Всегда было интересно поиграться с программируемым роботом, но на изучение схемотехники не было ни ресурсов ни желания. Поэтому, когда я наткнулся на набор для сборки робота-квадропода, я его сразу купил. Вся аппаратная часть в нем была уже сделана.
Иногда, вольные эксперименты в какой то области могут принести неожиданный и занятный результат. Предположить, что в итоге получится кот, да еще и танцующий — я никак не мог.
Робот Ползающий
На сборку набора ушло чуть больше часа и путь к эспериментам стал открыт.
Малыш получился весьма забавный. Демо программа привела в восторг не только супругу, детей, котов, но и меня. В комплекте было приложение для визуального программирования a la Scratch, с помощью которого можно было заставить его ходить, поворачиваться, делать наклоны и много чего еще.
Как-то случайно получилось так, что я расправил лапы квадроподу и повернул его пузом к себе. Глаза дальномера довершили картину — получился человекоподобный робот. Пути назад не было.
Робот Прямостоящий
Решение для ступней нашлось через пару дней. Хотелось сделать неразрушающую и одновременно разбираемую модификацию. Элементы системы выравнивания плитки я решил использовать сразу. Не сразу только придумал как. Лапы конусообразные — любые попытки расклинить их не увенчались успехом — было ненадежно — выдавливались. В итоге, воспользовался тем, что они полые — в стенках СВП просверлил отверстия и продел сквозь них и сквозь лапу обычную скрепку, закрутив по концам.
Квадропод эволюционировал до прямоходящего робота — стал уверенно стоять на ногах.
Робот Развивающийся
С Arduino до этого никогда не сталкивался, поэтому решил пойти по “простому” пути: посмотреть как оно сделано в приложении с блоками и сделать по аналогии.
Это оказалось возможным — приложение было на Electron с открытыми js файлами. Покопавшись, я примерно понял как управлять сервоприводами, чего для начала было достаточно. Внутрь приложения можно было и не лазить — в нем самом сделана кнопка, которая показывает сгенерированный код. Позже таки пришлось заглянуть в мануал, чтоб разобраться как отправлять данные в порт, чтоб получить аналог console.log.
Сначала я захотел научить робота ходить. Реальность внесла свои корректировки. С двумя сервоприводами на ногу сделать точное и устойчивое перемещение вперед — непростая задача. Сделать поворот на точный угол — уже, прям скажем, сложная. Тут уже ногами из СВП не обойдешься. Это стало выходить за рамки развлечения.
Наблюдая за весельем детей под танцы из Just Dance, я подумал — а может научить робота танцевать?
Робот Танцующий
Итак, танец. Движения в ритм музыки. Приступим.
Для начала, надо разобраться со временем. Чтоб попадать в такт, нам нужно научиться двигать конечностями с нужной скоростью. Для управления сервоприводами используется библиотека VarSpeedServo, которая позволяет указать и угол и скорость. Однако, скорость тут — величина абстрактная. Нужно привязать ее к конкретной величине.
Экспериментальным путем была выявлена константа, которую я назвал anglePerSecondPerSpeedUnit — угол, на который изменится положение сервопривода, на единицу абстрактной скорости за 1 секунду.
Примерно прикинув, как я буду описывать движения, пришел к выводу, что мне нужна функция, которая подвинет сервопривод на определенный угол за заданное количество миллисекунд.
Позже, я изменил интерфейс для большего удобства — функция принимает в качестве параметра целевое положение — то, где сервопривод должен оказаться. Сама определяет разницу от текущего положения и перемещает сервопривод куда надо за нужное время. Когда программируешь танец, хочется не думать, где рука, плечо, голень были — хочется сказать в какое положение они должный прийти и за какое время.
void _moveByTime(int index, int a, int timeMs) { int diff = a * _getDirection(index); int newAngle = _init[index] + diff; int length = abs(_state[index] - newAngle); int absSpeed = length * 1000 / timeMs; int speed = absSpeed / _anglePerSecondPerSpeedUnit; VarSpeedServo servo = _getServo(index); servo.slowmove(newAngle, speed > 255 ? 255 : speed); _state[index] = newAngle; }Код примитивный — что тут может пойти не так? Однако, я сразу попал на дебаг. На маленьких углах функция работала идеально, а на больших — сервопривод дрыгался непредсказуемо. Сперва я подумал, что зависимость реальной скорости к параметру — нелинейная. Однако пара тестов показала, что это не так.
Решение нашел через час. И знаете что я вам скажу…
Мой основной рабочий инструмент — Typescript, но это не то же самое. Когда много лет занимаешься разработкой на языках высокого уровня, забываешь о том, сколько слоев абстракций лежит под ними, и что там в самом низу.
Работающий код от неработающего отделяло только (long):
int absSpeed = (long)length * 1000 / timeMs;Остается только добавить историю про Линуса Торвальдса, джина и три желания.
Следующим сюрпризом стала длительность такта выбранной музыкальной композиции. Я подбирал ее экспериментально — замеряя секундомером длительность большого количества тактов. Потом подгонял, сверяя попадание простых движений в такт. Результат меня удивил.
Обычно, для указания темпа используют понятную абсолютную целую величину — долю минуты — bpm — beat per minute. Также, в нотах к примеру, задают таким же способом длительность четверти (1/4 такта при размере 4/4). По замерам на большом интервале, длительность такта в этой композиции в версии Just Dance составила 1020 миллисекунд. Если пересчитать по тактам, получится 58,82 такта в минуту, если по четвертям — 235,29 bpm. Такие значения никак не вписываются в рамки здравого смысла. Рядовые синтезаторы даже не смогут выдать темп с такой частотой.
Но. Давайте разделим 1020 на четверти. Четверть такта в этой композиции в интерпретации Just Dance длится 255 миллисекунд. В оригинальном треке длительность такта немного другая. Разработчики Ubisoft сделали забавную пасхалку.
Разбор танца на движения и программирование робота было рядовой технической задачей. Хочу только отметить, что научить человека (себя или кого-нибудь другого) нужным движениям сильно проще, чем механизм. Когда человек чувствует ритм — большую часть работы он делает сам — достаточно лишь показать. Механизму нужны предельно точные инструкции относительно того, когда начинать движение и за какое время его надо выполнить.
Я решил не пытаться делать движения так, чтобы робот сохранял равновесие и пошел простым путем: пол метра ВВГ 2х6 и хомут — решили вопрос устойчивости.
Робот — кот
Идея придать роботу приятный внешний вид была очевидной. Стабилизатор сразу был признан хвостом, ну а дальше вариантов уже не было — тема котов у нас доминирует не только в младшем поколении, но и в старшем.
Проведя эксперименты с полосками бумаги, стало понятно, что при такой конструкции суставов, нужен большой запас ткани с внешней стороны сгиба. Ткань с внутренней наоборот — будет собираться в складки. Запас то еще можно пережить, а вот складки могут мешать самому механизму. Ткань, которая может растягиваться, сначала показалась хорошей идеей. Однако до практики не дошло: смущала мысль, что она обтянет суставы и кот выйдет угловатым.
Решение подкинула супруга, сказав — “Давай, я его свяжу!”. И да, такой вариант подходил идеально: толстая пряжа не даст проступить каркасу, в тоже время — вязанная ткань будет хорошо тянуться и сжиматься.
Я, конечно, не смог остаться в стороне. Кривоватые ноги-валенки и руки-клешни — моих рук дело.
В красном каркасе-основе обнаружилось два отверстия, которые оказались очень кстати для того, чтобы закрепить пластиковый уголок, на котором будет держатся голова.
Далее нужно было набить живот и обвязать все части в единую конструкцию. Сложностей это не доставило.
Усы я сделал, зачистив витую пару. Добавить раскраску, по образу и подобию одного из домашних и пару мелких деталей мне тоже помогла супруга.
Вот такой получился зверь:
Ура! Все готово.
Но нет.
Как это нередко бывает, добавление сложной новой фичи привело к тому, что перестала работать одна из старых.
Которобот
Которобот вышел хорошим, а вот танцевал он совсем плохо. В разные моменты вдруг стала происходить перезагрузка: конечности резко дергались и которобот возвращался к начальному состоянию. Такое могло происходить как ближе к концу танца, так и в самом начале.
После дебага стало понятно, что причиной такого поведения является ограниченная подвижность конечностей, которые теперь окружены связанной тканью.
Идея вязанной кожи себя полностью оправдала — такая кожа тянется, на ней нет пузырей, в складки не собирается, угловатые детали через нее не проступают. Однако она сама по себе — толстая, что в крайних положениях все-таки приводило к тому, что она мешала движению. Этот момент я сразу не учел.
Второй момент, который пришлось решать постфактум — плотность обвязки деталей между собой. Рук это не касалось, а вот ноги мной были обвязаны так, что которобот не только на шпагат не мог сесть, но даже небольшие движения ногой в сторону давались ему с трудом.
Оба момента я решил программно: уменьшил углы отклонений конечностей, при которых появлялось излишнее усилие. Случайность по времени появления перезагрузки, возможно, объясняется степенью заряда аккумулятора: пока он свежий — серво хватает бодрости или дожать или пережить сложный момент, а когда напряжение аккумулятора падает — в этих ситуациях происходит сброс.
В полевых испытаениях “выяснился” еще и тот факт, что вязанная ткань плохо скользит по шершавым поверхностям. Движение ног, при имеющейся конфигурации — это скольжение. На поверхностях, где оно плохое, движения ног которобота крайне скудны.
В целом, хоть и не идеально, результат был достигнут. Время оценить отчетный танец.
Что дальше
Есть идея про начальное обучение программированию детей. Сейчас оно, зачастую, представлено задачами на управление роботом на экране. Если двигаться будет не нарисованный, а реальный робот — это будет гораздо интересней. Интерактивность привлекает. Тем более, что с реальным роботом и спектр задач может быть гораздо шире. Можно сделать конструкцию, которая позволит включить в обучение состязательный момент. Это мощный мотиватор, который работает не только для детей.
Есть идея про робота танцора, который сможет танцевать под любой трек. Технически, “послушать” музыку, выделить пики в низких частотах, подобрать движения из подготовленного набора, подстроить скорость — возможно. Такой робот уже мог бы украсить не только детскую вечеринку, но и взрослую.
Схемотехника и механика — обширные области. Для того, чтобы хорошо реализовать какую либо из этих идей, надо в них плотно погрузиться. Моя основная квалификация и сфера интересов — программная часть. Маловероятно, что когда-нибудь появится время плотно погрузится в новую сферу. Но если вы решите реализовать одну из этих идей — я с удовольствием или помогу или возьму на себя целиком код.
ссылка на оригинал статьи https://habr.com/ru/articles/895382/
Добавить комментарий