1 機械硬體組裝過程
1.1 四足機器人的機械結構
體結構:架構式結構。
組成:左右側闆、電控元件安裝平台、連接配接件、架構件等。
1.1.1 左右側闆
左側闆:包括左邊的四個舵機、兩條并聯腿。
右側闆:結構與左側闆相同,也有四個舵機、兩條并聯腿。
1.1.2 電控元器件安裝平台
兩側闆中間的連接配接件(白色),充當電控元器件安裝平台:上面安裝有主要闆(藍色)、穩壓闆(紅色)、舵機擴充闆(綠色)。背面是電池,由十字架結構托起固定。
1.1.3 連接配接件
連接配接件是帶有通孔的突起,四個凸起形成小槽連接配接;通過通孔和左右側闆上的孔相連接配接。
1.1.4 架構件
架構件共4個,頭部上下各1個,尾部也一樣上下各一個。
1.2 機械制作
機械架構:3D列印
(1)3D程式:Github下載下傳三維圖
位址:http://github.com/ToanTech/py-apple-quadruped-robot
(2)使用CURA打開STL,設定列印參數
(3)3D列印
1.3 機械部分的組裝過程
1.3.1裝腿
(1)備齊零件
每個并聯腿有以下幾部分:2個大腿杆、2個小腿杆、1個連接配接小圓柱、1個足端(貼好自行車内胎以防滑)、螺絲。排布零件,注意前後2腿結構對稱。
(2)組裝并聯小腿
白色短杆在上,黑色長杆在下,二者由小圓柱連接配接,使用 M 3 × 20 M3\times20 M3×20的螺絲連接配接。注意不能鎖死,以免卡住。因為簡化設計沒有加軸承,若螺絲太緊就會卡住。
(3)安裝足端
使用 M 2 × 8 ∼ M 2 × 10 M2\times8\sim M2\times10 M2×8∼M2×10的尖螺絲固定足端。
(4)組裝并聯大腿
白色小腿壓在并聯大腿之上,而黑色小腿要壓在另一個并聯大腿的下面,螺絲從背面擰進去,以免螺絲突出造成與側闆的摩擦。
1.3.2安裝舵機
舵機導線穿進方孔,舵機螺絲孔與側闆螺絲孔對齊,用螺絲固定。另一個舵機安裝方法相同。
1.3.3安裝舵片
舵片插入大腿縱孔,用螺絲固定。如果需要,可以考慮事先打磨大腿縱孔。
1.3.4腿與舵機相連
舵片卡到舵機上即可,先不必上螺絲。因為所有機械部分裝好後需要調中位,調好之後再上緊螺絲。
前後腿的舵機對稱安裝。左右兩側闆上的舵機和腿對稱安裝。
1.4 安裝電控闆
3D列印的左側闆有小的螺絲孔,在小孔處用螺絲定位,電控闆上的小孔與螺絲對齊,再将螺絲上緊,完成電控闆與左側闆的組裝。電控闆與右側闆的組裝過程相同。
1.5 安裝架構
共有4個架構,前後對稱。2個寬一些的架構裝在上面,2個窄一些的裝在下面,安裝過程如下:
1.5.1頭部右側上架構安裝
在右側面螺絲孔上擰上螺絲,隻擰進一部分定位,再與架構螺絲孔對齊,最後擰緊螺絲固定。
1.5.2頭部左側上架構安裝
對齊側闆與架構的螺絲孔,擰緊螺絲固定。裝完上面的架構。
1.5.3其它架構安裝
頭側上面的架構安裝完成後,安裝尾部上面的架構。随後安裝頭部下面和尾部下面的架構。安裝方法與頭部上面架構相同。使用的螺絲基本都是m2*10。
下面架構的安裝方式與上面相同。
1.6 安裝電池
電池裝于電控闆背面。用十字架卡住電池,再與電控闆的孔位對準,用螺絲固定。
2 電路連接配接與調試
2.1 連接配接開關、電池
開關和電池按電路圖同名端相連接配接。
2.2 調試穩壓子產品
連接配接:穩壓子產品與開關和電池按電路圖同名端相連接配接。
調試:連接配接電池與穩壓闆,打開開關,穩壓子產品燈亮,用萬用表測穩壓子產品輸出電壓,調電位器的電阻,使輸出為6V。
注意:調好之後關斷電源!
2.3 接電控闆
2.3.1舵機擴充闆
按電路圖同名端相連接配接。
2.3.2接PyBOARD
将PyBOARD和舵機擴充闆相連接配接,其中電源VCC和地線GND分别連接配接,SCL、SDA端分别連接配接Y9、Y10端。
連接配接好之後,打開開關試測,若穩壓子產品和舵機擴充闆上的訓示燈都亮,說明正常,關閉開關。用螺絲将PyBOARD、穩壓子產品、舵機擴充闆三個子產品固定在電控闆上。
2.4 連接配接舵機
首先厘清四足機器人腿的順序:
每條腿對應2個舵機,分别控制并聯腿的前後連杆,每個連杆對應的舵機編号如下:
可見,腿1的後腿接4号,前腿接5号,以此類推,完成全部連接配接。接好之後用紮帶紮起連線,保持整齊。
3 四足機器人控制思路
3.1 硬體系統
硬體部分組成見下圖,各部分功能如下。
(1)電池提供7.4V電壓。
(2)電壓經LM2596穩壓闆後降為6V,為整個系統供電。
(3)PyBOARD是整個控制系統的主要,用來處理來自遙控器的信号,并将遙控器控制信号通過内部程式轉化為舵機的轉角,通過IIC總線輸出給舵機擴充闆。
(4)舵機擴充闆将來自IIC總線的信号轉換為PWM信号,分别控制8個舵機。
3.2 軟體實作思路
軟體流程如下圖所示,機器人的動作指令通過以下過程完成。
(1)遙控器發出的控制信号傳遞給主要程式。
(2)主要程式中的TROT步态函數将遙控器信号轉化為運動參數,并将運動參數生成各腿的足端坐标。
(3)足端坐标送給運動學逆解,轉化為舵機的轉動角度。
(4)轉動角度傳送給PCA9685的處理程式,轉化為IIC協定信号,發出送到PCA9685的舵機擴充闆,實作對舵機的一次控制。
如此循環,實作機器人的連續運動。
4 設計上仍可以改進的地方和想法
該簡化設計能夠實作四足機器狗的功能,且輕便、易學、低成本,适合初學者練習。性能上還有可以提高的地方,但那樣會要求機器狗結構、器件性能的改善,必然伴随着複雜性和成本的增加。
目前腿的關節是用螺絲連接配接的,為了增加靈活性,減小摩擦力,腿的關節可以考慮改為滾珠或軸承。另外,目前機器狗的長、寬、高之比是否最優,還需要仿真和實踐的比較與驗證。
參考資料
[1] http://github.com/ToanTech/py-apple-quadruped-robot