嵌入式开发--智能机械臂

        在教学的过程中,经常有同学会问:“嵌入式的这些课程,我们学习了以后能用来做些什么呢?”。于是便想着做个小项目,能让同学们能用学到的嵌入式知识来完成它,加深对嵌入式学习的理解。

我以前搞过一阵子工业自动化生产的设计和制造,于是便想到了做一个能完成大多数基本功能的机械臂。机械手臂目前在机械人技术领域中得到广泛的应用,在工业制造、医学治疗、娱乐服务、教学应用、军事以及太空探索等领域都能见到它的身影。很多工业机器人,实际上也只是比较复杂的机械臂而已。

通过本项目能帮助学生了解嵌入式课程在工程技术方面的实际运用。巩固和加深C语言,Python语言和Linux系统的操作和编程能力。了解arduino和树莓派GPIO接口和通讯方式。

    

一、效果展示

1:图片展示:

嵌入式开发--智能机械臂_第1张图片

2,视频展示

http://v.youku.com/v_show/id_XMzUxMDYxMjQzMg==.html

二、开发周期

         从这个机械臂的整个项目构思,到最后项目的基本完成,前后大约用了45个小时。这里面没有包括原材料的采购的时间。由于项目过程中碰到过一些小问题,解决和优化花了一些额外的时间。实际学生完成这个项目的时间估计在40小时左右。应该比较适合嵌入式刚入门的初学者。

三、开发环境

         该机械臂的控制系统分为2部分:arduino板和树莓派。

         arduino:

         arduinoIDE 1.8.5 (windows 7及以上)

        

树莓派:

Linux系统

Python2.7及相应GPIO库

        

四、需要具备的知识

1)  windows和linux系统的操作

2)  C语言基础

3)  Python语言基础

4)  了解一点单片机知识

5)  了解一点树莓派及GPIO接口知识

五、开发过程

整个机械臂的系统由机械臂本身,aduino及其扩展板,以及一个树莓派组成。

这个机械臂完全是模仿人的手臂来设计的,一共有6个自由度,机械臂上一共安装有6个舵机。最下面的base和shoulder是模仿人肩部关节动作的;elbow是模仿肘部关节动作的;wristflex和wristrot是模仿人腕部关节动作的;最后的gripper是模仿手的夹持动作的。

aduino的板子和aduino的扩展板是整套机械臂的控制核心。它的作用就是接受输入4路控制信号,经过aduino内部的程序运算,输出6路数字信号来控制6个舵机动作。4路模拟信号分别是:从上到下选择舵机,从下到上选择舵机,以及左旋转和右旋转。通过这4路信号我们可以对每个舵机做出操作。程序在电脑上编好后可以通过arduino板上的USB接口烧进去。

此外,我们还连接了一个lcd显示屏,用来显示当前机械臂的运行状态。

树莓派,它就相当于一个linux系统的小电脑。它有一个40针的GPIO端口,这里为了方便操作,我把这个GPIO端口引出来了。我们通过在树莓派上编程-这里我们用的是python语言编的。我们通过编程来让GPIO向aduino发出信号,来控制机械臂的动作。

这里有个小问题,树莓派GPIO给出的信号是3.3v的,而aduino能接受的信号是5v的,两者不兼容。在这里我们用了一个8路电平转换模块,来让树莓派出来的3.3v信号变成5v的,再传给aduino,这样就解决了问题。

这样一来,我们用树莓派给出控制信号给aduino,aduino经过程序计算,给出数字信号控制舵机,机械臂就运行起来了。

六、代码展示

1)arduino控制代码:

#include       //调用一些库文件

#include

#include

#include

//定义舵机位置名称,并编号。

const int base =      0;    //底座舵机   

const int shoulder =   1;         

const int elbow =     2;       

const int wristflex =   3;       

const int wristrot =    4;         

const int gripper =    5;        //夹持器舵机

 

const int stdDelay =   20;        //舵机运动延时(单位ms)

const int maxServos =  6;        //舵机的数量

const int centerPos =  90;       //舵机中位位置

 

int keyDelay = 100;              //每个按键之间的最大延时时间ms

int buttonDelay = 50;           //每个按键之间的最小延时时间ms

int thisServo = base;           //定义起始电机

unsigned long key_millis = 0;     

unsigned long button_millis = 0;

 

typedef struct{              //数组框架结构

 byte neutral;             //中位角度,起始位置

 byte minPos;             //最小角度

 byte maxPos;            //最大角度

 byte delaySpeed;         //延时时间

 byte curPos;            //舵机当前角度

} ServoPos;              //结构体名称

 

ServoPos servosPos[] = {    //对舵机限位

  {90, 180, 10, stdDelay, 0 }, //中位90,最小角度180,最大角度10,范围0~180度。

  {90, 180, 10, stdDelay, 0 },

  {90, 180, 60, stdDelay, 0 },

  {90, 170, 50, stdDelay, 0 },

  {90, 180, 10, 10, 0 },

  {90, 125, 55, 5, 0 }

};

 

byte serv = 90;

int counter = 0;

int curServo = 0;

int sMove[] = {0, 90, 0};

int sAttach[] = {0, 0};

 

LiquidCrystal_I2C lcd(0x27,20,4);     //0x27 D7~D0端口开关设置0x表示十六进制27转换成16进制数是00100111  1代表开,0代表关, 20列,4行,行号从零算起,第一行行号0,第二行行号1.

Servo servos[maxServos];

int destServoPos[maxServos];

int currentServoPos[maxServos];

 

void doServoFunc() {

  intx = curServo;

 TimedAction servoMove[maxServos] = TimedAction(100, doServoFunc);

 if(destServoPos[x] == currentServoPos[x])

   servoMove[x].disable();      

 if(destServoPos[x] > currentServoPos[x])

   currentServoPos[x]++;

 else

   currentServoPos[x]--;

 

 servosPos[x].curPos = constrain(currentServoPos[x], servosPos[x].maxPos,servosPos[x].minPos);

 currentServoPos[x] = servosPos[x].curPos;

 servos[x].write(currentServoPos[x]);

 jointPos(x, currentServoPos[x]);

}

 

TimedAction servoMove[maxServos] =TimedAction(100, doServoFunc);   // 延时,延时时间为声明时间。

TimedAction keys = TimedAction(10,keypadFunc);

 

void setup() {                            //设置

 delay(200);

 Wire.begin();

 lcd.init();                            //LCD初始化            

 lcd.backlight();                //LCD背光灯打开

 delay(500);

 lcd.on();                     //LCD开机

 setupDisplay();               //调用子程序,设置显示内容门,后面有定义。

 

 for(int i=0; i

   servos[i].write(servosPos[i].neutral);//舵机归中位

   servosPos[i].curPos = servosPos[i].neutral;//设置舵机当前角度为初始角度

   servos[i].attach(i+4);//初始化舵机控制引脚,即第一个舵机为D4引脚控制

   destServoPos[i] = centerPos;//指定的舵机为90度

   currentServoPos[i] = centerPos;//当前的舵机为90度

   servoMove[i].disable();//舵机停止移动

 }     

}

 

void loop() {

 for(int x=0; x

   curServo = x;

   servoMove[x].check();

  }

 //timer.run();           

 keys.check();

 navSwitchFunc();

}

 

void servoTestFunc() {

 if(counter % 2) {

   Move(thisServo, servosPos[thisServo].minPos,servosPos[thisServo].delaySpeed);

  }

 else

   Move(thisServo, servosPos[thisServo].maxPos,servosPos[thisServo].delaySpeed);

 counter++;

}

 

void writeServo() {

  intservoNum = sMove[0];

 if(servoNum >=0 && servoNum <= maxServos) {

   destServoPos[servoNum] = sMove[1];

   servoMove[servoNum].enable();

   servoMove[servoNum].setInterval(sMove[2]);

  }

}

 

void setServoAttach() {

  intservo = 1;    // sAttach[0]

  intmode = 2;     // sAttach[1]

 if(servo >= 0 && servo <= maxServos) {

   if (mode == 1)

     servos[servo].attach(servo+4);

   else

     servos[servo].detach();

  }

}

 

void Move(int servoNum, int servoPosition,int delayTime) {  //舵机驱动指令

 sMove[0] = servoNum;            //所驱动舵机号

 sMove[1] = servoPosition;         //舵机的目标位置

 sMove[2] = delayTime;           //每个舵机运动的延迟时长

 writeServo();

}

 

void Attach(int servoNum, int servoMode) {

 sAttach[0] = servoNum;

 sAttach[1] = servoMode;

}

 

void navSwitchFunc() {                //键盘检测子程序

   if (millis() > button_millis + buttonDelay) {

   button_millis = millis();

   if(digitalRead(A0) == LOW) {     // 当A0引脚低电平

     thisServo--;                   //电机号自加1

     thisServo = constrain(thisServo, 0, 5); //电机控制范围

     jointPos(thisServo, servosPos[thisServo].curPos);

     delay(200);                 //延时200毫秒

    }

   if(digitalRead(A1)== LOW) {     //当A1引脚低电平

     thisServo++;                 //电机号自加1

      thisServo = constrain(thisServo, 0, 5); //电机控制范围

     jointPos(thisServo, servosPos[thisServo].curPos);

     delay(200);                 //延时200毫秒

    }

   if(digitalRead(A2) == LOW) {     //当A2引脚低电平

     byte t = thisServo;

     servosPos[t].curPos--;       //电机角度自减1

     servosPos[t].curPos = constrain(servosPos[t].curPos,servosPos[t].maxPos, servosPos[t].minPos);

     jointPos(t, servosPos[t].curPos);

    }

   if(digitalRead(A3) == LOW) {    //当A3引脚低电平

     byte t = thisServo;

     servosPos[t].curPos++;         //电机角度自减1

     servosPos[t].curPos = constrain(servosPos[t].curPos,servosPos[t].maxPos, servosPos[t].minPos);

     jointPos(t, servosPos[t].curPos);

    }

  }

}

 

void keypadFunc() {

 byte keypad = lcd.keypad();

 lcd.command(0);               

  if(keypad !=0) {

   if (millis() > key_millis + keyDelay) {

     keypress(keypad);

     key_millis = millis();

    }

  }

}

 

void keypress (byte keypad) {  //读取按键按下情况。      

 byte t;

 lcd.setCursor(15, 1);

 switch(keypad) {

   case 1:

     lcd.print("1");

     t = base;

     servosPos[t].curPos--;

     break;

   case 2:

     lcd.print("2");

     t = shoulder;

     servosPos[t].curPos--;

     break;

   case 3:

     lcd.print("3");

     t = elbow;

     servosPos[t].curPos--;

     break;

   case 5:

     lcd.print("4");

     t = base;

     servosPos[t].curPos++;

     break;

   case 6:

     lcd.print("5");

     t = shoulder;

     servosPos[t].curPos++;

     break;

   case 7:

     lcd.print("6");

     t = elbow;

     servosPos[t].curPos++;

     break;

   case 9:

     lcd.print("7");

     t = wristflex;

     servosPos[t].curPos--;

     break;

   case 10:

     lcd.print("8");

     t = wristrot;

     servosPos[t].curPos--;

     break;

   case 11:

     lcd.print("9");

     t = gripper;

     servosPos[t].curPos--;

     break;

   case 13:

     lcd.print("*");

     t = wristflex;

     servosPos[t].curPos++;

     break;

   case 14:

     lcd.print("0");

     t = wristrot;

     servosPos[t].curPos++;

     break;

   case 15:

     lcd.print("#");

     t = gripper;

     servosPos[t].curPos++;

     break;  

  }

 servosPos[t].curPos = constrain(servosPos[t].curPos,servosPos[t].maxPos, servosPos[t].minPos);

 jointPos(t, servosPos[t].curPos);

}

 

void jointPos(byte t, byte pos) {    //定义两个byte类型的变量,t,pose.

 lcd.setCursor(6, 1);//电机所在位置名称

 switch(t) {

   case base:               // 1, 4

     lcd.print("bse");   //LCD显示bse

     break;

   case shoulder:           // 2,5    

     lcd.print("shl");  //LCD显示shl

     break;

   case elbow:              // 3, 6

     lcd.print("elb");   //LCD显示elb

     break;

   case wristflex:          // 7, *

     lcd.print("wfx");  //LCD显示wfx

      break;

   case wristrot:           // 8,0   

     lcd.print("wrt");  //LCD显示wrt

     break;

   case gripper:            // 9, #

     lcd.print("grp");   //LCD显示grp

     break;

  }

 

 lcd.setCursor(2, 3);// 设置显示位置第4行,3列就是说前面空2格。

 lcd.print(" you are welcome ");

 lcd.setCursor(6, 2);//pose后面显示的角度位置。

 lcd.print(pos, DEC); //当按键按下后显示角度值。

 servos[t].write(pos);

}

 

void setupDisplay() {    //子程序定义,LCD显示内容,开机立即显示。

 lcd.clear();          //LCD清屏

 lcd.blink_off();       //LCD光标闪烁关

 lcd.home();         //

 lcd.setCursor(1, 1);  //设置显示位置第2行,2列就是说前面空1格。

 lcd.print("key: ");   //显示内容 “key”

 lcd.setCursor(4, 0);   //设置显示位置第一行,5列就是说前面空4格。

 lcd.print("alsrobotbase     ");//显示内容”alsrobotbase”

 lcd.setCursor(1, 2);         // 设置显示位置

 lcd.print("Pos: ");          //显示内容”Pos”

}

 

2)树莓派python控制程序:run.py

# -*- coding: utf-8 -*-

import RPi.GPIO as GPIO

import time

 

GPIO.setmode(GPIO.BCM)

GPIO.setup(22, GPIO.OUT)

GPIO.setup(27, GPIO.OUT)

GPIO.setup(24, GPIO.OUT)

GPIO.setup(23, GPIO.OUT)

 

GPIO.output(22, GPIO.HIGH)

GPIO.output(27, GPIO.HIGH)

GPIO.output(24, GPIO.HIGH)

GPIO.output(23, GPIO.HIGH)

 

def down( n ):

        forcount in range(0, n):

               GPIO.output(22, GPIO.LOW)

               time.sleep(0.08)

               GPIO.output(22, GPIO.HIGH)

               time.sleep(0.2)

        return

 

def up( n ):

        forcount in range(0, n):

               GPIO.output(27, GPIO.LOW)

               time.sleep(0.08)

               GPIO.output(27, GPIO.HIGH)

               time.sleep(0.2)

        return

 

def  right( t ):

       GPIO.output(24, GPIO.LOW)

       time.sleep(t)

       GPIO.output(24, GPIO.HIGH)

        return

 

def  left( t ):

       GPIO.output(23, GPIO.LOW)

       time.sleep(t)

        GPIO.output(23,GPIO.HIGH)

        return

 

up(1)

right(1)

up(1)

left(0.5)

up(1)

left(1.3)

up(2)

right(1)

 

down(5)

left(4)

 

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right(2)

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left(2)

 

down(2)

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left(2)

down(1)

right(2)

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right(8)

 

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