Kroczący Mały quadroped - czworonożny robot kroczący

[Bejro]

Witam serdecznie,

Chciałbym zaprezentować mój projekt którym jest czworonożny robot kroczący sterowany za pomocą kolna arduino - nano V3. Głównym celem powstania tej konstrukcji było zabicie wolnego czasu oraz wykorzystanie nowo zamówionych części. Cały proces tworzenia od koncepcji do gotowego czworonoga trwał poniżej tygodnia. Funkcjonalność robota skupiała się na chodzeniu do przodu oraz pokonywaniu małych przeszkód.

Elektronika

Do stworzenia projektu potrzebny był kontroler - wspomniane już wcześniej arduino nano lub jego klon. W mojej opinii jest to najbardziej użyteczne arduino do projektów DIY, ze względu na jego małą wielkość i masę oraz identyczne możliwości obliczeniowe jak jego więksi bracia.  Arduino zostało zamontowane na płytce rozszerzającej z wieloma wyprowadzeniami  dla serw i nie tylko. Ten element jest bardzo uniwersalny i ułatwia podłączenie wielu komponentów bez potrzeby tworzenia odpowiedniej płytki PCB lub używania płytki stykowej. Motoryka została oparta o małe serwomechanizmy - po dwa na nogę, łącznie 8 sztuk. Dodatkowo na końcach nóg zostały zamontowane czujniki krańcowe w celu wykrywania kolizji z podłożem i optymalizacji ruchu. 

Siła serwomechanizmów okazała się być wystarczająca, jednakże, problemem okazało się być zasilanie. Duża ilość serwomechanizmów działających jednocześnie mocno obciąża arduino, dlatego też, serwomechanizmy powinny mieć własne źródło zasilania. W tym przypadku ograniczenie prędkości ruchów ograniczyło ten problem, ale wskazuje to na popełniony przy projektowaniu błąd.

Konstrukcja

Konstrukcja składa się z korpusu głównego do którego przymocowano arduino oraz 4 nóg. Jedna noga składa się z dwóch segmentów, a jeden segment z dwóch elementów łączonych śrubą. Lepiej wyjaśni to poniższe zdjęcie. Robot jest tu przedstawiony leżący na swoich plecach.

  

Poniżej znajdują się jeszcze dwa zdjęcia pokazujące jego posturę.

W pozycji leżącej, ze wszystkimi nogami skierowanymi względem siebie pod kątem prostym, robot ma przekątną około 30 cm. 

Powyższe elementy zostały wydrukowane przy pomocy drukarki 3D. Trwało to około 10 godzin. 

Kod

Ze względu na krótki czas rozwoju projektu, jego funkcjonalność nie jest duża. Postało kilka wersji programu, dopasowanych do konkretnego podłoża. Nie różnią się one znacząco, więc przedstawię główny program służący do pokonywania płaskiego terenu w najszybszy i najstabilniejszy sposób.

Na początek trochę definicji. Zmienne nazwane są od numeru nogi oraz jej stopnia. Przykładowo tl1 -  top-left-1, oraz br2 - bottom-right-2.

#include <Servo.h>

Servo tr1;
Servo tr2;
Servo tl1;
Servo tl2;
Servo br1;
Servo br2;
Servo bl1;
Servo bl2;
#define br A1
#define tr A2
#define tl A3
#define bl A4

int i=0;
int o=50;
int p=20;
int h=70;

int t=10;

int k=0;
int l=0;
int n=0;
int m=0;

int timer=0;

int d=0;
int x=50;
int y=50;

void setup() {
Serial.begin(9600);

pinMode(A1, INPUT_PULLUP);
pinMode(A2, INPUT_PULLUP);
pinMode(A3, INPUT_PULLUP);
pinMode(A4, INPUT_PULLUP);

tl1.attach(8);
tl2.attach(4);
bl1.attach(9);
bl2.attach(5);
tr1.attach(10);
tr2.attach(6);
br1.attach(11);
br2.attach(7);

tr1.write(90);
tr2.write(75);
tl1.write(90);
tl2.write(90);
br1.write(90);
br2.write(90);
bl1.write(90);
bl2.write(90);

}

Kolejnym elementem kodu są definicje funkcji. 

void ltl(int a, int b){
tl1.write(map(a+3, 0, 100, 10, 150));
tl2.write(map(b, 100, 0, 5, 180));
}
void ltr(int a, int b){
tr1.write(map(a, 100, 0, 30, 170));
tr2.write(map(b-9, 0, 100, 0, 177));
}
void lbl(int a, int b){
bl1.write(map(a, 0, 100, 30, 150));
bl2.write(map(b+1, 0, 100, 0, 178));
}
void lbr(int a, int b){
br1.write(map(a, 100, 0, 30, 150));
br2.write(map(b+4, 100, 0, 8, 180));
}

void move(){
lbr(100-i,100-k-d);
i++;
if(i==100){
  i=0;
  k=y;
  }
if(k>0){
  if(digitalRead(br)==HIGH){
    k--;
  }
 }
 
lbl(100-o,100-l-d);
o++;
if(o==100){
  o=0;
  l=y;
  }
if(l>0){
  if(digitalRead(bl)==HIGH){
    l--;
  }
 }

ltr(100-p,100-n-d);
p++;
if(p==100){
  p=0;
  n=x;
  l=l+10;
  k=k+10;
  }
if(n>0){
  if(digitalRead(tr)==HIGH){
    n--;
  }
 }

ltl(100-h,100-m-d);;
h++;
if(h==100){
  h=0;
  m=x;
  k=k+10;
  l=l+10;
  }
if(m>0){
  if(digitalRead(tl)==HIGH){
    m--;
  }
 }
 delay(t);
}

Przykładowo, nazwa funkcji ltl oznacza leg-top-left i służy do ujednolicenia określania położenia nogi, gdyż niektóre serwa położone są przeciwnie i wysoka wartość sygnału PWM oznacza dla nich przeciwne położenia. Funkcja move to gówna funkcja służąca do poruszania się. Działa ona tak, że wszystkie nogi poruszają się cały czas do tyłu, jednakże, początkowe położenia wszystkich nóg są różne. Gdy noga poruszając się do tyłu dojdzie do płożenia końcowego, podnosi się ona i przemieszcza do maksymalnego płożenia do przodu, wtedy zbliża się ona do podłoża aż do napotkania oporu odebranego przez czujnik krańcowy lub osiągnięcia pozycji maksymalnej, wtedy porusza się znów do tyłu. W ten sposób wszystkie nogi cały czas znajdują się w ruchu, który jest bardzo płynny. Brak 3 stopnia swobody w nodze wpływa jednak na to, że ślizganie jest nieuniknione. 

Ostatnia część kodu służy jedynie do egzekwowania funkcji move pod pewnymi warunkami.

void loop() {

if(analogRead(br)==LOW or analogRead(tr)==LOW or analogRead(bl)==LOW or analogRead(tl)==LOW && timer<50){
timer=200;
}
timer--;
if(timer>0){
move();
}else{
lbl(50,50);
lbr(50,50);
ltl(50,50);
ltr(50,50);
}
}

Kod w funkcji loop powoduje również, że w razie podniesienia robota na pewien czas, przestaje on dalej iść. Gdy robot zostanie podniesiony, żaden czujnik krańcowy nie sygnalizuje, że stoi na ziemi, powoduje to spadek licznika timer do 0 i przejście robota w stan spoczynkowy, aż do aktywacji przez ponowne wciśnięcie któregoś czujnika. 

Gotowy robot

Poniżej przedstawiam kilka zdjęć z postępu składania konstrukcji.

 Niestety nie posiadam dużo zdjęć tego projektu, gdyż serwa i mikrokontrolery szybko zmieniają u mnie właściciela. Podczas testów robot pokonał najwyższy próg o wysokości nieco ponad 4 cm. Może nie jest to imponująca wartość, ale biorąc pod uwagę, że nie może on biegać ani skakać, a maksymalna wysokość własna na jakiej znajduje się jego korpus wynosi około 4,5 cm jest to taki sam wyczyn jak pokonanie przez człowieka, z marszu, przeszkody sięgającej mu do pasa. A tu jeszcze jedno zdjęcie gotowego projektu (słaba jakość, klatka z filmu).

Pozdrawiam, i czekam na pytania i porady. 

[Treker (Damian Szymański)]

Właśnie zaakceptowałem Twój opis, możesz go teraz zgłosić do akcji rabatowej umieszczając link w temacie zbiorczym. Dziękuję za przedstawienie ciekawego projektu, zachęcam do prezentowania kolejnych DIY oraz aktywności na naszym forum

[deshipu]

18 godzin temu, Bejro napisał:

Siła serwomechanizmów okazała się być wystarczająca, jednakże, problemem okazało się być zasilanie. Duża ilość serwomechanizmów działających jednocześnie mocno obciąża arduino, dlatego też, serwomechanizmy powinny mieć własne źródło zasilania. W tym przypadku ograniczenie prędkości ruchów ograniczyło ten problem, ale wskazuje to na popełniony przy projektowaniu błąd.

Dlatego ja się w swoich robotach przestawiłem na zasilanie serw bezpośrednio z pojedynczej baterii LiPo. Co prawda te 3.6V to poniżej specyfikacji tych serw, ale kompensuję to większą częstotliwością sygnału sterującego i wychodzi na to samo.

18 godzin temu, Bejro napisał:

Dodatkowo na końcach nóg zostały zamontowane czujniki krańcowe w celu wykrywania kolizji z podłożem i optymalizacji ruchu. 

Polecam przełączniki używane do wykrywania czy została włożona karta SD — mają one znacznie mniejszą siłę nacisku, a dzięki temu większą czułość. No i są znacznie mniejsze i poręczniejsze.

18 godzin temu, Bejro napisał:

Brak 3 stopnia swobody w nodze wpływa jednak na to, że ślizganie jest nieuniknione.

Myślałeś może o dodaniu tego trzeciego stopnia i zrobieniu tego porządnie, na kinematyce odwrotnej? Można w ten sposób zrobić naprawdę fajne roboty.

Naprawdę ładny robocik i jestem pewien, że podczas jego budowy sporo się nauczyłeś!

[Bejro]

Cieszę się bardzo, że projekt się podoba . Był to mój pierwszy projekt czegoś co się przemieszcza. Co do zasilania serw, to jeśli jestem pewien, że wyjście arduino sobie nie poradzi, to zwykle wykorzystuję ESC z BEC i nie ma żadnych problemów. Tutaj jednak chciałem użyć płytki rozszerzającej, w której niestety nie ma możliwości użycia osobnego zasilania dla serw. Gdybym kiedyś powracał do projektu, na pewno bym o to zadbał. Czujniki krańcowe na końcu nóg były bardzo spontanicznym pomysłem, miałem je akurat pod ręką i pomyślałem, że zobaczę jaki efekt mogę osiągnąć. 3 stopień planowałem umieścić, ale gdy policzyłem niespalone serwa, to wyszło mi, że nie mam ich wystarczająco, więc ograniczyłem się jedynie do dwóch stopni.