Помашите рукой, чтобы управлять роботизированной рукой OWI Без привязки: 10 шагов (с изображениями)

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:51

ИДЕЯ:

На Instructables.com есть как минимум 4 других проекта (по состоянию на 13 мая 2015 г.), посвященных модификации или управлению роботизированной рукой OWI. Неудивительно, ведь это отличный и недорогой робот-набор, с которым можно поиграть. Этот проект похож по духу (то есть управление роботизированной рукой с помощью Arduino), но отличается подходом. [видео]

Идея состоит в том, чтобы иметь возможность управлять роботизированной рукой по беспроводной сети с помощью жестов. Кроме того, я старался свести к минимуму модификации робота-манипулятора, чтобы его можно было использовать с исходным контроллером.

Звучит просто.

В итоге получился проект из трех частей:

1. Перчатка с достаточным количеством датчиков для управления светодиодом и 5 моторами.
2. Устройство-передатчик на базе Arduino Nano для приема управляющих команд от перчатки и отправки их по беспроводной сети на контроллер Arm.
3. Беспроводной приемник на базе Arduino Uno и устройство управления двигателем, подключенное к роботизированной руке OWI.

ОСОБЕННОСТИ

1. Поддержка всех 5 степеней свободы (DOF) и светодиода
2. Большая красная кнопка - для немедленной остановки двигателей на руке, предотвращая повреждение
3. Портативный модульный дизайн

Для мобильных пользователей: «Промо-ролик» этого проекта находится на YouTube здесь.

Шаг 1: Детали

ПЕРЧАТКА:

Для создания контроллера перчаток вам понадобится следующее:

1. Isotoner Smartouch Tech Stretch Stitched Glove (или аналогичный) - на Amazon.com
2. Spectra Symboflex Sensor 2.2 "- на Amazon.com
3. GY-521 6DOF MPU6050 3-осевой гироскоп + модуль акселерометра - на Fasttech.com
4. ПРЯМАЯ ЖАТКА КОРОБКИ 2X5 - на Phoenixent.com
5. РОЗЕТКА-РОЗЕТКА 2X5 IDC - на Phoenixent.com
6. ПЛОСКИЙ ЛЕНТОЧНЫЙ КАБЕЛЬ 10 проводников с шагом 0,050 дюйма - на Phoenixent.com
7. 2 светодиода по 5 мм - зеленый и желтый
8. 2 х маленькие кнопки
9. Резисторы, провода, игла, черная нить, клеевой пистолет, паяльник, припой и т. Д.

КОРОБКА ПЕРЕДАЧИ:

1. Плата ATmega328P-20AU, совместимая с Arduino Nano v3.0 - на Fasttech.com
2. nRF24L01 + беспроводной трансивер 2,4 ГГц, совместимый с Arduino - на Amazon.com
3. БРАСЛЕТ Gymboss - на Amazon.com
4. Корпус держателя батареи 9 В с переключателем включения / выключения провода - на Amazon.com
5. ПРЯМАЯ ЖАТКА КОРОБКИ 2X5 - на Phoenixent.com
6. Батарея 9v
7. Конденсатор 47 мкФ (50 В)
8. Резисторы, провода, клеевой пистолет, паяльник, припой и т. Д.

БЛОК КОНТРОЛЛЕРА РОБОТИЧЕСКОЙ РУКИ OWI:

1. Плата для разработки Uno R3 Rev3, совместимая с Arduino - на Fasttech.com
2. Комплект для сборки Prototype Shield DIY KIT для Arduino (или аналогичного) - на Amazon.com
3. nRF24L01 + беспроводной трансивер 2,4 ГГц, совместимый с Arduino - на Amazon.com
4. 3 x L293D 16-контактный драйвер двигателя с интегральной схемой IC - на Fasttech.com
5. 1 x SN74HC595 74HC595 8-битный регистр сдвига с 3-мя выходными регистрами DIP16 - на Amazon.com
6. Конденсатор 47 мкФ (50 В)
7. Коробка для Arduino - на Amazon.com
8. Переключатель вкл. / Выкл.
9. 2 кнопки 13 мм (одна красная и одна зеленая колпачки)
10. ПРЯМАЯ ПОДГОТОВКА КОРОБКИ 2 x 2X7 - то же, что и выше на Phoenixent.com
11. ПЛОСКИЙ ЛЕНТОЧНЫЙ КАБЕЛЬ 14 Проводник с шагом 0,050 дюйма - то же, что указано выше на Phoenixent.com
12. Аккумулятор 9в + клипсовый разъем
13. Резисторы, провода, клеевой пистолет, паяльник, припой и т. Д.

… И конечно:

OWI Robotic Arm Edge - Робот-манипулятор - OWI-535 - на Adafruit.com

Шаг 2: ПРОТОТИПИРОВАНИЕ

Я настоятельно рекомендую создать прототип каждого контроллера, прежде чем паять все компоненты вместе.

В этом проекте используется несколько сложных аппаратных средств:

nRF24L01

Мне потребовалось время, чтобы заставить два nRF24 разговаривать друг с другом. Судя по всему, ни Nano, ни Uno не обеспечивают достаточного стабилизированного питания 3,3 В для стабильной работы модулей. Решением в моем случае был конденсатор емкостью 47 мкФ на выводах питания на обоих модулях nRF24. Также есть несколько причуд при использовании библиотеки RF24 в режимах IRQ и без IRQ, поэтому я рекомендую внимательно изучить примеры.

Пара замечательных ресурсов:

nRF24L01 Страница продукта ИС ВЧ-трансивера со сверхнизким энергопотреблением 2,4 ГГц

Страница библиотеки драйверов RF24

Просто поиск в Google nRF24 + arduino выдаст много ссылок. Стоит исследовать

74HC595 РЕГИСТРАТОР СМЕЩЕНИЯ

Неудивительно, что из-за того, что мне пришлось управлять 5 двигателями, светодиодом, двумя кнопками и беспроводным модулем, у меня довольно быстро закончились контакты на Uno. Хорошо известный способ «увеличить» количество выводов - использовать регистр сдвига. Поскольку nRF24 уже использовал интерфейс SPI, я решил также использовать SPI для программирования регистра сдвига (для скорости и для сохранения контактов) вместо функции shiftout (). К моему удивлению, с первого раза это сработало как шарм. Вы можете проверить это в назначении контактов и на эскизах.

Макетная плата и перемычки - ваши друзья.

Шаг 3: ПЕРЧАТКА

У OWI Robotic ARM есть 6 элементов для управления (изображение края робота OWI)

1. Светодиод, расположенный на ЗАТЯЖКЕ устройства.
2. ГРИППЕР
3. ЗАПЯСТЬЯ
4. КОЛЕНО - часть руки робота, прикрепленная к ЗАПЯСТЬЮ.
5. ПЛЕЧО - это часть роботизированной руки, прикрепленная к ОСНОВАНИЮ.
6. БАЗА

Перчатка предназначена для управления светодиодом манипулятора робота и всеми 5 двигателями (степени свободы).

У меня есть отдельные датчики, отмеченные на фотографиях, а также описание ниже:

1. GRIPPER управляется кнопками, расположенными на среднем пальце и мизинце. Захват закрывается путем сжатия вместе указательного и среднего пальцев. Захват открывается, прижимая кольцо и мизинец вместе.
2. WRIST управляется гибким резистором искателя индекса. Сгибание пальца наполовину заставляет запястье опускаться, а сгибание пальца до упора заставляет запястье подниматься. Удерживая указательный палец прямо, запястье останавливается.
3. КОЛЕНО контролируется акселерометром - наклон ладони вверх и вниз перемещает локоть вверх и вниз соответственно.
4. ПЛЕЧО контролируется акселерометром - наклон ладони вправо и влево (но не вверх ногами!) Перемещает плечо вверх и вниз соответственно.
5. BASE также контролируется акселерометром, аналогично плечу - наклон ладони вправо и влево полностью вверх ногами (ладонь обращена вверх) перемещает основание вправо и влево соответственно
6. Светодиод на захвате включается / выключается одновременным нажатием обеих кнопок управления захватом.

Все реакции кнопок задерживаются на 1/4 секунды, чтобы избежать дрожания.

Сборка перчатки требует пайки и большого количества шитья. В основном это просто прикрепление 2 кнопок, гибкого резистора, модуля Accel / Gyro к ткани перчатки и прокладки проводов к соединительной коробке.

Два светодиода на соединительной коробке:

1. ЗЕЛЕНЫЙ - питание включено
2. ЖЕЛТЫЙ - мигает, когда данные передаются в блок управления рычагом.

Шаг 4: КОРОБКА ПЕРЕДАТЧИКА

Блок передатчика по сути представляет собой Arduino Nano, беспроводной модуль nRF24, гибкий проводной соединитель и 3 резистора: 2 понижающих резистора 10 кОм для кнопок управления захватом на перчатке и резистор деления напряжения 20 кОм для гибкого датчика, управляющего запястьем.

Все спаяно на веро-плате. Обратите внимание, что nRF24 «нависает» над Nano. Я волновался, что это может вызвать помехи, но это работает.

Использование батареи 9 В делает ремешок немного громоздким, но я не хотел связываться с LiPo батареями. Может быть позже.

Пожалуйста, ознакомьтесь с инструкциями по пайке на этапе назначения контактов

Шаг 5: БЛОК УПРАВЛЕНИЯ РУКОЯТКОЙ

Блок управления Arm основан на Arduino Uno. Он получает команды от перчатки по беспроводной сети через модуль nRF24 и управляет OWI Robotoc Arm через 3 чипа драйвера L293D.

Поскольку использовались почти все пины Uno, внутри коробки очень много проводов - она почти не замыкается!

По задумке коробка запускается в режиме ВЫКЛ (как если бы была нажата кнопка красной остановки), что дает оператору время, чтобы надеть перчатку и подготовиться. Когда все будет готово, оператор нажимает зеленую кнопку, и соединение между перчаткой и блоком управления должно быть немедленно установлено (на что указывает желтый светодиод на перчатке и красный светодиод на блоке управления).

ПОДКЛЮЧЕНИЕ К OWI

Подключение к манипулятору осуществляется через 14-контактный двухрядный разъем (как показано на рисунке выше) через 14-жильный плоский кабель.

• Подключения светодиода к общей земле (-) и контакту A0 Arduino через резистор 220 Ом.
• Все провода двигателя подключены к контактам 3/6 или 11/14 L293D (+/- соответственно). Каждый L293D поддерживает 2 двигателя, следовательно, две пары контактов.
• Линии питания OWI - это крайний левый (+6 В) и крайний правый (GND) контакты 7-контактного разъема на задней стороне желтого верха. (Вы можете увидеть подключенные провода на картинке выше). Эти два подключены к контактам 8 (+) и 4, 5, 12, 13 (GND) на всех трех L293D.

См. Остальную информацию о назначении контактов на следующем шаге

Шаг 6: НАЗНАЧЕНИЕ ПИН-кода

НАНО:

• 3.3В - 3.3В на микросхему nRF24L01 (контакт 2)
• 5–5 В на плату акселерометра, кнопки, гибкий датчик
• a0 - вход гибкого резистора
• a1 - управление желтым светодиодом «comms»
• a4 - ПДД на акселерометр
• a5 - SCL к акселерометру
• d02 - вывод прерывания микросхемы nRF24L01 (вывод 8)
• d03 - ввод кнопки открытого захвата
• d04 - ввод кнопки закрытия захвата
• d09 - вывод SPI CSN на микросхему nRF24L01 (вывод 4)
• d10 - вывод SPI CS на микросхему nRF24L01 (вывод 3)
• d11 - SPI MOSI для микросхемы nRF24L01 (вывод 6)
• d12 - SPI MISO к микросхеме nRF24L01 (вывод 7)
• d13 - SPI SCK на микросхему nRF24L01 (вывод 5)
• Вин - 9v +
• GND - общая земля

ООН:

• 3.3В - 3.3В на микросхему nRF24L01 (контакт 2)
• 5в - 5в на кнопки
• Вин - 9v +
• GND - общая земля
• a0 - Светодиод на запястье +
• a1 - вывод SPI SS для выбора регистра сдвига - к выводу 12 регистра сдвига
• a2 - вход КРАСНОЙ кнопки
• a3 - ЗЕЛЕНАЯ кнопка ввода
• а4 - направление основания вправо - пин 15 на L293D
• a5 - светодиод связи
• d02 - nRF24L01 вход IRQ (контакт 8)
• d03 - включить штырь 1 или 9 базового сервопривода (ШИМ) на L293D
• d04 - основание направления влево - вывод 10 на соответствующем L293D
• d05 - включить штырь 1 или 9 сервопривода плеча (pwm) на L293D
• d06 - включить штырь 1 или 9 сервопривода колена (ШИМ) на L293D
• d07 - вывод SPI CSN на микросхему nRF24L01 (вывод 4)
• d08 - вывод SPI CS на микросхему nRF24L01 (вывод 3)
• d09 - включить штырь 1 или 9 сервопривода запястья (ШИМ) на L293D
• d10 - включить штырь 1 или 9 сервопривода захвата (ШИМ) на L293D
• d11 - SPI MOSI на микросхему nRF24L01 (вывод 6) и вывод 14 в регистре сдвига
• d12 - SPI MISO к микросхеме nRF24L01 (вывод 7)
• d13 - SPI SCK на микросхему nRF24L01 (вывод 5) и вывод 11 в регистре сдвига

СМЕНА РЕГИСТРАТОРА И L293D:

• контакт QA (15) 74HC595 к контакту 2 L293D # 1
• вывод QB (1) 74HC595 к выводу 7 L293D # 1
• контакт QC (2) 74HC595 к контакту 10 L293D # 1
• контакт QD (3) 74HC595 к контакту 15 L293D # 1
• контакт QE (4) 74HC595 к контакту 2 L293D # 2
• контакт QF (5) 74HC595 к контакту 7 L293D # 2
• контакт QG (6) 74HC595 к контакту 10 L293D # 2
• контакт QH (7) 74HC595 к контакту 15 L293D # 2

Шаг 7: СВЯЗЬ

Glove отправляет 2 байта данных в блок управления 10 раз в секунду или всякий раз, когда получен сигнал от одного из датчиков.

2 байта достаточно для 6 элементов управления, потому что нам нужно только отправить:

• ВКЛ / ВЫКЛ для светодиода (1 бит) - на самом деле я использовал 2 бита для согласования с двигателями, но одного достаточно
• ВЫКЛ / ВПРАВО / ВЛЕВО для 5 двигателей: по 2 бита = 10 бит

Всего 11 или 12 бит достаточно.

Коды направлений:

• ВЫКЛ: 00
• ВПРАВО: 01
• СЛЕВА: 10

Управляющее слово выглядит так (поразрядно):

Байт 2 ---------------- Байт 1 ----------------

15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0 0 0 0 LED - M5 - M4 - M3 - M2 - M1 -

• М1 - захват
• M2 - запястье
• М3 - локоть
• M4 - плечо
• М5 - база

Байт 1 можно удобно подавать непосредственно в регистр сдвига, поскольку он управляет направлением вправо / влево двигателей с 1 по 4.

Для связи включен тайм-аут в 2 секунды. В случае тайм-аута все двигатели останавливаются, как если бы была нажата КРАСНАЯ кнопка.

Шаг 8: Эскизы и многое другое…

ПЕРЧАТКА

В эскизе перчатки используются следующие библиотеки:

• DirectIO - доступно на Github
• I2Cdev - доступен на Github
• Wire - часть Arduino IDE
• MPU6050 - доступен на Github
• SPI - часть Arduino IDE
• RF24 - доступен на Github

и три библиотеки, разработанные мной:

• AvgFilter - доступен на Github
• DhpFilter - доступен на Github
• TaskScheduler - доступен на Github

Эскиз перчатки доступен здесь: Эскиз перчатки v1.3

БЛОК УПРАВЛЕНИЯ РУКОЯТКОЙ

Эскиз руки использует следующие библиотеки:

• DirectIO - доступно на Github
• PinChangeInt - доступен на Github
• SPI - часть Arduino IDE
• RF24 - доступен на Github

и разработанная мной библиотека:

TaskScheduler - доступен на Github

Эскиз руки доступен здесь: Эскиз руки v1.3

Таблицы данных на используемое оборудование

• 74HC595 сдвиговый регистр - технический паспорт
• Драйвер двигателя L293D - технический паспорт
• Беспроводной модуль nRF24 - техническое описание
• Модуль акселерометра / гироскопа MPU6050 - техническое описание

ОБНОВЛЕНИЕ 31 мая 2015 г.:

Новая версия эскизов блока управления перчатками и руками доступна здесь: Эскизы перчаток и рук v1.5

Они также находятся здесь на гитхабе.

Изменения

• В структуру связи добавлены еще два байта для отправки запрошенной скорости двигателя для двигателей запястья, локтя, плеча и основания в виде 5-битного значения (0.. 31) из перчатки, пропорционального углу управляющего жеста (см. Ниже). Arm Control Box сопоставляет значения [0.. 31] с соответствующими значениями PWM для каждого из двигателей. Это позволяет оператору постепенно регулировать скорость и более точно управлять рукой.
• Новый набор жестов:

1. Светодиод: светодиодный индикатор управления кнопками - кнопка среднего пальца - ВКЛ, кнопка мизинца - ВЫКЛ.

2. GRIPPER: гибкие элементы управления полосой Gripper - полусогнутый палец - ОТКРЫТЫЙ, полностью согнутый палец - ЗАКРЫТО

3. ЗАПЯСТЬЯ: запястье управляется наклоном ладони из полностью горизонтального положения ВВЕРХ и ВНИЗ соответственно. Чем больше наклон, тем выше скорость

4. РУКА: Рука управляется путем наклона ладони из полностью горизонтального положения ВЛЕВО и ВПРАВО. Чем больше наклон, тем выше скорость

5. ПЛЕЧО: Плечо управляется вращением ладони ВПРАВО и ВЛЕВО от ладони, направленной прямо вверх. Ладонь поворачивается вдоль оси локтя (как машет рукой)

6. БАЗА: База управляется так же, как и плечо, ладонь направлена прямо вниз.

Шаг 9: ЧТО ЕЩЕ?

ВООБРАЖЕНИЕ НА РАБОТЕ

Как обычно с такими системами, их можно было запрограммировать на гораздо большее.

Например, текущий дизайн уже включает дополнительные возможности, недоступные для стандартного пульта ДУ:

• Постепенное увеличение скорости: каждое движение двигателя запускается с заранее определенной минимальной скоростью, которая постепенно увеличивается каждую 1 секунду до достижения максимальной скорости. Это позволяет более точно контролировать каждый из двигателей (особенно запястье и захват).
• Более быстрая отмена движения: когда Arm Box получает команду на остановку двигателя, он мгновенно реверсирует двигатель примерно на 50 мс, таким образом «прерывая» движение и обеспечивая более точное управление.

ЧТО ЕЩЕ?

Возможно, можно было бы реализовать более сложные жесты управления. Или одновременные жесты можно использовать для сложных элементов управления. Может рука танцевать?

Если у вас есть идея, как перепрограммировать перчатку, или у вас есть версия скетча, который вы хотите, чтобы я протестировал - дайте мне знать: [email protected]

Шаг 10: *** МЫ ВЫИГРАЛИ !!! ***

Этот проект получил первую премию в конкурсе Coded Creations, спонсируемом Microsoft.

Проверьте это! У-У-У !!!

Вторая премия в области закодированных произведений