बायोइंस्पायर्ड रोबोटिक स्नेक: 16 कदम (चित्रों के साथ)

2024 लेखक: John Day | [email protected]. अंतिम बार संशोधित: 2024-01-30 09:22

पेड़ पर चढ़ने वाले रोबोटिक सांपों और रोबोटिक ईल दोनों के शोध वीडियो देखकर मैं इस परियोजना को शुरू करने के लिए प्रेरित हुआ। यह मेरा पहला प्रयास है और सर्पिन लोकोमोशन का उपयोग करके रोबोट बनाना है, लेकिन यह मेरा आखिरी नहीं होगा! यदि आप भविष्य में विकास देखना चाहते हैं तो YouTube पर सदस्यता लें।

नीचे मैं 3डी प्रिंटिंग के लिए फाइलों के साथ 2 अलग-अलग सांपों के निर्माण की रूपरेखा तैयार करता हूं और सांप जैसी गति को प्राप्त करने के लिए कोड और एल्गोरिदम के बारे में चर्चा करता हूं। यदि आप और अधिक सीखना जारी रखना चाहते हैं, तो इस निर्देश को पढ़ने के बाद, मैं पृष्ठ के निचले भाग में संदर्भ अनुभाग में लिंक पढ़ने का सुझाव दूंगा।

यह निर्देश योग्य तकनीकी रूप से 2-इन -1 है, जिसमें मैं समझाता हूं कि रोबोटिक सांप के 2 अलग-अलग संस्करण कैसे बनाए जाते हैं। यदि आप केवल एक सांप के निर्माण में रुचि रखते हैं तो दूसरे सांप के निर्देशों को अनदेखा करें। ये 2 अलग-अलग सांप यहां से होंगे जिन्हें निम्नलिखित वाक्यांशों का परस्पर उपयोग करने के लिए संदर्भित किया जाएगा:

1. सिंगल एक्सिस स्नेक, 1डी स्नेक, या येलो एंड ब्लैक स्नेक
2. डबल एक्सिस स्नेक, 2डी स्नेक, या व्हाइट स्नेक

बेशक आप सांपों को अपनी इच्छानुसार किसी भी रंग के फिलामेंट में प्रिंट कर सकते हैं। दो सांपों के बीच एकमात्र अंतर यह है कि 2 डी सांप में प्रत्येक मोटर पिछले के सापेक्ष 90 डिग्री घुमाया जाता है, जबकि 1 डी सांप में सभी मोटर एक धुरी में गठबंधन होते हैं।

एक अंतिम प्रस्तावना यह है कि मेरे प्रत्येक सांप के पास केवल 10 सर्वो हैं, लेकिन सांपों को कम या ज्यादा सर्वो के साथ बनाना संभव है। विचार करने वाली एक बात यह है कि कम सर्वो के साथ आप कम सफल गति प्राप्त करेंगे, और अधिक सर्वो के साथ आप शायद सर्पिन गति के साथ अधिक सफल होंगे लेकिन आपको लागत, वर्तमान ड्रा (बाद की टिप्पणी देखें) और पिनों की संख्या पर विचार करने की आवश्यकता होगी। Arduino पर उपलब्ध है। सांप की लंबाई बदलने के लिए स्वतंत्र महसूस करें, लेकिन ध्यान रखें कि इस परिवर्तन के लिए आपको कोड को भी बदलना होगा।

चरण 1: अवयव

यह एक सांप के लिए भागों की सूची है, यदि आप दोनों सांप बनाना चाहते हैं तो आपको घटकों की मात्रा को दोगुना करना होगा।

• 10 MG996R सर्वो*
• 1.75 मिमी 3 डी प्रिंटिंग फिलामेंट
• १० बॉल बेयरिंग, भाग संख्या ६०८ (मैंने जिटरस्पिन फ़िडगेट स्पिनरों के बाहरी रिम से खदान को उबार लिया)
• 20 छोटे बॉल बेयरिंग, भाग संख्या r188, पहियों के लिए** (मैंने जिटरस्पिन फ़िडगेट स्पिनरों के भीतरी भाग से खदान को उबार लिया)
• ४० फिलिप्स हेड स्क्रू ६-३२ x १/२" (या समान)
• 8 लंबे स्क्रू (मेरे पास कोई भाग संख्या नहीं है लेकिन वे ऊपर के स्क्रू के समान व्यास के हैं)
• 4 इंच ज़िप्टी के कम से कम 20 टुकड़े (यह आप पर निर्भर करता है कि आप कितने का उपयोग करना चाहते हैं)
• 5 मी प्रत्येक लाल और काला 20 गेज तार या मोटा ***
• मानक 22 गेज तार
• ३० पुरुष हैडर पिन्स (३ के १० लॉट में विभाजित)
• अरुडिनो नैनो
• 3डी प्रिंटेड पार्ट्स (अगला भाग देखें)
• शक्ति के कुछ रूप (अधिक जानकारी के लिए अनुभाग देखें: "सांप को शक्ति देना"), मैंने व्यक्तिगत रूप से एक संशोधित एटीएक्स बिजली आपूर्ति का उपयोग किया
• 1000uF 25V इलेक्ट्रोलाइटिक कैपेसिटर
• विभिन्न आकारों, सोल्डर, गोंद और अन्य विविध उपकरणों की हीट सिकुड़ ट्यूब;

*आप अन्य प्रकारों का उपयोग कर सकते हैं लेकिन आपको अपने सर्वो के साथ फ़िट होने के लिए 3D फ़ाइलों को फिर से डिज़ाइन करने की आवश्यकता होगी। इसके अलावा यदि आप sg90 जैसे छोटे सर्वो का उपयोग करने का प्रयास करते हैं, तो आप पा सकते हैं कि वे पर्याप्त मजबूत नहीं हैं (मैंने इसका परीक्षण नहीं किया है और यह प्रयोग करना आपके ऊपर होगा)।

** आपको पहियों के लिए छोटे बॉल बेयरिंग का उपयोग करने की आवश्यकता नहीं है, मेरे पास बस बहुत कुछ था। वैकल्पिक रूप से आप लेगो पहियों या अन्य खिलौना पहियों का उपयोग कर सकते हैं।

***इस तार में 10 एम्पीयर तक जा सकते हैं, बहुत पतले और करंट इसे पिघला देगा। अधिक जानकारी के लिए यह पृष्ठ देखें।

चरण 2: 3डी प्रिंटिंग अवयव

अगर आप 1डी स्नेक बना रहे हैं तो इन टुकड़ों को प्रिंट करें।

अगर आप 2डी स्नेक बना रहे हैं तो इन टुकड़ों को प्रिंट करें।

महत्वपूर्ण नोट: पैमाना गलत हो सकता है! मैं अपने घटकों को फ़्यूज़न 360 (मिमी इकाइयों में) में डिज़ाइन करता हूं, डिज़ाइन को.stl फ़ाइल के रूप में मेकरबॉट सॉफ़्टवेयर में निर्यात करता हूं और फिर इसे Qidi Tech प्रिंटर (मेकरबॉट रेप्लिकेटर 2X का क्लोन संस्करण) पर प्रिंट करता हूं। कहीं न कहीं इस वर्कफ़्लो में एक बग है और मेरे सभी प्रिंट बहुत छोटे हैं। मैं बग के स्थान की पहचान करने में असमर्थ रहा हूं, लेकिन मेकरबॉट सॉफ्टवेयर में प्रत्येक प्रिंट को 106% आकार में स्केल करने का अस्थायी सुधार है, इससे समस्या ठीक हो जाती है।

इसे देखते हुए, चेतावनी दी जाती है कि यदि आप ऊपर की फाइलों को प्रिंट करते हैं तो उन्हें गलत तरीके से स्केल किया जा सकता है। मेरा सुझाव है कि सिर्फ एक टुकड़े को प्रिंट करें और जांच लें कि क्या यह उन सभी को प्रिंट करने से पहले आपके MG996R सर्वो के साथ फिट बैठता है।

यदि आप किसी भी फाइल को प्रिंट करते हैं तो कृपया मुझे बताएं कि परिणाम क्या है: यदि प्रिंट बहुत छोटा है, तो ठीक है, बहुत बड़ा है और कितना प्रतिशत है। एक समुदाय के रूप में एक साथ काम करके हम विभिन्न 3D प्रिंटर और.stl स्लाइसर का उपयोग करके बग के स्थान का निवारण कर सकते हैं। एक बार समस्या का समाधान हो जाने पर मैं इस अनुभाग और उपरोक्त लिंक को अपडेट कर दूंगा।

चरण 3: सांपों की सभा

सांप के दोनों संस्करणों के लिए असेंबली प्रक्रिया ज्यादातर समान होती है। फर्क सिर्फ इतना है कि 2D स्नेक में प्रत्येक मोटर पिछले के सापेक्ष 90 डिग्री घुमाई जाती है, जबकि 1D स्नेक में सभी मोटर्स एक ही अक्ष में संरेखित होती हैं।

सर्वो को हटाकर शुरू करें, स्क्रू को बचाएं और काले प्लास्टिक फ्रेम के ऊपर और नीचे के टुकड़े हटा दें, और सावधान रहें कि कोई भी गियर न खोएं! सर्वो को 3डी प्रिंटेड फ्रेम में स्लाइड करें, जैसा कि ऊपर की तस्वीरों में दिखाया गया है। सर्वो केस के शीर्ष को बदलें, और इसे चार 6-32 1/2 स्क्रू के साथ स्क्रू करें। सर्वो फ्रेम के नीचे सहेजें (यदि आप इसे बाद की परियोजनाओं में फिर से उपयोग करना चाहते हैं) और इसे 3 डी से बदलें प्रिंटेड केस, बॉल बेयरिंग के लिए अतिरिक्त नॉब का अंतर केवल इतना है कि वह फिसल जाता है। सर्वो को वापस एक साथ पेंच करें, 10 बार दोहराएं।

महत्वपूर्ण: जारी रखने से पहले आपको Arduino पर कोड अपलोड करना होगा और प्रत्येक सर्वो को 90 डिग्री पर ले जाना होगा। ऐसा करने में विफलता के परिणामस्वरूप आप एक या एक से अधिक सर्वो और/या 3D मुद्रित फ़्रेम तोड़ सकते हैं। यदि आप सुनिश्चित नहीं हैं कि किसी सर्वो को 90 डिग्री पर कैसे ले जाया जाए तो यह पृष्ठ देखें। मूल रूप से Arduino पर सर्वो के लाल तार को 5V, भूरे रंग के तार को GND और पीले तार को डिजिटल पिन 9 से कनेक्ट करें, फिर लिंक में कोड अपलोड करें।

अब जबकि प्रत्येक सर्वो 90 डिग्री पर है, जारी रखें:

एक सर्वो केस से दूसरे खंड के टुकड़े के छेद में 3 डी प्रिंटेड नॉब डालकर 10 सेगमेंट कनेक्ट करें, फिर थोड़े से बल के साथ सर्वो के एक्सल को उसके छेद में धकेलें (ऊपर चित्र और स्पष्टता के लिए वीडियो देखें)। यदि आप 1D सांप बना रहे हैं, तो सभी खंडों को संरेखित किया जाना चाहिए, यदि आप 2D सांप बना रहे हैं, तो प्रत्येक खंड को पिछले खंड में 90 डिग्री घुमाया जाना चाहिए। ध्यान दें कि पूंछ और सिर का फ्रेम अन्य खंडों की लंबाई का केवल आधा है, उन्हें कनेक्ट करें लेकिन पिरामिड के आकार के टुकड़ों पर तब तक टिप्पणी न करें जब तक कि हम वायरिंग समाप्त नहीं कर लेते।

एक्स-आकार की सर्वो भुजा संलग्न करें और इसे स्थिति में पेंच करें। बॉल बेयरिंग को 3डी प्रिंटेड नॉब पर खिसकाएं, इसके लिए 2 सेमी-सर्कल पोस्ट को एक साथ धीरे से निचोड़ने की आवश्यकता होगी। आप किस ब्रांड के फिलामेंट का उपयोग करते हैं और इनफिल घनत्व के आधार पर, पोस्ट बहुत भंगुर और स्नैप हो सकते हैं, मुझे नहीं लगता कि यह मामला होगा लेकिन फिर भी अत्यधिक बल का उपयोग न करें। मैंने व्यक्तिगत रूप से 10% इन्फिल के साथ पीएलए फिलामेंट का उपयोग किया। एक बार बॉल बेयरिंग चालू हो जाने के बाद, इसे नॉब पर ओवरहैंग्स द्वारा लॉक किया जाना चाहिए।

चरण 4: सर्किट

दोनों रोबोटिक सांपों के लिए सर्किट समान है। वायरिंग प्रक्रिया के दौरान सुनिश्चित करें कि प्रत्येक सेगमेंट को पूरी तरह से घुमाने के लिए पर्याप्त वायरिंग स्पेस है, खासकर 2डी स्नेक में।

ऊपर केवल 2 सर्वो के साथ वायरिंग के लिए एक सर्किट आरेख है। मैंने 10 सर्वो के साथ एक सर्किट ड्राइंग करने की कोशिश की, लेकिन यह बहुत अधिक भीड़भाड़ वाला हो गया। इस तस्वीर और वास्तविक जीवन के बीच एकमात्र अंतर यह है कि आपको समानांतर में 8 और सर्वो को तार करने और Arduino नैनो पर PWM सिग्नल तारों को पिन से जोड़ने की आवश्यकता है।

बिजली की लाइनों को तार करते समय मैंने 18 गेज तार के एक टुकड़े का उपयोग किया (10amps का सामना करने के लिए पर्याप्त मोटा) मुख्य 5V लाइन के रूप में सांप की लंबाई के नीचे चल रहा था। वायर स्ट्रिपर्स का उपयोग करते हुए मैंने १० नियमित अंतरालों पर इंसुलेटर के एक छोटे से हिस्से को हटा दिया, और इनमें से प्रत्येक अंतराल से ३ पुरुष हेडर पिन के समूह से तार के एक छोटे टुकड़े को मिला दिया। ब्लैक 18 गेज GND वायर और दूसरे मेल हैडर पिन के लिए इसे दूसरी बार दोहराएं। अंत में तीसरे पुरुष हेडर पिन के लिए एक लंबा तार मिलाप, यह पिन पीडब्लूएम सिग्नल को सर्प के सिर में Arduino नैनो से सर्वो तक ले जाएगा (तार लंबे समय तक पहुंचने के लिए पर्याप्त होना चाहिए, तब भी जब खंड झुकते हैं)। आवश्यकतानुसार हीट सिकुड़ ट्यूब संलग्न करें। 3 पुरुष हेडर पिन को सर्वो तारों के 3 महिला हेडर पिन से कनेक्ट करें। 10 सर्वो में से प्रत्येक के लिए 10 बार दोहराएं। अंततः यह जो हासिल करता है वह नैनो के समानांतर और पीडब्लूएम सिग्नल तारों को चलाने के लिए सर्वो को तार कर रहा है। पुरुष / महिला हेडर पिन का कारण यह था कि आप आसानी से सेगमेंट को अलग कर सकते हैं और सर्वो को बदल सकते हैं यदि वे सब कुछ बिना सोल्डर किए टूट जाते हैं।

कैपेसिटर और स्क्रू टर्मिनलों के साथ पूंछ में GND और 5V तारों को 3x7 छेद वाले पूर्ण बोर्ड में मिलाएं। कैपेसिटर का उद्देश्य सर्वो को शुरू करते समय होने वाले किसी भी मौजूदा ड्रॉ स्पाइक्स को हटाना है, जो Arduino नैनो को रीसेट कर सकता है (यदि आपके पास कैपेसिटर नहीं है तो आप शायद इसके बिना दूर हो सकते हैं, लेकिन सुरक्षित रहना बेहतर है). याद रखें कि इलेक्ट्रोलाइटिक कैपेसिटर के लंबे प्रोंग को 5V लाइन से और छोटे प्रोंग को GND लाइन से जोड़ा जाना चाहिए। GND तार को नैनो के GND पिन से और 5V तार को 5V पिन से मिलाएं। ध्यान दें कि यदि आप एक अलग वोल्टेज का उपयोग कर रहे हैं, (अगला भाग देखें), 7.4V के साथ एक लाइपो बैटरी कहें, फिर लाल तार को विन पिन से तार दें, न कि 5V पिन को, ऐसा करने से पिन नष्ट हो जाएगा।

Arduino नैनो पर पिन करने के लिए 10 PWM सिग्नल तारों को मिलाएं। मैंने निम्नलिखित क्रम में मेरा तार दिया, आप अपना अलग तार चुनना चुन सकते हैं लेकिन बस याद रखें कि आपको कोड में सर्वो.अटैच () लाइनों को बदलने की आवश्यकता होगी। यदि आप सुनिश्चित नहीं हैं कि मैं किस बारे में बात कर रहा हूं तो इसे वैसे ही तार दें जैसे मैंने किया था और आपको कोई समस्या नहीं होगी। सर्प की पूंछ पर सर्वो से लेकर साँप के सिर तक के क्रम में, मैंने अपने दोनों साँपों को निम्नलिखित क्रम में तार-तार कर दिया। सिग्नल पिन को कनेक्ट करना: A0, A1, A2, A3, A4, A5, D4, D3, D8, D7।

तारों को साफ करने के लिए ज़िप्टी का प्रयोग करें। जांच जारी रखने से पहले कि सभी खंड तारों को अलग किए बिना स्थानांतरित करने के लिए पर्याप्त जगह के साथ आगे बढ़ सकते हैं। अब जब वायरिंग हो गई है तो हम सिर और पूंछ के पिरामिड के आकार के कैप पर पेंच कर सकते हैं। ध्यान दें कि टेदर से बाहर आने के लिए पूंछ में एक छेद होता है और सिर में Arduino प्रोग्रामिंग केबल के लिए एक छेद होता है।

चरण 5: सांप को शक्ति देना

चूँकि सर्वो को समानांतर में तार दिया जाता है, उन सभी को समान वोल्टेज मिलता है, लेकिन करंट को जोड़ा जाना चाहिए। MG996r सर्वो के लिए डेटाशीट को देखते हुए वे दौड़ते समय प्रत्येक 900mA तक खींच सकते हैं (बिना रुके)। इस प्रकार यदि सभी 10 सर्वो एक ही समय में चलते हैं तो कुल वर्तमान ड्रा 0.9A * 10 = 9A है। जैसे सामान्य 5v, 2A वॉल सॉकेट अडैप्टर काम नहीं करेगा। मैंने एक एटीएक्स बिजली आपूर्ति को संशोधित करने का फैसला किया, जो 20 ए पर 5 वी में सक्षम है। मैं यह नहीं बताने जा रहा हूं कि यह कैसे करना है, क्योंकि इंस्ट्रक्शंस और यूट्यूब पर इसकी बहुत चर्चा हो चुकी है। ऑनलाइन एक त्वरित खोज आपको दिखाएगी कि इनमें से किसी एक बिजली आपूर्ति को कैसे संशोधित किया जाए।

यह मानते हुए कि आपने बिजली की आपूर्ति को संशोधित किया है, यह केवल बिजली की आपूर्ति और सांप पर स्क्रू टर्मिनलों के बीच एक लंबे तार को जोड़ने का मामला है।

एक अन्य विकल्प ऑनबोर्ड लाइपो बैटरी पैक का उपयोग करना है। मैंने यह कोशिश नहीं की है, इसलिए यह आपके ऊपर होगा कि आप बैटरी के लिए एक माउंट डिजाइन करें और उन्हें तार दें। ऑपरेटिंग वोल्टेज, सर्वो के वर्तमान ड्रॉ और अरुडिनो को ध्यान में रखें (5v के अलावा कुछ भी नहीं मिलाप करने के लिए) Arduino पर 5v पिन, यदि आपके पास उच्च वोल्टेज है तो विन पिन पर जाएं)।

चरण 6: परीक्षण सब कुछ काम कर रहा है

जारी रखने से पहले बस परीक्षण करें कि सब कुछ काम कर रहा है। इस कोड को अपलोड करें। आपके सांप को प्रत्येक सर्वो को व्यक्तिगत रूप से 0-180 के बीच ले जाना चाहिए और फिर एक सीधी रेखा में लेटकर समाप्त करना चाहिए। यदि ऐसा नहीं होता है तो कुछ गलत है, सबसे अधिक संभावना है कि वायरिंग गलत है या सर्वो शुरू में 90 डिग्री पर केंद्रित नहीं थे जैसा कि "सांपों की विधानसभा" खंड में बताया गया है।

चरण 7: कोड

वर्तमान में सांप के लिए कोई रिमोट कंट्रोलर नहीं है, सभी गति पूर्व क्रमादेशित है और आप जो चाहें चुन सकते हैं। मैं संस्करण 2 में एक रिमोट कंट्रोल विकसित करूंगा, लेकिन अगर आप इसे दूर से नियंत्रित करना चाहते हैं, तो मैं इंस्ट्रक्शंस पर अन्य ट्यूटोरियल देखने और सांप को ब्लूटूथ के अनुकूल बनाने का सुझाव दूंगा।

अगर आप 1डी स्नेक बना रहे हैं तो इस कोड को अपलोड करें।

अगर आप 2डी स्नेक बना रहे हैं तो इस कोड को अपलोड करें।

मैं आपको कोड के साथ खेलने, अपने स्वयं के परिवर्तन करने और नए एल्गोरिदम बनाने के लिए प्रोत्साहित करता हूं। प्रत्येक प्रकार की गति की विस्तृत व्याख्या के लिए अगले कई खंड पढ़ें और इसके लिए कोड कैसे काम करता है।

चरण 8: तराजू बनाम पहिए

सांपों के आगे बढ़ने के मुख्य तरीकों में से एक उनके तराजू के आकार के माध्यम से है। तराजू आसान आगे की गति के लिए अनुमति देते हैं। आगे की व्याख्या के लिए 3:04 से यह वीडियो देखें कि कैसे तराजू सांप को आगे बढ़ने में मदद करता है। उसी वीडियो में 3:14 को देखने से पता चलता है कि जब सांप एक आस्तीन में होते हैं, तो तराजू के घर्षण को दूर करते हैं। जैसा कि मेरे YouTube वीडियो में दिखाया गया है जब रोबोट 1D सांप बिना तराजू के घास पर फिसलने की कोशिश करता है, तो यह न तो आगे बढ़ता है और न ही पीछे की ओर, क्योंकि बलों का योग शून्य होता है। ऐसे में हमें रोबोट के अंडरबेली में कुछ कृत्रिम तराजू जोड़ने की जरूरत है।

हावर्ड विश्वविद्यालय में तराजू के माध्यम से हरकत को फिर से बनाने पर शोध किया गया और इस वीडियो में प्रदर्शित किया गया। मैं अपने रोबोट पर तराजू को ऊपर और नीचे ले जाने के लिए एक समान विधि विकसित करने में असमर्थ था और इसके बजाय निष्क्रिय 3 डी मुद्रित तराजू को अंडरबेली से जोड़ने के लिए बस गया।

दुर्भाग्य से यह अप्रभावी साबित हुआ (मेरे YouTube वीडियो में 3:38 पर देखें) क्योंकि तराजू अभी भी तंतुओं को पकड़ने और घर्षण को बढ़ाने के बजाय कालीन की सतह पर स्किम्ड है।

यदि आप मेरे द्वारा बनाए गए पैमानों के साथ प्रयोग करना चाहते हैं, तो आप मेरे GitHub से फ़ाइलों को 3D प्रिंट कर सकते हैं। यदि आप अपना खुद का सफलतापूर्वक बनाते हैं तो मुझे नीचे टिप्पणी में बताएं!

एक अलग दृष्टिकोण का उपयोग करते हुए मैंने r188 बॉल बेयरिंग से बने पहियों का उपयोग करने की कोशिश की, जिसमें 'टायर' के रूप में बाहर की तरफ हीट सिकुड़ते टयूबिंग थे। आप मेरे GitHub पर.stl फ़ाइलों से प्लास्टिक व्हील एक्सल को 3D प्रिंट कर सकते हैं। जबकि पहिए जैविक रूप से सटीक नहीं होते हैं, वे तराजू के समान होते हैं, जिसमें आगे की ओर घूमना आसान होता है, लेकिन साइड टू साइड मोशन काफी कठिन होता है। आप मेरे YouTube वीडियो में पहियों का सफल परिणाम देख सकते हैं।

चरण 9: स्लीथरिंग मोशन (सिंगल एक्सिस स्नेक)

मेक इट मूव प्रतियोगिता में प्रथम पुरस्कार