DIY или Сделай сам ,

Электроника для начинающих

Привет, гиктаймс!

Проект uArm от uFactory собрал средства на кикстартере уже больше двух лет назад. Они с самого начала говорили, что это будет открытый проект, но сразу после окончания компании они не торопились выкладывать исходники. Я хотел просто порезать оргстекло по их чертежам и все, но так как исходников не было и в обозримом будущем не предвиделось, то я принялся повторять конструкцию по фотографиям.

Сейчас моя робо-рука выглядит так:

Работая не спеша за два года я успел сделать четыре версии и получил достаточно много опыта. Описание, историю проекта и все файлы проекта вы сможете найти под катом.

Пробы и ошибки

Начиная работать над чертежами, я хотел не просто повторить uArm, а улучшить его. Мне казалось, что в моих условиях вполне можно обойтись без подшипников. Так же мне не нравилось то, что электроника вращается вместе со всем манипулятором и хотелось упростить конструкцию нижней части шарнира. Плюс я начал рисовать его сразу немного меньше.

С такими входными параметрами я нарисовал первую версию. К сожалению, у меня не сохранилось фотографий той версии манипулятора (который был выполнен в желтом цвете). Ошибки в ней были просто эпичнейшие. Во-первых, ее было почти невозможно собрать. Как правило, механика которую я рисовал до манипулятора, была достаточно простая, и мне не приходилось задумываться о процессе сборки. Но все-таки я его собрал и попробовал запустить, И рука почти не двигалась! Все детли крутились вокруг винтов и, сли я затягивал их так, чтобы было меньше люфтов, она не могла двигаться. Если ослаблял так, чтобы она могла двигаться, появлялись невероятные люфты. В итоге концепт не прожил и трех дней. И приступил к работе над второй версией манипулятора.

Красный был уже вполне пригоден к работе. Он нормально собирался и со смазкой мог двигаться. На нем я смог протестировать софт, но все-таки отсутствие подшипников и большие потери на разных тягах делали его очень слабым.

Затем я забросил работу над проектом на какое-то время, но вскоре принял решении довести его до ума. Я решил использовать более мощные и популярные сервоприводы, увеличить размер и добавить подшипники. Причем я решил, что не буду пытаться сделать сразу все идеально. Я набросал чертежи на скорую руки, не вычерчивая красивых сопряжений и заказал резку из прозрачного оргстекла. На получившемся манипуляторе я смог отладить процесс сборки, выявил места, нуждающиеся в дополнительном укреплении, и научился использовать подшипники.

После того, как я вдоволь наигрался с прозрачным манипулятором, я засел за чертежи финальной белой версии. Итак, сейчас вся механика полностью отлажена, устраивает меня и готов заявить, что больше ничего не хочу менять в этой конструкции:

Меня удручает то, что я не смог привнести ничего принципиально нового в проект uArm. К тому времени, как я начал рисовать финальную версию, они уже выкатили 3D-модели на GrabCad. В итоге я только немного упростил клешню, подготовил файлы в удобном формате и применил очень простые и стандартные комплектующие.

Особенности манипулятора

До появления uArm, настольные манипуляторы подобного класса выглядели достаточно уныло. У них либо не было электроники вообще, либо было какое-нибудь управление с резисторами, либо было свое проприетарное ПО. Во-вторых, они как правило не имели системы параллельных шарниров и сам захват менял свое положение в процессе работы. Если собрать все достоинства моего манипулятора, то получается достаточно длинный список:

1. Система тяг, позволяющих разместить мощные я тяжелые двигатели в основании манипулятора, а также удерживающие захват параллельно или перпендикулярно основанию
2. Простой набор комплектующих, которые легко купить или вырезать из оргстекла
3. Подшипники почти во всех узлах манипулятора
4. Простота сборки. Это оказалось действительно сложной задачей. Особенно трудно было продумать процесс сборки основания
5. Положение захвата можно менять на 90 градусов
6. Открытые исходники и документация. Все подготовлено в доступных форматах. Я дам ссылки для скачивания на 3D-модели, файлы для резки, список материалов, электронику и софт
7. Arduino-совместимость. Есть много противников Arduino, но я считаю, что это возможность расширения аудитории. Профессионалы вполне могут написать свой софт на C - это же обычный контроллер от Atmel!

Механика

Для сборки необходимо вырезать детали из оргстекла толщиной 5мм:

С меня за резку всех этих деталей взяли около $10.

Основание монтируется на большом подшипнике:

Особенно трудно было продумать основание с точки зрения процесса сборки, но я подглядывал за инженерами из uArm. Качалки сидят на штифте диаметром 6мм. Надо отметить, что тяга локтя у меня держится на П-образном держателе, а у uFactory на Г-образном. Трудно объяснить в чем разница, но я считаю у меня получилось лучше.

Захват собирается отдельно. Он может поворачиваться вокруг своей оси. Сама клешня сидит прямо на валу двигателя:

В конце статьи я дам ссылку на суперподробную инструкцию по сборке в фотографиях. За пару часов можно уверенно все это скрутить, если все необходимое есть под рукой. Также я подготовил 3D-модель в бесплатной программе SketchUp. Её можно скачать, покрутить и посмотреть что и как собрано.

Электроника

Чтобы заставить руку работать достаточно всего навсего подключить пять сервоприводов к Arduino и подать на них питание с хорошего источника. У uArm использованы какие-то двигатели с обратной связью. Я поставил три обычных двигателя MG995 и два маленьких двигателя с металлическим редуктором для управления захватом.

Тут мое повествование тесно сплетается с предыдущими проектами. С некоторых пор я начал и для этих целей даже подготовил свою Arduino-совместимую плату . С другой стороны как-то раз мне подвернулась возможность дешево изготовить платы (о чем я тоже ). В итоге все это закончилось тем, что я использовал для управления манипулятором свою собственную Arduino-совместимую плату и специализированный шилд.

Этот шилд на самом деле очень простой. На нем четыре переменных резистора, две кнопки, пять разъемов для сервопривода и разъем питания. Это очень удобно с точки зрения отладки. Можно загрузить тестовый скетч и записать какой-нибудь макрос для управления или что-нибудь вроде того. Ссылку для скачивания файла платы я тоже дам в конце статьи, но она подготовлена для изготовления с металлизацией отверстий, так что мало пригодна для домашнего производства.

Программирование

Самое интересное, это управление манипулятором с компьютера. У uArm есть удобное приложение для управления манипулятором и протокол для работы с ним. Компьютер отправляет в COM-порт 11 байт. Первый из них всегда 0xFF, второй 0xAA и некоторые из оставшихся - сигналы для сервоприводов. Далее эти данные нормализуются и отдаются на отработку двигателям. У меня сервоприводы подключены к цифровым входам/выходам 9-12, но это легко можно поменять.

Терминальная программа от uArm позволяет изменять пять параметров при управлении мышью. При движении мыши по поверхности изменяется положение манипулятора в плоскости XY. Вращение колесика - изменение высоты. ЛКМ/ПКМ - сжать/разжать клешню. ПКМ + колесико - поворот захвата. На самом деле очень удобно. При желании можно написать любой терминальный софт, который будет общаться с манипулятором по такому же протоколу.

Я не буду здесь приводить скетчи - скачать их можно будет в конце статьи.

Видео работы

И, наконец, само видео работы манипулятора. На нем показано управление мышью, резисторами и по заранее записанной программе.

Ссылки

Файлы для резки оргстекла, 3D-модели, список для покупки, чертежи платы и софт можно скачать в конце моей

Сначала будут затронуты общие вопросы, потом технические характеристики результата, детали, а под конец и сам процесс сборки.

В целом и общем

Создание данного устройства в целом не должно вызвать каких-то сложностей. Необходимо будет качественно продумать только возможности что будет довольно сложно осуществить с физической точки зрения, чтобы рука-манипулятор выполняла поставленные перед ней задачи.

Технические характеристики результата

Будет рассматриваться образец с параметрами длины/высоты/ширины соответственно 228/380/160 миллиметров. Вес сделанной, будет составлять примерно 1 килограмм. Для управления используется проводной дистанционный пульт. Ориентировочное время сборки при наличии опыта - около 6-8 часов. Если его нет, то могут уйти дни, недели, а при попустительстве и месяцы, чтобы была собрана рука-манипулятор. Своими руками и одному в таких случаях стоит делать разве что для своего собственного интереса. Для движения составляющих используются коллекторные моторы. Приложив достаточно усилий, можно сделать прибор, который будет поворачиваться на 360 градусов. Также для удобства работы, кроме стандартного инструментария вроде паяльника и припоя, необходимо запастись:

1. Удлинёнными плоскогубцами.
2. Боковыми кусачками.
3. Крестовой отверткой.
4. 4-мя батарейками типа D.

Пульт дистанционного управления можно реализовать, используя кнопки и микроконтроллер. При желании сделать дистанционное беспроводное управление элемент контроля действий понадобится и в руке-манипуляторе. В качестве дополнений необходимы будут только устройства (конденсаторы, резисторы, транзисторы), которые позволят стабилизировать схему и передавать по ней в нужные моменты времени ток необходимой величины.

Мелкие детали

Для регуляции количества оборотов можно использовать переходные колесики. Они позволят сделать движение руки-манипулятора плавными.

Также необходимо позаботится о том, чтобы провода не усложняли её движения. Оптимальным будет проложить их внутри конструкции. Можно сделать всё и извне, такой подход сэкономит время, но потенциально может привести к сложностям в перемещении отдельных узлов или всего устройства. А теперь: как сделать манипулятор?

Сборка в общих чертах

Теперь приступаем непосредственно к созданию руки-манипулятора. Начинаем с основания. Необходимо обеспечить возможность поворота устройства во все стороны. Хорошим решением будет его размещение на дисковой платформе, которая приводится во вращение с помощью одного мотора. Чтобы она могла вращаться в обе стороны, существует два варианта:

1. Установка двух двигателей. Каждый из них будет отвечать за поворот в конкретную сторону. Когда один работает, второй пребывает в состоянии покоя.
2. Установка одного двигателя со схемой, которая сможет заставить его крутится в обе стороны.

Какой из предложенных вариантов выбрать, зависит исключительно от вас. Далее делается основная конструкция. Для комфорта работы необходимо два «сустава». Прикреплённый к платформе должен уметь наклоняться в разные стороны, что решается с помощью двигателей, размещённых в его основании. Ещё один или пару следует разместить в месте локтевого изгиба, чтобы часть захвата можно было перемещать по горизонтальной и вертикальной линии системы координат. Далее, при желании получить максимальные возможности, можно установить ещё двигатель в месте запястья. Далее наиболее необходимое, без чего не представляется рука-манипулятор. Своими руками предстоит сделать само устройство захвата. Тут существует множество вариантов реализации. Можно дать наводку по двум самым популярным:

1. Используется только два пальца, которые одновременно сжимают и разжимают объект захвата. Является самой простой реализацией, которая, правда, обычно не может похвастаться значительной грузоподъёмностью.
2. Создаётся прототип человеческой руки. Тут для всех пальцев может использоваться один двигатель, с помощью которого будет осуществляться сгиб/разгиб. Но можно сделать и конструкцию сложней. Так, можно к каждому пальцу подсоединить по двигателю и управлять ими отдельно.

Далее остаётся сделать пульт, с помощью которого будет оказываться влияние на отдельные двигатели и темпы их работы. И можно приступать к экспериментам, используя робот-манипулятор, своими руками сделанный.

Возможные схематические изображения результата

Предоставляет широкие возможности для творческих измышлений. Поэтому предоставляются вашему вниманию несколько реализаций, которые можно взять за основу для создания своего собственного устройства подобного предназначения.

Любая представленная схема манипулятора может быть усовершенствована.

Заключение

Важным в робототехнике является то, что практически не существует ограничения по функциональному улучшению. Поэтому при желании создать настоящее произведение искусства не составит труда. Говоря о возможных путях дополнительного улучшения, следует отметить кран-манипулятор. Своими руками сделать такое устройство не составит труда, одновременно оно позволит приучить детей к творческому труду, науке и конструировании. А это в свою очередь позитивно может сказаться на их будущей жизни. Сложно ли будет сделать кран-манипулятор своими руками? Это не так проблемно, как может показаться на первый взгляд. Разве что стоит позаботиться о наличии дополнительных мелких деталей вроде троса и колёс, по которым он будет крутиться.

Создаем робот-манипулятор с использованием дальномера, реализуем подсветку.

Резать основание будем из акрила. В качестве двигателей используем сервопривода.

Общее описание проекта робота-манипулятора

В проекте использовано 6 серводвигателей. Для механической части использован акрил толщиной 2 миллиметра. В качестве штатива пригодилось основание от диско-шара (один из двигателей вмонтирован внутрь). Также использован ультразвуковой датчик расстояния и светодиод диаметром 10 мм.

Для управления роботом используется Arduino плата питания. Сам источник питания - блок питания компьютера.

В проекте изложены исчерпывающие пояснения по разработке робо-руки. Отдельно рассмотрены вопросы питания разработанной конструкции.

Основные узлы для проекта манипулятора

Давайте начнем разработку. Вам понадобятся:

• 6 серводвигателей (я использовал 2 модели mg946, 2 mg995 , 2 futuba s3003 (mg995/mg946 по характеристикам лучше, чем futuba s3003, но последние намного дешевле);
• акрил толщиной 2 миллиметра (и небольшой кусок толщиной 4 мм);
• ультразвуковой датчик расстояния hc-sr04 ;
• светодиды 10 мм (цвет - на ваше усмотрение);
• штатив (используется в качестве основания);
• схват аллюминиевый (стоит около 10-15 долларов).

Для управления:

• Плата Arduino Uno (в проекте использована самодельная плата, которая полностью аналогична Arduino);
• плата питания (вам придется ее сделать самим, к этому вопросу мы вернемся позже, он требует отдельного внимания);
• блок питания (в данном случае используется блок питания компьютера);
• компьютер для программирования вашего манипулятора (если вы используете для программирования Arduino, значит, среда Arduino IDE)

Конечно же, вам пригодятся кабели и некоторые базовые инструменты вроде отверток и т.п. Теперь мы можем перейти к конструированию.

Сборка механической части

Перед началом разработки механической части манипулятора, стоит отметить, что чертежей у меня нет. Все узлы делались "на коленке". Но принцип очень простой. У вас есть два звена из акрила, между которыми надо установить серводвигатели. И другие два звенья. Тоже для установки двигателей. Ну и сам схват. Подобный схват проще всего купить в интеренете. Практически все устанавливается с помощью винтов.

Длина первой части около 19 см; второй - около 17.5; длина переднего звена около 5.5 см. Остальные габариты подбирайте в соответсвии с размерами вашего проекта. В принципе, размеры остальных узлов не так важны.

Механическая рука должна обеспечивать угол поворота 180 градусов в основании. Так что мы должны установить снизу серводвигатель. В данном случае он устанавливается в тот самый диско-шар. В вашем случае это может быть любой подходящий бокс. Робот устанавливается на этот серводвигатель. Можно, как это показано на рисунке, установить дополнительное металлическое кольцо-фланец. Можно обойтись и без него.

Для установки ультразвукового датчика, используется акрил толщиной 2 мм. Тут же снизу можно установить светодиод.

Детально объяснить как именно сконструировать подобный манипулятор сложно. Многое зависит от тех узлов и частей, которые есть у вас в наличии или вы приобретаете. Например, если габариты ваших сервоприводов отличаются, звенья арма из акрила тоже изменятся. Если изменятся габариты, калибровка манипулятора тоже будет отличаться.

Вам точно придется после завершения разработки механической части манипулятора удлинить кабели серводвигателей. Для этих целей в данном проекте использовались провода из интернет-кабеля. Для того, чтобы все это имело вид, не поленитесь и установите на свободные концы удлиненных кабелей переходники - мама или папа, в зависимости от выходов вашей платы Arduino, шилда или источника питания.

После сборки механической части, мы можем перейти к "мозгам" нашего манипулятора.

Схват манипулятора

Для установки схвата вам понадобится серводвигатель и несколько винтов.

Итак, что именно необходимо сделать.

Берете качалку от сервы и укорачиваете, пока она не подойдет к вашему схвату. После этого закручиваете два маленьких винта.

После установки сервы, проворачиваете ее в крайнее левое положение и сжимаете губки схвата.

Теперь можно установить серву на 4 болта. При этом следите, чтобы двигатель был все так же в крайнем левом положении, а губки схвата закрыты.

Можно подключить сервопривод к плате Arduino и проверить работоспособность схвата.

Учтите, что могут возникнуть проблемы с работой схвата, если болты/винты слишком сильно затянуты.

Добавление подсветки на манипулятор

Можно сделать ваш проект ярче, добавив на него подсветку. Для этого использовались светодиоды. Делается несложно, а в темноте выглядит очень эффектно.

Места для установки светодиодов зависят от вашего креатива и фантазии.

Электросхема

Можно использовать вместо резистора R1 потенциометр на 100 кОм для регулировки яркости вручную. В качестве сопротивлени R2 использовались резисторы на 118 Ом.

Перечень основных узлов, которые использовались:

• R1 - резистор на 100 кОм
• R2 - резистор на 118 Ом
• Транзистор bc547
• Фоторезистор
• 7 светодиодов
• Переключатель
• Подключение к плате Arduino

В качестве микроконтроллера использовалась плата Arduino. В качестве питания использовался блок питания от персонального компьютера. Подключив мультиметр к красному и черному кабелям, вы увидите 5 вольт (которые используются для серводвигателей и ультразвукового датчика расстояния). Желтый и черный дадут вам 12 вольт (для Arduino). Делаем 5 коннекторов для сервомоторов, параллельно подключаем позитивные к 5 В, а негативные - к земле. Аналогично с датчиком расстояния.

После этого подключите оставшиеся коннекторы (по одному с каждой сервы и два с дальномера) к распаянной нами плате и Arduino. При этом не забудьте в программе в дальнейшем корректно указать пины, которые вы использовали.

Кроме того, на плате питания был установлен светодиод-индикатор питания. Реализуется это несложно. Дополнительно использовался резистор на 100 Ом между 5 В и землей.

10 миллиметровый светодиод на роботе тоже подключен к Arduino. Резистор на 100 Ом идет от 13 пина к к позитивной ноге светодиода. Негативный - к земле. В программе его можно отключить.

Для 6 серводвигателей использовано 6 коннекторов, так как 2 серводвигателя снизу используют одинаковый сигнал управления. Соответствующие проводники соединяются и подключаются к одному пину.

Повторюсь, что в качестве питания используется блок питания от персонального компьютера. Либо, конечно, вы можете приобрести отдельный источник питания. Но с учетом, того, что у нас 6 приводов, каждый из которых может потреблять около 2 А, подобный мощный блок питания обойдется недешево.

Обратите внимание, что коннекторы от серв подключаются к ШИМ-выходам Arduino. Возле каждого такого пина на плате есть условное обозначение ~. Ультразвуковой датчик расттояния можно подключить к пинам 6, 7. Светодиод - к 13 пину и земле. Это все пины, которые нам понадобятся.

Теперь мы можем перейти к программированию Arduino.

Перед тем как подключить плату через usb к компьютеру, убедитесь, что вы отключили питание. Когда будете тестировать программу, также отключайте питание вашей робо-руки. Если питание не выключить, Arduino получит 5 вольт от usb и 12 вольт от блока питания. Соответственно, мощность от usb перекинется к источнику питания и он немного "просядет".

На схеме подключения видно, что были добавлены потенциометры для управления сервами. Потенциометры не являются обязательным звеном, но приведенный код не будет работать без них. Потенциометры можно подключить к пинам 0,1,2,3 и 4.

Программирование и первый запуск

Для управления использовано 5 потенциометров (вполне можно заменить это на 1 потенциометр и два джойстика). Схема подключения с потенциометрами приведена в предыдущей части. Скетч для Arduino находится здесь.

Снизу представлены несколько видео робота-манипулятора в работе. Надеюсь, вам понравится.

На видео сверху представлены последние модификации арма. Пришлось немного изменить конструкцию и заменить несколько деталей. Оказалось, что сервы futuba s3003 слабоваты. Их получилось использовать только для схвата или поворота руки. Так что виесто них были установлены mg995. Ну а mg946 вообще будут отличным вариантом.

Программа управления и пояснения к ней

// управляются привода с помощью переменных резисторов - потенциометров.

int potpin = 0; // аналоговый пин для подключения потенциометра

int val; // переменная для считывания данных с аналогового пина

myservo1.attach(3);

myservo2.attach(5);

myservo3.attach(9);

myservo4.attach(10);

myservo5.attach(11);

pinMode(led, OUTPUT);

{ //servo 1 analog pin 0

val = analogRead(potpin); // считывает значение потенциометра (значение между 0 и 1023)

// масштабирует полученное значение для использования с сервами (получаем значение в диапазоне от 0 до 180)

myservo1.write(val); // выводит серву в позицию в соответствии с рассчитанным значением

delay(15); // ждет, пока серводвигатель выйдет в заданное положение

val = analogRead(potpin1); // серва 2 на аналоговом пине 1

val = map(val, 0, 1023, 0, 179);

myservo2.write(val);

val = analogRead(potpin2); // серва 3 на аналоговом пине 2

val = map(val, 0, 1023, 0, 179);

myservo3.write(val);

val = analogRead(potpin3); // серва 4 на аналоговом пине 3

val = map(val, 0, 1023, 0, 179);

myservo4.write(val);

val = analogRead(potpin4); //серва 5 на аналоговом пине 4

val = map(val, 0, 1023, 0, 179);

myservo5.write(val);

Скетч с использованием ультразвукового датчика расстояния

Это, наверное, одна из самых эффектных частей проекта. На манипулятор устанавливается датчик расстояния, который реагирует на препятствия вокруг.

Основные пояснения к коду представлены ниже

#define trigPin 7

Следующий кусок кода:

Мы присвоили всем 5-ти сигналам (для 6 приводов) названия (могут быть любыми)

Следующее:

Serial.begin (9600);

pinMode(trigPin, OUTPUT);

pinMode(echoPin, INPUT);

pinMode(led, OUTPUT);

myservo1.attach(3);

myservo2.attach(5);

myservo3.attach(9);

myservo4.attach(10);

myservo5.attach(11);

Мы сообщаем плате Arduino к каким пинам подключены светодиоды, серводвигатели и датчик расстояния. Изменять здесь ничего не стоит.

void position1(){

digitalWrite(led, HIGH);

myservo2.writeMicroseconds(1300);

myservo4.writeMicroseconds(800);

myservo5.writeMicroseconds(1000);

Здесь кое-что можно менять. Я задал позицию и назвал ее position1. Она будет использована в дальнейшей программе. Если вы хотите обеспечить другое движение, измените значения в скобках в диапазоне от 0 до 3000.

После этого:

void position2(){

digitalWrite(led,LOW);

myservo2.writeMicroseconds(1200);

myservo3.writeMicroseconds(1300);

myservo4.writeMicroseconds(1400);

myservo5.writeMicroseconds(2200);

Аналогично предыдущему куску, только в данном случае это position2. По такому же принципу вы можете добавлять новые положения для перемещения.

long duration, distance;

digitalWrite(trigPin, LOW);

delayMicroseconds(2);

digitalWrite(trigPin, HIGH);

delayMicroseconds(10);

digitalWrite(trigPin, LOW);

duration = pulseIn(echoPin, HIGH);

distance = (duration/2) / 29.1;

Теперь начинает отрабатывать основной код программы. Не стоит его изменять. Основная задача приведенных выше строк - настройка датчика расстояния.

После этого:

if (distance <= 30) {

if (distance < 10) {

myservo5.writeMicroseconds(2200); //открыть схват

myservo5.writeMicroseconds(1000); //закрыть схват

Теперь вы можете добавлять новые перемещения в зависимости от расстояния, измеренного ультразвуковым датчиком.

if(distance <=30){ // данная строка обеспечивает переход в position1, если расстояние меньше 30 см.

position1(); //по сути арм отработает все, что вы зададите между скобками { }

else{ // если расстояние больше 30 см, переход в position2

position()2 // аналогично предыдущей строке

Можно в коде поменять расстояние ну и творить все, что вы пожелаете.

Последние строки кода

if (distance > 30 || distance <= 0){

Serial.println("Out of range"); //вывод в серийном монитеоре сообщения, что мы вышли за заданный диапазон

Serial.print(distance);

Serial.println(" cm"); //расстояние в сантиметрах

delay(500); //задержка в 0.5 секунды

Конечно, можно перевести тут все в миллиметры, метры, изменить отображающееся сообщение и т.п. Можно немного поиграться с задержкой.

Вот, собственно и все. Наслаждайтесь, модернизируйте свои собственные манипуляторы, делитесь идеями и резутатами!

Доброго дня, мозгочины ! Век технологий подарил нам много интересных приборов, которые можно и нужно дорабатывать своими руками , например как в этом мозгоруководстве о беспроводном управлении роботизированной рукой.

Существует несколько вариантов управления промышленной робо-рукой, но этот мозго-мастер-класс отличается своим подходом. Суть его в том, чтобы сделать беспроводную самоделку манипулирующую робо-рукой жестами с помощью перчатки с контроллером. Звучит амбициозно и просто, а что на деле?
На деле поделка выглядит так:

Перчатка снабжена сенсорами для управления светодиодом и 5-ю моторами
передатчик на Arduino принимает сигналы сенсоров, а затем в виде команд управления по беспроводной связи отправляет их на приемник контроллера робо-руки
приемник контроллера на основе Arduino Uno получает команды и соответственно управляет робо-рукой

Особенности:

Поддержка все 5 степеней свободы (DOF) и подсветки
наличие экстренной красной кнопки которая при необходимости отключает все двигатели робо-руки во избежание поломок и повреждений
портативный модульный дизайн

Шаг 1: Компоненты

Для перчатки:

Шаг 2: Предварительная сборка

Перед основной сборкой мозгоподелки я настоятельно рекомендую собрать прототип с помощью макетной платы, чтобы проверить функционирование каждого компонента самоделки .

Сам проект содержит два сложных момента: первый — это настроить два приемника-передатчика nRF24 друг на друга для слаженного взаимодействия. Получается, что ни Nano, ни Uno не обеспечивают стабильные 3.3В для четкой работы модулей. Это решается добавлением конденсаторов 47мФ на выводы питания обоих модулей nRF24. В принципе желательно перед использованием модулей nRF24 ознакомится с их функционированием в IRQ и не-IRQ режимах, да и другими нюансами. И помогут в этом следующие ресурсы. nRF24. и nRF24 lib

И второй — довольно быстро заполняются контакты Uno, но это не удивительно ведь нужно контролировать 5-ь двигателей, подсветку, две кнопки и модуль связи. Поэтому пришлось задействовать сдвиговый регистр. Основываясь на том, что модули nRF24 используют SPI интерфейс, я решил для программирования сдвигового регистра также использовать SPI вместо функции shiftout(). И на удивление набросок кода заработал с первого раза. Вы можете проверить это по назначению контактов и рисункам.

И пусть макетная плата и перемычки станут вашими мозгодрузьями 🙂

Шаг 3: Перчатки

OWI Робо-рука имеет 6 пунктов для управления:

Светодиод подсветки расположенный Захвате
Захват
Запястье
Локоть — это часть манипулятора соединенная с Запястьем
Плечо – часть манипулятора, прикрепленная к Основе
Основа

Перчатка-поделка управляет всеми этими 6-ю пунктами, то есть подсветкой и движениями манипулятора с 5 степенями свободы. Для этого на перчатке установлен сенсор, обозначенный на фото, с помощью которого и происходит управление:

Захват контролируется кнопками на среднем пальце и мизинце, то есть при сведении вместе указательного пальца и среднего захват закрывается, а при сведении мизинца и безымянного открывается.
Запястье управляется гибким сенсором на указательном пальце — сгибание пальца на половину заставляет запястье опускаться, а полное сгибание пальца подниматься.
Локоть управляется акселерометром – наклон ладони вверх или вниз заставляет локоть подниматься или опускаться соответственно.
Плечо так же контролируется акселерометром – поворот ладони вправо или влево заставляет плечо перемещаться вверх или вниз соответственно.
Основа тоже управляется акселерометром – наклон всей ладони (лицевой стороной вверх) вправо или влево заставляет поворачиваться основу в правую или левую стороны соответственно.
Подсветка включается/отключается одновременным нажатием обеих кнопок управляющих захватом.
При этом кнопки срабатывают при удержании в 1/4 секунды, чтобы избежать отклика при случайном касании.

Во время размещения компонентов самоделки на перчатке придется поработать ниткой с иголкой, а именно пришить 2 кнопки, гибкий резистор, модуль с гироскопом и акселерометром, ну и провода, идущие от всего перечисленного к штекерному мозгоразъему .

На плате со штекерным разъемом смонтированы два светодиода: зеленый – индикатор питания, а желтый – индикатор передачи данных на контроллер манипулятора.

Шаг 4: Блок передатчика

Блок передатчика состоит из Arduino Nano, модуля беспроводной связи nRF24, штекерного разъема для ленточного кабеля и трех резисторов: два согласующих резистора по 10кОм для кнопок управления захватом на перчатке и делитель напряжения 20кОм для гибкого сенсора, отвечающего за управление запястьем.

Вся электронные компоненты спаяны на монтажной плате, при этом обратите внимание как модуль nRF24 «висит» над Nano. Я думал, что такое мозгоположение будет вызывать помехи, но нет, все нормально работает.

9В-я батарейка придает браслету громоздкости, но я не хотел «возиться» с литиевым аккумулятором, может быть позже.

Внимание!! Перед пайкой ознакомьтесь с распиновкой контактов!

Шаг 5: Контроллер манипулятора

Основа контроллера робо-руки — Arduino Uno, получающий посредством модулей беспроводной связи nRF24 сигналы от перчатки, и на их основе затем с помощью микросхем 3 L293D управляющий OWI манипулятором.

Так как почти все контакты Uno были задействованы, то мозгопровода, идущие к ним, едва умещаются в корпусе контроллера!

Согласно концепции мозгоподелки , в начале контроллер находится в выключенном состоянии (как если нажата экстренная красная кнопка), это дает возможность надеть перчатку и подготовиться к управлению. Когда оператор готов, нажимается зеленая кнопка и устанавливается связь между перчаткой и контроллером манипулятора (начинают светиться желтый светодиод на перчатке и красный на контроллере).

Подключение OWI

Робо-рука и контроллер соединяются ленточным кабелем с 14 дорожками, см. рисунок.

Светодиоды припаиваются к заземлению (-) и контакту а0 Arduino через резистор 220 Ом.
Все провода от двигателей подсоединяются к микросхеме L293D к выводам 3/6 или 11/14 (+/- соответственно). Каждая L293D поддерживает два двигателя, следовательно, две пары контактов.
Провода питания OWI расположены по краям 7-контактного штекера (левая крайний +6В и правый крайний GND) на задней желтой крышке, см. фото. Эта пара подсоединена к контакту 8 (+) и контактам 4,5,12,13 (GND) на всех трех микросхемах L293D.

Внимание!! Обязательно ознакомьтесь с распиновкой контактов в следующем шаге!

Шаг 6: Назначение контактов (распиновка)

5В — 5В для платы акселерометра, кнопок и гибкого сенсора
а0 – вход гибкого сенсора
а1 – желтый светодиод
а4 – SDA к акселерометру
а5 – SCL к акселерометру
d02 – прерывающий контакт модуля nRF24L01 (контакт 8)
d03 – вход кнопки открытия захвата
d04 – вход кнопки сжатия захвата
d09 — SPI CSN к модулю NRF24L01 (контакт 4)
d10 — SPI CS к модулю NRF24L01 (контакт 3)
d11 — SPI MOSI к модулю NRF24L01 (контакт 6)

d13 — SPI SCK к модулюNRF24L01 (контакт 5)
Vin – «+9В»
GND – масса, заземление

3,3V — 3,3В для модуля NRF24L01 (контакт 2)
5V — 5В к кнопкам
Vin – «+9В»
GND – масса, заземление
а0 – «+» светодиода на запястье
а1 — SPI SS контакт для выбора сдвига регистра – к контакту 12 на сдвиговом регистре
а2 – вход красной кнопки
а3 – вход зеленой кнопки
а4 – движение основы вправо — контакт 15 на L293D
а5 – светодиод
d02 — IRQ вход модуля nRF24L01 (контакт 8)
d03 – включение двигателя основы — контакт 1 или 9 на L293D
d04 – движение основы влево — контакт 10 на соответствующей L293D
d05 – включение двигателя плеча — контакт 1 или 9 на L293D
d06 — включение двигателя локтя — контакт 1 или 9 на L293D
D07 — SPI CSN к модулю NRF24L01 (контакт 4)
d08 — SPI CS к модулю NRF24L01 (вывод 3)
d09 – включение двигателя запястья — контакт 1 или 9 на L293D
d10 – включение двигателя захвата — контакт 1 или 9 на L293D
d11 — SPI MOSI к модулю NRF24L01 (контакт 6) и контакт 14 на сдвиговом регистре
d12 — SPI MISO к модулю NRF24L01 (контакт 7)
d13 — SPI SCK к модулю NRF24L01 (контакт 5) и контакт 11 на сдвиговом регистре

Шаг 7: Связь

Перчатка самоделки посылает 2 байта данных в контроллер манипулятора 10 раз в секунду, или когда получен сигнал от одного из сенсоров. Этих 2 байтов достаточно для 6 пунктов контроля, потому что нужно всего лишь послать:

Включить/выключить подсветку (1 бит) — я на самом деле использую 2 бита совместно с двигателями, но достаточно одного.
выключить/ вправо / влево для всех 5 двигателей – по 2 бита на каждый, то есть всего 10 бит

Получается что 11 или 12 бит достаточно.

Кодировка направлений:
Выкл: 00
Вправо: 01
Влево: 10

По битам управляющий сигнал выглядит так:

Байт 1 может быть удобно направлен непосредственно в регистр сдвига, так как это контроль вправо/влево двигателей с 1 по 4.

Задержка в 2 секунды выключает связь, и тогда двигатели останавливаются как будто нажата красная кнопка.

Шаг 8: Код

Код для перчаток содержит участки из следующих библиотек:

Добавлены еще два байта в структуре связи для отправки запрошенной скорости двигателей Запястья, Локтя, Плеча и Основы, которая определяется 5-битным значением (0..31) пропорционально угловому положению перчатки. Контроллер манипулятора распределяет полученное значение (0..31) на ШИМ значения соответственно для каждого мозгодвигателя . Это обеспечивает согласованное управление скорости оператора, и более точное манипулирование робо-рукой.

Новый набор жестов поделки :

• Подсветка: Кнопка на среднем пальце – Включение, на мизинце — Выключение.
• Гибкий сенсор управляет Захватом – полусогнутый палец – Открыть, полностью согнутый – Закрыть.
• Запястье контролируется отклонением ладони относительно горизонтали Вверх и Вниз соответственно движению, и чем больше отклонение, тем больше скорость.
• Локоть управляется отклонением ладони относительно горизонтали Вправо и Влево соответственно. Чем больше отклонение, тем больше скорость.
• Плечо контролируется вращением ладони Вправо и Влево относительно вытянутой ладони лицевой стороной вверх. Вращение ладони относительно оси локтя, вызывает помахивание робо-рукой.
• Основа контролируется также как и Плечо, но с положением ладони лицевой стороной вниз.

Шаг 9: Что же еще можно доработать?

Как и многие подобные системы данная мозгоподелка может быть перепрограммирована, чтобы увеличить свои функциональные возможности. К тому же конструкция самоделки расширяет спектр вариантов контроля, не доступных для стандартного пульта управления:

Градиентное увеличение скорости: каждое движение двигателя начинается на минимальной скорости, которая затем постепенно увеличивается с каждой секундой, пока не достигнет необходимого максимума. Это позволит более точно управлять каждым двигателем, особенно двигателями Захвата и Запястья.
Более быстрое торможение: при получении команды остановки от контроллера двигатель еще меняет свое положение в течение примерно 50мс, поэтому «ломка» движения обеспечит более четкое управление.
А что еще?

Возможно, в дальнейшем и более сложные жесты можно будет применить для управления, или даже несколько жестов одновременно.

Но это в будущем, а сейчас удачи в вашем творчестве и надеюсь мое мозгоруководство было вам полезно!