Трех-степенной манипулятор на Arduino

Множество интересных статей имеется про платформу Arduino, которую можно смело заказать на интернет аукционе Ebay. К данной платформе имеется множество модулей и статей в интернете, поэтому захотелось сделать что-то интересное, пусть и не всегда полезное в быту.



По работе имеется опыт управления платформами с различными степенями свободы, поэтому первым делом захотелось сделать шести-степенную платформу (Stewart Platform), но к сожалению пришло только четыре серво привода, поэтому для начала сделаем трех-степенную платформу.

Инструменты и материалы

Итак для построения данного агрегата нам понадобятся следующие комплектующие:

Найменование	Количество
Arduino Mega	1 шт.
Сервопривод HXT900	3 шт.
Фанера	1 шт.
Стабилизатор напряжения на 5В	1 шт.
Скрепка канцелярская	3 шт.
Крепление для провода	3 шт.
USB Шнур	1 шт.
Блок питания	1 шт.
Соединительные провода	13 шт.
Стиракозавр	1 шт.

Стоимость платы и контроллера Arduino Mega Kit на аукционе колеблется от $50. С покупкой сервоприводов из Китая тоже не должно возникнуть проблем, стоимость одной штуки около $2. Фанеру можно найти на даче или в магазине. Три скрепки на работе. Самое сложное добыть стиракозавра, обычно данные вид животных можно увидеть на почте или в детском магазине.

Изготовление платформы

Основная задача изготовления платформы заключается в выпиливании основания платформы и самой платформы из фанеры. Управляющие элементы размещаются внутри окружности под углами 120 градусов.

1 Шаг — Выпиливание

Выпиливание основания платформы размером 10x10 см, а также самой платформы размером 8x8 см. Саму платформу можно оставить квадратной, но для удобства был выпилен треугольник. В месте крепления опор сделаны спилы.

2 Шаг — Сверление

Для сверления первоначально необходимо прочертить окружность, разделенную на три части. В лучах под 120 градусов необходимо приложить сервоприводы, а также разметить точки для сверления.

По готовой разметке высверлить отверстия в зависимости от способа крепления. Для крепления жгутами (наилучший вариант) отверстия должны быть диаметром 4 мм. В случае крепления проволокой (как в моем случае) хватит отверстий диаметром 2 мм.

3 Шаг — Подготовка креплений

Для крепления не нашлось ничего кроме скрепок (уже после демонстрации на работе был предложен другой вариант). Скрепки необходимо сделать в виде буквы «Г», которая закрепляется на сервоприводе, и вставляется в крепление на площадке платформы.

На работе мне предложили вместо скрепок использовать шаровое крепление от вертолета Trex 450 (уже заказано из Китая). С данным типом креплений платформа будет более жесткой в конструкции.

4 Шаг — Сборка платформы

Сборка платформы осуществляется в следующей последовательности:

• продевание поволоки в основание платформы;
• крепление сервоприводов на основании;
• установка креплений для проводов на площадку платформы;
• установка креплений в виде буквы «Г» на сервоприводы.

Итоги

В итоге получается основание платформы, представленное на рисунке ниже. Время выполнения 1 час.

Сборка схемы

Для подключения первоначально был использован способ, описанный в официальной документации на сайте Arduino. При подключении нескольких сервоприводов питания не хватит, поэтому желательно «запитать» три привода отдельно через стабилизатор напряжения на 5В (подробное описание подключения).

В случае подключения трех сервоприводов на Arduino питания будет не хватать и будет срабатывать защита. Подключение трех приводов через стабилизатор на макетной плате представлено на рисунке ниже:


Управление из Arduino будет осуществляться с помощью 1, 2, 3 аналоговых выходов (Analog Pins) с платы. В моем случае питание также подключено с платы. Пример подключения показан на рисунке:

, где слева направо: синий — 5В, желтый — «земля», красный — привод 1, черный — привод 2, желтый привод 3.

Вся схема подключения имеет вид:

Программирование Arduino

Управление платформой осуществляется с компьютера через последовательный порт, предоставляемый Arduino. Работа с портом осуществляется средствами библиотеки Serial, а управление сервоприводами средствами библиотеки SoftwareServo.

Для разбора команды из последовательного порта используется следующая структура на языке Си:

struct _set_pos_cmd_t
{
 char cmd;
 int pos1;
 int pos2;
 int pos3;
};

typedef _set_pos_cmd_t set_pos_cmd_t;

* This source code was highlighted with Source Code Highlighter.

Соответственно указываются три позиции в целочисленном виде. Также указывается байт команды, в нашем случае команда записи позиций в контроллер имеет код 0xC1.

Установка позиций сервоприводов осуществляется с помощью функции update_positions, которая отображает значения из команды в значения угла поворота вала сервопривода.

void update_positions()
{
  int val = map(servo_position1, VALUE_MINIMUM, VALUE_MAXIMUM, SERVO_MINIMUM, SERVO_MAXIMUM);
  myservo1.write(val);
  val = map(servo_position2, VALUE_MINIMUM, VALUE_MAXIMUM, SERVO_MINIMUM, SERVO_MAXIMUM);
  myservo2.write(val);
  val = map(servo_position3, VALUE_MINIMUM, VALUE_MAXIMUM, SERVO_MINIMUM, SERVO_MAXIMUM);
  myservo3.write(val);
 delay(5);
 SoftwareServo::refresh();
}

* This source code was highlighted with Source Code Highlighter.

Итоговая программа для Arduino

1. #include <SoftwareServo.h>
2.  
3. #define SET_CMD    0xC1
4.  
5. #define COMMAND_ERROR 0x01
6. #define FORMAT_ERROR  0x02
7.  
8. #define VALUE_MINIMUM 0
9. #define VALUE_MAXIMUM 4096
10.  
11. #define SERVO_MINIMUM 0
12. #define SERVO_MAXIMUM 90
13.  
14. SoftwareServo myservo1;
15. SoftwareServo myservo2;
16. SoftwareServo myservo3;
17.  
18. int servo_position1 = 0;
19. int servo_position2 = 0;
20. int servo_position3 = 0;
21.  
22. struct _set_pos_cmd_t
23. {
24.  char cmd;
25.  int pos1;
26.  int pos2;
27.  int pos3;
28. };
29.  
30. typedef _set_pos_cmd_t set_pos_cmd_t;
31.  
32. void setup()
33. {
34.  pinMode(13, OUTPUT);
35.  myservo1.attach(A0);
36.  myservo2.attach(A1);
37.  myservo3.attach(A2);
38.  Serial.begin(115200);
39. }
40.  
41. boolean readBytes(char *bytes, int count)
42. {
43.  char data;
44.  
45.  for(int counter = 0; counter < count; ++counter)
46.  {
47.   data = Serial.read();
48.   bytes[counter] = data;
49.  }
50.  
51.  Serial.flush();
52.  
53.  return true;
54. }
55.  
56. void set_positions(char *data)
57. {
58.   set_pos_cmd_t *command = (set_pos_cmd_t*)data;
59.  
60.   servo_position1 = command->pos1;
61.   servo_position2 = command->pos2;
62.   servo_position3 = command->pos3;
63. }
64.  
65. void update_positions()
66. {
67.   int val = map(servo_position1, VALUE_MINIMUM, VALUE_MAXIMUM, SERVO_MINIMUM, SERVO_MAXIMUM);  
68.   myservo1.write(val);
69.   val = map(servo_position2, VALUE_MINIMUM, VALUE_MAXIMUM, SERVO_MINIMUM, SERVO_MAXIMUM);
70.   myservo2.write(val);
71.   val = map(servo_position3, VALUE_MINIMUM, VALUE_MAXIMUM, SERVO_MINIMUM, SERVO_MAXIMUM);
72.   myservo3.write(val);
73.   delay(5);        
74.   SoftwareServo::refresh();
75. }
76.  
77. void loop()
78. {
79.  int availableBytes = 0;
80.  char buffer[128];
81.  
82.  if((availableBytes = Serial.available()) > 0)
83.  {
84.   if(!readBytes(buffer, availableBytes))
85.   {
86.    Serial.write(FORMAT_ERROR);
87.   }
88.   
89.   switch(buffer[0])
90.   {
91.    case SET_CMD:
92.     set_positions(buffer);
93.     Serial.write(0xDA);
94.     break;
95.   } 
96.  }
97.  
98.  update_positions();
99. }

* This source code was highlighted with Source Code Highlighter.

Программа управления

Программа управления трехстепенной платформой написана на языке C#, которая в первоначальном виде имела упрощенный вид:


Последняя версия программы управления платформой приняла вид:


UPD:исходный код класса управления

Видео реализации

Спасибо за внимание!