โปรเจค หุ่นยนต์ฮิวแมนนอยด์ Arduino 8 DOF เพื่อการศึกษา

8 DOF Biped Robotic Educational Robot Humanoid Robot Servo Bracket



Humanoid Robot หรือ หุ่นยนต์ฮิวแมนนอยด์ คือ หุ่นยนต์เคลื่อนไหวคล้ายมนุษย์นั้นเอง โดยโครงสร้างของหุ่นยนต์จะถูกออกแบบมาจากร่างกายของมนุษย์ ซึ่งโดยทั่วไป จะมีส่วนประกอบของหัว ลำตัว 2 แขน 2 ขา และอื่นๆ ซึ่งหุ่นยนต์ฮิวแมนนอยด์บางตัวอาจจะมีใบหน้า ที่ประกอบไปด้วยตา และปากอีกด้วย เพื่อให้การออกแบบดูคล้ายมนุษย์มากขึ้น

เราจะเรียกข้อต่อจุดหมุนว่าเป็นองศาอิสระ (Degrees Of Freedom: DOF) หมายถึงมันสามารถที่จะเคลื่อนไหวได้อย่างอิสระภายใต้ระยะจุดหมุนที่หมุนได้ ถ้าเปรียบเทียบกับแขนมนุษย์ที่สามารถยกแขนให้เคลื่อนที่จากตำแหน่งไปสู่ ตำแหน่งหนึ่ง ซึ่งในโปรเจคนี้ เราจะใช้จุดหมุน 8 DOF  ด้วยกัน สำหรับการเคลื่อนไหว 2 ขา ของหุ่นยนต์ จากเอวลงไป เพื่อศึกษาจุดหมุน 8 DOF ของหุ่นยนต์

โปรเจค หุ่นยนต์ฮิวแมนนอยด์ 8 DOF อุปกรณ์ที่ต้องใช้ก็คือ

     1. Large U Bracket  จำนวน 1 ชิ้น

     2. Servo Bracket จำนวน 8 ชิ้น

     3. Long U Bracket จำนวน  2 ชิ้น
     
     4. Short U Bracket จำนวน  4 ชิ้น
      
     5. Big Feet จำนวน 2 ชิ้น

     6. Disc 25T Metal จำนวน 8 ชิ้น

     7. Metal Cup Bearing จำนวน 6 ชิ้น
   
     8. สกรูหัวกลม + น็อตตัวเมีย ขนาด 3 มม. ยาว 10 มม. จำนวน 72 ชิ้น

     9. Arduino UNO R3 - Made in italy จำนวน 1 ชิ้น

    10. Sensor Shield V5.0  จำนวน 1 ชิ้น

     
    13. รางถ่านแบบ 18650 ใส่ถ่าน 2 ก้อน

    14. แบตเตอรี่ลิเธียม 18650 จำนวน 2 ก้อน


เริ่มต้นโดย นำ Large U Brackets ซึ่งเปรียบเสมือน ลำตัวส่วนเอว ของหุ่นยนต์ ประกอบเข้ากับ Servo Bracket ซึ่งเปรียบเสมือน ต้นขาขวา ของหุ่นยนต์ โดย สกรูหัวกลม + น็อตตัวเมีย ขนาด 3 มม. ยาว 10 มม.



ประกอบ เซอร์โวมอเตอร์ MG996R เข้ากับ  Servo Bracket ตัวที่ 1



ประกอบ บอร์ด Sensor Shield V5.0 เข้ากับ บอร์ด Arduino UNO R3

รายละเอียดเพิ่มเติม  : https://robotsiam.blogspot.com/2016/09/arduino-sensor-shield-v50.html



เราจะเซตค่าองศาของ เซอร์โวมอเตอร์ ก่อนที่จะประกอบขั้นตอนต่อไปทุกๆตัว  ซึ่งการตั้งองศา ขึ้นอยู่กับความเหมาะสมของหุ่นยนต์  การออกแบบ และ การเขียนโปรแกรมคอมพิวเตอร์ควบคุมซึ่งต้อง สัมพันธ์กัน

ซึ่งในที่นี้ องศาที่่เราจะตั้ง เป็น 90 องศา  ขั้นตอนคือ ต่อสาย เซอร์โวมอเตอร์ MG996R เข้ากับ บอร์ด Sensor Shield V5.0 สายสีส้มเข้าที่ ขา 5 สายสีแดง เข้าที่ ขา V และ สายสีน้ำตาล เข้าที่ ขา G



เปิดโปรแกรม Arduino (IDE) และ Upload โค้ดนี้ ไปยัง บอร์ด Arduino UNO R3


#include <Servo.h>

Servo myservo;  //ประกาศตัวแปร myservo เรียกใช้งานคำสั่งจาก Library

void setup()

{

  myservo.attach(5); //ให้ Digital Pin 5 เป็นขาของ Servo


  myservo.write(90);  //หมุน 90 องศา
  delay(1000);
  myservo.write(45); //หมุน 45 องศา
  delay(1000);
  myservo.write(90);  //หมุน 90 องศา
  delay(1000);
  myservo.write(135); //หมุน 135 องศา
  delay(1000);
  myservo.write(90);  //หมุน 90 องศา
  delay(1000);

}

void loop()
{

  myservo.write(90);  //หมุน 90 องศา
  delay(1000);

}


เมื่อได้องศาที่ต้องการแล้ว จึงประกอบ 
Disc Metal เข้ากับ เซอร์โวมอเตอร์ MG996R ตัวที่ 1 และนำสกรูสีดำ ที่มาพร้อม ถุงอุปกรณ์เสริม MG996R เข้าที่แกนกลาง




และ นำสกรู จำนวน 4 ตัว ที่มาพร้อมกับ Disc Metal



ยึด  Servo Bracket ตัวที่ 2 เข้ากับ Disc Metal ของ  เซอร์โวมอเตอร์ ตัวที่ 1





นำ Metal Cup ยึด Long U Bracket เข้า กับ Servo Bracket ตัวที่ 2 (ซึ่งจะเป็นข้อต่อจุดหมุน)




ประกอบ เซอร์โวมอเตอร์ MG996R ตัวที่ 2 และ Disc Metal ยึดเข้ากับ Long U Bracket

และเมื่อทดสอบการทำงาน เซอร์โวมอเตอร์ MG996R  กับ บอร์ด Sensor Shield V5.0 สายสีส้มเข้าที่ ขา 5 สายสีแดง เข้าที่ ขา V และ สายสีน้ำตาล เข้าที่ ขา G จะเห็นความเคลื่อนไหว และ กลับมาอยู่ตำแหน่งเดิม คือ 90 องศา




ยึด Servo Bracket ตัวที่ 3 เข้ากับ Long U Bracket





นำ Metal Cup ยึด Short U Bracket ตัวที่ 1 เข้า กับ Servo Bracket ตัวที่ 3





ประกอบ เซอร์โวมอเตอร์ MG996R ตัวที่ 3 และ Disc Metal ยึดเข้ากับ Short U Bracket ตัวที่ 1





ยึด Short U Bracket ตัวที่ 2 เข้ากับ Short U Bracket ตัวที่ 1




ประกอบเท้าของหุ่นยนต์

ยึด Servo Bracket ตัวที่ 4 เข้ากับ Big Feet







นำ Metal Cup ยึด เท้าของหุ่นยนต์ที่ประกอบแล้ว (Servo Bracket ตัวที่ 4) เข้ากับ Short U Bracket ตัวที่ 2 (ด้านล่าง)




ประกอบ เซอร์โวมอเตอร์ MG996R ตัวที่ 4 และ Disc Metal ยึดเข้ากับ Short U Bracket ตัวที่ 2 และ เมื่อยกตั้งขึ้นจะได้ดังรูปด้านล่าง



ประกอบขาด้านซ้ายของหุ่นยนต์ ขั้นตอนคล้ายกับการประกอบขาด้านขวา เพียงแต่ทิศทางของ เซอร์โวมอเตอร์ MG996R จะกลับด้านกัน















เมื่อประกอบสำเร็จ ยืนขึ้น จะได้ หุ่นยนต์ฮิวแมนนอยด์ 8 DOF ตามรูปด้านล่าง


ตัด แผ่นอะคริลิค ขนาด 9  x 11 เซ็นติเมตร จำนวน 2 แผ่น

ด้านหน้ายึด บอร์ด Sensor Shield V5.0 ทีประกอบกับ บอร์ด Arduino UNO R3

ด้านหลัง ยึด รางถ่านแบบ 18650 (2 ก้อน) นำสายสีแดง ขั้วบวก ของรางถ่าน ต่อเข้ากับ VCC และ สายสีดำ ขั้วลบ ต่อเข้ากับ GND ของ บอร์ด Sensor Shield V5.0



ต่อสาย เซอร์โวมอเตอร์ MG996R ทั้ง 8 ตัวเข้ากับ บอร์ด Sensor Shield V5.0 (G,V,S) ตั้งแต่ ขา 2 ถึง ขา 9 โดยตรวจสอบตำแหน่งการต่อให้ถูกต้อง
  //Servo input pins
  rightAnkle.attach(2); // เท้าขวา
  rightKnee.attach(3);  // เข่าขวา
  rightThigh.attach(4); // ต้นขาขวา
  rightHip.attach(5);  // สะโพกขวา
  leftAnkle.attach(6);  // เท้าซ้าย
  leftKnee.attach(7); // เข่าซ้าย
  leftThigh.attach(8);  // ต้นขาซ้าย
  leftHip.attach(9);  // สะโพกซ้าย




เปิดโปรแกรม Arduino (IDE) และ Upload โค้ดนี้ ไปยัง บอร์ด Arduino UNO R3

เพื่อทดสอบการยืนของหุ่นยนต์

#include <Servo.h>

//Creating Servo Objects
Servo rightAnkle; // เท้าขวา
Servo leftAnkle;  // เท้าซ้าย
Servo rightKnee; // เข่าขวา
Servo leftKnee;   // เข่าซ้าย
Servo rightThigh; // ต้นขาขวา
Servo leftThigh;  // ต้นขาซ้าย
Servo rightHip;  // สะโพกขวา
Servo leftHip;  // สะโพกซ้าย


void setup()
{
  //Servo input pins
  rightAnkle.attach(2); // เท้าขวา
  rightKnee.attach(3);  // เข่าขวา
  rightThigh.attach(4); // ต้นขาขวา
  rightHip.attach(5);  // สะโพกขวา
  leftAnkle.attach(6);  // เท้าซ้าย
  leftKnee.attach(7); // เข่าซ้าย
  leftThigh.attach(8);  // ต้นขาซ้าย
  leftHip.attach(9);  // สะโพกซ้าย

  delay(2000);
  stand();


}

void loop()
{}

int rightAnkPos = 90;
int rightKneePos = 90;
int rightThighPos = 90;
int rightHipPos = 90;
int leftAnkPos = 90;
int leftKneePos = 90;
int leftThighPos = 90;
int leftHipPos = 90;


//ปรับค่าตามความเหมาะสม//

void stand ()
{

  rightAnkle.write(100); // เท้าขวา
  int rightAnkPos = 100;
  rightKnee.write(90);   // เข่าขวา
  int rightKneePos = 90;
  rightThigh.write(100);  // ต้นขาขวา
  int rightThighPos = 100;
  rightHip.write(90);   // สะโพกขวา
  int rightHipPos = 90;
  leftAnkle.write(90);  // เท้าซ้าย
  int leftAnkPos = 90;
  leftKnee.write(90);  // เข่าซ้าย
  int leftKneePos = 90;
  leftThigh.write(80);  // ต้นขาซ้าย
  int leftThighPos = 80;
  leftHip.write(92);  // สะโพกซ้าย
  int leftHipPos = 92;


}

เมื่อหุ่นยนต์ยืนแล้ว ตรวจการยืนของห่นยนต์ว่าเหมาะสมหรือไม่  ถ้าไม่แก้ไขค่าองศา ของเซอร์โวมอเตอร์ MG996R ที่ void stand () 

แล้ว Upload ใหม่ (ทดสอบจนกว่าจะสมบูรณ์)




แก้ไข void stand ()  ของโค้ดนี้ตามที่ได้ค่าจากโคดด้านบน แล้วจึง Upload โค้ดนี้ ไปยัง บอร์ด Arduino UNO R3

#include <Servo.h>

int delayVal = 40;

//Creating Servo Objects
Servo rightAnkle; // เท้าขวา
Servo leftAnkle;  // เท้าซ้าย
Servo rightKnee; // เข่าขวา
Servo leftKnee;   // เข่าซ้าย
Servo rightThigh; // ต้นขาขวา
Servo leftThigh;  // ต้นขาซ้าย
Servo rightHip;  // สะโพกขวา
Servo leftHip;  // สะโพกซ้าย


void setup() {
  //Servo input pins
  rightAnkle.attach(2); // เท้าขวา
  rightKnee.attach(3);  // เข่าขวา
  rightThigh.attach(4); // ต้นขาขวา
  rightHip.attach(5);  // สะโพกขวา
  leftAnkle.attach(6);  // เท้าซ้าย
  leftKnee.attach(7); // เข่าซ้าย
  leftThigh.attach(8);  // ต้นขาซ้าย
  leftHip.attach(9);  // สะโพกซ้าย


  delay(1000);
  stand();
  

}
void loop()
{

stand();
turnLeft();

}


int rightAnkPos = 90;
int rightKneePos = 90;
int rightThighPos = 90;
int rightHipPos = 90;
int leftAnkPos = 90;
int leftKneePos = 90;
int leftThighPos = 90;
int leftHipPos = 90;



//ปรับค่าตามความเหมาะสม//

void stand ()
{

  rightAnkle.write(100); // เท้าขวา
  int rightAnkPos = 100;
  rightKnee.write(90);   // เข่าขวา
  int rightKneePos = 90;
  rightThigh.write(100);  // ต้นขาขวา
  int rightThighPos = 100;
  rightHip.write(90);   // สะโพกขวา
  int rightHipPos = 90;
  leftAnkle.write(90);  // เท้าซ้าย
  int leftAnkPos = 90;
  leftKnee.write(90);  // เข่าซ้าย
  int leftKneePos = 90;
  leftThigh.write(80);  // ต้นขาซ้าย
  int leftThighPos = 80;
  leftHip.write(92);  // สะโพกซ้าย
  int leftHipPos = 92;


}


///////////////LEFT/////////////////////////////////////////


void turnLeft()
{

  for (int i = 0; i < 5; i += 1)
  {
    leftThighPos -= 2;
    leftKneePos += 2;
    leftThigh.write( leftThighPos);
    leftKnee.write(leftKneePos );
    delay(60);
  }

  //Left and Right Ankle Bend Left
  for (int i = 0; i < 5; i += 1)
  {
    leftAnkPos += 3;
    rightAnkPos += 3;
    leftAnkle.write(leftAnkPos);
    rightAnkle.write(rightAnkPos );

    delay(60);
  }

  delay(delayVal);

  //Left Hip Counter ClockWise,

  for (int i = 0; i < 5; i += 1)
  {
    leftHipPos -= 4;
    leftHip.write(leftHipPos);




    delay(60);
  }

  delay(delayVal);

  //Left and Right Ankle back to normal
  for (int i = 0; i < 5; i += 1)
  {
    leftAnkPos -= 3;
    rightAnkPos -= 3;
    leftAnkle.write(leftAnkPos);
    rightAnkle.write(rightAnkPos );

    delay(60);
  }



  //Left and Right Ankle Bend Right Left Hip Straighten
  for (int i = 0; i < 5; i += 1)
  {
    leftAnkPos -= 3;
    rightAnkPos -= 3;
    leftAnkle.write(leftAnkPos);
    rightAnkle.write(rightAnkPos );
    leftHipPos += 4;
    leftHip.write(leftHipPos);
    delay(60);
  }

  delay(delayVal);



  //Right Hip Counter Clockwise
  for (int i = 0; i < 5; i += 1)
  {

    rightHipPos -= 4;

    rightHip.write(rightHipPos);
    leftHipPos += 4;

    leftHip.write(leftHipPos);

    delay(60);
  }

  delay(delayVal);


  //Left and Right Ankle Normal
  for (int i = 0; i < 5; i += 1)
  {
    leftAnkPos += 3;
    rightAnkPos += 3;
    leftAnkle.write(leftAnkPos);
    rightAnkle.write(rightAnkPos );

    delay(60);
  }

  delay(delayVal);

  ///////SECOND TIME///////////////

  //Left and Right Ankle BEND LEFT
  for (int i = 0; i < 5; i += 1)
  {
    leftAnkPos += 3;
    rightAnkPos += 3;
    leftAnkle.write(leftAnkPos);
    rightAnkle.write(rightAnkPos );

    leftThighPos += 2;
    leftKneePos -= 2;
    leftThigh.write( leftThighPos);
    leftKnee.write(leftKneePos );
    delay(60);
  }

  delay(delayVal);



  //LEFT HIP CC
  for (int i = 0; i < 5; i += 1)
  {
    leftHipPos -= 4;
    leftHip.write(leftHipPos);

    rightHipPos += 4;

    rightHip.write(rightHipPos);

    delay(60);
  }

  delay(delayVal);




  //LEFT RIGHT ANKLE NORMAL
  for (int i = 0; i < 5; i += 1)
  {
    leftAnkPos -= 3;
    rightAnkPos -= 3;
    leftAnkle.write(leftAnkPos);
    rightAnkle.write(rightAnkPos );

    delay(60);
  }



  //Left and Right Ankle Bend Right
  for (int i = 0; i < 5; i += 1)
  {
    leftAnkPos -= 3;
    rightAnkPos -= 3;
    leftAnkle.write(leftAnkPos);
    rightAnkle.write(rightAnkPos );



    delay(60);
  }

  delay(delayVal);


  //Right Hip Counter Clockwise
  for (int i = 0; i < 5; i += 1)
  {

    rightHipPos -= 5;

    rightHip.write(rightHipPos);

    leftHipPos += 2;
    leftHip.write(leftHipPos);

    delay(60);
  }


  //LEFT RIGHT ANKLE NORMAL
  for (int i = 0; i < 5; i += 1)
  {
    leftAnkPos += 3;
    rightAnkPos += 3;
    leftAnkle.write(leftAnkPos);
    rightAnkle.write(rightAnkPos );

    delay(60);
  }

  //LEFT RIGHT ANKLE BEND LEFT
  for (int i = 0; i < 5; i += 1)
  {
    leftAnkPos += 3;
    rightAnkPos += 3;
    leftAnkle.write(leftAnkPos);
    rightAnkle.write(rightAnkPos );
    rightHipPos += 5;
    rightHip.write(rightHipPos);
    leftHipPos -= 2;
    leftHip.write(leftHipPos);

    delay(60);
  }


  //LEFT RIGHT ANKLE STRAIGHT
  for (int i = 0; i < 5; i += 1)
  {
    leftAnkPos -= 3;
    rightAnkPos -= 3;
    leftAnkle.write(leftAnkPos);
    rightAnkle.write(rightAnkPos );

    delay(60);
  }
}


ถอดสาย USB ออก แล้ว ใส่ถ่าน  18650 จำนวน 2 ก้อน แล้วลองทดสอบ

วีดีโอผลลัพธ์การทำงานของ โปรเจค หุ่นยนต์ฮิวแมนนอยด์ 8 DOF เพื่อการศึกษา


จากนั้นศึกษา แล้ว พัฒนาต่อเพิ่มเติมนะครับ

แนวคิด การเคลื่อนที่ของหุ่นยนต์

https://www.youtube.com/watch?v=i2Z7ljqDukc

https://www.youtube.com/watch?v=UrNfVP0nlOI