Robot quadrupède alimenté par Arduino imprimé en 3D : 13 étapes (avec photos)

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Dernière modifié: 2024-01-30 09:05

Projets Fusion 360 »

D'après les Instructables précédents, vous pouvez probablement voir que j'ai un profond intérêt pour les projets robotiques. Après le précédent Instructable où j'ai construit un robot bipède, j'ai décidé d'essayer de faire un robot quadrupède qui pourrait imiter des animaux tels que les chiens et les chats. Dans ce Instructable, je vais vous montrer la conception et l'assemblage du quadrupède robotique.

L'objectif principal lors de la construction de ce projet était de rendre le système aussi robuste que possible de telle sorte qu'en expérimentant diverses allures de marche et de course, je n'aurais pas à m'inquiéter constamment de la défaillance du matériel. Cela m'a permis de pousser le matériel à ses limites et d'expérimenter des allures et des mouvements complexes. Un objectif secondaire était de rendre le quadrupède relativement peu coûteux en utilisant des pièces de loisirs facilement disponibles et l'impression 3D, ce qui a permis un prototypage rapide. Ces deux objectifs combinés fournissent une base solide pour effectuer diverses expériences, permettant de développer le quadrupède pour des besoins plus spécifiques tels que la navigation, l'évitement d'obstacles et la locomotion dynamique.

Regardez la vidéo ci-jointe pour voir une démo rapide du projet. Continuez pour créer votre propre robot quadrupède alimenté par Arduino et votez dans le "Concours Make it Move" si vous avez aimé le projet.

Étape 1: Présentation et processus de conception

Le quadrupède a été conçu dans le logiciel de modélisation 3D gratuit d'Autodesk, Fusion 360. J'ai commencé par importer les servomoteurs dans la conception et j'ai construit les jambes et le corps autour d'eux. J'ai conçu des supports pour le servomoteur qui fournissent un deuxième point de pivot diamétralement opposé à l'arbre du servomoteur. Le fait d'avoir des arbres doubles à chaque extrémité du moteur confère une stabilité structurelle à la conception et élimine toute inclinaison pouvant se produire lorsque les pieds sont conçus pour supporter une certaine charge. Les maillons ont été conçus pour contenir un roulement tandis que les supports utilisaient un boulon pour l'arbre. Une fois les maillons montés sur les arbres à l'aide d'un écrou, le roulement fournirait un point de pivot lisse et robuste sur le côté opposé de l'arbre du servomoteur.

Un autre objectif lors de la conception du quadrupède était de garder le modèle aussi compact que possible pour utiliser au maximum le couple fourni par les servomoteurs. Les dimensions des maillons ont été conçues pour obtenir une grande amplitude de mouvement tout en minimisant la longueur totale. Les rendre trop courts provoquerait la collision des supports, réduisant l'amplitude de mouvement, et les rendre trop longs exercerait un couple inutile sur les actionneurs. Enfin, j'ai conçu le corps du robot sur lequel l'Arduino et d'autres composants électroniques seraient montés. J'ai également laissé des points de montage supplémentaires sur le panneau supérieur pour rendre le projet évolutif pour de nouvelles améliorations. Une fois pourrait ajouter des capteurs tels que des capteurs de distance, des caméras ou d'autres mécanismes actionnés tels que des pinces robotiques.

Remarque: Les pièces sont incluses dans l'une des étapes suivantes.

Étape 2: Matériel nécessaire

Voici la liste de tous les composants et pièces nécessaires pour fabriquer votre propre robot quadrupède alimenté par Arduino. Toutes les pièces doivent être couramment disponibles et faciles à trouver dans les quincailleries locales ou en ligne.

ÉLECTRONIQUE:

Arduino Uno x 1

Servomoteur Towerpro MG995 x 12

Arduino Sensor Shield (je recommande la version V5 mais j'avais la version V4)

Fils de cavalier (10 pièces)

IMU MPU6050 (en option)

Capteur à ultrasons (facultatif)

MATÉRIEL:

Roulements à billes (8x19x7mm, 12 pièces)

écrous et boulons M4

Filament d'imprimante 3D (si vous ne possédez pas d'imprimante 3D, il devrait y avoir une imprimante 3D dans un espace de travail local ou les impressions peuvent être effectuées en ligne pour un prix assez bas)

Feuilles acryliques (4 mm)

OUTILS

Imprimante 3D

Découpeur laser

Le coût le plus important de ce projet concerne les 12 servomoteurs. Je recommande d'opter pour la version moyenne à haute de gamme au lieu d'utiliser les versions en plastique bon marché car elles ont tendance à se casser facilement. En excluant les outils, le coût total de ce projet est d'environ 60$.

Étape 3: Pièces fabriquées numériquement

Les pièces requises pour ce projet devaient être conçues sur mesure, nous avons donc utilisé la puissance des pièces fabriquées numériquement et de la CAO pour les construire. La plupart des pièces sont imprimées en 3D, à l'exception de quelques-unes qui sont découpées au laser dans de l'acrylique de 4 mm. Les impressions ont été réalisées à 40 % de remplissage, 2 périmètres, une buse de 0,4 mm et une hauteur de couche de 0,1 mm avec du PLA. Certaines pièces nécessitent des supports car elles ont une forme complexe avec des surplombs, cependant, les supports sont facilement accessibles et peuvent être retirés à l'aide de certains couteaux. Vous pouvez choisir la couleur de votre choix du filament. Vous trouverez ci-dessous la liste complète des pièces et les STL pour imprimer votre propre version et les conceptions 2D des pièces découpées au laser.

Remarque: À partir de là, les pièces seront désignées par les noms de la liste suivante.

Pièces imprimées en 3D:

• support de servo de hanche x 2
• miroir de support de servo de hanche x 2
• support de servo de genou x 2
• miroir de support de servo de genou x 2
• support de roulement x 2
• miroir de support de roulement x 2
• jambe x 4
• lien de servo klaxon x 4
• lien de roulement x 4
• support arduino x 1
• support de capteur de distance x 1
• L-support x 4
• coussinet x 4
• entretoise de palonnier x 24

Pièces découpées au laser:

• panneau de support de servo x 2
• panneau supérieur x 1

Au total, 30 pièces doivent être imprimées en 3D, à l'exclusion des différentes entretoises, et 33 pièces fabriquées numériquement au total. Le temps d'impression total est d'environ 30 heures.

Étape 4: Préparation des liens

Vous pouvez commencer l'assemblage en installant certaines pièces au début, ce qui rendra le processus d'assemblage final plus gérable. Vous pouvez commencer par le lien. Pour faire le lien de roulement, poncez légèrement la surface intérieure des trous pour le roulement puis poussez le roulement dans le trou aux deux extrémités. Assurez-vous de pousser le roulement jusqu'à ce qu'un côté soit au même niveau. Pour construire la liaison du palonnier de servo, saisissez deux palonniers de servo circulaires et les vis qui les accompagnent. Placez les cornes sur l'impression 3D et alignez les deux trous, puis vissez la corne sur l'impression 3D en fixant la vis du côté de l'impression 3D. J'ai dû utiliser des entretoises de corne de servo imprimées en 3D car les vis fournies étaient un peu longues et se croisaient avec le corps du servomoteur pendant qu'il tournait. Une fois les liens créés, vous pouvez commencer à configurer les différents supports et supports.

Répétez cette opération pour les 4 liens des deux types.

Étape 5: Préparation des supports de servomoteurs

Pour installer le support de servo de genou, passez simplement un boulon de 4 mm dans le trou et fixez-le avec un écrou. Cela fonctionnera comme l'essieu secondaire pour le moteur. À partir du support de servo de hanche, passez deux boulons à travers les deux trous et fixez-les avec deux autres écrous. Ensuite, saisissez un autre palonnier circulaire et fixez-le à la section légèrement surélevée du support à l'aide des deux vis fournies avec les palonniers. Encore une fois, je vous recommande d'utiliser l'entretoise de palonnier pour que les vis ne dépassent pas dans l'espace pour le servo. Enfin, saisissez la pièce de support de roulement et poussez un roulement dans le trou. Vous devrez peut-être poncer légèrement la surface intérieure pour un bon ajustement. Ensuite, poussez une poussée de roulement dans le roulement vers que la pièce de support de roulement se plie.

Reportez-vous aux images ci-jointes lors de la construction des supports. Répétez ce processus pour le reste des supports. Les miroirs sont similaires, seul tout est miroir.

Étape 6: Assemblage des pieds

Une fois que tous les liens et supports sont assemblés, vous pouvez commencer à construire les quatre pattes du robot. Commencez par fixer les servos sur les supports à l'aide de 4 boulons et écrous M4. Assurez-vous d'aligner l'axe du servo avec le boulon en saillie de l'autre côté.

Ensuite, reliez le servo de hanche au servo de genou à l'aide de la pièce de liaison du palonnier du servo. N'utilisez pas encore de vis pour fixer le klaxon sur l'axe du servomoteur car nous devrons peut-être ajuster la position plus tard. Sur le côté opposé, montez le lien de roulement contenant les deux roulements sur les boulons saillants à l'aide d'écrous.

Répétez ce processus pour le reste des trois pattes et les 4 pattes du quadrupède sont prêtes !

Étape 7: Assemblage du corps

Ensuite, nous pouvons nous concentrer sur la construction du corps du robot. Le corps abrite quatre servomoteurs qui donnent aux jambes leur 3ème degré de liberté. Commencez par utiliser 4 boulons et embouts M4 pour fixer le servo sur le panneau de support de servo découpé au laser.

Remarque: assurez-vous que le servo est fixé de telle sorte que l'axe se trouve sur le côté extérieur de la pièce, comme le montrent les images ci-jointes. Répétez ce processus pour le reste des trois servomoteurs en gardant à l'esprit l'orientation.

Ensuite, fixez les supports en L des deux côtés du panneau à l'aide de deux écrous et boulons M4. Cette pièce nous permet de fixer solidement le panneau du support de servo au panneau supérieur. Répétez ce processus avec deux autres supports en L et le deuxième panneau de support de servo tenant le deuxième ensemble de servomoteurs.

Une fois les supports en L en place, utilisez d'autres écrous et boulons M4 pour fixer le panneau du support de servo au panneau supérieur. Commencez par l'ensemble extérieur d'écrous et de boulons (vers l'avant et l'arrière). Les écrous et boulons centraux maintiennent également la pièce de support de l'arduino. Utilisez quatre écrous et boulons pour fixer le support arduino par le haut sur le panneau supérieur et alignez les boulons de sorte qu'ils passent également à travers les trous de support en L. Reportez-vous aux images jointes ci-dessus pour obtenir des éclaircissements. Enfin, faites glisser quatre écrous dans les fentes des panneaux de support de servo et utilisez des boulons pour fixer les panneaux de support de servo au panneau supérieur.

Étape 8: Tout assembler

Une fois les jambes et le corps assemblés, vous pouvez commencer à terminer le processus d'assemblage. Montez les quatre pieds sur les quatre servos à l'aide des palonniers de servo qui ont été fixés au support de servo de hanche. Enfin, utilisez les pièces de support de roulement pour soutenir l'axe opposé du support de hanche. Passez l'essieu à travers le roulement et utilisez un boulon pour le fixer en place. Fixez les supports de roulement au panneau supérieur à l'aide de deux écrous et boulons M4.

Avec cela, l'assemblage du matériel du quadrupède est prêt.

Étape 9: Câblage et circuit

J'ai décidé d'utiliser un blindage de capteur qui fournissait des connexions pour les servomoteurs. Je vous recommande d'utiliser le bouclier de capteur v5 car il dispose d'un port d'alimentation externe intégré. Cependant, celui que j'ai utilisé n'avait pas cette option. En regardant de plus près le blindage du capteur, j'ai remarqué que le blindage du capteur était alimenté par la broche 5v intégrée de l'Arduino (ce qui est une idée terrible en ce qui concerne les servomoteurs haute puissance car vous risquez d'endommager l'Arduino). La solution à ce problème consistait à plier la broche 5v sur le blindage du capteur afin qu'elle ne se connecte pas à la broche 5v de l'Arduino. De cette façon, nous pouvons désormais fournir une alimentation externe via la broche 5v sans endommager l'Arduino.

Les connexions des broches de signal des 12 servomoteurs sont indiquées dans le tableau ci-dessous.

Remarque: Hip1Servo fait référence au servo attaché au corps. Hip2Servo fait référence au servo attaché à la jambe.

Étape 1 (avant gauche):

• Hip1Servo >> 2
• Hip2Servo >> 3
• GenouServo >> 4

Étape 2 (avant droit):

• Hip1Servo >> 5
• Hip2Servo >> 6
• GenouServo >> 7

Étape 3 (arrière gauche):

• Hip1Servo >> 8
• Hip2Servo >> 9
• GenouServo >> 10

Étape 4 (arrière droit):

• Hip1Servo >> 11
• Hip2Servo >> 12
• GenouServo >> 13

Étape 10: Configuration initiale

Avant de commencer à programmer des allures complexes et d'autres mouvements, nous devons configurer les points zéro de chaque servo. Cela donne au robot un point de référence qu'il utilise pour effectuer les différents mouvements.

Pour éviter d'endommager le robot, vous pouvez retirer les liaisons du palonnier du servo. Ensuite, téléchargez le code qui est joint ci-dessous. Ce code place chacun des servos à 90 degrés. Une fois que les servos ont atteint la position à 90 degrés, vous pouvez rattacher les liens de telle sorte que les jambes soient parfaitement droites et que le servo fixé au corps soit perpendiculaire au panneau supérieur du quadrupède.

À ce stade, en raison de la conception des palonniers d'asservissement, certaines articulations peuvent ne pas être parfaitement droites. La solution consiste à ajuster le tableau zeroPositions trouvé sur la 4ème ligne du code. Chaque numéro représente la position zéro du servo correspondant (l'ordre est le même que l'ordre dans lequel vous avez attaché le servo à l'Arduino). Ajustez un peu ces valeurs jusqu'à ce que les jambes soient parfaitement droites.

Remarque: voici les valeurs que j'utilise, bien que ces valeurs puissent ne pas fonctionner pour vous:

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

Étape 11: un peu sur la cinématique

Pour que le quadrupède effectue des actions utiles telles que la course, la marche et d'autres mouvements, les servos doivent être programmés sous la forme de trajectoires de mouvement. Les trajectoires de mouvement sont des trajectoires le long desquelles l'effecteur final (les pieds dans ce cas) se déplace. Il y a deux façons d'y parvenir:

1. Une approche serait d'alimenter les angles d'articulation des différents moteurs d'une manière brutale. Cette approche peut être chronophage, fastidieuse, et également remplie d'erreurs puisque le jugement est purement visuel. Au lieu de cela, il existe un moyen plus intelligent d'obtenir les résultats souhaités.
2. La deuxième approche consiste à fournir les coordonnées de l'effecteur final au lieu de tous les angles articulaires. C'est ce qu'on appelle la cinématique inverse. L'utilisateur saisit les coordonnées et les angles d'articulation s'ajustent pour positionner l'effecteur final aux coordonnées spécifiées. Cette méthode peut être considérée comme une boîte noire qui prend en entrée une coordonnée et sort les angles des articulations. Pour ceux qui s'intéressent à la façon dont les équations trigonométriques de cette boîte noire ont été développées, peuvent regarder le diagramme ci-dessus. Pour ceux qui ne sont pas intéressés, les équations sont déjà programmées et peuvent être utilisées à l'aide de la fonction pos qui prend en entrée x, y, z, qui est l'emplacement cartésien de l'effecteur terminal et sort trois angles correspondant aux moteurs.

Le programme contenant ces fonctions se trouve à l'étape suivante.

Étape 12: Programmation du quadrupède

Une fois le câblage et l'initialisation terminés, vous pouvez programmer le robot et générer des trajectoires de mouvement intéressantes afin que le robot effectue des tâches intéressantes. Avant de continuer, remplacez la 4e ligne du code joint par les valeurs que vous avez définies à l'étape d'initialisation. Après avoir téléchargé le programme, le robot devrait commencer à marcher. Si vous remarquez que certaines des articulations sont inversées, vous pouvez simplement modifier la valeur de direction correspondante dans le tableau de direction de la ligne 5 (si c'est 1 faites -1 et si c'est -1 faites 1).

Étape 13: Résultats finaux: il est temps d'expérimenter

Le robot quadrupède peut effectuer des pas qui varient de 5 à 2 cm de long. La vitesse peut également être modifiée tout en gardant la démarche équilibrée. Ce quadrupède fournit une plate-forme robuste pour expérimenter diverses autres allures et d'autres objectifs tels que sauter ou accomplir des tâches. Je vous recommanderais d'essayer de modifier les trajectoires de mouvement des jambes pour créer vos propres allures et découvrir comment diverses allures affectent les performances du robot. J'ai également laissé plusieurs points de montage au sommet du robot pour des capteurs supplémentaires tels que des capteurs de mesure de distance pour les tâches d'évitement d'obstacles ou l'IMU pour les démarches dynamiques sur un terrain accidenté. On pourrait également expérimenter avec un bras de préhension supplémentaire monté sur le dessus du robot car le robot est extrêmement stable et robuste et ne basculera pas facilement.

J'espère que vous avez apprécié ce Instructable et qu'il vous a inspiré pour construire le vôtre.

Si vous avez aimé le projet, soutenez-le en votant dans le "Concours Make it Move".

Bonne fabrication !

Deuxième prix du concours Make it Move 2020