KITtyBot

Необходимые инструменты и машины

	3D-принтер (общий)
	Паяльник (общий) Макетная плата может обойтись без пайки

Приложения и онлайн-сервисы

IDE Arduino

Об этом проекте

Введение

Я хотел создать шагающего четвероногого робота, больше похожего на «млекопитающее», чем на обычного «паука» или «насекомого». Вдохновение исходит от хорошо известных роботов Boston Dynamics и других четвероногих исследовательских роботов. Создать такого робота довольно сложно, поскольку он довольно легко опрокидывается из-за высокого центра тяжести и ступней под телом, а не разлетается по углам.

Цель заключалась в создании дешевого робота с использованием Arduino и недорогих микросервоприводов. Конечно, у этого решения есть свои ограничения. Нельзя ожидать, что он будет идеальным, но сейчас мне удалось построить несколько роботов, которые могут выполнять ходьбу, как описано в этом фильме. А делать все возможное при очень небольшом бюджете - это задача сама по себе, и, возможно, ребятам из сильно финансируемых исследовательских проектов никогда не придется сталкиваться. :)

Было рано выявлено, что для того, чтобы сделать это правильно, необходимо исследование перевернутой кинематики (IK). В коде есть набор уравнений для расчета углов суставов на основе желаемых движений стопы. В дальнейшем их можно использовать в функциях для некоторых повторяющихся задач, таких как выполнение движения тела (перемещение четвереньками ступней в противоположном направлении) и выполнение полного движения стопы (подъем вверх, перемещение в указанном направлении и повторное опускание).>

Следующая задача - изучить походку, то есть определить, как робот должен ходить и поворачиваться с точки зрения движений тела и ног. Мой робот все время использует статически стабильную походку. Одна нога в это время поднимается и ставится в новое положение. Тело покоится на трех других опорах и, чтобы не опрокинуться через центр тяжести, должно оставаться в пределах штатива, образованного этими опорами. Я разработал четыре стандартных аллюра - вперед, назад, влево и вправо. Это, в свою очередь, использует функции движения стопы и тела для объединения в полную последовательность.

Я также разработал функцию для синхронных движений сервопривода. В некоторых случаях несколько сервоприводов совершают разные ходы в течение установленного времени. Это необходимо синхронизировать, чтобы добиться плавных движений.

И последнее, но не менее важное:я использую полностью незащищенный LiPo аккумулятор. Это может быть рискованно, основная опасность заключается в том, чтобы разрядить его слишком быстро или слишком глубоко. Первой опасности можно избежать, если она не закорочена случайно. Нормальная батарея с дистанционным управлением имеет скорость разряда 25 C, что в данном случае допускает 12 A. UBEC предотвращает ее превышение выше 2 A при любых обстоятельствах. Вторую опасность предотвращает функция наблюдения в программном обеспечении. Напряжение измеряется на одном из аналоговых выводов, и если оно падает ниже 7,0 В, робот останавливается.

И, наконец, я должен подчеркнуть, что аккумуляторы следует заряжать с помощью специального зарядного устройства и обращаться с ними с обычной осторожностью, никогда не оставляйте зарядку без присмотра. Батарею следует отсоединить от робота (используйте липучку для ее крепления) и зарядить внутри огнестойкого мешка или, по крайней мере, на безопасном расстоянии от легковоспламеняющихся материалов, чтобы можно было локализовать огонь и не распространять его. Также надежно храните батареи.

Если вы не знакомы с LiPo батареями, проконсультируйтесь в местном магазине радиоуправляемых устройств и купите батареи вместе с подходящим зарядным устройством и, возможно, огнестойким мешком / контейнером для зарядки и хранения. Эти предметы часто полны предупреждающих знаков. Восстановите их и руководствуйтесь здравым смыслом. :)

Сборка робота

Распечатайте детали в соответствии с прилагаемыми файлами. Перед началом работы найдите время, чтобы посмотреть на картинки и выяснить, как собрать детали. Я скандинав, но эта инструкция далека от уровня инструкции IKEA или LEGO :)

Сначала нужно собрать тазобедренный сустав. Для соединения деталей я использовала двусторонний скотч хорошего качества. Их также можно было приклеить, но в случае необходимости ремонта сломанной детали их невозможно разобрать, один сломанный сервопривод приводит к замене всего соединения.

Поместите опору сервопривода на нижнюю часть одного сервопривода на одной линии с осью срабатывания. Затем присоедините другой сервопривод так, чтобы его ось была перпендикулярна. На рисунке ниже показаны тазобедренные суставы правого переднего и левого тыла. Для двух других углов следует сделать зеркальные стыки.

Прежде чем продолжить, рекомендуется убедиться, что все 12 сервоприводов отцентрированы. Лучше всего собрать печатную плату (или макет, см. Ниже), подключить все сервоприводы и загрузить код. Когда Arduino запускается, все сервоприводы центрируются (командный сигнал 90 градусов). Позже, когда робот будет собран, потребуется точная настройка центральных положений.

Следующим шагом является прикрепление части, называемой бедром, «верхней конечности» ноги в сборе. В этой части есть выемки, которые подходят для рупоров сервопривода, которые обычно поставляются вместе с сервоприводом. В углубления приклеиваем рожки. Обязательно используйте клей, который подходит для соединения материала, напечатанного на 3D-принтере, и нейлонового пластика, из которого сделан рог. Пистолет для клея, который я использовал, работал нормально, хотя у меня были переменные успехи с клеем CA (одни марки работают, другие нет).

Бедро соединяется с тазобедренным суставом под углом 60 градусов. Постарайтесь найти положение, которое будет как можно ближе к этому углу, когда сервоприводы будут отцентрированы. Закрепите рог на шлице сервопривода с помощью прилагаемого винта (часто короче из трех, поставляемых с сервоприводом). Ниже представлены две фотографии бедра и бедра в сборе, серво-рог не включен для ясности (или никогда не моделировался из-за лени с моей стороны).

Нижняя часть ноги тоже должна быть собрана. В этом случае сервопривод крепится к ножной части винтами. В комплект сервопривода входят винты (часто два более длинных винта по дереву).

Теперь можно собирать ножки на туловище. Есть две части, которые я назвал «бампером», которые находятся на передней и задней части робота (как бамперы на машине). У них есть выемки для сервоприводов, как и в бедренной части. Приклейте к ним рожки. Затем вставьте серворегулятор бедра в соответствующее отверстие в корпусе. Когда это будет сделано с обеих сторон, сборку можно будет закрепить бампером. Позвольте ногам смотреть под углом примерно 12 градусов (схождение ноги 20 мм). Бампер крепится к кузову с помощью оставшихся (более длинных) сервовинтов.

Наконец-то можно прикрепить голени робота. Они должны быть расположены под углом в направлении, противоположном бедру, так, чтобы кончик стопы находился прямо под тазобедренным суставом каждой ноги в сборе.

Таким образом, робот собран. Это должно выглядеть как на картинке ниже. Обратите внимание, что дизайн робота немного изменился по сравнению с верхним изображением и видеороликом. Корпус был переработан, чтобы упростить и сделать конструкцию более прочной. Сервоопора и рог для тазобедренного сустава поменялись местами. Так что соберите по 3D изображениям и не запутайтесь фото и клипами.

Конечно, углы каждого шарнира не могут быть точно такими же, как требуемые, количество шлицев на сервоприводе SG-90 составляет 21, что приводит к углу в 17 градусов между двумя положениями. В лучшем случае вы можете собрать робота в пределах 10-20 градусов, оставшуюся погрешность необходимо скорректировать, изменив нейтральное положение в коде, см. Далее в этой инструкции. Было бы неплохо еще раз подключить все сервоприводы и запустить Arduino, проверить нейтральные положения и, при необходимости, внести некоторые механические настройки (переместить соединение на шлиц или два). При работе с сервоприводами часто случается случайно поворачивать сервоприводы.

Подключение электроники

Есть два варианта:все на одном макете или изготовление печатной платы с помощью прилагаемого файла Fritzing. У вас могут возникнуть проблемы с напряжением на макетной плате, если вы не позаботитесь о подключении всех линий питания и заземления к сервоприводам. В крайних случаях один сервопривод может потреблять 600 мА, а плохие соединения приводят к неустойчивому поведению. На печатной плате есть очень широкие медные дорожки для линий электропередач, поэтому, если вы просто припаяете правильно, все будет нормально.

В моей конструкции нет выключателя питания. Робот просто включается и выключается подключением аккумулятора. Если вы хотите добавить его, он должен быть после разъема батареи, отключая питание 7,4 В как для Arduino, так и для UBEC.

Макетная версия

Возможно разместить Pro Mini, разъемы для сервоприводов и большую часть другой электроники на одной макетной плате половинного размера. Схему я рисую на картинке ниже. Обязательно используйте короткие перемычки, особенно для подключения питания 5 В и заземления сервоприводов. Серворазъемы - это просто удлиненные штекерные разъемы, которые разрезаются на части по три и вдавливаются в макетную плату.

Что не показано на картинке, так это аккумулятор и UBEC. Чтобы исправить это, может потребоваться пайка, чтобы прикрепить соединительный элемент к батарее. От разъема две перемычки должны быть подключены к нижней «шине питания» макета для питания Pro Mini (подключенного к RAW и GND). Также подключите два резистора от источника питания 7,4 В к выводу A0. 2.2k идет с положительной стороны и 1k с земли. Это разделит напряжение, превышающее 8 В на полностью заряженной батарее, до значения ниже 5 В, которое можно измерить аналоговым выводом.

На выходной стороне UBEC имеется серворазъем. Довольно удобно добавить на верхнюю «шину питания» два штекерных разъема. Поместите его где-нибудь посередине, как на картинке, чтобы обеспечить максимально сбалансированное распределение мощности между сервоприводами.

ИК-приемник должен быть подключен к A1 и иметь питание 5 В. Штыри на приемнике достаточно длинные, чтобы их можно было вставить в отверстия прямо на макетной плате.

Ниже представлена ​​схема и изображение того, как может выглядеть готовая макетная плата. Обратите внимание, что на картинке изображена более старая версия робота с другими распиновками и подключениями. Он по-прежнему дает представление о том, как подключать перемычки и серворазъемы.

Макетная плата крепится к корпусу самоклеящейся тыльной стороной. Сориентируйте его так, чтобы угол с сервоприводами, подключенными к контактам D3, D4 и D5 (верхний правый на схеме), находился в переднем / левом углу робота, и убедитесь, что плата находится по центру корпуса (правильный центр гравитация жизненно важна).

Версия печатной платы

Я добавил файл Fritzing ниже. Это может быть использовано для изготовления печатной платы, либо путем заказа в сервисе, доступном на Fritzing, либо путем экспорта файлов для изготовления печатных плат. Я сделал серию картинок, чтобы показать сборку ниже. Печатная плата сделана на заказ для этого робота с разъемами для всех сервоприводов, ИК и измерения напряжения. Но есть еще и разъёмы, выломанные из оставшихся контактов. Их можно использовать для подключения другого оборудования, если вы захотите расширить робота в будущем.

На корпусе есть небольшие «подушечки», которые подходят к углам печатной платы. Также здесь угол с разъемом D3 - D5 должен быть спереди / слева. На печатной плате есть монтажные отверстия, но я использовал только кусок двусторонней ленты на корпусе, чтобы прикрепить его. Он останется на месте.

Батарея

Аккумулятор крепится к нижней части на липучке. Для этого на корпусе есть плоская поверхность. Литий-полимерный аккумулятор 7,4 В / 500 мАч обычно имеет форм-фактор примерно 55 x 30 x 10 мм (плюс-минус несколько мм) и вполне подходит для этого места.

Наконец, робота можно «подкрасить», связав провода сервопривода в красивые жгуты, чтобы они не споткнулись о нем во время ходьбы. Это также придает роботу приятный вид, будто он на самом деле ходит четвероногое существо, а не кучу сервопроводов. :)

Завершение

Перед использованием роботов необходимо точно настроить центральные положения. Это делается путем редактирования массива servodeg0 в коде:

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

Значения указаны в следующем порядке:альфа, бета-гамма и передний / левый, задний / левый, передний / правый, задний / правый. Итак, бета справа спереди - это восьмая позиция в массиве или servodeg0 [7] (нумерация массива начинается с 0).

Также существует массив под названием servodir, который определяет направление вращения сервоприводов.

  const int servodir [12] ={+1, +1, -1, -1, -1, +1, -1, -1, -1, +1, +1, +1}; // Направление вращения (положительное - сервопривод против часовой стрелки)  

Используемые мной сервоприводы перемещаются от 0 до 180 градусов против часовой стрелки. Я где-то читал, что есть сервоприводы, идущие в другом направлении. В таком случае сервоприводы массива должны постоянно менять свои знаки.

Запустите Arduino и проверьте углы на всех сервоприводах. Сделайте мерки и посмотрите, все выглядит ровно и симметрично. Расстояния и углы должны соответствовать рисунку ниже.

Трудно быть в пределах точного миллиметра при каждом измерении, разумно быть в пределах см. Посмотрите, какие изменения необходимы, и добавьте / вычтите их к значению в массиве servodeg0. Это определенно потребует нескольких итераций, прежде чем все станет правильно. В итоге вы получите массив servodeg0, который выглядит примерно так (реальный фрагмент кода одного из моих роботов). И самое главное, у вас должен быть робот, который опирается на все четыре ноги и стоит прямо.

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

Теперь все готово. Наслаждайтесь!

Может быть, еще несколько советов.

Через некоторое время сервоприводам может потребоваться повторная калибровка. Центральное положение со временем может смещаться. Просто проверяйте, все ли выровнено время от времени.

Если вы все сделали правильно, но робот все еще может опрокинуться, проверьте центр тяжести. Батарею можно перемещать, чтобы сбалансировать ее, и это хорошо, если использовать липучку.

И снова. Осторожно обращайтесь с LiPo батареями.

Дальнейшие улучшения

Отправляя сюда своего робота, я также приглашаю людей доработать дизайн, либо добавив больше функций, либо сделав немного другой макет (больше, меньше, круче на вид). Код должен иметь возможность повторно использовать на роботе немного другого макета или размера. На рисунке ниже показано, какие константы используются в коде. Все функции IK и движения должны по-прежнему работать, если сделан робот с другими размерами. Он также показывает, что координаты определены, x указывает в прямом направлении.

И конечно было бы интересно, если бы люди добавляли роботу функции. На пульте дистанционного управления есть несколько кнопок, которым можно назначить функции (почему бы не потанцевать или выполнить другую последовательность движений, если кнопка нажата).

Я лично экспериментирую с аналоговым входом. Я также работал с походкой «повороты при ходьбе», чтобы иметь возможность до некоторой степени управлять роботом или корректировать отклонения от курса с помощью гироскопа или компаса. А еще я добавил ультразвуковой датчик и автономное поведение (избегание препятствий). Мой текущий проект состоит в том, чтобы объединить аналоговое управление с автономным и управлять всем со смартфона. Это заставило меня узнать о множестве новых вещей (Blynk, ESP6822, последовательная связь между устройствами и т. Д.), И, надеюсь, я смогу запустить усовершенствованную версию робота (или, может быть, кто-то с лучшими навыками победит меня в этом):)

Код

• Код для KITtyBot2

Код для KITtyBot2 Arduino

 / * Версия KITtyBot 2 с ИК-управлением. В ней используется Arduino Pro Mini и печатная плата, разработанная мной (эскиз Fritzing Kittybotmini.fzz). Он основан на предыдущих роботах KITtyBot и KITtyBot mini, использующих ИК-пульт для управления роботом. Он использует пульт NEC (Adafruit) и библиотеки IRLib2, см. https://github.com/cyborg5/IRLib2. Скачайте библиотеки IRLib2 из репозитория и установите их согласно инструкции. Общие размеры аналогичны оригинальному KITtyBot, но есть смещение между осью гаммы и альфа на 12 мм (сервоприводы установлены друг на друге). Я сознательно изменил походку для ходьбы и поворота, но я пока чувствую, что это изменило учитывая максимально стабильное поведение. Создано Staffan Ek 2017 * / # include  #include  #include  // Сначала включите базу декодирования # include  // Включите только тот протокол, которым вы являетесь using #define MY_PROTOCOL NEC // Определяет ИК-контроль (NEC) long Previous; IRrecv My_Receiver (A1); // Получение на выводе A0IRdecodeNEC My_Decoder; const int servonum =12; // Количество servosServo servo [servonum]; // Создаем серво объектconst float servodeg0 [12] ={90, 90, 90, 90, 90, 90, 90, 90, 90, 90, 90, 90}; // Нейтральные положения для сервоприводов, отрегулированных от номинальных 90 градусов ( для настройки этих значений необходима калибровка) float servodegnew [servonum]; // Желаемое положение сервопривода в градусах плавучести servodegold [servonum]; // Старая (или текущая) позиция сервопривода // Обновить значения ниже до мини-иконки KITtyBot int servodir [12] ={+1, +1, -1, -1, -1, +1, -1, -1, -1, +1, +1, +1}; // Направление вращения (положительное - сервопривод против часовой стрелки) const float pi =3.1416; const float alfa0 =pi / 6; // Нейтральное положение alfa (30 градусов) const float beta0 =pi / 3; // Нейтральное положение бета (60 градусов) const float Jointlength =50; // Длина части ноги (обе имеют одинаковую длину) const float width =120; // Ширина (расстояние между ногами по оси Y с добавленным toeout0) const float leng =120; // Длина (расстояние между ногами в направлении x) const float distag =12; // Расстояние между осью альфа и гаммыconst float toeout0 =20; // Расстояние стопы наружу от центра гамма-сервопривода (расстояние, на которое стопа направлена ​​наружу) const float leglength0 =2 * суставная длина * cos (alfa0); const float gamma0 =asin (toeout0 / (leglength0 + distag)); // Нейтральное положение гаммы (из-за схождения 20 мм и 12 мм) const float bodyradius =sqrt (pow ((width / 2), 2) + pow ((leng / 2), 2)); // Длина диагонали (расстояние от центра до угла ступни) const float phi0 =atan (width / leng); // Угол радиуса тела относительно оси x (направлен вперед) const float height0 =sqrt (pow (leglength0 + distag, 2) - pow (toeout0, 2)); // Обычная высота робота (если меняются углы или расстояния, это необходимо обновить) float leglength [4] ={sqrt (pow (height0, 2) + pow (toeout0, 2)), sqrt (pow (height0, 2) + pow (toeout0, 2)), sqrt (pow (height0, 2) + pow (toeout0, 2)), sqrt (pow (height0, 2) + pow (toeout0, 2))}; // Начальные значения of leglengthunsigned long timetep =500; // Время, затрачиваемое каждой последовательностью (при использовании servomove ()) int steplength =40; // Длина шага в направлении x при ходьбе (вперед и назад) float phi =20; // угол поворота при повороте (в градусах, а не радианах!) // Переменная для движенияfloat footpos [12]; // Позиции ног, порядок LeftFrontxyz, LeftRearxyz, RightFrontxyz, RightRearxyzfloat stepturn [12] ={0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0}; // Движение стопы в случае поворота // Положения стопы откалиброваны с соответствующими начальными положениями const float Jointangle0 [12] ={alfa0, beta0, 0, alfa0, beta0, 0, alfa0, beta0, 0, alfa0, beta0, 0}; плавающий шарнир [12]; // Используя вектор для углов, порядок LeftFrontAlfaBetaGamma etcconst int Voltagepin =A0; // Назначенный вывод для измерения напряжения int lowvolt =0; // Переменная, которая останавливает робота, если напряжение становится <7.0 Vint mode =0; // Текущий заказанный режим ходьбы; вперед, назад, влево, вправоvoid setup () {Serial.begin (9600); Serial.println («KITtyBot mini»); // Эти строки предназначены только для проверки конфигурации. Можно удалить. Serial.print ("Gamma0:"); Serial.println (gamma0); Serial.print ("Leglength0:"); Serial.println (leglength0); Serial.print ("Bodyradius:"); Serial.println (радиус тела); Serial.print ("Phi0:"); Serial.println (phi0); Serial.print ("Высота0:"); Serial.println (height0); серво [0] .attach (3); сервопривод [1] .attach (4); сервопривод [2] .attach (5); сервопривод [3] .attach (6); сервопривод [4] .attach (7); серво [5] .attach (8); сервопривод [6] .attach (2); сервопривод [7] .attach (A3); сервопривод [8] .attach (12); сервопривод [9] .attach (11); сервопривод [10] .attach (10); сервопривод [11] .attach (9); for (int i =0; i  2 * длина стыка) lresult =2 * длина стыка; // Если длина больше, чем возможно, некоторые следующие функции становятся нестабильными return lresult;} float legright (float dx, float dz, float gamma) {float lresult =sqrt (pow (leglength0 - (dz / cos (gamma0 - gamma)), 2) + pow (dx, 2)); если (lresult> 2 * длина стыка) lresult =2 * длина стыка; // Если длина больше, чем возможно, некоторые следующие функции становятся нестабильными return lresult;} // Бета, "коленный сустав" float beta (float leg) {float bresult =2 * acos (leg / (2 * Jointlength)); return bresult;} // Alfa, Другой сервофлот бедра alfafront (float dx, float beta, float leg) {float aresult =(beta / 2) - asin (dx / leg); return aresult;} float alfarear (float dx, float beta, float leg) {float aresult =(beta / 2) + asin (dx / leg); return aresult;} // Даем положение ног в зависимости от угла поворота f (в ​​градусах). Stepturn используется для создания значений footpos без поворота (float f) {stepturn [0] =bodyradius * cos (phi0 + (f * pi / 180)) - leng / 2; stepturn [1] =bodyradius * sin (phi0 + (f * pi / 180)) - ширина / 2; ступенчатый поворот [3] =радиус корпуса * cos (pi - phi0 + (f * pi / 180)) + длина / 2; stepturn [4] =bodyradius * sin (pi - phi0 + (f * pi / 180)) - ширина / 2; ступенчатый поворот [6] =радиус тела * cos (2 * pi - phi0 + (f * pi / 180)) - длина / 2; ступенчатый поворот [7] =радиус тела * sin (2 * pi - phi0 + (f * pi / 180)) + ширина / 2; ступенчатый поворот [9] =радиус корпуса * cos (pi + phi0 + (f * pi / 180)) + длина / 2; stepturn [10] =bodyradius * sin (pi + phi0 + (f * pi / 180)) + width / 2;} // Вычисляет положения сервопривода (в градусах) на основе углов сочленения в приведенной выше функцииvoid servopos () {for ( int i =0; i <12; i ++) {servodegnew [i] =servodeg0 [i] + servodir [i] * (Jointangle [i] - Jointangle0 [i]) * 180 / pi; }} // Сервоалгоритм для контролируемых и синхронизированных движений. Все сервоприводы должны достичь своего конечного положения в конце временного шага servomove () {int servotimeold [servonum]; // Локальная переменная для времени последнего положения сервопривода int servotimenew [servonum]; // Локальная переменная для текущего времени при позиционировании сервопривода i int SERVOPULSE [servonum]; // Локальная переменная для записи в сервопривод float servodeg [servonum]; // Локальная переменная для текущей позиции сервопривода float servodegspeed [servonum]; // Локальная переменная для желаемого уменьшения скорости сервопривода в миллисекунду unsigned long starttime =millis (); // Отметка времени начала алгоритма unsigned long timenow =starttime; // Сбрасываем время сейчас для (int i =0; i  

Изготовленные на заказ детали и корпуса

Схема