手工製作松鼠形機器人

01-24

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關鍵詞：機器人, Arduino, MATLAB

一、簡單介紹

這個周末在家做了一個小的Project：用木塊和伺服電機拼出一個機器手臂，並用一塊Arduino UNO和MATLAB對它進行控制，來實現一些簡單的任務。完成之後發現它的動作頗像一隻松鼠，於是就叫它Squirrelbot好了。

拿起木塊的動作

放下木塊的動作

張開雙臂慶祝

完整的視頻可以在這裡看哦：

（優酷） Squirrelbot—在線播放—優酷網，視頻高清在線觀看 http://v.youku.com/v_show/id_XMTcyMjI3Nzk1Ng==.html

（youtube）https://youtu.be/SHZ7XyHSaOQ

二、原理和製作過程

下面來講講製作工程。主要分三個方面：1 用MATLAB和Arduino操縱servo(伺服電機)，2 機器人的搭建，3 用來記錄和播放控制指令的MATLAB程序

2.1 用MATLAB操縱servo

我用的servo是非常便宜的（如果不是最便宜的）這種SG90 servo （見 http://www.micropik.com/PDF/SG90Servo.pdf）。我在Amazon上買了一包十個，不到20刀。這種servo輕便，能轉0-180度。雖然扭矩有限，但是用來做我的這個項目非常合適。

用MATLAB的Arduino Support Package操縱這種伺服電機非常的簡單。官網上有一個完整的例子，見 Control Servo Motors 。這裡我簡要的描述一下相關步驟：

第一步，搭好電路，連上Arduino

這種Servo只有三根線要接：地線，正極接5V，然後黃色的信號線接到Arduino的Digital Output Pin.

連好以後，就可以在MATLAB裡面輸入

a = arduino("com4", "uno"); % 創建arduino對象，我用的是com4介面，arduino是uno s = servo(a, "D4"); % 創建servo對象，通過D4這個pin來控制

現在，你就可以直接的用writePosition來寫入新的角度，注意0-180度被線性映射到了0-1之間。

s.writePosition(0.5); % 轉到90度。

同理，可以把多個servo連到同一個arduino上面。我這裡一共用了5個servo, 最後的線路是這樣子的。注意到我沒有用Arduino來給電機供電，因為感覺這樣有時不太穩定。所以我另外用一塊電源給麵包板提供5V的電壓 (也可以直接串聯3節五號電池。。。）。

由此，用同樣的方法，我們就可以在MATLAB裡面創建5個不同的servo對象，然後分別對他們進行操作了。

2.2 搭建機器人

這個其實是最花時間的步驟。我的原材料是在Amazon上買的一小袋玩具用的Balsa木頭（大概10刀左右），裡面有幾塊木板，幾根木條和兩個木塊。

然後我是這樣手工打制的各個部分

1. 用木板來當底盤，上面還放著麵包板和Arduino

2. 用一個方形的木塊來當底座。上面粘了兩個servo. 一個抄下，當做肩關節，一個平方，作為肘關節。

3. 肘關節連著一段木條，上面再粘一個servo, 作為腕關節。

4. 本來我只想做三個自由度的。但是覺得還是有必要做一下「手」。嘗試了很多方法都失敗之後，我突發奇想：不如用兩個servo並排放著，反向轉動，再在上面粘上各粘一小段迷你的「拍子」。嘗試之後發現效果不錯。於是就成了現在這個樣子。結果看起來，特別是動起來，真像一隻松鼠。。。

至此，5個servo都用上了。所有的接合處都是用glue gun來粘和的。底座上還裹了透明膠以防萬一。

2.3 MATLAB圖形用戶界面的設計

我在MATLAB里編寫了這樣的一個圖形用戶界面

它裡面有一個模擬的機器人姿態展示，和四個滾動條，讓我能直接操縱5個servo的角度（第四個和第五個的servo角度是一樣的，只是相反而已）。每次滾動條有變化時，都會自動更新左邊3D圖示裡面的虛擬機器人的姿態，同時也會改變實際的機器人的姿態。而且軌跡會被自動記錄下來，通過坐標變換之後在圖示里產生一條綠色的末端軌線。在手動操縱它完成一項任務之後，按Reply按鈕就能讓機器人重複剛才的軌跡。

這個圖形用戶界面的編寫就不多講了，所有的代碼我都放在github上面了，有興趣的話歡迎幫我改進。GitHub - yu-jiang/Squirrelbot: Interacting with a mini robotic arm via MATLAB R2015a and Arduino uno

編寫的思想基本上按照徐指導介紹過的Model, View, Control的模式來寫的。MATLAB App Designer教程連載5： App Designer和MVC模式 - MATLAB - 知乎專欄

三、應用實例

我設計了如下的一個任務。讓它把木塊從黑色的陰影上方拿起，然後直立的放到橙色的石頭上。玩法是我先用MATLAB程序手動的操作完成一次這個任務，然後把木塊放回原處，按replay按鈕，讓它自己重複剛才記錄的軌跡。實驗結果如一開始的視頻和動畫所示。

四後續和總結

這個東西我現在越來越覺得好玩，已經想好了有很多後續的東西可以加進去。比如，在末端加入感測器，把開環控制改為閉環控制。升級電機。還可以用3D印表機來製作框架，而不是用木頭。那樣的精度應該會更高一些。

總之，MATLAB Arduino Support package能幫大大提高設計和製作機器人的效率，幫你很好的實現MATLAB和機器人的事實交互。

所用必要材料和工具列表

MATLAB 2015a
MATLAB Arduino Support Package (免費下載）
Glue gun -- 膠水槍，用來粘東西
一些小木塊，木條（我在amazon上買了一包玩具用的Balsa，非常輕巧）
Arduino Uno （也可以用其他的，但是support package 不一定支持）
麵包板和一些Jumper（導線），一個電池盒或者5V的電源。
小刀，尺子等用來切割木頭的工具
5個sg70的servo

參考鏈接

Arduino Support from MATLAB

Control Servo Motors