Шагоходы из скрепок и моторчика – это не просто самодельные игрушки, но и целый арсенал технологических приемов и инженерного мышления.

Изготовление такого робота своими руками не только интересно, но развивает мелкую моторику пальцев, а для ребенка станет целым откровением – ведь фактически из ничего создается настоящий шагающий робот!

Чтобы собрать простого рабочего робота из обычных скрепок своими руками понадобится несколько незамысловатых и легкодоступных материалов. Во-первых это сами металлические скрепы, а также небольшой набор инструментов. Из инструментов понадобятся паяльник, припой, плоскогубцы, кусачки, круглогубцы, а также небольшой электрический двигатель с редуктором и батарейка к нему.

Для начала из длинной и толстой скрепки нужно сделать опорную раму, то есть согнуть ее в прямоугольник и надежно спаять ее концы припоем. На эту раму в процессе сборки будут устанавливаться детали и элементы робота.

Далее нужно изготовить петли, на которые будут крепиться ножки робота. Их нужно будет припаять к прямоугольной раме с помощью паяльника. Затем из скрепок изготавливаются маленькие ножки шагающего робота. При этом сначала желательно собрать сложные передние лапки, а потом все остальные.

После сборки конечностей робота нужно приступить к изготовлению коленчатого вала. Скрепа для него должна быть крепкой и абсолютно ровной.

Коленвал следует осторожно изготовить с помощью плоскогубцев и круглогубцев. Когда вал будет закончен, его следует аккуратно надеть на шестеренку двигателя. После этого изготавливаются специальные шатуны, которые соединят ножки робота с коленчатым валом. Затем шестеренка припаивается к коленвалу.

Затем на раму робота устанавливается батарейка и выключатель. Если все сделано верно робот начнет шагать.

Вот видеоинструкция по изготовлению самодельного шагающего робота из скрепок своими руками, смотрите ее, если вам что то не понятно из статьи.

Микроконтроллеры позволяют при небольшом количестве дополнительных деталей, управлять довольно сложными механизмами - конвейерами, автоматикой и другими модулями. Но в данном случае речь идёт о простой игрушке шагающий робот, где весь блок контроля поместился на небольшой плате. Данный гексапод изначально задумывался как максимально простой и , не требующий дополнительных модулей и блоков. Весь мозг собран на одном микроконтроллере PIC16F887, питание от трех цилиндрических литий-ионных аккумуляторов от ноутбука, сервомоторы TowerPro SG90. Напряжение на серво поступает 4,8 В (так как они питаются напряжением 4,8-6). В брюхе робота находятся не только аккумуляторы но и регулируемый стабилизатор напряжения на LD1084, который и подает 4,8 В, сама микросхема установлена на небольшой радиатор, хоть он греется и не сильно, но для подстраховки его обдувает кулер, так как внутри маленькое внутреннее пространство.. Управляется робот с самодельного пульта по bluetooth радиоканалу, также можно управлять с компьютера или смартфона. Пульт сделан на PIC16F873A, blutooth модуль готовый, модели HC-05. Аккумулятор для пульта взял от мобильного телефона, на 4,2 В. Время потраченное на создание этого шагающего робота около 1,5 месяца, от задумки до результата.

Фото готового робота

Шагающие роботы представляют собой класс роботов, имитирующих передвижение животных или насекомых. Как правило, для передвижения роботы используют механические ноги. Передвижение с помощью ног насчитывает миллионы лет истории. По контрасту, история передвижения с помощью колеса началась от 10 до 7 тысяч лет назад. Колесное передвижение достаточно эффективно, но требует наличия относительно ровных дорог. Достаточно взглянуть на аэрофотосъемку города или его пригородов, чтобы заметить сеть переплетающихся дорог.

Шагающие роботы могут передвигаться по пересеченной местности, недоступной для обычных колесных средств. С подобной целью обычно и создают шагающих роботов.

Совершенные шагающие роботы имитируют движения насекомых, ракообразных, и иногда – человека. Конструкции двуногих роботов редки, поскольку требуют для осуществления сложных инженерных решений. Я планирую рассмотреть проект двуногого робота в моей следующей книге с условным названием Pic-Robotics. В этой главе мы будем строить шестиногого шагающего робота.

Используя модель с шестью ногами мы сможем продемонстрировать знаменитую походку «треножником», т е. с опорой на три ноги, которую используют большинство существ. На следующих рисунках темный кружок означает, что нога устойчиво поставлена на землю и поддерживает вес существа. Светлый кружок означает, что нога поднята и находится в движении.

На рис. 11.1 показано наше существо в позиции «стояния». Все ноги опираются о землю. Из положения «стояния» наше существо решает идти вперед. Для того чтобы сделать шаг, оно поднимает три из своих ног (см. светлые кружки на рис. 11.2), опираясь своим весом на три оставшиеся ноги (темные кружки). Заметьте, что ноги, поддерживающие вес (темные кружки), расположены в форме треножника (треугольника). Такая позиция является устойчивой, и наше существо не может упасть. Три остальные ноги (светлые кружки) могут двигаться и двигаются вперед. На рис. 11.3 показан момент движения поднятых ног. В этой точке вес существа перемещается с неподвижных на движущиеся ноги (см. рис. 11.4). Заметьте, что вес существа по-прежнему поддерживается треугольным расположением опорных ног. Затем таким же образом переставляется другая тройка ног, и цикл повторяется. Такой способ передвижения называется треножной походкой, поскольку вес тела существа в каждый момент времени поддерживается треугольным положением опорных ног.

Рис. 11.1. Треножная походка. Исходное положение

Рис. 11.2. Треножная походка, первый шаг вперед

Рис. 11.3. Треножная походка, второе движение, перенос центра тяжести

Рис. 11.4. Треножная походка, третье движение

Существует много моделей небольших заводных шагающих игрушек. Такие игрушечные «пешеходы» передвигают ногами вверх-вниз и вперед-назад с помощью кулачковых механизмов. Хотя такие конструкции вполне способны «шагать», а некоторые делают это достаточно проворно, нашей целью является создание шагающего робота, не использующего кулачковые механизмы для имитации шагового передвижения.

Мы будем строить робота, имитирующего треножную походку. Роботу, описанному в этой главе, требуется три сервомотора для передвижения. Существуют другие шестиногие и четырехногие модели шагающих роботов, которые требуют больших степеней свободы в своих ногах. Соответственно, наличие большего количества степеней свободы требует большего количества управляющих механизмов для каждой из ног. Если для этой цели используются сервомоторы, то для каждой ноги потребуются два, три или даже четыре двигателя.

Необходимость в таком количестве сервомоторов (приводов) диктуется тем, что требуется как минимум две степени свободы. Одна для опускания и поднимания ноги, а другая – для движения ее вперед-назад.

Шагающий робот, которого мы собираемся сделать, является компромиссным решением по замыслу и конструкции и требует наличия всего трех сервомоторов. Однако даже в этом случае он обеспечивает передвижение с помощью треножной походки. В нашей конструкции использованы три облегченных сервомотора HS300 (крутящий момент 1,3 кгс) и микроконтроллер 16F84-04.

Перед тем как мы приступим к конструированию робота, посмотрим на готового робота, изображенного на рис. 11.5, и проанализируем, как робот осуществляет передвижение. Треножная походка, которая использована в данной конструкции, является не единственно возможной.

Рис. 11.5. Шестиногий ходок готов к прогулке

В передней части робота закреплены два сервомотора. Каждый из сервомоторов управляет движением передней и задней ног с соответствующей стороны робота. Передняя нога прикреплена непосредственно к ротору сервомотора и способна качаться вперед и назад. Задняя нога соединена с передней при помощи тяги. Тяга позволяет задней ноге повторять движения передней ноги вперед-назад. Две центральные ноги управляются третьим сервомотором. Этот сервомотор поворачивает центральные ноги вдоль продольной оси на угол от 20° до 30° по часовой стрелке и против часовой стрелки, что наклоняет робот вправо или влево.

Используя информацию о механизме привода ног, мы сейчас посмотрим, как наш робот будет передвигаться. Посмотрим на рис. 11.6. Мы начнем с положения покоя. Каждый кружок отмечает положение ноги. Как и в предыдущем случае, темные кружки показывают положение опорных ног. Обратите внимание, что в положении покоя средние ноги не являются опорными. Эти ноги на 3 мм короче передних и задних ног.

Рис. 11.6. Фазы движения шестинога

В позиции А центральные ноги поворачиваются по часовой стрелке на угол примерно 20° от центрального положения. Это приводит к наклону робота вправо. В данной позиции вес робота удерживается правой передней и задней ногами и левой центральной ногой. Это стандартная позиция «треножника», которая была описана выше. Поскольку левая передняя и левая задняя нога оказываются «в воздухе», то их можно передвинуть вперед, как показано на рис 11.6, позиция В.

В позиции С центральные ноги поворачиваются против часовой стрелки на угол примерно 20° от центральной позиции. Это приводит к наклону робота влево. В данной позиции вес робота распределяется между левой передней и задней ногами и правой средней ногой. Теперь правая передняя и задняя ноги не несут нагрузки и могут быть передвинуты вперед, как это показано на поз. D рис. 11.6.

В позиции Е центральные ноги возвращаются в среднее положение. В такой позиции робот «стоит» прямо и опирается только на передние и задние ноги. В позиции F передние и задние ноги одновременно перемещаются назад, а робот соответственно – вперед. Далее цикл движения повторяется.

Это был первый способ хождения, который я попробовал воспроизвести, и эта система работает. Вы можете разработать, совершенствовать и конструировать другие модели способов хождения, с которыми можно проводить эксперименты. Я оставлю вам разработку способов хождения назад (реверсирование) и поворотов направо и налево. Я буду продолжать совершенствовать этого робота, добавляя датчики наличия стен и препятствий, а также способов перемещения назад и поворотов.

За основу «тела» робота я взял лист алюминия размерами 200х75х0,8 мм. Сервомоторы прикреплены к передней части пластины (см. рис. 11.7). Разметка отверстий под сервомоторы должна быть скопирована с чертежа и перенесена на лист алюминия. Такое копирование обеспечит точность положения отверстий под крепления сервомоторов. Четыре отверстия диаметром 4,3 мм расположены немного позади средней линии и предназначены для крепления центрального сервомотора. Эти четыре отверстия смещены к правому краю. Это необходимо сделать для того, чтобы фланец центрального сервомотора находился точно по центру «тела». Два задних отверстия предназначены для подвижного крепления задних ног.

Рис. 11.7. Основание «тела»

Для разметки центров отверстий под сверление необходимо использовать кернер. В противном случае при сверлении отверстий сверло может «увести». Если у вас нет кернера, вы можете использовать в качестве неплохой замены острый гвоздь.

Ноги робота изготовлены из алюминиевой полосы шириной 12 мм и толщиной 3 мм (см. рис. 11.8). В передних ногах просверливается по четыре отверстия. В задних ногах сверлятся два отверстия: одно для подвижного крепления, а другое – для крепления тяги. Обратите внимание, что задние ноги на 6 мм короче передних. Это объясняется тем, что необходимо учитывать высоту фланца сервомотора, к которому крепятся передние ноги, над общим уровнем пластины. Укорочение задних ног выравнивает положение платформы.

Рис. 11.8. Конструкция передних и задних ног

После сверления необходимых отверстий необходимо согнуть алюминиевую полосу по нужной форме. Зажмите полосу в тиски со стороны высверленных отверстий на расстоянии 70 мм. Нажмите на пластину и согните ее под углом 90°. Лучше всего нажимать на пластину непосредственно около губок тисков. При этом пластина согнется под углом 90° без риска выгибания самой «нижней» части ноги.

Центральные ноги выполнены из одного куска алюминия (см. рис. 11.9). При креплении к роботу центральные ноги оказываются на 3 мм короче передних и задних ног. Таким образом, в среднем положении они не касаются земли. Эти ноги предназначены для наклона робота вправо и влево. При вращении центрального сервомотора ноги наклоняют робота на угол примерно ±20°.

Рис. 11.9. Средние ноги

При изготовлении центральных ног в алюминиевой полосе размером 3х12х235 мм сверлятся сперва три центральных отверстия под фланец сервомотора. Затем алюминиевая полоса крепится в тиски, причем губки тисков по верхнему краю должны фиксировать полосу на расстоянии 20 мм от центра полосы. Зажмите полосу с помощью плоскогубцев на расстоянии примерно 12 мм от верхнего края тисков. Сохраняя зажим плоскогубцев, аккуратно скрутите алюминиевую полосу на угол 90°. Производите операцию достаточно медленно, иначе можно легко сломать пластину. Аналогично скрутите пластину с другой стороны.

После того как скручивание на 90° произведено, дополнительно согните пластину в двух местах на 90°, как мы это делали для передних и задних ног.

Передние сервомоторы крепятся к алюминиевому основанию с помощью пластиковых винтов и гаек 3 мм. Я выбрал пластиковые винты, поскольку их можно слегка гнуть и компенсировать небольшие несоответствия положений просверленных в пластине отверстий и крепежных отверстий сервомотора.

Ноги крепятся к пластиковому фланцу сервомотора. Для этого я использовал 2 миллиметровые винты и гайки. При креплении фланца к валу сервомотора убедитесь, что каждая нога может отклоняться вперед-назад на одинаковый угол от среднего перпендикулярного положения.

Тяга между передними и задними ногами изготовлена из прутка с резьбой 3 мм (см. рис. 11.10). В исходной конструкции длина тяги составляет 132 мм от центра до центра. Тяга вставляется в отверстия на передней и задней ноге робота и может быть закреплена с помощью нескольких гаек.

Рис. 11.10. Детальный чертеж шарнира и тяги

Перед установкой тяги задние ноги робота должны быть прикреплены к основанию. Крепление задних ног изготовлено из резьбовой заклепки 9,5 мм и крепежного винта. Детальное крепление ноги показано на рис. 11.10. Необходимо подложить пластиковые шайбы под основание, которые заполнят пространство между нижней частью основания и головкой винта. Такая конструкция обеспечивает крепление ноги к основанию без ее «болтания». Чтобы уменьшить трение, можно использовать пластиковые шайбы. Не используйте слишком много шайб – это приведет к излишнему прижиму ноги к поверхности основания. Нога должна поворачиваться в соединении достаточно свободно. На рис. 11.11 и 11.12 приведены фотографии частично собранного шестиногого робота.

Рис. 11.11. Шестиног – вид снизу. Спереди два сервомотора

Рис. 11.12. Частично собранный шестиног с двумя передними сервомоторами

Для крепления центрального сервомотора потребуются две Г-образные скобы (см. рис. 11.13). Просверлите соответствующие отверстия в алюминиевых полосках и согните их под углом 90°, чтобы получились скобы. Прикрепите две Г-образные скобы к центральному сервомотору с помощью пластиковых винтов и гаек (см. рис. 11.14). Затем прикрепите узел центрального сервомотора к нижней части основания. Совместите четыре отверстия на основании с отверстиями на верхней части Г-образных скоб. Скрепите части с помощью пластиковых винтов и гаек. На рис. 11.15 и 11.16 приведены фотографии вида сверху и снизу для шестиногого робота.

Рис. 11.13. Скоба центрального сервомотора

Рис. 11.14. Центральный мотор в сборе с крепежными скобами и средними ногами

Рис. 11.15. Шестиног – вид снизу с тремя сервомоторами

Рис. 11.16. Шестиног в сборе. Конструкция готова для монтажа электронного управления

На рис. 11.17 приведена схема управления сервомоторами с помощью PIC-микроконтроллера. Питание сервомоторов и микроконтроллера осуществляется от батареи 6 В. Батарейный отсек 6 В содержит 4 элемента АА. Схема микроконтроллера собрана на небольшой макетной плате. Батарейный отсек и схема прикреплены сверху к алюминиевому основанию. На рис 11.5 показана готовая конструкция робота, готовая к «передвижению».

Рис. 11.17. Принципиальная схема управления шестиногого робота

Микроконтроллер 16F84 управляет работой трех сервомоторов. Наличие большого числа незадействованных шин ввода/вывода и места под программу предоставляет возможность совершенствования и модификации базовой модели робота.

‘Шестиногий шагающий робот

‘Соединения

‘Левый сервомотор Pin RB1

‘Правый сервомотор Pin RB2

‘Сервомотор наклона Pin RB0

‘Движение только вперед

for B0 = 1 to 60

pulsout 0, 155 ‘Наклон по часовой стрелке, подъем правой стороны

pulsout 1, 145 ‘Левые ноги на месте

pulsout 2, 145 ‘Правые ноги движутся вперед

for B0 = 1 to 60

pulsout 0, 190 ‘Наклон против часовой стрелки, подъем левой стороны

pulsout 1, 200 ‘Левые ноги движутся вперед

pulsout 2, 145 ‘Правые ноги сохраняют положение вперед

for B0 = 1 to 15

pulsout 1, 200 ‘Левые ноги сохраняют положение вперед

pulsout 2,145 ‘Правые ноги сохраняют положение вперед

for B0 = 1 to 60

pulsout 0, 172 ‘Среднее положение, отсутствие наклона

pulsout 1, 145 ‘Движение левых ног назад

pulsout 2, 200 ‘Движение правых ног назад

На команду pulsout не все сервомоторы реагируют одинаковым образом. Возможно, что для создания робота вы приобретете сервомоторы, характеристики которых будут слегка отличаться от тех, которые были использованы мной. В этом случае обратите внимание на то, что параметры команды pulsout, которая определяет положение ротора сервомотора, должны быть подстроены. В этом случае необходимо подобрать численные значения параметров pulsout, которые бы соответствовали тому типу сервомотора, который использован в вашей конструкции шестиногого робота.

Данная программа на PICBASIC позволяет роботу двигаться только в прямом направлении, однако, немного изменив программу, конструктор может заставить робота двигаться назад и совершать повороты вправо и влево. Установка нескольких сенсорных датчиков может информировать робота о наличии препятствий.

Сервомоторы

Микроконтроллеры 16F84

Алюминиевые полосы

Алюминиевый лист

Прутки и гайки с резьбой 3 мм

Пластиковые винты, гайки и шайбы

Детали можно заказать в:

Шагоходы из скрепок и моторчика – это не просто самодельные игрушки, но и целый арсенал технологических приемов и инженерного мышления.

Изготовление такого робота своими руками не только интересно, но развивает мелкую моторику пальцев, а для ребенка станет целым откровением – ведь фактически из ничего создается настоящий шагающий робот!

Чтобы собрать простого рабочего робота из обычных скрепок своими руками понадобится несколько незамысловатых и легкодоступных материалов. Во-первых это сами металлические скрепы, а также небольшой набор инструментов. Из инструментов понадобятся паяльник, припой, плоскогубцы, кусачки, круглогубцы, а также небольшой электрический двигатель с редуктором и батарейка к нему.

Для начала из длинной и толстой скрепки нужно сделать опорную раму, то есть согнуть ее в прямоугольник и надежно спаять ее концы припоем. На эту раму в процессе сборки будут устанавливаться детали и элементы робота.

Далее нужно изготовить петли, на которые будут крепиться ножки робота. Их нужно будет припаять к прямоугольной раме с помощью паяльника. Затем из скрепок изготавливаются маленькие ножки шагающего робота. При этом сначала желательно собрать сложные передние лапки, а потом все остальные.

После сборки конечностей робота нужно приступить к изготовлению коленчатого вала. Скрепа для него должна быть крепкой и абсолютно ровной.

Коленвал следует осторожно изготовить с помощью плоскогубцев и круглогубцев. Когда вал будет закончен, его следует аккуратно надеть на шестеренку двигателя. После этого изготавливаются специальные шатуны, которые соединят ножки робота с коленчатым валом. Затем шестеренка припаивается к коленвалу.

Затем на раму робота устанавливается батарейка и выключатель. Если все сделано верно робот начнет шагать.

Вот видеоинструкция по изготовлению самодельного шагающего робота из скрепок своими руками, смотрите ее, если вам что то не понятно из статьи.

Часть II. Суставы и связки.

Расскажите учащимся, что благодаря суставам наши конечности могут сгибаться, а благодаря связкам кости нашего скелета скрепляются между собой. А за счет чего в будет обеспечиваться подвижность деталей в роботе, части которого должны свободно изменять свое положение относительно друг друга?

Предложите командам найти следующие штифты в коробках своих робототехнических наборов.

Попросите учащихся в командах соединить каждым штифтом по две балки и проверить вращение балок относительно друг друга. Балки, соединенные какими штифтами, вращаются более свободно?

Сделайте заключение о том, какие штифты наиболее подходящие для подвижных соединений.
Задайте вопрос, какие еще элементы из конструктора учащиеся могут предложить использовать в местах подвижных соединений помимо штифтов?

Часть III. Прототипирование ноги робота.

Пусть каждый из членов команд в своей тетради сделает схематический рисунок для шагающего робота или его части, которая ответственна за шагание. При создании схемы пусть они ориентируются только на детали из существующего комплекта. По завершению, учащиеся должны обговорить внутри команд свои схемы:

1. Есть ли отличающиеся предложения по типу перемещения робота? По принципиальному строению педипулятора (pedis - нога, лат., понятие введено по аналогии с манипулятором)?
2. Какую траекторию, по их мнению, описывают крайние точки получившихся педипуляторов относительно робота?

Пусть учащиеся соберут схему подобную следующей:

Попросите привести шестерню в движение посредством оси и спросите, можно ли считать свободную балку, прикрепленную к шестерне прототипом ноги? Что произойдет если внизу под балкой подставить какую-то поверхность? Сможет ли робот опираться на такую ногу? Что не хватает такой конструкции?

Чтобы добавить такой конструкции "ноги" дополнительную жесткость измените механизм на:

Отметьте, что у такой конструкции балка уже не болтается свободно - она закреплена сверху, что дает ей дополнительный упор. А за счет того, что балка закреплена теперь в двух местах, ее нижний конец теперь строго описывает определенную траекторию.
Снова добавьте поверхность под нижний конец балки. Что происходит во время вращения шестерни?

Объясните, что мы будем считать эту конструкцию первым прототипом ноги. Теперь его нужно перенести на мотор.
Прежде, чем это сделать попросите учащихся обозначить критические точки в конструкции, какие должны быть потом найдены у мотора.

Если посмотреть на мотор, то у него места для крепления частей педипулятора тоже есть.


Теперь учащиеся должны будут перенести всю конструкцию, необходимую для создания педипулятора, на мотор. Работа должна проходить в парах - каждая пара делает педипулятор на одном моторе. В итоге получится вот такой результат:


Попросите учащихся подключить мотор к контроллеру и на блоке написать программу для движения одного мотора в течении нескольких секунд.


Перенос прототипа на мотор робота удался!

После наблюдения за системой, пусть учащиеся построят в тетради схему этой механической системы, а также проставят размеры. Если какие-то размеры должны быть вычислены, то учащиеся должны расписать процесс вычисления данных величин.