利用MyoWare肌肉感測器自製金鋼狼爪

六月 12, 2015
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讓4吋的爪子在收縮肌肉的瞬間彈出!
我們的願景之一是藉由發表逐步式的教學來啟發更多靈感和想法。為了慶祝我們的第四代肌肉感測器MyoWare,我們為您帶來絕對會為它瘋狂的一組專題教學!

本示範教學中,你可以學到如何用最新的MyoWare肌肉感測器來製作仿生爪。只要收縮前臂肌肉,然後「鏘!」,4吋爪子就瞬間彈出。放鬆前臂即可將爪子收回。我們還加上了由肌肉啟動的鎖定機制,讓爪子在肌肉放鬆時可以維持伸出。


讓我們募資成功的 Kickstarter專案中包含捐贈資助者人數五分之一的感測器給Limbitless Solutions,它是製作並捐贈3D列印的肌電義肢給全世界需要的兒童的非營利組織。MyoWare現在可以在我們的商店購買
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材料

工具

  • 執行Arduino IDE之電腦,IDE免費下載網址: arduino.cc/downloads
  • 3D印表機(非必要),亦可使用3D列印服務;參見第二步。

第一步:列印3D零件

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  • 印製完成的零件可能需要打磨和表面處理,視列印品質而定。

第二步:焊接Arduino排針

  • 將所有材料和工具集中在整潔的工作區。
  • 從直角排針切下6針的長度,再將之焊接到Arduino Pro Mini末端的6孔程式排針。

第三步:連接Y型束線

  • Y型束線讓我們可以同時把Arduino和伺服電纜連接到7.2V電池。
  • 剪下Y型束線的母接頭(保留2個插槽接頭,有它們可以輕鬆連接伺服電纜和電池)
  • 接著將線束拆開並剝線。
  • 把紅線焊接到Arduino的RAW接腳、黑/棕線接到GND接腳、黃/橘線接到數位I/O第3接腳。切除其他多餘的線。
  • 註:如果發現Arduino的燈在伺服機伸出爪子時閃爍,則需要在RAW和GND接腳之間加裝一個大型電容器,或者還需要再於Y型束線正極線和RAW接腳之間加裝一個二極體。若伺服機消耗比電池的供應量更多的電流,就需要電容器。二極體可防止伺服機產生逆向電流。

第四步:測試Y線束接線

  • 在進行下一步之前,先確認Y線束連接正確。
  • 把電池接上Y接線的兩個插槽之一,接著Arduino電源燈應該要亮起。若沒有,則趕快拔除線路,並檢查接線。
  • 接著把電池拔除,並把伺服電池插入另一個插槽。
  • 從GitHub檔案庫下載SweepMod.ino 腳本程式碼,並於Arduino IDE開啟,在裡面點選Tools–>Boards,並確保開發板設定為「Arduino Pro or Pro Mini (5V, 16MHz) w/ATmega328」。
  • 把腳本程式碼上傳到Arduino。(如果對Arduino Pro Mini不熟悉,可以到SparkFun參考他們的 新手教學。)
  • 把Arduino線纜拔除,並把電池接回另一個插槽。現在Arduino應該要開啟,並開始前後移動伺服機。若伺服機沒有動作,則拔除電池並檢查接線。
  • 接著,把電池和伺服機都拔除就可以進行下一步了。

第五步:連接MyoWare肌肉感測器

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  • 測量手腕到手肘的距離,接著剪出等長的伺服電纜,並把兩端剝線。
  • 把伺服電纜的黃線插入肌肉感測器的輸出訊號接腳(SIG)、紅線插入電源(+)接腳、黑線插入接地(-)接腳。請注意,伺服電纜的顏色「並未」對應感測器的接腳順序。
  • 把線纜焊接到肌肉感測器板上,並剪下多餘的線。
  • 可以用3針的 MolexJST或其他類型的接頭,讓感測器可以輕鬆從剩下的部分卸除。

第六步:連接MyoWare感測器和Arduino

  • 因為電池的7.2V輸出對感測器而言太高,我們會使用Arduino的內建5V調節器來為MyoWare供電。
  • 把接到MyoWare的伺服電纜拆開,接著把紅線焊接到Arduino的Vcc接腳、黑線焊接到接地接腳、黃線焊接到類比接腳A3。剪下多餘的線。

第七步:測試MyoWare肌肉感測器

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  • 在上傳新的Arduino程式碼之前,我們要先測試MyoWare,看配置是否正確。
  • 把三個新的電極接到MyoWare感測器。
  • 撕下電極的襯底,並把MyoWare黏到前臂上:
    • 把直接連接MyoWare板的電極之一放在前臂肌肉中間,另一個電極放在肌肉側邊。
    • 放置參考電極的肌肉體不要和其他電極放置的肌肉相鄰。
  • 接上電池並開啟MyoWare感測器(如果還沒開啟)。
    • 此時MyoWare感測器的電源LED燈應該要亮起。如果沒亮,檢查接線並確認電池有電。
    • 第二個LED燈代表輸出訊號。如果這個燈在肌肉放鬆時沒有亮起,請檢查接線和電極位置。
  • 接著,收縮前臂肌肉,確認MyoWare感測器配置正確。
    • 感測器板上的第二個LED燈應該要在收縮肌肉時亮起,並在放鬆時熄滅。如果沒有,檢查接線和電極位置。

第八步:上傳Arduino腳本程式碼

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  • 把5V FDTI編程線接到Arduino和電腦。(請注意,Arduino的這張圖所示為一般的垂直排針,並非我們使用的直腳排針。)
  • 我們的GitHub檔案庫下載BionicClaws.ino 腳本程式碼,並於Arduino IDE開啟,在裡面點選Tools–>Boards,並確保開發板設定為「Arduino Pro or Pro Mini (5V, 16MHz) w/ATmega328」。
  • 上傳腳本程式碼至Arduino。
  • 拔除FDTI線。

第九步:測試電子元件

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  • 在開始最後組裝之前,先確認電子元件都正常運作。
  • 配戴MyoWare感測器並開啟系統。
  • 嘗試收縮肌肉。此時伺服機應該會伸展,並於放鬆肌肉時收回。
  • 如果伺服機沒有動作,請檢查以下項目:
    • 檢查電池電壓。不要花好幾個小時嘗試故障檢修,結果發現只是因為電池沒電才不會動。
    • 確認MyoWare LED燈在肌肉收縮時有亮(顯示有運作)。如果沒有,確認開關已打開,且電源LED燈有亮起。
    • 確認Arduino電源LED燈在連接電池後有亮起。如果沒有,請再次檢查接線。

第十步:鑽出外殼側邊螺絲孔

  • 現在可以進入組裝3D列印零件的階段了。把外殼後段插入前段,讓前段耳片的穿孔對齊後段的通孔。
  • 在耳片上鑽出和4個通孔同心的4個孔。
  • 接著,用螺絲攻在耳片孔上製造螺紋。記得要讓耳片和外殼側邊垂直,否則螺絲可能無法密合。
  • 把3/16″螺絲旋入新的螺絲孔來測試。不要旋太緊,否則很容易把耳片的塑膠螺紋磨掉。
  • 進行下一步前,把螺絲取出。

第十一步:準備伺服機底座

  • 伺服機將會固定在外殼後段的後部。已經有2個現成的孔,但需要製作螺紋供螺絲使用。
  • 使用螺絲攻小心地在孔中刻出螺紋。
  • 把伺服機支柱放在孔上,接著旋入3/4″螺絲,確認螺紋沒有問題。
  • 剪一對長½”的自黏泡棉,黏在外殼後段底部的兩個螺絲孔之間。如此可以防止伺服機在扭力產生時在平滑的塑膠表面滑動。

第十二步:為外殼加上魔鬼氈

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  • 我們需要把外殼固定在護腕上,而且必須是暫時性的方法,如此如果發生故障或需要修改才能取下來。
  • 把自黏魔鬼氈有鉤子的一邊(會抓人的一邊)黏到外殼前段和後段的底面。要沿著弧面整理,確保魔鬼氈完全覆蓋前段。

第十三步:準備伺服角柄

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  • 很可惜地,2.5″伺服角柄的孔對伺服傳動裝置而言太小,但這個很容易解決,只要把最接進伺服角柄端點的孔加大即可。
  • 把伺服角柄接上伺服機,並把伺服傳動裝置裝在剛才加大的孔上。

第十四步:準備爪子

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  • 其實爪子不需要太多準備工作。可以嘗試讓爪子沿著外殼前段的軌道滑動,確認可以順利運作。如果不順利,用極細的砂紙磨平任何會卡住軌道的部位。
  • 接著要處理的是3D列印的耳片和伺服傳動裝置。把伺服傳動裝置固定在爪子後方的支架,接著把耳片插入支架的兩側。這裡可以用一些強力膠來黏著,防止它們脫落。

第十五步:組裝伺服傳動裝置

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  • 現在到了重要時刻:把各部位組裝起來!
  • 把爪子插入外殼前段的軌道。接著把外殼前後兩段接合,並以螺絲固定。
  • 註:不要把螺絲旋到底,否則會影響爪子在軌道上的活動。把爪子移動到孔的前面、把螺絲旋入到感覺它們跟爪子接觸,接著適度讓螺絲退出,留一些活動空間。
  • 把伺服機插入底座,並以支架和螺絲固定。伺服機的位置應該要讓手臂能夠最接近外殼後方,且相當接近中線。
  • 把伺服手臂移動到完全伸展的位置:啟動電子元件、收縮肌肉以伸展伺服機,接著在這個位置把系統關閉。現在把爪子也移動到完全伸展的位置。
  • 測量兩個伺服傳動裝置之間的直線距離,再增加一點長度,讓桿子能穿入傳動裝置(大約4″)。
  • 切割一段如此長度的螺紋桿,並小心地將之旋入爪子上的傳動裝置。
  • 把傳動裝置從伺服機分離(使用捻指螺旋),接著將之鎖在螺紋桿的另一端。
  • 讓伺服手臂進行幾回合的伸展和收縮活動,確認爪子運作正常。
  • 最後,為了準備在下一步安裝電子元件,把傳動裝置從伺服機分離,並把伺服機從底座取下。

第十六步:安裝電子元件

  • 現在要把所有電子元件塞入外殼後段、伺服機底座對面的側面口袋。
  • 剪一塊適當大小的自黏魔鬼氈,把它黏在電池的底面。把另一側黏到外殼口袋的後端。
  • 把電池固定在後端。

第十七步:安裝電子元件(續)

  • 把Arduino滑入口袋中,剛好置於電池前方,讓MyoWare的線從外殼後端的縫穿出來,並經過伺服手臂下方。伺服電纜應該也要穿過這個縫。可以用魔鬼氈固定Arduino板,但不是真的必要,它自己就可以留在原位。
  • 重新裝上伺服機和組裝伺服傳動裝置。
  • 把伺服電纜插入Y型束線的插槽之一。在整個系統準備完成之前「不要」插上電池。
  • 技巧:
    • 剪掉一些伺服電纜和Y型線束,讓線路不會那麼雜亂。
    • 用強力膠把兩個Y型線束黏在一起,讓最後連接電池和伺服電纜時更容易。
    • 需要記得,這些電子元件沒有內建的開關,所以只要把電池接上,系統就會啟動。我們有增加一個延遲機制,讓伺服機不會意外夾到手指,但在電池和Y型線束之間加裝開關會是不錯的做法。
    • 如果想做更多,可以讓MyoWare線纜穿過電池後方,它就完全不會碰到伺服手臂。

第十八步:在護腕上安裝外殼

  • 組裝的最後一個步驟是把外殼和護腕連接。
  • 把塑膠護腕從布袖移除,
  • 把外殼放在袖子上。把位置和對齊調整好的過程可能需要拆卸幾次才能完成。
  • 雖然非必要,但我們用魔鬼氈來穩穩固定手臂的外殼。先試試沒有魔鬼氈的感覺,如果覺得外殼會搖晃,或有點不穩,再加上去。

第十九步:玩樂時間

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  • 完成了!你的仿生爪系統大功告成。
    • 收縮以伸出爪子。
    • 放鬆以收回爪子。
    • 如果連續收縮兩秒,就會觸發鎖定機制,讓爪子在之後放鬆時維持伸出。
    • 要解鎖時,只要再收縮肌肉兩秒,就會觸發解鎖,收回爪子。
  • 現在開始做另一手的爪子吧!

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ADVANCER TECHNOLOGIES 
Advancer Technologies公司致力於開發創新的生物力學技術及應用科學。此外,Advancer Technologies更推廣各類對生物力學技術的興趣和學習。為了培養和啟發這個領域的人才和想法,他們時常發表利用他們的技術製作專題的示範教學。歡迎到他們的網站www.AdvancerTechnologies.comgp 深入瞭解。

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