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讓機器人“飛”——人形機器人完全DIY手工電子DIY教程(骨架篇)

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讓機器人“飛”——人形機器人完全DIY教程(骨架篇)

如果你也不滿足於簡單的手工活,如果你也有一幫和你一樣的兄弟,如果你們想創造和自己一樣能走能爬的機器人,那麼請關注這裏,我們將分享機器人制作所需的全部祕籍,助大家一臂之力。

Q1. 機器人能真的能像阿童木一樣飛起來?

A1. 像阿童木一樣有十萬馬力,可以上天入地的機器人如果即使我們做出來了,估計就已經,被國防部列為國家機密保護起來,而不能拿出來給大家分享了。

Q2. 那麼你們的“大強”是怎樣飛的呢?

A2. 相信大家都當過鞦韆,當被越推越高時,是否有一種飛翔的感覺呢?

如果你相信你製作出的機器人也是有生命的,那麼,就讓他這樣的在單槓上“飛”吧!!!

説到單槓大家一定都很熟悉,昔日的舊操場上高高低低的那一排,經常有老人在旁邊鍛鍊的就是了。不過又有幾個人能夠做出一個大回環呢?

在這裏我們的“大強”將要用手攀過多槓並且最後在單槓上做大回環的動作——不信看看效果:

我們的機器人——“大強”

Q3. 我也想做一個類似的機器人,該怎樣準備呢?

A3. 1. 由於要純動手DIY一個完整的機器人,需要幾個方面的知識:機械,電路,單片機,程序,以及一定的時間和鈔票,所以建議幾個人一起製作。(DIY高手請無視)一般來説一個人負責機械,一個人負責電路,一個人負責單片機,最後再一起調程序就行了。

2. 時間上的準備因人而異,做的時間不一定要多長,主要是學習新東西要花比較多時間。強烈建議初學者進入此傳送門看看 瘋狂的小強 具體的做法,瞭解一些機器人制作所需的基本知識。並且試着做個熟悉一下 舵機 ,然後再過來看看“大強”會更容易上手一點。整個機器人進度順利的話一個月可以做出來

3. 至於鈔票嘛~ 我們將在結尾處給出一個物品清單,像這種人形22軸機器人前主要花在軸的重要組成部分——舵機上。想節約點就多想點辦法減少幾個關節。

好,現在我們來看看一個菜鳥是怎樣一步步將鋁板構建出一個機器人的骨架的吧。

 

 

1   理論方面

要讓一個機器人能完成各種動作,高中的一些力學,運動學知識自然必不可少。在構建我們的機器人骨架過程中,主要的運動部件就是舵機了,整個機器人就是靠着舵機軸的轉動來完成各種複雜的動作。在設計整體的結構時候,應該畫出各種可能需要做的動作的結構簡圖(用點線表示)簡單計算一下質心高度和位置保證機器人的平衡。

以下是具體的做法:

先把舵機看做一個質點,用點加一個小豎線表示舵機的轉軸,直線表示兩個軸之間的距離,大致畫出整體靜態草圖。(兩點之間的距離至少要大於舵機的高)畫出所需完成動作的分解草圖,將所有運動都分解為繞給定軸的轉動,如果發現有哪些動作無法完成考慮:1.改變軸的排布,方向。2.增加軸不考慮線的重量,只考慮舵機的重量,對每個草圖分別計算各個過程中機器人的平衡狀況。調整舵機間的長度

Tips1: 每種舵機都會有其尺寸,重量,扭矩,以及轉速等説明。在使用舵機時,應該儘量減小垂直於舵機轉軸的受力,不然容易燒壞舵機。

Tips2: 舵機只能轉180度,在動作中務必排除需要超過180轉動的情況

1.1   我們的大強要完成什麼動作呢?

我們要讓大強“飛”起來,作為一隻金剛,單單飛似乎少了什麼,為此我們給大強設計了《金剛》的路線,一路跋山涉水拯救MM(劇情見最後)

1. 四足行走

由於我們設計的機器人重點放在了手臂上面,故對腿部進行了簡化。行走時採用對角兩條腿交替前進的方式。前進腿(圖中箭頭標註)向前跨步的同時,支撐腿有一個後蹬的動作以實現行走——俗稱“爬”

2. 多槓攀爬

這時的大強已經開始了艱苦卓絕的翻山越嶺之路。

多槓連續攀爬並沒有想象中那麼簡單,考慮到在前進時有一隻手必須離開槓,為保持平衡,故採用左右靜態擺動身體的姿態前進。

A. 開始時通過肩部舵機作用將重心移動到一隻手上(圖中為左手)

多槓攀爬動作圖(1) 

多槓攀爬動作圖(2)

B. 放開不支撐身體的手臂(圖中右手)向前抓住下一隻槓.(左側一列圖是側視圖,右側一列圖是正視時兩隻手的位置)

多槓攀爬各動作圖(3) 

C. 肩部兩舵機配合向前移動身體,在身體前進的同時將重心轉移到抓住前面橫槓的手上(圖中右手)

D. 放開後面槓上的手(圖中左手)並重覆上面的動作,實現多槓上的攀爬行走

3. 單槓動作

終於來到了“她”的身邊,到了展現實力的時候了! 我們不僅要讓大強在多槓上爬行,還要讓他在單槓“飛起來”。

不急,起飛之前先來活動一下筋骨吧!先做100個引體向上吧!!(話説我連十個都做不了)

(1) 引體向上

A. 肩部和肘部的舵機同時用力將身體拉起 B. 肩部和肘部舵機反向用力回到初始位置,完成一個引體向上

引體向上動作圖 

(2) “飛”吧!

A. 收縮機器人腿部減小力臂,通過肩部舵機的作用將機器人身體從一側提升至高處

單槓翻滾動作(1) 

B. 將腿伸直後舵機反向用力使機器人在槓上蕩起

單槓翻滾動作(2) 

C. 在向下擺動過程中肩部舵機和腿部舵機同時用力使機器人擺動幅度增大,並在擺至高點後舵機反向用力。對機器人本身,動作和A步驟相同

D. 幾次擺動後便可以完成飛躍的過程

説明:由於我們的大強沒有傳感器,無法判斷自身在槓上的具體姿態,所以我們決定讓機器人在槓上以相同的時間間隔完成固定次數的動作。雖然不一定每次都能成功完成翻滾,但同時每次的動作都不相同,效果也應該不錯。

為了驗證這最為關鍵的一步,我們還動手做了個試驗版:具體過程就不説了,直接上圖

 

1.2   下面來點靜力分析

為選擇各關節舵機的型號,對其在極端情形下的扭矩進行估算。機器人總質量約2kg。

極端姿態1---引體向上:引體向上受力分析 

此時,肘關節受力最大。考慮其靜力矩。估算過程如下: 相對於肘關節,身體的力臂大約為7.5cm,重量約為2kg,考慮兩隻手同時用力,每隻手受到的力矩為

因此的舵機可以提供足夠的力矩完成動作。

極端姿態2---翻越單槓:翻越單槓受力分析 

手部主要由固定部分承受作用力,舵機不需要提供太大的作用力。當身體翻越單槓時,滑動部分可能會受到一定的作用力,但由於:(1)翻越過程時間很短,對舵機的作用時間不長,(2)有一定的離心力作用,抵消部分重力,(3)該部分受力時,身體質心基本在槓的正上方,力臂很小,對舵機產生的扭矩不大。估計力臂為2cm,重量大小約為2kg,故力矩約為,一隻手所受力矩為,小於小舵機的最大力矩,所以不會對舵機產生太大的損壞。

1.3   三維建模

OK,經過以上步驟大家已經得到了一個基本的點線視圖,也基本上能完成動作。但為了避免各種碰撞,以及給電池,電路板留下襬放的位置,這時我們需要一個完整的機器人的三維圖形,手畫還是有點難度的,在這個電腦氾濫的時代,選擇一個好的CAD軟件來幫助畫圖上手會很快(偷懶的好辦法!),並且不需要特殊的製圖工具(省經費的好辦法!)這裏我們推薦用容易入手並且 以機械為主的繪圖軟件 SolidWorks 完成機械部分設計。

自學SolidWorks不會太難,因為SolidWorks基本操作都能用鼠標解決,不需要記什麼命令(高手可以選擇其他更專業的軟件),另外SolidWorks有由零件的裝配圖直接生成工程圖,以及自動標註尺寸,基本免了自己動手畫,並且絕不會出錯,還有模擬運動等高級功能。

關於solidworks的學習這裏就不詳細講了,推薦幾個網上幾個SolidWorks自學教程(去百度google一下有不少,視屏教程最容易入手 看幾個例子跟着操作一下基本上就會了) 參考書的話可以準備兩本,一本以例子多的例如《solidworks 實例》 一本系統點,供快速查閲的例如 《solidworks?2008 從入門到精通》 (看例子出現問題的時候可以翻翻) 當然,最權威最全面的 就是SolidWorks自帶的幫助文檔(不推薦,講的太細,書上找不到解決方法的問題再查閲文檔)。這樣跟着網上教學視屏練得話幾個小時基本上就能上手。

另外,一本機械製圖的教材最好還是備上,主要用來了解一些基本符號 術語 以及很關鍵的 國標——也就是國家規定的標準件。(查到後可以直接在solidworks裏面調用畫好的零件,方便省事)知道各種標準件的作用,和基本的固定方法。

 

2   實際模型圖製作

以下是用cad軟件構建模型的步驟:

具體的連接方式可以先不管,先畫出單個舵機,以及各個關鍵部件(在SolidWorks上畫出來) 主要的零件——舵盤,標準螺絲,螺母等。舵機。 

舵盤。 

上螺釘的舵盤整體。 

齒輪(自己畫的非標準,最後沒有用到……)。

Tip1: 舵機的模型最好做精確些,參照具體型號的標準尺寸(推薦實測)。然後參照已經畫好的點線模型,將點改成舵機,調整好各部位的距離。

怎樣連接兩個舵機呢?為了讓我們將DIY進行到底,在這裏我們選擇自己加工強度大重量輕又容易塑形的1.5mm鋁板,用如下圖這種方式將舵機包起來並與另外的舵機通過軸上固定的舵盤相連。 (這裏大家不必拘泥於我們的方法,可以發揮想象力構造自己考慮連接方式。) 在solidworks下將零件組裝成裝配體。

Tips2: 先把各個包好的部分裝配體模塊化,再用由上到下的順序或者由下到上的順序一個個組裝成裝配體。(由於不再是點線的簡單結構了,在這裏還要進行各關節的簡單受力分析,儘量通過設計上的改動避免舵機軸承之類脆弱的地方承力。)

 

用鋁板包好的舵機。 

手部的裝配圖。 

整個手臂的裝配圖。

 

整條腿的裝配圖。 

完整的機器人裝配圖(原始圖)。考慮實際的裝配情況,給每個模塊之間合理的連接方式,例如用螺釘螺母固定,萬能膠,熱熔膠,膠帶,繩子,彈簧……盡情的發揮你的想象力吧! 一般相對牢固的方式是通過打孔然後用螺釘螺母固定,採用這種方式的同學們一定要注意了!千萬別忘了考慮螺釘的大小和位置!!讓我們無視他,繼續做下去吧!將實際的問題反映到模型圖上,即對模型修改(建議對零件改,不要從裝配體上直接改。)最後檢查是否有重疊,碰撞。 

3   實際製作

好了,經過了重重檢驗,一個完美的效果圖終於出來了!各種運動我們也分析好了!開始幹力氣活吧!

別急,現在還什麼都沒有呢!

 

3.1   準備工作買鋁板。買螺絲,螺母,墊片。準備個五金工具箱。有台鑽,車牀,銑牀,剪板機,折板機之類大型機器可用最好。

沒有的話:用手鑽代替台鑽(想 DIY台鑽 的看過來~),手加台鉗代替折板機,鐵皮剪或手鋸代替剪板機,車牀銑牀都可以不用。自給自足!完全DIY!!東西都備齊了,現在開始幹活吧!

 

3.2   具體制作要有熟悉機械的人指導最好不過,實在沒人教可以翻工具手冊,或上網查各種工具的用法。首先在鋁板上用油性筆畫出輪廓線包括折線,以及孔的位置。(這一步必須非常精確!)先用剪板機或鐵皮剪剪下需要部分,接着用折板機或台鉗折板,然後用台鑽或手鑽打好孔。最後,對於不滿意的地方——銼!(銼刀才是王道!)理論上來説,木有什麼形狀我們銼不出來!!!!!!!!有的比較複雜或者精度要求比較高的結構比如下圖所示我們機器人的手部結構——需要很精細的加工,並且要承受較大的力,這時則可以考慮用solidworks畫好做好工程圖後,拿去機械廠加工。比如以下幾個結構:這是我自己設計並送往機械廠加工的的拇指工程圖。(畫紅圈的位置在實際運動過程中發現有點緊,需要稍微磨掉點。) 

鈎子的工程圖。 

4   組裝組裝要及時,這樣才能及時發現問題及時修改!給零件標上號。將各個模塊裝配好,測試各個模塊的強度,以及靈活程度。依照從下而上的順序,依次連接好各個部分。將其他物件如電路板,電池固定到機器人身體上。對舵機進行佈線(可以用膠布將同方向的線束起或者粘在外側),給機器人的運動留下足夠的空間,避免任何可能纏繞或碰撞。

Ok,一個嶄新的機器人 誕生了!!!!鐺鐺鐺鐺(音樂響起~~) 鼓掌!撒花!

做了這麼多,負責機械的同學可以稍微休息下了,因為我們終於把“大強”的骨架搭起來了!但它現在什麼都不能做,只是一個不怎麼好看的裝飾品,要想讓他動起來,請看下集——《讓機器人“飛”——人形機器人完全DIY教程血肉篇(電路)》

 

注:我們在實際機械製作過程中遇到了各種問題(沒考慮到螺絲粗細),以至於後來手部結構重新設計,由於需要做彎折,而彎折很難做精確,所以沒有再用solidworks畫。想要一點問題都不出還真不是那麼簡單。 所謂無圖無真相,大家還是看圖吧!

早期的大強

 

歷練之後的大強

 

5   附錄故事

在茂密的叢林深處,住着一隻年輕力壯的大強,衣食無憂。唯一的缺憾就是缺少一位可以與他分享香蕉的伴侶。有一天,他散步來到了懸崖邊,不經意間發現對面崖邊有一隻美麗可愛的公主。窈窕淑女,大強好俅。於是展開了猛烈的愛情攻勢……

開場時(音樂:超級瑪麗)大強在山頂草叢中散步(音樂:班得瑞,迷霧森林),突然發現了懸崖對岸的猩猩公主(音樂:死了都要愛),不惜翻越天塹(音樂:《變形金剛》),捨身求愛(音樂:《獅子王》)。