Robot Quadruped Bertenaga Arduino 3D Dicetak: 13 Langkah (dengan Gambar)

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Terakhir diubah: 2024-01-30 09:53

Proyek Fusion 360 »

Dari Instructables sebelumnya, Anda mungkin dapat melihat bahwa saya memiliki minat yang mendalam untuk proyek robot. Setelah Instructable sebelumnya di mana saya membuat robot biped, saya memutuskan untuk mencoba dan membuat robot berkaki empat yang bisa meniru hewan seperti anjing dan kucing. Dalam Instruksi ini, saya akan menunjukkan kepada Anda desain dan perakitan robot berkaki empat.

Tujuan utama saat membangun proyek ini adalah untuk membuat sistem sekuat mungkin sehingga saat bereksperimen dengan berbagai gaya berjalan dan berlari, saya tidak perlu terus-menerus khawatir tentang kegagalan perangkat keras. Ini memungkinkan saya untuk mendorong perangkat keras hingga batasnya dan bereksperimen dengan gaya berjalan dan gerakan yang rumit. Tujuan kedua adalah membuat kendaraan berkaki empat relatif murah dengan menggunakan suku cadang hobi yang tersedia dan pencetakan 3D yang memungkinkan pembuatan prototipe cepat. Gabungan dua tujuan ini memberikan landasan yang kuat untuk melakukan berbagai eksperimen, memungkinkan seseorang mengembangkan hewan berkaki empat untuk persyaratan yang lebih spesifik seperti navigasi, penghindaran rintangan, dan penggerak dinamis.

Periksa video terlampir di atas untuk melihat demo cepat proyek. Ikuti terus untuk membuat Robot Quadruped Bertenaga Arduino Anda sendiri dan berikan suara di "Kontes Make it Move" jika Anda menyukai proyek ini.

Langkah 1: Gambaran Umum dan Proses Desain

Quadruped dirancang di Autodesk gratis untuk menggunakan perangkat lunak pemodelan 3d Fusion 360. Saya mulai dengan mengimpor motor servo ke dalam desain dan membuat kaki dan bodi di sekelilingnya. Saya merancang braket untuk motor servo yang menyediakan titik pivot kedua yang berlawanan secara diametris dengan poros motor servo. Memiliki poros ganda di kedua ujung motor memberikan stabilitas struktural pada desain dan menghilangkan kemiringan yang mungkin terjadi saat kaki dibuat untuk menahan beban. Tautan dirancang untuk menahan bantalan sementara braket menggunakan baut untuk poros. Setelah tautan dipasang ke poros menggunakan mur, bantalan akan memberikan titik poros yang halus dan kuat di sisi berlawanan dari poros motor servo.

Tujuan lain saat merancang kendaraan berkaki empat adalah untuk menjaga model sekompak mungkin untuk memaksimalkan penggunaan torsi yang disediakan oleh motor servo. Dimensi tautan dibuat untuk mencapai rentang gerak yang luas sambil meminimalkan panjang keseluruhan. Membuatnya terlalu pendek akan membuat braket bertabrakan, mengurangi rentang gerak, dan membuatnya terlalu panjang akan memberikan torsi yang tidak perlu pada aktuator. Akhirnya, saya mendesain badan robot tempat Arduino dan komponen elektronik lainnya akan dipasang. Saya juga telah meninggalkan titik pemasangan tambahan di panel atas untuk membuat proyek dapat diskalakan untuk perbaikan lebih lanjut. Sekali bisa menambahkan sensor seperti sensor jarak, kamera atau mekanisme penggerak lainnya seperti robotic grippers.

Catatan: Bagian-bagian tersebut termasuk dalam salah satu langkah berikut.

Langkah 2: Bahan yang Dibutuhkan

Berikut adalah daftar semua komponen dan suku cadang yang diperlukan untuk membuat Robot Quadruped Bertenaga Arduino Anda sendiri. Semua suku cadang harus tersedia secara umum dan mudah ditemukan di toko perangkat keras lokal atau online.

ELEKTRONIK:

Arduino Uno x 1

Motor servo Towerpro MG995 x 12

Arduino Sensor Shield (Saya merekomendasikan versi V5 tetapi saya memiliki versi V4)

Kabel Jumper (10 buah)

MPU6050 IMU (opsional)

Sensor Ultrasonik (opsional)

PERANGKAT KERAS:

Bantalan Bola (8x19x7mm, 12 buah)

mur dan baut M4

Filamen printer 3D (jika Anda tidak memiliki printer 3D, harus ada printer 3D di ruang kerja lokal atau pencetakan dapat dilakukan secara online dengan harga yang cukup murah)

Lembaran Akrilik (4mm)

PERALATAN

pencetak 3D

Pemotong laser

Biaya paling signifikan dari proyek ini adalah 12 motor servo. Saya merekomendasikan untuk menggunakan versi mid-range hingga high-range daripada menggunakan plastik murahan karena cenderung mudah pecah. Tidak termasuk alat, total biaya proyek ini adalah sekitar 60$.

Langkah 3: Bagian yang Dibuat Secara Digital

Suku cadang yang diperlukan untuk proyek ini harus dirancang khusus oleh karena itu kami menggunakan kekuatan suku cadang yang dibuat secara digital dan CAD untuk membuatnya. Sebagian besar bagian dicetak 3D selain beberapa yang dipotong laser dari akrilik 4mm. Cetakan dibuat pada pengisian 40%, 2 perimeter, nosel 0,4 mm, dan tinggi lapisan 0,1 mm dengan PLA. Beberapa bagian memang memerlukan penopang karena memiliki bentuk yang rumit dengan overhang, namun penopangnya mudah diakses dan dapat dilepas dengan menggunakan beberapa pemotong. Anda dapat memilih warna filamen pilihan Anda. Di bawah ini Anda dapat menemukan daftar lengkap suku cadang dan STL untuk mencetak versi Anda sendiri dan desain 2D untuk suku cadang potong laser.

Catatan: Dari sini bagian-bagian akan dirujuk menggunakan nama-nama dalam daftar berikut.

Bagian cetak 3D:

• braket servo pinggul x 2
• cermin braket servo pinggul x 2
• braket servo lutut x 2
• cermin braket servo lutut x 2
• pemegang bantalan x 2
• cermin pemegang bantalan x 2
• kaki x 4
• tautan tanduk servo x 4
• tautan bantalan x 4
• pemegang arduino x 1
• pemegang sensor jarak x 1
• L-dukungan x 4
• bantalan semak x 4
• spacer tanduk servo x 24

Bagian potong laser:

• panel pemegang servo x 2
• panel atas x 1

Secara total, ada 30 bagian yang perlu dicetak 3D tidak termasuk berbagai spacer, dan total 33 bagian yang dibuat secara digital. Total waktu pencetakan adalah sekitar 30 jam.

Langkah 4: Mempersiapkan Tautan

Anda dapat memulai perakitan dengan menyiapkan beberapa bagian di awal yang akan membuat proses perakitan akhir lebih mudah diatur. Anda dapat memulai dengan tautan. Untuk membuat tautan bantalan, amplas sedikit permukaan bagian dalam lubang untuk bantalan kemudian dorong bantalan ke dalam lubang di kedua ujungnya. Pastikan untuk mendorong bantalan sampai satu sisi rata. Untuk membuat tautan tanduk servo, ambil dua tanduk servo bundar dan sekrup yang menyertainya. Tempatkan tanduk pada cetakan 3D dan sejajarkan kedua lubang, selanjutnya pasang tanduk pada cetakan 3D dengan memasang sekrup dari sisi cetakan 3D. Saya harus menggunakan beberapa spacer tanduk servo cetak 3D karena sekrup yang disediakan agak panjang dan akan bersinggungan dengan badan motor servo saat diputar. Setelah tautan dibuat, Anda dapat mulai mengatur berbagai pemegang dan kurung.

Ulangi ini untuk semua 4 tautan dari kedua jenis.

Langkah 5: Mempersiapkan Kurung Servo

Untuk memasang braket servo lutut, cukup masukkan baut 4mm melalui lubang dan kencangkan dengan mur. Ini akan berfungsi sebagai gandar sekunder untuk motor. Dari braket servo pinggul, lewati dua baut melalui dua lubang dan kencangkan dengan dua mur lagi. Selanjutnya, ambil tanduk servo melingkar lainnya dan pasang ke bagian braket yang sedikit lebih tinggi menggunakan dua sekrup yang disertakan dengan tanduk. Sekali lagi saya akan merekomendasikan Anda menggunakan spacer tanduk servo sehingga sekrup tidak menonjol ke celah untuk servo. Terakhir, ambil bagian dudukan bantalan dan dorong bantalan ke dalam lubang. Anda mungkin perlu sedikit mengampelas permukaan bagian dalam agar pas. Selanjutnya, dorong bantalan bantalan ke dalam bantalan ke arah itu bagian dudukan bantalan ditekuk.

Lihat gambar terlampir di atas saat membangun kurung. Ulangi proses ini untuk sisa kurung. Yang dicerminkan serupa, hanya semuanya yang dicerminkan.

Langkah 6: Merakit Kaki

Setelah semua tautan dan braket dipasang, Anda dapat mulai membuat empat kaki robot. Mulailah dengan memasang servos ke braket menggunakan baut dan mur 4 x M4. Pastikan untuk menyelaraskan poros servo dengan baut yang menonjol di sisi lain.

Selanjutnya, hubungkan servo pinggul dengan servo lutut menggunakan potongan tautan tanduk servo. Jangan menggunakan sekrup dulu untuk mengencangkan klakson ke poros motor servo karena kita mungkin perlu menyesuaikan posisinya nanti. Di sisi yang berlawanan, pasang tautan bantalan yang berisi dua bantalan ke baut yang menonjol menggunakan mur.

Ulangi proses ini untuk sisa tiga kaki dan 4 kaki untuk hewan berkaki empat sudah siap!

Langkah 7: Merakit Tubuh

Selanjutnya, kita bisa fokus membangun tubuh robot. Bodinya menampung empat motor servo yang memberi kaki tingkat kebebasan ke-3 mereka. Mulailah dengan menggunakan baut dan but 4 x M4 untuk memasang servo ke panel pemegang servo potong laser.

Catatan: Pastikan servo terpasang sedemikian rupa sehingga poros berada di sisi luar potongan seperti yang terlihat pada gambar terlampir di atas. Ulangi proses ini untuk sisa tiga motor servo dengan mengingat orientasinya.

Selanjutnya, pasang penyangga L di kedua sisi panel menggunakan dua mur dan baut M4. Bagian ini memungkinkan kita untuk dengan kuat mengamankan panel pemegang servo ke panel atas. Ulangi proses ini dengan dua penyangga L lagi dan panel penahan servo kedua yang menahan set kedua motor servo.

Setelah penyangga L terpasang, gunakan lebih banyak mur dan baut M4 untuk memasang panel penahan servo ke panel atas. Mulailah dengan set luar mur dan baut (ke arah depan dan belakang). Mur dan baut tengah juga menahan bagian dudukan arduino. Gunakan empat mur dan baut untuk memasang dudukan arduino dari atas ke panel atas dan sejajarkan baut sehingga juga masuk melalui lubang penyangga L. Lihat gambar terlampir di atas untuk klarifikasi. Terakhir, geser empat mur ke dalam slot pada panel penahan servo dan gunakan baut untuk menahan panel penahan servo ke panel atas.

Langkah 8: Menyatukan Semuanya

Setelah kaki dan tubuh dirakit, Anda dapat mulai menyelesaikan proses perakitan. Pasang keempat kaki ke empat servo menggunakan tanduk servo yang terpasang pada braket servo pinggul. Terakhir, gunakan potongan dudukan bantalan untuk menopang poros berlawanan dari braket pinggul. Lewatkan poros melalui bantalan dan gunakan baut untuk menahannya di tempatnya. Pasang dudukan bantalan ke panel atas menggunakan dua mur dan baut M4.

Dengan ini, perakitan perangkat keras quaduped sudah siap.

Langkah 9: Pengkabelan dan Sirkuit

Saya memutuskan untuk menggunakan pelindung sensor yang menyediakan koneksi untuk motor servo. Saya akan merekomendasikan Anda untuk menggunakan pelindung sensor v5 karena dilengkapi dengan port catu daya eksternal onboard. Namun, yang saya gunakan tidak memiliki opsi ini. Melihat pelindung sensor lebih dekat, saya perhatikan bahwa pelindung sensor menarik daya dari pin 5v onboard Arduino (yang merupakan ide buruk ketika datang ke motor servo daya tinggi karena Anda berisiko merusak Arduino). Perbaikan untuk masalah ini adalah menekuk pin 5v pada pelindung sensor sehingga tidak terhubung ke pin 5v Arduino. Dengan cara ini, kita sekarang dapat memberikan daya eksternal melalui pin 5v tanpa merusak Arduino.

Sambungan pin sinyal dari 12 motor servo ditunjukkan pada tabel di bawah ini.

Catatan: Hip1Servo mengacu pada servo yang terpasang pada bodi. Hip2Servo mengacu pada servo yang terpasang pada kaki.

Kaki 1 (depan kiri):

• Hip1Servo >> 2
• Hip2Servo >> 3
• Servo Lutut >> 4

Kaki 2 (depan kanan):

• Hip1Servo >> 5
• Hip2Servo >> 6
• Servo Lutut >> 7

Kaki 3 (belakang kiri):

• Hip1Servo >> 8
• Hip2Servo >> 9
• Servo Lutut >> 10

Kaki 4 (belakang kanan):

• Hip1Servo >> 11
• Hip2Servo >> 12
• Servo Lutut >> 13

Langkah 10: Pengaturan Awal

Sebelum mulai memprogram langkah kompleks dan gerakan lainnya, kita perlu mengatur titik nol dari setiap servo. Ini memberi robot titik referensi yang digunakannya untuk melakukan berbagai gerakan.

Untuk menghindari kerusakan pada robot, Anda dapat menghapus tautan tanduk servo. Selanjutnya, upload kode yang terlampir di bawah ini. Kode ini menempatkan masing-masing servo pada 90 derajat. Setelah servo mencapai posisi 90 derajat, Anda dapat memasang kembali tautan sedemikian rupa sehingga kaki benar-benar lurus dan servo yang terpasang pada bodi tegak lurus dengan panel atas quadruped.

Pada titik ini, karena desain tanduk servo, beberapa sambungan mungkin masih belum benar-benar lurus. Solusi untuk ini adalah menyesuaikan array zeroPositions yang ditemukan pada baris ke-4 kode. Setiap angka mewakili posisi nol dari servo yang sesuai (urutannya sama dengan urutan saat Anda memasang servo ke Arduino). Tweak nilai-nilai ini sedikit sampai kaki lurus sempurna.

Catatan: Berikut adalah nilai-nilai yang saya gunakan meskipun nilai-nilai ini mungkin tidak bekerja untuk Anda:

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

Langkah 11: Sedikit Tentang Kinematika

Untuk membuat hewan berkaki empat melakukan tindakan yang berguna seperti berlari, berjalan, dan gerakan lainnya, servos perlu diprogram dalam bentuk jalur gerakan. Jalur gerak adalah jalur di mana efektor akhir (dalam hal ini kaki) berjalan. Ada dua cara untuk mencapai ini:

1. Salah satu pendekatannya adalah dengan memberi makan sudut sambungan dari berbagai motor dengan cara yang kasar. Pendekatan ini bisa memakan waktu, membosankan, dan juga penuh dengan kesalahan karena penilaiannya murni visual. Sebaliknya, ada cara yang lebih cerdas untuk mencapai hasil yang diinginkan.
2. Pendekatan kedua berputar di sekitar memberi makan koordinat efektor akhir alih-alih semua sudut sambungan. Inilah yang disebut sebagai Kinematika Terbalik. Pengguna memasukkan koordinat dan sudut sambungan menyesuaikan untuk memposisikan efektor akhir pada koordinat yang ditentukan. Metode ini dapat dianggap sebagai kotak hitam yang mengambil sebagai input koordinat dan output sudut bersama. Bagi yang tertarik bagaimana persamaan trigonometri kotak hitam ini dikembangkan dapat melihat diagram di atas. Bagi mereka yang tidak tertarik, persamaan sudah diprogram dan dapat digunakan menggunakan fungsi pos yang mengambil input x, y, z, yang merupakan lokasi kartesius dari efektor akhir dan menghasilkan tiga sudut yang sesuai dengan motor.

Program yang berisi fungsi-fungsi ini dapat ditemukan di langkah berikutnya.

Langkah 12: Memprogram Quadruped

Setelah pengkabelan dan inisialisasi selesai, Anda dapat memprogram robot dan menghasilkan jalur gerakan keren sehingga robot melakukan tugas yang menarik. Sebelum melanjutkan, ubah baris ke-4 dalam kode terlampir ke nilai yang telah Anda tetapkan di langkah inisialisasi. Setelah mengunggah program, robot harus mulai berjalan. Jika Anda perhatikan bahwa beberapa sambungan dibalik, Anda cukup mengubah nilai arah yang sesuai dalam larik arah pada baris 5 (jika 1 membuatnya -1 dan jika -1 membuatnya 1).

Langkah 13: Hasil Akhir: Saatnya Bereksperimen

Robot berkaki empat dapat mengambil langkah dengan panjang bervariasi dari 5 hingga 2 cm. Kecepatannya juga bisa divariasikan dengan tetap menjaga keseimbangan gaya berjalan. Hewan berkaki empat ini menyediakan platform yang kuat untuk bereksperimen dengan berbagai gaya berjalan dan tujuan lain seperti melompat atau menyelesaikan tugas. Saya akan merekomendasikan Anda untuk mencoba mengubah jalur gerak kaki untuk membuat gaya berjalan Anda sendiri dan menemukan bagaimana berbagai gaya berjalan mempengaruhi kinerja robot. Saya juga telah meninggalkan beberapa titik pemasangan di bagian atas robot untuk sensor tambahan seperti sensor pengukur jarak untuk tugas menghindari rintangan atau IMU untuk gaya berjalan dinamis di medan yang tidak rata. Seseorang juga dapat bereksperimen dengan lengan gripper tambahan yang dipasang di bagian atas robot karena robot sangat stabil dan kokoh serta tidak mudah terbalik.

Semoga Anda menikmati Instructable ini dan telah menginspirasi Anda untuk membangun sendiri.

Jika Anda menyukai proyek ini, dukunglah dengan memberikan suara di "Kontes Make it Move".

Selamat Membuat!

Hadiah Kedua dalam Kontes Make it Move 2020