Комплект роботизированной руки 4-DOF

Что это такое

Комплект роботизированной руки 4-DOF — это механический скелет настольного манипулятора: набор лазерно раскроенных акриловых или алюминиевых кронштейнов, вращающееся основание и крепления для четырёх сервоприводов. Сам по себе он ничего не делает — это рама, превращающая сервоприводы в машину, которая тянется, позиционируется и захватывает. Установите сервоприводы, управляйте ими через PCA9685, и получится руку, которой можно задать точку в пространстве.

Четыре сустава

Каждой степени свободы соответствует один сервопривод, выполняющий одну задачу:

• Основание — поворачивает всю руку влево и вправо (рыскание), задавая рабочую плоскость.
• Плечо — поднимает верхнее звено; это первый из двух суставов, задающих вылет и высоту.
• Локоть — сгибает предплечье; вместе с плечом размещает инструмент в любой точке вертикальной плоскости.
• Захват — открывает и закрывает губки для удержания объекта.

Плечо и локоть образуют пару, для которой решается обратная кинематика (IK) двух звеньев: для заданной точки в рабочей плоскости вычисляются два угла суставов, достаточные для её достижения. Затем основание разворачивает плоскость в направлении цели, а захват зажимает объект.

Когда его следует использовать

Выбирайте комплект руки 4-DOF, когда хотите изучить манипулирование, а не мобильность: перемещение объектов, штабелирование блоков, рисование либо камеру на позиционируемом креплении. Это аналог шасси 2WD в мире манипуляторов: общая конструкция, к которой крепится целый класс проектов. Она намеренно рассчитана на небольшие нагрузки; относитесь к ней как к учебной платформе, а не рабочей машине.

Для более тяжёлых или точных задач переходите к сервоприводам с металлическими шестернями, более жёсткой раме или руке с 5–6 DOF и запястьем. Для мобильных роботов нужна платформа, а не эта рука.

Подключение и важные нюансы

• По одному сервоприводу и каналу на сустав. Пронумеруйте каналы (0 = основание, 1 = плечо, …) и сохраните соответствие в коде, чтобы команда «передвинуть локоть» управляла нужным сервоприводом.
• Питайте сервоприводы отдельно. Четыре одновременно движущихся сервопривода создают всплеск тока; подавайте питание через клемму V+ PCA9685, а не от Arduino.
• Задайте исходное положение до сборки. Установите каждый сервопривод в известный угол, например 90°, до установки рычага на вал, чтобы нулевая поза руки соответствовала нулю в коде.
• Учитывайте вылет. Инструмент достигает только кольца между минимальным и максимальным вылетами, заданными длинами звеньев; команду к точке за его пределами невозможно выполнить при любых углах суставов — см. симулятор роботизированной руки.
• Учитывайте плечо сил. Допустимая нагрузка быстро снижается с увеличением вылета; сохраняйте небольшие нагрузки, иначе сервоприводы остановятся, а нейлоновые шестерни сломаются.

Измерения, необходимые до написания кода

Обратная кинематика — это арифметические действия над длинами звеньев. При ошибке рука уверенно потянется не туда, и в коде не будет ничего, на что можно указать.

Измеряйте между осями суставов, а не между краями кронштейнов. Ось — центр шлицевого вала сервопривода, и она часто находится на 5–10 mm внутри видимого кронштейна. Для звена 95 mm ошибка 10 mm превышает 10%: рука систематически становится короче, и никакая настройка это не исправит.

Две длины напрямую задают рабочее пространство:

maximum reach = L1 + L2
minimum reach = |L1 - L2|

При L1 = 100 и L2 = 90 рука достигает расстояний от 10 mm до 190 mm от плеча — это кольцо, а не круг. В центре есть физически недостижимая область, и первая попытка достичь цели рядом с основанием удивительно заканчивается сообщением о недостижимости. Если два звена равны, отверстие исчезает и рука может сложиться сама в себя.

Момент сервоприводов: почему рука провисает на вылете

Сервопривод плеча несёт всё, что находится за ним, а требуемый момент растёт с расстоянием массы от сустава.

Для полностью вытянутой руки с L1 = L2 = 95 mm, удерживающей нагрузку 30 g и имеющей звенья массой примерно 20 g каждое:

Shoulder torque ~= (forearm+elbow mass x 0.095) + (payload x 0.190)
                ~= (0.05 kg x 9.5 cm) + (0.03 kg x 19 cm)
                ~= 0.48 + 0.57 = 1.05 kg.cm

Момент останова SG90 составляет около 1.8 kg·cm при 4.8 V. Удержание 1.05 kg·cm означает постоянную работу при 58% момента останова, что далеко за пределом точности хобби-сервопривода: он провиснет ниже заданного угла, будет гудеть и нагреваться.

Следуют три практических вывода. Точность руки минимальна при полном вылете, где одновременно находится сингулярность, поэтому траектории следует строить внутри границы. Используйте сервоприводы с металлическими шестернями MG90S для плеча, даже если остальные — SG90: этот сустав выходит из строя первым, а нейлоновые шестерни ломаются при постоянной нагрузке. По возможности применяйте противовес: резиновое кольцо от верхнего звена к основанию бесплатно снимает с сервопривода плеча удивительно большую долю статической нагрузки.

Сборка, при которой работают расчёты

Порядок важен, а один шаг почти невозможно отменить.

1. Установите каждый сервопривод в середину диапазона до установки рычага на вал. Подайте питание, задайте 90° и только потом насаживайте рычаг. Рычаг сервопривода имеет шлицы — примерно 20 или 24 зуба, — поэтому устанавливается только в дискретных положениях, а самая тонкая доступная регулировка составляет примерно 15–18°. Если собрать руку, а затем откалибровать, может оказаться, что рабочий диапазон сустава смещён на 40° и не исправляется механически.

2. Установите рычаги в позе, которую считаете нулевой. Для плеча это обычно вертикальное верхнее звено, для локтя — горизонтальное предплечье. Выберите соглашение, запишите его и соберите руку по нему.

3. Проверьте полный ход каждого сустава до затяжки. Подайте 0° и 180° и убедитесь, что ничего не сталкивается с рамой. Если сустав упирается в собственный кронштейн при 160°, его рабочий предел равен 160°, и код должен это знать.

4. Запишите смещения и знаки для каждого сустава. Из-за компоновки тяг некоторые суставы вращаются противоположно математическому соглашению. Зафиксируйте это один раз:

struct Joint {
  uint8_t channel;
  int      offsetDeg;   // servo angle when the joint is at its mathematical zero
  int8_t   sign;        // +1 or -1
  int      minDeg, maxDeg;  // mechanical limits, measured
};

const Joint BASE     = {0,  90, +1,  -85,  85};
const Joint SHOULDER = {1,  90, -1,  -10, 120};
const Joint ELBOW    = {2,  90, +1, -120,  10};
const Joint GRIPPER  = {3,  20, +1,    0,  55};

int servoAngle(const Joint &j, float jointDeg) {
  float clamped = constrain(jointDeg, j.minDeg, j.maxDeg);
  return constrain((int)(j.offsetDeg + j.sign * clamped), 0, 180);
}

Эта структура — весь мост между кинематикой и оборудованием, и её явный вид отличает руку, поведение которой можно рассуждать, от руки, для которой приходится постоянно подбирать значения.

Питание четырёх сервоприводов

Четыре микросервопривода, движущихся одновременно, требуют намного больше, чем может обеспечить микроконтроллер, а характер отказа руки делает ситуацию хуже: при столкновении с рамой или захвате твёрдого объекта одновременно останавливаются все сервоприводы цепи.

Рассчитывайте источник по току останова. Нужен отдельный источник 5–6 V на клемму V+ PCA9685 с конденсатором 470–1000 µF параллельно и общей землёй с контроллером. Подача любого из этих токов через вывод 5 V Arduino вызовет просадку платы; поскольку это происходит только при определённом положении руки, отказ убедительно выглядит как ошибка программного обеспечения.

Перемещайте плавно

Сервопривод с командой нового угла приходит к нему на полной скорости. На мобильном роботе это лишь выглядит резким; на руке это реальная проблема: резкое движение, всплеск тока и механический удар через нейлоновые шестерни, усиленный собственным плечом руки.

// Interpolate every joint together so the tool moves in a straight-ish line
// and no single servo takes the whole load at once.
void moveTo(float base, float shoulder, float elbow, int steps, int stepMs) {
  static float cur[3] = {0, 0, 0};
  float target[3] = {base, shoulder, elbow};

  for (int s = 1; s <= steps; s++) {
    float t = (float)s / steps;
    for (int j = 0; j < 3; j++) {
      float a = cur[j] + (target[j] - cur[j]) * t;
      pwm.setPWM(JOINTS[j].channel, 0, countsFor(JOINTS[j], a));
    }
    delay(stepMs);
  }
  memcpy(cur, target, sizeof(cur));
}

Интерполяция всех суставов одновременно так же важна, как сглаживание. Последовательное перемещение суставов заставляет инструмент проходить странную траекторию в рабочем пространстве, что одновременно медленнее и значительно повышает вероятность столкновения.

Диагностика

Когда переходить на другой комплект

Акриловый комплект 4-DOF — учебная платформа, и о его ограничениях честно сказано в описании. Ограничения по порядку обнаружения:

Нагрузка. Десятки граммов. Любой больший вес сервопривод плеча не удержит.

Повторяемость. Люфт в редукторах сервоприводов и изгиб акриловых звеньев означают, что возвращение к той же заданной позе даёт расхождение в несколько миллиметров. Люфт в четыре градуса на плече при вылете 190 mm превращается в более 13 mm на конце инструмента.

Ориентация запястья. При четырёх степенях свободы можно поместить инструмент куда-либо, но нельзя независимо выбрать угол подхода. Рука с 5 или 6 DOF добавляет запястье, благодаря которому возможно «взять это сбоку».

Ничто из этого не меняет математику. Кинематика двух звеньев, написанная для этого комплекта, использует тот же решатель, что и более совершенная рука, и именно поэтому сначала стоит собрать дешёвую раму.