Dummy-Robot/README.md
2022-03-01 12:42:31 +08:00

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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22-2-9

  • 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
  • 已添加命令行调试工具reftool基于odrivetool框架
  • 已添加便携手提箱的模型文件

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
  • CoreST官方的HAL库
  • DriverARM的CMSIS驱动
  • MidwaresFreeRTOS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ID0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: