帶有Arduino、樂(lè)高和3D打印部件的DIY雙足機(jī)器人

描述

介紹

多年來(lái)，制造能夠模仿人類行走的雙足機(jī)器人一直是科學(xué)家、制造商和發(fā)明家關(guān)注的焦點(diǎn)。事實(shí)上，雙足機(jī)器人是具有提供運(yùn)動(dòng)的鉸接腿機(jī)構(gòu)的移動(dòng)機(jī)器人。與輪式機(jī)器人相比，它們可以上樓并越過(guò)障礙物，盡管速度較慢。由于關(guān)節(jié)數(shù)量多且在行走過(guò)程中保持穩(wěn)定性，構(gòu)建仿人雙足機(jī)器人一直很困難。如果你沒(méi)有正向、逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)和控制工程的學(xué)術(shù)知識(shí)，那絕對(duì)沒(méi)有問(wèn)題。在本教程中，我們將使用樂(lè)高組件、Arduino 板和一些現(xiàn)成的電氣組件制作一個(gè)有趣且易于構(gòu)建的雙足機(jī)器人（圖 A）。這些說(shuō)明是按照您可以在家中制作的方式準(zhǔn)備的。

圖 A - 雙足機(jī)器人的一般視圖

在這個(gè)項(xiàng)目中，雙足機(jī)器人使用了一種有趣的機(jī)械機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)僅使用一個(gè)直流齒輪電機(jī)模擬人類行走。結(jié)果非常有趣。

在本教程中，我們將使用 Lego Technic 零件制作 Biped 機(jī)器人的身體結(jié)構(gòu)和腿部機(jī)構(gòu)。然后，一個(gè)直流齒輪電機(jī)將通過(guò)錐齒輪和正齒輪系驅(qū)動(dòng)支腿機(jī)構(gòu)（圖 B）。

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圖 B – 車身結(jié)構(gòu)、電子設(shè)備和齒輪電機(jī)的組合

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在下一步中，我們將添加一個(gè) Arduino Nano 作為 Biped 的大腦。Arduino Nano 使用小型強(qiáng)大的微處理器，使其適用于輕量和小型項(xiàng)目（圖 C）。

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圖 C - Arduino Nano 板

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各種現(xiàn)成的電機(jī)、傳感器和屏蔽可以輕松連接到 Arduino 板。此功能使我們能夠使用 Biped 執(zhí)行各種任務(wù)。例如，您可以通過(guò)對(duì) Arduino 板進(jìn)行編程來(lái)告訴 Biped 來(lái)回移動(dòng)和跳舞。

材料

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圖 D – 電子和機(jī)電元件

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• 1x TT 齒輪馬達(dá)
• 1x 3D 打印齒輪電機(jī)外殼
• 1x 面包板，迷你尺寸
• 1x Arduino Nano
• 1x Neo Pixel LED 環(huán)
• 1 個(gè)電源插孔
• 1x 3D 打印樂(lè)高兼容聯(lián)軸器
• 1x L298N 迷你電機(jī)驅(qū)動(dòng)器
• 1 個(gè)按鈕
• 1x M3 x 30 機(jī)械螺絲
• 2x M3 x 25 機(jī)械螺絲
• 公對(duì)公跳線

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圖 E - Lego Technic 組件

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• 框架，5x7 模塊
• 雙錐齒輪，36齒
• 錐齒輪，12 齒
• 梁，9 模塊
• 梁，5 模塊
• 梁，3 模塊
• 角梁，3x5 模塊
• 襯套，1 個(gè)模塊
• 車軸，8 模塊
• 角塊 2, 180°
• 雙十字塊，3模塊
• 帶十字孔的橫梁，2 模塊
• 帶擋塊的軸，4 模塊
• 梁，3 模塊
• 車軸，2 模塊
• 帶摩擦/軸的連接銷，2 模塊
• 帶軸的連接器銷，2 個(gè)模塊
• 管，2 模塊
• 帶襯套的連接器銷釘，3 個(gè)模塊
• 帶摩擦的連接器銷，3 模塊
• 帶摩擦力的連接銷，2 模塊
• 帶軸孔的軸連接器
• 角塊 1, 0°

機(jī)械零件的組裝

讓我們開(kāi)始組裝 Biped 的身體結(jié)構(gòu)和腿部機(jī)構(gòu)。

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圖 F - 四連桿機(jī)構(gòu)和平行四邊形機(jī)構(gòu)

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3D打印零件

Lego Technic 組件僅與 LEGO 齒輪馬達(dá)匹配。為了將動(dòng)力從現(xiàn)成的齒輪電機(jī)的軸傳輸?shù)綐?lè)高齒輪或車軸，我們需要打印齒輪電機(jī)的外殼和聯(lián)軸器。外殼將用作齒輪電機(jī)和樂(lè)高技術(shù)梁之間的接口或適配器。聯(lián)軸器將齒輪電機(jī)軸連接到樂(lè)高技術(shù)軸。這些 3D 打印部件稱為樂(lè)高兼容外殼和軸（圖 G 和圖 H）。我們還創(chuàng)建了正面和背面機(jī)器人的身體覆蓋物。后蓋看起來(lái)像氧氣膠囊，保護(hù)電子部分。前蓋的作用類似于盔甲（圖一）。請(qǐng)下載 3D 文件并使用您的 3D 打印機(jī)打印電機(jī)外殼、樂(lè)高兼容聯(lián)軸器和蓋子，或使用附近的創(chuàng)客空間中的那些。

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圖 G - 3D 打印樂(lè)高兼容電機(jī)外殼

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圖 H - LEGO 兼容齒輪電機(jī)的一般視圖

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圖 I - 3D 打印的前后車身蓋

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。確保正確實(shí)現(xiàn)圖 J 中所示的電路原理圖，這樣您就不會(huì)最終損壞您的 Arduino 板和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。

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圖 J - 電路示意圖

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編程

您可以拿起樂(lè)高積木，讓您的想象力發(fā)揮無(wú)限。當(dāng)然，編碼也是您可以享受很多樂(lè)趣并最具創(chuàng)造力的部分。您可以轉(zhuǎn)到 Arduino IDE 并編寫(xiě)自己的代碼來(lái)告訴 Biped 做什么。但是現(xiàn)在，讓我們從這段代碼開(kāi)始。

#include 
#define PIXELSPIN A1 // Which pin on the Arduino is connected to the NeoPixels?
#define NUMPIXELS 8  // How many NeoPixels are attached to the Arduino?
Adafruit_NeoPixel pixels = Adafruit_NeoPixel(NUMPIXELS, PIXELSPIN, NEO_GRB + NEO_KHZ800);
#define M1 A4
#define M12 A5
#define button A3
int buttonNew;
int buttonOld = 1;
int Motorstate = 0;
void setup() {
// Initialize Arduino pins to outputs
pinMode(M1, OUTPUT);
pinMode(M12, OUTPUT);
pinMode(button, INPUT_PULLUP);
// This initializes the NeoPixel library.
pixels.begin();
for (int i = 0; i < 9; i++) {
// pixels.Color takes RGB values, from 0,0,0 up to 255,255,255.
pixels.setPixelColor(i, pixels.Color(0, 0, 0));
// This sends the updated pixel color to the hardware.
pixels.show();
}
}
void loop() {
buttonNew = digitalRead(button);
if (buttonOld == 0 && buttonNew == 1) {
if (Motorstate == 0)
{
// bright blue color.
pixels.setPixelColor(1, pixels.Color(0, 0, 250));
pixels.setPixelColor(2, pixels.Color(0, 0, 250));
pixels.setPixelColor(3, pixels.Color(0, 0, 250));
pixels.setPixelColor(5, pixels.Color(0, 0, 250));
pixels.setPixelColor(6, pixels.Color(0, 0, 250));
pixels.setPixelColor(7, pixels.Color(0, 0, 250));
pixels.show();
// Motor run.
digitalWrite(M1, HIGH);
digitalWrite(M12, LOW);
delay(1000);
digitalWrite(M12, HIGH);
digitalWrite(M1, LOW);
delay(1000);
Motorstate = 1;
} else {
for (int i = 1 ; i < 8 ; i++)
{
pixels.setPixelColor(1, pixels.Color(0, 0, 0)); // Neopixel off.
pixels.show();
}
// Motor stop.
digitalWrite(M1, HIGH);
digitalWrite(M12, HIGH);
Motorstate = 0;
}
}
buttonOld = buttonNew;
}

運(yùn)行你的 Biped

請(qǐng)通過(guò)下面的評(píng)論告訴我們您對(duì)本教程的看法。您的反饋將幫助我們改進(jìn)未來(lái)的工作。