Триколор 

Собираем роботов-самоходов на Arduino

Julian Horsey собрал этого симпатичного робота-паука на базе Arduino (контроллер Arduino Mega). В конструкции задействовано всего два электродвигателя, которые управляются релейными модулями H-bridge, что позволяет паучку двигаться вперед, назад или медленно поворачиваться за счет изменения направления вращения электромоторов. Управление - со смартфона через Bluetooth. Паук движется сходно с танком или роботом, маневрами которого можно управлять за счет разной скорости вращения двух его колес.

Для интересующихся деталями - дополнительная информация о том, как это сделано. Это не исчерпывающее руководство по сборке, оно получилось бы слишком объемным. Скорее - это набор идей и подсказок, оставляющий простор для творчества.

Шаг 4. Настройка смартфона

Управлять по Bluetooth очень просто. Чтобы посылать команды роботу, Julian Horsey пользовался программой Bluetooth Terminal Programm . Затем перешел на использование Arduino Bluetooth Controller . Вторая программа позволяет раскидать команды по клавишам, как в игровом пульте ДУ. Arduiono преобразует эти нажатия в соответствующие сигналы на выходе. Если вам требуется большая гибкость управления, можете попробовать MIT App Inventor system , но автор робота этого делать не пробовал.

Шаг 5. Все готово

Если кто-то из читателей решит повторить эту разработку и добъется успеха, присылайте нам в сайт фото или ссылку на Youtube с записью - что у вас получилось. Ну а если самостоятельная сборка робота пока что кажется вам слишком сложным делом, загляните на страничку " ", возможно присмотрите что-то, что вам приглянется и покажется посильным делом.

Всем привет. Эта статья небольшой рассказ о том, как сделать робота своими руками . Почему именно рассказ, спросите вы? Всё из-за того, что для изготовления подобной поделки необходимо использовать значительный багаж знаний, который очень трудно изложить в одной статье. Мы пройдёмся по процессу сборки, заглянем одним глазом в программный код и в конечном счете оживим детище «силиконовой долины». Советую посмотреть видео, чтобы иметь представление о том, что в итоге должно получится.

Перед тем, как двигаться дальше прошу отметить следующее, что при изготовлении поделки использовался лазерный резак. От лазерного резака можно отказаться, обладая достаточным опытом работы руками. Точность выступает тем ключом, что поможет завершить проект успешно!

Шаг 1: Как это работает?

Робот имеет 4 ноги, с 3 сервоприводами на каждой из них, что позволяют ему перемещать конечности в 3-х степенях свободы. Он передвигается «ползучей походкой». Пусть она медленная, зато одна из самых плавных.

Для начала нужно научить робота двигаться вперед, назад, влево и вправо, затем добавить ультразвуковой датчик, что поможет обнаруживать препятствия/преграды, а после этого Bluetooth модуль, благодаря которому управление роботом выйдет на новый уровень.

Шаг 2: Необходимые детали

Скелет изготавливается из оргстекла толщиной 2 мм.

Электронная часть самоделки будет состоять из:

  • 12 сервоприводов;
  • arduino nano (можно заменить любой другой платой arduino);

  • Шилда для управления сервоприводами;
  • блока питания (в проекте использовался БП 5В 4А);

  • ультразвукового датчика;
  • hc 05 bluetooth модуля;

Для того, чтобы изготовить шилд понадобится:

  • монтажная плата (предпочтительно с общими линиями (шинами) питания и земли);
  • межплатные штыревые соединители — 30 шт;
  • гнезда на плату – 36 шт;

  • провода.

Инструменты :

  • Лазерный резак (или умелые руки);
  • Суперклей;
  • Термоклей.

Шаг 3: Скелет

Воспользуемся графической программой, чтобы начертить составные части скелета.

После этого в любой доступный способ вырезаем 30 деталей будущего робота.

Шаг 4: Сборка

После резки снимаем защитное бумажное покрытие с оргстекла.

Далее приступаем к сборке ног. Крепежные элементы встроенные в части скелета. Всё, что остаётся сделать — это соединить детали воедино. Соединение довольно плотное, но для большей надежности можно нанести по капле суперклея на элементы крепежа.

Затем нужно доработать сервоприводы (приклеить по винту напротив валов сервоприводов).

Этой доработкой мы сделаем робота более устойчивым. Доработку нужно выполнить только для 8 сервоприводов, остальные 4 будут крепиться непосредственно на тело.

Прикрепляем ноги к связующему элементу (изогнутая деталь), а его в свою очередь к сервоприводу на теле.

Шаг 5: Изготавливаем шилд

Изготовление платы довольно простое, если следовать представленным в шаге фотографиям.

Шаг 6: Электроника

Закрепим выводы сервоприводов на плате arduino. Выводы следует соединять в правильной последовательности, иначе ничего не будет работать!

Шаг 7: Программирование

Пришло время оживить Франкенштейна. Сначала загрузим программу legs_init и убедимся в том, что робот находится в таком положении, как на картинке. Далее загрузим quattro_test, чтобы проверить реагирует ли робот на базовые движения, такие как движение вперед, назад, влево и вправо.

ВАЖНО: Вам необходимо добавить дополнительную библиотеку в программную среду arduino IDE. Ссылка на библиотеку представлена ниже:

Робот должен сделать 5 шагов вперед, 5 шагов назад, повернутся влево на 90 градусов, повернутся вправо на 90 градусов. Если Франкенштейн делает всё правильно, мы двигаемся в верном направлении.

P . S : установите робота на чашку, как на стенд, чтобы каждый раз не выставлять его на первоначальную точку. Как только тесты показали нормальную работу робота, можем продолжать испытания, поставив его на землю/пол.

Шаг 8: Инверсная кинематика

Инверсная (обратная) кинематика – именно она в действительности и управляет роботом (если вам не интересна математическая сторона этого проекта и вы торопитесь закончить проект можете пропустить данный шаг, но знание того, что движет роботом всегда будут полезны).

Простыми словами инверсная кинематика или сокращенно ик – «часть» тригонометрических уравнений, что определяют положение острого конца ноги, угла каждого сервоприводи и т.д., что в итоге определяют пару предварительных установочных параметров. Для примера, длина каждого шага робота или высота на которой будет располагаться тело во время движения/покоя. Используя эти предопределенные параметры, система будет извлекать величину, на которую следует сдвинуть каждый сервопривод, для того чтобы управлять роботом при помощи задаваемых команд.

Один из вариантов создания роботов на основе Arduino и других компьютерных плат — использование готовых корпусов и разработка собственной начинки. На рынке можно найти достаточное количество таких каркасов, которые включают также механическую базу (колеса, гусеницы, шарниры и т.п.). Взяв готовый корпус, вы сможете целиком сосредоточиться на программировании робота. Предлагаем небольшой обзор таких корпусов-скелетов роботов.

Почему нужны корпусы и скелеты роботов?

Создание робота — процесс многоэтапный, включающий в себя и проектирование, и сборку, и программирование. Знания робототехники граничат с физикой, механикой, алгоритмизацией. Начинающие юные робототехники по разному тяготеют к каждому из этапов создания роботов. Кому-то легче дается создание механических частей робота, но программирование вызывает сложности. Кто-то, наоборот, с легкостью программирует логику поведения робота, но процесс создания механической модели вызывает сложности.

Тем, кому процесс проектирования механики дается с трудом, и больше заводит именно процесс подбора различных датчиков и проектирование логики робота, стоит обратить внимание на различные механические базы для построения роботов. Они продаются без электроники, по сути это корпус или скелет будущего робота. Осталось только добавить им «мозг» (например, плату Arduino ), нервы и мышцы (датчики и приводы) и оживить их (запрограммировать). Иногда такие корпуса даже содержат моторы или датчики.

Платформы на 4 колесах — основа машинки Arduino

Платформа на колесах — это, безусловно самая простая и эффективная база для построения робота. В продаже есть много различных заготовок такого типа. Некоторые из их:

Платформа для создания робота на Arduino, выполненная из алюминиевого сплава. Платформа оснащена 4 колесами, к каждому из которых подключен отдельный мотор. Моторы идут в комплекте. Платформа может использоваться как основа автомобиля или любого другого ездящего робота. Размер платформы около 20 на 20 см. Винты, гайки и провода для подключения моторов также в комплекте.

Такое основание для вашего будущего робота можно купить примерно за $75 на сайте интернет-магазина DX.com .

Еще одна четырехколесная платформа для создания робота на базе Arduino привлекает внимание своими колесами. Они имеют диаметр 80 мм, ширину 60 мм, выглядят элегантно и надежно. У этой платформы акриловое основание толщиной 1,5 мм. Корпус имеет хорошую устойчивость и подходит для создания быстро передвигающегося робота. Aliexpress продает этот робот-скелет за $60. Комплектация аналогичная предыдущей — колеса, двигатели, провода и винты уже есть в наборе.

Двух- и трехколесные шасси для создания ездящих роботов

В следующей трехколесной платформе для создания робота на базе Arduino моторы подключены только к двум колесам и это снижает стоимость. В интернет магазине DX.com такое шасси продается за $20,5. Основание выполнено из прозрачного акрила. В комплекте 2 мотора, винты, гайки, провода, батарейный блок для 4 АА батарей. Размеры примерно 20 на 10 см.

Трехколесной платформе для робота Arduino. Фото dx.com

Двухколесное основание для робота. Фото dx.com

Гусеничные шасси для танков на Arduino

Гусеничные шасси более устойчивые чем те, что на колесах. Плюс в такой конструкции достаточно всего двух моторов, чтобы привести систему в движение, — а значит цена будет ниже, чем у четырехколесных платформ. Самая распространенная модель на гусеницах — это, конечно, танк, однако такая база может стать платформой для робота любой формы.

Гусеничное шасси для создания робота-танка на базе Arduino. В комплекте 2 мотора, гусеничная передача, винты, гайки. Размеры этого шасси 18,7 см х 11,5 см х 4,3 см. В интернет-магазине DX.com такое гусеничное шасси стоит $42.

Гусеничное шасси для робота. Фото dx.com

Корпус для робота-паука на Arduino

Паук — достаточно популярная форма роботов, поэтому в продаже имеются и такие корпуса-скелеты.Конструкция паука в отличие от роботов на колесах предусматривает движение в любую сторону.

Первый паук а в нашем обзоре стоит около $100 на Aliexpress .

Корпус для робота паука. Фото: aliexpress.com

В комплекте этого корпуса нет электроники, сервоприводов, их нужно покупать отдельно. С данной моделью паука рекомендовано использовать сервопривод MG 995 Servo. Забавно, что такой привод на сайте Aliexpress можно купить как за 33 доллара, так и за за 5 долларов (правда в этом случае придется купить 10 штук). Привод нужен под каждую лапу.

Кроме того для управления большим количеством сервоприводов потребуется многоканальный контроллер управления сервоприводами . Итоговая стоимость паука может получиться достаточно высокой.

Еще один скелет шестиногого робота-паука или даже робота-таракана привлек мое внимание своей ценой в $ 42,5. Робот на шести металлических лапах должен получиться пусть и не очень маневренный, зато устойчивый. Скелет этого таракана имеет длину 24 см, ширину — 18 см, высоту — 12 см. Приобрести этого черного таракана-робота можно на сайте интернет-магазина Aliexpress.

Корпус для робота таракана. Фото: aliexpress.com

Каркасы роботов гуманоидов

Достаточно интересной кажется модель робота-гуманоида стоимостью около $ 105. Здесь также нет электроники, зато много простора для творчества. Создание робота-гуманоида и программирование человеческой походки — непростые и интересные задачи. Начать пробовать свои силы в самостоятельном создании робота-гуманоида можно с покупки такого скелета на сайте интернет-магазина Aliexpress. Если верить описанию производителя, то на основе этого карскаса можно сделать даже танцующего робота.

Оболочка для робота гуманоида. Фото: aliexpress.com

Готовый робот, готовый корпус или создание Arduino робота с нуля?

Готовые полнокомплектые роботы на базе платы Arduino подойдут и для тех, кого электрические схемы не особо привлекают. Приобретая работающую модель робота, т.е. фактически готовую высокотехнологичную игрушку, можно разбудить интерес к самостоятельному проектированию и робототехнике. Открытость платформы Arduino позволяет из одних и тех же составных частей мастерить себе новые игрушки. Цена таких роботов колеблется в районе $ 100, что в общем относительно немного.

Готовые корпуса , которые мы рассмотрели в этом обзоре, предполагают бОльшую фантазию и бОльшее разнообразие получаемых роботов. В них вы не ограничены платами Arduino, можно использовать и другие «мозги». Преимущество этого способа перед созданием робота с нуля в том, что вы можете не отвлекаться на поиск материалов и разработку конструкций. Такой робот выглядит вполне серьезно и походит на промышленного.

Самым интересным, но и самым сложным, на наш взгляд, является полностью самостоятельное создание робота . Разработка корпуса из подручных материалов, приспособление для этих целей игрушечных машинок, и другой отслужившей техники может стать не менее увлекательным, чем программирование поведения робота. Да и результат будет совершенно уникальным.

Если вы только начинаете изучение Arduino робототехники, рекомендуем наш курс

Все цены приведены по состоянию на 22.05.14.

Много чего предстоит сделать, прежде чем мы дойдем до вот этой картинки:

Опуская росказни о том, как именно я пришел к мысли построить гексапода (это были тонны видео на ютубе), перейду сразу к процессу выбора деталек. Это был январь 2012-го. Я сразу знал, чего я хочу от своего робота, а чего - нет. Я хотел:

Каждая нога должна иметь 3 степени свободы - 3dof (3 dimensions of freedom). Потому что более простой вариант 2dof - не дает такого ощущения насекомого, а 4dof - излишне, 3dof и так позволяет свободно перемещать кончик ноги в 3д пространстве;
- 6 ног; снова-таки, это уже не 4 (тогда робот неуклюже скачет), но и еще и не 8, как у пауков и уже чрезмерно;
- небольшой;
- дешевый;
- минимум плат и соединений;

Пост большой.

Первой конечно нужно было выбирать motherboard для крохи. Много как хорошего так и плохого успел почитать к тому времени об Arduino. Но именно на него и смотрел, как на основной вариант. Паять контроллеры самому - времени не было, а брать более продвинутые платы с ARM cpu, например - дорого, да и разбираться, как их программить, как работать с ШИМ выводами и т.п. А ардуина: IDE запустил, код напедалил, upload нажал - и привет, оно тебе уже моргает. Красота! ;)

Сначала я начал смотреть на arduino mega и клонов, т.к. кол-во ШИМ выходов, которыми можно рулить сервами у них было предостаточно. Напомню, что для 3dof гексапода нужно 3*6 = 18 сервов, и раздельных каналов управления ими. Но потом я нашел настоящий Яззь среди arduino mega, это плата от Dagu, звать которую Red Back Spider Controller. Вот она на ebay.

Она предлагает все свои выходы в виде готовых 3-х штырьков (земля, питание, сигнал), и разввязку по питанию. Питание самого контроллера стабилизировано, а на разъемы двиглов идет как есть (UPD: не как есть, а тоже стабилизированные 5 вольт. И повидимому развязано с питанием контроллера, т.к. помех в работу контроллера 18 одновременно работающих сервов не вносят). Это позволяет просто подать на клемму питания 7-30 вольт достаточной мощности (питальника от eee pc 901 на 12В и 3А - оказалось достаточно для жужжания всеми 18 сервами) и не морочить голову с раздельным питанием логики и двиглов. Также это позволит в будущем легко посадить все это чудище на пачку Li-Po аккумуляторов на 7.4 вольт. И при всем этом, с программной точки зрения - это обычная ардуино мега, совместимая с софтом и либами, да и железом (кроме шилдов, устанавливающихся прямо на оригинальную mega - они не покатят). Правда цена еще выше чем даже оригинальная мега, но все остальные плюсы перевесили это.

Далее сервоприводы. На ebay по запросу micro servo их много разных. Я взял самые мощные из самых маленьких и дешевых, весом 9 грамм, пластмассовыми редукторами. Если брать лоты где их пачками шлют - выходит дешевле. Я брал 3 пачки по 6 кажется, и вышло меньше $2 штука. Забегая вперед, скажу, что жалею что не потратил больше и не взял сервы с металлическими шестернями и шариковыми подшипниками. У этих пластмассовых оказались довольно заметные люфты, и характерный хруст при чрезмерном усилии когда шестерни проскакивают. Из-за люфтов - кинематику довольно тяжело настроить точно (да это вообще самое тяжелое оказалось).

Вот собственно и все что я заказал, с доставкой это вышло примерно $100. Батарейки и передатчики\приемники для контроля и радиоуправляемости - оставил на потом. Потому что радиоуправляемая машинка у меня есть и не интересна, а что меня действительно интересовало - это ноги! Видео плавно ходящих гексаподов на ютубе - завораживало , я смотрел его, пересматривал, и каждый раз слезы котились по щекам, и я сдавлено хрипел «хочу!». Хочу не заказать такую готовую штуку, а хочу сделать самому что-нибудь такое!

Пока ждал заказа, читал, как же просвященные люди оживляют свои творения. Конечно сразу же всплыла инверсная кинематика (перевод). Если сказать просто и сразу про шарнитные «конечности», то прямая кинематика - это когда на вход подаются углы шарниров, а на выходе мы имеем модель конечности в пространстве, и координаты крайней точки конечности. Обратная же кинематика - очевидно работает наоборот - на вход поступают координаты крайней точки конечности, куда нам надо дотянуться, а на выходе мы получаем углы, на которые нужно повернуть шарниры, чтобы это осуществить. Сервоприводы как раз получают на вход угловое положение, в которое им нужно повернуться (по одному сигнальному проводу, закодированное ШИМ / PWM).

Начал писать. Начал с того, о чем читал: продумывать реализацию ИК по методу, описанному там . Но быстро пришло ощущение, что для моего случая он чрезмерно сложен. Причем как громоздок в реализации, так и вычислительно очень сложен - расчет идет итеративно. А у меня 6 ног, для каждой из которых нужно считать ИК, и всего 16Мгц не самой шустрой архитектуры AVR. Но и всего 3 степени свободы. И несложно догадаться, что до произвольной точки в «области дотягивания» можно дотянуться только одним способом. Решение уже созрело в голове.

Но тут пришел февраль и посылки - одна из китая, другая из UK. Первым делом я конечно просто поигрался с платой ардуино - поморгал светодиодом и попиликал в подключеный туда динамик. Потом занялся реализацией собственно ИК, уже в железе. Для чего соорудил прототип ноги из подручных материалов (довольно мягкая пластмасска, которую легко резать ножницами, шурупы и насадки - все из комплектов сервоприводов). Эту ногу терминатора закрепил прямо на плату ардуины. Можно рассмотреть, как бюджетно выполнены сочленения.

Полюбовался на это дело, и помечтал, что если я на основе этого робота в будущем спаяю терминатора, который объявит войну человечеству, то потом Джон Коннор со Шварцнеггером вернутся ко мне сюда в прошлое, и отберут этот прототип и расплавят его в Ородруине. Но никто не вернулся, ничего не отобрал, и я спокойно продолжил.

Оказалось, что ИК совсем не нужно бояться, в моем случае все свелось к банальной геометрии-тригонометрии. Чтобы проще было обращаться к суставам, обратился к википедии и почитал про насекомых. У них есть специальные названия для элементов конечности:

На русском тоже есть свои и очень интересные названия для этого, но «тазик», «вертлуг», «голень» и т.п., находясь в коде, не давали бы мне заснуть. Потому я 3-х конечностям и соответствующим сервам оставил названия Coxa, Femur, Tibia. Из прототипа ноги выше видно, что у меня для coxa даже нет отдельной детали. Это просто два серва, скрепленных резинками. Femur - реализован полоской пластика, к которой с обоих сторон крепятся рычаги сервов. Таким образом, последний оставшийся серводвижок - является началом tibia, для удлинения которой к нему прикручен еще кусок пластика.

Запустил редактор, не мудствуя создал файл Leg.h, И в нем класс Leg. Ну и кучу вспомогательной мути.) Пускай в пространстве есть точка A(ax, ay, az), к которой нужно дотянуться. Тогда вид сверху выглядит так:

На рисунке я сразу показал и способ вычисления первого угла - это угол поворота серва, управляющего Coxa, вращающего всю конечность в горизонтальной плоскости. На схеме красным сразу обозначены переменные, используемые в коде (далеко не все). Не очень математично, зато удобно. Видно, что интересующий нас угол находится элементарно. Сначала primaryCoxaAngle - находится просто углом (0;A) к оси X (что эквивалентно углу точки A в полярных координатах). Но на схеме видно, что при этом сама нога - не распаложена под этим углом. Причина в том, что ось вращения coxa не находится на «линии ноги» - не знаю как это правильно сказать. Не находится в плоскости, в которой вращаются остальные 2 сустава и находится кончик ноги, вот. Это можно легко компенсировать, посчитав additionalCoxaAngle (как его считать - даже не утруждаюсь останавливаться, ну ведь все же были в школе, правда?).

Итого, у нас есть первый кусочек кода, это внутренности метода reach(Point& dest):

Float hDist = sqrt(sqr(dest.x - _cStart.x) + sqr(dest.y - _cStart.y)); float additionalCoxaAngle = hDist == 0.0 ? DONT_MOVE: asin(_cFemurOffset / hDist); float primaryCoxaAngle = polarAngle(dest.x - _cStart.x, dest.y - _cStart.y, _thirdQuarterFix); float cAngle = hDist == 0.0 ? DONT_MOVE: primaryCoxaAngle - additionalCoxaAngle - _cStartAngle;

Здесь dest - это точка, куда нажо тянуться, _cStart - координаты точки крепления (и центра вращения) coxa, в hDist считаем расстояние от _cStart до dest в горизонтальной плоскости. DONT_MOVE - это просто флаг, означающий что coxa не нужно никуда вращать, а оставить в текущем положении (т.к. dest - где-то прямо на оси вращения coxa - редко, но бывает). Вот cAngle - это уже тот угол, на который нужно будет отклониться сервоприводу от его начального угла (который находится в середине его рабочего диапазона). Видно что также юзается _cStartAngle - это угол в пространстве, на который повернут серво по деволту, при монтаже. Про _thirdQuarterFix расскажу позже, если не забуду.

При этом, задача внезапно сведется к поиску точки пересечения 2-х окружностей. Одна - в точке, откуда «растет» наша femur, вторая - точка, куда нам надо дотянуться (с уже локальным 2d координатами). Радиусы окружностей - длины femur и tibia соответственно. Если окружности пересекаются - то в одной из 2х точек можно расположить сустав. Мы всегда выбираем верхнюю, чтобы «колени» у чудища были выгнуты вверх, а не вниз. Если не пересекаются - то мы не дотянемся до целевой точки. Еще немного кода, переход в плоскость производится элементарно, только пара подводных камней еще учтена и задокументирована в коментарии, чтобы я не ломал голову потом, разбирая код. Для простоты, в этой локальной координатной «плоскости ноги» я выбрал началом координат точку, откуда растет femur:

// Moving to local Coxa-Femur-target coordinate system // Note the case when hDist <= _cFemurOffset. This is for the blind zone. // We never can"t reach the point that is nearer to the _cStart then // femur offset (_fStartFarOffset) float localDestX = hDist <= _cFemurOffset ? - _fStartFarOffset: sqrt(sqr(hDist) - sqr(_cFemurOffset)) - _fStartFarOffset; float localDestY = dest.z - _fStartZOffset; // Check reachability float localDistSqr = sqr(localDestX) + sqr(localDestY); if (localDistSqr > sqr(_fLength + _tLenght)) { log("Can"t reach!"); return false; }

Теперь localDestX и localDestY - это координаты целевой точки. Все что осталось - найти точку пересечения окружностей с центрами в (0,0) и (localDestX, localDestY), и радиусами _fLength и _tLength (соответственно длина femur и длина tibia). С этим тоже школьник справится, но тут я допускал довольно много ошибок, потому для проверки себя и вообще чтобы любой мог проверить, что это за стремные формулы, оставил ссылки на источники, где ясно и понятно разжована эта элементарная геометрическая задача:

// Find joint as circle intersect (equations from http://e-maxx.ru/algo/circles_intersection & http://e-maxx.ru/algo/circle_line_intersection) float A = -2 * localDestX; float B = -2 * localDestY; float C = sqr(localDestX) + sqr(localDestY) + sqr(_fLength) - sqr(_tLenght); float X0 = -A * C / (sqr(A) + sqr(B)); float Y0 = -B * C / (sqr(A) + sqr(B)); float D = sqrt(sqr(_fLength) - (sqr(C) / (sqr(A) + sqr(B)))); float mult = sqrt (sqr(D) / (sqr(A) + sqr(B))); float ax, ay, bx, by; ax = X0 + B * mult; bx = X0 - B * mult; ay = Y0 - A * mult; by = Y0 + A * mult; // Select solution on top as joint float jointLocalX = (ax > bx) ? ax: bx; float jointLocalY = (ax > bx) ? ay: by;

Все, осталось еще чуть-чуть - по полученным координатам вычислить собственно углы для femur и tibia сервов:

Float primaryFemurAngle = polarAngle(jointLocalX, jointLocalY, false); float fAngle = primaryFemurAngle - _fStartAngle; float primaryTibiaAngle = polarAngle(localDestX - jointLocalX, localDestY - jointLocalY, false); float tAngle = (primaryTibiaAngle - fAngle) - _tStartAngle;

Опять элементарщина - угловые координаты и всё. Я надеюсь, именование переменных уже должно быть понятным, к примеру, _fStartAngle - это femur start angle, угол на который femur направлен по дефолту. И последняя строчка метода reach() (он сказал поехали, и махнул рукой):

Move(cAngle, fAngle, tAngle);

Метод move уже непосредственно отдает команды сервам. На самом деле, в нем еще потом пришлось добавить всякие штуки для защиты от нехороших углов (на которые серво повернуться не может, но будет пытаться), а также для других ног, которые заркально расположены и/или направлены в другие стороны. Но пока же мы работаем с одной только лапой.
Эти куски - это уже финальный код, который далек от совершенства, и наверняка его можно значительно улучшить. Но он работает! Ни разу не выйдя за школьный курс геометрии-тригонометрии, мы реализовали полнофункционалную инверсную кинематику для 3dof ноги! Да еще и получаем решение сразу, за одну итерацию. Чтобы это все работало, ногу нужно было тщательно измерить, и сконфигурировать класс полученными данными. в том числе угловыми, которые сложнее всего измерять на готовом изделии. Может если проектировать в автокаде и наделать красивых рендеров - было бы легче с измерением углов, но у меня не было ни времени, ни желания заниматься этим пафосом.

Февраль только начался, а видео с ногой было уже готово. Для проверки ИК, я заставлял ногу описывать всякие фигуры в пространстве (для этого нужно было последовательно вызывать reach, обходя точки на прямоугольнике, или окружности, код скучен и уныл, потому не привожу (а закончив эксперименты с обведением примитивов, я его вообще выпилил)):

Дальше нужно было заканчивать играться с этой поделкой, на одной ноге далеко не упрыгаешь (хотя такой робот вышел бы действительно интересным). Но мне нужен гексапод. Отправился на ближайшую барахолку искать оргстекло. Нашел 2 отличных куска - один 3 мм толщиной (как раз для туловища, подумал я), другой 2 мм и синий (отличные конечности, в тон сервоприводам). Еще через пару недель я выкроил вечер, чтобы что-нибудь сделать из этого. Сделал наброски на бумаге. примерил - вроде все ок, дальше дело за ножовкой.

И вот оно, чудище заморское, шестилапое. Когда я тестил одну ногу, я питал это дело каким-то левым питальником от внешнего винта. Хватало. Но питать 6 ног от него было уже страшновато. Потому я на некоторое время повесил руки, думая что мне нужно еще раздобыть подходящий питальник. Но оказалось все гораздо проще, я выше уже упоминал - подошел питальник от eee pc 901. Ну и отлично.

Отладить работу 6-ти ног оказалось еще сложнее, чем написать движок одной ноги. Половина ног была зеркально отражена относительно другой. Кроме того направлены все в разные стороны. Вобщем конфигурировал и настраивал я все очень долго, и это меня не очень вдохновляло, т.к. средств удобной отладки не было, максимум на что я мог расчитывать - вывод лога в Serial. И тот нормально работал из основного *.ino файла, а из подключенного Leg.h - уже не виделся нужный объект. Наворотил костылей для лога (facepalm). Со временем отрефакторю. А тут еще и весна пришла, велосезон был открыт в полную силу, и я забросил своего шестилапого питомца в шкаф. Так прошло все лето и теплая часть осени.

Но пошли дожди, стало холодно, и гексапод был извлечен. Ноги его были отлажены, в том числе был введен тот самый _thirdQuarterFix для функции расчета polarAngle. Проблема была в том, что 2 ноги (левая средняя и левая задняя) двигались так, что большую часть времени находились в III четверти:

А polarAngle у меня была наивная - она возвращала углы от -пи до пи, относительно оси X. И, если иногда одной из этих 2-х ног нужно было повернуться во II-ю четверть, то значение polarAngle прыгало от -пи до пи, что собственно негативно влияло на дальнейший расчет. Пофиксил костылем - для этих 2-х ног polarAngle считается «иначе». Стыдно, стыдно мне за код, но весь проект - это proof of concept, единственная цель которого - просто понять, могу я собрать реалистично двигающегося гексапода или нет. Потому код должен работать, и прямо сейчас. А уж потом рефакторинг - перерефакторинг.

Справившись с 3-й четвертью, начал педалить паттерны шага. Для этого ввел в класс Leg точку default, т.е. в которой нога находится, когда робот стоит смирно и ровно. Эту точку можно тюнинговать, главное чтобы все ноги были на одной z координате (чтобы при этом ноги реально физически находились на одной плоскости, у Leg есть еще самая низкоуровневая tuneRestAngles()). А в пределах одной Z координаты, их можно двигать почти как угодно. Почти - потому что диапазон движения не бесконечен, и чтобы при шаге не выходить за рамки этого диапазода - default положение ног старался разместить где-то поближе к центру этого диапазона.

Код тут в тексте уже не привожу, он слишком элементарен, и я в конце приведу ссылки на полную версию всех сорцов - заодно научусь пользоваться github.

Последовательность шага выбрал простую - 3 ноги на земле, 3 - в воздухе переставляются. Таким образом, координаты ног относительно их default положения - можно разделить на 2 группы. Для этих двух групп я и проворачивал шаг в цикле (см функцию walk() в Buggy.ino). А в итоге, каждая нога вычисляла себе свою индивидуальную координату, исходя из своей default координаты.

И он пошел! Но пока только вперед. На ноги надел ему резинки, чтобы не так скользил на линолеуме. И бросился снимать это на видео, чтобы показать друзьям.

До а-пода, конечно, далеко. Но я же не закончил еще.) Попедалил еще вечер - и добавил возможность двигаться в любом направлении (но не поворачивая корпус.)). Плюс для сглаживания между движениями добавил функцию (smoothTo()), которая аккуратно перемещает ноги (поднимая вверх, опять в 2-х группах, одна из которых всегда внизу, тварь на ней стоит, пока другая поднимается и перемещается) в новое положение. Это нужно чтобы тварь не дергала резко ногами, сменяя направление движения (этой фичи ох как не хватает многим игровым персонажам прошлых лет). И он резво забегал в любом направлении - вбок, по диагонали:

Оба грандиозных файла сорцов можно смотреть


Для тех, кто решил проверить свои силы в области роботостроения и заодно желает изучить возможности платформы Ardunio, есть отличный способ это сделать, собрав робота-паука, который будет описан в этой статье. В качестве основных силовых элементов, благодаря которым робот будет передвигаться, являются сервоприводы. Что касается мозга, то здесь в качестве него выступает Arduino , а также Fischertechnik. По словам автора, робот получился довольно интересным и перспективным.

Материалы и инструменты для изготовления:
- набор лезвий;
- термоклей;
- дремель (нужны очень тонкие сверла);
- винтоверт;
- дрель со сверлом 7/32;
- крестообразная отвертка;
- лезвие;
- отсек для батареек;
- макетная плата.


Из электроники понадобится:
- восемь микросервоприводов с кронштейнами;
- 6 батареек типа АА и прищепка;
- много перемычек и контактных разъемов.

В качестве программной части будет нужна Arduino с блоком питания.

И запчастей необходим набор Fischertechnik.

Процесс изготовления робота. :

Шаг первый. Создаем каркас робота
Чтобы изготовить каркас понадобится набор Fischertechnik. Как он должен выглядеть, можно увидеть на фото. Для создания каркаса нужны три высоких «кирпичика», между ними должно иметься четыре отверстия. Конкретно в этой самоделке будет использоваться элемент с 11-ю вырезами. Важно убедится в том, чтобы все сервоприводы были рабочими.








Шаг второй. Устанавливаем сервоприводы
Сервоприводы будут устанавливаться между «кирпичиками». Сервоприводы фиксируются с помощью винтов, для этого предварительно в местах крепления с помощью дремеля нужно просверлить отверстия. Сверлить нужно отверстия самого малого диаметра. Впрочем, для этих целей подойдет и термоклей, но в таком случае конструкция будет неразборной.

Второй сервопривод устанавливается на другой стороне вспять.








Шаг третий. Установка одного серводвигателя на другой
В первую очередь нужно разобраться с элементами крепления сервоприводов. Если двигатель вращается в противоположную сторону, его нужно повернуть до упора вправо. Как это сделать, можно увидеть на фотографии.

Конкретно в данном случае винт сервопривода должен выступать над пластиком, благодаря этому он будет подвижным. В корпусе второго сервопривода нужно проделать углубление под головку винта.
Что










Что-бы соединить два сервопривода используется горячий клей.

Шаг четвертый. Подсоединяем ноги
Как изготовить ноги, можно увидеть на фото. Всего их должно быть четыре.






После того как ноги будут собраны и подсоединены к роботу, конструкция должна выглядеть так, как на фото.


Шаг пятый. Создание диаграммы для соотношения
Диаграмма нужна для того, чтобы понять, на какой угол способен поворачиваться каждый из сервоприводов. Далее каждому сервоприводу присваивается определенный номер, и уже на основе этого номера будет создаваться прошивка для робота.


Шаг шестой. Макетная плата
Нужно вытащить все 30 перемычек. Далее все нужно соединить проводами так, как указано на схеме. На каждом сервоприводе есть три контакта, один отвечает за заземление, через один подается питание, а еще один нужен для контроля двигателя.

Контакты сервопривода Vcc и GND нужно соединить с контактами макета Vcc и GND. Также к каналам макета GND и Vcc подключается источник питания мощностью 7.5В.

Провода для управления сервоприводом окрашены в оранжевый и желтый цвет. Они подключаются к контактам 2 и 9. К примеру, контакт от первого двигателя подключается ко второму контакту на Arduino. Второй двигатель подключается уже к третьему контакту и так далее.



Шаг седьмой. Настраиваем сервоприводы.
Теперь настало время создать программный код для робота. В первую очередь на Arduino нужно создать новый проект, чтобы синхронизировать двигатели. Как должен выглядеть код, можно увидеть на фото. Благодаря этому коду происходит выравнивание ног робота.


Чтобы паук мог подняться, нужно создать еще один проект под названием Up и Down. Благодаря этому коду ноги паука смогут двигаться вверх и вниз.


Чтобы робот мог двигаться вперед и назад нужно также создать еще один проект. Как он будет выглядеть, можно увидеть на фото.


Ну и наконец, чтобы робот пошел, нужно скомбинировать переднюю и заднюю часть. Как можно отметить, программный код робота состоит из четырех блоков.

Вот и все, робот готов. Теперь на него можно устанавливать различные датчики, которые позволят роботу ориентироваться в пространстве. Также можно сделать роботу руки, чтобы он мог брать предметы. В общем, здесь уже все зависит от энтузиазма и воображения роботостроителя. Впрочем, даже в таком виде робот ведет себя довольно интересно.

Прошивка: (скачиваний: 152)