本帖最后由 机器谱 于 2023-1-5 09:26 编辑
1. 运动功能说明 该样机是一款拥有6自由度的串联型双足,相当于人形机器人的下半身。它可以实现抬腿、迈步、蹲下和起立、行走、翻跟头等等功能。
2. 结构说明
该样机的每条腿由3个 舵机关节模组【https://www.robotway.com/h-col-121.html】构成。足部结构一般有两种设计方案,一种叫“狭窄足印”,比较常规如下图所示:
还有一种叫“交叉足印”,也叫“工”形脚或“工”字脚。这种设计方案可以保证机器人行走时重心始终落在支撑零件上,能够降低控制难度,如右图所示:
3. 运动功能实现
本文先以交叉足印样机为例进行说明。本样机的运动功能主要是依靠舵机的摆动配合实现的,我们可以参考人体结构,把两条腿上的三个舵机按从上到下的顺序,对应理解为只能前后摆动的髋关节、膝关节、踝关节(真实的生物关节类似于球铰,更加复杂)。我们需要参考人行走时三个关节的摆动角度关系,为双足机器人确定并调出对应的一系列舵机角度。
为了比较轻松地完成前进、后退动作,需要让腿抬得高一些,以避免迈步时工形脚干涉。
在这个示例中,采用了以下硬件,请大家参考:
主控板 | Basra(兼容Arduino Uno) | 扩展板 | Bigfish2.1 | 电池 | 7.4V锂电池 |
由于舵机比较多,为了完成控制,我们需要约定一下样机的前、后方向,并对舵机进行编号:
3.2 运动控制
上位机:Controller 1.0
下位机编程环境:Arduino 1.8.19
(1)初始位置的设定:使用Controller上位机对机器人进行调试,调试目标为使机器人保持直立状态,并且保持右脚的支撑臂在前。
①将Controller下位机程序servo_bigfish.ino直接下载到主控板。这段代码供Controller上位机与主控板通信,并允许调试舵机。代码如下: - /*------------------------------------------------------------------------------------
- 版权说明:Copyright 2022 Robottime(Beijing) Technology Co., Ltd. All Rights Reserved.
- Distributed under MIT license.See file LICENSE for detail or copy at
- https://opensource.org/licenses/MIT
- by 机器谱 2022-10-20 https://www.robotway.com/
- ------------------------------
- 实验功能: 6自由度双足行走
- -----------------------------------------------------
- 实验接线(从行走时朝前的方向看):
- 左侧髋:D4;右侧髋:D3;
- 左侧膝:D7;右侧膝:D5;
- 左侧踝:D11;右侧踝:D6
- ------------------------------------------------------------------------------------*/
- /*
- * Bigfish扩展板舵机口; 4, 7, 11, 3, 8, 12, 14, 15, 16, 17, 18, 19
- * 使用软件调节舵机时请拖拽对应序号的控制块
- */
- #include <Servo.h>
- #define ANGLE_VALUE_MIN 0
- #define ANGLE_VALUE_MAX 180
- #define PWM_VALUE_MIN 500
- #define PWM_VALUE_MAX 2500
- #define SERVO_NUM 12
- Servo myServo[SERVO_NUM];
- int data_array[2] = {0,0}; //servo_pin: data_array[0], servo_value: data_array[1];
- int servo_port[SERVO_NUM] = {4, 7, 11, 3, 8, 12, 14, 15, 16, 17, 18, 19};
- int servo_value[SERVO_NUM] = {};
- String data = "";
- boolean dataComplete = false;
- void setup() {
- Serial.begin(9600);
-
- }
- void loop() {
-
- while(Serial.available())
- {
- int B_flag, P_flag, T_flag;
- data = Serial.readStringUntil('\n');
- data.trim();
- for(int i=0;i<data.length();i++)
- {
- //Serial.println(data[i]);
- switch(data[i])
- {
- case '#':
- B_flag = i;
- break;
- case 'P':
- {
- String pin = "";
- P_flag = i;
- for(int i=B_flag+1;i<P_flag;i++)
- {
- pin+=data[i];
- }
- data_array[0] = pin.toInt();
- }
- break;
- case 'T':
- {
- String angle = "";
- T_flag = i;
- for(int i=P_flag+1;i<T_flag;i++)
- {
- angle += data[i];
- }
- data_array[1] = angle.toInt();
- servo_value[pin2index(data_array[0])] = data_array[1];
- }
- break;
- default: break;
- }
- }
-
- /*
- Serial.println(B_flag);
- Serial.println(P_flag);
- Serial.println(T_flag);
-
- for(int i=0;i<2;i++)
- {
- Serial.println(data_array[i]);
- }
- */
-
- dataComplete = true;
- }
-
- if(dataComplete)
- {
- for(int i=0;i<SERVO_NUM;i++)
- {
- ServoGo(i, servo_value[i]);
- /*********************************串口查看输出***********************************/
- // Serial.print(servo_value[i]);
- // Serial.print(" ");
- }
- // Serial.println();
- /*********************************++++++++++++***********************************/
- dataComplete = false;
- }
-
- }
- void ServoStart(int which){
- if(!myServo[which].attached() && (servo_value[which] != 0))myServo[which].attach(servo_port[which]);
- else return;
- pinMode(servo_port[which], OUTPUT);
- }
- void ServoStop(int which){
- myServo[which].detach();
- digitalWrite(servo_port[which],LOW);
- }
- void ServoGo(int which , int where){
- ServoStart(which);
- if(where >= ANGLE_VALUE_MIN && where <= ANGLE_VALUE_MAX)
- {
- myServo[which].write(where);
- }
- else if(where >= PWM_VALUE_MIN && where <= PWM_VALUE_MAX)
- {
- myServo[which].writeMicroseconds(where);
- }
- }
- int pin2index(int _pin){
- int index;
- switch(_pin)
- {
- case 4: index = 0; break;
- case 7: index = 1; break;
- case 11: index = 2; break;
- case 3: index = 3; break;
- case 8: index = 4; break;
- case 12: index = 5; break;
- case 14: index = 6; break;
- case 15: index = 7; break;
- case 16: index = 8; break;
- case 17: index = 9; break;
- case 18: index = 10; break;
- case 19: index = 11; break;
- }
- return index;
- }
复制代码
下载完成后,保持主控板和电脑的USB连接,以便利用上位机进行调试。
②双击打开Controller 1.0b.exe:
③界面左上角选择:设置-面板设置,弹出需要显示的调试块,可通过勾选隐藏不需要调试的舵机块:联机-选择主控板对应端口号以及波特率。
④拖动进度条,可以观察相应的舵机角度转动,直到样机姿态达到我们的预想目标。然后勾选左下角添加-转化,获得舵机调试的数组:
⑤该数组可直接复制到后面的行走程序中“各个舵机的初始位置”部分进行使用。
(2)编写并下载行走程序的代码(Biped_Robot.ino)到主控板: - *------------------------------------------------------------------------------------
- 版权说明:Copyright 2022 Robottime(Beijing) Technology Co., Ltd. All Rights Reserved.
- Distributed under MIT license.See file LICENSE for detail or copy at
- https://opensource.org/licenses/MIT
- by 机器谱 2022-10-20 https://www.robotway.com/
- ------------------------------
- 实验功能: 6自由度双足行走
- -----------------------------------------------------
- 实验接线(从行走时朝前的方向看):
- 左侧髋:D4;右侧髋:D3;
- 左侧膝:D7;右侧膝:D5;
- 左侧踝:D11;右侧踝:D6
- ------------------------------------------------------------------------------------*/
- #include <Servo.h>
- Servo myServo[6];
- int servo_port[6]={4,7,11,3,8,12};
- float servo_value[6] = {65, 60, 105, 60, 100, 80};//各个舵机的初始位置
- void setup()
- {
- for(int i=0; i<5; i++){
- ServoGo(i, (int)servo_value[i]);
- }
- delay(2000);
- }
- void loop()
- {
- left_go();
- right_go();
- }
- void left_go()
- {
- for(int i=0; i<10; i++){
- servo_value[4] -= 10;
- servo_value[5] -= 6;
- for(int j=0; j<6; j++){
- ServoGo(j, (int)servo_value[j]);
- }
- delay(25);
- }
- for(int i=0; i<10; i++){
- servo_value[0] += 2.5;
- servo_value[2] -= 1;
- servo_value[3] += 2.5;
- servo_value[4] += 10;
- servo_value[5] += 4.5;
- for(int j=0; j<6; j++){
- ServoGo(j, (int)servo_value[j]);
- }
- delay(25);
- }
- }
- void right_go()
- {
- for(int i=0; i<10; i++){
- servo_value[1] += 10;
- servo_value[2] += 7.5;
- servo_value[5] += 0.5;
- for(int j=0; j<6; j++){
- ServoGo(j, (int)servo_value[j]);
- }
- delay(25);
- }
- for(int i=0; i<10; i++){
- servo_value[0] -= 2.5;
- servo_value[1] -= 10;
- servo_value[2] -= 6.5;
- servo_value[3] -= 2.5;
- servo_value[5] += 1;
- for(int j=0; j<6; j++){
- ServoGo(j, (int)servo_value[j]);
- }
- delay(25);
- }
- }
- void ServoStart(int which)
- {
- if(!myServo[which].attached())myServo[which].attach(servo_port[which]);
- pinMode(servo_port[which], OUTPUT);
- }
- void ServoStop(int which)
- {
- myServo[which].detach();
- digitalWrite(servo_port[which],LOW);
- }
- void ServoGo(int which , int where)
- {
- if(where!=200)
- {
- if(where==201) ServoStop(which);
- else
- {
- ServoStart(which);
- myServo[which].write(where);
- }
- }
- }
- void ServoMove(int which, int start, int finish, int t)
- {
- int a;
- if((start-finish)>0) a=-1;
- else a=1;
- for(int i=0;i<abs(start-finish);i++)
- {ServoGo(which,start+i*a);delay(t/(abs(start-finish)));}
- }
复制代码
将上个步骤记录的角度数据依次填入相应舵机的初始值,比如:float servo_value[6] = {90, 44, 46, 82, 115, 100}; //各个舵机的初始位置。为了减少重力的干扰,一般先把机器人调整成直立状态采值。采值后,需要注意的是舵机0、3的初始值应在上个步骤结果值基础上减去10,使其进入行走姿态。修改完成后便可以直接将程序下载到主控板,然后将主控板、电池安装到机器人最上面的平台(应以重心较低为标准),然后连接好舵机线,顺利的话现在机器人应该就可以正常行走了。但是由于舵机的内部结构问题,相应的角度输出可能会存在误差,这样的表现便是机器人的支撑臂会出现“打架”现象,这个问题的解决方法是修改程序中对应的参数调节系数,例如:servo_value[4] -= 11;
可以修改参数“11”的大小,需要注意的是程序的整个循环特定的位置对应特定的值,因此在修改的时候程序后面相应舵机的输出系数也需要相应的改变,由此达到一个完满的循环。
4. 资料下载
资料内容:
①6自由度双足-行走-例程源代码
②6自由度双足-样机3D文件
③Controller1.0b资料包
资料下载地址:https://www.robotway.com/h-col-160.html
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