Android Thingsで4足ロボットを作る ~ Android ThingsとPCA9685でサーボ制御)

2017/12/08
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Android Thingsばかりやっているように見えますが、
カブクでは主にWebサービス周りをやっている大橋です。

他のシリーズ物を立てておきながら、全然別の記事を書いてしまう現象に名前をつけたいですね。

前の記事では3Dプリントで作成した戦車を作りました。
戦車の次に来るのはやはり足があるロボットですよね。
アーマード・○アとかでも2足→タンク(重装備)→4足(中装備、ややスピード重視)→逆関節(軽量)と
装備を変えていくものです。

今回もThingiverseで公開されているjBot Q1 mini Quadruped Robot (Designed by Jason Workshop)CC BY-NC 3.0をRaspberry Pi、Android Thingsで動くようにして見たいと思います。

なお今回の記事はAndroid Things Advent Calendar 2017 8日目の記事です。

最終品

以下です。




jBot Q1 mini

jBotQ1では全部で8個のサーボを制御する必要がある為、
Raspberry PiではPWMのピンの数が足りません。
今回はこの8個のサーボを制御するために、最大16個のPWMをI2C経由で制御できる、PCA9685を利用します。



なお、公式のAndroid Things用PCA9685ライブラリは今のところ存在しないようです。

またjBotQ1ではESP-WROOM-02(ESP8266)を利用して、
HTTPサーバーを作り、ブラウザでアクセスし、ロボットを動かしています。

細かいサーボの調整などもこのブラウザ上から行います。
オリジナルでは調整したデータはボード内に保存していました。

今回は、オリジナルと同様にHTTPサーバーをAndroid Things上につくり、
上記の制御・設定用のHTMLを返却するようにします。
また、調整データはSharedPreferencesとして保存します。

まとめると

  • サーボの制御はPCA9685で使う
    • 公式制御ライブラリが存在しない為、別のライブラリで制御する
  • 制御・設定用にHTTPサーバー立てる
    • Android Things上にHTTPサーバを作る
    • サーボの調整データはSharedPreferencesとして保存

あたりが今回の肝となるポイントです。

必要なハードウェア

  • Raspberry Pi 3 Model B & Android Things
  • PCA9685
  • SG90サーボ × 8
  • Raspberry Piを動かすためのモバイルバッテリー
  • 3Dプリントした、ロボットの各パーツ
  • M2のネジ × 28

実際に作っていく

3Dデータの修正

オリジナルのデータでは、もっと小さい制御ボードを想定しているため、
Raspberry Piが乗っかる様な3Dデータにはなっていないません。
その為、自分でRaspberry Piが乗るように大きさ調整する必要があります。
色々やったのですが、データはまだ公開できていません。すみません。

Android Thingsのコード

全てのコードは以下にあります。
全てKotlinで書いています。

https://github.com/kabuku/jbotq1

ライブラリ

まず、探した所PCA9685を扱うにはいかが良さそうです。
https://github.com/wintersandroid/Android-Things-PCA9685

また、HTTPサーバを立てる必要があるので、AndroidでHTTPサーバを立てるのによく使われる、NanoHTTPDを利用します。

上記を利用するためにプロジェクトのbuild.gradleにmavenリポジトリを追加します。

allprojects { repositories { google() jcenter() maven { url 'https://jitpack.io' } // ←追加 } }

またアプリケーションのbuild.gradleに以下を追加します。

dependencies { // 色々... compile 'com.github.wintersandroid:Android-Things-PCA9685:0.11' //Android Things用PCA9685制御ライブラリ compile 'org.nanohttpd:nanohttpd:2.2.0' // 色々... }

jBotQ1 miniの制御周りのコード(PCBA9685の初期化と利用)

jBotQ1の制御はJbot.kt内で行っています。
(あんまりよくない気もしますが)constructor内で、PCA9685の初期化を行っています。
利用しているライブラリではPCA9685を使ってサーボ制御をするために、PCA9685Servoというクラスが用意されているので利用します。

init { val peripheralManagerService = PeripheralManagerService() val tweakAngleStr = pref.getString("tweakAngle", "0,0,0,0,0,0,0,0") this.tweakAngle = tweakAngleStr.split(",").map { it.toInt() }.toIntArray() this.mPca9685Servo = PCA9685Servo(PCA9685.PCA9685_ADDRESS, peripheralManagerService) // PCA9685の初期化 this.mPca9685Servo.setServoMinMaxPwm(SERVO_MIN, SERVO_MAX, PWMRES_MIN, PWMRES_MAX) // サーボを制御するためのfreq、dutyの設定 zeroPosition() }

サーボの制御はrunProgramLineで行っています。
各サーボの角度の配列(currentProgram: IntArray)を引数に、現状と比較及びスピード調整しながら行っていきます。

最終的にサーボの角度を設定するのは、setServoAngleメソッドです。ライブラリでmPca9685Servo.setServoAngle(channel, angle)とすれば指定したチャネルのサーボを動かせます。

private fun runProgramLine(currentProgram: IntArray) { val interTotalTime = currentProgram[ALL_MATRIX - 1] val interDelayCounter = interTotalTime / BASE_DELAY_TIME for (interStepLoop in 0 until interDelayCounter) { for (servoIndex in 0 until ALL_SERVOS) { val currentPosition = mCurrentServosPosition[servoIndex] val toPosition = currentProgram[servoIndex] if (currentPosition == toPosition) { // NOP } else if (currentPosition > toPosition) { val currentMovePosition = map((BASE_DELAY_TIME * interStepLoop).toLong(), 0L, interTotalTime.toLong(), 0L, (currentPosition - toPosition).toLong()) if (currentPosition - currentMovePosition.toInt() >= toPosition) { setServoAngle(servoIndex, currentPosition - currentMovePosition.toInt()) } } else if (currentPosition < toPosition) { val currentMovePosition = map((BASE_DELAY_TIME * interStepLoop).toLong(), 0L, interTotalTime.toLong(), 0L, (toPosition - currentPosition).toLong()) if (currentPosition + currentMovePosition <= toPosition) { setServoAngle(servoIndex, currentPosition + currentMovePosition.toInt()) } } } Thread.sleep(BASE_DELAY_TIME.toLong()) } mCurrentServosPosition = currentProgram.copyOf() } fun setServoAngle(servoIndex: Int, angle: Int) { val channel = CHANNEL_SERVO_ORDER[servoIndex] val tweakedAngle = angle + tweakAngle[servoIndex] Log.d(TAG, "Set $servoIndex angle to $tweakedAngle ($angle)") mPca9685Servo.setServoAngle(channel, tweakedAngle) }

実際にどのような順序でどのようにサーボを動かすかは、JbotServoProgram.ktにまとまっています。
このあたりは全てオリジナルのコードから持ってきたものです。

enum class JbotServoProgram(val servoProgramLine: Array<IntArray>) { WAIT(arrayOf( intArrayOf(90, 90, 90, 90, 90, 90, 90, 90, 500), intArrayOf(70, 90, 90, 110, 110, 90, 90, 70, 500) )), //このあと前進、後退などのプログラムが続く

HTTPサーバ

HTTPサーバの処理は、ControllerServerにまとまっています。
NanoHTTPDを使うとかなり簡単にAndroid上にHTTPサーバを作れます。

class ControllerServer(private val context: Context, private val jbot: Jbot, port: Int = 8080) : NanoHTTPD(port) { companion object { private val TAG = ControllerServer::class.java.simpleName } init { start(NanoHTTPD.SOCKET_READ_TIMEOUT, false) } override fun serve(session: IHTTPSession?): Response { if (session != null) { try { when (session.uri) { "/" -> return handleIndex(session) "/save" -> return handleSave(session) "/controller" -> return handleController(session) "/editor" -> return handleEditor(session) "/zero" -> return handleZero(session) "/setting" -> return handleSetting(session) "/online" -> return handleOnline(session) } } catch (t: Throwable) { Log.e(TAG, "get error", t) throw t } } return super.serve(session) }

色々やっていますが、サーボ調整用とコントローラーが主な処理です。

サーボの初期位置はプログラム上の0ポジションとずれる為、調整が必要です。
そのあたりの処理を行っているのがhandleSettinghandleSaveです。


handleSettingで調整用の画面を表示し、handleSaveで保存しています。

private fun handleSave(session: IHTTPSession): Response { val key = session.parms["key"] val value = session.parms["value"] val keyInt = Integer.parseInt(key) val valueInt = Integer.parseInt(value) if (keyInt == 100) { for (i in 0 until 8) { jbot.setTweakAngle(i, 0) } } else { if (valueInt >= -124 && valueInt <= 124) { jbot.setTweakAngle(keyInt, valueInt) } } return newFixedLengthResponse("(key, value)=($key,$value)") } private fun handleSetting(session: IHTTPSession): Response { val inputStream = context.resources.openRawResource(R.raw.setting) var contents = inputStream.bufferedReader().readLines().joinToString("\n") for (key in arrayOf("4", "0", "5", "1", "6", "2", "7", "3")) { contents = contents.replace(Regex("__" + key + "__"), session.parms.getOrDefault(key, jbot.tweakAngle[key.toInt()].toString())) } return newFixedLengthResponse(contents) }

またコントローラーの処理はhandleIndex handleControllerで行っています。


private fun handleIndex(session: IHTTPSession): Response { val inputStream = context.resources.openRawResource(R.raw.index) val contents = inputStream.bufferedReader().readLines().joinToString("\n") return newFixedLengthResponse(contents) } private fun handleController(session: IHTTPSession): Response { val pm = session.parms["pm"] val servo = session.parms["servo"] if (!pm.isNullOrEmpty()) { if (pm!!.toInt() == 100) { jbot.zeroPosition() } else { jbot.runProgram(JbotServoProgram.values()[pm.toInt() - 1]) } } if (!servo.isNullOrEmpty()) { val servoIndex = servo!!.toInt() val angle = session.parms["value"] jbot.setServoAngle(servoIndex, angle!!.toInt()) } return newFixedLengthResponse("(pm)=($pm) (servo)=($servo)") }

MainActivity

最後にMainActivityでHTTPサーバの起動と、Jbotクラスの初期化を行います。

class MainActivity : Activity() { companion object { private val TAG = MainActivity::class.java.simpleName } private var mJbot: Jbot? = null private var mControllerServer: ControllerServer? = null override fun onCreate(savedInstanceState: Bundle?) { super.onCreate(savedInstanceState) val handler = Handler() this.mJbot = Jbot(handler, null, getSharedPreferences("jBot", Context.MODE_PRIVATE)) this.mControllerServer = ControllerServer(this.applicationContext, this.mJbot!!) } override fun onDestroy() { super.onDestroy() mJbot?.close() mJbot = null mControllerServer?.closeAllConnections() mControllerServer?.stop() mControllerServer = null } }

まとめ

色々やっていますが、ぶっちゃけ全くAndroid Thingsでやる必要はない感じの処理でした。
ESP-WROOM-32などがあれば十分に作れると思います。

Android Thingsの場合は、これにAndroidアプリでコントローラーを作ったり、
Google AssistantやDialogflowを使って、音声操作を化膿したり
Firebaseや、GCPを使って遠隔操作したりすると、非常に面白い物ができるかもしれません。

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