SpotMicro-Robot

SpotMicro-Robot's report.

What is Spot Micro Robot?

open source robot으로 4족보행로봇이다. 앉기, 서기, 각도제어, 걷기를 할 수 있다.

사용 도구 및 실행환경

raspberry pi 2B
ubuntu 16.04
ROS 프레임워크
C++
Python

하드웨어 부품

1. 3D Print

Cover(Head)

Front_Cover
Rear_Cover

Body

Body_Cover_Bottom
Body_Cover_Top
Body_Cover_Rearblank

LEG

Left_mid_arm
Left_mid_arm_Cover
Left_upper_arm
Left_wrist
Right_mid_arm
Right_mid_arm_Cover
Right_upper_arm
Right_wrist

Shoulder

Front_shoulder_Inner
Front_shoulder_Outer
Rear_shoulder_Inner
Rear_shoulder_Outer

RPI

Chassis_Left
Chassis_Right
Chassis_PlateRPI

2. Servo motor

MG996r

소프트웨어 설치

1. pi image download

https://downloads.ubiquityrobotics.com/ ROS가 설치된 Ubuntu 16.04 기반의 pi image이다. *링크에서 2020-02-10-ubiquity-xenial-lxde 버전 pi image를 다운로드 한다. *

ROS란?

ROS는 Robot Operating System의 약자이다. 직역하면 로봇운영시스템이라고는 하지만 OS가 아닌 로봇과 로봇 사이의 통신을 만들어주거나, 로봇과 센서의 통신을 이어주거나, 사람들의 코드(오픈소스)와 쉽게 연결(통신)시켜주는 도구를 의미한다.

로봇을 전공하는 사람이라면 필수적으로 배워놔야 할 분야이며 ROS는 새로운 로봇생태계를 구축하고 있고, 최근 만들어진 많은 로봇이나 센서들은 반드시 ROS package가 제공된다.

Window

다운받은 파일은 xz형식의 zip파일이기 때문에 윈도우에서 해당 형식의 압축파일을 풀기 위해서는 7-zip을 통해서 해야한다. https://www.7-zip.org/ 에서 본인 Pc에 맞는 버전을 다운로드한다. 다운로드 후 pi image 파일 우클릭해서 7-zip으로 압축을 푼다.

이렇게 img 파일이 생성된것을 이제 sd카드에 옮겨주어야한다. img파일을 sd카드에 옮겨주는 https://www.balena.io/etcher/ 를 다운로드한다. 실행하여 flash from file 에 img 파일을 넣고 select target에 sd카드를 선택해준 후 flash 한다.

이제 sd카드에 라즈베리파이와 ROS사용할 준비가 되었다.

2. 라즈베리파이 부팅

sd카드를 라즈베리파이에 삽입한다. 모니터, HDMI, 마이크로 5핀, usb 마우스, 키보드 각각을 라즈베리파이 보드에 연결 후 부팅한다. ubuntu 초기 비밀번호 : ubuntu 로 접속한다.

ROS가 포함된 파일을 받았기 때문에 뒤에 사용될 catkin_ws (catkin 작업 환경) 폴더가 있는것을 볼 수 있다.

3. 원격 접속

4. swap memory

swap memory?

윈도우의 가상메모리와 같은 개념이다. ram 대신 disk영역을 쓰는 것 이다. 라즈베리파이 램이 부족하기 때문에 프로그램 실행시 메모리 초과가 있을 때를 대비해 swap을 통해 늘려준다. 라즈베리파이 3 이하 모델에서 사용할 경우 성능이 크게 좋아진다. but, 라즈베리파이의 sd카드 수명저하가 있을 수 있다.

부팅된 라즈베리파이에서 명령창을 켜고 다음 명령어를 입력한다.

sudo dphys-swapfile swapoff 일시적으로 스왑을 중지한다. sudo로 명령어를 실행했기때문에 비밀번호를 입력해야한다. (ubuntu)

sudo nano /etc/dphys-swapfile 와 같은 명령어로/etc/dphys-swapfile 파일에 들어가서 CONF_SWAPSIZE=1024 로 편집

sudo dphys-swapfile setup 스왑파일을 초기화한다.

sudo dphys-swapfile swapon 스왑을 시작한다.

5. install catkin-tools

catkin? Catkin이란 rosbuild의 개선된 후속제품으로 ROS의 공식적인 Low level build system 이다.

catkin-tools? catkin 작업공간에서의 작업을 위한 명령어 도구를 제공하는 패키지이다. catkin 명령어로는

build - catkin 작업공간에서 패키지를 빌드한다.
config - catkin 작업공간의 레이아웃 및 설정을 구성한다.
clean - catkin workspace에서 생성된 products를 지운다.
create - catkin package들의 구조를 생성한다.
env - 수정된 환경에서 명령어를 실행한다.
init - catkin workspace를 초기화한다.
list - 작업공간 안에서의 catkin package들을 찾아서 리스트로 보여준다.

$ catkin [global options] <verb> [verb arguments and options] 와 같은 형식으로 사용한다.

명령창에서 다음과 같은 명령어를 입력한다.

$ sudo apt-get update 운영체제에서 사용가능한 패키지들과 그 버전에 대한 정보를 업데이트한다. 즉 설치 가능한 리스트를 업데이트 한다.

$ sudo apt-get install python-catkin-tools catkin-tools를 설치한다.

catkin-tools document : https://catkin-tools.readthedocs.io/en/latest/installing.html

catkin-tools를 사용하지 않고 ROS에 내장된 catkin_make를 사용할 경우 catkin-ws 폴더에서 다음 명령어를 사용한다.

catkin_make -DCMAKE_BUILD_TYPE=Release

6. source code download

git clone https://github.com/mike4192/spotMicro.git

spot micro 오픈소스를 git에서 clone 하여 라즈베리파이에 다운로드한다. 다운로드 후 폴더 내부의 모든 파일을 catkin_ws/src 폴더에 넣어준다.

catkin_ws/
│
├── src/
│   ├── spot_micro_motion_cmd
│   │   └── ...
│   ├── spot_micro_keyboard_cmd
│   │   └── ...  
│   └── ...

즉 다음과 같은 폴더 하위구조가 생성되어있어야 한다. 이제 해당 repository의 서브모듈을 받아주어야한다.

git submodule?

서브모듈이란 git repository 아래에 다른 하위 git repository를 관리하기 위한 도구이다. 두 프로젝트를 서로 별개로 다루면서 그 중 하나의 프로젝트를 다른 프로젝트에 사용해야할 때 merge가 어려운 이슈를 해결하기 위해 git submodule을 사용한다. git submodule add [추가 저장소 URL] 와 같이 사용한다.

그럼 이제 src 폴더 내에서 다음 명령어를 입력한다.

git submodule update --init --recursive
git submodule update --recursive

submodule을 업데이트한다는 서브모듈의 변경사항을 업데이트한다는 뜻이다. 이 때 permission denied와 같은 권한오류가 나타난다면 .gitmodule 파일에 들어가서

    url = git@github.com:webhat/example.git

의 URL을 다음과 같이 변경한다.

    url = https://github.com/webhat/example.git

그래도 안된다면

.git/config .git/modules/example/config 이 두 파일도 똑같이 바꿔준다. 그 후

git submodule sync
git submodule init
git submodule update

를 명령창에 입력한다.

이 에러는 git이 서버에서 repository를 다운도르할 때 공개키를 못찾아서 발생하는 것이다. 이 공개키를 찾기 위해 공개 URL로 바꿔주는 작업을 한 것이다.

7. build

i2c 통신이란? GPIO를 제어하는데 쓰는 기술

GPIO : General Purposed IO. 일반적인 입출력을 제어할 수 있는 핀의 규약. 라즈베리파이에서 여러개의 핀들

즉 i2c를 활용하여 GPIO를 제어하기 위해서는 libi2c를 설치해야한다.

sudo apt-get install libi2c-dev 명령어를 통해 root폴더에서 libi2c를 설치한다.

catkin config --cmake-args -DCMAKE_BUILD_TYPE=Release catkin 작업공간의 구성을 다음과 같이 설정한다.

catkin build 프로젝트를 빌드한다.

빌드시 이미 build 폴더가 있다는 에러메세지가 나오면 작업공간을 clean 해준다.

build가 완료되면 다음과 같은 화면이 뜬다.

서보 컨트롤

라즈베리파이와 서보모터 연결

우선 예시로 1개의 서보를 실행시켜본다.

PWN?

Pulse Width Modulation으로 펄스의 폭을 조절하여 주기를 제어하는 방법이다. 펄스가 0이 아닐 때 전기가 흘러 작동하는것이다. 펄스의 유지시간이 길면 계속 작동하고 펄스가 짧다면 유지시간이 짧아진다.

다음 표와 같이 라즈베리파이 보드와 서보모터를 연결한다. GPIO : General Purposed IO. 일반적인 입출력을 제어할 수 있는 핀의 규약

Pi GPOI pin	PCA9685
1	VCC
2	V+
3	SDA
5	SCL
6	GND

sudo i2cdetect -y 1를 통해 i2c 연결된 위치를 확인한다. 즉 PWM 컨트롤러의 i2c가 어느 채널에 연결되어있는지

연결을 확인하였으면 서보모터를 제어해볼 파일을 다운받는다.

git clone https://github.com/adafruit/Adafruit_Python_PCA9685.git
cd Adafruit_Python_PCA9685
sudo python setup.py install

다운받은 위치로 이동한 후

sudo python gpio_pwm_servo_motor.py를 실행하면 서보모터가 움직인다.

서보 연결 구성도

서보 컨트롤 설명

i2cpwm_board : rosrun i2cpwm_board i2cpwm_board 를 실행시킨다.
keyboard 활성화 : rosrun servo_move_keyboard servoMoveKeyboard.py
활성화키 명령 :

조립

전체적인 조립 구성도

1. Bottom

2. Upper

3. Whole

로봇 4족보행 시키기

Spot Micro의 동작을 설명하는 command와 연관된 state diagram

기본 걷기 스타일은 8단계로 이루어져있다.

한 번에 하나의 다리만 움직이며, 남아있는 3개의 다리는 몸의 균형을 맞추어준다.

속도 또는 각도 명령 한계는 소프트웨어에서 구현되지 않지만, 역 운동학 모델은 수학적 오류를 방지하기 위해 삼각 함수 제한을 따른다.

원문

[mike4192] - https://github.com/mike4192/spotMicro

intelligent-robot-smu/SpotMicro-Robot