Arduino和微型伺服系统制作的机器人

描述

介绍

我想做一个四足行走的机器人，更像是“哺乳动物”的风格，而不是普通的“蜘蛛”或“昆虫”。灵感来自著名的波士顿动力机器人和其他四足研究机器人。制作这样的机器人非常具有挑战性，因为它很容易因为重心高和脚在身体下方而翻倒，而不是伸展到角落。

目的是使用 Arduino 和低成本的微型伺服系统制造一个廉价的机器人。这个解决方案当然有它的局限性。不能指望它是完美的，但我现在已经设法制造了一些机器人，它们可以执行这部电影中描述的步行行为。用很少的预算做最好的事情本身就是一个挑战，也许是那些从事资金雄厚的研究项目的人永远不必面对的事情。:)

很早就发现，需要对反向运动学 (IK) 进行研究以使其正确。该代码具有一组方程式，可根据所需的脚部运动计算关节角度。这些可以进一步用于一些重复性任务的功能，例如进行身体运动（将四只脚向相反方向移动）和进行完整的脚部运动（向上抬起以指定方向移动并再次放下）。

下一个挑战是进行步态研究，即根据身体和足部运动定义机器人应该如何行走和转动。我的机器人一直使用静态稳定的步态。当时一只脚被抬起并放在一个新的位置。身体靠在其他三只脚上，为了不翻倒重心，必须保持在这些脚形成的三脚架内。我开发了四种标准步态——向前、向后、向左和向右。这反过来又利用足部和身体运动功能组合成一个完整的序列。

我还设计了一个同步伺服运动的功能。在某些情况下，几个伺服器在设定的时间内做出不同的冲程。这必须同步以实现平稳的运动。

最后但同样重要的是，我使用了完全不受保护的锂聚合物电池。这可能是有风险的，主要的危险是放电过快或过深。只要没有意外短路，就可以避免第一个危险。普通 R/C 电池的放电率为 25 C，在这种情况下允许 12 A。UBEC 将防止其在任何情况下高于 2 A。软件中的监视功能可以防止第二种危险。在其中一个模拟引脚上测量电压，如果低于 7.0 V，机器人将停止工作。

最后，我必须强调，电池应该使用专用充电器充电，并应小心处理，切勿让充电无人看管。电池应从机器人上拆下（使用魔术贴安装）并在防火袋中充电，或至少与易燃材料保持安全距离，以免火势蔓延。还要安全地存放电池。

如果您不熟悉 LiPo 电池，请咨询当地的 R/C 爱好商店并购买电池以及合适的充电器，可能还有用于充电和存放的防火袋/容器。这些物品通常充满警告标志。重做它们并使用您自己的良好判断力。:)

构建机器人

根据提供的文件打印零件。花点时间看一下图片，并在开始之前弄清楚如何组装零件。我是斯堪的纳维亚人，但这条指令与宜家或乐高指令的水平相差甚远 :)

首先应组装髋关节。我使用质量好的双面胶带连接零件。它们也可以用胶水粘合，但如果需要修复无法拆卸的损坏部件，一个损坏的伺服系统会导致更换整个接头。

将伺服支架放在一个伺服的底部，与驱动轴对齐。然后加入另一个轴垂直的伺服。下图显示了前后左右的髋关节。对于另外两个角，应制作镜像接头。

在继续之前，最好确保所有 12 个舵机都居中。最好的方法是组装 PCB（或面包板，见下文），连接所有伺服系统并加载代码。当 Arduino 启动时，所有舵机将居中（命令信号 90 度）。机器人组装完成后，将需要稍后微调中心位置。

下一步是连接称为大腿的部分，即腿组件的“上肢”。该部件具有与通常与伺服一起交付的伺服喇叭装配在一起的凹槽。将喇叭粘在凹槽中。确保使用胶水来连接 3D 打印材料和喇叭制成的尼龙塑料。我用的胶枪效果很好，但我在使用 CA 胶水方面取得了一些成功（有些品牌有效，其他品牌无效）。

大腿以 60 度角与髋关节相连。当舵机居中时，尝试找到一个尽可能接近该角度的位置。用提供的螺丝（通常是随伺服提供的三个中较短的一个）将喇叭固定到伺服花键上。下面是两张组装好的大腿和臀部的照片，为了清楚起见，伺服喇叭没有包括在内（或者从我这边的懒惰出发从未建模）。

腿的下部也应组装。在这种情况下，伺服系统使用螺钉连接到腿部。随伺服提供螺钉（通常是两个较长的“木”螺钉）。

现在可以将腿组装到身体上。我称之为“保险杠”的两个部分位于机器人的前部和后部（就像汽车上的保险杠）。它们有伺服喇叭的凹槽，就像大腿部分一样。将角粘到它们身上。然后将大腿的伺服支撑滑入身体的相应孔中。当这在两侧都完成时，该组件可以由保险杠固定。让腿以大约 12 度的角度向外突出（腿的脚趾向外 20 毫米）。保险杠通过使用剩余的（较长的）伺服螺钉固定在车身上。

最后可以连接机器人的小腿。它们应该与大腿相反的方向倾斜，使脚尖正好位于每个腿组件的髋关节下方。

这样机器人就组装好了。它应该如下图所示。请注意，与顶部图像和电影剪辑相比，机器人的设计略有变化。车身经过重新设计，以简化并打造更坚固的设计。髋关节的伺服支撑和喇叭交换了位置。所以根据3D图像组装，避免被照片和电影剪辑混淆。

当然，每个关节的角度不可能完全符合要求的角度，SG-90 舵机上的花键数量为 21，导致两个位置之间的角度为 17 度。您最多可以在 10-20 度范围内组装机器人，剩余的误差必须通过更改代码中的中性位置来调整，请参阅本说明的进一步内容。再次连接所有伺服系统并启动 Arduino 并检查中性位置并在需要时进行一些机械调整（移动一个或两个样条线）可能是个好主意。与伺服系统一起工作时，往往会意外转动伺服系统。

连接电子设备

有两种选择，将所有东西都放在一个面包板上，或者使用提供的 Fritzing 文件生产 PCB。如果在将所有电源线和地线连接到伺服系统时不小心，您可能会遇到面包板中的电压问题。在极端情况下，一台伺服器可能会消耗 600 mA 的电流，而不良的连接会导致行为不稳定。PCB 的电源线有非常宽的铜迹线，因此如果您正确焊接，它将正常工作。

我的设计中没有电源开关。只需连接电池即可开启和关闭机器人。如果你想添加一个，它应该在电池连接器之后，切断 Arduino 和 UBEC 的 7.4 V 电源。

面包板版本

可以将 Pro Mini、伺服连接器和大多数其他电子设备放在一个半尺寸的面包板上。我在下图中绘制了示意图。确保使用短跳线，尤其是用于伺服系统的 5 V 电源和接地连接。伺服连接器只是超长的公头，被切成三块并压入面包板。

图片中没有显示的是电池和UBEC。可能有一些焊接来解决这个问题，以便将连接器配件连接到电池上。从连接器两根跳线应连接到面包板的下部“电源轨”，以便为 Pro Mini 供电（连接到 RAW 和 GND）。还将两个电阻从 7.4 V 电源连接到 A0 引脚。2.2k 来自正极，1k 来自地面。这会将电压（满电池时超过 8 V）分压为低于 5 V 的值，该值可由模拟引脚测量。

UBEC 的输出端有一个伺服连接器。在上面的“电源导轨”上加一个两个公头是相当方便的。把它放在中间的某个地方，如图所示，以确保伺服系统的功率分配尽可能平衡。

IR 接收器应连接到 A1 并具有 5V 电源。接收器上的针脚足够长，可以直接插入面包板上的孔中。

下面有一个示意图和一张关于成品面包板外观的图片。请注意，图片显示了具有不同引脚和连接的旧版本机器人。它仍然提供了如何连接跳线和伺服连接器的想法。

面包板通过其自粘背面连接到车身上。定位它，使伺服系统连接到引脚 D3、D4 和 D5（示意图中的右上角）的角位于机器人的前/左角，并确保电路板位于身体的中心（正确的中心重力至关重要）。

PCB版

我在下面添加了一个 Fritzing 文件。这可用于生产 PCB，可以通过从 Fritzing 提供的服务订购，也可以通过导出用于 PCB 制造的文件。我做了一系列图片来展示下面的组件。PCB 是为这个机器人定制的，带有连接到所有伺服、IR 和电压测量的连接器。但也有从其余引脚断开的连接器。如果您将来想扩展机器人，这些可用于连接其他设备。

身体上有一些小的“垫子”，可以贴合 PCB 的角落。同样在这里，带有 D3 到 D5 连接器的角落应该在前面/左侧。PCB上有安装孔，但我只在机身上使用了一块双面胶带来固定它。它会留在原地。

电池

电池用魔术贴固定在底部。身体上有专门用于此的平面。7.4V/500mAh LiPo 电池的外形尺寸通常约为 55x30x10 mm（上下几毫米），非常适合这个地方。

最后，机器人可以通过将伺服线捆成漂亮的束来“修饰”，这样它在行走时就不会被它们绊倒。它还使机器人看起来实际上是一个四足行走的生物，而不是一堆伺服线。:)

敲定

在使用机器人之前，应微调中心位置。这是通过在代码中编辑数组 serverdeg0 来完成的：

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

这些值的顺序是 alfa、beta gamma 和前/左、后/左、前/右、后/右。所以右前方的 beta 是数组中的第八个位置或者是serveddeg0[7]（数组的编号从 0 开始）。

还有一个称为servodir 的数组定义了舵机的旋转方向。

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

我使用的舵机逆时针方向从 0 度移动到 180 度。我在某处读到有伺服系统朝另一个方向前进。在这种情况下，数组servodir 必须始终更改其符号。

启动 Arduino 并检查所有伺服系统的角度。采取措施，看看一切看起来都是直的和对称的。距离和角度应根据下图。

每次测量很难在精确的毫米范围内，在厘米范围内是合理的。查看需要哪些更改并将它们添加/减去数组servodeg0中的值。在一切正确之前，这肯定需要几次迭代。你将以一个看起来像这样的servodeg0数组结束（我的一个机器人的一段实际代码）。最重要的是，你最终应该拥有一个四足支撑并笔直站立的机器人。

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

现在一切都结束了。享受！

可能只是路上的一些提示。

一段时间后，伺服系统可能需要重新校准。中心位置会随着时间而漂移。只需不时检查所有内容是否对齐。

如果您已将所有内容都正确，但仍有一个机器人会翻倒，请检查重心。可以移动电池来平衡这一点，使用魔术贴是一件好事。

再一次。小心对待你的锂聚合物电池。

进一步改进

通过在这里提交我的机器人，我还邀请人们改进设计，或者添加更多功能，或者做一个稍微不同的布局（更大、更小、更酷）。该代码应该可以在布局或大小略有不同的机器人上重复使用。下面的草图显示了代码中的不同常量。如果制造了具有不同措施的机器人，所有 IK 和运动功能应该仍然有效。它还显示坐标已定义，x 指向正向。

当然，如果人们为机器人添加功能会很有趣。遥控器上有几个按钮可以被赋予功能（如果按下按钮，为什么不跳舞或做一些其他的动作）。

我个人尝试模拟输入。我还使用了“走路时转身”的步态，以便能够在一定程度上引导机器人，或者在陀螺仪或指南针的帮助下纠正路线偏差。我还添加了一个超声波传感器和自主行为（避开障碍物）。我目前的项目是将模拟控制与自主相结合，并通过智能手机控制一切。这迫使我学习了很多新东西（Blynk、ESP6822、设备之间的串行通信等），希望我能推出一个改进版的机器人（或者也许有更好技能的人在这方面打败了我）:)