Arduino六足機(jī)器人第一部分—機(jī)制與接線

這篇文章來源于DevicePlus.com英語網(wǎng)站的翻譯稿。

六足機(jī)器人是最炫酷的機(jī)器人之一，但是通常價(jià)格昂貴。原因之一是它們由多個(gè)零部件組成，并且使用18個(gè)伺服，而這些都需要由某些微控制器來供電和驅(qū)動(dòng)。在本教程中，我將展示如何通過使用3D打印所有零部件并僅使用12個(gè)伺服來構(gòu)建您自己的Arduino六足機(jī)器人，或簡(jiǎn)稱為Ardupod。準(zhǔn)備好了嗎？那讓我們開始吧！

硬件

? Arduino UNO (或其他可兼容Arduino的開發(fā)板)

? Adafruit 16通道PWM擴(kuò)展板（或模塊；但是，此處強(qiáng)烈建議使用該擴(kuò)展板，因?yàn)樗脑兔娣e很?。?/p>

? 12個(gè)帶有金屬齒輪的微型伺服（MG90S或其他同等規(guī)格產(chǎn)品）

? 4.8V或6V電池（鎳氫、鋰離子等）

? 60個(gè)M3螺栓+120個(gè)螺母和墊圈（僅用于身體，對(duì)于其他部件的安裝您需要再另外添加）

? 6個(gè)相同的圓珠筆彈簧

? HC-SR04超聲波測(cè)距模塊（可選）

軟件

? Arduino IDE

? SolidWorks或其他3D建模軟件

? Github – 您在這里可以找到所有用于打印的 Arduino源代碼和3D模型

其他工具

? 3D 打印機(jī)

? 非常建議使用萬用表、烙鐵和電鉆等其他工具

設(shè)計(jì)

如上所述，本次所設(shè)計(jì)的六足機(jī)器人僅需要12個(gè)伺服來移動(dòng)六條腿。這意味著每條腿只配有兩個(gè)伺服，具有兩個(gè)自由度（DOF）。與通常的每條腿有三個(gè)伺服相比，這種方法有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。我們將需要更少的功率以及更少的處理時(shí)間來驅(qū)動(dòng)伺服。但是，移除一個(gè)伺服也意味著我們犧牲了一個(gè)自由度，因此在對(duì)機(jī)器人進(jìn)行穩(wěn)定爬行的編程上會(huì)更具有挑戰(zhàn)性。

為了彌補(bǔ)缺少一個(gè)伺服所帶來的缺陷，所有腿部都有一個(gè)可以將伺服的角運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為腿部線性運(yùn)動(dòng)的機(jī)械系統(tǒng)。您可以在以下動(dòng)畫演示中看到該機(jī)制的工作原理。

正如您在視頻中所看到的那樣，該機(jī)制內(nèi)含一個(gè)彈簧。彈簧的作用是對(duì)在打印過程中造成的所有誤差進(jìn)行補(bǔ)償。另外，彈簧還可以提供更強(qiáng)大的支撐力，從而有助于實(shí)現(xiàn)更自然的爬行運(yùn)動(dòng)。您可以在任何地方獲取彈簧。比如，圓珠筆里的小彈簧就可以用在這里，但是您可能需要稍微修剪一下長(zhǎng)度。請(qǐng)確保您所獲取的彈簧可以壓縮，并且足夠支撐機(jī)器人的重量。此外，在開始打印零部件之前，請(qǐng)確保彈簧適用于打印好的部件 leg_1和 leg_1_seg_1（詳情參見 Github ）。

組裝

接下來，歡迎進(jìn)入本文中最難的部分：組裝腿部。無論是在構(gòu)建上還是編程上，這都屬于相當(dāng)高階的一個(gè)項(xiàng)目。我們將假設(shè)打算制造這臺(tái)機(jī)器人的人對(duì)于使用諸如電鉆和烙鐵之類的設(shè)備具有基本的操作技能。

圖1：腿部組裝概覽

圖2：腿部組裝細(xì)節(jié)

圖3：組裝好的腿部

組裝腿部時(shí)，請(qǐng)始終記得必須在每?jī)蓚€(gè)需要上下移動(dòng)的塑料件之間放置一個(gè)墊圈。您可能需要用電鉆調(diào)整孔的大小，保證螺栓能夠自由旋轉(zhuǎn)。同時(shí)，請(qǐng)注意每個(gè)螺栓需要兩個(gè)螺母。

圖4：連接腿部關(guān)節(jié)：塑料件（黑色）和金屬件（淺灰色）

這對(duì)于保持整個(gè)支撐系統(tǒng)的正常工作十分重要。組裝腿部時(shí)，請(qǐng)確保不要將底部螺母擰得太緊，并調(diào)整至使塑料部件仍可以自由移動(dòng)。然后，頂部螺母要盡可能擰到最緊。底部螺母保證了所有部件的自由移動(dòng)，而頂部螺母保證了所有部件的緊固連接。如果您的螺母擰的過松，那么腿部會(huì)變得非常不穩(wěn)定；如果擰的過緊，將會(huì)對(duì)伺服帶來不必要的負(fù)載。對(duì)腿部的調(diào)整可能要經(jīng)過幾次嘗試才能完成。這是本教程中最重要的部分，因此請(qǐng)確保正確完成此步驟。

伺服通過一個(gè)小小的“三角臂”來固定在適當(dāng)位置，這種三角臂通常用于將伺服齒輪軸連接到您想要移動(dòng)的任何物體上。但是，在這種情況下，三角臂的位置將會(huì)被固定，以便當(dāng)伺服運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，它也會(huì)自行移動(dòng)，從而使腿部移動(dòng)。

請(qǐng)確保您使用的是金屬齒輪伺服，而不是塑料齒輪伺服！在這種應(yīng)用中如果使用塑料齒輪，不僅強(qiáng)度比金屬的低，而且其齒輪也可能會(huì)很快就損壞。

圖5：伺服附件細(xì)節(jié)。確保三角臂固定在適當(dāng)位置。

伺服支架分為三部分，使其更易于打印。假設(shè)零部件是用丙烯晴丁二烯苯乙烯（ABS）打印的，那么可以使用丙酮來稍微溶解ABS，然后將這三部分粘在一起，再使其變干?；蛘撸绻袟l件使用更高質(zhì)量的3D打印機(jī)，也可以一次性打印出整個(gè)部件。

圖6：伺服支架組裝細(xì)節(jié)

六足機(jī)器人的剩余部分就沒有那么復(fù)雜了：機(jī)身身體由兩塊板組成，我們可以在其上安裝所需的所有電子設(shè)備、電池和傳感器。您可以在打印之前設(shè)定好用于安裝電子設(shè)備的孔，也可以在打印之后再鉆孔。所有零部件和打印說明均可在 Github上獲取。

圖7：組裝好的身體：“A”為上板，“B”為底板。您還可以看到安裝在伺服上的超聲波傳感器。

成功！到這里，您已經(jīng)完成了機(jī)器人的組裝，完成了本教程中最困難的部分。如果出現(xiàn)了什么問題，請(qǐng)不要擔(dān)心，再次進(jìn)行嘗試。如有必要，請(qǐng)嘗試對(duì)打印件進(jìn)行微調(diào)，然后查看是否有效。

接線

到目前為止，這是最簡(jiǎn)單的部分了，因?yàn)槲覀儗⑹褂?Adafruit PWM擴(kuò)展板來完成大部分工作。我們把擴(kuò)展板連接到 Arduino，然后把伺服連接到擴(kuò)展板。如果您使用的模塊無法直接連接到 Arduino，只需要將SDA、SCL以及 V+連接到 Arduino相應(yīng)引腳即可（詳細(xì)信息請(qǐng)參見下圖）。

您可能已經(jīng)注意到了，這里有一個(gè)放置電容器的位置，但是卻沒有電容器。不用擔(dān)心，這是有意為之！當(dāng)許多伺服同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，電流峰值將達(dá)到幾安培。電容器將用來消除這些尖峰。您可能需要這種電容器來確保所有伺服的電源穩(wěn)定。對(duì)于這種目的，使用電解電容器是最合適的，但是對(duì)電容值的選擇更多的是憑借猜測(cè)，而不是確切的科學(xué)計(jì)算。通常來說，電容值越大越好。電容器的電壓應(yīng)略高于電池電壓，因此，如果使用6V電池為所有伺服供電，那么6.3V 4700μF應(yīng)該可以滿足需求。

圖8：接線圖

在擴(kuò)展板上，您還會(huì)注意到有一個(gè)單獨(dú)的電源端子。那是因?yàn)?Arduino本身無法提供足夠的電流來一次運(yùn)行一個(gè)以上或兩個(gè)以上的伺服，需要將電池連接到此端子以及 Arduino電源輸入端（VIN和GND引腳）。

就是這樣，基本的接線已經(jīng)完成！如果需要，您還可以添加更多模塊和傳感器，例如超聲波測(cè)距儀。

圖9：接線細(xì)節(jié)：建議將所有連接到同一條腿上的伺服的電纜困扎在一起。這樣，您將就知道哪條電纜通向哪個(gè)伺服。而且，這樣看起來也會(huì)比一團(tuán)纏結(jié)的線纜更美觀一些。

圖10：帶有 HC-SR04超聲波傳感器的接線圖

在本教程中，我將添加一個(gè)超聲波傳感器，以使機(jī)器人能夠在附近有障礙物的情況下移動(dòng)。我之所以選擇 HC-SR04，是因?yàn)樗鼈兎浅１阋耍⑶乙子谂c Arduino一起使用。而且，這種特定傳感器的形狀類似于眼睛，您可以借此來分辨出機(jī)器人在看什么！

我將傳感器安裝在一個(gè)額外的伺服上（有關(guān)安裝細(xì)節(jié)請(qǐng)參見圖7）。對(duì)該傳感器進(jìn)行接線也非常簡(jiǎn)單，只是請(qǐng)注意不要將VCC引腳直接連接到電池上！如果您使用的是6V電池，這樣連接可能會(huì)損壞傳感器。將VCC引腳連接到 Arduino 5V輸出端，并將GND連接到GND。您可以將TRIG和ECHO引腳連接到剩下的任何數(shù)字引腳上，但要記得在代碼中對(duì)它們進(jìn)行適當(dāng)設(shè)置。我將它們連接到引腳3（TRIG）和引腳2（ECHO）上，因?yàn)槲蚁朐谛枰?a target="_blank">端口的情況下保持引腳0和1斷開。

結(jié)論

現(xiàn)在，您應(yīng)該已經(jīng)完成了所有硬件的組裝。接通電源之前，強(qiáng)烈建議您對(duì)所建立的每個(gè)連接進(jìn)行測(cè)試和確認(rèn)。

希望您到目前為止沒有遇到很棘手的問題。如果您對(duì)該設(shè)計(jì)有任何改進(jìn)的建議，請(qǐng)?jiān)?Github上與我交流！請(qǐng)繼續(xù)關(guān)注本項(xiàng)目的第二部分，我們將進(jìn)入到下一階段，進(jìn)一步研究分析逆動(dòng)力學(xué)，并且對(duì)這個(gè)神奇的 Arduino六角機(jī)器人（或者Ardupod ）進(jìn)行編程。

接下來您將看到的是 ArduPod一次伸展所有腿部！

審核編輯：湯梓紅