机器谱

【R213】6自由度双足

作者：机器谱

图文展示3264(1)

图文展示3264(1)

副标题

行走
翻跟头

1. 运动功能说明

    R213号样机是一款拥有6自由度的串联型双足，相当于人形机器人的下半身。它可以实现抬腿、迈步、蹲下和起立、行走、翻跟头等等功能。

2. 结构说明

    R213号样机的每条腿由3个 舵机关节模组 构成。足部结构一般有两种设计方案，一种叫“狭窄足印”，比较常规如右图所示（R213b）：





      还有一种叫“交叉足印”，也叫“工”形脚或“工”字脚。这种设计方案可以保证机器人行走时重心始终落在支撑零件上，能够降低控制难度，如右图所示（R213c）：

3. 运动功能实现

      本文先以交叉足印样机（213c）为例进行说明。本样机的运动功能主要是依靠舵机的摆动配合实现的，我们可以参考人体结构，把两条腿上的三个舵机按从上到下的顺序，对应理解为只能前后摆动的髋关节、膝关节、踝关节（真实的生物关节类似于球铰，更加复杂）。我们需要参考人行走时三个关节的摆动角度关系，为双足机器人确定并调出对应的一系列舵机角度。

      为了比较轻松地完成前进、后退动作，需要让腿抬得高一些，以避免迈步时工形脚干涉。

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：

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 2022-10-20 https://www.robotway.com/

  ------------------------------

  实验功能： 6自由度双足行走

  -----------------------------------------------------

  实验接线（从行走时朝前的方向看）：

左侧髋：D4；右侧髋：D3；

左侧膝：D7；右侧膝：D5；

左侧踝：D11；右侧踝：D6

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


/*

* Bigfish扩展板舵机口; 4, 7, 11, 3, 8, 12, 14, 15, 16, 17, 18, 19

* 使用软件调节舵机时请拖拽对应序号的控制块

*/

#include <Servo.h>


#define ANGLE_VALUE_MIN 0

#define ANGLE_VALUE_MAX 180

#define PWM_VALUE_MIN 500

#define PWM_VALUE_MAX 2500


#define SERVO_NUM 12


Servo myServo[SERVO_NUM];


int data_array[2] = {0,0};   //servo_pin: data_array[0], servo_value: data_array[1];

int servo_port[SERVO_NUM] = {4, 7, 11, 3, 8, 12, 14, 15, 16, 17, 18, 19};

int servo_value[SERVO_NUM] = {};


String data = "";


boolean dataComplete = false;


void setup() {

  Serial.begin(9600);

 

}


void loop() {

 

  while(Serial.available())

  {

    int B_flag, P_flag, T_flag;

    data = Serial.readStringUntil('\n');

    data.trim();

    for(int i=0;i<data.length();i++)

    {

      //Serial.println(data[i]);

      switch(data[i])

      {

        case '#':

          B_flag = i;  

        break;

        case 'P':

        {

          String pin = "";

          P_flag = i;

          for(int i=B_flag+1;i<P_flag;i++)

          {

            pin+=data[i];

          }

          data_array[0] = pin.toInt();

        }

        break;

        case 'T':

        {

          String angle = "";

          T_flag = i;

          for(int i=P_flag+1;i<T_flag;i++)

          {

            angle += data[i];

          }

          data_array[1] = angle.toInt();

          servo_value[pin2index(data_array[0])] = data_array[1];

        }

        break;

        default: break;

      }     

    }

   

    /*

    Serial.println(B_flag);

    Serial.println(P_flag);

    Serial.println(T_flag);

   

    for(int i=0;i<2;i++)

    {

      Serial.println(data_array[i]);

    }

    */

   

    dataComplete = true;

  }

 

  if(dataComplete)

  {

    for(int i=0;i<SERVO_NUM;i++)

    {

      ServoGo(i, servo_value[i]);

      /*********************************串口查看输出***********************************/

//      Serial.print(servo_value[i]);

//      Serial.print(" ");

    }

//    Serial.println();

      /*********************************++++++++++++***********************************/


    dataComplete = false;

  }

 


}


void ServoStart(int which){

  if(!myServo[which].attached() && (servo_value[which] != 0))myServo[which].attach(servo_port[which]);

      else return;

  pinMode(servo_port[which], OUTPUT);

}


void ServoStop(int which){

  myServo[which].detach();

  digitalWrite(servo_port[which],LOW);

}


void ServoGo(int which , int where){

  ServoStart(which);

  if(where >= ANGLE_VALUE_MIN && where <= ANGLE_VALUE_MAX)

  {

    myServo[which].write(where);

  }

  else if(where >= PWM_VALUE_MIN && where <= PWM_VALUE_MAX)

  {

    myServo[which].writeMicroseconds(where);

  }

}


int pin2index(int _pin){

  int index;

  switch(_pin)

  {

    case 4: index = 0; break;

    case 7: index = 1; break;

    case 11: index = 2; break;

    case 3: index = 3; break;

    case 8: index = 4; break;

    case 12: index = 5; break;

    case 14: index = 6; break;

    case 15: index = 7; break;

    case 16: index = 8; break;

    case 17: index = 9; break;

    case 18: index = 10; break;

    case 19: index = 11; break;

  }

  return index;

}

由于舵机比较多，为了完成控制，我们需要约定一下样机的前、后方向，并对舵机进行编号：

3.2 运动控制

上位机：Controller 1.0

下位机编程环境：Arduino 1.8.19

（1）初始位置的设定：使用Controller上位机对机器人进行调试，调试目标为使机器人保持直立状态，并且保持右脚的支撑臂在前。

①将Controller下位机程序servo_bigfish.ino直接下载到主控板。这段代码供Controller上位机与主控板通信，并允许调试舵机。代码如下：

行走

下载完成后，保持主控板和电脑的USB连接，以便利用上位机进行调试。

②双击打开Controller 1.0b.exe：

③界面左上角选择：设置-面板设置，弹出需要显示的调试块，可通过勾选隐藏不需要调试的舵机块：联机-选择主控板对应端口号以及波特率。

④拖动进度条，可以观察相应的舵机角度转动，直到样机姿态达到我们的预想目标。然后勾选左下角添加-转化，获得舵机调试的数组：

⑤该数组可直接复制到后面的行走程序中“各个舵机的初始位置”部分进行使用。

（2）编写并下载行走程序的代码（Biped_Robot.ino）到主控板：

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

  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 2022-10-20 https://www.robotway.com/

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  实验功能： 6自由度双足行走

  -----------------------------------------------------

  实验接线（从行走时朝前的方向看）：

左侧髋：D4；右侧髋：D3；

左侧膝：D7；右侧膝：D5；

左侧踝：D11；右侧踝：D6

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


#include <Servo.h>

Servo myServo[6];

int servo_port[6]={4,7,11,3,8,12};

float servo_value[6] = {65, 60, 105, 60, 100, 80};//各个舵机的初始位置


void setup()

{

for(int i=0; i<5; i++){

    ServoGo(i, (int)servo_value[i]);

}

delay(2000);

}


void loop()

{

left_go();

right_go();

}


void left_go()

{

for(int i=0; i<10; i++){

servo_value[4] -= 10;

servo_value[5] -= 6;

for(int j=0; j<6; j++){

    ServoGo(j, (int)servo_value[j]);

}

    delay(25);

}


for(int i=0; i<10; i++){

servo_value[0] += 2.5;

servo_value[2] -= 1;

servo_value[3] += 2.5;

servo_value[4] += 10;

servo_value[5] += 4.5;

for(int j=0; j<6; j++){

    ServoGo(j, (int)servo_value[j]);

}

    delay(25);

}

}


void right_go()

{

for(int i=0; i<10; i++){

servo_value[1] += 10;

servo_value[2] += 7.5;

servo_value[5] += 0.5;

for(int j=0; j<6; j++){

    ServoGo(j, (int)servo_value[j]);

}

    delay(25);

}


for(int i=0; i<10; i++){

servo_value[0] -= 2.5;

servo_value[1] -= 10;

servo_value[2] -= 6.5;

servo_value[3] -= 2.5;

servo_value[5] += 1;

for(int j=0; j<6; j++){

    ServoGo(j, (int)servo_value[j]);

}

    delay(25);

}

}


void ServoStart(int which)

{

  if(!myServo[which].attached())myServo[which].attach(servo_port[which]);

  pinMode(servo_port[which], OUTPUT);

}



void ServoStop(int which)

{

  myServo[which].detach();

  digitalWrite(servo_port[which],LOW);

}


void ServoGo(int which , int where)

{

  if(where!=200)

  {

    if(where==201) ServoStop(which);

    else

    {

      ServoStart(which);

      myServo[which].write(where);

    }

  }  

}


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

{

int a;

if((start-finish)>0) a=-1;

else a=1;

for(int i=0;i<abs(start-finish);i++)  

{ServoGo(which,start+i*a);delay(t/(abs(start-finish)));}

}

      将上个步骤记录的角度数据依次填入相应舵机的初始值，比如：float servo_value[6] = {90, 44, 46, 82, 115, 100}; //各个舵机的初始位置。为了减少重力的干扰，一般先把机器人调整成直立状态采值。采值后，需要注意的是舵机0、3的初始值应在上个步骤结果值基础上减去10，使其进入行走姿态。修改完成后便可以直接将程序下载到主控板，然后将主控板、电池安装到机器人最上面的平台（应以重心较低为标准），然后连接好舵机线，顺利的话现在机器人应该就可以正常行走了。但是由于舵机的内部结构问题，相应的角度输出可能会存在误差，这样的表现便是机器人的支撑臂会出现“打架”现象，这个问题的解决方法是修改程序中对应的参数调节系数，例如：servo_value[4] -= 11；

     可以修改参数“11”的大小，需要注意的是程序的整个循环特定的位置对应特定的值，因此在修改的时候程序后面相应舵机的输出系数也需要相应的改变，由此达到一个完满的循环。

4. 资料清单

序号

内容
1

【R213】6自由度双足-行走-例程源代码

2
【R213】6自由度双足-样机3D文件
3
Controller1.0b资料包


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1. 功能描述

    控制腿部舵机协调运动，使样机做出翻跟头的动作，本功能使用R213b样机。

2. 电子硬件

    在这个示例中，我们采用了以下硬件，请大家参考：

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 2022-10-20 https://www.robotway.com/

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  实验功能： 6自由度双足行走

  -----------------------------------------------------

  实验接线（从行走时朝前的方向看）：

左侧髋：D4；右侧髋：D3；

左侧膝：D7；右侧膝：D5；

左侧踝：D11；右侧踝：D6

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


/*

* Bigfish扩展板舵机口; 4, 7, 11, 3, 8, 12, 14, 15, 16, 17, 18, 19

* 使用软件调节舵机时请拖拽对应序号的控制块

*/

#include <Servo.h>


#define ANGLE_VALUE_MIN 0

#define ANGLE_VALUE_MAX 180

#define PWM_VALUE_MIN 500

#define PWM_VALUE_MAX 2500


#define SERVO_NUM 12


Servo myServo[SERVO_NUM];


int data_array[2] = {0,0};   //servo_pin: data_array[0], servo_value: data_array[1];

int servo_port[SERVO_NUM] = {4, 7, 11, 3, 8, 12, 14, 15, 16, 17, 18, 19};

int servo_value[SERVO_NUM] = {};


String data = "";


boolean dataComplete = false;


void setup() {

  Serial.begin(9600);

 

}


void loop() {

 

  while(Serial.available())

  {

    int B_flag, P_flag, T_flag;

    data = Serial.readStringUntil('\n');

    data.trim();

    for(int i=0;i<data.length();i++)

    {

      //Serial.println(data[i]);

      switch(data[i])

      {

        case '#':

          B_flag = i;  

        break;

        case 'P':

        {

          String pin = "";

          P_flag = i;

          for(int i=B_flag+1;i<P_flag;i++)

          {

            pin+=data[i];

          }

          data_array[0] = pin.toInt();

        }

        break;

        case 'T':

        {

          String angle = "";

          T_flag = i;

          for(int i=P_flag+1;i<T_flag;i++)

          {

            angle += data[i];

          }

          data_array[1] = angle.toInt();

          servo_value[pin2index(data_array[0])] = data_array[1];

        }

        break;

        default: break;

      }     

    }

   

    /*

    Serial.println(B_flag);

    Serial.println(P_flag);

    Serial.println(T_flag);

   

    for(int i=0;i<2;i++)

    {

      Serial.println(data_array[i]);

    }

    */

   

    dataComplete = true;

  }

 

  if(dataComplete)

  {

    for(int i=0;i<SERVO_NUM;i++)

    {

      ServoGo(i, servo_value[i]);

      /*********************************串口查看输出***********************************/

//      Serial.print(servo_value[i]);

//      Serial.print(" ");

    }

//    Serial.println();

      /*********************************++++++++++++***********************************/


    dataComplete = false;

  }

 


}


void ServoStart(int which){

  if(!myServo[which].attached() && (servo_value[which] != 0))myServo[which].attach(servo_port[which]);

      else return;

  pinMode(servo_port[which], OUTPUT);

}


void ServoStop(int which){

  myServo[which].detach();

  digitalWrite(servo_port[which],LOW);

}


void ServoGo(int which , int where){

  ServoStart(which);

  if(where >= ANGLE_VALUE_MIN && where <= ANGLE_VALUE_MAX)

  {

    myServo[which].write(where);

  }

  else if(where >= PWM_VALUE_MIN && where <= PWM_VALUE_MAX)

  {

    myServo[which].writeMicroseconds(where);

  }

}


int pin2index(int _pin){

  int index;

  switch(_pin)

  {

    case 4: index = 0; break;

    case 7: index = 1; break;

    case 11: index = 2; break;

    case 3: index = 3; break;

    case 8: index = 4; break;

    case 12: index = 5; break;

    case 14: index = 6; break;

    case 15: index = 7; break;

    case 16: index = 8; break;

    case 17: index = 9; break;

    case 18: index = 10; break;

    case 19: index = 11; break;

  }

  return index;

}

3. 运动控制

上位机：Controller 1.0

下位机编程环境：Arduino 1.8.19

（1）初始位置的设定：使用Controller上位机对机器人进行调试，调试目标为使机器人保持直立状态，并且保持右脚的支撑臂在前。

①将Controller下位机程序servo_bigfish.ino直接下载到主控板。这段代码供Controller上位机与主控板通信，并允许调试舵机。代码如下：

 下载完成后，保持主控板和电脑的USB连接，以便利用上位机进行调试。

②双击打开Controller 1.0b.exe：

③界面左上角选择：设置-面板设置，弹出需要显示的调试块，可通过勾选隐藏不需要调试的舵机块：联机-选择主控板对应端口号以及波特率。

④拖动进度条，可以观察相应的舵机角度转动，直到样机姿态达到我们的预想目标。然后勾选左下角添加-转化，获得舵机调试的数组：

⑤该数组可直接复制到后面的行走程序中“各个舵机的初始位置”部分进行使用。

（2）编写并下载翻跟头程序的代码（R213b_Somersaults.ino）到主控板：

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

  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 2022-10-20 https://www.robotway.com/

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  实验功能： 6自由度双足翻跟头

  -----------------------------------------------------

  实验接线（从行走时朝前的方向看）：

左侧髋：D4；右侧髋：D3；

左侧膝：D7；右侧膝：D8；

左侧踝：D11；右侧踝：D12.

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

#include <Servo.h>

Servo myServo[6];

int num = 20;

int servo_port[6]={4,7,11,3,8,12};   //定义舵机；

int servo_num = sizeof(servo_port)/sizeof(servo_port[0]);   //servo_pin length

float value_init[6]={86,101,88,82,92,81}; //各个舵机的初始位置     


#define servo_speed 110   //舵机时间；


void setup() {

  Serial.begin(9600);

  reset();                //初始化舵机

  delay(3000);

}


void loop() {

   for(int i=0;i<3;i++)   //让机器人执行三次动作

   {

    delay(1000);

    ketou();             //机器人头着地

    delay(30);

    zuofanzhuan();       //机器人4、7、11舵机所对应的腿翻转

    delay(30);

    youfanzhuan();       //机器人3、8、12舵机所对应的腿翻转

    delay(30);

    qili();              //机器人起立

    delay(300);

   }

  servo_move(86,101,88,82,92,81);   //机器人翻三个跟头后一直保持直立状态

delay(1/0);            //程序一直执行延时；

}


void qili()              //机器人起立

{

  servo_move(170,22,118,169,168,48);

  servo_move(86,101,88,82,92,81);

}


void youfanzhuan()      //机器人3、8、12舵机所对应的腿翻转

{

  servo_move(7,176,56,169,168,48);

  servo_move(170,22,118,169,168,48);     

}


void zuofanzhuan()      //机器人4、7、11舵机所对应的腿翻转

{

  servo_move(7,176,56,5,8,113);

  servo_move(7,176,56,169,168,48);  

}


void ketou()             //机器人头着地

{

  servo_move(86,101,88,82,92,81);

  servo_move(7,176,56,5,8,113);

}


void reset()             //初始化舵机

{

   for(int i=0; i<servo_num; i++)

  {

    ServoGo(i, value_init[i]);

  }

}



void ServoGo(int which , int where)//给舵机写入相应角度

{

  if(where!=200)

  {

    if(where==201) ServoStop(which);

    else

    {

      ServoStart(which);

      myServo[which].write(where);

    }

  }

}


void ServoStart(int which)

{

  if(!myServo[which].attached())myServo[which].attach(servo_port[which]);

  pinMode(servo_port[which], OUTPUT);

}



void ServoStop(int which)   //释放舵机

{

  myServo[which].detach();

  digitalWrite(servo_port[which],LOW);

}



void servo_move(float value0, float value1, float value2, float value3, float value4, float value5)

{

 

  float value_arguments[] = {value0, value1, value2, value3, value4, value5};//定义新数组

  float value_delta[servo_num];

 

  for(int i=0;i<servo_num;i++)

  {

    value_delta[i] = (value_arguments[i] - value_init[i]) / num;//给要转动的舵机写入（转动的角度/num）度，并将该度数定义为新的数组

  }

 

  for(int i=0;i<num;i++)

  {

    for(int k=0;k<servo_num;k++)

    {

      value_init[k] = value_delta[k] == 0 ? value_arguments[k] : value_init[k] + value_delta[k];//将新写入的舵机角度与初始化舵机角度比较，如果

                                                                                                //与初始化角度不相同，则初始化角度+给要转动的舵机写入（转动的角度/num）度

                                                                                                //组成新的数组并作为初始舵机角度数组，否则，为初始舵机角度数组。

    }

   

    for(int j=0;j<servo_num;j++)

    {

      ServoGo(j,value_init[j]);

    }

    delay(servo_speed);

  }

}

4. 资料清单

序号

内容
1

【R213】6自由度双足-翻跟头-例程源代码


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