BB8球形机器人制作教程

还记得《星球大战：原力觉醒》中呆萌可爱的BB8球形机器人吗？来上车吧，老司机教你亲手将这个萌货制造出来！本教程旨在以低成本、简单易行的方式结合以3D打印技术制作BB8机器人，供有兴趣爱好者参考。

1. 结构篇

BB8机器人由球体和头部两部分构成，其中球体和头部通过磁铁连接。球体内部由驱动机构和控制摆杆构成。驱动机构驱动球体实现前后左右4个方向的运动；控制摆杆在一定角度内摆动，经由磁铁传动至头部实现头部的摆动。

BB8机器人的结构和外观由SolidWorks设计完成。SolidWorks是法国达索公司旗下的一款基于特征、参数化、实体建模的设计工具。

1.0 材料

进行结构设计之前首先选择合适的标准配件。

球体外壳选用亚克力球制作，后续将进行打磨、喷漆、上光油等流程。

控制摆杆通过舵机实现一定角度内的摆动，舵机可选用数字舵机或模拟舵机。数字舵机和模拟舵机的区别在于：模拟舵机需要持续的PWM控制信号维持转动角度，而数字舵机只需要输入PWM控制信号改变转动角度。这里我们选用数字舵机。

驱动机构由直流减速电机、电机驱动和小车轮构成。电机驱动选用L298N作为主驱动芯片的驱动模块，其具有驱动能力强、发热量低、抗干扰能力强的特点。

BB8机器人的无线数据通讯通过蓝牙方式完成。这里我们选用主从一体BLE蓝牙模块。

1.1 step 1

运用SolidWorks对BB8球形机器人各结构进行建模。

首先依据图纸尺寸对BB8机器人球体和头部外观进行建模：

对舵机、舵盘和舵机支架进行建模并装配：

对直流减速电机、电机驱动和小车轮进行建模并装配：

1.2 step 2

设计BB8机器人驱动机构的底盘和托物架。

底盘前后两端通过2个万向球与球体内部相切接触，使得车轮与球体内部持续摩擦保持恒定驱动力，并保持运动姿态稳定。底盘下部设计托物架，以放置电路板、电池和配重物等。放置配重物，结构重心尽可能向下，以使车轮与球体内部更好接触并保持运动姿态稳定。

1.3 step 3

设计BB8机器人头部和控制摆杆。

控制摆杆一端通过紧固螺栓固定于舵机支架，一端通过紧固螺栓固定于顶盘。在顶盘转动方向上放置2颗强磁铁。建模时注意仿真分析检查是否干涉：调节底盘上凸台高度使得舵机舵盘轴心位于球体中心，调节摆杆长度使得强磁铁紧贴于球体内部而不干涉。头部设计转盘通过3颗万向球、2颗强磁铁相切吸合于球体外部。

1.4 step 4

BB8机器人结构建模、总体装配完成后，再进行运动仿真、干涉检查。

设置外观、布景和光源，利用SolidWorks渲染工具PhotoView360对BB8机器人进行渲染。

1.5 step 5

对BB8机器人结构件进行3D打印。

运用SolidWorks输出结构件的.stl格式三维数据文件。可选择SLA、FDM等方式的3D打印工艺：SLA即光固化成型，主要材料为光敏树脂，精度高、成型快、技术成熟、成本高；FDM即熔融沉积成型，主要材料为ABS和PLA，精度低、成型慢、成本低。这里我们选择电商平台的SLA工艺的3D打印定制。

3D打印完成后的结构件：

1.6 step 6

对BB8机器人球体和头部外观进行彩绘喷漆。

将用于制作球体的亚克力球用砂纸进行打磨。打磨完毕，用清水将亚克力球表面冲洗干净，并晾干。晾干后，将亚克力球置于通风干燥处喷底漆。底漆选择白漆，喷漆时在距离球面30cm处来回均匀喷漆。

将亚克力球置于通风干燥处，待白色底漆完全干透。用美纹胶带将球面完全覆盖。以3D打印的球体外观为模板用铅笔在球面描摹。外观描摹完毕，将喷漆部分的胶带用美工刀剔除。选择对应颜色的漆，喷第二层漆。待第二层漆完全干透后，将喷过漆的部分再用美纹胶带完全覆盖。再在球面进行外观描摹，剔除胶带，喷漆，晾干。如此，依次将白色漆、银色漆、黄色漆喷至球体外部。待喷漆全部完成，再在球面喷光油，以使球体外观更加光洁平整并保护底漆。

以同样的流程，对BB8机器人头部外观进行喷漆。完成对BB8机器人整体外观的彩绘喷漆。

1.7 step 7

将BB8机器人的眼睛、天线用热熔胶与头部粘合，将万向球、强磁铁等组装完毕。

将BB8机器人球体内部结构组装完毕，最后进行球体和头部的整体装配。

2. 硬件篇

BB8机器人硬件的设计思路为：主控电路板上电后通过蓝牙透传模块，与手机APP建立无线连接。再依据手机APP下发的指令控制舵机和电机驱动模块，电机驱动模块驱动2个电机。

选择锂电池作为硬件系统的电源，并可持续充放电。

BB8机器人的硬件电路由Altium Designer设计完成，Altium Designer是Altium公司推出的一体化电子产品开发系统。

2.1 SCH设计

BB8机器人的硬件电路主控MCU选择TI德州仪器的msp430g2553，20引脚TSSOP封装。

之所以选择此芯片，在于其超低功耗、小尺寸、低成本。其次，我们手头上刚好有一块闲置的TI LaunchPad开发板，可以作为此芯片的仿真调试器。

我们需要用到msp430g2553内部的超低功耗低频 (LF) 振荡器、16位定时器 (Timer_A) 、通用串行通信接口 (USCI) 和10路GPIO。

硬件电路电源选择锂离子电池，并设计充放电电路。主控MCU和蓝牙透传模块工作电压为3.3V，舵机工作电压为4.8V - 7.2V、舵机PWM电压为5.0V，电机驱动模块驱动电压为5V - 35V。

故选择≥7.4V的锂离子电池，并设计两级降压电路，使得电源相关电路能稳定输出≥7.4V、5.0V、3.3V三种电压。

主控MCU设计按键复位电路，预留Spy-Bi-Wire仿真调试接口。

红绿2个LED灯指示系统工作状态。

主控MCU上的通用串行通信接口 (USCI) 的RXD、TXD，分别连接至蓝牙透传模块的TXD、RXD。

主控MCU上的7路GPIO经由光耦合器，分别连接至电机驱动模块的ENA、ENB、IN1、IN2、IN3、IN4和舵机的PWM输入端。

采用光耦进行耦合连接：其一，是为了将主控MCU和其他功能模块进行电气隔离；其二，是为了进行电平转换，主控MCU为3.3V电平系统而其他功能模块为5.0V电平系统，通过光耦合器可实现控制信号从3.3V到5.0V的电平转换。

2.2 PCB设计

主控电路板原理图绘制完毕后，开始进行PCB设计。

依据BB8机器人的结构参数，设计PCB板外形尺寸为100mm × 50mm，装配尺寸为90mm × 40mm。依据各元器件封装尺寸进行PCB布局布线，尽可能将各接口端子、开关按键往PCB板边缘布局。

将设计完成的PCB板，导出制板文件交由厂家生产制造。

对生产完成的PCB板进行品质检验，确认合格后开始PCB焊接。

2.3 硬件装配

PCB板焊接完成后，将主控电路板和电源、各功能模块进行连接。

锂离子电池连接至主控电路板P1端子，并注意电源正负极性。蓝牙透传模块连接至P2端子。TI LaunchPad仿真调试器连接至P4端子。电机驱动模块连接至P5端子，2直流减速电机分别连接至电机驱动板的输出端子OUT A、OUT B。舵机连接至P7端子。

BB8机器人的内部硬件构成：

优化建议：
主控MCU的其他端口可扩展加速度计和陀螺仪，对BB8机器人的运动状态进行实时监测。通过PID算法修正运动姿态。

3. 软件篇

BB8机器人软件的控制流程为：主控MCU完成上电复位/按键复位后，进行系统初始化。系统初始化完毕，读取串口数据判断是否接收到蓝牙透传指令：收到，解析指令后执行指令完成动作；未收到，继续执行原来指令完成动作。如此，程序循环运行。

BB8机器人的软件程序由IAR Embedded Workbench开发完成。IAR Embedded Workbench是瑞典IAR Systems公司专为微处理器开发的一个集成开发环境，支持ARM、AVR、MSP430等芯片内核平台。

3.1 调试工具

选择TI MSP-EXP430G2 LaunchPad作为仿真器对BB8机器人的软件进行仿真调试。

MSP-EXP430G2 LaunchPad 是一款易于使用的闪存编程器和调试工具，它提供了在MSP430 超值系列器件上进行开发所需的一切内容。它提供了具有集成仿真功能的 14/20引脚 DIP 插座目标板，可通过 Spy-Bi-Wire（2 线 JTAG）协议对系统内置的 MSP430 超值系列器件进行快速编程和调试。由于 MSP430 闪存的功耗极低，因此无需外部电源即可在数秒内擦除闪存并对其进行编程。

将MSP-EXP430G2 LaunchPad跳线组J3的VCC、TEST、RST和跳线J6的GND，分别连接至主控电路板端子P4对应端口。在对主控电路板进行上电仿真调试时，请务必断开VCC的连接。

3.2 系统配置

对主控MCU进行时钟配置及系统初始化。

往寄存器DCOCTL和BCSCTL1写入DCO (数字控制振荡器) 校正数据，配置数字控制振荡器时钟DCOCLK = 12MHz。

由主控MCU的数据手册知：系统复位后，寄存器BCSCTL2的SELMx = 0、DIVMx = 0，即主系统时钟MCLK = DCOCLK = 12MHz。寄存器BCSCTL2的SELS = 0、DIVSx = 0，即子系统时钟SMCLK = DCOCLK = 12MHz。寄存器BCSCTL1的XTS = 0，配置寄存器BCSCTL3的LFXT1Sx = 2，低频时钟选择为VLOCLK (内部超低功耗低频振荡器时钟)，即辅助时钟ACLK = VLOCLK = 12KHz。

#include "config.h"//系统时钟配置
void CLK_config(void)
{ int i = 0;BCSCTL1 = CALBC1_12MHZ;  //信息段A内DCO校正数据 RSELxDCOCTL = CALDCO_12MHZ;  //信息段A内DCO校正数据 DCOx MODxBCSCTL2 |= SELM_0 + DIVM_0 + DIVS_0;  //MCLK SMCLK: DCO = 12MHZ 不分频BCSCTL3 |= LFXT1S_2;  //低频时钟选择为VLOCLK = 12KHZwhile((IFG1&OFIFG) != 0){IFG1 &= ~OFIFG;  //清除OSCFault 标志for(i=0xff; i>0; i--);  //延时待稳定}
}//看门狗初始化
void WDT_init(void)
{// Stop watchdog timer to prevent time out resetWDTCTL = WDTPW + WDTHOLD;
}//端口初始化
void Port_init(void)
{P1DIR |= BIT0 + BIT6;                            // Set P1.0 P1.6 to output directionP1OUT &= ~(BIT0 + BIT6);P1OUT &= ~BIT0;P1OUT |= BIT6;
}

配置通用串行通信接口 (USCI) ，波特率：9600kbps、8位数据位、1位停止位、不校验。

使能串口USCI_A0接收中断，响应可屏蔽中断。USCI_A0接收中断服务函数中：等待串口数据接收完成后，将标志位UCA0RXIFG清0。若变量USCIA0_Get_Flag = 0 (即蓝牙透传指令解析完毕) ，立即读取串口数据，并置USCIA0_Get_Flag = 1；若变量USCIA0_Get_Flag = 1 (即蓝牙透传指令未解析) ，则不读取串口数据。

#include "USCI.h"unsigned char USCIA0_Get_Flag;
unsigned char USCIA0_Get_Data;void UART_init(void)
{P1DIR &= ~BIT1;  //RXD 输入P1DIR |= BIT2;  //TXD 输出P1SEL |= BIT1 + BIT2;P1SEL2 |= BIT1 + BIT2;  //选择第二功能：UARTUCA0CTL1 |= UCSWRST;  //配置前，软件复位//UCA0CTL0  //默认参数：不校验 8位数据 1位停止位UCA0CTL1 |= UCSSEL_2;  //SMCLK时钟 12MHZ/*N = F_brclk / Baud_rate = 12MHZ / 9600kps = 1250.0;(UCA0BR1 << 8 + UCA0BR0) = (int)N;UCA0BRSx = (round)(( N – INT(N)) × 8);*/UCA0BR0 = 0xE2;UCA0BR1 = 0x04;UCA0MCTL = 0x00;UCA0CTL1 &= ~UCSWRST;  //解除软件复位//ME1  //msp430g2553无模块使能UC0IE |= UCA0RXIE;  //使能串口UART_A0接收中断//_BIS_SR(GIE);__bis_SR_register(GIE);  //响应可屏蔽中断
}void UART_SendChar(unsigned char Ch)
{UCA0TXBUF = Ch;while((IFG2 & UCA0TXIFG) == 0);//IFG2 &= ~UCA0TXIFG;
}unsigned char UART_ReceiveChar(void)
{unsigned char Ch = 0;while((IFG2 & UCA0RXIFG) == 0);IFG2 &= ~UCA0RXIFG;Ch = UCA0RXBUF;return Ch;
}void UART_SendString(unsigned char *str)
{while(*str != '\0'){UART_SendChar(*str);str++;}
}#pragma vector = USCIAB0RX_VECTOR__interrupt void USCIA0_RX_ISR(void)
{while((IFG2 & UCA0RXIFG) == 0);IFG2 &= ~UCA0RXIFG;  if(USCIA0_Get_Flag == 0){USCIA0_Get_Data = UCA0RXBUF;USCIA0_Get_Flag = 1;  //数据接收完成}
}

配置16位定时器 (Timer_A)，增计数模式下的复位/置位模式，比较输出。

配置为3路50Hz的PWM输出，2路输出至L298N电机驱动模块的ENA、ENB，1路输出至舵机的控制信号输入端。

#include "Timer_A.h"
#include "config.h"void PWM_config(void)
{/***控制端口配置 ***///ENA//ENB//对应IN1、IN2、IN3、IN4P2DIR |= BIT0 + BIT1 + BIT3 + BIT5;P2OUT |= BIT0 + BIT1 + BIT3 + BIT5;/***TA1 2路PWM配置***/P2DIR |= BIT2 + BIT4;  //输出模式P2SEL |= BIT2 + BIT4;  //P2.2 -> TA1.1 P2.4 -> TA1.2 比较输出P2SEL2 &= ~(BIT2 + BIT4);TA1CTL |= TASSEL_2 + ID_2 + MC_0 + TACLR;  //停止模式下设置: MCLK,4分频,=3MHZ清除TARTA1CCR0 = 60000;TA1CCTL1 = OUTMOD_7;  //PWM复位/置位TA1CCR1 = 0;TA1CCTL2 = OUTMOD_7;TA1CCR2 = 0;TA1CTL |= MC_1;  //增计数模式/***TA0 1路PWM配置***/  P2DIR |= BIT6;  //输出模式P2SEL |= BIT6;  //P2.6 -> TA0.1 比较输出P2SEL &= ~BIT7;P2SEL2 &= ~(BIT6 + BIT7);TA0CTL |= TASSEL_2 + ID_2 + MC_0 + TACLR;  //停止模式下设置: MCLK,4分频,=3MHZ清除TARTA0CCTL0 |= CCIE;  // 捕获/比较中断开启TA0CCR0 = 60000;  //周期: 3MHZ / 60000 = 50HZTA0CCTL1 = OUTMOD_7;  //PWM复位/置位TA0CCR1 = 4500;TA0CTL |= MC_1;  //增计数模式
}//修改TA1 输出PWM的占空比
void PWM_Control_1(unsigned int Val)
{
//  TA1CTL |= MC_0 + TACLR;   //暂停并清除计数TA1CCR1 = Val; TA1CCR2 = Val;TA1CTL |= MC_1;  //增计数模式
}//修改TA0 输出PWM的占空比
void PWM_Control_0(unsigned int Val)
{TA0CTL |= MC_0 + TACLR;   //暂停并清除计数TA0CCR1 = Val; TA0CTL |= MC_1;  //增计数模式
}unsigned char Capture_count = 0;
#pragma vector = TIMER0_A0_VECTOR
__interrupt void TIMER0_A0_ISR(void)
{if(Capture_count < 50){Capture_count++;}else{P1OUT ^= BIT0;P1OUT ^= BIT6;    Capture_count = 0;  }
}

舵机的旋转角度由输入的PWM脉宽控制，周期为20ms (即50Hz)，0.5ms - 2.5ms的脉宽电平对应舵机0° - 180°的控制角度，且成线性关系。

直流减速电机的运转速度由输入至ENA、ENB的PWM脉宽控制，周期为20ms (即50Hz)；运转方向由IN1、IN2、IN3、IN4的输入电平控制。

控制舵机旋转角度时，逐级输出PWM。配合以电机M1、M2的正转、反转、停止，实现BB8机器人的前进、后退、左转、右转、停止等动作。

//------------------------------
/***数字舵机 & 双马达控制***/
//------------------------------//数字舵机角度控制: 0度 -> 180度
//PWM: 周期: 50HZ,即20ms   控制范围: 500us -> 2500us
//angle: 控制角度     preangle: 当前角度  1度对应计数 = (7500 - 1500) / 180 = 33.3333333
void Servo_Angle_Control(unsigned char angle, unsigned char preangle)
{unsigned char angle_temp;angle_temp = preangle;if(preangle < angle){while(angle_temp < angle){angle_temp++;PWM_Control_0((unsigned int)(1500 + 33.3333333 * angle_temp));delay_ms(20);}}else if(preangle > angle){while(angle_temp > angle){angle_temp--;PWM_Control_0((unsigned int)(1500 + 33.3333333 * angle_temp));delay_ms(20);}    }else  //相等时直接控制{PWM_Control_0((unsigned int)(1500 + 33.3333333 * angle_temp));delay_ms(20);}
}//速度范围: 0 -> 255
void Motor_Speed_Control(int vL, int vR)
{if(vL >= 0 && vR >= 0)  //前进{IN1_0; IN2_1;IN3_0; IN4_1;}else if(vL >= 0 && vR < 0)  //右转{IN1_1; IN2_0;IN3_0; IN4_1;    }else if(vL < 0 && vR >= 0)  //左转{IN1_0; IN2_1;IN3_1; IN4_0;    }else if(vL < 0 && vR < 0)  //后退{IN1_1; IN2_0;IN3_1; IN4_0;    }if(vL < 0)  //或vR{vL = -vL;}vL = (int)((float)vL / 255 * 60000);  //设置50HZ PWM的占空比PWM_Control_1(vL);
}

3.3 蓝牙透传

对蓝牙透传模块进行参数配置。

将HC05主从一体蓝牙透传模块的TXD、RXD、VCC、GND，分别连接至MSP-EXP430G2 LaunchPad板载仿真器的RXD、TXD、VCC、GND。

蓝牙透传模块上电后长按按键KEY，此时状态指示灯STA慢闪 (1秒闪1次) 。蓝牙透传模块进入AT指令状态，此时波特率固定为9600kbps。在PC端通过串口调试工具，键入相应AT指令完成配置。

3.4 控制逻辑

主控程序通过轮询方式实现对蓝牙透传指令的解析。解析完毕，执行指令完成对应动作。

工程文件内已集成IIC总线、MPU6050加速度计和陀螺仪的驱动程序，及姿态解算算法。可进行相应功能扩展，以优化系统运动姿态。

#include "io430.h"
#include "config.h"
#include "USCI.h"
#include "Timer_A.h"
//#include "IIC.h"
//#include "mpu6050.h"
//#include "inv_mpu.h"
//#include "inv_mpu_dmp_motion_driver.h"
//#include "ANO_Tech.h"int main(void)
{ char str[80];USCIA0_Get_Flag = 0;USCIA0_Get_Data = 0;unsigned char CMD = 0;  //从蓝牙接收的控制指令unsigned char Speed_init = 0;  //初始速度unsigned char Speed_control = 150;  //控制速度unsigned char Angle_control = 90;  //控制角度WDT_init();  CLK_config();Port_init();UART_init();PWM_config();
//  IIC_init();
//  mpu6050_init();Servo_Angle_Control(Angle_control, Angle_control);while(1){if(USCIA0_Get_Flag)  //收到蓝牙发送的数据{
//      sprintf(str, "CMD: %d;Speed_init: %d;Speed_control: %d;Angle_control: %d\r\n", CMD, Speed_init, Speed_control, Angle_control);
//      UART_SendString((unsigned char *)str);CMD = USCIA0_Get_Data;  //更新控制指令USCIA0_Get_Flag = 0;}else if(CMD == 'v')  //检测电压{/***/CMD = 't';}else if(CMD == 'h')  //高速模式{Speed_control = 240;CMD = 't';}else if(CMD == 'm')  //中速模式{Speed_control = 160;CMD = 't';}else if(CMD == 'l')  //低速模式{Speed_control = 100;CMD = 't';}    else if(CMD == '1')  //前进{Servo_Angle_Control(110, Angle_control);Angle_control = 110;Speed_init = 80;while(CMD == '1'){if(USCIA0_Get_Flag){CMD = USCIA0_Get_Data;USCIA0_Get_Flag = 0;}else if(Speed_init < Speed_control)  //匀加速{Speed_init++;Motor_Speed_Control(Speed_init, Speed_init);delay_ms(10);}else{Motor_Speed_Control(Speed_control, Speed_control);delay_ms(10);}}while(Speed_init > 80)  //匀减速{Speed_init--;Motor_Speed_Control(Speed_init, Speed_init);delay_ms(10);}Servo_Angle_Control(90, Angle_control);Angle_control = 90;      }else if(CMD == '2')  //右转{Motor_Speed_Control(-Speed_control, Speed_control);delay_ms(10);}else if(CMD == '3')  //左转{Motor_Speed_Control(Speed_control, -Speed_control);delay_ms(10);}else if(CMD == '4')  //后退{Servo_Angle_Control(70, Angle_control);Angle_control = 70;Speed_init = 80;while(CMD == '4'){if(USCIA0_Get_Flag){CMD = USCIA0_Get_Data;USCIA0_Get_Flag = 0;}else if(Speed_init < Speed_control)  //匀加速{Speed_init++;Motor_Speed_Control(-Speed_init, -Speed_init);delay_ms(10);}else{Motor_Speed_Control(-Speed_control, -Speed_control);delay_ms(10);          }}while(Speed_init > 80)  //匀减速{Speed_init--;Motor_Speed_Control(-Speed_init, -Speed_init);delay_ms(10);}Servo_Angle_Control(90, Angle_control);Angle_control = 90;      }else if(CMD == '5' && Angle_control < 140)  //抬头{Servo_Angle_Control(140, Angle_control);Angle_control = 140;      }else if(CMD == '6' && Angle_control > 50)  //低头{Servo_Angle_Control(50, Angle_control);Angle_control = 50;       }else if(CMD == '7'){Servo_Angle_Control(90, Angle_control);Angle_control = 90;      }else if(CMD == '8'){/***/}else if(CMD == '9'){/***/}else{Motor_Speed_Control(0, 0);delay_ms(10);}}
}

3.5 蓝牙连接

BB8机器人的实时控制由手机APP实现，在应用商店搜索蓝牙串口助手下载。

打开APP，设置透传指令并保存。开启手机蓝牙后搜索设备，连接名为BB8_Link的设备 (蓝牙透传模块) 。蓝牙配对连接成功后，蓝牙透传模块上的状态指示灯STA双闪 (1次闪2下，2秒闪1次) 。

3.6 结语

BB8机器人的软件程序链接编译完成后，通过Launchpad板载仿真器烧录至主控电路板。

将主控电路板重启，待各状态指示灯显示正常，即可开启萌物BB8的操控之旅。

你的原力觉醒了吗？

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