Сборка Саурона: Полугуманоидный робот на Arduino Mega 2560 – Полное руководство

Компоненты и материалы

Arduino Mega 2560	1 шт.
1Sheeld (шIELD для смартфона)	1 шт.
Android-смартфон	1 шт.

Инструменты

• Лазерный резак

Программное обеспечение

• Arduino IDE
• Приложение 1Sheeld (Google Play)
• Библиотека 1Sheeld для Arduino

О проекте

Вы фанат «Властелина колец»? Тогда вы знаете Саурона! Мы построим полугуманоидного робота человеческого роста, похожего на Саурона.

Робот имеет: две руки с 3 степенями свободы (DOF), голову с 3 DOF и фиксированную базу.

Три режима работы (переключение двумя кнопками на цифровых входах):

1. Режим ожидания (Standby) – демонстрационные движения для привлечения внимания.
2. Режим геймпада (Gamepad) – управление через щит Gamepad в приложении 1Sheeld.
3. Режим имитации (Imitation) – робот повторяет движения оператора. Надеваете перчатку со смартфоном, Arduino считывает ориентацию/гироскоп и управляет руками робота (как в фильме «Железный чемпион»).

Проект создан для New York Maker Faire, чтобы вдохновить детей на робототехнику с Arduino и 1Sheeld. Все файлы (CAD, схемы, код, DXF для лазера) прилагаются.

Шаг 1: Голова робота

Использован открытый дизайн головы «Fritz» от xyzbot. Детали вырезаны лазером из 3-мм фанеры. 3D-печатные части глаз, бровей и губ опущены для экономии времени и стоимости. Сборка по видео-инструкции автора Fritz (пропуск базы и 3D-частей).

Шаг 2: Корпус робота

Корпус из стержней Artelon и 3-мм фанеры. Соединения «ласточкин хвост» и винты 4×20 мм (дерево–Artelon), 12×30 мм (Artelon–база), 4×10 мм (сервоприводы–дерево). Скелет Artelon: базовый стержень 50 мм, скелет 25 мм, поперечины 15 мм. Чертежи в прилагаемых PDF/DXF.

Шаг 3: База робота

Проектирована в SolidWorks из 6-мм листового металла сlightenening отверстиями. Крепится к столу 3 винтами или 2 зажимами C-образными. DXF-файл прилагается.

Шаг 4: Руки робота

Главная сложность – модульные, легко разбираемые руки. Предплечья спроектированы для смены насадок (меч, крюк, кулак, гриппер). Рама из фанеры, плечевые суставы – алюминиевые pan-tilt. Момент сил рассчитан в SolidWorks (нужно ~3 кгс/см, поставлены с запасом). Предплечья нарезаны лазером по слоям (Autodesk 123D Make). Файлы SolidWorks прилагаются.

Шаг 5: Косплей Саурона (шлем и броня)

Друг Карим помог с косплеем по инструкциям с Instructables (адаптировано под размеры робота). Ссылки на оригиналы в описании.

Шаг 6: Электроника

• Arduino Mega + 1Sheeld – управление сервоприводами рук и головы.
• БП 5В/5А – питание серв и Arduino.
• Мини-брэдборд – общая шина питания/земли.
• 1Sheeld – Bluetooth-шIELD, даёт доступ к сенсорам смартфона. Используемые щиты: Gamepad, Orientation, Music Player, Toggle Button, Terminal.

Роли щитов:

• Gamepad – виртуальный джойстик для ручного управления.
• Orientation – смартфон в перчатке передаёт углы для режима имитации.
• Music Player – воспроизводит голос Саурона при движении рта.
• Toggle Button – выбор режима вместо физических кнопок.
• Terminal – вывод логов (1Sheeld блокирует Serial Monitor).

Шаг 7: Код Arduino

Важно: перед загрузкой переключите 1Sheeld в Upload Mode (UART Switch от логотипа), после загрузки – обратно в Operating Mode (к логотипу).

Код управляет 9 сервоприводами (3 на руку, 2 на шею, 1 рот), опрашивает пины режимов (2, 3) через прерывания, реализует три режима:

• Standby – последовательность 9 поз с движением рта под музыку.
• Gamepad – реакция на кнопки: вверх/вниз/влево/вправо + 4 комбо (красная, оранжевая, зелёная, синяя).
• Imitation – маппинг ориентации смартфона (Y, Z) на углы серв левой руки.

Полный код см. в разделе Code (файл F5KJZGXIKMXG3DG.ino).

Шаг 8: Саурон на Maker Faire New York

Фото робота в действии на ярмарке – с детьми, в костюме, в разных позах.

Шаг 9: Планы

• Видео сборки и демонстрации режимов.
• Голова: добавить остальные сервоприводы, напечатать глаза (веки, глотки, шарики).
• База: заменить на 4 mecanum-колёса для передвижения (чертежи в SolidWorks готовы).

Исходный код (основные фрагменты)

#define CUSTOM_SETTINGS
#define INCLUDE_GAMEPAD_SHIELD
#define INCLUDE_MUSIC_PLAYER_SHIELD
#define INCLUDE_TERMINAL_SHIELD
#define INCLUDE_ORIENTATION_SENSOR_SHIELD

#include <OneSheeld.h>
#include <Servo.h>

Servo rightArm_Motor1, rightArm_Motor2, rightArm_Motor3;
Servo leftArm_Motor1, leftArm_Motor2, leftArm_Motor3;
Servo neckHorizontal, neckVertical, mouth;

const int modePin1 = 2, modePin2 = 3;
volatile boolean gamepadMode_Enabled = false, imitationMode_Enabled = false;

void setup() {
  OneSheeld.begin();
  pinMode(modePin1, INPUT); pinMode(modePin2, INPUT);
  attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(modePin1), gampadMode_ChangeISR, CHANGE);
  attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(modePin2), imitationMode_ChangeISR, CHANGE);
  // Привязка серв к PWM пинам 4-12
  // Установка домашних позиций
}

void loop() {
  if (digitalRead(modePin1) == HIGH) gamePadMode();
  else if (digitalRead(modePin2) == HIGH) imitationMode();
  else standbyMode();
}

// standbyMode() – 9 поз с задержками, проверка прерываний между позами
// gamePadMode() – опрос GamePad.isUpPressed() и т.д., установка углов серв
// imitationMode() – map(OrientationSensor.getY(), -90, 90, 0, 180) и т.д.
// ISR для переключения режимов

Схема подключения

Схема в Fritzing: сервоприводы к пинам 4–12 Mega, питание от внешнего БП, общая земля, 1Sheeld на Mega.