Robot cuadrúpedo impulsado por Arduino impreso en 3D: 13 pasos (con imágenes)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:40

Proyectos Fusion 360 »

De los Instructables anteriores, probablemente puedas ver que tengo un gran interés por los proyectos robóticos. Después del Instructable anterior donde construí un bípedo robótico, decidí intentar hacer un robot cuadrúpedo que pudiera imitar animales como perros y gatos. En este Instructable, te mostraré el diseño y montaje del cuadrúpedo robótico.

El objetivo principal al construir este proyecto era hacer que el sistema fuera lo más robusto posible, de modo que mientras experimentaba con varios modos de caminar y correr, no tendría que preocuparme constantemente por las fallas del hardware. Esto me permitió llevar el hardware al límite y experimentar con pasos y movimientos complejos. Un objetivo secundario era hacer que el cuadrúpedo tuviera un costo relativamente bajo utilizando piezas de hobby fácilmente disponibles e impresión 3D que permitían la creación rápida de prototipos. Estos dos objetivos combinados proporcionan una base sólida para realizar varios experimentos, lo que permite desarrollar el cuadrúpedo para requisitos más específicos, como navegación, evitación de obstáculos y locomoción dinámica.

Mire el video adjunto arriba para ver una demostración rápida del proyecto. Continúe para crear su propio robot cuadrúpedo accionado por Arduino y vote en el "Concurso Make it Move" si le gustó el proyecto.

Paso 1: Resumen y proceso de diseño

El cuadrúpedo fue diseñado en el software de modelado 3D Fusion 360 de uso gratuito de Autodesk. Comencé importando los servomotores en el diseño y construí las patas y el cuerpo alrededor de ellos. Diseñé soportes para el servomotor que proporciona un segundo punto de pivote diametralmente opuesto al eje del servomotor. Tener dos ejes en cada extremo del motor le da estabilidad estructural al diseño y elimina cualquier sesgo que pueda ocurrir cuando las patas están hechas para soportar algo de carga. Los enlaces fueron diseñados para sostener un cojinete mientras que los soportes usaban un perno para el eje. Una vez que los enlaces se montaron en los ejes usando una tuerca, el rodamiento proporcionaría un punto de pivote suave y robusto en el lado opuesto del eje del servomotor.

Otro objetivo al diseñar el cuadrúpedo era mantener el modelo lo más compacto posible para aprovechar al máximo el par proporcionado por los servomotores. Las dimensiones de los eslabones se hicieron para lograr un amplio rango de movimiento y minimizar la longitud total. Hacerlos demasiado cortos haría que los soportes colisionen, reduciendo el rango de movimiento, y hacerlo demasiado largo ejercería un par innecesario sobre los actuadores. Finalmente, diseñé el cuerpo del robot en el que se montarían el Arduino y otros componentes electrónicos. También dejé puntos de montaje adicionales en el panel superior para hacer que el proyecto sea escalable para futuras mejoras. Una vez se pudieron agregar sensores como sensores de distancia, cámaras u otros mecanismos accionados como pinzas robóticas.

Nota: Las piezas se incluyen en uno de los siguientes pasos.

Paso 2: Materiales necesarios

Aquí está la lista de todos los componentes y piezas necesarios para hacer su propio robot cuadrúpedo alimentado por Arduino. Todas las piezas deben estar comúnmente disponibles y ser fáciles de encontrar en las ferreterías locales o en línea.

ELECTRÓNICA:

Arduino Uno x 1

Servomotor Towerpro MG995 x 12

Arduino Sensor Shield (recomiendo la versión V5 pero tenía la versión V4)

Cables de puente (10 piezas)

MPU6050 IMU (opcional)

Sensor ultrasónico (opcional)

HARDWARE:

Rodamientos de bolas (8x19x7mm, 12 piezas)

Tuercas y tornillos M4

Filamento de impresora 3D (en caso de que no tenga una impresora 3D, debe haber una impresora 3D en un espacio de trabajo local o las impresiones se pueden hacer en línea por un precio bastante bajo)

Hojas de acrílico (4 mm)

INSTRUMENTOS

impresora 3d

Cortador láser

El costo más significativo de este proyecto son los 12 servomotores. Recomiendo optar por la versión de rango medio a alto en lugar de usar los de plástico baratos, ya que tienden a romperse fácilmente. Excluyendo las herramientas, el costo total de este proyecto es de aproximadamente 60 $.

Paso 3: Piezas fabricadas digitalmente

Las piezas necesarias para este proyecto tenían que diseñarse a medida, por lo que utilizamos el poder de las piezas fabricadas digitalmente y CAD para construirlas. La mayoría de las piezas están impresas en 3D, excepto algunas que están cortadas con láser en acrílico de 4 mm. Las impresiones se realizaron con un relleno del 40%, 2 perímetros, boquilla de 0,4 mm y una altura de capa de 0,1 mm con PLA. Algunas de las piezas sí requieren soportes ya que tienen una forma compleja con voladizos, sin embargo, los soportes son fácilmente accesibles y se pueden quitar con algunos cortadores. Puede elegir el color de su elección del filamento. A continuación puede encontrar la lista completa de piezas y los STL para imprimir su propia versión y los diseños 2D para las piezas cortadas con láser.

Nota: A partir de aquí, se hará referencia a las piezas mediante los nombres de la siguiente lista.

Piezas impresas en 3D:

• soporte de servo de cadera x 2
• Espejo de soporte de servo de cadera x 2
• soporte de servo de rodilla x 2
• espejo de soporte de servo de rodilla x 2
• soporte de rodamiento x 2
• espejo de soporte de rodamiento x 2
• pierna x 4
• enlace de bocina servo x 4
• enlace de cojinete x 4
• soporte arduino x 1
• soporte del sensor de distancia x 1
• Soporte en L x 4
• casquillo de cojinete x 4
• espaciador de bocina servo x 24

Piezas cortadas con láser:

• panel de soporte de servo x 2
• panel superior x 1

En total, hay 30 piezas que deben imprimirse en 3D, excluyendo los diversos espaciadores, y 33 piezas fabricadas digitalmente en total. El tiempo total de impresión es de unas 30 horas.

Paso 4: preparar los enlaces

Puede comenzar el ensamblaje configurando algunas piezas al principio, lo que hará que el proceso de ensamblaje final sea más manejable. Puede comenzar con el enlace. Para hacer el enlace del rodamiento, lije ligeramente la superficie interior de los orificios para el rodamiento y luego empuje el rodamiento en el orificio en ambos extremos. Asegúrese de empujar el cojinete hacia adentro hasta que un lado esté nivelado. Para construir el enlace de la bocina del servo, tome dos bocinas circulares y los tornillos que vienen con ellas. Coloque los cuernos en la impresión 3D y alinee los dos orificios, luego atornille el cuerno en la impresión 3D colocando el tornillo del lado de impresión 3D. Tuve que usar algunos espaciadores de bocina de servo impresos en 3D ya que los tornillos que se suministraron eran un poco largos y se cruzaban con el cuerpo del servomotor mientras giraba. Una vez que se construyen los enlaces, puede comenzar a configurar los distintos soportes y soportes.

Repita esto para los 4 enlaces de ambos tipos.

Paso 5: preparación de los soportes de servo

Para configurar el soporte del servo de rodilla, simplemente pase un perno de 4 mm a través del orificio y fíjelo con una tuerca. Este funcionará como eje secundario del motor. Desde el soporte del servo de cadera, pase dos pernos a través de los dos orificios y fíjelos con dos tuercas más. A continuación, tome otra bocina de servo circular y fíjela a la sección ligeramente elevada del soporte con los dos tornillos que vienen con las bocinas. Una vez más, le recomendaría que use el espaciador de la bocina del servo para que los tornillos no sobresalgan en el espacio para el servo. Finalmente, agarre la pieza del soporte del rodamiento y empuje un rodamiento en el orificio. Es posible que deba lijar ligeramente la superficie interior para lograr un buen ajuste. A continuación, empuje un empuje de cojinete hacia el interior del cojinete para que la pieza del soporte del cojinete se doble.

Consulte las imágenes adjuntas arriba mientras construye los soportes. Repita este proceso para el resto de los corchetes. Los reflejados son similares, solo que todo está reflejado.

Paso 6: ensamblar las piernas

Una vez que todos los enlaces y soportes estén ensamblados, puede comenzar a construir las cuatro patas del robot. Comience colocando los servos en los soportes con 4 tornillos y tuercas M4. Asegúrese de alinear el eje del servo con el perno que sobresale del otro lado.

A continuación, conecte el servo de cadera con el servo de rodilla utilizando la pieza de enlace de la bocina del servo. No use un tornillo todavía para asegurar la bocina en el eje del servomotor, ya que es posible que necesitemos ajustar la posición más adelante. En el lado opuesto, monte el eslabón del cojinete que contiene los dos cojinetes en los pernos que sobresalen con tuercas.

¡Repite este proceso para el resto de las tres patas y las 4 patas del cuadrúpedo están listas!

Paso 7: Montaje del cuerpo

A continuación, podemos centrarnos en construir el cuerpo del robot. El cuerpo alberga cuatro servomotores que dan a las piernas su tercer grado de libertad. Comience usando 4 tornillos y pernos M4 para fijar el servo en el panel del soporte del servo cortado con láser.

Nota: asegúrese de que el servo esté conectado de manera que el eje esté en el lado exterior de la pieza como se ve en las imágenes adjuntas arriba. Repita este proceso para el resto de los tres servomotores teniendo en cuenta la orientación.

A continuación, coloque los soportes en L en ambos lados del panel con dos tuercas y pernos M4. Esta pieza nos permite fijar firmemente el panel del soporte del servo al panel superior. Repita este proceso con dos soportes en L más y el segundo panel de soporte de servo que sostiene el segundo conjunto de servomotores.

Una vez que los soportes L estén en su lugar, use más tuercas y pernos M4 para sujetar el panel del soporte del servo al panel superior. Comience con el juego exterior de tuercas y pernos (hacia el frente y hacia atrás). Las tuercas y tornillos centrales también sujetan la pieza del soporte arduino. Use cuatro tuercas y pernos para sujetar el soporte arduino desde la parte superior al panel superior y alinee los pernos para que también pasen por los orificios de soporte L. Consulte las imágenes adjuntas arriba para obtener aclaraciones. Finalmente, deslice cuatro tuercas en las ranuras de los paneles del soporte del servo y use pernos para asegurar los paneles del soporte del servo al panel superior.

Paso 8: Poniéndolo todo junto

Una vez que las piernas y el cuerpo están ensamblados, puede comenzar a completar el proceso de ensamblaje. Monte las cuatro patas en los cuatro servos usando las bocinas de servo que estaban unidas al soporte del servo de cadera. Finalmente, use las piezas del soporte del cojinete para apoyar el eje opuesto del soporte de la cadera. Pase el eje a través del cojinete y use un perno para asegurarlo en su lugar. Fije los soportes de cojinetes al panel superior con dos tornillos y tuercas M4.

Con esto el montaje de herrajes del quaduped está listo.

Paso 9: cableado y circuito

Decidí usar un protector de sensor que proporciona conexiones para servomotores. Le recomendaría que use el protector de sensor v5 ya que cuenta con un puerto de fuente de alimentación externo integrado. Sin embargo, el que usé no tenía esta opción. Mirando el protector del sensor más de cerca, noté que el protector del sensor estaba extrayendo energía del pin 5v integrado del Arduino (lo cual es una idea terrible cuando se trata de servomotores de alta potencia, ya que corre el riesgo de dañar el Arduino). La solución a este problema fue doblar el pin de 5v en el protector del sensor para que no se conectara al pin de 5v del Arduino. De esta manera, ahora podemos proporcionar energía externa a través del pin de 5v sin dañar el Arduino.

Las conexiones de los pines de señal de los 12 servomotores se indican en la siguiente tabla.

Nota: Hip1Servo se refiere al servo adjunto al cuerpo. Hip2Servo se refiere al servo conectado a la pierna.

Pierna 1 (adelante a la izquierda):

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

Pierna 2 (adelante derecha):

• Hip1Servo >> 5
• Hip2Servo >> 6
• KneeServo >> 7

Pierna 3 (atrás a la izquierda):

• Hip1Servo >> 8
• Hip2Servo >> 9
• KneeServo >> 10

Pierna 4 (parte trasera derecha):

• Hip1Servo >> 11
• Hip2Servo >> 12
• KneeServo >> 13

Paso 10: Configuración inicial

Antes de comenzar a programar pasos complejos y otros movimientos, necesitamos configurar los puntos cero de cada servo. Esto le da al robot un punto de referencia que utiliza para realizar los diversos movimientos.

Para evitar daños al robot, puede quitar los enlaces de la bocina del servo. A continuación, cargue el código que se adjunta a continuación. Este código coloca cada uno de los servos a 90 grados. Una vez que los servos han alcanzado la posición de 90 grados, puede volver a colocar los enlaces de modo que las patas estén perfectamente rectas y el servo unido al cuerpo quede perpendicular al panel superior del cuadrúpedo.

En este punto, debido al diseño de las bocinas de los servos, es posible que algunas de las uniones aún no estén perfectamente rectas. La solución a esto es ajustar la matriz zeroPositions que se encuentra en la cuarta línea del código. Cada número representa la posición cero del servo correspondiente (el orden es el mismo que el orden en el que conectó el servo al Arduino). Modifica un poco estos valores hasta que las piernas estén perfectamente rectas.

Nota: Estos son los valores que utilizo, aunque es posible que estos valores no funcionen para usted:

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

Paso 11: Un poco sobre la cinemática

Para que el cuadrúpedo realice acciones útiles como correr, caminar y otros movimientos, los servos deben programarse en forma de trayectorias de movimiento. Las trayectorias de movimiento son trayectorias a lo largo de las cuales viaja el efector final (los pies en este caso). Hay dos formas de lograrlo:

1. Un enfoque sería alimentar los ángulos de articulación de los distintos motores mediante fuerza bruta. Este enfoque puede llevar mucho tiempo, ser tedioso y también estar lleno de errores, ya que el juicio es puramente visual. En cambio, existe una forma más inteligente de lograr los resultados deseados.
2. El segundo enfoque gira en torno a alimentar las coordenadas del efector final en lugar de todos los ángulos de articulación. Esto es lo que se conoce como cinemática inversa. El usuario ingresa coordenadas y los ángulos de las articulaciones se ajustan para colocar el efector final en las coordenadas especificadas. Este método puede considerarse como una caja negra que toma como entrada una coordenada y da salida a los ángulos de articulación. Para aquellos que estén interesados en cómo se desarrollaron las ecuaciones trigonométricas de esta caja negra, pueden mirar el diagrama de arriba. Para aquellos que no estén interesados, las ecuaciones ya están programadas y se pueden usar usando la función pos que toma como entrada x, y, z, que es la ubicación cartesiana del efector final y genera tres ángulos correspondientes a los motores.

El programa que contiene estas funciones se puede encontrar en el siguiente paso.

Paso 12: Programación del cuadrúpedo

Una vez que se completa el cableado y la inicialización, puede programar el robot y generar rutas de movimiento geniales para que el robot realice tareas interesantes. Antes de continuar, cambie la cuarta línea del código adjunto a los valores que había establecido en el paso de inicialización. Después de cargar el programa, el robot debería comenzar a caminar. Si nota que algunas de las articulaciones están invertidas, simplemente puede cambiar el valor de dirección correspondiente en la matriz de dirección en la línea 5 (si es 1, hágalo -1 y si es -1, hágalo 1).

Paso 13: Resultados finales: es hora de experimentar

El robot cuadrúpedo puede realizar pasos que varían de 5 a 2 cms de largo. La velocidad también se puede variar manteniendo la marcha equilibrada. Este cuadrúpedo proporciona una plataforma robusta para experimentar con varios otros modos de caminar y otros objetivos, como saltar o completar tareas. Le recomendaría que intente cambiar las trayectorias de movimiento de las piernas para crear sus propios pasos y descubrir cómo los diferentes modos de caminar afectan el rendimiento del robot. También dejé varios puntos de montaje en la parte superior del robot para sensores adicionales, como sensores de medición de distancia para tareas de evitación de obstáculos o IMU para pasos dinámicos en terrenos irregulares. También se podría experimentar con un brazo de agarre adicional montado en la parte superior del robot, ya que el robot es extremadamente estable y robusto y no se volcará fácilmente.

Espero que hayas disfrutado de este Instructable y te haya inspirado a construir el tuyo propio.

Si le gustó el proyecto, apóyelo votando en el "Concurso Make it Move".

¡Haciendo feliz!

Segundo premio en el concurso Make it Move 2020