CaotaiSystem
介绍
一只会走路、会跳舞、会写字的草太椅子
视频介绍求三连
文件内容
1_结构
这个文件夹里放了草太椅子机械结构相关的文件
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草太椅子文件夹是椅子主体，使用SOLIDWORKS Premium 2021 SP5.0绘制，考虑到Solidworks向下兼容，所以应该使用同版本或更高版本打开
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鞋子文件夹放了三种鞋子，如果是走路功能，则使用
鞋子-前脚和鞋子-后脚，如果是写字功能和跳舞功能，则换用后脚-稳定站立，因为稳定站立版本不容易前倾，所以摔倒风险会小一些，但是走路时难以向前移动重心
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单轴往复运动STL放了单轴往复子装配体的STL文件，可用于3D打印切片
- 除了3D打印件以外，还要购买舵机、滑动轴承、肩轴螺丝等标准件，草太结构标准件BOM.xlsx是物料清单
2_电路
这个文件夹里放了电路板相关的文件
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ProProject_caotai_ctrl_v2.epro是嘉立创EDA pro另存为本地的工程文件，嘉立创EDA挺好用的，我已经从Cadence转到国产EDA了。打开步骤如下：
（1）进入https://lceda.cn/，微信扫码登录
（2）依次点开嘉立创EDA 编辑器 专业版，进入在线编辑器界面
（3）点击文件->导入->嘉立创EDA专业版，在弹出的文件选择窗口选择ProProject_caotai_ctrl_v2.epro
（4）等待导入完成，1分钟左右
（5）在弹出的导入窗口中点击保存按钮，即可导入完成
（6）点开PCB1，屏幕右上角有个类似购物车的图标，点击可以进入打样，下单之前别忘了领取1-4层板沉金免费券
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草太控制板-电子元器件BOM.xlsx是物料清单，都是正确的，大胆购买吧
- 舵机不是纯阻性器件，会产生过冲电流，二极管
D2和D3是瞬态抑制二极管，焊接时不可省略它们（血泪教训）
3_算法
这个文件夹里放了算法相关的代码，是用了2个相互独立的全连接神经网络
已知我们的草太椅子有4条腿，每条腿有3个伸缩连杆，我们算法的目的是解算出某个单腿姿态下3只伸缩连杆的高度，因为针对单条腿进行解算，没有把4条腿都联结起来，所以动作会有些生硬(T.T)
第一个神经网络是2-64-64-2的结构，输入的2个神经元分别代表草太腿的外倾角和旋转角，输出的2个神经元分别代表伸缩连杆B、C和伸缩连杆A的高度之差
第二个神经网络是3-64-64-64-3的结构，输入的3个神经元分别代表草太脚尖的x/y/z轴坐标，输出的3个神经元分别代表3只伸缩连杆的高度
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dataset_angle.m和dataset_draw.m分别用于生成上述两个神经网络的数据集，数据集是通过解方程组产生的，核心代码在function_forward.m里面
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train_angle.ipynb和train_draw.ipynb是训练这两个神经网络的代码，用到了
Tensorflow框架
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eval_angle.m和eval_draw.m用于评估这两个神经网络的精度，包括浮点精度和在FPGA实现时的定点精度
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make_para_rom.m、make_h2t_rom.m和make_sin_rom.m用于FPGA实现时生成相关的查找表文件
4_FPGA
这个文件夹里放了FPGA的工程，使用安路FPGA开发工具TD4.6.4进行开发
5_esp32_Arduino
这个文件夹里放了esp32的代码，主要完成3个功能：a.把从蓝牙收到的指令透传给FPGA；b.读取mpu6050的姿态和FPGA工作状态；c.连接蓝牙把姿态信息和状态信息广播给BLE中心设备
- 使用VS code作为开发环境，
Arduino作为框架来开发esp32
- 在
PIO Home新建工程，板卡选择Espressif ESP32 Dev Module，框架选择Arduino
- 在
PIO Home搜索mpu6050，在搜索到的库中选择I2Cdevlib-MPU6050 by Jeff Rowberg，add to project
- 把本文件夹里的
main.cpp作为工程的主函数编译、下载即可
6_微信小程序
草太椅子采用微信小程序作为上位机来进行控制，有3种方法打开
- 微信首页搜索
上仙的蓝牙法器即可在搜索的小程序结果中找到对应小程序
- 扫描上面的小程序码可以进入小程序，我这个小程序已经走完ICP备案、微信认证、隐私合规流程了哦，是有编制的小程序哦
- 把代码下载到本地，然后使用微信开发者工具自行编译，使用
真机调试功能也可体验小程序
复刻说明
如果你想完全复刻
- 如果你想复刻这把椅子，建议从
单轴往复装配体开始，该装配体实现了单轴的直线运动
（1）采用了多处滑动轴承+肩轴螺丝+M2.5螺母的设计，安装时一只手用尖嘴钳夹紧M2.5螺母，另一只手用六角匙拧肩轴螺丝，注意拧得太紧会导致无法运动，拧得太松会导致公差过大，拧到连接处可以转动但又不会乱晃为止
（2）安装舵机时，应把舵机调整到90°状态，必须把内齿轮安装在整个伸缩连杆行程的中间位置
（3）3D打印时伸缩连杆卧倒打印，这样会使打印的层纹平行于连杆，从而增加结构强度，如果强度太弱会导致和万向节连接处发生断裂
- 接下来是制作
草太的腿装配体，把新的小腿、大腿、腿的按钮、0.5*6*25弹簧、花枝俏毛笔组装在一起
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单轴往复装配体和草太的腿调试完成后，把十二轴连接器打印出来，安装在一起，构成草太椅子的主体
- 电路板打样，esp32和FPGA程序烧录，把舵机出线插在电路板上，插线定义参见上图
- 打印
椅子的顶面、椅子的底面和椅背，这三个零件边长30cm左右，如果你的打印机没有这么大，可以把它切分成4块分别打印，然后用螺丝紧固在一起，把上述零件组装在一起，至此结构和电路部分完成
- 校正！这是最重要的一步，因为即使同一家购买的同一批生产的舵机也难以做到完全一致，所以安装完成后需要手动校正，包括2个层面的校正
（1）第一个层面是舵机级别的校正，通过不断调整caotai_top.v第99~110行BIAS参数，最终实现草太上电时4只脚都完全垂直于地面
（2）第二个层面是整机级别的校正，通过调整微信小程序控制页面的行走功能超参数和跳舞功能超参数，最终实现草太可以稳定走路和跳舞而不摔倒
- 最后，enjoy it!
如果你想不完全复刻
- 虽然完全按照本仓库的代码和图纸复刻出来这把草太椅子很有趣，但可能不适合所有人，甚至会因为我本人水平有限而限制到复刻者的发挥
- 所以复刻者可以充分发挥自己的能力，对本设计进行魔改，从而提升性能，这也是开源社区存在的意义之一，我目前能想到的有以下几个方向：
（1）结构方面，把电机改为步进电机，替换掉模拟舵机，模拟舵机的精度太差了
（2）算法方面，把4条腿联动起来进行运动解算，从而使动作更加自然
（3）算法方面，把mpu6050的姿态数据用于保持平衡，从而增加稳定性（目前已经可以把数据读出来并上传到小程序显示，但是没有进行处理）
（4）电路和FPGA方面，替换掉已经停产的Tang Primer，使用在产的其他FPGA核心板，比如载有高云FPGA的Tang Primer 20K，注意核心板替换了以后PCB也要重新绘制哦
（5）校正流程方面，目前进行舵机层面的校正时，每次都要修改caotai_top.v再重新编译下载FPGA固件，这太麻烦了，所以可以通过增加通信协议指令来在线校正
（6）其他我没有想到的方向...
- 至少你得把
单轴往复装配体复刻出来，它的直线运动很有趣
如果你不想复刻
- esp32和微信小程序采用蓝牙进行交互的部分，目前已经调试稳定，可以成为其他设计的参考
- 去B站对应视频下面给我点个一键三连吧
参考引用
- 内摆线实现旋转运动转直线运动的原理参考了这个视频
- esp32和微信小程序通过蓝牙进行通信参考了这个视频
