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我的超迷你机械臂机器人项目。

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peng-zhihui
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peng-zhihui/Dummy-Robot

Dummy-Robot: Super compact smart robotic-arm

我的超迷你机械臂机器人项目。

视频介绍:【自制】我造了一台 钢 铁 侠 的 机 械 臂 !【硬核】

Video : I made a DUMMY ROBOTIC ARM from scratch! - YouTube

资料说明(更新日期21-12-24)

  • 已添加3D模型设计源文件。
  • 已添加夹爪硬件设计文件和LED灯环PCB
  • 已添加无线空间定位控制器PCB文件
  • 已添加无线示教器Peak软硬件工程(作为submodule)
  • 已添加REF的硬件设计文件
  • 已添加DummyStudio上位机
  • 已添加Dummy核心控制器的固件源代码(使用说明见后文)
  • 已添加42步进电机驱动器硬件工程
  • 已添加20步进电机驱动器硬件工程
  • 已添加42/20步进电机驱动的固件源代码

这是视频中原版机械臂的完整设计方案,该方案成本和制作难度都比较高,因此想复现的同学建议再等等我后面会发布的Dummy青春版,该版本会有如下改进:

  1. 整机重新设计结构,改用3D打印作为制造方案(原版为铝CNC),大幅降低制造成本
  2. 采用我自己设计的小型摆线针轮减速器替代原版的谐波减速器,大幅降低零件成本
  3. 所有软件和固件和原版通用,功能也完全一致
  4. 添加我自己设计的PC端上位机和手机端APP(争取把用户初始化设置引导加进去)
  5. 改进原版电机驱动器的走线方式,原版电源走线采用焊接的形式,不便于安装和拆卸,后面的青春版会使用4p接插件(电源+CAN总线)连接
  6. 整机成本争取做到2000以内
  7. 最重要的,会找人出一个保姆级的视频教程!

关于结构设计

我视频中原版设计使用的步进电机+Harmonic的谐波减速模组,其中后者成本较高(我买的二手大概是600元一个),因此为了能让大家尽量复现本项目,我后期会添加一个自制摆线针轮减速器+3D打印的低成本方案。

目前摆线减速器已经设计好了正在验证,预期会使用PC(或者亚克力)切割结合3D打印制作,精度有所下降但是功能都保持不变,整机硬件成本希望控制在2000元以内。

设计好的摆线减速器见我的另一个仓库:peng-zhihui/CycloidAcuratorNano

关于电路模块

电路为了实现主要的机械臂运动控制功能其实核心就4块板子:

  • REF核心板
  • REF底板(也就是机械臂底座里面的控制器电路板)
  • 步进电机驱动
  • Peak示教器

其中前两者和Peak我都开源了,步进驱动设计的时候参考了: https://github.com/unlir/XDrive 这个项目,这是我一个朋友开源的闭环驱动,基于STM32。该驱动分为开源版和闭源版,闭源版基于分立MOSFET性能极其强劲且功能很完善,开源版用的ADC+斩波驱动芯片,具备基础功能,不带CAN协议。

我重新设计了驱动器的PCB电路(本项目分别用到20、42步进,57的文件只是供大家扩展使用),添加了CAN总线的硬件支持,也对原版核心代码进行了完全重构,提供编译好的二进制文件可以直接烧录:

主要改进如下:

  1. 使用C++11重构了代码,引入很多高级语言特性,同时底层部分用C混编,不影响代码性能
  2. 对硬件依赖完全解耦了,可以方便以后移植到其他平台的MCU,去除了冗余代码代码也结构化逻辑更加清晰
  3. 添加了CAN协议和UART协议的自定义模板
  4. 添加了模拟EEPROM的参数储存,可以断电保存数据
  5. 添加了任意位置设置为零点,且保证双向半圈内归零(而不是单向归零)
  6. 完全兼容STM32-HAL库,可以使用STM32CubeMX直接生成配置代码
  7. 其他改进,大家二次开发仅需关注UserApp文件夹下的文件即可

Ctrl-Step驱动的使用方式比较简单,下载好固件后,第一次上电电机会进行编码器校准,如果成功则下次上电后按下按键1会进入闭环模式,通过CAN或者串口发送指令即可控制电机,关于指令的说明见源代码UserApp文件夹的interface_can.cppinterface_uart.cpp

其他按键的作用:

  • 同时按住两个按键上电,会自动进行编码器校准,如果首次校准失败可以通过这个方式重新校准
  • 短按按键1在使能闭环/失能闭环间切换
  • 长按按键1板子重启
  • 短按按键2清除堵转保护
  • 长按按键2将目标值归零(比如如果是在位置模式那位置会归零)

其他的功能要通过代码或者通信协议设置,比如设置home零点PID参数、CAN节点ID、各种运动参数等等,可以自己研究代码。

当然另一种方式是大家也可以自行使用GRBL类的驱动器改装用来驱动本机械臂,这样方案的问题在于,grbl固件耦合性比较强(毕竟不是针对机械臂而是CNC类应用设计的)不便于扩展,另外脉冲形式的控制方式使得走线极其不优雅(每一个关节都要单独拉step/dir线到控制器,导致最后几个关节走线很长)。

而我用一体闭环的方式则可以以串联的形式把所有电机连起来即可,走CAN总线使得整体走线只需要四根线(电源正负两根,CAN信号线两根),此外总线模型使得电机可以工作在力矩速度位置轨迹模式下,而脉冲模式只能工作在位置和轨迹模式,无法进行复杂控制。

Peak的话我之前已经软硬件都开源了,可以去SubModules文件夹里面看那边的README说明。

关于核心固件

这个机械臂的固件核心就是运动学姿态解算,这块我还在整理,后面会封装得更完善一些进行开源已开源,现在写死的很多参数会设计成可配置的,方便大家用本项目学习完后迁移到自己设计的机械臂中

REF的固件使用说明:

固件主要包括几大功能模块:

  • BSP驱动:板载的各种硬件驱动比如OLED、IMU、LED、蜂鸣器、非易失储存等等
  • 3rdParty库:包括U8G2的图形库和Fibre的序列化/反序列化库
  • Core:ST官方的HAL库
  • Driver:ARM的CMSIS驱动
  • Midwares:FreeRTOS支持包
  • Robot:核心机器人库,包括各种算法和驱动代码
  • UserApp:上层应用,可以基于我提供的API接口自行开发其他应用
  • 其中OLED使用Arduino的U8G2库移植而来,可以方便地现实各种调试和系统信息,另外由于STM32的硬件I2C又BUG这里使用了软件I2C驱动屏幕,实测帧率比硬件I2C更高。

DummyRobot类是Dummy的完整定义所在,初始化的时候需要设置好步进电机驱动的信息以及自身的DH参数

其中驱动器信息包含:CAN节点ID、是否反向、减速器的减速比、运动限制范围

而DH参数的含义如下:

机械臂的构型需要满足Pieper判据(机器人的三个相邻关节轴交于一点或三轴线平行),才能得出解析解,所以大家可以根据Dummy的结构进行修改,然后自己替换DH参数即可以移植我的代码。

关于位置的记忆,和上电零点校准:

由于绝对值编码器的位置只在一圈内有效,工业机械臂经过减速后为了获取绝对位置一般是做输出端编码,但是这样精度就降低了30倍(减速比),所以更合理的是做双编码器或者低功耗编码器+电池;而我这个项目中双编码器影响结构紧凑设计,所以用了更巧妙的方式:利用电机驱动的电流环控制上电后进行低力矩的无零点定向运动,碰到机械臂限位之后确认粗零点(无限位开关归零),然后根据单圈绝对值编码器的位置精调零点。这个方式的零点是没有误差的,而且几乎不受加工精度影响,因为在12度(360/30)内都是绝对值编码器的有效精度范围。

Peak的固件说明:

Peak基于X-Track项目,大家可以去Peak仓库查看。

关于上位机

视频中的软件仿真基于RoboDK,我在视频中开发了连接Dummy的Driver(驱动部分官方document有介绍的,原版是基于TCP网络接口,我修改成了串口并兼容dummy的协议)。不过由于这个软件是收费的,因此我也基于Unity3D开发了自己的上位机,已经发布在仓库。

上位机目前暂时没有计划开源,因为还有很多功能要添加,我也是希望最后能做成一个类似RoboDK的通用软件,大家以后自己做机械臂也能用上,当然软件肯定会是免费的。

关于控制算法

首先运动学部分是已经实现了的,正逆解都是传统DH参数计算的,正解(关节角求末端位姿)是唯一解比较好办,逆解(末端位姿求关节角)的话会涉及多解(一般是8个),我这里使用的算法是求解上一姿态和目标姿态中6个关节变化最大角里面最小的那一组作为逆解采用的config。这样可以保证机械臂始终以最小转角进行姿态切换。

然后关节角到电机驱动器输入信号的转换这一块,我使用的是梯形加减速曲线进行速度位置规划。举个例子在MoveJ指令中,当收到一个关节角运动指令,控制器会进行运动角度差分计算,得到6个运动差分角度,然后取6个差分角中最大的角θ,同时根据设置的JointSpeed参数计算运动θ角需要的时间(考虑上加减速),把这一时间作为其余5个电机的运动参数计算各自的加减速度&最高速度,然后6个电机根据计算的参数同步运动,就可以保证其同步性和流畅性了。

另外六个电机使用CAN总线连接,每个电机接受两个ID号的信息(自己的ID、0号ID),0号ID作为信息广播和同步用。电机接收到运动指令后将信息储存在影子寄存器中,待收到广播的同步信号后开始运动,这样能进一步保证电机同步性。

最后,动力学部分还在开发中,这块暂时没有完全实现。上述的运动学和动力学算法都强烈建议去看一下《机器人学导论》这本书,里面写得非常详细。

指令模式

Dummy固件支持三种不同的指令模式(指令可以由USB、串口、CAN接收),不同模式的特性有所区别,见下表:

指令发送频率 指令执行方式 可被新指令打断 指令间停顿 适合场景
SEQ(顺序指令) 随机,低(<5Hz) FIFO队列依次执行 一次性发送几个关键点位姿,等待依次执行,可以确保关键点到达;但是由于关键点之间存在减速到0的过程所以存在一定停顿;适合场景例如视觉抓取、码垛等应用
INT(实时指令) 随机,频率不限 指令覆盖,立即执行 用于实时控制,新指令会覆盖正在执行的指令得到立即响应;但是如果一次性发送一系列指令的话则效果会是只执行最后一条;适合场景例如动作同步
ToDoTRJ(轨迹跟踪) 固定,高(200Hz) 自动插值,固定周期执行 适合用于需要进行精确轨迹跟踪的应用,速度会放慢;示例场景比如3D打印、雕刻、绘画等

感谢以下项目作者:

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