دعامة مؤازرة القدم عن طريق إدخال البرغي البارز من خلال المحمل الموجود على حامل مضاعفات الركبة. وقم بتثبيت عمود المؤازرة على بوق المؤازرة المتصل بحامل مضاعفات الركبة على الجانب الآخر. قد تكون هذه مهمة صعبة وأود أن أوصي بزوج آخر من الأيدي لهذا الغرض.

كرر الخطوات مع الرجل الأخرى. استخدم الصور المرفقة بكل خطوة كمرجع.

الخطوة 8: مخصص ثنائي الفينيل متعدد الكلور والأسلاك

هذه الخطوة إختيارية. لجعل الأسلاك أكثر إتقانًا ، قررت إنشاء PCB مخصص باستخدام لوحة perf ودبابيس الرأس. يحتوي PCB على منافذ لتوصيل أسلاك محرك المؤازرة مباشرة. بالإضافة إلى ذلك ، تركت أيضًا منافذ إضافية في حال أردت التوسيع وإضافة مستشعرات أخرى مثل وحدات القياس بالقصور الذاتي أو مستشعرات المسافة بالموجات فوق الصوتية. يحتوي أيضًا على منفذ لمصدر الطاقة الخارجي المطلوب لتشغيل محركات المؤازرة. يتم استخدام وصلة العبور للتبديل بين USB والطاقة الخارجية لـ Arduino. قم بتركيب Arduino و PCB على جانبي حامل الإلكترونيات باستخدام البراغي والفواصل المطبوعة ثلاثية الأبعاد.

ملاحظة: تأكد من فصل وصلة المرور قبل توصيل Arduino بجهاز الكمبيوتر الخاص بك من خلال USB. قد يؤدي عدم القيام بذلك إلى إتلاف Arduino.

إذا قررت عدم استخدام PCB وبدلاً من ذلك استخدم لوحة توصيل ، فهنا اتصالات المؤازرة:

• الورك الأيسر >> دبوس 9
• الورك الأيمن >> دبوس 8
• الركبة اليسرى >> دبوس 7
• الركبة اليمنى >> دبوس 6
• القدم اليسرى >> دبوس 5
• القدم اليمنى >> دبوس 4

إذا قررت جعل PCB يتبع نفس الترتيب الوارد أعلاه باستخدام المنافذ الموجودة على لوحة الدوائر المطبوعة من اليمين إلى اليسار مع توجيه منفذ IMU لأعلى. واستخدم أسلاك توصيل عادية من الذكور إلى الإناث لتوصيل PCB بـ Arduino باستخدام أرقام الدبوس المذكورة أعلاه. تأكد أيضًا من توصيل الدبوس الأرضي وإنشاء نفس إمكانات الأرض ودبوس Vin عندما تقرر تشغيله بدون طاقة USB.

الخطوة 9: تجميع الجسم

بمجرد تجميع الساقين والإلكترونيات ، اجمعهما معًا لبناء جسم الإنسان الآلي. استخدم قطعة الجسر لربط الساقين معًا. استخدم نفس فتحات التثبيت الموجودة على حامل أجهزة الورك والصواميل والمسامير التي تمسك بمحرك المؤازرة. أخيرًا ، قم بتوصيل حامل الإلكترونيات بالجسر. قم بمحاذاة الفتحات الموجودة على الجسر وحامل الإلكترونيات واستخدم صواميل ومسامير M4 لعمل المفصل.

الرجوع إلى الصور المرفقة للحصول على المساعدة. بهذا تكون قد أكملت بناء أجهزة الروبوت. بعد ذلك ، دعنا ننتقل إلى البرنامج ونجعل الروبوت ينبض بالحياة.

الخطوة 10: الإعداد الأولي

ما لاحظته أثناء بناء هذا المشروع هو أن المحركات المؤازرة والأبواق لا تحتاج إلى محاذاة بشكل مثالي لتبقى متوازية نسبيًا. هذا هو السبب في أنه يجب تعديل "الوضع المركزي" لكل محرك مؤازر يدويًا ليتماشى مع الأرجل. لتحقيق ذلك ، قم بإزالة أبواق المؤازرة من كل مؤازرة وقم بتشغيل المخطط الأولي_setup.ino. بمجرد أن تستقر المحركات في موضعها المركزي ، أعد توصيل الأبواق بحيث تكون الأرجل مستقيمة تمامًا وتكون القدم موازية تمامًا للأرض. إذا كان هذا هو الحال فأنت محظوظ. إذا لم يتم فتح ملف constants.h الموجود في علامة التبويب المجاورة وقم بتعديل قيم إزاحة المؤازرة (الأسطر 1-6) حتى تتم محاذاة الأرجل تمامًا وتكون القدم مسطحة. تلاعب بالقيم وستحصل على فكرة عما هو ضروري في حالتك.

بمجرد تعيين الثوابت ، لاحظ هذه القيم حيث ستكون هناك حاجة إليها لاحقًا.

الرجوع إلى الصور للحصول على المساعدة.

الخطوة 11: قليلا عن الكينماتيكا

لجعل القدمين يؤدون إجراءات مفيدة مثل الجري والمشي ، يجب برمجة المشية المختلفة 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 و z والمخرجات ثلاث زوايا مقابلة للمحركات.

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

الخطوة 12: برمجة Arduino

قبل برمجة Arduino ، يجب إجراء تعديلات طفيفة على الملف. هل تتذكر الثوابت التي طلبت منك حذفها؟ قم بتعديل نفس الثوابت إلى القيم التي قمت بتعيينها في ملف constants.h.

ملاحظة: إذا كنت قد استخدمت التصميمات الواردة في Instructable هذا ، فليس لديك شيء لتغييره. في حالة وجود بعض منكم ممن صنعوا تصميماتهم الخاصة ، فسيتعين عليك تغيير بعض القيم الأخرى جنبًا إلى جنب مع التعويضات. يقيس الثابت l1 المسافة بين محور الورك ومحور الركبة. يقيس الثابت l2 المسافة بين محور الركبة ومحور الكاحل. لذلك إذا قمت بتصميم نموذجك الخاص ، فقم بقياس هذه الأطوال وتعديل الثوابت. تم استخدام الثابتين الأخيرين للمشاة. يقيس ثابت StepClearance مدى ارتفاع القدم التي سترفع أثناء التقدم للأمام بعد خطوة ويقيس ثابت الخطوة الارتفاع من الأرض إلى الورك أثناء اتخاذ الخطوات.

بمجرد تعديل جميع الثوابت حسب حاجتك ، يمكنك تحميل البرنامج الرئيسي. يقوم البرنامج الرئيسي ببساطة بتهيئة الروبوت إلى وضع المشي ويبدأ في اتخاذ خطوات للأمام. يمكن تعديل الوظائف وفقًا لحاجتك لاستكشاف المشيات المختلفة والسرعات وأطوال الخطوات لمعرفة ما هو الأفضل.

الخطوة 13: النتائج النهائية: حان وقت التجربة

يمكن للقدمين اتخاذ خطوات تتراوح من 10 إلى 2 سم بدون قلب. يمكن أيضًا تغيير السرعة مع الحفاظ على توازن المشية. يوفر هذا بالقدمين جنبًا إلى جنب مع قوة Arduino منصة قوية لتجربة العديد من المشيات الأخرى والأهداف الأخرى مثل القفز أو الموازنة أثناء ركل الكرة. أود أن أوصيك بمحاولة تغيير مسارات حركة الساقين لإنشاء مشي خاص بك واكتشاف كيف تؤثر المشيات المختلفة على أداء الروبوت. يمكن إضافة مستشعرات مثل IMU ومستشعر المسافة إلى النظام لزيادة وظائفه بينما يمكن إضافة مستشعرات القوة إلى الأرجل لتجربة الحركة الديناميكية على الأسطح غير المستوية.

آمل أن تكون قد استمتعت بهذا Instructable وأن تكون مصدر إلهام كافٍ لبناء بنفسك. إذا أعجبك المشروع ، فقم بدعمه من خلال إسقاط تصويت في "مسابقة Arduino".

صنع سعيد!

الجائزة الأولى في مسابقة Arduino 2020