机器谱

【R107】串联仿生毛毛虫

作者：机器谱

图文展示3264(1)

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副标题

概述

1. 运动功能说明

    107号样机是一款纯关节串联的蠕虫形机器人，可以像虫子一样的上下蠕动前进，样子呈波浪状。

2. 结构说明

   该样机由5个关节模组串联构成，结构比较单纯。

3. 运动功能实现

      本样机只需要让5个舵机按照一定的时序，做出波浪形摆动的动作，即可实现蠕动爬行。

      舵机和关节模组的控制方法请参考【U002】如何驱动模拟舵机，以及【M002】舵机关节模组。

3.1 电子硬件

     在这个示例中，我们采用了以下硬件，请大家参考：




3.2 编写程序

编程环境：Arduino 1.8.19

（1）实现尾部关节运动（Tail_Swing.ino），代码如下：

主控板Basra（兼容Arduino Uno）
扩展板Bigfish2.1
电池7.4V锂电池


/*------------------------------------------------------------------------------------

  版权说明：Copyright 2022 Robottime(Beijing) Technology Co., Ltd. All Rights Reserved.

           Distributed under MIT license.See file LICENSE for detail or copy at

           https://opensource.org/licenses/MIT

           by 机器谱 2022-9-14 https://www.robotway.com/

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  实验功能： 实现机器毛毛虫向前蠕动爬行。

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  实验接线：从尾巴开始，对应舵机接口依次D8、D3、D11、D7、D4。                                     

------------------------------------------------------------------------------------*/

#include <Servo.h>

#include <MsTimer2.h>


int servoPort[5]={8,3,11,7,4};

Servo myServo[5];

long servoCount[5];

boolean begin[5] = {true,true,true,true,true};

boolean complete[5] = {false,false,false,false,false};

int direct[5] = {1,1,1,1,1};

int delta[5] = {0,0,0,0,0};


long timeCount;

#define DELTATIME 10


int up = 30;

int down = 120;

int turnTime = 1000;


String inputString = "";         // a string to hold incoming data

boolean stringComplete = false;   // whether the string is complete


void setup() {         

  Serial.begin(9600);       

  for(int i = 0; i < 5; i++)

  myServo[i].attach(servoPort[i]);   

  MsTimer2::set(DELTATIME, Timer);

  MsTimer2::start();

  delay(100);

}


void loop() {

static int phase[5] = {0,0,0,0,0};


if (stringComplete) {

Serial.println(inputString);


up = inputString.substring(0,inputString.indexOf(',')).toInt();

inputString = inputString.substring(inputString.indexOf(',')+1,inputString.length());


down = inputString.substring(0,inputString.indexOf(',')).toInt();

turnTime = inputString.substring(inputString.indexOf(',')+1,inputString.length()).toInt();


Serial.println(up);

Serial.println(down);

Serial.println(turnTime);


inputString = "";

stringComplete = false;

}


if(phase[0] == 0)

if(ServoMove(0,up,down,turnTime))

phase[0] = 1;

if(phase[0] == 1)

if(ServoMove(0,down,up,turnTime))

phase[0] = 0;


if(servoCount[0]>0 && (timeCount - servoCount[0])>(turnTime/(4*DELTATIME))){

if(phase[1] == 0)

if(ServoMove(1,up,down,turnTime))

phase[1] = 1;

if(phase[1] == 1)

if(ServoMove(1,down,up,turnTime))

phase[1] = 0;

}


if(servoCount[1]>0 && (timeCount - servoCount[1])>(turnTime/(4*DELTATIME))){

if(phase[2] == 0)

if(ServoMove(2,up,down,turnTime))

phase[2] = 1;

if(phase[2] == 1)

if(ServoMove(2,down,up,turnTime))

phase[2] = 0;

}


if(servoCount[2]>0 && (timeCount - servoCount[2])>(turnTime/(4*DELTATIME))){

if(phase[3] == 0)

if(ServoMove(3,up,down,turnTime))

phase[3] = 1;

if(phase[3] == 1)

if(ServoMove(3,down,up,turnTime))

phase[3] = 0;

}


if(servoCount[3]>0 && (timeCount - servoCount[3])>(turnTime/(4*DELTATIME))){

if(phase[4] == 0)

if(ServoMove(4,up,down,turnTime))

phase[4] = 1;

if(phase[4] == 1)

if(ServoMove(4,down,up,turnTime))

phase[4] = 0;

}

}


void Timer() {

timeCount++;

}


void serialEvent() {

while (Serial.available()) {

char inChar = (char)Serial.read();

inputString += inChar;

    if (inChar == '\n')

stringComplete = true;

  }

}


boolean ServoMove(int which, int start, int finish, long t)

{

if(begin[which]){

if( ( start - finish ) > 0 )

direct[which] = -1;

else

direct[which] = 1;


servoCount[which] = timeCount;

begin[which] = false;

complete[which] = false;

}

else{

if( ( timeCount - servoCount[which] ) < (t/DELTATIME) ){

if( ( timeCount - servoCount[which] ) > ( delta[which] * (t/DELTATIME) / (abs(start-finish)) ) ){

myServo[which].write( start + delta[which] * direct[which] );

delay(1);

delta[which]++;

//Serial.println(start + i * a);

}

}

else{

delta[which] = 0;

begin[which] = true;

//servoCount[which] = 0;

complete[which] = true;

}

}


return (complete[which]);

}

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           Distributed under MIT license.See file LICENSE for detail or copy at

           https://opensource.org/licenses/MIT

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  实验功能： 实现机器毛毛虫全身关节运动。

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  实验接线：从尾巴开始，对应舵机接口依次D8、D3、D11、D7、D4。                                     

------------------------------------------------------------------------------------*/


#include <Servo.h>

#include <MsTimer2.h>


int servoPort[5]={8,3,11,7,4};

Servo myServo[5];

long servoCount[5];

boolean begin[5] = {true,true,true,true,true};

boolean complete[5] = {false,false,false,false,false};

int direct[5] = {1,1,1,1,1};

int delta[5] = {0,0,0,0,0};


long timeCount;

#define DELTATIME 10


int up = 30; //关节起始角度

int down = 120; //关节终止角度

int turnTime = 1000; //关节运动时间


String inputString = "";         // a string to hold incoming data

boolean stringComplete = false;   // whether the string is complete


void setup() {         

  Serial.begin(9600);       

  for(int i = 0; i < 5; i++)

    myServo[i].attach(servoPort[i]);   

  MsTimer2::set(DELTATIME, Timer);

  MsTimer2::start();

  delay(100);

}



void loop() {

  static int phase[5] = {0,0,0,0,0};


  if (stringComplete) {

    Serial.println(inputString);


    up = inputString.substring(0,inputString.indexOf(',')).toInt();

    inputString = inputString.substring(inputString.indexOf(',')+1,inputString.length());


    down = inputString.substring(0,inputString.indexOf(',')).toInt();

    turnTime = inputString.substring(inputString.indexOf(',')+1,inputString.length()).toInt();


    Serial.println(up);

    Serial.println(down);

    Serial.println(turnTime);


    inputString = "";

    stringComplete = false;

  }


  if(phase[0] == 0)

    if(ServoMove(0,up,down,turnTime))

      phase[0] = 1;

  if(phase[0] == 1)

    if(ServoMove(0,down,up,turnTime))

      phase[0] = 0;


  if(phase[1] == 0)

    if(ServoMove(1,down,up,turnTime))

      phase[1] = 1;

  if(phase[1] == 1)

    if(ServoMove(1,up,down,turnTime))

      phase[1] = 0;


  if(phase[2] == 0)

    if(ServoMove(2,up,down,turnTime))

      phase[2] = 1;

  if(phase[2] == 1)

    if(ServoMove(2,down,up,turnTime))

      phase[2] = 0;


  if(phase[3] == 0)

    if(ServoMove(3,down,up,turnTime))

      phase[3] = 1;

  if(phase[3] == 1)

    if(ServoMove(3,up,down,turnTime))

      phase[3] = 0;


  if(phase[4] == 0)

    if(ServoMove(4,up,down,turnTime))

      phase[4] = 1;

  if(phase[4] == 1)

    if(ServoMove(4,down,up,turnTime))

      phase[4] = 0;

}


void Timer() {

  timeCount++;

}


void serialEvent() {

  while (Serial.available()) {

    char inChar = (char)Serial.read();

    inputString += inChar;

      if (inChar == '\n')

      stringComplete = true;

    }

}


boolean ServoMove(int which, int start, int finish, long t)

{

  if(begin[which]){

    if( ( start - finish ) > 0 )

      direct[which] = -1;

    else

      direct[which] = 1;


    servoCount[which] = timeCount;

    begin[which] = false;

    complete[which] = false;

  }

  else{

    if( ( timeCount - servoCount[which] ) < (t/DELTATIME) ){

      if( ( timeCount - servoCount[which] ) > ( delta[which] * (t/DELTATIME) / (abs(start-finish)) ) ){

        myServo[which].write( start + delta[which] * direct[which] );

        delay(1);

        delta[which]++;     

        //Serial.println(start + i * a);

      }

    }

    else{

      delta[which] = 0;

      begin[which] = true;

      servoCount[which] = 0;

      complete[which] = true;

    }   

  }


  return (complete[which]);

}

/*------------------------------------------------------------------------------------

  版权说明：Copyright 2022 Robottime(Beijing) Technology Co., Ltd. All Rights Reserved.

           Distributed under MIT license.See file LICENSE for detail or copy at

           https://opensource.org/licenses/MIT

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  实验功能： 实现机器毛毛虫尾部关节运动。

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  实验接线：尾部关节模组的舵机接D8。                                     

------------------------------------------------------------------------------------*/

#include <Servo.h>

#include <MsTimer2.h>

int servoPort[5]={8,3,11,7,4}; //毛毛虫的舵机连接顺序及接口号，从尾巴开始。

Servo myServo[5];

long timeCount;

#define DELTATIME 10


void setup() {         

  Serial.begin(9600);       

  for(int i = 0; i < 5; i++)

    myServo[i].attach(servoPort[i]);   

  MsTimer2::set(DELTATIME, Timer);

  MsTimer2::start();

  delay(100);

}



void loop() {

  ServoMove(0,60,120,2000); //0号舵机在2000ms内从60°转到120°

}


void Timer() {

  timeCount++;

}


void ServoMove(int which, int start, int finish, long t)

{

  static int a;

  static long count = 0;

  static int i = 0;

  static boolean begin = true;


  if(begin){

    if( ( start - finish ) > 0 )

      a = -1;

    else

      a = 1;


    count = timeCount;

    begin = false;

  }

  else{

    if( ( timeCount - count ) < (t/DELTATIME) ){

      if( ( timeCount - count ) > ( i * (t/DELTATIME) / (abs(start-finish)) ) ){

        myServo[which].write( start + i * a );  

        delay(1);

        i++;     

        Serial.println(start + i * a);

      }

    }

    else{

      i = 0;

      begin = true;

      count = 0;

    }   

  }

}

      此段程序之所以看起来那么复杂，是因为它搭建了一个程序框架，在这个框架中，大家可以通过改变参数，来决定哪个舵机运动，以及怎么运动，不需要重写整个程序。

（2）编写并烧录以下程序，它可以让毛毛虫全身的关节一起运动（Body_Swing.ino），代码如下：

烧录后，打开Serial Monitor，输入up,down,turnTime的值,可直接改变全部关节的运动参数，例如，输入50,100,2000。

关节的运动状态会实时发生变化。其中50代表摆动的起始角度50°，100代表摆动的终止角度100°，2000代表运动持续时间是2000毫秒。

（2） 上一例程中，机器毛毛虫相邻关节的运动相位差为180°，根据样机的运动姿态分析，各个关节的运动相位差为90°左右的时候运动效应该比较好。

将相邻关节的运动相位差调整为90°（Worm_Go.ino），代码如下：

      烧录后，打开Serial Monitor，输入up,down,turnTime的值，并实时观察运动变化。你可以通过这种方法调整机器人的运动姿态，直至对爬行效果满意为止。

4. 扩展样机

     本样机没有设计左右摆动的结构，因此不能左右转向，有兴趣的朋友可以尝试为其加上左右摆动的结构，让它的运动方式更加丰富。

5. 资料清单

序号

内容
1

107号样机3D文件

2
107号样机例程源代码


概述
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