Arduino नियंत्रित रोबोटिक द्विपाद: 13 कदम (चित्रों के साथ)

2024 लेखक: John Day | [email protected]. अंतिम बार संशोधित: 2024-01-30 09:19

फ्यूजन 360 प्रोजेक्ट्स »

मुझे हमेशा रोबोट से दिलचस्पी रही है, खासकर उस तरह के जो मानवीय कार्यों की नकल करने का प्रयास करते हैं। इस रुचि ने मुझे एक ऐसे रोबोटिक बाइपेड को डिजाइन और विकसित करने का प्रयास करने के लिए प्रेरित किया जो मानव के चलने और दौड़ने की नकल कर सके। इस निर्देशयोग्य में, मैं आपको रोबोट बाइपेड का डिज़ाइन और असेंबली दिखाऊंगा।

इस परियोजना का निर्माण करते समय प्राथमिक लक्ष्य प्रणाली को यथासंभव मजबूत बनाना था ताकि विभिन्न चलने और दौड़ने के साथ प्रयोग करते समय, मुझे हार्डवेयर के विफल होने के बारे में लगातार चिंता न करनी पड़े। इसने मुझे हार्डवेयर को उसकी सीमा तक धकेलने की अनुमति दी। एक माध्यमिक लक्ष्य आसानी से उपलब्ध शौक भागों और 3 डी प्रिंटिंग छोड़ने के कमरे को आगे के उन्नयन और विस्तार के लिए उपयोग करके अपेक्षाकृत कम लागत वाला बनाना था। ये दो लक्ष्य संयुक्त रूप से विभिन्न प्रयोगों को करने के लिए एक मजबूत आधार प्रदान करते हैं, जिससे व्यक्ति को अधिक विशिष्ट आवश्यकताओं के लिए द्विपाद विकसित करने में मदद मिलती है।

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चरण 1: डिजाइन प्रक्रिया

ह्यूमनॉइड लेग्स को ऑटोडेस्क फ्री में फ्यूजन 360 3डी मॉडलिंग सॉफ्टवेयर का उपयोग करने के लिए डिजाइन किया गया था। मैंने सर्वो मोटर्स को डिजाइन में आयात करके शुरू किया और उनके चारों ओर पैर बनाए। मैंने सर्वो मोटर के लिए ब्रैकेट डिज़ाइन किए हैं जो सर्वो मोटर के शाफ्ट के विपरीत दूसरा धुरी बिंदु प्रदान करता है। मोटर के दोनों छोर पर दोहरे शाफ्ट होने से डिजाइन को संरचनात्मक स्थिरता मिलती है और किसी भी तरह के तिरछेपन को समाप्त करता है जो तब हो सकता है जब पैरों को कुछ भार लेने के लिए बनाया जाता है। लिंक को असर रखने के लिए डिज़ाइन किया गया था जबकि ब्रैकेट शाफ्ट के लिए बोल्ट का इस्तेमाल करते थे। एक बार जब लिंक नट का उपयोग करके शाफ्ट पर लगाए जाते हैं, तो असर सर्वो मोटर शाफ्ट के विपरीत दिशा में एक चिकनी और मजबूत धुरी बिंदु प्रदान करेगा।

बाइपेड को डिजाइन करते समय एक अन्य लक्ष्य सर्वो मोटर्स द्वारा प्रदान किए गए टॉर्क का अधिकतम उपयोग करने के लिए मॉडल को यथासंभव कॉम्पैक्ट रखना था। समग्र लंबाई को कम करते हुए गति की एक बड़ी रेंज प्राप्त करने के लिए लिंक के आयाम बनाए गए थे। उन्हें बहुत छोटा करने से ब्रैकेट टकराते हैं, गति की सीमा कम हो जाती है, और इसे बहुत लंबा बनाने से एक्ट्यूएटर्स पर अनावश्यक टॉर्क पड़ेगा। अंत में, मैंने रोबोट के शरीर को डिज़ाइन किया, जिस पर Arduino और अन्य इलेक्ट्रॉनिक घटक माउंट होंगे।

नोट: भागों को निम्न चरणों में से एक में शामिल किया गया है।

चरण 2: Arduino की भूमिका

इस परियोजना में एक Arduino Uno का उपयोग किया गया था। Arduino विभिन्न चालों के गति पथों की गणना करने के लिए जिम्मेदार था जिनका परीक्षण किया गया था और एक्चुएटर्स को एक चिकनी चलने की गति बनाने के लिए सटीक गति से सटीक कोणों पर जाने का निर्देश दिया था। एक Arduino अपनी बहुमुखी प्रतिभा के कारण विकासशील परियोजनाओं के लिए एक बढ़िया विकल्प है। यह IO पिन का एक गुच्छा प्रदान करता है और अन्य माइक्रोकंट्रोलर और सेंसर के साथ संचार करने के लिए सीरियल, I2C और SPI जैसे इंटरफेस भी प्रदान करता है। Arduino तेजी से प्रोटोटाइप और परीक्षण के लिए एक महान मंच भी प्रदान करता है और डेवलपर्स को सुधार और विस्तार के लिए जगह भी देता है। इस परियोजना में, आगे के संस्करणों में गति प्रसंस्करण के लिए एक जड़त्वीय मापन इकाई शामिल होगी जैसे असमान इलाके में गिरावट का पता लगाना और गतिशील हरकत और बाधाओं से बचने के लिए दूरी मापने वाला सेंसर।

इस परियोजना के लिए Arduino IDE का उपयोग किया गया था। (Arduino एक वेब-आधारित IDE भी प्रदान करता है)

नोट: रोबोट के लिए प्रोग्राम निम्न चरणों में से किसी एक से डाउनलोड किए जा सकते हैं।

चरण 3: आवश्यक सामग्री

यहां उन सभी घटकों और भागों की सूची दी गई है जो आपके स्वयं के Arduino संचालित Bipedal रोबोट को बनाने के लिए आवश्यक हैं। सभी भाग सामान्य रूप से उपलब्ध होने चाहिए और आसानी से मिल जाने चाहिए।

इलेक्ट्रॉनिक्स:

Arduino Uno x 1

टावरप्रो MG995 सर्वो मोटर x 6

परफ़बोर्ड (Arduino के समान आकार)

नर और मादा हेडर पिन (प्रत्येक में से लगभग 20)

जम्पर तार (10 टुकड़े)

MPU6050 IMU (वैकल्पिक)

अल्ट्रासोनिक सेंसर (वैकल्पिक)

हार्डवेयर:

स्केटबोर्ड असर (8x19x7mm)

M4 नट और बोल्ट

3D प्रिंटर फिलामेंट (यदि आपके पास 3D प्रिंटर नहीं है, तो स्थानीय कार्यक्षेत्र में एक 3D प्रिंटर होना चाहिए या प्रिंट काफी सस्ते में ऑनलाइन किए जा सकते हैं)

Arduino और 3D प्रिंटर को छोड़कर इस परियोजना की कुल लागत 20$ है।

चरण 4: 3डी प्रिंटेड पार्ट्स

इस परियोजना के लिए आवश्यक भागों को कस्टम डिज़ाइन किया जाना था इसलिए उन्हें प्रिंट करने के लिए एक 3D प्रिंटर का उपयोग किया गया था। प्रिंट आपकी पसंद के रंग पीएलए के साथ 40% इन्फिल, 2 परिधि, 0.4 मिमी नोजल, और 0.1 मिमी की एक परत ऊंचाई पर बनाए गए थे। नीचे आप अपने स्वयं के संस्करण को प्रिंट करने के लिए भागों और एसटीएल की पूरी सूची पा सकते हैं।

नोट: यहां से सूची में नामों का उपयोग करके भागों को संदर्भित किया जाएगा।

• फुट सर्वो धारक x 1
• फुट सर्वो धारक दर्पण x 1
• घुटने सर्वो धारक x 1
• घुटने सर्वो धारक दर्पण x 1
• फुट सर्वो धारक x 1
• फुट सर्वो धारक दर्पण x 1
• असर लिंक x 2
• सर्वो हॉर्न लिंक x 2
• फुट लिंक x 2
• ब्रिज x 1
• इलेक्ट्रॉनिक्स माउंट एक्स 1
• इलेक्ट्रॉनिक्स स्पेसर x 8 (वैकल्पिक)
• सर्वो हॉर्न स्पेस x 12 (वैकल्पिक)

कुल मिलाकर, स्पेसर्स को छोड़कर, 14 भाग हैं। कुल मुद्रण समय लगभग 20 घंटे है।

चरण 5: सर्वो ब्रैकेट तैयार करना

एक बार सभी भागों के प्रिंट हो जाने के बाद आप सर्वो और सर्वो ब्रैकेट सेट करके शुरू कर सकते हैं। घुटने के सर्वो धारक में असर में पहला धक्का। फिट को ठीक किया जाना चाहिए, लेकिन मैं असर को मजबूर करने के बजाय छेद की आंतरिक सतह को थोड़ा सा रेत करने की सलाह दूंगा जो कि भाग को तोड़ने का जोखिम उठा सकता है। फिर छेद के माध्यम से एक M4 बोल्ट पास करें और इसे एक नट का उपयोग करके कस लें। इसके बाद, फुट लिंक को पकड़ें और आपूर्ति किए गए स्क्रू का उपयोग करके एक गोलाकार सर्वो हॉर्न संलग्न करें। स्क्रू का उपयोग करके घुटने के सर्वो धारक को पैर लिंक संलग्न करें जिसका उपयोग आप सर्वो मोटर को संलग्न करने के लिए भी करेंगे। मोटर को संरेखित करना सुनिश्चित करें ताकि शाफ्ट बोल्ट के उसी तरफ हो जो आपने पहले संलग्न किया था। अंत में बाकी नट और बोल्ट के साथ सर्वो को सुरक्षित करें।

हिप सर्वो होल्डर और फुट सर्वो होल्डर के साथ भी ऐसा ही करें। इसके साथ, आपके पास तीन सर्वो मोटर और उनके संबंधित ब्रैकेट होने चाहिए।

नोट: मैं एक पैर के निर्माण के लिए निर्देश प्रदान कर रहा हूं, दूसरा बस मिरर किया हुआ है।

चरण 6: लिंक के टुकड़े बनाना

एक बार कोष्ठक इकट्ठे हो जाने के बाद, लिंक बनाना शुरू करें। असर लिंक बनाने के लिए, एक बार फिर से असर के लिए छेद की भीतरी सतह को हल्के से रेत दें और फिर असर को दोनों तरफ के छेद में धकेल दें। एक तरफ फ्लश होने तक असर को धक्का देना सुनिश्चित करें। सर्वो हॉर्न लिंक बनाने के लिए, दो गोलाकार सर्वो हॉर्न और आपूर्ति किए गए स्क्रू को पकड़ें। हॉर्न को ३डी प्रिंट पर रखें और होल्स को लाइन अप करें, अगले ३डी प्रिंट पर हॉर्न को ३डी प्रिंट की तरफ से स्क्रू लगाकर स्क्रू करें। मैं इन स्क्रू के लिए 3D प्रिंटेड सर्वो हॉर्न स्पेसर का उपयोग करने की सलाह देता हूं। एक बार लिंक बन जाने के बाद आप पैर को इकट्ठा करना शुरू कर सकते हैं।

चरण 7: पैरों को असेंबल करना

एक बार लिंक और ब्रैकेट इकट्ठे हो जाने के बाद, आप उन्हें रोबोट के पैर बनाने के लिए जोड़ सकते हैं। सबसे पहले, हिप सर्वो ब्रैकेट और घुटने के सर्वो ब्रैकेट को एक साथ जोड़ने के लिए सर्वो हॉर्न लिंक का उपयोग करें। ध्यान दें: अभी तक हॉर्न को सर्वो से न बांधें क्योंकि अगले चरण में एक सेटअप चरण है और अगर सर्वो मोटर पर हॉर्न खराब हो जाता है तो यह एक असुविधा होगी।

विपरीत दिशा में नट का उपयोग करके उभरे हुए बोल्ट पर असर लिंक को माउंट करें। अंत में, घुटने के सर्वो धारक पर असर के माध्यम से फैला हुआ बोल्ट डालकर फुट सर्वो ब्रैकेट संलग्न करें। और दूसरी तरफ घुटने के सर्वो धारक से जुड़े सर्वो हॉर्न को सर्वो शाफ्ट को ठीक करें। यह एक मुश्किल काम हो सकता है और मैं इसके लिए हाथों की दूसरी जोड़ी की सिफारिश करूंगा।

दूसरे पैर के लिए चरणों को दोहराएं। संदर्भ के रूप में प्रत्येक चरण से जुड़े चित्रों का उपयोग करें।

चरण 8: कस्टम पीसीबी और वायरिंग

यह एक वैकल्पिक कदम है। वायरिंग नेटर बनाने के लिए मैंने परफेक्ट बोर्ड और हेडर पिन का उपयोग करके एक कस्टम पीसीबी बनाने का फैसला किया। पीसीबी में सर्वो मोटर तारों को सीधे जोड़ने के लिए पोर्ट होते हैं। इसके अलावा, यदि मैं विस्तार करना चाहता हूं और अन्य सेंसर जैसे जड़त्वीय मापन इकाइयों या अल्ट्रासोनिक दूरी सेंसर को जोड़ना चाहता हूं तो मैंने अतिरिक्त बंदरगाहों को भी छोड़ दिया। इसमें सर्वो मोटर्स को बिजली देने के लिए आवश्यक बाहरी शक्ति स्रोत के लिए एक बंदरगाह भी शामिल है। Arduino के लिए USB और बाहरी शक्ति के बीच स्विच करने के लिए एक जम्पर कनेक्शन का उपयोग किया जाता है। स्क्रू और 3D प्रिंटेड स्पेसर का उपयोग करके इलेक्ट्रॉनिक्स माउंट के दोनों ओर Arduino और PCB को माउंट करें।

नोट: USB के माध्यम से Arduino को अपने कंप्यूटर से कनेक्ट करने से पहले जम्पर को अनप्लग करना सुनिश्चित करें। ऐसा नहीं करने से Arduino को नुकसान हो सकता है।

यदि आप पीसीबी का उपयोग नहीं करने का निर्णय लेते हैं और इसके बजाय ब्रेडबोर्ड का उपयोग करते हैं तो यहां सर्वो कनेक्शन हैं:

• बायां हिप >> पिन 9
• दायां हिप >> पिन 8
• बायां घुटना >> पिन 7
• दायां घुटना >> पिन 6
• बायां पैर >> पिन 5
• दाहिना पैर >> पिन 4

यदि आप पीसीबी को उसी क्रम का पालन करने का निर्णय लेते हैं जैसा कि पीसीबी पर बंदरगाहों का उपयोग करके आईएमयू बंदरगाह के साथ दाएं से बाएं तरफ का उपयोग करके किया जाता है। और उपरोक्त पिन नंबरों का उपयोग करके पीसीबी को Arduino से जोड़ने के लिए नियमित पुरुष से महिला जम्पर तारों का उपयोग करें। जब आप USB पावर के बिना इसे चलाने का निर्णय लेते हैं, तो ग्राउंड पिन को कनेक्ट करना और समान ग्राउंड पोटेंशिअल और विन पिन बनाना सुनिश्चित करें।

चरण 9: शरीर को इकट्ठा करना

एक बार जब दो पैर और इलेक्ट्रॉनिक्स इकट्ठे हो जाते हैं, तो उन्हें रोबोट बॉडी बनाने के लिए एक साथ जोड़ दें। दोनों पैरों को आपस में जोड़ने के लिए ब्रिज पीस का इस्तेमाल करें। हिप सर्वो धारक और नट और बोल्ट पर समान बढ़ते छेद का उपयोग करें जो सर्वो मोटर को पकड़ते हैं। अंत में, इलेक्ट्रॉनिक्स माउंट को ब्रिज से कनेक्ट करें। पुल और इलेक्ट्रॉनिक्स माउंट पर छेदों को पंक्तिबद्ध करें और संयुक्त बनाने के लिए M4 नट और बोल्ट का उपयोग करें।

मदद के लिए संलग्न छवियों का संदर्भ लें। इसके साथ, आपने रोबोट का हार्डवेयर निर्माण पूरा कर लिया है। इसके बाद, आइए सॉफ्टवेयर में कूदें और रोबोट को जीवंत करें।

चरण 10: प्रारंभिक सेटअप

इस परियोजना के निर्माण के दौरान मैंने जो देखा है वह यह है कि सर्वो मोटर्स और हॉर्न को अपेक्षाकृत समानांतर रहने के लिए पूरी तरह से संरेखित करने की आवश्यकता नहीं है। यही कारण है कि पैरों के साथ संरेखित करने के लिए प्रत्येक सर्वो मोटर की "केंद्रीय स्थिति" को मैन्युअल रूप से समायोजित करना पड़ता है। इसे प्राप्त करने के लिए प्रत्येक सर्वो से सर्वो हॉर्न हटा दें और प्रारंभिक_सेटअप.इनो स्केच चलाएं। एक बार जब मोटरें अपनी केंद्रीय स्थिति में आ जाती हैं तो हॉर्न को इस तरह से जोड़ दें कि पैर पूरी तरह से सीधे हों और पैर पूरी तरह से जमीन के समानांतर हो। अगर ऐसा है तो आप किस्मत में हैं। यदि आसन्न टैब पर पाए गए स्थिरांक.एच फ़ाइल को नहीं खोलें और सर्वो ऑफ़सेट मान (लाइन 1-6) को तब तक संशोधित करें जब तक कि पैर पूरी तरह से संरेखित न हो जाएं और पैर सपाट न हो जाए। मूल्यों के साथ खेलें और आपको इस बात का अंदाजा हो जाएगा कि आपके मामले में क्या जरूरी है।

एक बार स्थिरांक सेट हो जाने के बाद, इन मानों को नोट करें क्योंकि बाद में इनकी आवश्यकता होगी।

मदद के लिए चित्रों का संदर्भ लें।

चरण 11: किनेमेटिक्स के बारे में थोड़ा सा

द्विपाद को उपयोगी क्रियाएँ करने के लिए जैसे दौड़ना और चलना विभिन्न चालों को गति पथ के रूप में क्रमादेशित करने की आवश्यकता है। गति पथ वे पथ हैं जिनके साथ अंतिम प्रभावक (इस मामले में पैर) यात्रा करते हैं। इसे प्राप्त करने के दो तरीके हैं:

1. एक दृष्टिकोण यह होगा कि विभिन्न मोटरों के संयुक्त कोणों को एक क्रूर बल तरीके से खिलाया जाए। यह दृष्टिकोण समय लेने वाला, थकाऊ और त्रुटियों से भरा हो सकता है क्योंकि निर्णय विशुद्ध रूप से दृश्य है। इसके बजाय, वांछित परिणाम प्राप्त करने का एक बेहतर तरीका है।
2. दूसरा दृष्टिकोण सभी संयुक्त कोणों के बजाय अंतिम प्रभावक के निर्देशांक को खिलाने के इर्द-गिर्द घूमता है। इसे व्युत्क्रम किनेमेटिक्स के रूप में जाना जाता है। उपयोगकर्ता इनपुट निर्देशांक और संयुक्त कोण निर्दिष्ट निर्देशांक पर अंतिम प्रभावक की स्थिति के लिए समायोजित करते हैं। इस विधि को एक ब्लैक बॉक्स के रूप में माना जा सकता है जो इनपुट के रूप में एक समन्वय लेता है और संयुक्त कोणों को आउटपुट करता है। उन लोगों के लिए जो इस ब्लैक बॉक्स के त्रिकोणमितीय समीकरणों को विकसित करने में रुचि रखते हैं, वे ऊपर दिए गए चित्र को देख सकते हैं। उन लोगों के लिए जो रुचि नहीं रखते हैं, समीकरण पहले से ही प्रोग्राम किए गए हैं और पॉज़ फ़ंक्शन का उपयोग करके उपयोग किया जा सकता है जो इनपुट x, z के रूप में लेता है और मोटर्स के अनुरूप तीन कोणों को आउटपुट करता है।

इन कार्यों वाला कार्यक्रम अगले चरण पर पाया जा सकता है।

चरण 12: Arduino की प्रोग्रामिंग

Arduino की प्रोग्रामिंग करने से पहले, फ़ाइल में मामूली संशोधन करने की आवश्यकता है। उन स्थिरांकों को याद रखें जिन्हें मैंने आपको नोट निकालने के लिए कहा था? स्थिरांक को आपके द्वारा स्थिरांक.h फ़ाइल में सेट किए गए मानों में संशोधित करें।

नोट: यदि आपने इस निर्देश में दिए गए डिज़ाइनों का उपयोग किया है, तो आपके पास बदलने के लिए कुछ भी नहीं है। यदि आप में से कुछ ऐसे हैं जिन्होंने अपने स्वयं के डिज़ाइन बनाए हैं तो आपको ऑफ़सेट के साथ कुछ और मूल्यों को बदलना होगा। निरंतर l1 कूल्हे की धुरी और घुटने की धुरी के बीच की दूरी को मापता है। निरंतर l2 घुटने की धुरी और टखने की धुरी के बीच की दूरी को मापता है। इसलिए यदि आपने अपना स्वयं का मॉडल बनाया है, तो इन लंबाई को मापें और स्थिरांक को संशोधित करें। अंतिम दो स्थिरांक चाल के लिए उपयोग किए जाते हैं। स्टेप क्लीयरेंस निरंतर मापता है कि एक कदम के बाद आगे आते समय पैर कितना ऊंचा उठेगा और स्टेपहाइट स्थिरांक जमीन से कूल्हे तक की ऊंचाई को कदम उठाते समय मापता है।

एक बार जब सभी स्थिरांक आपकी आवश्यकता के अनुसार संशोधित हो जाते हैं, तो आप मुख्य कार्यक्रम अपलोड कर सकते हैं। मुख्य कार्यक्रम बस रोबोट को चलने की स्थिति में शुरू करता है और कदम आगे बढ़ना शुरू करता है। सबसे अच्छा काम करने के लिए विभिन्न चाल, गति और कदम की लंबाई का पता लगाने के लिए कार्यों को आपकी आवश्यकता के अनुसार संशोधित किया जा सकता है।

चरण 13: अंतिम परिणाम: प्रयोग का समय

बिपेड ऐसे कदम उठा सकता है जो बिना किसी टिप के 10 से 2 सेंटीमीटर लंबे हो सकते हैं। चाल को संतुलित रखते हुए गति भी भिन्न हो सकती है। Arduino की शक्ति के साथ संयुक्त यह द्विपद विभिन्न अन्य चालों और गेंद को लात मारते समय कूदने या संतुलन बनाने जैसे अन्य उद्देश्यों के साथ प्रयोग करने के लिए एक मजबूत मंच प्रदान करता है। मैं आपको सलाह दूंगा कि आप अपनी खुद की चाल बनाने के लिए पैरों के गति पथों को बदलने की कोशिश करें और यह पता लगाएं कि विभिन्न चालें रोबोट के प्रदर्शन को कैसे प्रभावित करती हैं। आईएमयू और डिस्टेंस सेंसर जैसे सेंसर को इसकी कार्यक्षमता बढ़ाने के लिए सिस्टम में जोड़ा जा सकता है जबकि असमान सतहों पर गतिशील हरकत के साथ प्रयोग करने के लिए फोर्स सेंसर को पैरों में जोड़ा जा सकता है।

आशा है कि आपने इस निर्देश का आनंद लिया है और अपना खुद का निर्माण करने के लिए एक प्रेरणा के लिए पर्याप्त है। अगर आपको प्रोजेक्ट पसंद आया तो "Arduino Contest" में एक वोट ड्रॉप करके इसका समर्थन करें।

हैप्पी मेकिंग!

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