Продвинутый дистанционно управляемый манипулятор-робот для точной работы

Компоненты и материалы

Приложения и сервисы

О проекте

Несколько месяцев назад сын попросил сделать радиоуправляемого бота. Он дал список желаний, мы сузили его до реалистичного. Вот что получилось...

• Соедините UNO и V5 Sensor Shield
• Установите собранную плату в держак в центре бота
• Двусторонним скотчем зафиксируйте драйвер двигателей на левой внутренней стенке, Bluetooth-модуль — на правой

Шасси можно сделать самим или выбрать другое — на ваш выбор.

Шаг 1: Необходимое ПО

• Arduino IDE
• Python 2.7 (полная установка с tkinter)
• Библиотека pySerial
• Библиотека L9110S motor controller (приложен .zip — см. файлы шага)
• Код робота (ниже или .zip в файлах шага)
• Python-приложение для удаленного управления (файлы шага)

Шаг 2: Спецификация железа (BOM)

• Шасси Runt Rover Half-pint или подходящий 4WD закрытый аналог
• Arduino Uno или похожая плата с USB-кабелем
• V5 sensor shield
• Драйвер двигателей L9110S (возьмите пару — дешево)
• Сервопривод MG995 или аналогичный ×2
• Bluetooth-модуль HC-05 или HC-06 ×1
• Стандартная серво-пластина B ×1
• Уголок 90° ×1
• Одинарный уголок ×2
• Легкая серво-втулка (525125 для Futaba) ×1
• Набор стандартного гриппера Kit A ×1
• Перемычки Female-Female
• 5 аккумуляторов АА (NiMH) и зарядное устройство
• Двусторонний скотч и небольшие стяжки
• Короб для 5 АА (если выбираете NiMH)
• Аккумуляторный пак 6V NiMH или 7.4V Li-ion с зарядкой
• Винты 1.250" 6-32 ×2
• Нейлоновые распорки .750" 8-32 ×2
• Винты .500" 6-32 с гайками ×8
• Винты .3125" 6-32 ×8

Детали можно заказать на eBay или у Sparkfun, Adafruit, ServoCity.

Шаг 3: Сборка шасси

Соберите шасси по инструкции или видео. Плата контроллера установите в средние отверстия — так останется место спереди и сзади.

ВАЖНО: Перед дальнейшей работой снимите все 4 колеса, чтобы не повредить моторы при установке остальных компонентов.

Шаг 4: Сборка гриппера

Соберите гриппер по инструкции из видео.

Шаг 5: Монтаж гриппера — Этап 1

Нужен: уголок 90°, серво-втулка, 4 винта .3125".

1. Установите серво-втулку на одну сторону уголка, закрепите винтами .3125". Отложите.
2. Накрутите гайки на два коротких винта.
3. Возьмите два одинарных уголка, винты 1.250", два винта .500" с гайками, 2 нейлоновые распорки, серво-пластину B.
4. Один одинарный уголок поставьте внутри бота, пройдите 2 винта 1.250" в левые отверстия (изнутри) и 2 винта .500" в правые. Головки винтов — внутри.
5. Второй одинарный уголок навиньте на винты снаружи бота.
6. Нанесите нейлоновые распорки на длинные винты (1.250"), закрепите серво-пластину.
7. Затяните винты до серво-пластины hex-ключом или отверткой.

Используйте фото для ориентации.

Шаг 6: Монтаж гриппера — Этап 2

• Установите оставшийся сервопривод в серво-крепеж с валом вверх. Закрепите 4 винтами .3125".
• Установите гриппер на уголок 90° с серво-втулкой: 4 винта .500" с 2 гайками 8-32 как распорки между уголком и гриппером. Закрепите гайкой сверху.
• Наденьте гриппер на вал сервопривода, закрепите серво-винтом (из комплекта сервопривода).

Пропустите провода сервоприводов через отверстие пластины внутрь бота.

Шаг 7: Монтаж электроники

• Соедините UNO и V5 Sensor Shield
• Установите в центральный держак
• Двусторонним скотчем: драйвер двигателей — левая стенка, Bluetooth — правая

Шаг 8: Проводка — Моторы

• A-1A (драйвер) → пин 5 (шилд)
• A-1B → пин 6
• B-1A → пин 3
• B-1B → пин 11

Робот смотрит от вас. ЛЕВАЯ сторона:

• Два ЧЕРНЫХ провода → первый клеммник Motor A
• Два КРАСНЫХ провода → второй клеммник Motor A

ПРАВАЯ сторона:

• Два ЧЕРНЫХ провода → первый клеммник Motor B
• Два КРАСНЫХ провода → второй клеммник Motor B

Сервоприводы:

• Y (вертикаль) → пин 2 шилда (белое/оранжевое — сигнал)
• X (гриппер) → пин 7 шилда (белое/оранжевое — сигнал)

Шаг 9: Проводка Bluetooth-модуля

• Bluetooth Tx → пин 0 шилда
• Bluetooth Rx → пин 1 шилда

Шаг 10: Питание

• Питание от 5 АА (или 6V пак) → клеммник питания шилда: Красный → Vcc, Черный → GND
• Джампер на V5 sensor shield должен быть на месте
• GND на L9110S → GND на шилде
• Плюс от моторного аккумулятора (6V или 7.2V) → Vcc на L9110S
• Минус (GND) от моторного аккумулятора → GND на моторном шилде

Шаг 11: Настройка HC05/HC06 Bluetooth

Зайдите в настройки Bluetooth на ПК (Панель управления / Система) или погуглите для вашей ОС: Windows, Linux (blueman на Mint), Mac. Запишите имя/номер последовательного порта, присвоенный модулю.

Шаг 12: Загрузка кода

Проверив проводку дважды, загружаем код. Установите Arduino IDE по инструкции на сайте Arduino.

Установите библиотеку L9110 Driver: скачайте L9110Driver.zip (ШАГ 1), распакуйте в папку libraries Arduino или следуйте инструкции по добавлению библиотеки.

Загрузите код робота из blue_t_slave.zip (ШАГ 1) в Arduino IDE. Файлы также в этом шаге.

Подключите ПК и Arduino USB. В IDE: Tools → Board → Uno (или ваша плата). Tools → Port → ваш COM-порт. Нажмите Upload. Если все ок — код загружен, иначе — см. помощь по IDE.

Шаг 13: Запуск Python-приложения управления

Скачайте zip из этого шага, распакуйте. Откройте терминал (cmd.exe), перейдите в папку. Запустите: python rover.py. Должно появиться окно управления. Если нет — проверьте ошибки Python (библиотеки и т.д.).

Включите бота. Введите COM-порт адаптера, нажмите «Connect». Через несколько секунд элементы управления активируются, кнопка Connect отключается — вы подключены. Если не подключается — гуглите настройку Bluetooth.

Управление мышью или клавиатурой:

• Стрелки: вперед, назад, поворот влево 90°, вправо 90°
• a — поворот влево 45°
• s — поворот вправо 45°
• h — стоп
• y — установка оси Y гриппера
• u — открыть/закрыть гриппер
• c — гриппер в домашнюю позицию

Вперед/Назад — постоянные (бот едет до новой команды или Halt). Повороты 90° и 45° — временные (остановка через задержку). Ползунки гриппера не двигают его автоматически — нужно нажать «Set» или клавишу. Диапазон 0-180:

• Y Axis: 0 — полностью вверх, 180 — полностью вниз
• Open/Close: 0 — закрыто, 180 — открыто

Кнопка «Disconnect» останавливает бота и возвращает гриппер домой.

Код

Python Driver GUI

#!/usr/bin/env python
# For Linux, BSD, Mac OSX: chmod +x для исполнения
###########
# Rover control app
# Written by Scott Beasley - 2015
# Free to use or modify. Enjoy.
###########
import sys
import serial
import time
from Tkinter import *
import tkFont
import tkMessageBox

class App(Frame):
    def createWidgets(self):
        self.connected = False
        self.message = StringVar()
        helv6 = tkFont.Font(family='Helvetica', size=6, weight='normal')
        self.frame = Frame(self.master)
        self.frame.pack()
        self.f1 = Frame(self.frame)
        self.l1 = Label(self.f1, text="Comm Port: ")
        self.l1.pack(side=LEFT)
        self.comm_entry = Entry(self.f1, bd=5, name="comm_entry")
        self.comm_entry.pack(side=LEFT)
        self.connectButton = Button(self.f1, text="Connect", command=self.SerialConnect, name="b_connect")
        self.connectButton.pack(side=LEFT)
        self.disconnectButton = Button(self.f1, text="Disconnect", command=self.SerialDisconnect, name="b_disconnect")
        self.disconnectButton.pack(side=RIGHT)
        self.f1.grid(row=0, column=0)
        
        self.f2 = LabelFrame(self.frame, bd=3, relief="groove", text="Ground Control")
        self.g_vert_fm = Frame(self.f2)
        self.grip_vert = Scale(self.g_vert_fm, from_=0, to=180)
        self.grip_vert.grid(row=0, column=0, rowspan=4, sticky=W)
        self.grip_vert_set = Button(self.g_vert_fm, text="Set", command=self.GripperY, name="b_grip_vert_set", width=1, height=2, font=helv6)
        self.grip_vert_set.grid(row=5, column=0, sticky=W)
        self.master.bind("", self.GripperY)
        self.g_vert_fm.grid(row=0, column=0, rowspan=4, sticky=W)
        
        self.leftforwardButton = Button(self.f2, text="\\", command=self.TurnLeft45, name="b_left_forward")
        self.leftforwardButton.grid(row=0, column=1)
        self.master.bind("", self.TurnLeft45)
        self.leftButton = Button(self.f2, text="<", command=self.TurnLeft, name="b_left")
        self.leftButton.grid(row=1, column=1)
        self.master.bind("", self.TurnLeft)
        self.rightforwardButton = Button(self.f2, text="/", command=self.TurnRight45, name="b_right_forward")
        self.rightforwardButton.grid(row=0, column=3)
        self.master.bind("", self.TurnRight45)
        self.haltButton = Button(self.f2, text="Halt!", command=self.Halt, name="b_halt")
        self.haltButton.grid(row=1, column=2)
        self.master.bind("", self.Halt)
        self.rightButton = Button(self.f2, text=">", command=self.TurnRight, name="b_right")
        self.rightButton.grid(row=1, column=3)
        self.master.bind("", self.TurnRight)
        self.upButton = Button(self.f2, text="^", command=self.Forward, name="b_forward")
        self.upButton.grid(row=0, column=2)
        self.master.bind("", self.Forward)
        self.leftdownButton = Button(self.f2, text="/", command=self.TurnRight45, name="b_left_down")
        self.leftdownButton.grid(row=2, column=1)
        self.downButton = Button(self.f2, text="V", command=self.Reverse, name="b_reverse")
        self.downButton.grid(row=2, column=2)
        self.master.bind("", self.Reverse)
        self.f2.grid(row=1, column=0, pady=25)
        self.rightdownButton = Button(self.f2, text="\\", command=self.TurnLeft45, name="b_right_down")
        self.rightdownButton.grid(row=2, column=3)
        
        self.g_horz_fm = Frame(self.f2)
        self.grip_horz = Scale(self.g_horz_fm, from_=0, to=180, orient=HORIZONTAL)
        self.grip_horz.grid(row=0, column=0, columnspan=7, sticky=E)
        self.grip_horz_set = Button(self.g_horz_fm, text="Set", command=self.GripperX, name="b_grip_horz_set", width=1, height=2, font=helv6)
        self.grip_horz_set.grid(row=0, column=8)
        self.master.bind("", self.GripperX)
        self.g_horz_fm.grid(row=4, column=0, columnspan=7, sticky=E)
        self.master.bind("", self.GripperHome)
        
        self.f3 = Frame(self.frame)
        self.l2 = Label(self.f3, text="Last action: ")
        self.l2.pack(side=LEFT)
        self.l3 = Label(self.f3, text=" ", textvariable=self.message)
        self.l3.pack(side=RIGHT)
        self.f3.grid(row=3, column=0, pady=8)
    
    def CtrlButtonsState(self, bstate):
        for btn in [self.leftforwardButton, self.leftButton, self.rightforwardButton, self.rightButton,
                    self.upButton, self.leftdownButton, self.downButton, self.rightdownButton,
                    self.haltButton, self.disconnectButton,
                    self.grip_horz, self.grip_vert, self.grip_horz_set, self.grip_vert_set]:
            btn.config(state=bstate)
    
    def ConnCtrlsState(self, bstate):
        self.connectButton.config(state=bstate)
        self.comm_entry.config(state=bstate)
    
    def SerialConnect(self):
        try:
            self.ser = serial.Serial(self.comm_entry.get(), 9600)
        except IOError:
            tkMessageBox.showerror("Invalid comm port", "Comm port not found.")
            return
        self.ConnCtrlsState(DISABLED)
        self.CtrlButtonsState(NORMAL)
        self.message.set("SerialConnect")
        self.connected = True
        time.sleep(3)
    
    def SerialDisconnect(self):
        try:
            self.send_cmd('h', "Halt!")
            time.sleep(1)
            self.ser.close()
        except IOError:
            print("Could not close port...")
        self.message.set("SerialDisconnect")
        self.ConnCtrlsState(NORMAL)
        self.CtrlButtonsState(DISABLED)
        self.connected = False
        time.sleep(2)
    
    def send_cmd(self, action, msg):
        if self.connected:
            for val in action:
                self.ser.write(val)
            self.ser.flush()
            self.message.set(msg)
    
    def TurnLeft(self, event=None): self.send_cmd('a', "Left")
    def TurnLeft45(self, event=None): self.send_cmd('q', "Left45")
    def TurnRight(self, event=None): self.send_cmd('s', "Right")
    def TurnRight45(self, event=None): self.send_cmd('e', "Right45")
    def Forward(self, event=None): self.send_cmd('w', "Up")
    def Reverse(self, event=None): self.send_cmd('z', "Down")
    def Halt(self, event=None): self.send_cmd('h', "Halt!")
    
    def GripperX(self, event=None):
        grp_change = ('>', chr(self.grip_horz.get()), chr(255))
        self.send_cmd(grp_change, "Gripper X")
    
    def GripperY(self, event=None):
        grp_change = ('^', chr(self.grip_vert.get()), chr(255))
        self.send_cmd(grp_change, "Gripper Y")
    
    def GripperHome(self, event=None):
        self.send_cmd(('c', chr(255)), "Gripper Home")
    
    def __init__(self, master=None):
        Frame.__init__(self, master)
        self.pack()
        self.createWidgets()
        self.CtrlButtonsState(DISABLED)

def main():
    root = Tk()
    root.geometry("450x350")
    root.wm_title("Rover Control Center (RCC)")
    app = App(master=root)
    app.mainloop()

if __name__ == '__main__':
    main()

/* Bluetooth Rover. Следует командам, посланным магически через воздух! Или через USB :)
   Written by Scott Beasley - 2015. Free to use or modify. Enjoy. */
#include <L9110Driver.h>
#include <Servo.h>

#define SERVO_Y 2       // Пин сервопривода Y гриппера
#define SERVO_CLAW 7    // Пин сервопривода клешни
#define pinAIN1 5       // I1 интерфейс
#define pinAIN2 6       // I2 интерфейс
#define pinBIN1 3       // I3 интерфейс
#define pinBIN2 11      // I4 интерфейс

// Скорости
#define MAXFORWARDSPEED 225
#define MAXBACKWARDSPEED 225
#define TOPSPEED 255    // Для лучшего поворота на ковре/шероховатостях

// Задержки
#define TURNDELAY 475
#define TURNDELAY45 235
#define BACKUPDELAY 400
#define SERVOMOVEDELAY 200
#define SERVOSEARCHDELAY 85

L9110_Motor motor_left(pinAIN1, pinAIN2);
L9110_Motor motor_right(pinBIN1, pinBIN2);
Servo grip_y_servo;
Servo grip_servo;

void setup() {
    Serial.begin(9600);
    grip_y_servo.attach(SERVO_Y);
    grip_y_servo.write(90);
    grip_servo.attach(SERVO_CLAW);
    grip_servo.write(90);
    delay(500);
}

void loop() {
    byte command = 0, val = 0;
    if (Serial.available() > 0) {
        command = Serial.read();
    }
    switch (command) {
        case 'w': go_forward(); break;
        case 'z': go_backward(); break;
        case 'a': go_left(); delay(TURNDELAY); halt(); break;
        case 's': go_right(); delay(TURNDELAY); halt(); break;
        case 'q': go_left(); delay(TURNDELAY45); halt(); break;
        case 'e': go_right(); delay(TURNDELAY45); halt(); break;
        case 'h': halt(); break;
        case '>': 
            val = Serial.read();
            grip_servo.write(constrain(val, 64, 179));
            break;
        case '^':
            val = Serial.read();
            grip_y_servo.write(constrain(val, 53, 179));
            break;
        case 'c':
            grip_y_servo.write(90);
            grip_servo.write(90);
            break;
        case 255:
            Serial.flush();
            break;
    }
    Serial.flush();
    delay(125);
}

void go_forward() {
    ramp_it(MAXFORWARDSPEED, FORWARD, FORWARD);
    motor_left.setSpeed(MAXFORWARDSPEED);
    motor_right.setSpeed(MAXFORWARDSPEED);
    motor_left.run(FORWARD|RELEASE);
    motor_right.run(FORWARD|RELEASE);
}

void go_backward() {
    ramp_it(MAXBACKWARDSPEED, BACKWARD, BACKWARD);
    motor_left.setSpeed(MAXBACKWARDSPEED);
    motor_right.setSpeed(MAXBACKWARDSPEED);
    motor_left.run(BACKWARD|RELEASE);
    motor_right.run(BACKWARD|RELEASE);
}

void go_left() {
    ramp_it(TOPSPEED, BACKWARD, FORWARD);
    motor_left.setSpeed(TOPSPEED);
    motor_right.setSpeed(TOPSPEED);
    motor_left.run(BACKWARD|RELEASE);
    motor_right.run(FORWARD|RELEASE);
}

void go_right() {
    ramp_it(TOPSPEED, FORWARD, BACKWARD);
    motor_left.setSpeed(TOPSPEED);
    motor_right.setSpeed(TOPSPEED);
    motor_left.run(FORWARD|RELEASE);
    motor_right.run(BACKWARD|RELEASE);
}

void halt() {
    motor_left.setSpeed(0);
    motor_right.setSpeed(0);
    motor_left.run(BRAKE);
    motor_right.run(BRAKE);
}

void ramp_it(uint8_t speed, uint8_t lf_dir, uint8_t rt_dir) {
    uint8_t ramp_val = 0, step_val = 0;
    step_val = abs(speed / 4);
    if (!speed) step_val = -step_val;
    for (uint8_t i = 0; i < 4; i++) {
        ramp_val += step_val;
        motor_left.setSpeed(ramp_val);
        motor_right.setSpeed(ramp_val);
        motor_left.run(lf_dir|RELEASE);
        motor_right.run(rt_dir|RELEASE);
        delay(25);
    }
}

Драйвер L9110 для Arduino: GitHub

Печатные платы и корпуса

4wdgripperbt2.fzz

Схемы

4wdgripperbt2.fzz

Построение IoT-термометра на Python: Полное руководство с Zerynth Модуль GPS u-blox LEA-6H 02: Интеграция с Arduino и Python