描述

介紹

我想做一個四足行走的機器人，更像是“哺乳動物”的風格，而不是普通的“蜘蛛”或“昆蟲”。靈感來自著名的波士頓動力機器人和其他四足研究機器人。制作這樣的機器人非常具有挑戰性，因為它很容易因為重心高和腳在身體下方而翻倒，而不是伸展到角落。

目的是使用 Arduino 和低成本的微型伺服系統制造一個廉價的機器人。這個解決方案當然有它的局限性。不能指望它是完美的，但我現在已經設法制造了一些機器人，它們可以執行這部電影中描述的步行行為。用很少的預算做最好的事情本身就是一個挑戰，也許是那些從事資金雄厚的研究項目的人永遠不必面對的事情。:)

很早就發現，需要對反向運動學 (IK) 進行研究以使其正確。該代碼具有一組方程式，可根據所需的腳部運動計算關節角度。這些可以進一步用于一些重復性任務的功能，例如進行身體運動（將四只腳向相反方向移動）和進行完整的腳部運動（向上抬起以指定方向移動并再次放下）。

下一個挑戰是進行步態研究，即根據身體和足部運動定義機器人應該如何行走和轉動。我的機器人一直使用靜態穩定的步態。當時一只腳被抬起并放在一個新的位置。身體靠在其他三只腳上，為了不翻倒重心，必須保持在這些腳形成的三腳架內。我開發了四種標準步態——向前、向后、向左和向右。這反過來又利用足部和身體運動功能組合成一個完整的序列。

我還設計了一個同步伺服運動的功能。在某些情況下，幾個伺服器在設定的時間內做出不同的沖程。這必須同步以實現平穩的運動。

最后但同樣重要的是，我使用了完全不受保護的鋰聚合物電池。這可能是有風險的，主要的危險是放電過快或過深。只要沒有意外短路，就可以避免第一個危險。普通 R/C 電池的放電率為 25 C，在這種情況下允許 12 A。UBEC 將防止其在任何情況下高于 2 A。軟件中的監視功能可以防止第二種危險。在其中一個模擬引腳上測量電壓，如果低于 7.0 V，機器人將停止工作。

最后，我必須強調，電池應該使用專用充電器充電，并應小心處理，切勿讓充電無人看管。電池應從機器人上拆下（使用魔術貼安裝）并在防火袋中充電，或至少與易燃材料保持安全距離，以免火勢蔓延。還要安全地存放電池。

如果您不熟悉 LiPo 電池，請咨詢當地的 R/C 愛好商店并購買電池以及合適的充電器，可能還有用于充電和存放的防火袋/容器。這些物品通常充滿警告標志。重做它們并使用您自己的良好判斷力。:)

構建機器人

根據提供的文件打印零件。花點時間看一下圖片，并在開始之前弄清楚如何組裝零件。我是斯堪的納維亞人，但這條指令與宜家或樂高指令的水平相差甚遠 :)

首先應組裝髖關節。我使用質量好的雙面膠帶連接零件。它們也可以用膠水粘合，但如果需要修復無法拆卸的損壞部件，一個損壞的伺服系統會導致更換整個接頭。

將伺服支架放在一個伺服的底部，與驅動軸對齊。然后加入另一個軸垂直的伺服。下圖顯示了前后左右的髖關節。對于另外兩個角，應制作鏡像接頭。

在繼續之前，最好確保所有 12 個舵機都居中。最好的方法是組裝 PCB（或面包板，見下文），連接所有伺服系統并加載代碼。當 Arduino 啟動時，所有舵機將居中（命令信號 90 度）。機器人組裝完成后，將需要稍后微調中心位置。

下一步是連接稱為大腿的部分，即腿組件的“上肢”。該部件具有與通常與伺服一起交付的伺服喇叭裝配在一起的凹槽。將喇叭粘在凹槽中。確保使用膠水來連接 3D 打印材料和喇叭制成的尼龍塑料。我用的膠槍效果很好，但我在使用 CA 膠水方面取得了一些成功（有些品牌有效，其他品牌無效）。

大腿以 60 度角與髖關節相連。當舵機居中時，嘗試找到一個盡可能接近該角度的位置。用提供的螺絲（通常是隨伺服提供的三個中較短的一個）將喇叭固定到伺服花鍵上。下面是兩張組裝好的大腿和臀部的照片，為了清楚起見，伺服喇叭沒有包括在內（或者從我這邊的懶惰出發從未建模）。

腿的下部也應組裝。在這種情況下，伺服系統使用螺釘連接到腿部。隨伺服提供螺釘（通常是兩個較長的“木”螺釘）。

現在可以將腿組裝到身體上。我稱之為“保險杠”的兩個部分位于機器人的前部和后部（就像汽車上的保險杠）。它們有伺服喇叭的凹槽，就像大腿部分一樣。將角粘到它們身上。然后將大腿的伺服支撐滑入身體的相應孔中。當這在兩側都完成時，該組件可以由保險杠固定。讓腿以大約 12 度的角度向外突出（腿的腳趾向外 20 毫米）。保險杠通過使用剩余的（較長的）伺服螺釘固定在車身上。

最后可以連接機器人的小腿。它們應該與大腿相反的方向傾斜，使腳尖正好位于每個腿組件的髖關節下方。

這樣機器人就組裝好了。它應該如下圖所示。請注意，與頂部圖像和電影剪輯相比，機器人的設計略有變化。車身經過重新設計，以簡化并打造更堅固的設計。髖關節的伺服支撐和喇叭交換了位置。所以根據3D圖像組裝，避免被照片和電影剪輯混淆。

當然，每個關節的角度不可能完全符合要求的角度，SG-90 舵機上的花鍵數量為 21，導致兩個位置之間的角度為 17 度。您最多可以在 10-20 度范圍內組裝機器人，剩余的誤差必須通過更改代碼中的中性位置來調整，請參閱本說明的進一步內容。再次連接所有伺服系統并啟動 Arduino 并檢查中性位置并在需要時進行一些機械調整（移動一個或兩個樣條線）可能是個好主意。與伺服系統一起工作時，往往會意外轉動伺服系統。

連接電子設備

有兩種選擇，將所有東西都放在一個面包板上，或者使用提供的 Fritzing 文件生產 PCB。如果在將所有電源線和地線連接到伺服系統時不小心，您可能會遇到面包板中的電壓問題。在極端情況下，一臺伺服器可能會消耗 600 mA 的電流，而不良的連接會導致行為不穩定。PCB 的電源線有非常寬的銅跡線，因此如果您正確焊接，它將正常工作。

我的設計中沒有電源開關。只需連接電池即可開啟和關閉機器人。如果你想添加一個，它應該在電池連接器之后，切斷 Arduino 和 UBEC 的 7.4 V 電源。

面包板版本

可以將 Pro Mini、伺服連接器和大多數其他電子設備放在一個半尺寸的面包板上。我在下圖中繪制了示意圖。確保使用短跳線，尤其是用于伺服系統的 5 V 電源和接地連接。伺服連接器只是超長的公頭，被切成三塊并壓入面包板。

圖片中沒有顯示的是電池和UBEC。可能有一些焊接來解決這個問題，以便將連接器配件連接到電池上。從連接器兩根跳線應連接到面包板的下部“電源軌”，以便為 Pro Mini 供電（連接到 RAW 和 GND）。還將兩個電阻從 7.4 V 電源連接到 A0 引腳。2.2k 來自正極，1k 來自地面。這會將電壓（滿電池時超過 8 V）分壓為低于 5 V 的值，該值可由模擬引腳測量。

UBEC 的輸出端有一個伺服連接器。在上面的“電源導軌”上加一個兩個公頭是相當方便的。把它放在中間的某個地方，如圖所示，以確保伺服系統的功率分配盡可能平衡。

IR 接收器應連接到 A1 并具有 5V 電源。接收器上的針腳足夠長，可以直接插入面包板上的孔中。

下面有一個示意圖和一張關于成品面包板外觀的圖片。請注意，圖片顯示了具有不同引腳和連接的舊版本機器人。它仍然提供了如何連接跳線和伺服連接器的想法。

面包板通過其自粘背面連接到車身上。定位它，使伺服系統連接到引腳 D3、D4 和 D5（示意圖中的右上角）的角位于機器人的前/左角，并確保電路板位于身體的中心（正確的中心重力至關重要）。

PCB版

我在下面添加了一個 Fritzing 文件。這可用于生產 PCB，可以通過從 Fritzing 提供的服務訂購，也可以通過導出用于 PCB 制造的文件。我做了一系列圖片來展示下面的組件。PCB 是為這個機器人定制的，帶有連接到所有伺服、IR 和電壓測量的連接器。但也有從其余引腳斷開的連接器。如果您將來想擴展機器人，這些可用于連接其他設備。

身體上有一些小的“墊子”，可以貼合 PCB 的角落。同樣在這里，帶有 D3 到 D5 連接器的角落應該在前面/左側。PCB上有安裝孔，但我只在機身上使用了一塊雙面膠帶來固定它。它會留在原地。

電池

電池用魔術貼固定在底部。身體上有專門用于此的平面。7.4V/500mAh LiPo 電池的外形尺寸通常約為 55x30x10 mm（上下幾毫米），非常適合這個地方。

最后，機器人可以通過將伺服線捆成漂亮的束來“修飾”，這樣它在行走時就不會被它們絆倒。它還使機器人看起來實際上是一個四足行走的生物，而不是一堆伺服線。:)

敲定

在使用機器人之前，應微調中心位置。這是通過在代碼中編輯數組 serverdeg0 來完成的：

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

這些值的順序是 alfa、beta gamma 和前/左、后/左、前/右、后/右。所以右前方的 beta 是數組中的第八個位置或者是serveddeg0[7]（數組的編號從 0 開始）。

還有一個稱為servodir 的數組定義了舵機的旋轉方向。

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

我使用的舵機逆時針方向從 0 度移動到 180 度。我在某處讀到有伺服系統朝另一個方向前進。在這種情況下，數組servodir 必須始終更改其符號。

啟動 Arduino 并檢查所有伺服系統的角度。采取措施，看看一切看起來都是直的和對稱的。距離和角度應根據下圖。

每次測量很難在精確的毫米范圍內，在厘米范圍內是合理的。查看需要哪些更改并將它們添加/減去數組servodeg0中的值。在一切正確之前，這肯定需要幾次迭代。你將以一個看起來像這樣的servodeg0數組結束（我的一個機器人的一段實際代碼）。最重要的是，你最終應該擁有一個四足支撐并筆直站立的機器人。

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

現在一切都結束了。享受！

可能只是路上的一些提示。

一段時間后，伺服系統可能需要重新校準。中心位置會隨著時間而漂移。只需不時檢查所有內容是否對齊。

如果您已將所有內容都正確，但仍有一個機器人會翻倒，請檢查重心。可以移動電池來平衡這一點，使用魔術貼是一件好事。

再一次。小心對待你的鋰聚合物電池。

進一步改進

通過在這里提交我的機器人，我還邀請人們改進設計，或者添加更多功能，或者做一個稍微不同的布局（更大、更小、更酷）。該代碼應該可以在布局或大小略有不同的機器人上重復使用。下面的草圖顯示了代碼中的不同常量。如果制造了具有不同措施的機器人，所有 IK 和運動功能應該仍然有效。它還顯示坐標已定義，x 指向正向。

當然，如果人們為機器人添加功能會很有趣。遙控器上有幾個按鈕可以被賦予功能（如果按下按鈕，為什么不跳舞或做一些其他的動作）。

我個人嘗試模擬輸入。我還使用了“走路時轉身”的步態，以便能夠在一定程度上引導機器人，或者在陀螺儀或指南針的幫助下糾正路線偏差。我還添加了一個超聲波傳感器和自主行為（避開障礙物）。我目前的項目是將模擬控制與自主相結合，并通過智能手機控制一切。這迫使我學習了很多新東西（Blynk、ESP6822、設備之間的串行通信等），希望我能推出一個改進版的機器人（或者也許有更好技能的人在這方面打敗了我）:)