KITtyBot

必要的工具和机器

	3D 打印机（通用）
	烙铁（通用） 面包板设计可能无需焊接

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Arduino IDE

关于这个项目

简介

我想做一个行走的四足机器人，比普通的“蜘蛛”或“昆虫”更像是“哺乳动物”的风格。灵感来自著名的波士顿动力机器人和其他四足研究机器人。制作这样的机器人非常具有挑战性，因为它很容易由于高重心和身体下方的脚而倾倒，而不是分散到角落。

目的是使用 Arduino 和低成本的微型伺服系统构建一个廉价的机器人。这个解决方案当然有它的局限性。不能指望它是完美的，但我现在已经设法建造了一些机器人，可以执行这部电影中描述的步行行为。以极少的预算做最好的事情本身就是一个挑战，也许是资金雄厚的研究项目的人永远不必面对的事情。 :)

很早就发现需要对倒置运动学 (IK) 进行研究才能使其正确。该代码具有一组方程式，可根据所需的足部运动计算关节角度。这些可以进一步用于一些重复性任务的功能，例如进行身体运动（四足向相反方向移动）和完整的足部运动（向指定方向向上移动并再次放下）。

下一个挑战是进行步态研究，即根据身体和足部运动定义机器人应该如何行走和转身。我的机器人一直使用静态稳定的步态。此时一只脚被抬起并放在一个新的位置。身体靠在其他三只脚上，为了不使重心翻倒，必须保持在这些脚形成的三脚架内。我开发了四种标准步态——向前、向后、向左和向右。这反过来又利用足部和身体运动功能组合成一个完整的序列。

我还设计了一个同步伺服运动的功能。在某些情况下，几个伺服器在设定的时间内进行不同的行程。这必须同步才能实现平稳移动。

最后但并非最不重要的是，我使用完全不受保护的 LiPo 电池。这可能有风险，主要的危害是放电过快或放电过深。只要不是意外短路，第一个危险就可以避免。普通 R/C 电池的放电率为 25 C，在这种情况下允许 12 A。UBEC 将防止它在任何情况下高于 2 A。软件中的监视功能可以防止第二种危险。在模拟引脚之一上测量电压，如果低于 7.0 V，机器人将停止工作。

最后，我必须强调，电池应使用专用充电器充电并照常处理，切勿在无人看管的情况下充电。电池应与机器人分离（使用尼龙搭扣安装）并在防火袋内充电，或至少与易燃材料保持安全距离，以便控制火势而不会蔓延。还要安全地存放电池。

如果您不熟悉 LiPo 电池，请咨询当地的 R/C 业余爱好商店，购买电池以及合适的充电器和防火袋/容器以进行充电和存放。这些项目通常充满警告标志。重新定义它们并使用您自己的良好判断力。 :)

建造机器人

根据提供的文件打印零件。在开始之前花一些时间查看图片并弄清楚如何组装零件。我是斯堪的纳维亚人，但这条指令远非宜家或乐高指令的水平:)

首先应组装髋关节。我使用质量好的双面胶带连接零件。它们也可以粘合，但如果需要修理损坏的部件，它们无法拆卸，一个损坏的伺服器会导致更换整个接头。

将舵机支架放在一个舵机的底部，与驱动轴对齐。然后加入另一个伺服，其轴垂直。下图显示了右前和左后的髋关节。对于另外两个角，应制作镜像接头。

在继续之前，最好确保所有 12 个舵机都居中。最好的方法是组装 PCB（或面包板，见下文），连接所有伺服器并加载代码。当 Arduino 启动时，所有伺服系统都将居中（命令信号 90 度）。机器人组装好之后，需要对中心位置进行微调。

下一步是连接称为大腿的部分，即腿部组件的“上肢”。该部件具有与通常与伺服器一起交付的伺服喇叭配合在一起的凹槽。将角粘在凹槽中。确保使用适用于连接 3D 打印材料和制成喇叭的尼龙塑料的胶水。我用的胶枪工作得很好，虽然我用 CA 胶取得了一些成功（有些品牌有效，其他品牌无效）。

大腿与髋关节呈 60 度角连接。当舵机居中时，尝试找到一个尽可能接近这个角度的位置。使用随附的螺钉（通常是随伺服提供的三个螺钉中较短的一个）将喇叭固定到伺服花键上。下面是两张组装好的大腿和臀部的图片，为了清晰起见，不包括伺服喇叭（或者我从来没有因为懒惰而建模）。

腿的下部也应该组装。在这种情况下，使用螺钉将伺服器连接到腿部。随伺服器提供螺钉（通常是两个较长的“木”螺钉）。

现在可以将腿组装到身体上。我称之为“保险杠”的两个部分分别位于机器人的前部和后部（就像汽车上的保险杠）。它们有用于伺服喇叭的凹槽，就像大腿部分一样。把角粘在它们上面。然后将大腿的舵机支架滑入身体相应的孔中。在两侧完成此操作后，可以通过保险杠固定组件。让腿指向大约 12 度（腿的脚趾向外 20 毫米）。保险杠通过使用剩余的（较长的）伺服螺丝固定在车身上。

最后可以连接机器人的小腿。它们应该在大腿的相反方向成角度，使脚尖正好位于每个腿组件的髋关节下方。

这样就组装了机器人。它应该如下图所示。请注意，与顶部图像和影片剪辑相比，机器人的设计略有变化。机身经过重新设计，以简化并实现更坚固的设计。髋关节的伺服支架和喇叭已经交换了位置。所以要根据3D图像进行组合，避免被照片和影片剪辑所迷惑。

当然，每个关节的角度不可能完全达到要求的角度，SG-90舵机上的样条数为21，导致两个位置之间的角度为17度。您最多可以在 10-20 度内组装机器人，剩余的误差必须通过更改代码中的中立位置来调整，请参阅本说明的进一步内容。再次连接所有伺服系统并启动 Arduino 并检查中立位置可能是一个好主意，如果需要，进行一些机械调整（移动一个或两个样条的关节）。人们在使用时往往会不小心转动舵机。

连接电子设备

有两种选择，将所有内容都放在一个面包板上，或者使用提供的 Fritzing 文件制作 PCB。如果在将所有电源线和地线连接到伺服系统时不小心，您可能会遇到面包板中的电压问题。在极端情况下，一个伺服器会消耗 600 mA，连接不良会导致行为不稳定。 PCB 的电源线有很宽的铜迹线，所以如果你正确焊接它会正常工作。

我的设计中没有电源开关。机器人只需连接电池即可开启和关闭。如果你想添加一个它应该在电池连接器之后，切断 Arduino 和 UBEC 的 7.4 V 电源。

面包板版本

可以在一个半尺寸面包板上安装 Pro Mini、舵机连接器和大多数其他电子设备。我在下图中绘制了原理图。确保使用短跨接导线，尤其是与舵机的 5 V 电源和接地连接。伺服连接器只是超长的公头，被切成三块并压入面包板。

图中未显示的是电池和UBEC。可能需要进行一些焊接来解决这个问题，以便将连接器配件连接到电池上。从连接器两根跳线应连接到面包板的下部“电源轨”，以便为 Pro Mini 供电（连接到 RAW 和 GND）。还将两个电阻从 7.4 V 电源连接到 A0 引脚。 2.2k 来自正极，1k 来自地面。这会将电压分压到一个低于 5 V 的值，该电压在满电池时超过 8 V，可由模拟引脚测量。

UBEC 的输出端有一个伺服连接器。在上面的“电源轨”上加一个两个公头是很方便的。把它放在图中中间的某个位置，以确保舵机的功率分配尽可能平衡。

IR 接收器应连接到 A1 并具有 5V 电源。接收器上的引脚足够长，可以直接插入面包板上的孔中。

下面有一个示意图和一张关于成品面包板外观的图片。请注意，图片显示的是具有不同引脚和连接的旧版本机器人。它仍然给出了如何连接跳线和伺服连接器的想法。

面包板通过其自粘背面附着在机身上。定位它，使舵机连接到引脚 D3、D4 和 D5（示意图中的右上角）的角落位于机器人的前/左角上，并确保电路板位于身体的中心（正确的中心重力至关重要）。

PCB 版本

我在下面添加了一个 Fritzing 文件。这可用于生产 PCB，通过从 Fritzing 提供的服务订购或导出用于 PCB 制造的文件。我做了一系列图片来展示下面的组件。 PCB 是为该机器人定制的，带有连接到所有伺服系统、IR 和电压测量的连接器。但也有连接器从剩余的引脚上断开。如果您以后想扩展机器人，这些可以用来连接其他设备。

机身上有一些小“垫”，适合 PCB 的角落。同样在这里，带有 D3 到 D5 连接器的角落应该在前/左。 PCB 上有安装孔，但我只在机身上使用了一块双面胶带将其固定。它将留在原地。

电池

电池用尼龙搭扣固定在底部。机身上有专门用于此的平面。一块 7.4V/500mAh 的 LiPo 电池通常具有大约 55x30x10 毫米（或多或少几毫米）的外形尺寸，非常适合这个地方。

最后，机器人可以通过将伺服线捆扎成漂亮的束来“修饰”，这样它在行走时就不会被它们绊倒。它还使机器人看起来很漂亮，实际上是一个四足动物，四处走动，而不是一堆伺服电线。 :)

结束

在使用机器人之前，应微调中心位置。这是通过在代码中编辑数组servodeg0来完成的：

const floatservodeg0[12] ={90, 90, 90, 90, 90, 90, 90, 90, 90, 90, 90, 90};  

这些值的顺序是 alfa、beta gamma 和前/左、后/左、前/右、后/右。所以右前方的beta是数组中的第八个位置或servodeg0[7]（数组的编号从0开始）。

还有一个称为servodir 的数组，用于定义舵机的旋转方向。

const intservodir[12] ={ +1, +1, -1, -1, -1, +1, -1, -1, -1, +1, +1, +1}; // 转向（正为舵机逆时针方向） 

我使用的伺服系统以逆时针方向从 0 度移动到 180 度。我在某处读到过伺服系统在另一个方向上运行。在这种情况下，阵列伺服目录必须一直改变它们的符号。

启动 Arduino 并检查所有伺服系统的角度。采取措施，看看一切看起来笔直和对称。距离和角度应如下图所示。

每次测量都很难在精确的毫米范围内，在厘米范围内是合理的。查看需要进行哪些更改并将它们添加/减去阵列servodeg0 中的值。在一切正常之前，这肯定需要几次迭代。您将以看起来像这样的伺服度数组结束（来自我的一个机器人的实际代码段）。最重要的是，你最终应该拥有一个四脚着地并站直的机器人。

 const floatservodeg0[12] ={80, 95, 100, 100, 110, 90, 100, 115, 100, 80, 80, 100}; 

现在一切都结束了。享受！

可能只是路上的一些提示。

一段时间后，舵机可能需要重新校准。中心位置会随着时间漂移。只需不时检查所有内容是否对齐。

如果您已将所有内容都做对了，但仍有一个会翻倒的机器人，请检查重心。可以移动电池来平衡这一点，使用魔术贴是一件好事。

还有一次。小心对待您的 LiPo 电池。

进一步改进

通过在这里提交我的机器人，我还邀请人们改进设计，添加更多功能或进行稍微不同的布局（更大、更小、更酷的外观）。代码应该可以在布局或大小略有不同的机器人上重复使用。下面的草图显示了代码中的不同常量。如果制造了具有不同措施的机器人，则所有 IK 和运动功能都应该仍然有效。它还显示坐标已定义，x 指向正向。

当然，如果人们为机器人添加功能会很有趣。遥控器上有几个按钮可以提供功能（如果按下按钮，为什么不跳舞或进行其他一些动作）。

我个人尝试模拟输入。我还使用了“边走边转”的步态，以便能够在一定程度上引导机器人，或者在陀螺仪或罗盘的帮助下纠正路线偏差。我还添加了超声波传感器和自主行为（避开障碍物）。我目前的项目是将模拟控制与自主相结合，并通过智能手机控制一切。这迫使我学习了很多新东西（Blynk、ESP6822、设备之间的串行通信等），并希望我可以推出一个改进版的机器人（或者也许有更好的技能的人在这件事上击败了我）:)

代码

• KITtyBot2 的代码

KITtyBot2Arduino的代码

/* KITtyBot 2 的红外控制版本。它使用 Arduino Pro Mini 和我设计的 PCB 板（Fritzing 草图 Kittybotmini.fzz）它基于以前的机器人 KITtyBot 和 KITtyBot mini 使用控制机器人的红外遥控器它使用 NEC（Adafruit）遥控器和 IRLib2 库，请参阅 https://github.com/cyborg5/IRLib2。从存储库下载 IRLib2 库并按照说明进行安装。总体尺寸与原始 KITtyBot 相似，但 gamma 轴和 alfa 轴之间存在 12 毫米的位移（伺服系统安装在彼此的顶部）给予最稳定的行为。 Created by Staffan Ek 2017*/#include #include #include  // 首先包含解码库#include  // 只包含你使用的协议using#define MY_PROTOCOL NEC //定义IR控制(NEC)long Previous;IRrecv My_Receiver(A1);//接收引脚A0IRdecodeNEC My_Decoder;const int Servonum =12; //舵机数量Servo舵机[servonum]; // 创建舵机 objectconst floatservodeg0[12] ={90, 90, 90, 90, 90, 90, 90, 90, 90, 90, 90, 90};// 从标称 90 度调整舵机的中性位置（需要校准来调整这些值)floatservodegnew[servonum]; // 以度为单位的所需伺服位置浮动伺服度[servonum]; // 旧的（或当前的）伺服位置// 将下面的值更新到 KITtyBot miniconst int servedir[12] ={ +1, +1, -1, -1, -1, +1, -1, -1, -1、+1、+1、+1}； // 转向（正为舵机逆时针方向）const float pi =3.1416;const float alfa0 =pi / 6; // alfa 的中立位置（30 度）const float beta0 =pi / 3; // beta (60 deg)const float jointlength =50 的中立位置； // 腿部长度（两者长度相同）const float width =120; // 宽度（y 方向双脚距离，加上 toeout0）const float leng =120; // 长度（x 方向双脚距离）const float distag =12; // alfa 和 gamma 轴之间的距离const float toeout0 =20; // 脚距伽玛舵机中心向外的距离（脚向外指的距离）const float leglength0 =2 * jointlength * cos(alfa0);const float gamma0 =asin(toeout0 / (leglength0 + distag)); // gamma 的中性位置（由于 toe out 20 mm 和 distag 12 mm）const float bodyradius =sqrt(pow((width / 2), 2) + pow((leng / 2), 2)); // 对角线长度（中心到脚角的距离）const float phi0 =atan(width / leng); // bodyradius 的角度与 x（向前指向）axisconst float height0 =sqrt(pow(leglength0 + distag, 2) - pow(toeout0, 2)); // 机器人的正常高度（如果有任何角度或距离改变，则必须更新）float leglength [4] ={sqrt(pow(height0, 2) + pow(toeout0, 2)), sqrt(pow(height0, 2) + pow(toeout0, 2)), sqrt(pow(height0, 2) + pow(toeout0, 2)), sqrt(pow(height0, 2) + pow(toeout0, 2)) };// 起始值leglengthunsigned long timestep =500; // 每个序列所用的时间（使用servomove()时）int steplength =40; //行走时x方向的步长（向前和向后爬行）float phi =20; // 转弯时的转角（以度为单位，不是弧度！）// 用于运动浮动的变量footpos[12]; // 脚的位置，顺序 LeftFrontxyz, LeftRearxyz, RightFrontxyz, RightRearxyzfloat stepturn[12] ={0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0}; // 转弯时的脚部运动// 脚部位置通过各自的起始位置进行校准const float jointangle0[12] ={alfa0, beta0, 0, alfa0, beta0, 0, alfa0, beta0, 0, alfa0, beta0, 0};浮动关节角[12]; //使用角度向量，顺序LeftFrontAlfaBetaGamma etcconst int voltagepin =A0; // 为电压测量分配的引脚低电压 =0; // 如果电压 goew <7.0 Vint mode =0，则停止机器人的变量； // 当前有序行走模式；前进，后退，左，右无效设置（）{ Serial.begin（9600）； Serial.println("KITtyBot mini"); //这些行只是为了检查配置。可以删除。 Serial.print("Gamma0:"); Serial.println(gamma0); Serial.print("Leglength0:"); Serial.println(leglength0); Serial.print("身体半径："); Serial.println(bodyradius); Serial.print("Phi0:"); Serial.println(phi0); Serial.print("Height0:"); Serial.println(height0);伺服[0].attach(3);伺服[1].attach(4);伺服[2].attach(5);伺服[3].attach(6);伺服[4].attach(7);伺服[5].attach(8);伺服[6].attach(2);伺服[7].attach(A3);伺服[8].attach(12);伺服[9].attach(11);伺服[10].attach(10);伺服[11].attach(9); for (int i =0; i  2 * 关节长度）lresult =2 * 关节长度； // 如果leglength大于可能的值，以下某些函数变得不稳定 return lresult;}float legright(float dx, float dz, float gamma) { float lresult =sqrt(pow(leglength0 - (dz / cos(gamma0 - gamma)), 2) + pow(dx, 2));如果（lresult> 2 * 关节长度）lresult =2 * 关节长度； // 如果leglength 大于可能的值，以下某些函数变得不稳定 return lresult;}// Beta，“膝关节”float beta(float leg) { float bresult =2 * acos(leg / (2 * jointlength)); return bresult;}// 阿尔法，另一个臀部伺服浮动 alfafront(float dx, float beta, float leg) { float aresult =(beta / 2) - asin(dx / leg);返回结果；}float alfarear(float dx, float beta, float leg) { float 结果 =(beta / 2) + asin(dx / leg); return aresult;}// 根据转角 f（以度为单位）给出脚的位置。 Stepturn 用于制作脚位值void turnpos(float f) { stepturn[0] =bodyradius * cos(phi0 + (f * pi / 180)) - leng / 2; stepturn[1] =bodyradius * sin(phi0 + (f * pi / 180)) - 宽度 / 2; stepturn[3] =bodyradius * cos(pi - phi0 + (f * pi / 180)) + leng / 2; stepturn[4] =bodyradius * sin(pi - phi0 + (f * pi / 180)) - 宽度 / 2; stepturn[6] =bodyradius * cos(2 * pi - phi0 + (f * pi / 180)) - leng / 2; stepturn[7] =bodyradius * sin(2 * pi - phi0 + (f * pi / 180)) + width / 2; stepturn[9] =bodyradius * cos(pi + phi0 + (f * pi / 180)) + leng / 2; stepturn[10] =bodyradius * sin(pi + phi0 + (f * pi / 180)) + width / 2;}// 根据上述函数中的关节角度计算伺服位置（以度为单位）void serverpos() { for ( int i =0; i <12; i++) {servodegnew[i] =servodeg0[i] +servodir[i] * (jointangle[i] - jointangle0[i]) * 180 / pi; }}// 用于受控和同步运动的伺服算法。所有舵机都应该在 timestepvoid 伺服移动（）结束时到达它们的结束位置 { intservotimeold[servonum]; // 上次伺服位置时间的局部变量 int Servotimenew[servonum]; // 舵机 i 定位当前时间的局部变量 int SERVOPULSE[servonum]; // 写入伺服驱动器的局部变量 floatservodeg[servonum]; // 当前伺服位置的局部变量 floatservodegspeed[servonum]; // 所需伺服速度每毫秒递减的局部变量 unsigned long starttime =millis(); // 时间戳算法的开始 unsigned long timenow =starttime; // 现在重置时间 (int i =0; i  

定制零件和外壳

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