機器人設計的心路歷程

一開始製作機器人時   是希望可以跟SD人偶做結合

在娃娃的身體裡放入馬達讓他能動

這樣就有現成的機器人身體可以用了

只要把重點放在製做頭部即可

但在馬達的選購時遇到了難題

夠小的馬達不夠力     夠力的馬達卻不夠小

選擇夠小的馬達不考慮  機器人做好動不起來沒有意義

選擇夠力的馬達的話  就要破壞人偶身體的一部分

且是否一定成功也是一未知數

雖然看過網路上有人是有這樣改造過   不過似乎也沒有做出能正常行走的功能

既然如此  乾脆就自己直接從做一副身體好了

這時娃娃的頭以經完成將近一半了

因為從新設計身體的關係  機器人的大小比例力也跟著變了

所以做到一半的頭部就沒有再繼續做下去了



開始製做身體時   想用上回提到的PVC板先做出能夠行走的骨架

因為材質夠硬又好加工   所以就決定先用這個材質開發看看了

如果以後有更硬更精緻的需求   再加工成鋁或其他金屬也是可以

自己一邊對照著骷髏模型一邊嘗試做成類似的簡單機構

一開始從骨盆開始做起    做到大腿  小腿    最後做到腳底板

最初腳踝的設計是直接使用兩顆伺服馬達做出兩個自由度的動作

再加上腳尖前的伺服馬達整個腳底板就有三顆伺服馬達

RS-1270 這顆伺服馬達各方面都算優秀  但就是重量並不算輕

再加上從腳底到膝蓋整個小腿的長度乘起來的力矩

對膝蓋的馬達造成的負擔實在太大了   在這裡面臨了一次考驗

後來想到的解決方法是把腳踝的其中一顆馬達移到膝蓋的附近

再利用機構原理讓動作點一樣維持在腳踝  就是現在的設計  上一篇給大家看過的

雖然就只是移動了一顆馬達的位子   但對膝蓋馬達減輕的負擔真的不少

改善之後從幾乎快要舉不起來變成了能夠舉到自己想要的任何位子了

雖然看得出來馬達還是很吃力  但基本上各個角度是沒有問題得了

從最吃力的3點鐘方向舉到12點鐘方向也可以了

以上是膝蓋馬達只有一顆的情況  後來進一步改善的就是大腿的膝蓋部份

希望將只有一顆馬達增加到兩顆以上以增加力量

於是自己做了一個機構來測試自己的想法行不行得通

可以從上圖看得出來  若是其中一顆馬達往順時鐘轉

會帶動ㄇ型軸讓另一顆馬達也向順時鐘轉動  反之亦然

這樣 一來若兩顆馬達同時往同方向出力力量應該會相家才對

根據自己施加負載測試後發現的確力量會提升

但因為使用的材質並不是很精確而且多少會彎曲一點的關係

會有少許的間隙產生造成力量不會完全傳遞的結果

距離較近負載的馬達比較燙  而另一顆因為力量沒有完全傳遞

就沒這麼熱  從這個實驗現像可以證明有一顆馬達並沒有把力量傳出去

除非把轉軸都改成軸承  把材料都換成像金屬這麼硬的才能有效改善這個問題

關於金屬材料要如何成型製做   這個就要等到寒假之後拉~

這個寒假小弟我有報名去上金屬加工的相關課程

希望之後能在製作機構的功力上再提升一層




到這裡為止是大致我所做的成品

還有很多其他的失敗品   就沒有拿出來跟大家現醜了

因為馬達選擇的問題   讓原本只設定要做大約六七十公分的機器人

變成了120公分左右   已經大約有一個小孩子的身高了 = =

本來是想從頭做起的也變成了從腳做起了   不知道以後還會發身什麼樣的問題

但不管是面對了什麼樣的難題要解決   我還是會繼續想辦法做下去的  ^^

那就期待下一次再跟大家分享摟~

機構設計的實做歷程

開始設計機器人的身體時  自己是從骨盆開始做起的

對照人類骨骼的骨盆模型邊看邊做

根據自己觀察發現   骨盆連接到大腿的中間還有一個大約120度的曲折

形狀大概如下圖所示

 於是就做成了下圖的機構

 在外型上可以感覺出與真實的骨盆有類似的形狀

希望這樣有助於行走時的穩定性



再來是大腿得部分

大腿設計的關鍵只有一個   就是膝蓋要夠力

上圖中看到了兩顆馬達    較上面的那顆也是使用在膝蓋的馬達

只是把傳遞力量的機構部分先拆掉  讓大家看看裡面的樣子

關於這個機構會在下一篇再做介紹



接下來就是小腿得部分了

小腿設計的重點在於腳踝的部分

是否能做出兩個靈活的自由度為成敗關鍵

因為自己希望腳踝馬達所站的空間縮小

和減輕腳底板的重量以減少膝蓋的負擔

把控制其中一個自由度的馬達往上提

下圖為簡單的圖示說明

藍色部分皆為可動的轉軸   馬達1 是橫著擺放的   馬達2 是立著擺放的

這樣就算兩顆馬達沒有在一起   也可以做出一個點有兩個自由度的運動了

因為 RS-1270 這顆馬達的重量並不算輕

把馬達1 的位子提高  由力矩的角度來看大幅度減輕了膝蓋馬達的負擔

我認為這是這個設計最大的優點




接下來是腳底板得部分

一開始在設計時就希望做好的機器人能給他穿鞋子來增加摩擦力

所以完成時就能輕易得買到適合的鞋子^^

以下是拖了鞋子的樣子

腳底板的設計  較有特色的地方就是腳尖的部分跟真人一樣也能動作

所以可以做出如下墊腳尖得的樣子



























自己研究自己走路時發現  腳尖的肌肉在行走時也幫了很大的忙

往往到了關鍵往前移動的那一步  若是去特別注意

會發現有被腳尖的關節部分給推出去的感覺

這一小推其實給了往前行走很大的動力

平常走起路來因為習慣了所以幾乎察覺不到

自己墊著腳尖站立時才發現這一小段的肌肉竟然這麼有力

只靠著這一點點的部分竟然可以支撐全身的重量

這時才注意到這可能在運動時是很重要的一部分

故特別設計了腳尖的關節



以上的機構設計是在經過多次改良後的結果

可能以後會發現更好的設計也說不定

到時候就再繼續跟大家分享摟~

機構設計的材料選購

開始設計機器人的機構時  材料的部分

 是希望能找到一種硬度夠強且好切割又好鑽孔的

相信大家一開始會最先想到的是用壓克力板來製作

但自己實際用起來之後   發現不論切割或鑽孔其實都很困難

用尖頭螺絲幾乎無法徒手攻進壓克力板裡

而且最糟糕的是若是切割或鑽孔時發生了一點差錯   會有整片裂掉的危機

自己覺得這不是一個很適合的材料



不過自己發現了另一種比壓克力更好用的材料

就是用在天花板的PVC板~!!

有種天花板的材料是這種實心的塑膠PVC板

厚度大概在 0.4 cm 左右

因為之前家裡修裡天花板的時候買了好幾片  還剩下很多

就被我拿來當作現成的材料了   真的好切又好鑽  實在是超好用的~!!

加工時只需準備一把鋸木頭的鋸子   跟一把普通的電鑽

想要做成什麼樣的形狀都沒有問題~



機構跟馬達連接的部分  我是用螺絲夾住的方式來做

這是在五金行買的螺絲

用螺絲螺母  穿過專孔的PVC板

再用鐵鉗鎖一鎖   就能夠緊緊的固定住了

用這種方法就可以緊緊的把機構與馬達鎖在一起了~

這樣不論想做成什麼樣的機構幾乎都沒有問題了

不過還有一點要跟大家分享

就是如果要在馬達的轉軸的另一側也加上轉軸該怎麼辦呢?

例如下圖

圖中下方的轉軸部分  並不是馬達的出力轉軸

這個在馬達的另一側加上轉軸的方法

可能有些人會一時想不到  不知道該怎麼做

重點就是要找到一個適合的軸穿過那一側的洞洞

問題是一時要找   可能找不到一個剛好的軸合用

其實可以去五金行找找比那個洞洞大一點的螺絲

跟馬達附的塑膠片一起硬鎖鎖進去








若是螺絲太長用鐵鉗把它剪掉一半就好

馬達與塑膠片鎖在一起   塑膠片再跟 PVC板鎖在一起

這樣的機構就完成了~

如此一來要做什麼樣的機構幾乎都沒問題了

若沒有需要做到很精密的機構設計 

這種程度的方法應該是夠用了

提供給大家參考看看摟~

伺服馬達 RS-1270 的使用心得

本編想跟大家介紹自己所使用的伺服馬達及其使用心得

挑選馬達時  自己是以力量為主要的考量

不希望到時候因為馬達不夠力導致設計的機構動不起來

在網路上搜了一陣子後覺得還是 Roboard 的 RS-1270最給力

一般而言  小型的伺服馬達體積大約在  2 X 2 X 1 cm 之上

扭力大約在 3 kg-cm  左右

而普通大小的伺服馬達體積大約在  4 X 4 X 2 cm 左右

扭力大約在 10到15 kg-cm  左右

而 Roboard 的 RS-1270 這顆馬達有著破格的超大扭力  " 35 kg-cm " !!!

就需要大扭力的使用者來說  我覺得這是最好的選擇了

RS-1270 這顆馬達雖然機構上容許轉動 210度 的大角度

不過自己在寫程式測試時 發現因為保護電路的關係  只有大約 150度 是可動的

寫程式時我喜歡設定 PWM 的週期為整數 20000us (微秒)

duty 從  665us  到  2240us  為可動做的範圍

依照每顆馬達不同可能會有少許的差異

例如有的只有在  700us  到  2200us  之間有反應而已



另外因為這個現象  自己在控制馬達轉動時  還發現了一個小技巧

有個問題是  如果希望機器人的手能像鐘擺一樣能很自由的平順擺盪

因為馬達到了指定的定點會繼續出力的關係

擺動起來會變得非常僵硬   一點都不自然

這時可以利用若是給他一個超出範圍的訊號

馬達的保護電路就會讓馬達不再動作而變得鬆弛

所以只要算準時機  突然給他一個超出動作範圍的PWM訊號

就可以做出平順的擺盪動作了~




除了控制方法   在機構設計上體積的問題也面臨很大的挑戰

因為好奇馬達裡面的空間配置   所以我就把他拆開來研究一番了

有沒有發現第一張圖片馬達露出的電路板部分其實沒有很凸出

有些地方只要用馬達轉軸的那一側的話

可以把馬達下部分的黑色外殼拆掉減少體積喔

怕電路板受傷的話可以在上面再黏一層熱融膠保護即可


另外馬達的外殼是塑膠製的  若是設計機構時想不到好方法來夾住馬達

可以直接用尖頭螺絲把機構跟馬達鎖起來

只要先用電鑽在馬達的外殼上引洞螺絲就可以很好鎖上   能與機構接合得很漂亮

如果說想要在外殼上開個洞  使用電鑽在適合的地方穿孔也是可以的

若想切割外殼   找個合用的鐵鉗也可以將它剪開

總之馬達的外殼也是可以動手腳的一部分

只要注意不要傷到電路板和裡面的齒輪就行了

因為 RS-1270 的外殼形狀很簡潔  厚度材質也很OK

所以加工與和自己設計的機構接合都很方便

這也是我覺得它優秀的另一個地方~




最後對於 RS-1270 我有個想法  

就是在某些轉軸  我希望能同時用上兩顆馬達來加強力量

於是異想天開  想自己來改造馬達

將兩顆馬達合併  把下方的齒輪去掉一個   把剩下的一個移到中間

如此一來兩顆馬達的力量就能合一

這個想法不知道能不能成功

有機會試過之後再跟大家分享摟~