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| 本文作者： 庸平 | 2015-11-06 11:46 |
編者注：本創(chuàng)客項(xiàng)目來(lái)自創(chuàng)客Prasantha Jayakody，他來(lái)自MIT，是一位資深創(chuàng)客，尤其喜歡機(jī)器人。硬創(chuàng)邦對(duì)此進(jìn)行了編譯，原文發(fā)表在Hackster上。本文著作權(quán)歸作者所有，商業(yè)轉(zhuǎn)載請(qǐng)聯(lián)系作者獲得授權(quán)，非商業(yè)轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。
如果你看過(guò)我的探測(cè)車項(xiàng)目——自主避障機(jī)器人，你就知道我是一個(gè)機(jī)器人迷。但是我的興趣不僅僅局限于輪式車輛。我工作臺(tái)上一輛雙足式的探測(cè)車已經(jīng)放了一年多了，看到它時(shí)，一個(gè)更加奇妙的想法誘惑了我——我打算造一個(gè)可以互動(dòng)的機(jī)器六足昆蟲。我計(jì)劃將這個(gè)機(jī)器昆蟲送給我的女兒當(dāng)禮物。
我開始使用了一個(gè)現(xiàn)成的框架包，但之后我決定使用Arduino兼容的微控制器和伺服控制器代替，我決定使用運(yùn)行Windows 10 IoT Core的樹莓派2代開發(fā)板來(lái)打造六足機(jī)器昆蟲，樹莓派的計(jì)算性能也足夠滿足我們需要。然后我選用Adafruit的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)編碼控制器直接控制六足昆蟲的動(dòng)作。
第一階段的目標(biāo)是了解六足機(jī)器昆蟲的基本機(jī)制：運(yùn)動(dòng)模式、速度、力量和功耗。我發(fā)現(xiàn)每條腿有3個(gè)自由度是比較好的，所以需要在6條腿上配置18個(gè)伺服系統(tǒng)，在每個(gè)方向都能發(fā)生運(yùn)動(dòng)。坦白講，六足機(jī)器昆蟲的動(dòng)作不能算是最優(yōu)雅的，但在這一點(diǎn)上卻可以通過(guò)軟件進(jìn)行完善；加之硬件平臺(tái)也提供了必要的精度和控制?，F(xiàn)在，上述的一切都是可操作的，我會(huì)開始跟蹤電池壽命，以及試圖優(yōu)化六足機(jī)器昆蟲的運(yùn)行速度。
六足機(jī)器昆蟲物理結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，但很多地方我也是新手，尤其是還要在考慮伺服系統(tǒng)數(shù)量的同時(shí)對(duì)伺服中心點(diǎn)做一些機(jī)械修整。在軟件方面，相對(duì)而言，程序不是很復(fù)雜，因?yàn)槲疫€在學(xué)習(xí)軟件開發(fā)和C #，這個(gè)項(xiàng)目讓我了解了許多新的概念和編程結(jié)構(gòu)。
以下是我在這個(gè)項(xiàng)目過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的一些非常有用的資源：
在開始本項(xiàng)目之前，你至少要先掌握以下技能：
能夠?qū)indows 10 IoT Core運(yùn)行到樹莓派2代開發(fā)板上；
將Windows 10和Visual Studio 2015安裝并運(yùn)行在你自己的電腦上；
部署一個(gè)簡(jiǎn)單的Windows應(yīng)用，以確保一切正常工作。
部件：
樹莓派2代開發(fā)板及相關(guān)配件：8GB MicroSD儲(chǔ)存卡，電源適配器，有線網(wǎng)絡(luò)或WiFi適配器
Adafruit 16信道PWM脈寬調(diào)制/伺服編碼控制器（用于樹莓派2代開發(fā)板）
Lynxmotion Phoenix三自由度六足昆蟲盒（與開發(fā)板與電源搭配使用）
XBOX手柄遙控器
3S 3200mAh LiPo電池
5V/6V開關(guān)通用電池消除電路
2S 1000mAh LiPo電池
5V USB充電器/電壓轉(zhuǎn)換器
工具：
電烙鐵
可選：伺服測(cè)試器
下面我們就開始一步一步打造我們的機(jī)器人吧！
時(shí)間：兩小時(shí)
工具：螺絲刀
部件：昆蟲框架和伺服系統(tǒng)
依照說(shuō)明書來(lái)組裝你的昆蟲盒組裝框架和安裝伺服系統(tǒng)。我買的Phoenix昆蟲盒，其安裝說(shuō)明書寫得相對(duì)清晰，也寫得很好。盡管如此，我仍然花了約兩個(gè)小時(shí)把所有的足和身體的伺服系統(tǒng)安裝好。如果你有一個(gè)伺服測(cè)試器，就可以在在裝配前調(diào)整好伺服系統(tǒng)，就比拆下伺服后重新調(diào)整要簡(jiǎn)單多了。
時(shí)間：15分鐘
工具：螺絲刀
部件：樹莓派2代開發(fā)板，支架銷和螺釘和螺母
樹莓派2代開發(fā)板的底座安裝的位置和方法取決于你的六足昆蟲盒框架的結(jié)構(gòu)。樹莓派2代開發(fā)板對(duì)于連接其頂部和六足昆蟲盒框架底部板的支架鞘來(lái)說(shuō)太長(zhǎng)了，所以我把它安裝在六足昆蟲盒框架的頂部；加之，在六足昆蟲盒框架頂部的空間是安裝電池的理想位置。這個(gè)頂部安裝的樹莓派2代開發(fā)板的位置也能很容易的插入類似手柄遙控器的設(shè)備（HDMI電纜，插墻式電器和網(wǎng)絡(luò)電纜）。我將樹莓派2代開發(fā)板通過(guò)六足昆蟲盒框架頂部?jī)蓚€(gè)對(duì)稱的安裝孔與前支架鞘對(duì)齊裝好。兩個(gè)后支架鞘與該六足昆蟲盒框架頂部上其余不對(duì)稱的安裝孔安裝好。
時(shí)間：30分鐘
工具：電烙鐵
部件：兩個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)編碼控制器和頭針
每個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)編碼控制器最多支持16個(gè)伺服系統(tǒng)，所以我不得不再買一個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)編碼控制器來(lái)控制其余兩個(gè)伺服系統(tǒng)。幸運(yùn)的是，Adafruit伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)編碼控制器是可以堆疊使用的（只是要確保分別訂購(gòu)堆疊頭和直角頭）。將堆疊頭和直角頭焊在其中一個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)編碼控制器的底部。再將堆疊頭焊接在另一個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)編碼控制器的頂部。確保設(shè)置編碼控制器的地址——每個(gè)編碼控制器有且只有一個(gè)唯一的地址——通過(guò)一滴焊錫橋接在右邊的地址跳線上。
最后，將其中一個(gè)編碼控制器的底部安裝在樹莓派2代開發(fā)板對(duì)應(yīng)的2x20的頭針里，再將該編碼控制器的頂部安裝到另一編碼控制器的底部的堆疊頭上。注意使各編碼控制器與樹莓派2代開發(fā)板之間都沒(méi)有直接接觸短路。為了安全起見(jiàn)，我用一些細(xì)泡沫件絕緣皮將各編碼控制器與樹莓派2代開發(fā)板之間隔開。
時(shí)間：30分鐘
部件：電線插針和板上插孔
當(dāng)把伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)編碼控制器安裝到樹莓派2代開發(fā)板上以后，就可以著手連接伺服系統(tǒng)的電纜了。我將15個(gè)伺服系統(tǒng)連接到頂部的編碼控制器上，3個(gè)伺服系統(tǒng)連接到底部的編碼控制器上。將多個(gè)伺服系統(tǒng)連接到頂部的編碼控制器上構(gòu)造出一種將所有伺服系統(tǒng)融為一體的感覺(jué)。用塑料夾將每個(gè)伺服系統(tǒng)的3根線加起來(lái)，直頭（頂部的編碼控制器）相對(duì)直角頭（底部的編碼控制器）來(lái)說(shuō)更方便，這就是將15個(gè)伺服系統(tǒng)連接到頂部的編碼控制器上的原因。實(shí)際上，塑料夾子加在直角頭上很松散，我把電線直接接在直角頭上。
如圖所示，我將六足機(jī)器昆蟲的腿按逆時(shí)針依次從0到5編號(hào)。我將每腿伺服系統(tǒng)按照水平髖伺服，垂直髖伺服和膝關(guān)節(jié)伺服的順序與其編碼控制器連接。這種一致性使得它很容易計(jì)算出編碼控制器哪一個(gè)通道上的伺服系統(tǒng)的伺服系統(tǒng)連接的腿和關(guān)節(jié)。
時(shí)間：15分鐘
工具：電烙鐵
部件：開關(guān)，電池連接器，通用電池消除電路，圓筒型插孔
通用電池消除電路（UBEC）步進(jìn)輸入你的2S（7.4V）或3S（11.1V）鋰電池，能夠讓你將輸出電壓設(shè)置為5V或6V；我選擇了6V，因?yàn)檫@樣伺服系統(tǒng)將獲得較高的扭矩。伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)編碼控制器在終端支持5V的輸入和5-6v圓筒型插孔輸入，所以我在該UBEC輸出端拼接兩個(gè)圓筒型插孔。輸出端有三條線，但我們只需要兩個(gè)陽(yáng)性（紅色）和地面（棕色或黑色）-簡(jiǎn)單地只需剪去第三線即信號(hào)線（白色、黃色、橙色）。）如果你決定使用5V，你可以直接接在終端線而不必使用圓筒型插孔。
我在與電池連接的正極線加了一個(gè)內(nèi)聯(lián)開關(guān)，該讓它更容易控制伺服機(jī)構(gòu)的電源通斷。這個(gè)小開關(guān)的安裝孔是六足昆蟲盒框架上預(yù)留的。
工具：電烙鐵
部件：5V USB充電器電壓轉(zhuǎn)換器，電池連接器
樹莓派2代開發(fā)板并不需要大范圍的電壓，所以你需要的僅僅是5V的電壓。手機(jī)的便攜式可充電電池是最好的選擇，其恒定輸出電壓為5V。用一個(gè)USB連接器連接到樹莓派2代開發(fā)板上。我有幾個(gè)不同的形狀和大小的電源可以用于樹莓派開發(fā)板和Arduino項(xiàng)目。
然而，我也想試試最近得到的這個(gè)電壓轉(zhuǎn)換器。這個(gè)電壓轉(zhuǎn)換器也輸出5V的電壓并支持USB連接。它也能顯示電壓，它也可以靈活地使用各種電池（或者只是換一個(gè)新電池，這樣我無(wú)需等待電池充滿電了）。
工具：Visual Studio 2015
從Github下載六足機(jī)器昆蟲所需的源代碼并將該項(xiàng)目加載到Visual Studio上去。該應(yīng)用程序主要由三個(gè)文件構(gòu)成：運(yùn)動(dòng)源代碼、控制器源代碼和XBOX手柄遙控器源代碼。
XBOX手柄遙控器源代碼直接來(lái)源于Windows物聯(lián)網(wǎng)團(tuán)隊(duì)發(fā)布的機(jī)器人套件項(xiàng)目。源代碼可以聽(tīng)從XBOX手柄遙控器上DPad鍵或者左搖桿的動(dòng)作指示。但DPad鍵只支持在四個(gè)方向上、下、左、右的運(yùn)動(dòng)。左搖桿支持基本相同的四個(gè)方向，但它也允許輸入額外四個(gè)方向東北、西北、西南、東南。一旦檢測(cè)到控制器事件，控制器的方向輸入就從控制器傳遞給控制器代碼中。
控制器的代碼將使Xbox控制器初始化。它也從機(jī)器人套件項(xiàng)目，但我刪除了幾個(gè)其他控制器選項(xiàng)。一旦控制器被初始化后，控制器代碼將收到來(lái)自Xbox控制器到適當(dāng)?shù)倪\(yùn)動(dòng)方向的輸入信號(hào)。
運(yùn)動(dòng)源代碼首先通過(guò)I2C建立在伺服編碼控制器的兩個(gè)通道上。然后，它定義了所有的原始動(dòng)作：行走、轉(zhuǎn)動(dòng)和關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)
我仍在嘗試著做新的運(yùn)動(dòng)。您將在代碼中看到，其中一個(gè)關(guān)節(jié)處有一個(gè)附加的參數(shù)，決定著一個(gè)加合物的擺動(dòng)度數(shù)。我認(rèn)為，當(dāng)我減少一些關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)范圍可以優(yōu)化速度，使復(fù)合運(yùn)動(dòng)更快完成。我也需要實(shí)驗(yàn)減少延遲時(shí)間是否真的可以滿足的六足機(jī)器昆蟲六足轉(zhuǎn)動(dòng)伺服的要求。
時(shí)間：15分鐘
工具：螺絲刀
一旦你完成了所有構(gòu)建和所需部署的代碼，你可能需要調(diào)整一些伺服系統(tǒng)的位置了。在步驟一中通過(guò)伺服試驗(yàn)機(jī)，在裝配前調(diào)整好伺服系統(tǒng)中心大大減輕了伺服系統(tǒng)調(diào)整的工作量了，不過(guò)對(duì)安裝在底部的編碼控制器上的伺服系統(tǒng)進(jìn)行微調(diào)還是必要的。我只需要調(diào)整一個(gè)垂直髖伺服和膝蓋部就可以了。
首先，將所有的伺服電機(jī)移動(dòng)到他們的中心位置。然后看每一個(gè)關(guān)節(jié)，看看它是否是適當(dāng)?shù)慕嵌取Ｄ憧梢孕_電動(dòng)機(jī)上的伺服角（在伺服角頂部的單個(gè)螺絲）然后將伺服角從電動(dòng)機(jī)的花鍵上旋下。旋轉(zhuǎn)的伺服喇角（和附加腿組件），直到它得到的所需的角度，然后推動(dòng)伺服角回到花鍵上。如果這個(gè)角位置為關(guān)節(jié)提供了所需的角度，則旋轉(zhuǎn)螺釘并擰緊。對(duì)任何關(guān)節(jié)錯(cuò)位重復(fù)這個(gè)過(guò)程。
看看下面的視頻吧：
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