描述

簡(jiǎn)介 :: 2017 年秋季

連大家都喜歡分享成功的作品和驚艷的原型機(jī)，這里我要換個(gè)思路：幾乎所有的業(yè)余級(jí)機(jī)械臂制造商都專注于工業(yè)型機(jī)械臂，我打算用機(jī)械和功能幾乎與人體相同，但盡可能以最便宜的方式。但由于材料和組件的能力，它變成了一個(gè)失敗的故事，然而失敗的故事也是一個(gè)吸取教訓(xùn)的故事。

起初，我開始注意和研究我的手的動(dòng)作及其尺寸，甚至在四處走動(dòng)時(shí)，所以我冒了很大的風(fēng)險(xiǎn)，因?yàn)槲腋浇膸缀跛腥硕伎赡苷J(rèn)為我有很強(qiáng)的心理素質(zhì)疾病 ：）

第一次設(shè)計(jì)在2-3個(gè)月內(nèi)完成，然后使用紙板和牙簽制作原型。很高興看到機(jī)械方法是否令人滿意并能夠達(dá)到基本要求。

然后我休息了很長(zhǎng)時(shí)間以思考更好的意見。

最初的設(shè)計(jì)在機(jī)械方面有很多部分，應(yīng)該對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。所以，我決定從頭開始，一開始就選擇了材料：Balsa Wood，但這個(gè)選擇會(huì)迫使我比我想象的更早結(jié)束項(xiàng)目。無(wú)論如何，我可以說(shuō)它運(yùn)作良好。

2018 年秋季 :: 從零開始

決定材料后，我重新開始了機(jī)械設(shè)計(jì)，盡可能使用單體零件。所有掌骨/近端/內(nèi)側(cè)/遠(yuǎn)端“骨骼”、梯形和手腕部分都經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)、虛擬組裝并在計(jì)算機(jī)上相互交互。在那段時(shí)間里，我也注意到我現(xiàn)在的設(shè)計(jì)有些東西是撐不住的。為什么？

因?yàn)樵诔跏茧A段，手掌是完全平坦的，與大多數(shù)其他可用的機(jī)器人手一樣。所以它會(huì)導(dǎo)致物體滑出，即使手指是閉合的。

然而，人的手掌卻并非如此。如果你把手指伸直，從側(cè)面看，你可能會(huì)認(rèn)為它是平的。但是當(dāng)你直接面向指尖看時(shí)（你也可以觸摸你的手的頂部），很明顯你的手掌有一個(gè)由掌骨形成的凹陷結(jié)構(gòu)，由一個(gè)凹陷的梯形引導(dǎo)。順便說(shuō)一句，當(dāng)您合上手指時(shí)，它們會(huì)從四面八方和您的手掌覆蓋一個(gè)球形體積。

所以我將其反映到我的設(shè)計(jì)中：梯形被重塑為凹面，因此由于掌骨與梯形對(duì)齊，手掌變得凹陷。只需要通過(guò)調(diào)整角度進(jìn)行幾次試驗(yàn)，是的，它在理論上是有效的:)

那時(shí)，我也想超越單純的機(jī)械，開始思考驅(qū)動(dòng)。但是怎么辦？我不得不使用伺服電機(jī)，但即使我使用最小的類型，我也沒有地方在包括手腕在內(nèi)的手部找到它們。我注意到，我只需要 12 個(gè)伺服器用于手部和手腕部分來(lái)模仿它們的所有動(dòng)作。同時(shí)，我也決定了如何模仿“筋”和“筋”：經(jīng)過(guò)嘗試幾種不同的材料，我發(fā)現(xiàn)魚繩是最好的“筋”，因?yàn)樗膹?qiáng)度和柔韌性，而將橡膠包裝成“筋” （我們還將討論它們）。在這些試驗(yàn)中，我還使用 6 毫米 PVC 管實(shí)現(xiàn)了“肌肉導(dǎo)向”。

很明顯，還應(yīng)該設(shè)計(jì)手臂部分。但是由于前臂具有扭轉(zhuǎn)和杠桿運(yùn)動(dòng)，所以只剩下一個(gè)可能的地方用于伺服系統(tǒng)：上臂。

也可以驅(qū)動(dòng)上臂，但在上臂-肩部連接上建立萬(wàn)向接頭將極其復(fù)雜和困難。無(wú)論如何，上臂可能只是杠桿，整個(gè)結(jié)構(gòu)可能會(huì)被肩部轉(zhuǎn)動(dòng)，所以我決定將機(jī)械結(jié)構(gòu)限制在肩部。

第一個(gè)問題：扭腕

拼好Hand和Wrist部分后，開始研究Front Arm，立馬問題來(lái)了：我的手怎么扭？

或許直到現(xiàn)在你也從未想過(guò)這一點(diǎn)。從機(jī)械上講，扭轉(zhuǎn)動(dòng)作需要樞軸連接。但是它是如何組裝到人體上的呢？我尋求的答案在 Stan Prokopenko 的網(wǎng)頁(yè)上：https ://www.proko.com/types-of-joints/

（非常感謝他的指導(dǎo)。與此同時(shí)，我還了解到扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)在醫(yī)學(xué)上被稱為“旋前”和“旋后”。）

所以很明顯尺骨和橈骨之間存在樞軸連接。但為什么那個(gè)支點(diǎn)位于后端，肘部？這不是很難做的事嗎？我該如何模仿這種機(jī)制？

從 Prokopenko 的動(dòng)畫中可以看出，尺骨和橈骨圍繞樞軸纏繞在一起。當(dāng)專門的肌肉伸展時(shí)，橈骨會(huì)旋轉(zhuǎn)到尺骨上，因此手腕會(huì)扭曲。

所以我一開始也是這樣做的：我準(zhǔn)備了一個(gè)原型，將樞軸放在肘端，將尺骨和半徑都固定在手腕上，最后用包裝橡膠將它們包裹在肘端。但是，這種配置可以即使手動(dòng)也不能平穩(wěn)移動(dòng)。在仔細(xì)研究了機(jī)制之后，我采取了完全不同的方式，完全重塑尺骨和橈骨：尺骨設(shè)計(jì)為僅用于杠桿，并且與手腕完全分離。Ulna-Radius 樞軸重新定位到前臂的中間部分。最后，Wrist 僅固定在 Radius 上。所以，尺骨和橈骨的形狀也終于變得與真骨相似。

（在您的前臂上，該樞軸位于肘端，因?yàn)檫@是保護(hù)樞軸免受任何損壞的最佳位置。如果前臂骨骼因任何沖擊而骨折，完全愈合后您可以繼續(xù)正常使用它。但是，如果樞軸放在中間，受到機(jī)械沖擊就會(huì)損壞，所以很可能你的手即使痊愈也再也無(wú)法扭動(dòng)了。）

解決這個(gè)問題后，現(xiàn)在我必須決定“肌肉”的路由。路線不應(yīng)受到尺骨和橈骨運(yùn)動(dòng)的影響，因此很明顯，所有肌肉繩索都應(yīng)通過(guò)尺骨-橈骨樞軸到達(dá)上臂的執(zhí)行器。所以我犧牲了一支筆來(lái)使用它的身體作為一個(gè)空心關(guān)節(jié)。

最后，整個(gè) Humanoid Arm + Hand Mechanicals 幾乎可以執(zhí)行真人的所有動(dòng)作：打開和關(guān)閉手指以及舉起東西、在手腕處左右轉(zhuǎn)動(dòng)和上下轉(zhuǎn)動(dòng)、扭轉(zhuǎn)前部的能力手臂將近 270 度并杠桿化，杠桿化上臂，并在肩部將整個(gè)手臂結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)近 180 度。

?

請(qǐng)注意，如果我計(jì)算正確，真人手臂從肩部到手部有 27 個(gè)運(yùn)動(dòng)軸：

• 上臂的轉(zhuǎn)動(dòng)、杠桿和盤旋 = 3 軸

• 杠桿和扭轉(zhuǎn)前臂 = 2 軸

• 水平（右-左）和垂直（上下）旋轉(zhuǎn)手腕 = 2 個(gè)軸

• 盤旋和杠桿拇指掌骨 = 2 個(gè)軸

• 杠桿拇指近端和遠(yuǎn)端 = 2 軸

• 杠桿食指、中指、無(wú)名指和小指的近端、內(nèi)側(cè)和遠(yuǎn)端 = 3 x 4 = 12 個(gè)軸

• 在水平面上閉合和打開食指、中指、無(wú)名指和小指，同時(shí)保持所有直線 = 1 x 4 = 4 個(gè)軸 - 嘗試顯示 Vulkan Salute :)

因此，完成的機(jī)械原型能夠在 22 個(gè)軸上完成所有這些操作，除了繞上臂旋轉(zhuǎn)和為 Vulkan Salute 移動(dòng)手指。

通過(guò)完成前臂力學(xué)，第 13 個(gè)伺服器的必要性出現(xiàn)了“旋前”和“旋后”，第 14 個(gè)伺服器用于杠桿整個(gè)前臂。

與前臂機(jī)械相比，上臂和肩部設(shè)計(jì)更容易。但由于輕木的弱點(diǎn)，上臂的肩端應(yīng)該從內(nèi)部得到很好的支撐，40 毫米直徑的 PVC 管完美地做到了。并打入一部分25mm的PVC管，這樣上臂的杠桿軸就完成了。

（在這里我寫得很快，但事實(shí)并非如此。在意識(shí)到某些事情之前，所有部分都被建模、匹配并與其他部分交互，并在計(jì)算機(jī)上檢查其適用性。實(shí)施在工程之后進(jìn)行。）

不過(guò)，自從有了驅(qū)動(dòng)的想法之后，我的腦子里還有一個(gè)疑問……

“好吧，到現(xiàn)在為止我們都做得很好，但是……我們要怎么支撐那東西呢，寶貝？”

支持問題不僅針對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)。還需要將控制器固定在某處，但由于跳線的長(zhǎng)度有限，因此靠近機(jī)械結(jié)構(gòu)。幾天來(lái)，我一直在想象一個(gè)由木頭、管子和其他材料專門制成的支撐結(jié)構(gòu)……但我不喜歡這些想法。

一天晚上，我發(fā)現(xiàn)一個(gè)很久以前就掛在我桌邊的完美解決方案：我的相機(jī)三腳架。只需將其螺絲換成螺栓來(lái)固定肩部的轉(zhuǎn)動(dòng)軸，它就可以完美地工作，并且可以正常工作。

所以我最終只為 Shoulder 設(shè)計(jì)了一個(gè)軸和底板，并且只使用了我多余的家具部件、塑料廢水管蓋和輕木。然后所有東西都放在三腳架上。

現(xiàn)在我可以開始安裝肌肉、執(zhí)行器等等，但在此之前發(fā)生了另一件事……

“肯定還有一個(gè)操控者……”

就在決定啟動(dòng)整個(gè)手臂后，我計(jì)算了我必須使用的信號(hào)并不可避免地面對(duì)壞消息：我只有一個(gè) Arduino Due，即使與其他模型相比它有很多輸入/輸出，但它仍然是不夠。起初我必須定義進(jìn)一步的必要性，然后我發(fā)現(xiàn) Arduino Leonardo 是輔助控制器的最佳解決方案。在準(zhǔn)備輸入/輸出列表并對(duì)其進(jìn)行一些研究后，手部和手腕部分留在 Due 的范圍內(nèi)；而前臂、上臂和肩部的控制則由萊昂納多負(fù)責(zé)。

然后，又提出了一個(gè)問題……

“哪個(gè)控制器應(yīng)該是主人，他們應(yīng)該如何相互‘對(duì)話’？”

因?yàn)槿萘看?，速度快，所以最好讓Due做master。然而，“說(shuō)話”出現(xiàn)了問題：Due 運(yùn)行在 3.3V，而 Leonardo 處于 5V 電平。由于它們的 I2C 通信也使用與控制器相同的電壓電平，直接連接會(huì)燒毀 Due。

我必須使該接口盡可能簡(jiǎn)單，最好的方法是使用模擬（電壓）信號(hào)。只是萊昂納多應(yīng)該“理解”；

• 應(yīng)啟動(dòng)哪個(gè)部分，以及，

• 它應(yīng)該移動(dòng)到哪個(gè)位置。

所以我決定在 Due 上使用 DAC0 和 DAC1 模擬（電壓）輸出，并在 Leonardo 上相應(yīng)地使用 A0 和 A1 來(lái)定義它們。

然而，電壓輸出的穩(wěn)定需要一點(diǎn)時(shí)間。所以 Leonardo 可能會(huì)誤解 Due 的請(qǐng)求，所以它也應(yīng)該知道命令是否已準(zhǔn)備好讀取。第三個(gè)通訊信號(hào)出現(xiàn)：“執(zhí)行”。好消息是，它可以直接從 Due 的 Ch.50（數(shù)字輸出）連接到 Leonardo 的 Ch.8（數(shù)字輸入）。

最后，Due 是如何理解它的命令被執(zhí)行的呢？第四個(gè)信號(hào)應(yīng)該從 Leonardo 發(fā)送到 Due：“命令已執(zhí)行”反饋，但由于上述電壓水平存在問題。如果確認(rèn)信號(hào)直接從 Leonardo 的 Ch.12（數(shù)字輸出）連接到 Due 的 Ch.51（數(shù)字輸入），那么我應(yīng)該為可憐的 Due 組織一場(chǎng)葬禮 :)

無(wú)論如何，這個(gè)問題是整個(gè)項(xiàng)目中最簡(jiǎn)單的：Leonardo 的 5V 輸出可能僅被兩個(gè)千歐級(jí)電阻分壓，然后它可能會(huì)以 ~3.3V 的形式發(fā)送到 Due。在實(shí)施階段，只有 270k 和 470k 效果很好。

肌肉和肌腱

你驅(qū)動(dòng)肌肉采取一些動(dòng)作，但是當(dāng)相關(guān)肌肉被釋放時(shí)，身體部分必須回到原來(lái)的位置。所以你的身體上有肌腱，與肌肉相反。但是肌腱由于其使用目的而不如相應(yīng)的肌肉強(qiáng)壯。

我已經(jīng)在上面寫下了我決定用作肌肉和肌腱的材料。然而，在試驗(yàn)過(guò)程中，我注意到釣魚繩很容易卡在機(jī)械接頭之間。所以最好使用某種“指南”，而 6mm 直徑的 PVC 管件正好適合這個(gè)目的。

尺骨和上臂沒有使用任何肌腱，因?yàn)橹亓?huì)很好地發(fā)揮作用。

限位開關(guān)和位置傳感器

當(dāng)我決定啟動(dòng)手臂時(shí)，限位開關(guān)的必要性直接出現(xiàn)了。沒有它們，伺服系統(tǒng)很容易損壞機(jī)械部件。但不幸的是，舵機(jī)并沒有我想象的那么強(qiáng)大。

一開始我認(rèn)為限位開關(guān)是最簡(jiǎn)單的部件之一，但事實(shí)并非如此，尤其是在手指上。實(shí)際上，這個(gè)問題的出現(xiàn)有兩個(gè)主要原因：首先是輕木，由于它的弱點(diǎn)。第二個(gè)是我的設(shè)計(jì)規(guī)模。正如您在上面的一些照片中看到的，我的意圖是以 1:1 的比例制作人形手和手臂。

不管怎樣，我只用電線和鋁帶做了接觸點(diǎn)。即使它們對(duì)于保護(hù)機(jī)械裝置必不可少，但由于輕木零件的磨損，它們會(huì)及時(shí)失去功能，尤其是在手指上。

位置傳感器是通過(guò)僅在幾個(gè)點(diǎn)上使用電位器來(lái)實(shí)現(xiàn)的，它們幾乎可以正常工作。

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伺服執(zhí)行器及其局限性

由于空間有限，我只有一個(gè)選擇來(lái)驅(qū)動(dòng)（也許我應(yīng)該說(shuō)醫(yī)學(xué)術(shù)語(yǔ)中的“伸展”或“屈曲/伸展”）專用于前臂、手腕和手部的“肌肉”，包括手指： -轉(zhuǎn)動(dòng)微型伺服電機(jī)。所有這些都應(yīng)該位于 Upper Arm 上，因此 Upper Arm 的設(shè)計(jì)也通過(guò)考慮繩索布線來(lái)完成。

起初，我用輕木制作了直徑約 10 毫米的滑輪。然而，微型舵機(jī)的輸出扭矩非常低。然后我修改了他們的輪角：通過(guò)研磨減小直徑，在喇叭和舵機(jī)之間使用墊圈，并在靠近中心的位置鉆孔以連接繩索。這樣，舵機(jī)可以拉更高的負(fù)載。

在后期階段，還需要另一個(gè)滑輪組來(lái)杠桿前臂和上臂，這樣就完成了。即使是微伺服也可以處理前臂的杠桿，上臂需要標(biāo)準(zhǔn)伺服，因?yàn)樗鼞?yīng)該處理上臂、前臂、手以及它們上面的所有接線的重量。

另一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)伺服也用于轉(zhuǎn)動(dòng)肩部。

“所有那些導(dǎo)線都必須組織起來(lái)……哪怕是一點(diǎn)……”

最好的方法是制作某種“終端組件”。經(jīng)過(guò)幾天的研究，我發(fā)現(xiàn)只需2塊8x2厘米的預(yù)制PCB就可以制作3個(gè)端子組件。

• TB01 設(shè)計(jì)用于處理專用于手、手腕和橈骨（扭轉(zhuǎn)前臂）的所有信號(hào)，以及專用于手腕和橈骨（扭轉(zhuǎn)前臂）的伺服系統(tǒng)

• TB02 設(shè)計(jì)用于處理專用于肩部、上臂和尺骨（杠桿前臂）的所有信號(hào)和電機(jī)

• TB03 設(shè)計(jì)用于處理 Fingers 的舵機(jī)

當(dāng)然，所有端子組件都應(yīng)在首次“制造”之后和焊接電線期間進(jìn)行測(cè)試。

舵機(jī)的早期測(cè)試

在幾乎安裝完所有東西之后，我只帶了 Arduino Leonardo 并開始通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的例程單獨(dú)測(cè)試每個(gè)伺服器，以檢查它是否能夠按要求運(yùn)行。該例程非?；A(chǔ)，僅用于以數(shù)字輸入選擇的最低速度和方向運(yùn)行一個(gè)伺服。那個(gè)時(shí)候可以一個(gè)一個(gè)操作。但是當(dāng)所有舵機(jī)一起通電時(shí)，意想不到的驚喜就來(lái)了。稍后我們將討論那個(gè)麻煩。

第一個(gè)問題繼續(xù) :: 扭腕

即使我修改了伺服臂以用作極小直徑的滑輪，但它還不足以“旋前”和“旋后”Radius。所以我做了一個(gè)微型滑輪組。

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第一個(gè)效果很好，但它太大了。所以它在下一步被最小化。

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不幸的是，各個(gè)伺服上的扭矩仍然太大。我嘗試調(diào)整，但是當(dāng)前臂處于水平位置并且伺服將橈骨完全帶到尺骨上然后試圖釋放時(shí)，由于微型滑輪上的摩擦和反作用力，相應(yīng)的“肌腱”橡膠未能恢復(fù)原狀。我拉緊了肌腱，但是舵機(jī)無(wú)法再拉動(dòng)了……經(jīng)過(guò)幾次嘗試，舵機(jī)變得不穩(wěn)定，很快它的電機(jī)控制器就燒毀了。那是Project的第一個(gè)受害者。請(qǐng)為無(wú)名英雄致敬和祈禱 - 不，對(duì)不起它的標(biāo)簽是“11FR”- :)

（當(dāng)然，每個(gè)點(diǎn)/組件都有自己獨(dú)特的標(biāo)簽。否則不可能進(jìn)行所有的構(gòu)造、布線和編程。耐心點(diǎn)，我們還將討論工程的重要性。）

所以我決定停止扭轉(zhuǎn)前臂的試驗(yàn)。它需要很大的扭矩，但與此同時(shí)，進(jìn)一步的試驗(yàn)可能會(huì)導(dǎo)致整個(gè)前臂損壞。

其他試驗(yàn) :: 手指

沒什么特別要說(shuō)的。一開始，一切看起來(lái)都還不錯(cuò)……直到伺服系統(tǒng)壞了，輕木部件磨損了。

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First Codes :: Due<->萊昂納多互通

原理上面我已經(jīng)講過(guò)了，在編程階段就是第一節(jié)。在模擬通道上，Due/DAC0 和 Leonardo/A0 分配給設(shè)置值寄存器以發(fā)送和接收百分比設(shè)置值。Due/DAC1 和 Leonardo/A1 分配給 Section Selector。

但它只是需要做一些范圍：由于可以使用全范圍，但由于 DACx 輸出會(huì)在 0.75-2.55V 范圍內(nèi)產(chǎn)生相應(yīng)的電壓，因此應(yīng)該在 Leonardo 上調(diào)整匹配比例。因此，Leonardo 被配置為讀取 Set Value between (整數(shù)）168-846對(duì)應(yīng)0-100%。對(duì)于部分選擇器，整個(gè)范圍在 Due-side 上分為 5 個(gè)部分，并為 Leonardo 計(jì)算相應(yīng)的值。但在那個(gè)實(shí)現(xiàn)中，也有必要使用死區(qū)。因此，即使是在 Due 上使用的確切值，它們?cè)?Leonardo 上也被解釋為（值 +/- 死區(qū)）以確保選擇部分。

最后，相互通信程序在兩個(gè)控制器上完成如下并且運(yùn)行良好。

到期日：

   const int   _FA_Radius  =  840;    // Front Arm Radius Section
   const int   _FA_Ulna    = 1530;    // Front Arm Ulna Section
   const int   _UpperArm   = 2220;    // Upper Arm Section
   const int   _Shoulder   = 2910;    // Front Arm Radius Section
void CommandToLeonardo(String Section, int SetValue) {
   /* SetValue is given as Percentage */
   int Section_Num=0;
   if (Section=="_11FR") Section_Num = _FA_Radius;
      else if (Section=="_11FU") Section_Num = _FA_Ulna;
           else if (Section=="_21UA") Section_Num = _UpperArm;
               else if (Section=="_31SH") Section_Num = _Shoulder;
   if (Section_Num==0)
      Serial.println("Section cannot be recognized.");
   if ((SetValue<0) || (SetValue>100))
      Serial.println("Set Value should be between 0-100).");
   if ((Section_Num!=0) && (SetValue>=0) && (SetValue<=100) )
      {
       Serial.print(String(SetValue) + "% -> ");
       switch(Section_Num){
             case _FA_Radius: Serial.println("Front Arm-Radius"); 
                              break;
             case _FA_Ulna  : Serial.println("Front Arm-Ulna"); 
                              break;
             case _UpperArm : Serial.println("Upper Arm"); break;
             case _Shoulder : Serial.println("Shoulder"); break;
          }
       analogWrite (_00XXCM, Section_Num);
       analogWrite (_00XXSP, map(SetValue, 0, 100, 0, 4095));
       delay(50);        // Delay for stabilization of outputs
       digitalWrite(_00XXXC, HIGH);  // Execute Command
       do { // Wait until getting OK from Leonardo
          } while(!digitalRead(_00XXOK)); 
              
       Serial.println("ARD LNRD = OK.");
       analogWrite (_00XXCM, 0); 
       analogWrite (_00XXSP, 0);  
                    // Resetting Section and Set Value outputs
       delay(50);   // Delay for stabilization of outputs
       digitalWrite(_00XXXC, LOW);   // Resetting Command
      } /* End of "if (Section_Num!=0)" */
} /* End of "void CommandToLeonardo()" */
void loop() {
    if (Serial.available())
       {
        String Command=ReadUserInputOverSerial();
        Serial.println(Command); 
        if (Command.substring(0,1)=="?") /* Help */
           {
            Serial.println("Commands:");
            Serial.println("  CTL [Section] [SetValue (0-100)]");
            Serial.println("      CommandToLeonardo - Section: First 5 characters of PWM Tag (e.g. _10WH for _10WHCM).");
            Serial.end(); Serial.begin(_BAUDRATE);
            while(!Serial) { };
           }
        if (Command.substring(0,3)=="CTL")
           CommandToLeonardo(Command.substring(4,9),
                             Command.substring(10).toInt());
        CommandPromptOverSerial("[ARD DUE/] > ");
       } /* End of "if (Serial.available())..." */
} /* End of "void loop()": ARDUINO DUE */

關(guān)于萊昂納多：

   const int   _FA_Radius  = 310;    // Front Arm Radius Section
   const int   _FA_Ulna    = 425;    // Front Arm Ulna Section
   const int   _UpperArm   = 540;    // Upper Arm Section
   const int   _Shoulder   = 655;    // Front Arm Radius Section
   const int   _ICDB       =  40;    // Deadband
   /* Since the signals cannot generate exact integer values, 
    * Section shall be identified by [ (SectionValue) +/- _ICDB ]
    * reading.
   */
void setup() {
  /* Initial Feedback to Due */
  digitalWrite(_00XXOK, LOW); 
}
void CommandFromDue() {  
   CommandFromDue_Section = analogRead(_00XXCM);
   if ( ((_FA_Radius-_ICDB)<=CommandFromDue_Section) && 
        (CommandFromDue_Section<=(_FA_Radius+_ICDB)) )
      CommandFromDue_Section=_FA_Radius;
      else if ( ((_FA_Ulna-_ICDB)<=CommandFromDue_Section) && 
                (CommandFromDue_Section<=(_FA_Ulna+_ICDB)) )
              CommandFromDue_Section=_FA_Ulna;
      else if ( ((_UpperArm-_ICDB)<=CommandFromDue_Section) &&
              (CommandFromDue_Section<=(_UpperArm+_ICDB)) )
              CommandFromDue_Section=_UpperArm;
      else if ( ((_Shoulder-_ICDB)<=CommandFromDue_Section) &&
                (CommandFromDue_Section<=(_Shoulder+_ICDB)) )
               CommandFromDue_Section=_Shoulder;
      else
               CommandFromDue_Section=0;
   CommandFromDue_SetValue = 
               map(analogRead(_00XXSP),168,846,0,100);
   /* Due generates DAC outputs between 0.55-2.75 V and it 
    * corresponds (int) 168-846 on Arduino Leonardo.
    * Here analog reading is converted to Percentage.
    */
   boolean CommandFromDue_Execute = digitalRead(_00XXXC);
   String  Section = "";
   int     Speed   = 0;
   if ((CommandFromDue_Section!=0) && CommandFromDue_Execute)
      {
       Serial.println();
       Serial.print("Command by ARD DUE: "+
                     String(CommandFromDue_SetValue) + "% -> ");
       switch(CommandFromDue_Section){
             case _FA_Radius: Serial.println("Front Arm-Radius");
                              Section = "_11FR";
                              Speed = 20;
                              break;
             case _FA_Ulna  : Serial.println("Front Arm-Ulna");
                              Section = "_11FU";
                              Speed = 20;
                              break;
             case _UpperArm : Serial.println("Upper Arm");
                              Section = "_21UA";
                              Speed = 90;
                              break;
             case _Shoulder : Serial.println("Shoulder");
                              Section = "_31SH";
                              Speed = 30;
                              break;
           }
       Serial.println(" -action-");
       MoveToPosition(Section, Speed, CommandFromDue_SetValue);
       Serial.println("OK -> ARD DUE.");
       CommandPromptOverSerial("[ARD LNRD/] > ");
       digitalWrite(_00XXOK, HIGH); delay(100);
       digitalWrite(_00XXOK, LOW); // OK Feedback to Due
      } /* End of "if (Section_Num!=0)" */
} /* End of "void CommandFromDue()" */

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編碼::進(jìn)一步

除了互通之外，這里我不會(huì)解釋更多代碼的深層細(xì)節(jié)，以免讓讀者感到無(wú)聊，因?yàn)樵谧詈竽憧梢哉业酵暾某绦颍?Due 的 800 多行和 Leonardo 的 500 多行，以及解釋性說(shuō)明. 正如您在程序中看到的那樣，已經(jīng)存在具有相同名稱的函數(shù)。原則上，這些功能在原理/算法上完全相同，但只是由于控制范圍而進(jìn)行了一些更改。

void CommandPromptOverSerial(提示符)

它的創(chuàng)建只是為了制作那個(gè)花哨的命令行界面。除此之外，它還重新初始化串行通信以確保刷新。

字符串 ReadUserInputOverSerial()

在串行監(jiān)視器上讀取用戶輸入，并將其作為字符串返回。

無(wú)效閱讀（標(biāo)簽）

空循環(huán)測(cè)試（）

這兩個(gè)函數(shù)都是為測(cè)試單個(gè)循環(huán)（輸入/輸出通道）而創(chuàng)建的。

LoopTest() 已經(jīng)有專門用于模擬輸入、模擬輸出、數(shù)字輸入、數(shù)字輸出和 PWM 輸出類型的小節(jié)；但 Read(Tag) 僅用于直接從頂層讀取輸入，而無(wú)需轉(zhuǎn)到 LoopTest()。

void CommandToServo（標(biāo)簽，值）

正如您到目前為止所認(rèn)識(shí)到的，我將所有內(nèi)容都稱為標(biāo)簽。這也是這個(gè)功能的目的：它將設(shè)定值（0-180）發(fā)送到分配給“標(biāo)簽”的伺服電機(jī)。

void FullTravelDurationMeasurement (PWM_Tag, LimitSw_CCW, LimitSw_CW, int Speed)

編寫此函數(shù)是為了檢查手指的完整行程持續(xù)時(shí)間，因?yàn)樗鼈儫o(wú)法配備實(shí)際位置傳感器。根據(jù)結(jié)果??，可以定時(shí)拉或放。即使它在理論上通過(guò)手動(dòng)強(qiáng)制輸入/輸出工作，它也不能用于實(shí)際系統(tǒng)，因?yàn)殚_關(guān)由于機(jī)械磨損而無(wú)法正常工作。因此，完整的行程持續(xù)時(shí)間只能通過(guò)手動(dòng)試驗(yàn)來(lái)確定，而不是使用此功能。

void MoveDuringMillis（標(biāo)記、方向、速度、毫秒）

該函數(shù)也被編寫為在指定的方向和指定的毫秒內(nèi)驅(qū)動(dòng)由標(biāo)簽定義的手指。

void MoveToPosition (Section, Speed, SetValue)

此函數(shù)用于將一個(gè)部分移動(dòng)到 SetValue 給定的位置并以指定的速度移動(dòng)。注意Section還應(yīng)裝有位置傳感器。

void Fingers_Hold()

void Fingers_Release()

這些功能被編寫為幾乎同時(shí)關(guān)閉（握住某物）和釋放手指。不幸的是，手指只能部分地工作一次……

void Final_Demo()

顧名思義：最后只能使用前臂和上臂的杠桿機(jī)構(gòu)，以及肩部的旋轉(zhuǎn)。所以寫這個(gè)函數(shù)就是為了演示它們。

在成功測(cè)試所有單獨(dú)的信號(hào)和功能后，我完成了伺服系統(tǒng)和機(jī)械部分之間的機(jī)械連接。現(xiàn)在，arm 已準(zhǔn)備好測(cè)試真正的功能，但是……

通電 :: 瘋狂伺服

在一個(gè)接一個(gè)地測(cè)試和調(diào)整所有伺服系統(tǒng)之后，是時(shí)候?yàn)樗兴欧到y(tǒng)一次性供電了。但結(jié)果并不如我所料。

我最初的設(shè)計(jì)在上臂有 14 個(gè)微型伺服系統(tǒng)來(lái)處理輕負(fù)載，而在肩部有 2 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)伺服系統(tǒng)用于杠桿上臂和轉(zhuǎn)動(dòng)肩部。他們都能夠接受一個(gè)共同的電壓水平，6V，所以我做到了。

但是一旦我操作了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的舵機(jī)，一些微型舵機(jī)就沒有任何命令就啟動(dòng)了。幸運(yùn)的是，我在電源線上放了一個(gè)開關(guān)，所以我可以一次全部切斷，但無(wú)論如何，由于瞬間和極端的加速，一些手指用力過(guò)大。我再次擰下所有微型伺服系統(tǒng)的滑輪，然后重新通電。結(jié)果是一樣的：不穩(wěn)定的微舵機(jī)永遠(yuǎn)無(wú)法調(diào)整，或者即使調(diào)整也無(wú)法保持穩(wěn)定，甚至卸載。

我的第一個(gè)疑問是電源的適用性：我使用了一個(gè) 6V、3Ah 的適配器。

根據(jù)可用數(shù)據(jù)，每個(gè)微伺服在空閑時(shí)消耗 6 mA，在空載運(yùn)行時(shí)消耗 120 mA，在失速條件下消耗 800 mA。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)舵機(jī)，只給出一個(gè)參數(shù)：100 mA 作為工作電流，我認(rèn)為它是空載運(yùn)行，并假設(shè)其余參數(shù)與微型舵機(jī)類似。

所以，我的電源就足夠了，因?yàn)榇丝讨挥幸粋€(gè)舵機(jī)運(yùn)行。那么，失敗的原因可能是什么？

我仍然在考慮電源，并開始通過(guò)示波器對(duì)其進(jìn)行監(jiān)控。結(jié)果很有趣，而只有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)伺服正在運(yùn)行：

當(dāng)我看到這些變化時(shí)，我有一個(gè)理論：可能微伺服對(duì)電壓波動(dòng)更敏感，而那些被它們誤解為“命令”。然后我決定分別為微型和標(biāo)準(zhǔn)伺服系統(tǒng)供電。標(biāo)準(zhǔn)伺服系統(tǒng)與一個(gè)微型伺服系統(tǒng)（專用于杠桿前臂的微型伺服系統(tǒng)）保持連接在當(dāng)前電源上，而所有其他微型伺服系統(tǒng)都單獨(dú)連接到其他電源。這種修改奏效了。

手指 :: 最后一次

正如我在上面已經(jīng)寫過(guò)的，最后由于磨損我無(wú)法操作所有部分。無(wú)論如何，它只能打開和關(guān)閉手指一次，如果我繼續(xù)嘗試，我可能會(huì)殺死剩下的 6 個(gè)微型伺服系統(tǒng)。所以最好在這里停下來(lái)。從理論上講，如果輕木部件沒有磨損，您會(huì)看到順序但更順暢的工作。

最終演示

最后，經(jīng)過(guò)約 4.5 個(gè)月的設(shè)計(jì)和組裝，可以僅操作前臂和上臂的杠桿功能以及肩部的轉(zhuǎn)動(dòng)功能。

工程 :: 重新審視工業(yè)實(shí)踐

如果您的項(xiàng)目在很小的區(qū)域內(nèi)并且只包含很少或幾個(gè)設(shè)備，也許您可??以通過(guò)眼睛和手來(lái)跟蹤一切。

但是，如果您必須在 ~1 米長(zhǎng)的設(shè)備上工作，該設(shè)備包含 140 多種不同類型的 500 多個(gè)零件、~60 種電氣和電子設(shè)備（開關(guān)、電位器、伺服電機(jī)）、兩個(gè)不同控制器上的 60 多個(gè)信號(hào)以及將兩者互連，以及數(shù)百條連接線；然后在計(jì)算機(jī)和論文上工作成為必須，并且是解決問題的最佳選擇。

所以一切都是從在計(jì)算機(jī)上設(shè)計(jì)機(jī)械開始的。在后期階段；模型中添加了伺服電機(jī)、開關(guān)、位置傳感器和端子組件。

正如我在前面部分提到的，專用的唯一標(biāo)簽也分配給所有單獨(dú)的部分。你也會(huì)在節(jié)目中看到這些標(biāo)簽，它們讓生活變得更輕松。最后，有“3D模型”、“滑輪繩布線草圖”、“儀表列表”、“I/O列表”、“儀表布局”、“接線板布局”和“接線圖”作為文檔包項(xiàng)目。

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對(duì)于未來(lái) :: 瓶頸

我同意我的設(shè)計(jì)非常原始。我最初的意圖只是機(jī)械地模仿人的手和手臂，但后來(lái)我決定嘗試驅(qū)動(dòng)整個(gè)結(jié)構(gòu)。

在機(jī)械設(shè)計(jì)方面，一切幾乎都符合預(yù)期：所有機(jī)械部件都完美匹配并通過(guò)手動(dòng)方式相互交互。

無(wú)論如何，第一個(gè)瓶頸是選擇的材料，輕木：我選擇它只是因?yàn)樗梢詮V泛用于業(yè)余愛好作品的預(yù)成型/預(yù)切割部件，用于原型制作非常便宜，易于通過(guò)簡(jiǎn)單的手工工具成型，容易只需使用強(qiáng)力膠水即可修復(fù)。通過(guò)使用輕木，我可以避免購(gòu)買相當(dāng)昂貴的 CNC 或 3D 打印機(jī)及其配件和耗材。

然而，輕木也是一種非常脆弱的材料，led 比我想象的更早磨損手指。

除此之外，我設(shè)計(jì)的 1:1 比例“放大”了輕木的弱點(diǎn)。在搭建和嘗試運(yùn)行期間，我不得不對(duì)許多地方進(jìn)行維修。作為最后一個(gè)例子，Upper Arm 上的伺服電機(jī)支架板也是由輕木制成的，經(jīng)過(guò)幾次拆卸后，它們開始開裂。

而且也不可能使用任何軸承，尤其是手部，因?yàn)橛锌潭取?/font>

盡管如此，我還是推薦使用輕木以最便宜的方式制作機(jī)械原型。

另一個(gè)瓶頸是伺服系統(tǒng)的尺寸和功率。由于規(guī)模，我只能使用微型和標(biāo)準(zhǔn)伺服系統(tǒng)，但它們的能力有限。這也是滑輪組考慮用于橈骨和上臂的旋前和屈曲的原因，因此整個(gè)手臂具有起重機(jī)式結(jié)構(gòu)而不是真正的機(jī)器人結(jié)構(gòu)。

為了未來(lái) :: 教訓(xùn)

模仿自然機(jī)制是一個(gè)非常困難和復(fù)雜的項(xiàng)目，因?yàn)樗鼈兊囊恍┕δ苁怯蓹C(jī)械部分（=骨骼）之間的靈活（幾乎通用）連接提供的，這些連接由執(zhí)行器（=肌肉）和反向彈簧（=肌腱）保持在一起。肌腱也可以被拉伸——即使是一點(diǎn)點(diǎn)，也沒有肌肉那么多。

但這還不是全部。當(dāng)您啟動(dòng)一個(gè)“部分”時(shí)，您還可以實(shí)時(shí)了解它的實(shí)際位置，以及在達(dá)到移動(dòng)限制時(shí)聯(lián)鎖啟動(dòng)。這意味著，每個(gè)部分應(yīng)使用一個(gè)位置傳感器和至少 2 個(gè)限位開關(guān)。

正如您所注意到的，我不得不使用伺服電機(jī)，但如果您想避免使用位置傳感器，則可以使用步進(jìn)電機(jī)。然而，在這種情況下，每個(gè)步進(jìn)器將需要 4 個(gè)數(shù)字輸出，因此 2 個(gè) Arduino 級(jí)控制器是不夠的。

你認(rèn)為我們完成了嗎？還沒有。

讓我們做一個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)：握住右手，手掌向上。然后右手食指彎曲，“懸”在左手掌側(cè)。現(xiàn)在，試著用左手食指的指尖握住右手，同時(shí)將右手向上推。你看到了嗎？達(dá)到一定限度，你可以抵抗手臂上的肌肉，僅靠控制食指骨的肌肉。

如果你試圖通過(guò)模仿機(jī)制來(lái)做到這一點(diǎn)，幾乎可以肯定它們會(huì)被破壞。即使在簡(jiǎn)單的試驗(yàn)中，我也燒毀了 7 個(gè)微型伺服系統(tǒng)。

和更多：

在自然機(jī)制上，“執(zhí)行器”放置在非?？拷鼨C(jī)械部分的位置。今天，在機(jī)械仿制品上做到這一點(diǎn)的最好方法可能是使用液壓缸。但在那種情況下，還應(yīng)使用強(qiáng)大的液壓泵系統(tǒng)、儲(chǔ)油器、止回閥、電磁閥……這將帶來(lái)更大的空間需求和控制器+輸入/輸出能力的必要性。

那些最新的 2 段意味著，需要更小和更強(qiáng)大的執(zhí)行器。

完成的？不，還有一個(gè)問題：

讓你試著動(dòng)動(dòng)手指……

現(xiàn)在嘗試同時(shí)移動(dòng) 2 或 3 個(gè)手指……很好。

嘗試移動(dòng)所有手指，同時(shí)在手腕處上下移動(dòng)手，然后左右移動(dòng)……完美。

在杠桿前臂的同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)手腕，移動(dòng)所有手指……

[ 什么？你還好嗎？看著我，我們帶你去診所好嗎？:)）]

如果你沒有任何嚴(yán)重的健康問題，你可以做所有的事情，對(duì)吧？現(xiàn)在我們?nèi)绾斡脵C(jī)械模仿來(lái)做到這一點(diǎn)？

正如我已經(jīng)提到的，人的手臂和手總共有大約 30 種不同的運(yùn)動(dòng)（軸），因此每個(gè)都必須使用一個(gè)致動(dòng)器，以便能夠平滑地進(jìn)行逼真的模仿。

如果我們想通過(guò)使用像 Arduino 類這樣的簡(jiǎn)單控制器來(lái)做到這一點(diǎn)，我們只需要一個(gè)子控制器用于每個(gè)軸，一個(gè)主控制器來(lái)命令它們。子控制器應(yīng)該有其特定的例程，僅定義各個(gè)部分的特定運(yùn)動(dòng)，以用于整個(gè)系統(tǒng)的預(yù)定義整體運(yùn)動(dòng)。Master 只需將設(shè)定點(diǎn)和請(qǐng)求的整體運(yùn)動(dòng)信息發(fā)送給子控制器，然后向 all in once 發(fā)送“執(zhí)行”命令，并等待確認(rèn)。

例如，每個(gè)子控制器分別專用于食指、中指、無(wú)名指和小指的近端、內(nèi)側(cè)和遠(yuǎn)端部分（因此我們談?wù)摰氖?12 個(gè)子控制器以及致動(dòng)器、位置傳感器、限位開關(guān)和根據(jù)需要等等）應(yīng)該有 - 例如 - 一個(gè)“ Hold_a_Circular_Plate（）”子例程僅為相應(yīng)部分定義特定運(yùn)動(dòng)。當(dāng)主控制器發(fā)送“ Command_to_Hold_Circular_Plate() ”時(shí)，它應(yīng)該只觸發(fā)一個(gè)輸出同時(shí)到達(dá)所有子控制器。但另一個(gè)重要問題是在微秒內(nèi)同步子控制器，否則所有操作都會(huì)失敗。

第二種選擇是使用功能更強(qiáng)大的控制器和響應(yīng)速度更快的執(zhí)行器，這樣不同執(zhí)行器之間的切換將無(wú)法識(shí)別。

第三種選擇是最好的，如果可能的話：使用有史以來(lái)最強(qiáng)大的控制器，能夠以極快的速度執(zhí)行絕對(duì)多處理：有機(jī)大腦和神經(jīng)系統(tǒng)，最好是人腦用于人形手臂（虛構(gòu)它是在 Robocop 系列中完成的）。

：： 結(jié)尾 ：：

即便是現(xiàn)在也有一些公司在為殘疾人制造人形假手，即使設(shè)計(jì)的再好，為人們的生活帶來(lái)便利，也不能說(shuō)是完美的模仿。

我想我們幾乎所有人都可能見過(guò)波士頓動(dòng)力公司設(shè)計(jì)和建造的最神奇的機(jī)器人“阿特拉斯”。這樣的研究和開發(fā)消耗大量的金錢、時(shí)間，需要長(zhǎng)時(shí)間的研究、試驗(yàn)、無(wú)數(shù)次的失敗等等。例如，波士頓動(dòng)力公司成立于 1992 年，從那時(shí)起他們就一直在研究機(jī)器人。這意味著，到今天為止，Atlas 背后有近 30 年的研究、試驗(yàn)、失敗、重試……等等。

在預(yù)算方面，Atlas 的“父親”和“母親”由美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局資助。是的，不幸的是，軍事機(jī)構(gòu)是這些驚人項(xiàng)目的主要支持者，人類仍然非常善于尋找最好的自相殘殺方式:(

市場(chǎng)上的消費(fèi)品無(wú)法制造出如此驚人的東西。所有機(jī)械、電子、執(zhí)行器、傳感器……都應(yīng)根據(jù)項(xiàng)目量身定制的定制參數(shù)進(jìn)行專門和單獨(dú)設(shè)計(jì)。

也許最近發(fā)明的人造肌肉可能有助于開發(fā)更好的假肢。

在所有情況下，我希望你能從機(jī)械和控制的角度發(fā)現(xiàn)所有那些冗長(zhǎng)的故事，還有你的身體……