Arduino 控制的双足机器人
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我一直对机器人很感兴趣，尤其是那些试图模仿人类行为的机器人。这种兴趣促使我尝试设计和开发一种可以模仿人类行走和跑步的机器人两足动物。在这个Instructable中，我将向您展示机器人两足动物的设计和组装。
构建这个项目的主要目标是使系统尽可能健壮，这样在尝试各种步行和跑步步态时，我就不必经常担心硬件故障。这使我能够将硬件推向极限。第二个目标是使用现成的爱好零件和3D打印使Biped成本相对较低，为进一步升级和扩展留出空间。这两个目标相结合为执行各种实验提供了坚实的基础，让人们可以根据更具体的要求开发Biped。
继续创建您自己的Arduino控制的RoboticBiped，如果您喜欢该项目，请在“Arduino竞赛”中投下一票。
第1步：设计过程人形腿是在Autodesk免费使用的Fusion3603d建模软件中设计的。我首先将伺服电机导入到设计中，并在它们周围建造了支腿。我为伺服电机设计了支架，它提供了与伺服电机轴径向相对的第二个枢轴点。电机两端的双轴为设计提供了结构稳定性，并消除了当腿承受一些负载时可能发生的任何倾斜。连杆设计用于固定轴承，而支架使用螺栓固定轴。一旦使用螺母将连杆安装到轴上，轴承将在伺服电机轴的另一侧提供平滑且坚固的枢轴点。
设计Biped的另一个目标是使模型尽可能紧凑，以最大限度地利用伺服电机提供的扭矩。连杆的尺寸旨在实现大范围的运动，同时最小化总长度。使它们太短会使支架发生碰撞，从而减小运动范围，而使它们太长会在执行器上施加不必要的扭矩。最后，我设计了安装Arduino和其他电子元件的机器人主体。
**注意：**这些部件包含在以下步骤之一中。
第2步：Arduino的作用该项目使用了ArduinoUno。Arduino负责计算经过测试的各种步态的运动路径，并指示执行器以精确的速度移动到精确的角度，以产生平稳的步行运动。由于其多功能性，Arduino是开发项目的绝佳选择。它提供了一堆IO引脚，还提供了串行、I2C和SPI等接口，用于与其他微控制器和传感器进行通信。Arduino还为快速原型设计和测试提供了一个很好的平台，并为开发人员提供了改进和可扩展性的空间。在这个项目中，进一步的版本将包括一个用于运动处理的惯性测量单元，例如在不平坦地形中的跌倒检测和动态运动，以及一个用于避开障碍物的距离测量传感器。
该项目使用了ArduinoIDE。（Arduino还提供了一个基于Web的IDE）
**注意：**机器人程序可以从以下步骤之一下载。
第3步：所需材料这是制作您自己的Arduino驱动的双足机器人所需的所有组件和零件的列表。所有部件都应该普遍可用且易于找到。
电子产品：
ArduinoUnox1
TowerproMG995伺服电机x6
Perfboard（与Arduino尺寸相似）
公头和母头针MaleandFemaleheaderpins（每种约20个）
跳线JumperWires（10件）
MPU6050IMU（可选）
超声波传感器Ultrasonicsensor（可选）
硬件：
滑板轴承SkateboardBearing(8x19x7mm)
M4螺母和螺栓（M4nutsandbolts）
3D打印机材料（3Dprinterfilament）
不包括Arduino和3D打印机，该项目的总成本为20美元。
第4步：3D打印零件该项目所需的零件必须是定制设计的，因此使用3D打印机将它们打印出来。印刷品采用40%填充量、2周长、0.4毫米喷嘴和0.1毫米层高，PLA为您选择的颜色。您可以在下面找到完整的部件列表和用于打印您自己的版本的STL。
**注意：**从这里开始，将使用列表中的名称来引用这些部件。
脚踏伺服支架（footservoholder）x1脚踏伺服支架镜子（footservoholdermirror）x1膝部伺服支架（kneeservoholder）x1膝盖伺服支架镜子（kneeservoholdermirror）x1脚踏伺服支架（footservoholder）x1脚踏伺服支架镜子（footservoholdermirror）x1轴承连杆（bearinglink）x2伺服喇叭连杆（servohornlink）x2脚链（footlink）x2桥（bridge）x1电子支架（electronicsmount）x1电子垫片（electronicsspacer）x8（可选）伺服喇叭空间（servohornspace）x12（可选）总共有14个零件，不包括垫片。总打印时间约为20小时。
附件stls.rar
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第5步：准备伺服支架打印完所有零件后，您可以开始设置伺服系统和伺服支架。首先将轴承推入膝部伺服支架。配合应该是贴合的，但我建议稍微打磨孔的内表面，而不是用力挤压轴承，否则可能会损坏零件。然后将M4螺栓穿过孔并使用螺母将其拧紧。接下来，抓住脚连杆并使用提供的螺钉将圆形伺服喇叭连接到其上。使用将用于连接伺服电机的螺钉将脚连杆连接到膝部伺服支架。确保对齐电机，使轴位于您之前连接的螺栓的同一侧。最后用其余的螺母和螺栓固定伺服。
对臀部伺服支架和脚伺服支架做同样的事情。有了这个，你应该有三个伺服电机及其相应的支架。
**注意：**我提供的是构建一条腿的说明，另一条只是镜像。
第6步：制作链接片段组装好支架后，开始制作链接。要制作轴承连杆，再次轻轻打磨轴承孔的内表面，然后将轴承推入两侧的孔中。确保将轴承推入，直到一侧齐平。要构建伺服喇叭链接，请抓住两个圆形伺服喇叭和提供的螺丝。将喇叭放在3D打印件上并对齐孔，然后通过从3D打印侧连接螺钉将喇叭拧到3D打印件上。我建议为这些螺钉使用3D打印伺服喇叭垫片。建立链接后，您可以开始组装腿。
第7步：组装腿组装连杆和支架后，您可以将它们组合起来以构建机器人的腿。首先，使用伺服喇叭连杆将髋部伺服支架和膝部伺服支架连接在一起。**注意：**先不要把喇叭拧到舵机上，因为后面有设置阶段，如果喇叭拧到伺服电机上会很不方便。
在另一侧，使用螺母将轴承连杆安装到突出的螺栓上。最后，通过将突出的螺栓插入膝盖伺服支架上的轴承来连接脚踏伺服支架。并将伺服轴固定在连接到另一侧膝盖伺服支架的伺服喇叭上。这可能是一项棘手的任务，我会推荐第二双手。
对另一条腿重复这些步骤。使用附在每个步骤中的图片作为参考。
第8步：定制PCB和接线这是一个可选步骤。为了使布线更整洁，我决定使用穿孔板和接头引脚制作定制PCB。PCB包含直接连接伺服电机线的端口。此外，我还留下了额外的端口，以防我想扩展和添加其他传感器，例如惯性测量单元或超声波距离传感器。它还包含一个端口，用于为伺服电机供电所需的外部电源。跳线连接用于在Arduino的USB和外部电源之间切换。使用螺钉和3D打印垫片将Arduino和PCB安装到电子设备支架的任一侧。
**注意：**确保在通过USB将Arduino连接到计算机之前拔下跳线。不这样做可能会损坏Arduino。
如果您决定不使用PCB而是使用面包板，这里是伺服连接：
左髋LeftHip>>引脚9右髋RightHip>>引脚8左膝LeftKnee>>引脚7右膝RightKnee>>引脚6左脚LeftFoot>>引脚5右脚RightFoot>>引脚4如果您确实决定通过使用PCB上的端口从右到左使IMU端口朝上，使PCB遵循与上述相同的顺序。并使用常规公对母跳线使用上述引脚号将PCB连接到Arduino。当您决定在没有USB电源的情况下运行它时，请确保还连接接地引脚并创建相同的接地电位和Vin引脚。
第9步：组装车身组装好两条腿和电子设备后，将它们组合在一起以构建机器人主体。使用桥接件将两条腿连接在一起。在臀部伺服支架上使用相同的安装孔以及固定伺服电机的螺母和螺栓。最后，将电子支架连接到电桥。将琴桥和电子支架上的孔对齐，并使用M4螺母和螺栓制作接头。
请参阅所附图像以获取帮助。至此，您已经完成了机器人的硬件构建。接下来，让我们进入软件，让机器人栩栩如生。
第10步：初始设置我在构建这个项目时注意到的是，伺服电机和喇叭不需要完全对齐以保持相对平行。这就是为什么必须手动调整每个伺服电机的“中心位置”以与腿对齐的原因。为了实现这一点，从每个伺服器中移除伺服喇叭并运行initial_setup.ino草图。一旦电机稳定在它们的中心位置，重新连接喇叭，使腿完全伸直，脚完全平行于地面。如果是这种情况，你很幸运。如果没有打开常量.h在相邻选项卡上找到文件并修改伺服偏移值（第1-6行），直到腿完全对齐并且脚是平的。玩转这些值，您将了解在您的情况下什么是必要的。
一旦设置了常量，请记下这些值，因为稍后将需要它们。
请参阅图片以获取帮助。
附件初始设置.rar
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第11步：运动学知识为了使两足动物执行有用的动作，例如跑步和行走，需要以运动路径的形式对各种步态进行编程。运动路径是末端执行器（在本例中为脚）沿其行进的路径。有两种方法可以实现这一点：
一种方法是以蛮力方式馈送各种电机的关节角度。这种方法可能很耗时、乏味，而且由于判断是纯视觉的，因此也充满了错误。相反，有一种更聪明的方法可以实现预期的结果。第二种方法围绕馈送末端执行器的坐标而不是所有关节角度。这就是所谓的逆运动学。用户输入坐标并调整关节角度以将末端执行器定位在指定坐标处。这种方法可以被认为是一个黑匣子，输入坐标并输出关节角度。对于那些对如何开发这个黑匣子的三角方程感兴趣的人可以查看上图。对于那些不感兴趣的人，方程已经被编程并且可以使用pos函数来使用，该函数将x、z作为输入并输出与电机相对应的三个角度。包含这些功能的程序可以在下一步中找到。
第12步：对Arduino进行编程在对Arduino进行编程之前，需要对文件进行轻微修改。还记得我让你记下的常量吗？将相同的常量修改为您在constants.h文件中设置的值。
注意：如果您使用了本Instructable中提供的设计，则无需更改任何内容。如果你们中的一些人做了自己的设计，你将不得不更改更多的值以及偏移量。常数l1测量髋关节枢轴和膝关节枢轴之间的距离。常数l2测量膝关节枢轴和踝关节枢轴之间的距离。因此，如果您设计了自己的模型，请测量这些长度并修改常数。最后两个常数用于步态。stepClearance常数测量脚在迈出一步时向前抬起的高度，而stepHeight常数测量脚在迈步时从地面到臀部的高度。
根据您的需要修改所有常量后，您可以上传主程序。主程序简单地将机器人初始化为步行姿态并开始向前迈出一步。这些功能可以根据您的需要进行修改，以探索各种步态、速度和步长，看看哪种效果最好。
附件人形机器人.rar
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第13步：最终结果：实验时间Biped可以在不翻倒的情况下采取10到2厘米长的步幅。在保持步态平衡的同时，也可以改变速度。这种Biped与Arduino的强大功能相结合，提供了一个强大的平台来试验各种其他步态和其他目标，例如在踢球时跳跃或平衡。我建议您尝试改变腿的运动路径以创建自己的步态，并了解各种步态如何影响机器人的性能。可以将IMU和距离传感器等传感器添加到系统中以增加其功能，而可以将力传感器添加到腿上以在不平坦的表面上进行动态运动实验。
希望您喜欢这个Instructable，并且足以激发您建立自己的灵感。如果您喜欢这个项目，请在“Arduino竞赛”中投下一票来支持它。
什么是工业机器人，它有什么特点
工业机器人就是利用现代的电子科技和机械手脚关节制造出来的一种可以模仿人体动作，来从事一一些特殊危险场所工作的智能机器人。工业机器人是机器人应用中的一个分枝，与机器人一样，是一种可反复编程和多功能的用来搬运材料、零件、工具的操作工具。为了执行不同的任务而具有可改变可遍程序的动作的专门系统。
工业机器人被广泛应用于电子、物流、化工等各个工业领域之中；已成为衡量一个国家制造业水平和科技水平的重要标志。我国正处于加快转型升级的重要时期，以工业机器人为主体的机器人产业，正是破解我国产业成本上升、环境制约问题的重要路径选择；已经在上海、徐州、常州、昆山、哈尔滨、天津、重庆、唐山和青岛等地均已经着手开建机器人产业园区。
工业机器人发展历程
20世纪50年代末，工业机器人最早开始投入使用。约瑟夫・恩格尔贝格（JosephF．Englberger）利用伺服系统的相关灵感，与乔治・德沃尔（GeorgeDevol）共同开发了一台工业机器人――“尤尼梅特”（Unimate），率先于1961年在通用汽车的生产车间里开始使用。
20世纪70年代末，由美国Unimation公司推出的PUMA系列机器人，为多关节、多CPU二级计算机控制，全电动，有专用VAL语言和视觉、力觉传感器，这标志着工业机器人技术已经完全成熟。PUMA至今仍然工作在工厂第一线。
20世纪80年代，机器人进入了普及期，随着制造业的发展，使工业机器人在发达国家走向普及，并向高速、高精度、轻量化、成套系列化和智能化发展，以满足多品种、少批量的需要。
到了20世纪90年代，随着计算机技术、智能技术的进步和发展，第二代具有一定感觉功能的机器人已经实用化并开始推广，具有视觉、触觉、高灵巧手指、能行走的第三代智能机器人相继出现并开始走向应用。
工业机器人的组成
工业机器人由三大部分六个子系统组成。
三大部分是机械部分、传感部分和控制部分。
六个子系统可分为机械结构系统、驱动系统、感知系统、机器人－环境交互系统、人机交互系统和控制系统。
工业机器人的应用
1、在码垛方面的应用
在各类工厂的码垛方面，自动化极高的机器人被广泛应用，人工码垛工作强度大，耗费人力，员工不仅需要承受巨大的压力，而且工作效率低。搬运机器人能够根据搬运物件的特点，以及搬运物件所归类的地方，在保持其形状的和物件的性质不变的基础上，进行高效的分类搬运，使得装箱设备每小时能够完成数百块的码垛任务。在生产线上下料、集装箱的搬运等方面发挥及其重要的作用。
2、在焊接方面的应用
焊接机器人主要承担焊接工作，不同的工业类型有着不同的工业需求，所以常见的焊接机器人有点焊机器人、弧焊机器人、激光机器人等。汽车制造行业是焊接机器人应用最广泛的行业，在焊接难度、焊接数量、焊接质量等方面就有着人工焊接无法比拟的优势。
3、在装配方面的应用
在工业生产中，零件的装配是一件工程量极大的工作，需要大量的劳动力，曾经的人力装配因为出错率高，效率低而逐渐被工业机器人代替。装配机器人的研发，结合了多种技术，包括通讯技术、自动控制、光学原理、微电子技术等。研发人员根据装配流程，编写合适的程序，应用于具体的装配工作。装配机器人的最大特点，就是安装精度高、灵活性大、耐用程度高。因为装配工作复杂精细，所以我们选用装配机器人来进行电子零件，汽车精细部件的安装。
4、在检测方面的应用
机器人具有多维度的附加功能。它能够代替工作人员在特殊岗位上的工作，比如在高危领域如核污染区域、有毒区域、核污染区域、高危未知区域进行探测。还有人类无法具体到达的地方，如病人患病部位的探测、工业瑕疵的探测、在地震救灾现场的生命探测等均有建树。
工业机器人的特点
1、可编程
生产自动化的进一步发展是柔性启动化，工业机器人可随其工作环境变化的需要而再编程，因此它在小批量多品种具有均衡高效率的柔性制造过程中能发挥很好的功用，是柔性制造系统中的一个重要组成部分。
2、拟人化
工业机器人在机械结构上有类似人的行走、腰转、大臂、小臂、手腕、手爪等部分，在控制上有电脑，此外，智能化工业机器人还有许多类似人类的“生物传感器”，如皮肤型接触传感器、力传感器、负载传感器、视觉传感器、声觉传感器、语言功能等，传感器提高了工业机器人对周围环境的自适应能力。
3、通用性
除了专门设计的专用的工业机器人外，一般工业机器人在执行不同的作业任务时具有较好的通用性，比如，更换工业机器人手部末端操作器（手爪、工具等）便可执行不同的作业任务。
4、工业机器技术涉及的学科相当广泛，归纳起来是机械学和微电子学的结合－机电一体化技术，第三代智能机器人不仅具有获取外部环境信息的各种传感器，而且还具有记忆能力、语言理解能力、图像识别能力、推理判断能力等人工智能，这些都是微电子技术的应用，特别是计算机技术的应用密切相关，因此，机器人技术的发展必将带动其他技术的发展，机器人技术的发展和应用水平也可以验证一个国家科学技术和工业技术的发展水平。
工业机器人发展趋势
1、人机协作
随着机器人从与人保持距离作业向与人自然交互并协同作业方面发展。拖动示教、人工教学技术的成熟，使得编程更简单易用，降低了对操作人员的专业要求，熟练技工的工艺经验更容易传递。
2、自主化
目前机器人从预编程、示教再现控制、直接控制、遥操作等被操纵作业模式向自主学习、自主作业方向发展。智能化机器人可根据工况或环境需求，自动设定和优化轨迹路径、自动避开奇异点、进行干涉与碰撞的预判并避障等。
3、智能化、信息化、网络化
越来越多的3D视觉、力传感器会使用到机器人上，机器人将会变得越来越智能化。随着传感与识别系统、人工智能等技术进步，机器人从被单向控制向自己存储、自己应用数据方向发展，逐渐信息化。随着多机器人协同、控制、通信等技术进步，机器人从独立个体向相互联网、协同合作方向发展。