Arduino和微型伺服系統(tǒng)制作的機(jī)器人

描述

介紹

我想做一個(gè)四足行走的機(jī)器人，更像是“哺乳動(dòng)物”的風(fēng)格，而不是普通的“蜘蛛”或“昆蟲”。靈感來(lái)自著名的波士頓動(dòng)力機(jī)器人和其他四足研究機(jī)器人。制作這樣的機(jī)器人非常具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)樗苋菀滓驗(yàn)橹匦母吆湍_在身體下方而翻倒，而不是伸展到角落。

目的是使用 Arduino 和低成本的微型伺服系統(tǒng)制造一個(gè)廉價(jià)的機(jī)器人。這個(gè)解決方案當(dāng)然有它的局限性。不能指望它是完美的，但我現(xiàn)在已經(jīng)設(shè)法制造了一些機(jī)器人，它們可以執(zhí)行這部電影中描述的步行行為。用很少的預(yù)算做最好的事情本身就是一個(gè)挑戰(zhàn)，也許是那些從事資金雄厚的研究項(xiàng)目的人永遠(yuǎn)不必面對(duì)的事情。:)

很早就發(fā)現(xiàn)，需要對(duì)反向運(yùn)動(dòng)學(xué) (IK) 進(jìn)行研究以使其正確。該代碼具有一組方程式，可根據(jù)所需的腳部運(yùn)動(dòng)計(jì)算關(guān)節(jié)角度。這些可以進(jìn)一步用于一些重復(fù)性任務(wù)的功能，例如進(jìn)行身體運(yùn)動(dòng)（將四只腳向相反方向移動(dòng)）和進(jìn)行完整的腳部運(yùn)動(dòng)（向上抬起以指定方向移動(dòng)并再次放下）。

下一個(gè)挑戰(zhàn)是進(jìn)行步態(tài)研究，即根據(jù)身體和足部運(yùn)動(dòng)定義機(jī)器人應(yīng)該如何行走和轉(zhuǎn)動(dòng)。我的機(jī)器人一直使用靜態(tài)穩(wěn)定的步態(tài)。當(dāng)時(shí)一只腳被抬起并放在一個(gè)新的位置。身體靠在其他三只腳上，為了不翻倒重心，必須保持在這些腳形成的三腳架內(nèi)。我開(kāi)發(fā)了四種標(biāo)準(zhǔn)步態(tài)——向前、向后、向左和向右。這反過(guò)來(lái)又利用足部和身體運(yùn)動(dòng)功能組合成一個(gè)完整的序列。

我還設(shè)計(jì)了一個(gè)同步伺服運(yùn)動(dòng)的功能。在某些情況下，幾個(gè)伺服器在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)做出不同的沖程。這必須同步以實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)的運(yùn)動(dòng)。

最后但同樣重要的是，我使用了完全不受保護(hù)的鋰聚合物電池。這可能是有風(fēng)險(xiǎn)的，主要的危險(xiǎn)是放電過(guò)快或過(guò)深。只要沒(méi)有意外短路，就可以避免第一個(gè)危險(xiǎn)。普通 R/C 電池的放電率為 25 C，在這種情況下允許 12 A。UBEC 將防止其在任何情況下高于 2 A。軟件中的監(jiān)視功能可以防止第二種危險(xiǎn)。在其中一個(gè)模擬引腳上測(cè)量電壓，如果低于 7.0 V，機(jī)器人將停止工作。

最后，我必須強(qiáng)調(diào)，電池應(yīng)該使用專用充電器充電，并應(yīng)小心處理，切勿讓充電無(wú)人看管。電池應(yīng)從機(jī)器人上拆下（使用魔術(shù)貼安裝）并在防火袋中充電，或至少與易燃材料保持安全距離，以免火勢(shì)蔓延。還要安全地存放電池。

如果您不熟悉 LiPo 電池，請(qǐng)咨詢當(dāng)?shù)氐?R/C 愛(ài)好商店并購(gòu)買電池以及合適的充電器，可能還有用于充電和存放的防火袋/容器。這些物品通常充滿警告標(biāo)志。重做它們并使用您自己的良好判斷力。:)

構(gòu)建機(jī)器人

根據(jù)提供的文件打印零件。花點(diǎn)時(shí)間看一下圖片，并在開(kāi)始之前弄清楚如何組裝零件。我是斯堪的納維亞人，但這條指令與宜家或樂(lè)高指令的水平相差甚遠(yuǎn) :)

首先應(yīng)組裝髖關(guān)節(jié)。我使用質(zhì)量好的雙面膠帶連接零件。它們也可以用膠水粘合，但如果需要修復(fù)無(wú)法拆卸的損壞部件，一個(gè)損壞的伺服系統(tǒng)會(huì)導(dǎo)致更換整個(gè)接頭。

將伺服支架放在一個(gè)伺服的底部，與驅(qū)動(dòng)軸對(duì)齊。然后加入另一個(gè)軸垂直的伺服。下圖顯示了前后左右的髖關(guān)節(jié)。對(duì)于另外兩個(gè)角，應(yīng)制作鏡像接頭。

在繼續(xù)之前，最好確保所有 12 個(gè)舵機(jī)都居中。最好的方法是組裝 PCB（或面包板，見(jiàn)下文），連接所有伺服系統(tǒng)并加載代碼。當(dāng) Arduino 啟動(dòng)時(shí)，所有舵機(jī)將居中（命令信號(hào) 90 度）。機(jī)器人組裝完成后，將需要稍后微調(diào)中心位置。

下一步是連接稱為大腿的部分，即腿組件的“上肢”。該部件具有與通常與伺服一起交付的伺服喇叭裝配在一起的凹槽。將喇叭粘在凹槽中。確保使用膠水來(lái)連接 3D 打印材料和喇叭制成的尼龍塑料。我用的膠槍效果很好，但我在使用 CA 膠水方面取得了一些成功（有些品牌有效，其他品牌無(wú)效）。

大腿以 60 度角與髖關(guān)節(jié)相連。當(dāng)舵機(jī)居中時(shí)，嘗試找到一個(gè)盡可能接近該角度的位置。用提供的螺絲（通常是隨伺服提供的三個(gè)中較短的一個(gè)）將喇叭固定到伺服花鍵上。下面是兩張組裝好的大腿和臀部的照片，為了清楚起見(jiàn)，伺服喇叭沒(méi)有包括在內(nèi)（或者從我這邊的懶惰出發(fā)從未建模）。

腿的下部也應(yīng)組裝。在這種情況下，伺服系統(tǒng)使用螺釘連接到腿部。隨伺服提供螺釘（通常是兩個(gè)較長(zhǎng)的“木”螺釘）。

現(xiàn)在可以將腿組裝到身體上。我稱之為“保險(xiǎn)杠”的兩個(gè)部分位于機(jī)器人的前部和后部（就像汽車上的保險(xiǎn)杠）。它們有伺服喇叭的凹槽，就像大腿部分一樣。將角粘到它們身上。然后將大腿的伺服支撐滑入身體的相應(yīng)孔中。當(dāng)這在兩側(cè)都完成時(shí)，該組件可以由保險(xiǎn)杠固定。讓腿以大約 12 度的角度向外突出（腿的腳趾向外 20 毫米）。保險(xiǎn)杠通過(guò)使用剩余的（較長(zhǎng)的）伺服螺釘固定在車身上。

最后可以連接機(jī)器人的小腿。它們應(yīng)該與大腿相反的方向傾斜，使腳尖正好位于每個(gè)腿組件的髖關(guān)節(jié)下方。

這樣機(jī)器人就組裝好了。它應(yīng)該如下圖所示。請(qǐng)注意，與頂部圖像和電影剪輯相比，機(jī)器人的設(shè)計(jì)略有變化。車身經(jīng)過(guò)重新設(shè)計(jì)，以簡(jiǎn)化并打造更堅(jiān)固的設(shè)計(jì)。髖關(guān)節(jié)的伺服支撐和喇叭交換了位置。所以根據(jù)3D圖像組裝，避免被照片和電影剪輯混淆。

當(dāng)然，每個(gè)關(guān)節(jié)的角度不可能完全符合要求的角度，SG-90 舵機(jī)上的花鍵數(shù)量為 21，導(dǎo)致兩個(gè)位置之間的角度為 17 度。您最多可以在 10-20 度范圍內(nèi)組裝機(jī)器人，剩余的誤差必須通過(guò)更改代碼中的中性位置來(lái)調(diào)整，請(qǐng)參閱本說(shuō)明的進(jìn)一步內(nèi)容。再次連接所有伺服系統(tǒng)并啟動(dòng) Arduino 并檢查中性位置并在需要時(shí)進(jìn)行一些機(jī)械調(diào)整（移動(dòng)一個(gè)或兩個(gè)樣條線）可能是個(gè)好主意。與伺服系統(tǒng)一起工作時(shí)，往往會(huì)意外轉(zhuǎn)動(dòng)伺服系統(tǒng)。

連接電子設(shè)備

有兩種選擇，將所有東西都放在一個(gè)面包板上，或者使用提供的 Fritzing 文件生產(chǎn) PCB。如果在將所有電源線和地線連接到伺服系統(tǒng)時(shí)不小心，您可能會(huì)遇到面包板中的電壓?jiǎn)栴}。在極端情況下，一臺(tái)伺服器可能會(huì)消耗 600 mA 的電流，而不良的連接會(huì)導(dǎo)致行為不穩(wěn)定。PCB 的電源線有非常寬的銅跡線，因此如果您正確焊接，它將正常工作。

我的設(shè)計(jì)中沒(méi)有電源開(kāi)關(guān)。只需連接電池即可開(kāi)啟和關(guān)閉機(jī)器人。如果你想添加一個(gè)，它應(yīng)該在電池連接器之后，切斷 Arduino 和 UBEC 的 7.4 V 電源。

面包板版本

可以將 Pro Mini、伺服連接器和大多數(shù)其他電子設(shè)備放在一個(gè)半尺寸的面包板上。我在下圖中繪制了示意圖。確保使用短跳線，尤其是用于伺服系統(tǒng)的 5 V 電源和接地連接。伺服連接器只是超長(zhǎng)的公頭，被切成三塊并壓入面包板。

圖片中沒(méi)有顯示的是電池和UBEC。可能有一些焊接來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，以便將連接器配件連接到電池上。從連接器兩根跳線應(yīng)連接到面包板的下部“電源軌”，以便為 Pro Mini 供電（連接到 RAW 和 GND）。還將兩個(gè)電阻從 7.4 V 電源連接到 A0 引腳。2.2k 來(lái)自正極，1k 來(lái)自地面。這會(huì)將電壓（滿電池時(shí)超過(guò) 8 V）分壓為低于 5 V 的值，該值可由模擬引腳測(cè)量。

UBEC 的輸出端有一個(gè)伺服連接器。在上面的“電源導(dǎo)軌”上加一個(gè)兩個(gè)公頭是相當(dāng)方便的。把它放在中間的某個(gè)地方，如圖所示，以確保伺服系統(tǒng)的功率分配盡可能平衡。

IR 接收器應(yīng)連接到 A1 并具有 5V 電源。接收器上的針腳足夠長(zhǎng)，可以直接插入面包板上的孔中。

下面有一個(gè)示意圖和一張關(guān)于成品面包板外觀的圖片。請(qǐng)注意，圖片顯示了具有不同引腳和連接的舊版本機(jī)器人。它仍然提供了如何連接跳線和伺服連接器的想法。

面包板通過(guò)其自粘背面連接到車身上。定位它，使伺服系統(tǒng)連接到引腳 D3、D4 和 D5（示意圖中的右上角）的角位于機(jī)器人的前/左角，并確保電路板位于身體的中心（正確的中心重力至關(guān)重要）。

PCB版

我在下面添加了一個(gè) Fritzing 文件。這可用于生產(chǎn) PCB，可以通過(guò)從 Fritzing 提供的服務(wù)訂購(gòu)，也可以通過(guò)導(dǎo)出用于 PCB 制造的文件。我做了一系列圖片來(lái)展示下面的組件。PCB 是為這個(gè)機(jī)器人定制的，帶有連接到所有伺服、IR 和電壓測(cè)量的連接器。但也有從其余引腳斷開(kāi)的連接器。如果您將來(lái)想擴(kuò)展機(jī)器人，這些可用于連接其他設(shè)備。

身體上有一些小的“墊子”，可以貼合 PCB 的角落。同樣在這里，帶有 D3 到 D5 連接器的角落應(yīng)該在前面/左側(cè)。PCB上有安裝孔，但我只在機(jī)身上使用了一塊雙面膠帶來(lái)固定它。它會(huì)留在原地。

電池

電池用魔術(shù)貼固定在底部。身體上有專門用于此的平面。7.4V/500mAh LiPo 電池的外形尺寸通常約為 55x30x10 mm（上下幾毫米），非常適合這個(gè)地方。

最后，機(jī)器人可以通過(guò)將伺服線捆成漂亮的束來(lái)“修飾”，這樣它在行走時(shí)就不會(huì)被它們絆倒。它還使機(jī)器人看起來(lái)實(shí)際上是一個(gè)四足行走的生物，而不是一堆伺服線。:)

敲定

在使用機(jī)器人之前，應(yīng)微調(diào)中心位置。這是通過(guò)在代碼中編輯數(shù)組 serverdeg0 來(lái)完成的：

const float servodeg0[12] = {90, 90, 90, 90, 90, 90, 90, 90, 90, 90, 90, 90}; 

這些值的順序是 alfa、beta gamma 和前/左、后/左、前/右、后/右。所以右前方的 beta 是數(shù)組中的第八個(gè)位置或者是serveddeg0[7]（數(shù)組的編號(hào)從 0 開(kāi)始）。

還有一個(gè)稱為servodir 的數(shù)組定義了舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。

const int servodir[12] = {  +1, +1, -1, -1, -1, +1, -1, -1, -1, +1, +1, +1}; // Turning direction (positive is servo counter-clockwise) 

我使用的舵機(jī)逆時(shí)針?lè)较驈?0 度移動(dòng)到 180 度。我在某處讀到有伺服系統(tǒng)朝另一個(gè)方向前進(jìn)。在這種情況下，數(shù)組servodir 必須始終更改其符號(hào)。

啟動(dòng) Arduino 并檢查所有伺服系統(tǒng)的角度。采取措施，看看一切看起來(lái)都是直的和對(duì)稱的。距離和角度應(yīng)根據(jù)下圖。

每次測(cè)量很難在精確的毫米范圍內(nèi)，在厘米范圍內(nèi)是合理的。查看需要哪些更改并將它們添加/減去數(shù)組servodeg0中的值。在一切正確之前，這肯定需要幾次迭代。你將以一個(gè)看起來(lái)像這樣的servodeg0數(shù)組結(jié)束（我的一個(gè)機(jī)器人的一段實(shí)際代碼）。最重要的是，你最終應(yīng)該擁有一個(gè)四足支撐并筆直站立的機(jī)器人。

 const float servodeg0[12] = {80, 95, 100, 100, 110, 90, 100, 115, 100, 80, 80, 100};

現(xiàn)在一切都結(jié)束了。享受！

可能只是路上的一些提示。

一段時(shí)間后，伺服系統(tǒng)可能需要重新校準(zhǔn)。中心位置會(huì)隨著時(shí)間而漂移。只需不時(shí)檢查所有內(nèi)容是否對(duì)齊。

如果您已將所有內(nèi)容都正確，但仍有一個(gè)機(jī)器人會(huì)翻倒，請(qǐng)檢查重心。可以移動(dòng)電池來(lái)平衡這一點(diǎn)，使用魔術(shù)貼是一件好事。

再一次。小心對(duì)待你的鋰聚合物電池。

進(jìn)一步改進(jìn)

通過(guò)在這里提交我的機(jī)器人，我還邀請(qǐng)人們改進(jìn)設(shè)計(jì)，或者添加更多功能，或者做一個(gè)稍微不同的布局（更大、更小、更酷）。該代碼應(yīng)該可以在布局或大小略有不同的機(jī)器人上重復(fù)使用。下面的草圖顯示了代碼中的不同常量。如果制造了具有不同措施的機(jī)器人，所有 IK 和運(yùn)動(dòng)功能應(yīng)該仍然有效。它還顯示坐標(biāo)已定義，x 指向正向。

當(dāng)然，如果人們?yōu)闄C(jī)器人添加功能會(huì)很有趣。遙控器上有幾個(gè)按鈕可以被賦予功能（如果按下按鈕，為什么不跳舞或做一些其他的動(dòng)作）。

我個(gè)人嘗試模擬輸入。我還使用了“走路時(shí)轉(zhuǎn)身”的步態(tài)，以便能夠在一定程度上引導(dǎo)機(jī)器人，或者在陀螺儀或指南針的幫助下糾正路線偏差。我還添加了一個(gè)超聲波傳感器和自主行為（避開(kāi)障礙物）。我目前的項(xiàng)目是將模擬控制與自主相結(jié)合，并通過(guò)智能手機(jī)控制一切。這迫使我學(xué)習(xí)了很多新東西（Blynk、ESP6822、設(shè)備之間的串行通信等），希望我能推出一個(gè)改進(jìn)版的機(jī)器人（或者也許有更好技能的人在這方面打敗了我）:)