ثعبان آلي مستوحى من الحيوية: 16 خطوة (بالصور)

2024 مؤلف: John Day | [email protected]. آخر تعديل: 2024-01-30 07:40

لقد ألهمتني أن أبدأ هذا المشروع بعد مشاهدة مقاطع فيديو بحثية لكل من الأفاعي الآلية لتسلق الأشجار والثعابين الروبوتية. هذه هي محاولتي الأولى وبناء روبوتات باستخدام الحركة السربنتينية ، لكنها لن تكون الأخيرة! اشترك على موقع يوتيوب إذا كنت ترغب في رؤية التطورات المستقبلية.

أدناه ، أوجز إنشاء ثعبان مختلفان مع ملفات الطباعة ثلاثية الأبعاد ومناقشة حول الكود والخوارزميات لتحقيق حركة تشبه الثعبان. إذا كنت ترغب في مواصلة تعلم المزيد ، بعد قراءة هذا التوجيه ، أقترح قراءة الروابط في قسم المراجع أسفل الصفحة.

هذه التعليمات عبارة عن 2 في 1 تقنيًا ، حيث أشرح كيفية صنع نسختين مختلفتين من ثعبان آلي. إذا كنت مهتمًا فقط ببناء واحدة من الثعابين فتجاهل التعليمات الخاصة بالثعبان الآخر. سيتم الإشارة إلى هذين الثعبين المختلفين من هنا فصاعدًا باستخدام العبارات التالية بالتبادل:

1. ثعبان محور واحد ، ثعبان 1D ، أو ثعبان أصفر وأسود
2. ثعبان محور مزدوج ، ثعبان ثنائي الأبعاد ، أو ثعبان أبيض

بالطبع يمكنك طباعة الثعابين بأي خيوط لونية تريدها. الاختلاف الوحيد بين الثعبان هو أنه في الثعبان ثنائي الأبعاد يتم تدوير كل محرك 90 درجة بالنسبة إلى السابق ، بينما في الثعبان 1D يتم محاذاة جميع المحركات في محور واحد.

مقدمة أخيرة هي أنه في حين أن كل ثعباني يحتوي على 10 أجهزة فقط ، فمن الممكن أن نجعل الثعابين تحتوي على عدد أكبر أو أقل من الماكينات. هناك شيء واحد يجب مراعاته وهو أنه باستخدام عدد أقل من الماكينات ، ستحقق حركة أقل نجاحًا ، ومع المزيد من الماكينات ، من المحتمل أن تكون أكثر نجاحًا مع حركة السربنتين ولكنك ستحتاج إلى التفكير في التكلفة والسحب الحالي (انظر الملاحظات اللاحقة) وعدد المسامير متوفر على Arduino. لا تتردد في تغيير طول الثعبان ، ولكن ضع في اعتبارك أنك ستحتاج أيضًا إلى تغيير الرمز لحساب هذا التغيير.

الخطوة 1: المكونات

هذه قائمة أجزاء لثعبان واحد ، إذا كنت ترغب في صنع كلتا الثعابين ، فستحتاج إلى مضاعفة حجم المكونات.

• 10 الماكينات MG996R *
• 1.75 مم خيوط طباعة ثلاثية الأبعاد
• 10 كريات ، رقم الجزء 608 (لقد أنقذت من الحافة الخارجية لأقراص Jitterspin فيدجيت)
• 20 محمل كروي صغير ، رقم الجزء r188 ، للعجلات ** (لقد أنقذت من الجزء الداخلي من مغازل Jitterspin fidget)
• 40 برغيًا رأسيًا من Philips مقاس 6-32 × 1/2 بوصة (أو ما شابه)
• 8 مسامير أطول (ليس لدي رقم جزء ولكن قطرها مماثل للبراغي أعلاه)
• ما لا يقل عن 20 قطعة من زيبيتس مقاس 4 بوصات (الأمر متروك لك كم تريد استخدامه)
• 5 أمتار من سلك قياس 20 باللونين الأحمر والأسود أو أكثر سمكًا ***
• سلك قياس 22 قياسي
• 30 دبوس رأس ذكر (مقسم إلى 10 مجموعات من 3)
• اردوينو نانو
• الأجزاء المطبوعة ثلاثية الأبعاد (انظر القسم التالي)
• بعض أشكال الطاقة (انظر القسم: "Powering the snake" لمزيد من المعلومات) ، لقد استخدمت شخصيًا مصدر طاقة ATX معدل
• مكثف كهربائيا 1000 فائق التوهج 25 فولت
• أنبوب الانكماش الحراري بأحجام مختلفة ولحام وغراء وأدوات متنوعة أخرى

* يمكنك استخدام أنواع أخرى ولكنك ستحتاج إلى إعادة تصميم الملفات ثلاثية الأبعاد لتلائم الماكينات الخاصة بك. أيضًا إذا حاولت استخدام الماكينات الأصغر مثل sg90 ، فقد تجد أنها ليست قوية بما يكفي (لم أختبر هذا وسيكون الأمر متروكًا لك للتجربة).

** لست بحاجة إلى استخدام محامل كروية صغيرة للعجلات ، فقد كان لدي الكثير من التمدد حولها. بدلاً من ذلك ، يمكنك استخدام عجلات LEGO أو عجلات ألعاب أخرى.

*** يمكن أن يصل هذا السلك إلى 10 أمبير ، وهو رقيق جدًا وسوف يذوبه التيار. انظر هذه الصفحة لمزيد من المعلومات.

الخطوة 2: مكونات الطباعة ثلاثية الأبعاد

إذا كنت تصنع ثعبانًا أحادي الأبعاد ، فقم بطباعة هذه القطع.

إذا كنت تصنع ثعبانًا ثنائي الأبعاد ، فقم بطباعة هذه القطع.

ملاحظة مهمة: قد يكون المقياس خاطئًا! أقوم بتصميم مكوناتي في Fusion 360 (بوحدات مم) ، وقمت بتصدير التصميم كملف.stl إلى برنامج MakerBot ثم طباعته على طابعة Qidi Tech (نسخة مستنسخة من MakerBot Replicator 2X). في مكان ما على طول سير العمل هذا ، يوجد خطأ وكل مطبوعاتي تظهر صغيرة جدًا. لم أتمكن من تحديد موقع الخطأ ولكن لدي إصلاح مؤقت لتغيير حجم كل طباعة إلى حجم 106٪ في برنامج MakerBot ، وهذا يعمل على إصلاح المشكلة.

بالنظر إلى ذلك ، حذر من أنه إذا قمت بطباعة الملفات أعلاه فقد يتم تحجيمها بشكل غير صحيح. أقترح طباعة قطعة واحدة فقط والتحقق مما إذا كانت تتناسب مع أجهزة MG996R الخاصة بك قبل طباعتها جميعًا.

إذا قمت بطباعة أي من الملفات ، فيرجى إخبارنا بالنتيجة: إذا كانت الطباعة صغيرة جدًا ، فهي صحيحة وكبيرة جدًا ومقدار النسبة المئوية. من خلال العمل معًا كمجتمع ، يمكننا استكشاف موقع الخطأ وإصلاحه باستخدام طابعات ثلاثية الأبعاد مختلفة وتقطيع شرائح stl. بمجرد حل المشكلة ، سوف أقوم بتحديث هذا القسم والروابط أعلاه.

الخطوة الثالثة: تجميع الثعابين

عملية التجميع هي نفسها في الغالب لكلا الإصدارين من الثعبان. الاختلاف الوحيد هو أنه في الثعبان ثنائي الأبعاد يتم تدوير كل محرك 90 درجة بالنسبة إلى السابق ، بينما في الثعبان 1D يتم محاذاة جميع المحركات في محور واحد.

ابدأ بفك المؤازرة ، واحفظ البراغي وقم بإزالة الأجزاء العلوية والسفلية من الإطار البلاستيكي الأسود ، واحرص على عدم فقد أي من التروس! حرك المؤازرة في الإطار المطبوع ثلاثي الأبعاد ، متجهًا كما في الصور أعلاه. استبدل الجزء العلوي من علبة المؤازرة ، وثبتها في مكانها بأربعة مسامير مقاس 6-32 1/2 بوصة. احفظ الجزء السفلي من إطار المؤازرة (في حالة رغبتك في استخدامه مرة أخرى في مشاريع لاحقة) واستبدله بـ 3D حالة مطبوعة ، والفرق الوحيد هو المقبض الإضافي لمحمل كروي للانزلاق.

هام: قبل المتابعة ، يجب عليك تحميل الكود إلى Arduino ونقل كل مؤازر إلى 90 درجة. قد يؤدي عدم القيام بذلك إلى كسر واحد أو أكثر من المؤازرة و / أو الإطارات المطبوعة ثلاثية الأبعاد. إذا لم تكن متأكدًا من كيفية نقل المؤازرة إلى 90 درجة ، فراجع هذه الصفحة. قم بشكل أساسي بتوصيل السلك الأحمر من المؤازرة بجهد 5 فولت على Arduino ، والسلك البني بـ GND والسلك الأصفر بالدبوس الرقمي 9 ، ثم قم بتحميل الكود في الرابط.

الآن بعد أن أصبحت كل مؤازرة عند 90 درجة ، تابع:

قم بتوصيل المقاطع العشرة عن طريق إدخال المقبض المطبوع ثلاثي الأبعاد من علبة مؤازرة واحدة في فتحة قطعة قطعة ثانية ، ثم ادفع محور المؤازرة في الفتحة بقليل من القوة (انظر الصور أعلاه والفيديو للتوضيح). إذا كنت تصنع ثعبانًا أحادي الأبعاد ، فيجب محاذاة جميع الأجزاء ، وإذا كنت تصنع ثعبانًا ثنائي الأبعاد ، فيجب تدوير كل جزء 90 درجة إلى الجزء السابق. لاحظ أن الذيل وإطار الرأس يبلغ طولهما نصف طول الأجزاء الأخرى فقط ، وقم بتوصيلهما ولكن لا تعلق على القطع على شكل هرم إلا بعد أن ننتهي من الأسلاك.

قم بتوصيل ذراع المؤازرة على شكل X وقم بلفه في موضعه. قم بإزاحة محمل الكرة فوق المقبض المطبوع ثلاثي الأبعاد ، وسيتطلب ذلك الضغط برفق على عمودين نصف دائريين معًا. اعتمادًا على نوع الفتيل الذي تستخدمه وكثافة الحشو ، قد تكون المنشورات هشة للغاية ومفاجئة ، لا أعتقد أن هذا سيكون هو الحال ولكن مع ذلك لا تستخدم القوة المفرطة. أنا شخصيا استخدمت خيوط PLA مع حشو 10 ٪. بمجرد تشغيل محمل الكرة ، يجب أن يظل مغلقًا بواسطة الأجزاء المتدلية على المقبض.

الخطوة 4: الدائرة

الدائرة هي نفسها لكل من الثعابين الروبوتية. أثناء عملية الأسلاك ، تأكد من وجود مساحة أسلاك كافية لتدوير كل جزء بالكامل ، خاصة في الثعبان ثنائي الأبعاد.

أعلاه هو مخطط دائرة للأسلاك مع 2 أجهزة فقط. حاولت القيام برسم دائري باستخدام 10 أجهزة لكنها أصبحت مزدحمة للغاية. الفرق الوحيد بين هذه الصورة والحياة الحقيقية هو أنك تحتاج إلى توصيل 8 أجهزة أخرى بشكل متوازٍ وتوصيل أسلاك إشارة PWM بالدبابيس الموجودة على Arduino Nano.

عند توصيل خطوط الطاقة ، استخدمت قطعة واحدة من سلك قياس 18 (سميكًا بما يكفي لتحمل 10 أمبير) حيث أن خط 5V الرئيسي يمر بطول الثعبان. باستخدام أدوات تعرية الأسلاك ، قمت بإزالة جزء صغير من العازل على فترات 10 فترات منتظمة ، وقمت بلحام قطعة قصيرة من الأسلاك من كل من هذه الفواصل الزمنية بمجموعة من 3 دبابيس رأس ذكور. كرر هذه مرة ثانية لسلك GND الأسود ذي المقياس 18 ودبوس رأس الذكر الثاني. أخيرًا ، قم بتوصيل سلك أطول بمسمار الرأس الذكر الثالث ، وسيحمل هذا الدبوس إشارة PWM إلى المؤازرة من Arduino Nano في رأس الثعبان (يجب أن يكون السلك طويلًا بما يكفي للوصول ، حتى عند ثني المقاطع). قم بتوصيل أنبوب الانكماش الحراري حسب الحاجة. قم بتوصيل دبابيس الرأس الثلاثة للذكور دبابيس الرأس الأنثوية الثلاثة لأسلاك المؤازرة. كرر 10 مرات لكل من العشر الماكينات. في النهاية ما يحققه هذا هو توصيل الماكينات بالتوازي مع أسلاك إشارة PWM وتشغيلها إلى Nano. كان سبب دبابيس الرأس من الذكور / الإناث هو أنه يمكنك بسهولة فصل الأجزاء واستبدال الماكينات إذا انكسرت دون فك كل شيء.

قم بتوصيل أسلاك GND و 5 V بلوحة أداء 3x7 ثقب في الذيل باستخدام مكثف ومحطات لولبية. الغرض من المكثف هو إزالة أي ارتفاعات سحب حالية تحدث عند بدء تشغيل الماكينات ، والتي يمكنها إعادة ضبط Arduino Nano (إذا لم يكن لديك مكثف ، فمن المحتمل أن تفلت بدونه ، لكن من الأفضل أن تكون آمنًا). تذكر أنه يجب توصيل الشق الطويل للمكثفات الإلكتروليتية بخط 5V والشق الأقصر بخط GND. قم بتوصيل سلك GND بدبوس GND الخاص بـ Nano وسلك 5V إلى دبوس 5V. لاحظ إذا كنت تستخدم جهدًا مختلفًا ، (انظر القسم التالي) ، قل بطارية ليبو بجهد 7.4 فولت ، ثم قم بتوصيل السلك الأحمر بدبوس فين ، وليس دبوس 5 فولت ، سيؤدي ذلك إلى تدمير الدبوس.

قم بتوصيل أسلاك إشارة 10 PWM بالدبابيس الموجودة في Arduino Nano. لقد قمت بتوصيل الأسلاك الخاصة بي بالترتيب التالي ، يمكنك اختيار توصيل الأسلاك الخاصة بك بشكل مختلف ولكن فقط تذكر أنك ستحتاج بعد ذلك إلى تغيير خطوط servo.attach () في الكود. إذا لم تكن متأكدًا مما أتحدث عنه ، فقم فقط بتوصيله بنفس الطريقة التي فعلت بها ولن تواجهك مشكلات. بالترتيب من المؤازرة الموجودة في ذيل الثعبان إلى رأس الثعبان ، قمت بتوصيل كلا الثعابين بالترتيب التالي. توصيل دبابيس الإشارة بـ: A0، A1، A2، A3، A4، A5، D4، D3، D8، D7.

استخدم الرمز البريدي لتنظيف الأسلاك. قبل المتابعة ، تحقق من أن جميع الأجزاء يمكن أن تتحرك مع وجود مساحة كافية لتحرك الأسلاك دون أن يتم تفكيكها. الآن بعد الانتهاء من الأسلاك ، يمكننا ربط أغطية الرأس والذيل على شكل هرم. لاحظ أن الذيل به فتحة يخرج منها الحبل وأن الرأس به فتحة لكابل برمجة Arduino.

الخطوة 5: تشغيل الأفعى

نظرًا لأن الماكينات موصلة بأسلاك على التوازي ، فإنها تحصل جميعها على نفس الجهد ، ولكن يجب إضافة التيار. بالنظر إلى ورقة البيانات الخاصة بوحدات الماكينة MG996r ، يمكنهم سحب ما يصل إلى 900 مللي أمبير لكل منهم أثناء التشغيل (بافتراض عدم حدوث توقف). وبالتالي ، فإن إجمالي السحب الحالي إذا تحركت جميع الماكينات العشر في نفس الوقت هو 0.9A * 10 = 9A. على هذا النحو ، لن يعمل محول مقبس الحائط العادي 5 فولت و 2 أمبير. قررت تعديل مصدر طاقة ATX ، قادر على 5 فولت عند 20 أمبير. لن أشرح كيفية القيام بذلك ، حيث تمت مناقشته كثيرًا على Instructables و YouTube بالفعل. سيوضح لك البحث السريع عبر الإنترنت كيفية تعديل أحد مصادر الطاقة هذه.

بافتراض أنك قمت بتعديل مصدر الطاقة ، فهي ببساطة حالة توصيل حبل طويل بين مزود الطاقة ومحطات اللولب الموجودة على الثعبان.

خيار آخر هو استخدام حزمة بطارية ليبو على متن الطائرة. لم أجرب هذا ، لذا سيكون الأمر متروكًا لك لتصميم حامل للبطاريات وتوصيلها. ضع في اعتبارك الفولتية التشغيلية ، والسحب الحالي للمضاعفات و Arduino (لا تقم بتلحيم أي شيء آخر غير 5 فولت إلى دبوس 5 فولت على Arduino ، انتقل إلى دبوس Vin إذا كان لديك جهد أعلى).

الخطوة 6: اختبر كل شيء يعمل

قبل المتابعة ، دعونا فقط نختبر كل شيء يعمل. قم بتحميل هذا الرمز. يجب أن يتحرك الثعبان الخاص بك كل مؤازرة على حدة بين 0-180 ثم الانتهاء من خلال وضع خط مستقيم. إذا لم يكن الأمر كذلك ، فهذا يعني أن هناك خطأ ما ، فمن المرجح أن الأسلاك غير صحيحة أو لم تكن الماكينات مركزة في البداية عند 90 درجة كما هو مذكور في قسم "تجميع الثعابين".

الخطوة 7: الكود

لا يوجد حاليًا جهاز تحكم عن بعد للثعبان ، كل الحركات مبرمجة مسبقًا ويمكنك اختيار ما تريد. سأقوم بتطوير جهاز تحكم عن بعد في الإصدار 2 ، ولكن إذا كنت ترغب في التحكم فيه عن بُعد ، أقترح البحث في برامج تعليمية أخرى حول Instructables وتكييف الثعبان ليكون متوافقًا مع البلوتوث.

إذا كنت تقوم بعمل ثعبان 1D ، فقم بتحميل هذا الرمز.

إذا كنت تقوم بعمل ثعبان ثنائي الأبعاد ، فقم بتحميل هذا الرمز.

أنا أشجعك على التلاعب بالشفرة وإجراء التغييرات الخاصة بك وإنشاء خوارزميات جديدة. اقرأ الأقسام العديدة التالية للحصول على شرح مفصل لكل نوع من أنواع الحركة وكيفية عمل الكود الخاص بها.

الخطوة 8: الموازين مقابل العجلات

إحدى الطرق الرئيسية التي تستطيع الثعابين من خلالها المضي قدمًا هي من خلال شكل حراشفها. المقاييس تسمح بالحركة إلى الأمام بشكل أسهل. لمزيد من الشرح ، شاهد هذا الفيديو من 3:04 فصاعدًا لترى كيف تساعد المقاييس الثعبان على المضي قدمًا. يُظهر النظر إلى 3:14 في نفس الفيديو التأثير عندما تكون الثعابين في كم ، مما يزيل احتكاك المقاييس. كما هو موضح في فيديو YouTube الخاص بي عندما يحاول الثعبان الروبوتي 1D الانزلاق على العشب بدون موازين ، فإنه لا يتحرك للأمام أو للخلف نظرًا لأن مجموع القوى يساوي صفرًا صافيًا. على هذا النحو ، نحتاج إلى إضافة بعض المقاييس الاصطناعية إلى الجزء السفلي من الروبوت.

تم إجراء بحث في إعادة تكوين الحركة عبر المقاييس في جامعة هارفارد وتم توضيحه في هذا الفيديو. لم أتمكن من ابتكار طريقة مماثلة لتحريك المقاييس لأعلى ولأسفل على الروبوت الخاص بي ، وبدلاً من ذلك استقرت على ربط المقاييس المطبوعة ثلاثية الأبعاد السلبية بالجزء السفلي من البطن.

لسوء الحظ ، ثبت أن هذا غير فعال (انظر في مقطع الفيديو الخاص بي على YouTube في 3:38) حيث أن المقاييس لا تزال مقشودة على سطح السجادة بدلاً من التقاط الألياف وزيادة الاحتكاك.

إذا كنت ترغب في تجربة المقاييس التي صنعتها ، فيمكنك طباعة الملفات ثلاثية الأبعاد من GitHub. إذا قمت بإنشاء ملفك الخاص بنجاح ، فأخبرني بذلك في التعليقات أدناه!

باستخدام نهج مختلف ، حاولت استخدام عجلات مصنوعة من محامل كروية r188 مع أنابيب الانكماش الحراري من الخارج كـ "إطارات". يمكنك طباعة محاور العجلات البلاستيكية ثلاثية الأبعاد من ملفات.stl على جيثب الخاص بي. على الرغم من أن العجلات ليست دقيقة من الناحية البيولوجية ، إلا أنها تشبه المقاييس في هذا الدوران الأمامي سهل ولكن الحركة من جانب إلى جانب أصعب بكثير. يمكنك أن ترى النتيجة الناجحة للعجلات في فيديو يوتيوب الخاص بي.

الخطوة 9: الانزلاق الحركة (ثعبان محور واحد)

الجائزة الأولى في مسابقة Make it Move