六足機(jī)器人制作過程

看了各種關(guān)于機(jī)器人的科幻片，你就沒有想過自己做一個片中的機(jī)器人出來么？ 實(shí)干派的DIYer可不是只會幻想的喲。PVC_Robot同學(xué)就用了廉價(jià)又好加工的PVC材料來制作了他的第一個六足機(jī)器昆蟲，同時(shí)給出了非常詳細(xì)的工具和材料獲得方式。DIY黨人要速度圍觀

機(jī)器昆蟲

制作時(shí)間：數(shù)天至一周

制作難度：★★★★★

GEEK指數(shù)：★★★★★

偶然的機(jī)會，在網(wǎng)上看到這張圖片，于是自己也有沖動作一只出來。

為了做出這個東西，自學(xué)了單片機(jī)，加上自己軟件開發(fā)的基礎(chǔ)，以及過去做模型積累的一些動手經(jīng)驗(yàn)，有了后來的這個機(jī)器昆蟲。

當(dāng)然最后實(shí)際出來的東西，樣子上和現(xiàn)在這個圖片相去甚遠(yuǎn)，性能上也一般般，沒辦法，業(yè)余的，水平有限嘛。

1 工具和材料

○ 關(guān)節(jié)和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的制作材料——PVC線槽。

采用PVC線槽的原因是取材容易、價(jià)格便宜，一般的五金店都有賣，而且便于加工、強(qiáng)度和重量都合適。

○ 其他材料，詳見作者 個人博客 。

● 在作者的 另一篇博文 里，有關(guān)于工具的詳細(xì)介紹。

2 基本機(jī)械結(jié)構(gòu)

2.1 原始加工件

● 把PVC線槽切成關(guān)節(jié)的形狀。

2.2 大腿橫向關(guān)節(jié)

● 這是6只大腿的橫向關(guān)節(jié)，弄好后才發(fā)現(xiàn)，全部都是一樣。其中3只要重做，應(yīng)該是兩兩對稱的。

● 重做之后的6只關(guān)節(jié)。

2.3 關(guān)節(jié)控制的舵機(jī)

● 考慮盡可能的縮小體積，所以采用的是2.5g微型舵機(jī)，6只腳每只3個關(guān)節(jié)，總共18個關(guān)節(jié)，也就是18個舵機(jī)。（因?yàn)閿?shù)量比較大，這個花費(fèi)還是比較多的，有點(diǎn)心疼）。

關(guān)于 2.5g微型舵機(jī)

● 把舵機(jī)嘗試安裝到關(guān)節(jié)件上。

2.4 完善關(guān)節(jié)件

● 進(jìn)一步打磨修飾關(guān)節(jié)件。

● 還可以看到PVC線槽上的標(biāo)號（這個最后換掉了）。

● 完成后的6只大腿的橫向關(guān)節(jié)件。

2.5 安裝關(guān)節(jié)舵機(jī)

● 大腿橫向關(guān)節(jié)上的舵機(jī)已經(jīng)裝好。其中一個舵機(jī)連接主軀干，另一個連接大腿的縱向關(guān)節(jié)。

2.6 安裝主軀干

● 主軀干也是用PVC線槽做的，連接上6只大腿橫向關(guān)節(jié)。

● 關(guān)節(jié)舵機(jī)與軀干是靠舵盤連接的，舵盤是用自攻螺絲固定在軀干上。中間有一個洞是用來給自攻螺絲最后總裝時(shí)固定嵌入的舵機(jī)主軸的。

● 來一個遠(yuǎn)景，看到一點(diǎn)加工的現(xiàn)場。

● 為了更牢固，并減輕重量，每個舵盤的固定螺絲由2顆大號的自攻螺絲改為4顆1.2mm的帶螺母的小機(jī)牙螺絲。

● 另外，關(guān)于大腿縱向關(guān)節(jié)和小腿關(guān)節(jié)的圖片，其實(shí)都差不多，只是形狀有不同，但是由于中間忘了拍照了，所以這里就省略掉了。

2.7 完整的機(jī)械結(jié)構(gòu)

● 完整組裝好的機(jī)械結(jié)構(gòu)，有點(diǎn)樣子了。

● 主軀干、大腿橫向關(guān)節(jié)、大腿縱向關(guān)節(jié)、小腿關(guān)節(jié)，都是PVC線槽做的。18個關(guān)節(jié)的舵機(jī)也全部裝好。（換了一個LED背景燈光，照片有點(diǎn)重影）

● 本來軀干上固定舵機(jī)舵盤的螺絲都是螺母在下面的，但是因?yàn)檫x擇的螺絲長了一點(diǎn)，往下裝會影響底部舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)，所以改為螺母向上裝，雖然是看起來是難看一點(diǎn)。不過后面會在軀干上再裝上電路板擋住一點(diǎn)，相對就好一些。

3 基本電路系統(tǒng)

3.1 控制電路

● 控制電路的核心采用AVR單片機(jī)的MEGA16芯片，考慮到體積，同時(shí)也想有點(diǎn)挑戰(zhàn)性，沒有直接用現(xiàn)成舵機(jī)控制板，而是用核心板準(zhǔn)備自己寫舵機(jī)控制程序。

關(guān)于 M16核心小板

3.2 電路調(diào)試

● 初步完成基本電路的安裝，連接電腦燒錄程序，進(jìn)行簡單的舵機(jī)控制的調(diào)試。

● 確定舵機(jī)動作幅度所需要的PWM頻率時(shí)，用到了 舵機(jī)測試器

● 除了通過USBASP連接電腦之外，電源也暫時(shí)是外接的電池組。

3.3 張牙舞爪

● 編好固定動作的程序，燒錄到電路上，進(jìn)行簡單的動作調(diào)試。

● 來一個“張牙舞爪”的動作。

● 很酷吧，不過肚子還是趴在桌面上的（肚子下面是電池盒以及6只大腿橫向關(guān)節(jié)）。

3.4 縮成一團(tuán)

● 再來一個動作“縮成一團(tuán)”。

● 這個動作的名字起得不怎么樣，還是靠肚子頂住桌面的。

● 這是俯視圖。

3.5 站起來了

● 各位觀眾，接下來是關(guān)鍵的一個動作——從趴著的狀態(tài)下自行站起來。

● 它站起來了！沒錯，它完全靠自己的力量站起來了！

● 雖然有點(diǎn)艱難，站起來后還是有點(diǎn)歪歪扭扭的，但終究是站起來了。（開始一直擔(dān)心舵機(jī)的力量不足，不能自己站起來……）

● 站起來后的俯視圖。

● 舵機(jī)的力量確實(shí)不足，小腿必須是直的（斜的話撐不起來）。而且雖然站起來了，但是舵機(jī)由于力矩偏小，還是有點(diǎn)吱吱的抖動。

● 這還沒有裝上電池，希望加上電池的重量后舵機(jī)還能頂住。

3.6 完善供電

● 本來希望把舵機(jī)和單片機(jī)的電源完全獨(dú)立分開，以避免干擾，最后是只用了一個組電池：舵機(jī)直接接電池，單片機(jī)通過穩(wěn)壓電路連接同一組電池，實(shí)踐證明中間的穩(wěn)壓電路還是能夠很好的實(shí)現(xiàn)抗干擾的隔離功能。

● 舵機(jī)供電，開始曾經(jīng)考慮過用2節(jié)5號鎳氫電池通過一個DC-DC大電流升壓板的升壓到5V給所有舵機(jī)供電，經(jīng)實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)完全行不通——18個舵機(jī)需要的電流太大了，最后只能考慮直接用2節(jié)3.7V的7號鋰電串聯(lián)起來供電。

● 翻過來，可以看到底部的電池。

● 單片機(jī)供電，本來考慮采用一節(jié)7號鎳氫電池通過一個塊微型DC-DC升壓板升壓到5V，為縮小體積后來也考慮過用3V的CR2032紐扣鋰電升壓，但實(shí)際調(diào)試后發(fā)現(xiàn)電流也較大一下子就耗光電池了。最后是用一塊7805穩(wěn)壓小板直接接到2節(jié)鋰電上獲得5V電壓。 關(guān)于微型升壓板：http://item.taobao.com/item.htm？id=4039234002

3.7 完善電路

● 給電路上加上了幾個控制開關(guān)（總電源、舵機(jī)電源、單片機(jī)電源、單片機(jī)復(fù)位）。

● 接USBASP的10Pin插座也固定在了頂部的線路板上。

● 另外頂部的電路板留了一些位置，準(zhǔn)備以后接傳感器用的。

● 側(cè)視圖，可以看得到屁股后面的帶散熱片的7805穩(wěn)壓芯片。

3.8 全負(fù)荷狀態(tài)

● 把2節(jié)7號的鋰電池都裝上，在全重狀態(tài)下，也能簡單的站起來。

● 終于松了一口氣，雖然還有一點(diǎn)抖動，但終究是能夠獨(dú)立站起來的。

● 照片有點(diǎn)模糊，可能是自己有點(diǎn)激動，拍照的時(shí)候手抖了。

3.9 繼續(xù)完善

● 18只舵機(jī)，耗電還是比較大的，所以再加裝了一塊電池的電壓監(jiān)控板，可以實(shí)時(shí)看到鋰電的電壓變化情況。

● 與一個香煙盒對比大小。

● 接下來的工作還是在繼續(xù)調(diào)試程序控制動作，最終考慮加上一些傳感器并支持用紅外或者藍(lán)牙進(jìn)行遙控！

4 完善機(jī)械結(jié)構(gòu)

4.1 增強(qiáng)腿結(jié)構(gòu)

● 原來的腿結(jié)構(gòu)是直接對照原型CG圖的，可能是為了美觀忽略了實(shí)際的機(jī)械性能。

● 但是現(xiàn)在，為了動力更足，為了舵機(jī)的壽命，也顧不得保持原來的芊芊細(xì)腿了，于是決定對腿的機(jī)械機(jī)構(gòu)進(jìn)行加固——該肥還是讓它肥一點(diǎn)吧，健康最重要，嘿嘿！

● 這是加固之前，腿各關(guān)節(jié)都是直接單邊固定舵機(jī)的舵盤，有點(diǎn)單薄，力量分布不均衡支撐起來不是很穩(wěn)，對舵機(jī)的壓力有點(diǎn)大，長時(shí)間開機(jī)容易損壞舵機(jī)。

● 加固之后：按照傳統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)，即舵機(jī)的另一邊也增加固定的支撐軸，以確保受力平衡。

● 所有關(guān)節(jié)的舵機(jī)都加上外套，并在另外方向延長出一根螺絲作為固定軸。

4.2 安裝加固底盤

● 在底部的大腿縱向關(guān)節(jié)，加上一塊底盤。

4.3 完整的新結(jié)構(gòu)

● 正視圖，所有關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)都有所增強(qiáng)。

● 后視圖

● 俯視圖

● 側(cè)視圖

● 底部特寫。加固了所有關(guān)節(jié)，并加大了鋰電容量。

4.4 新結(jié)構(gòu)的啟動

● 啟動，自行站起來。

4.5 完善電源系統(tǒng)

● 鋰電池的電壓是7.4V，而舵機(jī)通常的最高電壓是6V。為了保護(hù)舵機(jī)延長其壽命，可以串聯(lián)兩個硅整流二極管用來降壓。每個二極管可以降壓0.7，兩個降1.4V，剛好可以把7.4V降到6V。

● 由于18個舵機(jī)一起電流非常大，一般的硅二極管功率不夠，干脆用了一個整流堆D25XB的其中兩個二極管。

● 增加了兩個LED發(fā)光二極管。紅的指示總電源打開，綠的指示舵機(jī)電源打開。

● 后視圖，藍(lán)燈是單片機(jī)供電指示。

● 正視圖，藍(lán)燈為單片機(jī)核心板上的指示燈，紅燈為總電源指示燈。

5 實(shí)現(xiàn)初步行走

5.1 機(jī)械定型

● 在設(shè)計(jì)行走步態(tài)的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)了一個嚴(yán)重的問題，就是支撐腿的力量還是不足——主要是由于追求小型化而采用最小型的2.5g舵機(jī)，由于舵機(jī)力矩不足，導(dǎo)致支撐腿力量不夠，靜止站立的時(shí)候還勉強(qiáng)，但在行走時(shí)就經(jīng)常發(fā)生“腿軟”現(xiàn)象。

● 為解決這個問題，曾經(jīng)一度想要換成大一點(diǎn)的9g舵機(jī)，但是一旦那樣的話由于尺寸會大很多導(dǎo)致機(jī)械部件基本都需要重新制作，那樣不異于重新做一個新的了。再三思考，想到了把所有的機(jī)械腿都縮短，也就是減小力臂的長度，從而降低對舵機(jī)的壓力。

● 經(jīng)過重新設(shè)計(jì)試驗(yàn)，把所有的腿都縮短了，雖然難看了不少——“短腿了、不再高挑”，但是確實(shí)解決了“腿軟”的問題，也基本確定機(jī)械部分的定型。

● 俯視圖

● 側(cè)視圖

● 側(cè)視圖

● 后視圖

5.2 初步行走

● 模仿昆蟲來設(shè)計(jì)步態(tài)，初步實(shí)現(xiàn)了行走。動作還是有點(diǎn)生硬，而且步子太小，移動速度還是有點(diǎn)慢，走直線還不夠直，仍需繼續(xù)完善。

● 背景聲音中有節(jié)奏的“咄——咄”聲，其實(shí)是因?yàn)椴綉B(tài)還有點(diǎn)生硬，腳觸地瞬間敲打桌面的聲音，如果是地板就不會有這樣的聲音。

● 這段里面有我們家旺財(cái)，它瞄了一陣這只奇特的怪物，有點(diǎn)害怕的走開了，呵呵~

觀看各角度的 行走視頻

6 動作調(diào)試完善

6.1 踢踏舞步

● 最初的這個行走不夠自然順暢，但是看起來還蠻有節(jié)奏的，而且還有“跺腳”的“咄咄聲”，就像跳踢踏舞一樣，姑且定名為“踢踏舞步”吧，呵呵。

6.2 直線行走

● 對踢踏舞步進(jìn)一步調(diào)整，發(fā)現(xiàn)要實(shí)現(xiàn)很自然的行走還是有難度的，暫時(shí)也只能做到稍微再把速度加快一點(diǎn)。

● 把左右兩邊的6只腳分別編號，一邊是單號，即1、3、5，另一邊是雙號，即2、4、6.。模仿六足動物行走，兩組腳，每組3只（一邊的2只加另一邊的1 只，即1/4/5和2/3/6），兩組腳交替抬起向前擺動，根據(jù)三角形的穩(wěn)定性，同一時(shí)間都確保有一組腳（3只）是著地的。

● 原來是只有在腿放下往后擺動的瞬間，整體是往前進(jìn)行一次移動，為加快速度，現(xiàn)在在腳前擺的瞬間，后腳同時(shí)增加了一個向后蹬的動作，即多了一個時(shí)間點(diǎn)向前移動。因此整體行進(jìn)速度快了一點(diǎn)。

● 不過，即便如此，整體動作的協(xié)調(diào)性還是和真實(shí)動物的動作差遠(yuǎn)了，主要原因還是在于調(diào)試比較復(fù)雜，而且舵機(jī)動作的精度還是不夠。暫時(shí)也只能先這樣，先調(diào)試好動作就增加動作的自動控制之類的，至于動作協(xié)調(diào)性完善等以后有精力和條件再慢慢弄吧。