DFRobot Hexapod Robot Kit.

Hexapod Robot Kit - шестиногий паук (рис 20), который может передвигаться по пересеченной местности.

Робот-паук управляется ARDUINO совместимым контроллером Mega 1280. Для коммутации используется плата ввода - вывода IO Shield. 54 входа/выхода контроллера позволяют подключить большое количество датчиков и дополнительных модулей для всех потребностей. Для передвижения используются 18 мощных сервомоторов с обратной связью CDS5516 с моментом 14 кг∙см. и углом поворота в 300 градусов. За счет считывания положения каждого из сервомоторов Dynamixel по сети, можно очень точно позиционировать каждую из ног Hexapoda с 18 степенями свободы, возможно даже заставить робота держать равновесие на двух ногах. Питание робота осуществляется от одной батареи. 7,4 В Рама собрана из 2-х мм алюминия. Управление осуществляется двумя платами контроллеров сервомоторов.

Рис. 20. Робот DFRobot Hexapod Robot Kit

 

Lynxmotion T-HEX

Использование смещенных кронштейнов на ногах обеспечивает дополнительные возможности движения. Четыре степени свободы на каждую ногу позволяют роботу идти в любом направлении, как и роботу с 3 степенями свободы. Наличие четвертой степени свободы сильно расширяет динамический диапазон движения робота. На роботе установлены 24 сервопривода HS-645 для ног. В комбинированный комплект поставки входит все необходимое, чтобы расширить функциональность робота, за исключением батарей. Согласно заверениям разработчика, передвижение этого робота производит неизгладимое впечатление на зрителей.

Робот собран из высококачественных жестких алюминиевых кронштейнов.

В комбинированный комплект поставки входят программные средства SSC-32, Bot Board II и BASICAtom Pro 28. Генерацию последовательности импульсов для сервоприводов и временную последовательность элементарных движений производит SSC-32, в то время как программа BASICAtom Pro 2 выстраивает сложные комбинации движений. Программа Phoenix определяет скорость и направление движения робота. Высоту подъема ноги, дорожный просвет, а также скорость походки при ходьбе можно регулировать. Есть возможность управления роботом дистанционно, через беспроводной контроллер.
Робот питается от аккумулятора 6вольт Ni-MH 2800mAh (BAT-05)

 

Рис. 21. Робот Lynxmotion T-HEX

 

Сравнение характеристик представленных роботов

Для сравнения основные характеристики вышерассмотренных роботов будут приведены в виде таблицы:

Таблица1. Итоги сравнения роботов

	Kondo KMR - M 6	DFRobot Hexapod Robot Kit	LynxmotionT - HEX
Конструкция конечностей	Пантографный	Однорычажный многосегментный	Однорычажный многосегментный
Число степеней свободы на 1 ногу	3	3	4
Число сервоприводов	12 (по 2 на ногу)	18 (по 3 на ногу)	24 (4 на ногу)
Основной алгоритм	3+3	3+3	3+3
Ориентация в пространстве	дальномеры	камера	дальномеры
Адаптивность	нет	нет	Выравнивание по акселерометру
Возможность установки дополнительных сенсоров	нет	да	да

 

 Как видно из сравнения характеристик, представленные в обзоре роботы имеют разную конструкцию корпуса и конечностей, с разным числом сервоприводов и степеней свободы. При этом все три робота используют для передвижения алгоритм 3+3 и ориентируются в пространстве с помощью датчиков – дальномеров или камеры. Однако практически нет ни одного робота с адаптивным алгоритмом передвижения: все 3 используют заранее описанные положения конечностей. У всех в роботов полностью отсутствуют контактные датчики на ногах и корпусе, и лишьу LynxmotionT-HEX есть акселерометр для выравнивания в горизонтальной плоскости. Тем не менее, у 2 роботов из 3 есть возможность поставить дополнительные датчики.

Выводы

Шагающие роботы и самый распространенный их подвид – шестиногие роботы в настоящее время широко исследуются во всем мире. На сегодняшний день существует огромное множество типов конструкций корпуса и конечностей роботов, большое множество алгоритмов передвижения.

Популярность шагающих роботов во многом вызвана их главным преимуществом перед другими типами передвигающихся роботов – способностью преодолевать поверхности со сложной формой рельефа Такое преимущество требует реализации в роботах адаптивных алгоритмов передвижения. Однако, как показал поведенный обзор наиболее распространенных на рынке моделей роботов, большинство роботов в базовом комплекте поставки не являются адаптивными. У многих роботов есть возможность дополнительного оснащения сенсорами, однако из-за особенностей установленного на роботе программного обеспечения и необходимости долгого его изучения, сделать это не всегда бывает просто.

Для проведения исследований адаптивных алгоритмов передвижения шагающих роботов в рамках данного проекта был создан шестиногий шагающий робот Hexapod МР4-2012.

Робот Hexapod МР4-2012

3.1 Общее описание робота

Для исследования адаптивных алгоритмов передвижения шагающих роботов было решено создать шестиногого робота с корпусом продолговатой формы с однорычажными односегментными конечностями.

Для создания конструкции небольшого веса и с невысокой потребляемой мощностью было принято решение установить на роботе 12 сервоприводов (по 2 на каждую ногу) Соответственно, создаваемый робот при передвижении будет иметь 12 степеней свободы, что показано на кинематической схеме на Рис.22.

 

Рис. 22 Кинематическая схема робота Hexapod МР4-2012

Для исследования адаптивных алгоритмов передвижения было решено установить на роботе три типа сенсоров: датчик положения в пространстве, датчики касания на ногах и датчики-дальномеры. Поскольку внутренняя память большинства микроконтроллеров довольно невелика, а алгоритмы передвижения роботов объемны и требуют довольно большую память для реализации, решено использовать архитектуру системы, при которой основная программа располагается на ПЭВМ, а контроллер реализует лишь элементарные действия. При этом на один контроллер можно подключить лишь 6 сервоприводов, поэтому в разрабатываемом роботе потребуется использовать 2 контроллера. Общая архитектура системы представлена на Рис 23

Рис. 23. Архитектура разрабатываемой системы

Выбрав общие принципы построения робота, необходимо перейти к подбору компонентов и разработке конструкции корпуса робота.

Компоненты робота

Основные компоненты создаваемого робота представлены в таблице. В последующих подразделах будет приведено обоснование выбора этих компонентов и их технические характеристики

Таблица 2 Компоненты робота

Устройство	Модель
Контроллер	Atmel AVR ATmega88
Датчик Sharp	GP2Y0A021YK0F
Акселерометр	Freescale MMA7361L
Сервопривод	HexTronik HX12K

Контроллер

В качестве двух основных микроконтроллеров для робота были выбраны контроллер AVR ATmega48 фирмы Atmel . Основное достоинство данного контроллера – легкость написания кода программы контроллера в среде AVR CodeVision, а также широкая поддержка и доступная документация.

ATMega48 - низкопотребляющий 8 битный КМОП микроконтроллер с AVR RISC архитектурой. Выполняя команды за один цикл, ATMega48 достигают производительности 1 MIPS при частоте задающего генератора 1 МГц.

AVR ядро объединяет богатую систему команд и 32 рабочих регистра общего назначения. Все 32 регистра непосредственно связаны с арифметико-логическим устройством (АЛУ), что позволяет получить доступ к двум независимым регистрам при выполнении одной команды. В результате эта архитектура позволяет обеспечить в десятки раз большую производительность, чем стандартная CISC архитектура.

ATMega48 имеет следующие характеристики: 4 КБ внутри системно-программируемой Flash памятью программы; 256 байтную EEPROM память данных; 512 байтное SRAM (статическое ОЗУ); 23 линии ввода - вывода общего применения; 32 рабочих регистра общего назначения; три гибких таймера/счетчика со схемой сравнения; внутренние и внешние источники прерывания; последовательный программируемый USART; байт- ориентированный последовательный; 2-х проводный интерфейс; 6 канальный АЦП, 4 канала которых имеют 10- битное разрешение, а 2- 8- битное; программируемый сторожевой таймер со встроенным генератором; SPI порт и пять программно инициализируемых режима пониженного потребления. В режиме Idle останавливается ядро, а SRAM, таймеры/счетчики, SPI порт и система прерываний продолжают функционировать. В Power-down режиме содержимое регистров сохраняется, но останавливается задающий генератор, и отключаются все внутренние функции микропроцессора до тех пор, пока не произойдет прерывание или аппаратный сброс.

Встроенная ISP Flash позволяет перепрограммировать память программы в системе через последовательный SPI интерфейс программой-загрузчиком, выполняемой в AVR ядре, или обычным программатором энергонезависимой памяти. Программа-загрузчик способна загрузить данные по любому интерфейсу, имеющемуся у микроконтроллера.

ATMega48 поддерживается различными программными средствами и интегрированными средствами разработки, такими как компиляторы C, макроассемблеры, программные отладчики/симуляторы, внутрисхемные эмуляторы и ознакомительные наборы.

Сервоприводы

Существует огромное число различных пневно -, гидро- и сервоприводов, которые можно использовать для перемещения ног робота. Однако пневматические и гидроприводы довольно дороги. Наиболее приемлемым решением является использование компактных сервоприводов. Очень хорошо известны надежные сервоприводы фирмы Dynamixel, созданные специально для применения в робототехнике. Но их стоимость довольно велика и в рамках данного проекта решено использовать недорогие, но не сильно уступающие по показателям надежности сервоприводам Dynamixel, сервоприводы HexTronik HX12K. (Рис. 24)

Рис. 24. Сервопривод HexTronik HX12K.

Данные сервоприводы обладают следующими характеристиками:

· Напряжение: 5-7 В

· Рабочий ход: +\- 60-65°

· Скорость: 0,16 сек/60°(4,8 В)

· Крутящий момент: 10 кг*см

· Размер (ДхШхВ): 40,7 x 19,7 x 42,9 мм

· Вес: 63 гр

· Материал шестеренок: Металл

· Кабель: 15 см

3.2.3 Датчики

Акселерометр

В качестве датчика положения в пространстве было решено использовать акселерометр Freescale MMA7361L.

MMA7361L - малопотребляющий, емкостной микроэлектромеханический датчик ускорения в низкопрофильном корпусе, отличающийся однополярным низкочастотным фильтром, схемой температурной компенсации и самотестирования, детектором нулевого ускорения для определения линейного свободного падения и возможностью выбора одного из двух уровней ускорения. Уровень напряжения нулевого ускорения и чувствительность имеют заводскую настройку и не требуют дополнительных внешних компонентов. MMA7361L имеет режим сна, что делает его идеальным для применений в портативных приборах с питанием от батареи.

 

Отличительные особенности:

• Выбор уровня ускорения — 1.5 g или 6 g
• Рабочий ток потребления 400 мкА
• Ток потребления в режиме сна 3 мкА
• Напряжение питания 2.2…3.6 В
• Чувствительность 800 мВ/g при ускорении 1.5 g
• Высокая скорость срабатывания (время реакции 0.5 мс)
• Схема формирования сигналов с низкочастотным фильтром
• Прочная конструкция с высокой стойкостью к удару
• Низкопрофильный корпус LGA-14 размером 3.0 х 5.0 х 1.0 мм

 

Рис. 25. Внешний вид  акселерометра MMA7361L на роботе

Дальномеры

В настоящее время на рынке существует огромное множество датчиков-дальномеров, различающихся принципом работы и стоимостью. Для установки на разрабатываемый робот, как наиболее подходящие по диапазону измеряемого расстояния и стоимости, были выбраны датчики-дальномеры Sharp GP2Y0A021YK0F

Датчики измерения расстояния SHARP — это доступные, эффективные и простые в использовании сенсоры, позволяющие определять расстояние до объекта или препятствия. Эти сенсоры очень часто применяются в робототехнике.

Расстояние до объекта сенсоры определяют при помощи триангуляции.
Импульс света (в ИК диапазоне: длина волны 850нм ± 70нм), излучается и отражается обратно от препятствия (или не отражается). Угол падения возвращаемого светового луча зависит от расстояния до отражающего объекта.
Триангуляция работает путём обнаружения этого отражённого луча и определения угла отражения, из которого уже может быть определено расстояние

.

Рис. 26. Принцип определения расстояния дальномеров

Датчик имеет специальный ИК-объектив, который принимает отражённый ИК-луч на специальную ПЗС-матрицу (CCD array). На основе данных ПЗС-матрицы, определяется угол отражения, который затем используется для расчёта дальности. Соответствующее значение дальности подаётся на аналоговый выход сенсора, которое может быть считано нашим микроконтроллером. Для избавления от возможных помех, сенсоры SHARP излучают ИК-сигнал с модулированной частотой. Это позволяет практически полностью застраховаться от помех от окружающего света. Кроме того, датчики показывают почти полное безразличие к цвету объекта обнаружения (датчик способен обнаруживать чёрные стены при солнечном свете).

Рис. 27 Датчик-дальномер Sharp  GP2Y0A021YK0F.

Характеристики дальномера Sharp GP2Y0A021YK0F:
1.Диапазон измерения расстояния: от 20 до 150 см
2.Аналоговый выход
3.Размеры: 28x5.1x12.5 мм
4.Потребление тока: 33 мА
5.Напряжение питания: от 4.5 до 5.5 В

Датчики-концевики

Датчики - концевики состоят из микропереключателя и контактной пластины из гибкого пластика. Пластиковые контактные пластины имеют форму окончания ног и подвижно закреплены на ногах с помощью двух заклепок. При касании ногой поверхности, пластины сдвигаются и нажимают на микропереключатель. В качестве микропереключателей используются трехконтактная кнопка в керамическом корпусе. При нажатии кнопки сигнальный провод замыкается на провод с напряжением питания и на контроллер идет положительный  сигнал о касании. Когда микропереключатель отпущен (не нажат), сигнальный провод замкнут на провод с низким уровнем напряжения и на контроллер поступает сигнал об отсутствии касания.

Рис.28 Датчик-концевик на ноге робота

Рис. 29. Схема включения концевого выключателя

3.3 Схема подключения сенсоров и сервоприводов к контроллерам:

Контроллер 1:

Акселерометр Z

Акселерометр Y

Акселерометр X

Sharp левый

Sharp правый

Серво  ЛСВ

Серво ЛСГ

Серво ППВ

Серво ППГ

Серво ЛПВ

Серво ЛПГ

Рис. 30а Схема подключения сервоприводов и датчиков к контроллеру 1

Обозначения:

Серво ЛПГ – сервопривод, перемещающий Левую Переднюю ногу робота в горизонтальном направлении.

Серво  ЛПВ – сервопривод, перемещающий Левую Переднюю ногу робота в вертикальном направлении.

Серво ППГ – сервопривод, перемещающий Правую Переднюю ногу робота в горизонтальном направлении.

Серво ППВ – сервопривод, перемещающий Правую Переднюю ногу робота в горизонтальном направлении.

Серво ЛСГ – сервопривод, перемещающий Левую Среднюю ногу робота в вертикальном направлении.

Серво ЛСВ – сервопривод, перемещающий Левую Среднюю ногу робота в вертикальном направлении.

Акселерометр X – выход Х Акселерометра.

Акселерометр Y –  выход Y Акселерометра.

Акселерометр Z –  выход Z Акселерометра.

Sharp правый – правый датчик-дальномер.

Sharp левый – правый датчик-дальномер.

Контроллер 2:

Концевик ПЗ

Концевик ПС

КонцевикПП

Концевик  ЛЗ

Концевик ЛС

Концевик  ЛП

Серво  ПСВ

Серво ПСГ

Серво ПЗВ

Серво ПЗГ

Серво ЛЗВ

Серво ЛЗГ

Рис. 30 б. Схема подключения сервоприводов и датчиков к контроллеру 2

 

Обозначения:

Серво ЛЗГ – сервопривод, перемещающий Левую Заднюю ногу робота в горизонтальном направлении.

Серво ЛЗВ – сервопривод, перемещающий Левую Заднюю ногу робота в вертикальном направлении.

Серво ПЗГ – сервопривод, перемещающий Правую Заднюю ногу робота в горизонтальном направлении.

Серво ПЗВ – сервопривод, перемещающий Правую Заднюю ногу робота в горизонтальном направлении.

Серво ПСГ – сервопривод, перемещающий Правую Среднюю ногу робота в вертикальном направлении.

Серво ПСВ – сервопривод, перемещающий Правую Среднюю ногу робота в вертикальном направлении.

Концевик ЛП – датчик касания (концевик) на Левой Передней  ноге робота.

Концевик ЛС – датчик касания (концевик) на Левой  Средней ноге робота.

Концевик ЛЗ – датчик касания (концевик) на Левой Задней ноге робота.

Концевик ПП – датчик касания (концевик) на Правой Передней ноге робота.

Концевик ПС – датчик касания (концевик) на Правой Средней ноге робота.

Концевик ПЗ – датчик касания (концевик) на Правой Задней ноге робота.

Выбрав необходимые компоненты робота, учитывая их размеры, вес и другие характеристики перейдем к созданию конструкции корпуса робота