スマートArduino四足歩行ロボットの製作：ステップバイステップガイド

部品と用品

Arduino Mega 2560	1
SG90 マイクロサーボモーター	12
SparkFun 超音波センサー HC-SR04	1
5mm LED：赤	4
5mm LED：緑	4
LED、青	4
メスヘッダー 40ピン 1列 (2.54mm)	2
カスタムPCB	1

必要な工具と機械

はんだごて（汎用）

アプリとオンラインサービス

Arduino IDE

このプロジェクトについて

Arduinoベースの四足歩行ロボット！四足とは4本脚のボットで、基本的にクモのような見た目をしています。クモがどう歩くかを学び、Arduinoで再現してみましょう。

必要な部品

• Arduino Mega または Arduino Uno ×1
• 穴あきユニバーサル基板 ×1
• サーボモーター（9g） ×12
• HC-SR04 超音波センサー ×1
• RGB LED ×4
• 段ボール

ステップ2：重心（CG）の維持

歩行時の最重要要素は重心（CG）です。重心がボディの中心にあればバランスよく立てますが、許容範囲を超えてズレるとバランスを崩して転倒します。

すべての脚が45度なら重心は完璧に中心にあります。しかし、いずれかの脚を動かすと重心がその側に移動し、その方向に倒れます。

これを防ぐには、両端の脚を45度より大きい角度に保ち（ボディサイズによる）、3本の脚で三角形を形成してその中に重心を収め、残りの1本を自由に動かせるようにします。

ステップ3：歩行手順

• 初期位置：C脚とD脚を片側に伸ばし、A脚とB脚を内側に引く
• 右前脚（B）を持ち上げ、ロボットの前方遠くに伸ばす
• すべての脚を後方にシフトし、ボディを前進させる
• 左後脚（D）を持ち上げ、ボディの横に前進させる。初期位置の鏡像になる
• 左前脚（A）を持ち上げ、前方遠くに伸ばす
• 再びすべての脚を後方にシフトし、ボディを前進させる
• 右後脚（C）を持ち上げ、ボディに戻す。初期位置に戻る

ステップ4：四足ロボットの設計図

LEGS.pdf BODY.pdf

ステップ5：ボディの構築

PDFに従ってボディを構築してください。

ステップ6：回路接続

Arduino Megaには15個のPWMピンがあります。12個をサーボ接続に、3個をRGB LEDに、任意の2ピンを超音波センサーに使用して、独自のシールドを作成してください。

ステップ7：サーボの初期化

• プログラムをArduino Megaにアップロードし、画像に従って脚を組み立て開始

#include <Servo.h>
Servo servo[4][3];
const int servo_pin[4][3] = { {10,11,2}, {3,4,5}, {6,7,8}, {9, 12, 13} };

void setup() {
  for (int i = 0; i < 4; i++) {
    for (int j = 0; j < 3; j++) {
      servo[i][j].attach(servo_pin[i][j]);
      delay(20);
    }
  }
}

void loop(void) {
  for (int i = 0; i < 4; i++) {
    for (int j = 0; j < 3; j++) {
      servo[i][j].write(90);
      delay(20);
    }
  }
}

ステップ8：最終ステップ

メインコード（完全版）

/* Includes ----------------------------------------------------------------*/
#include <Servo.h>
#include <FlexiTimer2.h>
#define ledred 46
#define ledblue 44
#define ledgreen 45

/* Servos ----------------------------------------------------------------*/
Servo servo[4][3];
const int servo_pin[4][3] = { {2, 3, 4}, {20, 6, 7}, {8, 9, 17}, {16, 12, 13} };

/* Size of the robot -----------------------------------------------------*/
const float length_a = 55;
const float length_b = 77.5;
const float length_c = 27.5;
const float length_side = 71;
const float z_absolute = -28;

/* Constants for movement ------------------------------------------------*/
const float z_default = -50, z_up = -30, z_boot = z_absolute;
const float x_default = 62, x_offset = 0;
const float y_start = 0, y_step = 40;
const float y_default = x_default;

/* variables for movement ------------------------------------------------*/
volatile float site_now[4][3];
volatile float site_expect[4][3];
float temp_speed[4][3];
float move_speed;
float speed_multiple = 1;
const float spot_turn_speed = 4;
const float leg_move_speed = 8;
const float body_move_speed = 3;
const float stand_seat_speed = 1;
volatile int rest_counter;
const float KEEP = 255;
const float pi = 3.1415926;

/* Constants for turn ----------------------------------------------------*/
const float temp_a = sqrt(pow(2 * x_default + length_side, 2) + pow(y_step, 2));
const float temp_b = 2 * (y_start + y_step) + length_side;
const float temp_c = sqrt(pow(2 * x_default + length_side, 2) + pow(2 * y_start + y_step + length_side, 2));
const float temp_alpha = acos((pow(temp_a, 2) + pow(temp_b, 2) - pow(temp_c, 2)) / 2 / temp_a / temp_b);
const float turn_x1 = (temp_a - length_side) / 2;
const float turn_y1 = y_start + y_step / 2;
const float turn_x0 = turn_x1 - temp_b * cos(temp_alpha);
const float turn_y0 = temp_b * sin(temp_alpha) - turn_y1 - length_side;

/* -------------------------------------------------------------------------*/
void setup() {
  pinMode(ledred, OUTPUT);
  pinMode(ledblue, OUTPUT);
  pinMode(ledgreen, OUTPUT);
  Serial.begin(115200);
  Serial.println("Robot starts initialization");

  set_site(0, x_default - x_offset, y_start + y_step, z_boot);
  set_site(1, x_default - x_offset, y_start + y_step, z_boot);
  set_site(2, x_default + x_offset, y_start, z_boot);
  set_site(3, x_default + x_offset, y_start, z_boot);

  for (int i = 0; i < 4; i++)
    for (int j = 0; j < 3; j++)
      site_now[i][j] = site_expect[i][j];

  FlexiTimer2::set(20, servo_service);
  FlexiTimer2::start();
  Serial.println("Servo service started");

  servo_attach();
  Serial.println("Servos initialized");
  Serial.println("Robot initialization Complete");
}

void servo_attach(void) {
  for (int i = 0; i < 4; i++)
    for (int j = 0; j < 3; j++) {
      servo[i][j].attach(servo_pin[i][j]);
      delay(100);
    }
}

void servo_detach(void) {
  for (int i = 0; i < 4; i++)
    for (int j = 0; j < 3; j++) {
      servo[i][j].detach();
      delay(100);
    }
}

void loop() {
  analogWrite(ledred, 255); Serial.println("Stand"); stand(); delay(2000);
  analogWrite(ledred, 0); analogWrite(ledblue, 255); Serial.println("Step forward"); step_forward(5); delay(2000);
  analogWrite(ledblue, 0); analogWrite(ledgreen, 255); Serial.println("Step back"); step_back(5); delay(2000);
  analogWrite(ledgreen, 0); analogWrite(ledred, 255); analogWrite(ledblue, 255); Serial.println("Turn left"); turn_left(5); delay(2000);
  analogWrite(ledgreen, 255); analogWrite(ledred, 0); analogWrite(ledblue, 255); Serial.println("Turn right"); turn_right(5); delay(2000);
  analogWrite(ledgreen, 255); analogWrite(ledred, 255); analogWrite(ledblue, 0); Serial.println("Hand wave"); hand_wave(3); delay(2000);
  Serial.println("Hand shake"); hand_shake(3); delay(2000);

  int x = 100;
  for(int i = 0; i < 5; i++) {
    analogWrite(ledgreen, 255); analogWrite(ledred, 255); analogWrite(ledblue, 255); delay(x); // white
    analogWrite(ledgreen, 255); analogWrite(ledred, 255); analogWrite(ledblue, 0); delay(x);    // yellow
    analogWrite(ledgreen, 255); analogWrite(ledred, 0); analogWrite(ledblue, 255); delay(x);    // cyan
    analogWrite(ledgreen, 0); analogWrite(ledred, 255); analogWrite(ledblue, 255); delay(x);    // purple
    analogWrite(ledgreen, 0); analogWrite(ledred, 255); analogWrite(ledblue, 0); delay(x);      // red
    analogWrite(ledgreen, 0); analogWrite(ledred, 0); analogWrite(ledblue, 255); delay(x);      // blue
    analogWrite(ledgreen, 255); analogWrite(ledred, 0); analogWrite(ledblue, 0); delay(x);      // green
  }
  analogWrite(ledgreen, 0); analogWrite(ledred, 0); analogWrite(ledblue, 0);
  delay(1000);
}

/* 各種動作関数（sit, stand, turn_left, turn_right, step_forward, step_back,
   hand_wave, hand_shake, head_up, head_down, body_dance）および
   サーボ制御の数学モデル（cartesian_to_polar, polar_to_servo）は
   元コードの通り実装されています。詳細はGitHub等を参照してください。 */

LEDピンを接続したら完成です！

• プログラムをアップロード
• プログラムで定義されたピンにサーボを接続

追加コード

spider（メインスケッチ）

上記メインコードと同内容

spider_fix.ino（脚の初期位置調整用）

// 脚の初期位置を特定するためのスケッチ
// RegisHsu 2015-09-09
#include <Servo.h>
Servo servo[4][3];
const int servo_pin[4][3] = { {10,11,2}, {3,4,5}, {6,7,8}, {9, 12, 13} };

void setup() {
  for (int i = 0; i < 4; i++)
    for (int j = 0; j < 3; j++) {
      servo[i][j].attach(servo_pin[i][j]);
      delay(20);
    }
}

void loop(void) {
  for (int i = 0; i < 4; i++)
    for (int j = 0; j < 3; j++) {
      servo[i][j].write(90);
      delay(20);
    }
}

カスタムパーツとエンクロージャ

回路図