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 экспериментам 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 испытаниях «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 да��ьше
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.
