机器人制作开源方案 | 桌面级机械臂--本体说明+驱动及控制
一、本体说明
1. 机械臂整体描述
该桌面级机械臂为模块化设计，包含主机模块1个、转台模块1个、二级摆动模块1个、可编程示教盒1个、2种末端执行器、高清摄像头，以及适配器、组装工具、备用零件等。可将模块快速组合为一个带被动关节的串联3自由度机械臂，亦可进一步加装、更换执行器、传感器来完成各类控制实验。
1.1 机械臂清单介绍
| 序号 |
名称 |
备注 |
| 1 | 本体 |
包括转台、小臂、大臂、执行机构 |
| 2 | 执行机构 |
如：手爪执行器、气动执行器 |
| 3 | 主机 |
包括树莓派、Arduino 主控板等相关的配置 |
| 4 | 显示屏 |
|
| 5 | 电子部件 |
如：摄像头、遥控模块 |
机械臂的主要配置清单
1.2 产品配置
机械臂的主要硬件图如下所示：
主要硬件图
组成的主要硬件参数如下表所示：
2. 机械臂结构说明
该机械臂结构是一个带被动关节的3自由度，包含一个1自由度的转台和带被动关节的2自由度关节。
其中2自由度关节模块分为大臂和小臂：大臂通过1.76减速比的齿轮箱进行传动，小臂通过二级带传动实现传动和被动关节设计。被动关节可以保证执行器末端运动时指向保持一个方向，其中一级带传动控制小臂转动，另一级带传动使末端方向保持一致。
如下所示是装有手爪、摄像头的实物图：
装有手爪和摄像头的实物图
其中的执行机构部分（即现在装手爪执行器的地方）还可以灵活的替换为气动部件（见下图）。
装有气动部件的实物图
3. 机械臂的电路连接
在进行电路连接前，先来了解一下主机的布局及引脚图。下图是主机的布局实物图，本实验中主要用到总线、PWM（D4）、TX2/RX2。
主机正面图
主机电路引脚图（从右向左与主机对应）
按下图所示进行机械臂的电路连接：
机械臂与主机外设的接线图
显示屏、鼠标、键盘与主机进行连接
开机注意事项：
机械臂的状态主要包含非复位状态、复位状态（其中复位状态指的是：大臂转动到垂直状态、小臂转动到水平状态）。只有开机看到机械臂能够从非复位状态转到复位状态，后续实验才能正常进行；否则可能会出现烧录程序，但机械臂不按预期运动的现象。
机械臂非复位状态
机械臂的复位状态
4. 软硬件环境配置及使用
4.1软硬件环境介绍
机器人可利用视觉识别技术，进行识别、追踪目标、定位等功能。我们可以利用上位机来控制机器人的大脑，用下位机控制设备。
上位机是指：
人可以直接发出操控命令的计算机，一般是PC或者计算机的屏幕上显示各种信号变化（液压，水位，温度等），本实验将利用树莓派屏幕上显示视觉识别的结果。
树莓派及Ros系统
下位机是指：
直接控制设备获取设备状况的的计算机，一般是PLC/单片机之类的，本实验将利用Arduino开源主控板充当下位机进行开发。
Arduino主控板及编程IDE
上位机发出的命令首先传给下位机，下位机再根据此命令解释成相应时序信号，直接控制相应设备。下位机读取设备状态数据（一般模拟量），转化成数字信号反馈给上位机。选择合适的平台及编程环境、函数库，就可以进行机器人结构、运动控制、视觉开发等多方面的应用，控制机器人的行为。
4.2在树莓派上安装Ros及功能包
为了便于使用，本实验中已把树莓派和Arduino板子进行了组合，设计出主控盒子（又叫主机），方便使用。主控盒子已预装好操作系统、编程环境以及需要用到的功能包。
主控盒子（主机）
对树莓派上的环境配置主要包括：安装Raspberry Pi OS (32-bit) with desktop操作系统、ROS、配置ROS环境、Arduino IDE、功能包。其中本实验需要的功能包包括视觉识别库（OpenCV2.4.9）、二维码识别库（zbar）。为了方便使用，本实验已做好了树莓派镜像文件，已经预安装好上述开发环境，电路连接好后可直接使用。当把主机与显示屏连接后，找到文末资料下载中的color_experiment_ws文件夹即可。
5. 资料下载
样机3D文件及程序源代码资料详见 桌面级机械臂-本体说明
二、驱动及控制
1. 总线舵机模式的设置
机械臂驱动采用总线式电机驱动，该总线式电机具有多种模式，如360°圆周模式、270°逆时针模式、270°顺时针模式等。总线舵机采用单总线通信方式，与传统舵机相比，最大特点就是舵机之间可串联，最多可级联255个舵机。
打开文末资料内的“总线舵机ID及模式更改资料”，为总线舵机设置模式，包括转台、大臂、小臂三部分，需要分别为总线舵机设置ID、工作模式。关于总线舵机ID设置如下图所示：
机械臂的各舵机ID图
接下来开始为机械臂的各部分设置相应的舵机模式：
| 各部分 |
总线舵机ID |
计划设置舵机模式 |
代表含义 |
| 转台 |
000 |
#000PMOD2! |
舵机模式，角度最大范围270 度，方向逆时针 |
| 大臂 |
001 |
#001PMOD2! |
同上 |
| 小臂 |
002 |
#002PMOD2! |
同上 |
器材准备：PC机或笔记本电脑（windows操作系统、Arduino IDE）、以及下图所示的器材。
操作过程：分别为机械臂的转台、大臂、小臂设置舵机模式，并能设置其初始角度。
1.1设置转台的舵机模式
第一步：按下图所示连接电路。
第二步：打开文末资料内的”总线舵机ID及模式更改资料\串口调试助手\sscom5.13.1.exe”（如下图所示）。
第三步：选择端口号、波特率，并打开串口。
先在菜单栏：串口设置-打开串口设置，选择端口号、波特率，点击“ok”即可。
接着点击“打开串口”，并点击“扩展”。
这里已经把命令设置好了，只需要依次点击描红的命令（如下图所示），就可以完成转台模式的设置，即可观察到转台转动到指定角度。
1.2 设置大臂的舵机模式
第一步：按下图所示把大臂的舵机线与小模块进行电路连接（注意：请先把小模块断电）。
第二步：在串口调试助手里，选择端口号、波特率并打开串口。
第三步：依次点击下边描红的命令，就可完成大臂模式的设置，同时可观察到大臂转动。
1.3设置小臂的舵机模式
第一步：按下图所示把小臂的舵机线与小模块进行电路连接（注意：请先把小模块断电）。
第二步：在串口调试助手里，选择端口号、波特率并打开串口。
第三步：依次点击下边描红的命令，就可完成小臂模式的设置，同时可观察到小臂转动。
这样就完成了总线舵机模式的设置工作，接下来的实验都是基于这种舵机模式来完成的。
2. 机械臂的单关节控制
实现思路：串口发送命令，控制单关节控制（提示：需要先设置好舵机模式）
器材准备：机械臂本体、主控盒、显示屏、键盘、鼠标（如下图所示）
装有手爪和摄像头的实物图
操作步骤：
① 下载文末资料内的参考程序color_experiment_ws\src\Contril_Single_Joint\arm_driver\arm_driver.ino：
/*------------------------------------------------------------------------------------
版权说明：Copyright 2023 Robottime(Beijing) Technology Co., Ltd. All Rights Reserved.
Distributed under MIT license.See file LICENSE for detail or copy at
https://opensource.org/licenses/MIT
by 机器谱 2023-08-02 https://www.robotway.com/
------------------------------*/
/*
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------
实验功能：实现单关节控制机械臂控制。
实验思路：通过串口发送命令，控制机械臂单关节控制。首先程序实现读取串口发送的数据，接着处理串口发送的数据，
最后程序将处理好的数据通过Serial1发送给机械臂达到控制机械臂的效果。
注意：串口发送命令格式为［机械臂部件pwm］（pwm范围是［500～2500］）。
例如：rm 1500 底盘转到1500
um 1500 大臂转到1500
lm 1500 小臂转到1500
实验接线：（主要接线）
机械臂通信口-------------（机械臂）电控箱
机械爪（舵机）---------------（执行器）电控箱
其他线路按照教材图片连接。
Created 2020.7.16 By：Boris.yuan
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------
*/
#include
#define CTL_BAUDRATE 115200 //总线舵机波特率
#define SERIAL_PRINTLN Serial1
#define SerialBaudrate 115200
#define RM "rm"
#define UM "um"
#define LM "lm"
String receive_string = "";
int catch_red_numbers=0;
int catch_blue_numbers=0;
int current_angle=0;
void setup() {
// put your setup code here, to run once:
delay(1100);
Serial.begin(SerialBaudrate);
SERIAL_PRINTLN.begin(CTL_BAUDRATE);
Bus_servo_angle_init();delay(2000);
Serial.println("Please input your commond......");
}
void loop() {
while(Serial.available()>0)
{
String commond = "";
long n_step = 0;
int index = 0;
commond = Serial.readStringUntil('\n');
index = commond.indexOf(' ');
n_step = commond.substring(index+1).toInt();
commond = commond.substring(0,index);
Serial.print(commond);Serial.print('\t');
Serial.println(n_step);
if(commond==RM){
if( (n_step<500) || (n_step>2500) ){
Serial.println("Sorry,the angle is out of range!");
}
else{
ArmSingleServoTo(0,n_step);
}
n_step=0;commond="";
}
if(commond==UM){
if( (n_step<500) || (n_step>2500) ){
Serial.println("Sorry,the angle is out of range!");
}
else{
ArmSingleServoTo(1,n_step);
}
n_step=0;commond="";
}
if(commond==LM){
if( (n_step<500) || (n_step>2500) ){
Serial.println("Sorry,the angle is out of range!");
}
else{
ArmSingleServoTo(2,n_step);
}
n_step=0;commond="";
}
Serial.println();
Serial.println("------------------------------------");
}
} ② 打开串口，查看返回的结果值。
注意：串口发送命令格式为［部件 pwm］（pwm范围是［500～2500］）。
| 串口发送命令例子 |
代表含义 |
| rm 1500 | 底盘转到1500 |
| um 1500 |
大臂转到1500 |
| lm 1500 |
小臂转到1500 |
首先，设置波特率并等待程序初始化，界面如下图所示：
接下来，可以发送控制转台运动的例子，来观看结果。
输入格式如下图所示，就可以看见机械臂的转台运动：
同时也可看见串口显示数据。
下面是本实验中分别针对转台、大臂、小臂转动位置进行测试的结果（如下图所示）。
3. 操作杆方案
实现思路：通过操作杆控制气动盒的开、关； 当气动盒打开后，实现可以吸物块的功能。
实验器材及接线：如下图所示。
操作步骤：
第一步：将 Basra主控板 、Bigfish扩展板 与 Birdmen手柄扩展板 堆叠在一起。
Birdmen手柄扩展板引脚图如下图所示：
第二步：下载文末资料内的参考程序color_experiment_ws\src\Rocker_Control_Sucker\rocker_contril_sucker\rocker_contril_sucker.ino：
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------------------------------*/
/*
实验功能：摇杆模块控制吸盘开关。
实验思路：读取摇杆模块数值，判断该数据，进而根据数据选取区间，编写不同区间，吸盘状态。
实验操作：将该例程下载到arduino开发版，按照实验教程接线，完成后，给模块上电，试着
滑动摇杆模块，控制吸盘开关状态。
实验接线：气动箱信号脚连接到Barsa的D12引脚
Create 2020.7.17 By:Boris.yuan
*/
#define Sucker_Pin 12
#define Rocker_Pin A1
void setup() {
// put your setup code here, to run once:
delay(1000);
Serial.begin(9600);
pinMode(Sucker_Pin,OUTPUT);
pinMode(Rocker_Pin,INPUT);
}
void loop() {
// put your main code here, to run repeatedly:
int receive_Rocker_data = analogRead(Rocker_Pin);
Serial.println(receive_Rocker_data);
if( (receive_Rocker_data<200) )
{
digitalWrite(Sucker_Pin,LOW);
}
else if( (receive_Rocker_data>800) )
{
digitalWrite(Sucker_Pin,HIGH);
}
delay(30);
}第三步：左侧的摇杆，当向右按下时，气动盒开关打开，可以吸取物品（如下图所示）；当向左按下时，气动盒开关关闭。
4. 机械臂的无线遥控
本实验将通过 蓝牙 结合一个可编程示教器进行无线遥控的学习，包含蓝牙通信设定、无线控制。
4.1 两个蓝牙通信设定
实验目的：测试蓝牙主从模块数据发收。
连接在Birdmen手柄扩展板上的蓝牙模块为主模块；连接在带开关通信扩展坞上的蓝牙模块为从模块。
实现思路：当蓝牙主模块发送数据（如123）时，蓝牙从模块能收到该数据（123），代表通信成功。
实验器材：如下图所示。
蓝牙通信模块及配套线
操作步骤：
第一步：先给Basra主控板下载蓝牙主模块程序。
① 先按下图所示连接好电路（注意：蓝牙通信扩展坞的开关需拨到左侧）。
② 然后下载文末资料内的参考程序color_experiment_ws\src\Bluetooth_communication\Master\Master.ino：
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#define Baud 9600
#define SERIAL Serial2
void setup() {
// put your setup code here, to run once:
delay(1000);
Serial.begin(Baud);
SERIAL.begin(Baud);
}
void loop() {
// put your main code here, to run repeatedly:
while(SERIAL.available()>0)
{
String receive_string = SERIAL.readStringUntil('\n');
Serial.println(receive_string);
receive_string = " ";
}
}③ 最后拔掉此主控板的USB线，将蓝牙主模块插在Bigfish扩展板的扩展坞上（如下图所示）。打开电源后，若看到蓝牙上的灯一闪一闪的，代表正在等待连接中。
第二步：给主机里的Arduino mega2560控制板下载蓝牙从模块程序。
① 把蓝牙通信模块与主机的Tx2/RX2接口进行连接（如下图所示）。
② 然后下载文末资料内的参考程序color_experiment_ws\src\Bluetooth_communication\Salve\Salve.ino：
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#define Baud 9600
#define SERIAL Serial2
void setup() {
// put your setup code here, to run once:
delay(1000);
Serial.begin(Baud);
SERIAL.begin(Baud);
}
void loop() {
// put your main code here, to run repeatedly:
while(SERIAL.available()>0)
{
String receive_string = SERIAL.readStringUntil('\n');
Serial.println(receive_string);
receive_string = " ";
}
}③ 把蓝牙从模块连接在底座上（如下图所示），然后接在主机的TX2/RX2上，可以看见蓝牙从模块的灯亮，且一闪一闪的。
第三步：观察蓝牙主从模块灯，如果看到蓝牙主从模块上的灯亮着但不闪烁，则表示蓝牙主从模块连接成功。
第四步：打开蓝牙（从）模块的Arduino串口监视器，观察是否接受到数据“123”，如果接收到相应的数据（如下图所示），则表示蓝牙主从模块通信成功。
4.2 蓝牙遥控
实验目的：通过控制手柄上的两个摇杆，来实现机械臂气动搬运物块的功能。
实现思路：当按下手柄摇杆的不同方向时，可以控制机械臂的转台、大臂、小臂朝不同方向运动（默认规定手柄左边为左侧摇杆，右边为右侧摇杆）
当左侧摇杆按下后，控制的吸盘、小臂的情况如下图所示：
当右侧摇杆按下后，控制的转台、大臂的情况如下图所示：
实验器材：BLE4.0蓝牙模块 ×2、连接线、Basra控制板×1、与蓝牙连接的底座、机械臂本体、气动盒、连接线、主机、显示屏、鼠标、键盘
操作步骤：
第一步：先给带有摇杆模块的主控板（接蓝牙主模块）下载程序。
① 按下图所示连接电路：
② 然后下载文末资料内的参考程序color_experiment_ws\src\Wireness_Contril\Program_With_Rocker\controller\controller.ino：
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void setup() {
// put your setup code here, to run once:
Serial.begin(9600); //蓝牙串口波特率
pinMode(A0, INPUT); //左侧上下摇杆引脚
pinMode(A1, INPUT); //左侧上下摇杆引脚
pinMode(A2, INPUT); //右侧上下摇杆引脚
pinMode(A3, INPUT); //右侧上下摇杆引脚
}
void loop() {
// put your main code here, to run repeatedly:
if(analogRead(A0) > 1000)
{
Serial.print('u');
}
if(analogRead(A0) < 25)
{
Serial.print('d');
}
if(analogRead(A1) > 1000)
{
Serial.print('c');
}
if(analogRead(A1) < 25)
{
Serial.print('s');
}
if(analogRead(A2) > 1000)
{
Serial.print('f');
}
if(analogRead(A2) < 25)
{
Serial.print('b');
}
if(analogRead(A3) > 1000)
{
Serial.print('r');
}
if(analogRead(A3) < 25)
{
Serial.print('l');
}
delay(10);//发送执行周期20ms，可更改，越小机械臂运动越快，但是可能导致机械臂卡顿
}③ 将蓝牙主模块按下图所示插在手柄的扩展坞上。
第二步：给主机里的Arduino mega2560控制板（与蓝牙从模块连接）下载程序。
① 先把蓝牙从模块连接在扩展底座上；并把另一端与主机的TX2/RX2进行连接。
再把气动盒的三芯线与主机的PWM进行连接（如下图所示）。
② 然后下载文末资料内的参考程序color_experiment_ws\src\Wireness_Contril\Program_With_Chassis\Black_Handle_Robot_Arm_New\Black_Handle_Robot_Arm_New.ino：
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//#include
#include
#include
//#define mySerial Serial2 //总线舵机串口,TX2,GND,5V
//#define mySerial2 Serial1 //蓝牙遥控串口TX1,RX1,GND,3.3V
#define CTL_BAUDRATE 115200 //总线舵机波特率
#define NOZZLE_PIN 4 //气动引脚，注意气动供电6v
#define INIT_X 1 //假设大臂长度单位为1
#define INIT_Y 1 //小臂长度与大臂长一致单位为1
#define INIT_R 1500 //底座总线舵机中间位置波特率为1500
#define DX 0.01 //每次X方向长的移动距离单位
#define DY 0.01 //每次Y方向臂长的移动距离单位
#define DR 5 //每次底座转动的单位
//SoftwareSerial mySerial(51, 4);
//SoftwareSerial mySerial2(10, 11);
#define mySerial2 Serial2
#define mySerial Serial1
float cur_x = INIT_X, cur_y = INIT_Y;
int cur_r = INIT_R;
int alphaToUpwm(float alpha)
{
return 2732.0-(alpha/M_PI)*2464;
/*大臂转动角度的计算公式。2464是大臂摆动180°总线舵机计算后的pwm长度。
大臂的减速比是44/25=1.76，测试的motor转动180°需要的pwm长度是1400，1.76×1400=2464；
2732是转动90°之后竖直向上对应的实际pwm值，2732=（2464/2）+1500,其中1500是大臂初始化竖直状态是电机的PWM值*/
}
int betaToLpwm(float beta)
{
return 1500 + (beta/M_PI)*1400; //小臂无减速比，由总线舵机直接驱动，小臂转动角度的计算公式，1400是小臂摆动180°总线舵机需要的PWM长度，1500是小臂保持水平状态的舵机PWM值
}
int armMoveTo(float x, float y)
{
float alpha, beta;
if (!cartesianToAlphaBeta(x, y, alpha, beta))
{
armServoTo(alphaToUpwm(alpha),betaToLpwm(beta));
return 0;
}
return 1;
}
void setup() {
// put your setup code here, to run once:
mySerial.begin(CTL_BAUDRATE);
pinMode(NOZZLE_PIN, OUTPUT); //气动引脚定义
mySerial2.begin(9600); //蓝牙串口波特率设置
nozzle_off(); //初始化气动关闭
delay(1000);
Serial.begin(9600);
armMoveTo(cur_x, cur_y); //初始化机械臂大臂小臂位置
cur_r = rotServoTo(cur_r); //初始化机械臂底座位置
}
void loop() {
// Serial.print(Serial1.parseInt());
// put your main code here, to run repeatedly:
if (mySerial2.available())
{
char c = mySerial2.read();
float tx, ty;
switch(c)
{
case 'u': // up
ty = cur_y + DY;
if (armMoveTo(cur_x, ty) == 0) // success
{
cur_y = ty;
}
break;
case 'd': // down
ty = cur_y - DY;
if (armMoveTo(cur_x, ty) == 0) // success
{
cur_y = ty;
}
break;
case 'f': // forward
tx = cur_x + DX;
if (armMoveTo(tx, cur_y) == 0) // success
{
cur_x = tx;
}
break;
case 'b': // backward
tx = cur_x - DX;
if (armMoveTo(tx, cur_y) == 0) // success
{
cur_x = tx;
}
break;
case 'l': // left
cur_r = rotServoTo(cur_r - DR);
break;
case 'r': // right
cur_r = rotServoTo(cur_r + DR);
break;
case 'c': // catch
//Serial.println('c');
nozzle_on();
break;
case 's': // release
//Serial.println('s');
nozzle_off();
break;
}
}
} 第三步：通过控制手柄上的两个摇杆，来实现机械臂气动搬运物块的功能。
程序源代码及总线舵机ID及模式更改资料详见 桌面级机械臂-驱动及控制