Construire un robot araignée quadrupède Arduino – Tutoriel étape par étape

Composants et fournitures

Composant	Quantité
Arduino Nano R3	1
Module Bluetooth Low Energy (BLE) générique	1
Extension OLED Onion Corporation	1
LED RVB diffuse cathode commune	1
PCB personnalisé JLCPCB	1
12 servomoteurs (3 par patte)	12
Module Bluetooth HC-06	1
Écran OLED	1
LEDs RVB 5 mm	1
Connecteurs header	Plusieurs
Pièces du corps du robot (impression 3D)	1 jeu

À propos de ce projet

Salut tout le monde ! Voici un nouveau tutoriel pour vous guider pas à pas dans la réalisation de ce type de projets électroniques impressionnants : le « robot rampant », aussi appelé « robot araignée » ou « robot quadrupède ».

Face à l'évolution rapide de la robotique, nous avons décidé de vous emmener à un niveau supérieur. Nous avons commencé par des projets de base comme le robot suiveur de ligne PICTO92 pour vous familiariser avec l'électronique et vous permettre d'inventer vos propres projets.

Ce robot quadrupède est conceptuellement simple mais devient complexe dans sa programmation. Comme ces gadgets sont coûteux dans le commerce, nous fournissons ce guide étape par étape pour vous aider à construire votre propre Spiderbot.

Le projet est grandement facilité par le PCB personnalisé commandé chez JLCPCB, qui améliore l'esthétique du robot. Toute la documentation et les codes nécessaires sont fournis pour créer votre robot rampant facilement.

Nous avons réalisé ce projet en seulement 7 jours : 2 jours pour le matériel et l'assemblage, puis 5 jours pour le code et l'application Android de contrôle via Bluetooth.

Ce que vous apprendrez

• Sélectionner les bons composants selon les fonctionnalités du projet
• Réaliser le circuit pour connecter tous les composants choisis
• Assembler toutes les parties du projet
• Calibrer l'équilibre du robot
• Utiliser l'application Android pour connecter via Bluetooth et contrôler le système

Étape 1 : Qu'est-ce qu'un « robot araignée » ?

Comme son nom l'indique, notre robot reproduit les mouvements d'une araignée, mais avec quatre pattes au lieu de huit. On l'appelle aussi quadrupède car il se déplace sur quatre pattes. Le mouvement de chaque patte est coordonné avec les autres pour déterminer la position du corps et contrôler l'équilibre.

Les robots à pattes gèrent mieux les terrains accidentés que leurs homologues à roues et se déplacent de manière plus animale. Cependant, ils sont plus complexes, moins accessibles et plus coûteux à cause des servomoteurs ou moteurs pas-à-pas, bien plus chers que les moteurs CC utilisés dans les robots à roues.

Avantages

On trouve beaucoup de quadrupèdes dans la nature car quatre pattes offrent une stabilité passive : la capacité de rester debout sans ajuster activement sa position. C'est aussi vrai pour les robots. Un robot à quatre pattes est moins cher et plus simple qu'un robot à plus de pattes, tout en assurant la stabilité.

Étape 2 : Les servomoteurs, actionneurs principaux

Un servomoteur est un actionneur rotatif ou linéaire permettant un contrôle précis de la position angulaire ou linéaire, de la vitesse et de l'accélération. Il comprend un moteur couplé à un capteur de position pour la rétroaction, et nécessite un contrôleur sophistiqué, souvent un module dédié.

Le signal de contrôle est généralement une onde carrée (44 Hz, 50 Hz ou 400 Hz). La largeur d'impulsion positive détermine la position : ~0,5 ms pour la déviation maximale à gauche (45-90°), ~2,5-3 ms pour la droite, ~1,5 ms pour la position neutre (0°).

Étape 3 : Fabrication du PCB (par JLCPCB)

À propos de JLCPCB

JLCPCB (Shenzhen JIALICHUANG Electronic Technology Development Co., Ltd.) est la plus grande entreprise de prototypes PCB en Chine, spécialisée dans le prototypage rapide et la production de petites séries. Avec plus de 10 ans d'expérience, ils comptent plus de 200 000 clients et traitent plus de 8 000 commandes par jour. Capacité annuelle : 200 000 m² pour PCB 1 à plusieurs couches.

Retour à notre projet

Après comparaison des prix, JLCPCB s'est imposé comme le meilleur fournisseur : PCB de qualité au prix le plus bas. Il suffit d'uploader le fichier Gerber, définir l'épaisseur, la couleur et la quantité, puis payer seulement 2 $ pour recevoir les PCB en 5 jours.

Le schéma montre l'utilisation d'un Arduino Nano pour contrôler l'ensemble, avec un design de PCB en forme d'araignée. Les PCB reçus sont parfaitement fabriqués, avec la forme d'araignée conçue et tous les labels/logos pour guider le soudage.

Vous pouvez télécharger le fichier Gerber pour commander le même design.

Étape 4 : Liste des composants

Pour ce projet, nous utilisons un Arduino Nano pour piloter les 12 servomoteurs (3 par patte), un écran OLED pour afficher des visages « Cozmo » et un module Bluetooth pour le contrôle via application Android.

Étape 5 : Assemblage du robot

Une fois le PCB prêt et les composants soudés, l'assemblage du corps commence. Chaque patte nécessite deux servomoteurs pour les articulations et les pièces imprimées 3D : Coxa, Femur, Tibia et une petite pièce de fixation.

1. Placez le premier servomoteur dans son logement et fixez-le avec ses vis.
2. Tournez l'axe du servo à 180° sans mettre la vis de fixation, puis passez au Femur pour le connecter au Tibia via l'axe du premier servo et la pièce de fixation.
3. Placez le second servo (deuxième articulation) pour maintenir la troisième partie de la patte (Coxa).
4. Répétez pour les 4 pattes.
5. Prenez le châssis supérieur, placez les servos restants dans leurs logements et connectez chaque patte au servo approprié.
6. Placez le circuit imprimé dans le châssis inférieur.

Les fichiers STL pour les pièces du corps sont disponibles en téléchargement.

Étape 6 : L'application Android

L'application permet de :

• Connecter le robot via Bluetooth
• Contrôler les mouvements avant/arrière et les rotations gauche/droite
• Changer la couleur des LEDs en temps réel via une roue chromatique

L'application est téléchargeable gratuitement.

Étape 7 : Code Arduino et validation

Avant de lancer le robot, il faut configurer les angles des articulations :

1. Téléversez le code de calibration pour positionner chaque servo à 90° (connectez la batterie 7V CC).
2. Téléversez le programme principal pour le contrôle via l'application Android.

Les deux programmes sont téléchargeables via les liens fournis. Après téléversement, l'écran OLED affiche les expressions « Cozmo » programmées. Le robot répond correctement aux commandes du smartphone, avec encore des améliorations possibles.

Code principal

/************************************************************************************************************************************************************************ 
 * Auteur : BELKHIR Mohamed 
 * Profession : Ingénieur Électricien, propriétaire de MEGA DAS 
 * But principal : Application Industrielle 
 * Copyright (c) : Tous droits réservés 
 * Licence : BSD 2-Clause License 
 * Date : 20/04/2017 
 ***********************************************************************************************************************************************************************/

#include <Servo.h>
#include <FlexiTimer2.h>
#include <Wire.h>
#include <Adafruit_SSD1306.h>
#include <Adafruit_GFX.h>

#define OLED_ADDR 0x3C
Adafruit_SSD1306 display(-1);

Servo servo[4][3];
const int servo_pin[4][3] = { {11, 12, 13}, {2, 4, 7}, {14, 15, 16}, {8, 9, 10} };

const float length_a = 50;
const float length_b = 77.1;
const float length_c = 27.5;
const float length_side = 71;
const float z_absolute = -28;

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;

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;

// ... (suite du code complet avec toutes les fonctions de mouvement, conversion cartésien/polaire, contrôle servos, animations OLED)

Pièces personnalisées et boîtiers

Fichiers STL pour l'impression 3D des pièces du corps du robot.

Schémas

Schéma de câblage et disposition des composants sur le PCB.