打造Kinect控制的Delta机器人：从硬件搭建到软件模拟

### 打造Kinect控制的Delta机器人：从硬件搭建到软件模拟 #### 1. 引言 在科技的浪潮中，机器人技术愈发引人瞩目。今天，我们将一同深入探索如何打造一款由Kinect控制的Delta机器人。从硬件的各个组件搭建，到电路的连接，再到软件的模拟与控制，每一个环节都充满了挑战与乐趣。 #### 2. 硬件搭建 ##### 2.1 基座的制作 - **材料选择**：基座主要用于固定伺服电机，并将整个机器人连接到作为支撑的悬臂木板上。我们可以选用有机玻璃（Perspex）来制作基座，当然，其他刚性材料也能胜任。若采用激光切割的方式，能得到形状精准、孔洞规整的基座。你可以通过在线服务，将矢量文件（如dwg、ai或pdf）发送过去，他们会将成品寄给你；若没有条件，也可以从相关网站获取文件，用手术刀进行切割。 - **形状设计**：基座呈三角形，边长为440mm。每条边的中点对应腿部的轴。为了让大腿能在基座平面上方抬起，需要在每条边上减去一个矩形。同时，为了节省材料并缩小基座尺寸，还会将三角形的顶点切掉。 - **组装步骤**：切割好基座后，将伺服电机用螺丝固定在L型支架上，特别要注意电机与边框的固定距离需保持一致。接着，把装有电机的支架固定到基座上。 ```mermaid graph LR A[选择材料] --> B[确定形状] B --> C[切割基座] C --> D[固定电机到支架] D --> E[固定支架到基座] ``` ##### 2.2 执行器的构建 - **材料与形状**：执行器是一个边长为135mm的三角形有机玻璃部件，它与基座平面平行移动，铝棒会连接到这个部件上。 - **组装过程**：首先，将小方条固定到三角形上，在三角形的中线上绘制一系列孔洞，并画出一个矩形区域用于安装抓取器的新伺服电机，同时不要忘记绘制固定伺服电机的孔洞。切割好部件后，在方条上钻出与执行器匹配的小孔。方条要伸出三角形，以便有足够空间连接腿部。在固定方条之前，在其一端钻出一个能让M6杆穿过的孔。完成钻孔后，将方条固定到有机玻璃部件上，形成执行器，然后将其与腿部连接，连接方式与大腿和小腿的连接方式相同。 |步骤|操作内容| |----|----| |1|固定小方条到三角形| |2|绘制孔洞和矩形区域| |3|切割部件| |4|在方条上钻孔| |5|固定方条到执行器| |6|连接执行器与腿部| ##### 2.3 抓取器的组装 - **设计来源与改进**：抓取器用于机器人抓取物体，它是一个简单的机构，仅需一个伺服电机就能实现开合。我们所使用的抓取器是对http://jjshortcut.wordpress.com和http://www.diniro.net上设计的改进版本，根据材料厚度、特定伺服电机和执行器尺寸进行了调整，并添加了圆形底座。 - **组装步骤**：先将第一个齿轮与伺服电机的舵角组装在一起，再将第一个伺服电机安装到较大的部件上，然后使用螺栓、尼龙螺母或双螺母继续组装其余部件。组装完成后，用手测试其运动是否顺畅，拧紧所有螺栓，但不要过度拧紧。为了增加抓取的稳定性，可以添加橡胶粘合剂。最后，将抓取器连接到执行器上，调整舵角，固定到伺服电机上，并安装圆形底座。为了减少振动，可以在两侧使用小型L型支架。 ```mermaid graph LR A[组装齿轮与舵角] --> B[安装第一个伺服电机] B --> C[组装其余部件] C --> D[测试运动] D --> E[添加橡胶粘合剂] E --> F[连接抓取器到执行器] F --> G[调整舵角并固定] G --> H[安装圆形底座] H --> I[添加L型支架减少振动] ``` ##### 2.4 机器人的悬挂 - **支撑选择**：使用中密度纤维板（MDF），将其切割成与机器人基座相同的形状，通过悬臂的方式悬挂机器人。这样做是为了确保腿部能够在基座平面上方自由移动，如果直接将机器人固定在平面上，腿部的活动会受到严重限制。 - **安装步骤**：在MDF板上标记孔洞，用长螺丝将其固定到基座上。组装完成后，将机器人用夹子固定在木材搁板上作为平台，并测量好高度。可以使用普通桌子作为工作平面，将Kinect放置在工作平面下方合适的位置，既能检测到你的动作，又能与机器人保持安全距离。 #### 3. 电路连接 ##### 3.1 电路元件 电路包含五个伺服电机（三个用于腿部，两个用于抓取器）、两个带电阻的LED、Arduino板和一个外部5V电源。Arduino的引脚9、10、11控制腿部的三个伺服电机，引脚5和6控制抓取器的伺服电机，引脚3控制LED。 ##### 3.2 电路搭建步骤 - **准备电路板**：使用条形板，测量尺寸后，焊接可分离的插头，将其连接到Arduino板上。焊接前要仔细确认条形板背面铜条的方向。为了增加稳定性，可以多焊接一些插头，但关键的是接地和引脚9、10、11、5、6、3。 - **连接伺服电机**：焊接五组三个插头的条形，用于连接伺服电机的母排。将它们放在同一列，间隔三行。每个插头上分别连接电源（红线）、接地（黑线）和信号（黄线），所有伺服电机共享接地和电源，信号引脚独立连接到对应的Arduino引脚。 - **连接LED**：焊接一组两个插头的条形用于连接LED，只共享接地，与之前的列错开。 - **隔离信号**：翻转条形板，用手术刀刮掉不应连接的引脚之间的铜，使用万用表检查连接是否完全断开。 - **连接接地和信号**：将接地连接到Arduino的接地引脚，将每个信号引脚连接到对应的Arduino引脚。 - **连接外部电源**：在条形板的电源和接地处焊接两根电缆，连接到外部电源。可以使用电脑电源，通过“回形针技巧”让其在不连接主板的情况下工作。具体做法是，确保电源关闭并断开连接，找到20/24针连接器，在20针块中找到绿色线，旁边有两根黑色接地线，用一小段线将绿色线与任意一根接地线连接起来，最后用绝缘胶带包裹连接部位。 ```mermaid graph LR A[准备条形板] --> B[焊接插头到Arduino] B --> C[焊接伺服电机插头] C --> D[焊接LED插头] D --> E[隔离信号引脚] E --> F[连接接地和信号] F --> G[连接外部电源] ``` #### 4. 软件模拟 ##### 4.1 逆运动学原理 在机器人运动研究中，逆运动学是一个重要概念。当研究关节式、灵活物体（如Delta机器人）的运动时，通常会遇到两个问题：一是将结构中的所有电机或执行器移动到特定状态时，机器人的最终姿态是什么；二是要达到特定姿态，执行器需要处于什么状态。前者可以通过正向运动学解决，后者则需要逆运动学。对于我们的Delta机器人，我们希望能够将执行器驱动到空间中的特定点，这就涉及到逆运动学。 在二维情况下，计算伺服角度的代码如下： ```java float c = dist(posTemp.x + effectorSize, posTemp. ```