DIY манипулятор, управляемый жестами руки: пошаговая сборка на Arduino

Компоненты и материалы

Arduino UNO	1 шт.
JLCPCB Customized PCB	1 шт.
Сервопривод MG996R	6 шт.
Батарейный отсек 5V	1 шт.
PCA9685 8-канальный драйвер серв (I2C)	1 шт.
Bluetooth модуль HC-05	2 шт.
Драйвер шагового двигателя A4988 (SparkFun)	1 шт.
NEMA-17 шаговый двигатель	1 шт.
Макетная плата	1 шт.
IMU (6 степеней свободы)	1 шт.
Arduino Nano R3	1 шт.
Флекс-сенсор	1 шт.

Необходимые инструменты

• 3D-принтер

О проекте

DIY манипулятор, управляемый жестами человека.

Фильмы вроде «Тихоокеанский рубеж», «Аватар» намекали на синергию с роботами — ваши движения усиливаются роботизированной помощью. А что, если построить тот же промышленный робот, но в меньшем масштабе?

Этот проект — попытка достичь этого.

Arduino-манепулятор, который можно запрограммировать или управлять жестами руки.

По традиции Iron Man, каждая итерация — Mark. Этот прототип — MARK 1. Ожидаются улучшения.

Полный туториал: DIY Robot Arm (controlled by Hand Gestures)

Обзор

Соберём 6-осевого робота, управляемого жестами руки через роботизированную перчатку. Подражая естественным жестам (щипок, поворот запястья), вы сможете открывать/закрывать захват или поворачивать руку влево/вправо. Фактически — ручное управление роботорукой.

Особенности MARK 1:

• 6 осей вращения
• Портативный
• Управление жестами человека
• Можно запрограммировать базовые функции
• Беспроводное управление на расстоянии
• Грузоподъёмность 600 г (макс. 1 кг)

Список деталей

Роборука полностью настраиваема. Можно купить или напечатать на 3D-принтере. Если печатаете — есть список роботов на сервоприводах, теория та же.

Для MARK 1 выбрана 3D-печать — больше места для кастомных деталей.

Роборука: Thingiverse 3D Printed Robotic Arm (автор: Wonder Tiger):

• Часть 1: Захват
• Часть 2: Основание и поворотный стол
• Часть 3: Основная рука

Подробности, типы винтов — в исходнике. Печать до 40 часов, но дешевле покупки.

Робоперчатка: STL файлы (автор: Roman 13)

Перчатка — эстетичное дополнение, можно использовать строительную перчатку.

Примечание: для больших рук печатайте в масштабе 105%.

Как это работает

Отправляем сигнал (по Bluetooth) от перчатки к сервоприводу. При получении значения драйвер серв посылает сигнал конкретному сервоприводу, двигая манипулятор.

Добавляя больше серв и сенсоров, управляем каждым мотором.

Роборука — серия сервоприводов, координирующих друг друга. Можно создать руку, управляемую перчаткой.

Arduino перчатки использует сенсоры для связи с Arduino руки и отправки данных для поворота сервы к нужному углу.

Какие сенсоры в перчатке?

Для MARK 1: флекс-сенсоры и акселерометр (MPU6050).

• Флекс-сенсоры — сопротивление меняется при изгибе, детектирует движение пальцев.
• Акселерометры — для естественных жестов определяют вращение запястья и руки.

Сенсоры детектируют изменение жеста, отправляют специфическое значение (маппинг жеста) на манипулятор для управления сервоприводом через Bluetooth. С достаточным числом жестов рука оживает!

Маппинг манипулятора

Таблица соответствия значений, отправляемых перчаткой манипулятору. Капитальная «F» (finger) — противоположное направление вращения сервы.

Сборка деталей

Сборка манипулятора

Покупка готовой руки дорогая. 3D-печать — бюджетный вариант. В долгосрочной перспективе легко кастомизировать: добавить LED, камеру, зажим.

Модель основана на Thingiverse (Wonder Tiger) — отличный дизайн: 6 осей, хорошо документирован, прочный. Доступ к файлам через список деталей.

Также есть мои ремиксы для камерной стойки. Детали печатаются ~40 часов.

Сервопривод и драйвер

Роборука — координированные моторы. Используем драйвер PCA9685 для питания MG996R серв.

Важно: Используйте внешнее питание для моторов. Arduino не тянет все. Здесь — 5V 2200 mAh RC батарея.

Схема подключения Arduino:

NEMA-17 для поворота основания

Роборука стала тяжелее, MG996R не крутит основание. Нужен более мощный мотор — шаговый NEMA-17 за счёт точности и высокого крутящего момента.

NEMA-17 и драйвер A4988 управляют направлением. Схема ниже:

Финальная схема сборки всей электроники манипулятора.

Сборка электроники

Ниже схема окончательной сборки всех электронных частей, включая Bluetooth модуль. Парный процесс описан ниже.

Человеческий флекс-сенсор

Для эстетики можно напечатать 3D-экзоскелет перчатки. Для прототипа подойдёт строительная перчатка.

Компоненты робоперчатки:

• Флекс-сенсор — изгиб пальца меняет ток, посылаем сигнал мотору
• Акселерометр (MPU6050) — управление мотором через жесты в плоскостях X, Y, Z
• LED — индикатор отправки жеста
• Bluetooth HC-05 — передача данных на приёмник руки
• Arduino Nano — мозг перчатки

Схема для тестирования флекс-сенсора и акселерометра:

Важно: Точность руки зависит от точности перчатки. Стоит потратить время на калибровку.

Настройка Bluetooth (Master и Slave)

Arduino руки общается по Bluetooth через HC-05. Критические параметры:

Модуль	Конфигурация
Робоперчатка HC-05	Master
Роборука HC-05	Slave

Baud Rate: 4800

Программирование Arduino

Код можно скачать ниже. Все тестовые скетчи и последняя версия в GitHub репозитории.

Программирование манипулятора

Используется библиотека HCPCA9685 (для драйвера серв). Подключаем библиотеку, объявляем переменные серв.

/* Include the HCPCA9685 library */
#include "HCPCA9685.h"
/* I2C slave address for the device/module. For the HCMODU0097 the default I2C address is 0x40 */
#define I2CAdd 0x40
/* Create an instance of the library */
HCPCA9685 HCPCA9685(I2CAdd);
//initial parking position of the motor
const int servo_joint_L_parking_pos = 60;
//Degree of robot servo sensitivity - Intervals
int servo_joint_L_pos_increment = 20;
//Keep track of the current value of the motor positions
int servo_joint_L_parking_pos_i = servo_joint_L_parking_pos;
//Minimum and maximum angle of servo motor
int servo_joint_L_min_pos = 10;
int servo_joint_L_max_pos = 180;

Инициализация Serial на 4800 бод для Bluetooth:

Serial.begin(4800); // Initialise default communication rate of the Bluetooth module

В loop() постоянно проверяем поступление данных от перчатки. Если есть — сохраняем в переменную state и двигаем моторы.

//Defining the servo driver. 0x40 Address is the default I2C Address.
#define I2CAdd 0x40
int response_time = 5; //Receiving values from the Robotic Glove interval

if (Serial.available() > 0) {
  state = Serial.read();
  Serial.print(state);
  //Motor functionality code block
}

Пример: если согнули пальцы, перчатка шлёт 'f', рука читает и вызывает функцию поворота сервы. Процесс повторяется бесконечно.

if (Serial.available() > 0) {
  state = Serial.read();
  Serial.print(state);
  //For the naming of the motors, refer to the article / tutorial
  //Move (Base Rotation) Stepper Motor Left
  if (state == 'S') {
    baseRotateLeft();
    delay(response_time);
  }
}

Реализован hard stop, чтобы не превысить макс. угол (180°) и не стереть шестерёнки.

HCPCA9685.Servo(0, servo_joint_L_parking_pos_i);
//Move Claw Motor Downwards
if (state == 'f') {
  if (servo_joint_3_parking_pos_i < servo_joint_3_max_pos) {
    HCPCA9685.Servo(4, servo_joint_3_parking_pos_i);
    delay(response_time);
    Serial.println(servo_joint_3_parking_pos_i);
    servo_joint_3_parking_pos_i = servo_joint_3_parking_pos_i + servo_joint_3_pos_increment;
  }
}
void baseRotateLeft() {
  digitalWrite(stepPin, LOW);
  delayMicroseconds(stepDelay);
}

Программирование флекс-сенсора

Код на GitHub. Если работаете над проектом — контрибьютьте в репозиторий.

Ключевые моменты:

Определение пяти сенсоров:

//LED ON PIN 3
int pinkie_Data = A1;
int finger_Data = A2;
int thumb_Data = A3;
//const int MPU_addr = 0x68;
const int MPU2 = 0x69, MPU1 = 0x68;

Примечание: 0x68 и 0x69 — I2C адреса двух MPU6050.

//How often to send values to the Robotic Arm
int response_time = 1000;

Чтение значений сенсоров:

pinkie = analogRead(pinkie_Data);
finger = analogRead(finger_Data);
thumb = analogRead(thumb_Data);

Чтение акселерометров:

GetMpuValue1(MPU1);
GetMpuValue2(MPU2);

Калибровка: При включении (или нажатии Reset) определяются верхние/нижние пределы флекс-сенсоров.

if (bool_caliberate == false ) {
  delay(1000);
  thumb_high = (thumb * 1.15);
  thumb_low = (thumb * 0.9);
  finger_high = (finger * 1.03);
  finger_low = (finger * 0.8);
  pinkie_high = (pinkie * 1.06);
  pinkie_low = (pinkie * 0.8);
  bool_caliberate = true;
}

Постоянно проверяем, превысил ли текущий значение порог. Если да — шлём команду манипулятору.

// finger 1 - Claw Bend/Open
if (finger >= finger_high) {
  Serial.print("F");
  delay(response_time);
}
if (finger <= finger_low) {
  Serial.print("f");
  delay(response_time);
}

Программирование роборуки

Результаты

Манипулятор достаточно точен для перемещения объектов. Для сложных задач нужна доработка кода. Работает как задумано для MARK 1. Можно улучшить значительно.

Хотите улучшить код? Контрибьютьте в Arduino Robot Arm Git Repo и делайте открытым для других!

Также можно управлять жестами и программировать автоматизацию базовых задач.

Дальнейшие шаги

Всё для MARK 1! Если проект понравился, поддержите мой Patreon.

Код

Фрагменты кода (см. выше) и полные скетчи на GitHub:

• GitHub 1
• GitHub 2

CAD модели

• Thingiverse 1748596
• Thingiverse 1750025
• Thingiverse 1838120
• Thingiverse 1982745

Схемы

Robot Arm Git Repo