機(jī)器人制作開源方案 | 桌面級機(jī)械臂-本體說明+驅(qū)動及控制
一、本體說明
1. 機(jī)械臂整體描述
? ? ? 該桌面級機(jī)械臂為模塊化設(shè)計，包含主機(jī)模塊1個、轉(zhuǎn)臺模塊1個、二級擺動模塊1個、可編程示教盒1個、2種末端執(zhí)行器、高清攝像頭，以及適配器、組裝工具、備用零件等?？蓪⒛K快速組合為一個帶被動關(guān)節(jié)的串聯(lián)3自由度機(jī)械臂，亦可進(jìn)一步加裝、更換執(zhí)行器、傳感器來完成各類控制實驗。
1.1 機(jī)械臂清單介紹
1.2 產(chǎn)品配置
機(jī)械臂的主要硬件圖如下所示：
組成的主要硬件參數(shù)如下表所示：
2. 機(jī)械臂結(jié)構(gòu)說明
該機(jī)械臂結(jié)構(gòu)是一個帶被動關(guān)節(jié)的3自由度，包含一個1自由度的轉(zhuǎn)臺和帶被動關(guān)節(jié)的2自由度關(guān)節(jié)。
? ? ? 其中2自由度關(guān)節(jié)模塊分為大臂和小臂：大臂通過1.76減速比的齒輪箱進(jìn)行傳動，小臂通過二級帶傳動實現(xiàn)傳動和被動關(guān)節(jié)設(shè)計。被動關(guān)節(jié)可以保證執(zhí)行器末端運(yùn)動時指向保持一個方向，其中一級帶傳動控制小臂轉(zhuǎn)動，另一級帶傳動使末端方向保持一致。
如下所示是裝有手爪、攝像頭的實物圖：
其中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)部分（即現(xiàn)在裝手爪執(zhí)行器的地方）還可以靈活的替換為氣動部件（見下圖）。
3. 機(jī)械臂的電路連接
? ? ? ?在進(jìn)行電路連接前，先來了解一下主機(jī)的布局及引腳圖。下圖是主機(jī)的布局實物圖，本實驗中主要用到總線、PWM（D4）、TX2/RX2。
按下圖所示進(jìn)行機(jī)械臂的電路連接：
開機(jī)注意事項：
? ? ? 機(jī)械臂的狀態(tài)主要包含非復(fù)位狀態(tài)、復(fù)位狀態(tài)（其中復(fù)位狀態(tài)指的是：大臂轉(zhuǎn)動到垂直狀態(tài)、小臂轉(zhuǎn)動到水平狀態(tài)）。只有開機(jī)看到機(jī)械臂能夠從非復(fù)位狀態(tài)轉(zhuǎn)到復(fù)位狀態(tài)，后續(xù)實驗才能正常進(jìn)行；否則可能會出現(xiàn)燒錄程序，但機(jī)械臂不按預(yù)期運(yùn)動的現(xiàn)象。
4. 軟硬件環(huán)境配置及使用
4.1軟硬件環(huán)境介紹
機(jī)器人可利用視覺識別技術(shù)，進(jìn)行識別、追蹤目標(biāo)、定位等功能。我們可以利用上位機(jī)來控制機(jī)器人的大腦，用下位機(jī)控制設(shè)備。 ?
上位機(jī)是指：
? ? ? 人可以直接發(fā)出操控命令的計算機(jī)，一般是PC或者計算機(jī)的屏幕上顯示各種信號變化（液壓，水位，溫度等），本實驗將利用樹莓派屏幕上顯示視覺識別的結(jié)果。
下位機(jī)是指：
? ? ? 直接控制設(shè)備獲取設(shè)備狀況的的計算機(jī)，一般是PLC/單片機(jī)之類的，本實驗將利用Arduino開源主控板充當(dāng)下位機(jī)進(jìn)行開發(fā)。
? ? ? 上位機(jī)發(fā)出的命令首先傳給下位機(jī)，下位機(jī)再根據(jù)此命令解釋成相應(yīng)時序信號，直接控制相應(yīng)設(shè)備。下位機(jī)讀取設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)（一般模擬量），轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號反饋給上位機(jī)。選擇合適的平臺及編程環(huán)境、函數(shù)庫，就可以進(jìn)行機(jī)器人結(jié)構(gòu)、運(yùn)動控制、視覺開發(fā)等多方面的應(yīng)用，控制機(jī)器人的行為。
4.2在樹莓派上安裝Ros及功能包
? ? ? 為了便于使用，本實驗中已把樹莓派和Arduino板子進(jìn)行了組合，設(shè)計出主控盒子（又叫主機(jī)），方便使用。主控盒子已預(yù)裝好操作系統(tǒng)、編程環(huán)境以及需要用到的功能包。
? ? ? 對樹莓派上的環(huán)境配置主要包括：安裝Raspberry Pi OS (32-bit) with desktop操作系統(tǒng)、ROS、配置ROS環(huán)境、Arduino IDE、功能包。其中本實驗需要的功能包包括視覺識別庫（OpenCV2.4.9）、二維碼識別庫（zbar）。為了方便使用，本實驗已做好了樹莓派鏡像文件，已經(jīng)預(yù)安裝好上述開發(fā)環(huán)境，電路連接好后可直接使用。當(dāng)把主機(jī)與顯示屏連接后，找到文末資料下載中的color_experiment_ws文件夾即可。
5. 資料下載
資料內(nèi)容：
①樣機(jī)3D文件
②程序源代碼
資料下載地址：https://www.robotway.com/h-col-259.html
二、驅(qū)動及控制
1. 總線舵機(jī)模式的設(shè)置
? ? ? 機(jī)械臂驅(qū)動采用總線式電機(jī)驅(qū)動，該總線式電機(jī)具有多種模式，如360°圓周模式、270°逆時針模式、270°順時針模式等?？偩€舵機(jī)采用單總線通信方式，與傳統(tǒng)舵機(jī)相比，最大特點就是舵機(jī)之間可串聯(lián)，最多可級聯(lián)255個舵機(jī)。
? ? ? 打開文末資料內(nèi)的“總線舵機(jī)ID及模式更改資料”，為總線舵機(jī)設(shè)置模式，包括轉(zhuǎn)臺、大臂、小臂三部分，需要分別為總線舵機(jī)設(shè)置ID、工作模式。關(guān)于總線舵機(jī)ID設(shè)置如下圖所示：
接下來開始為機(jī)械臂的各部分設(shè)置相應(yīng)的舵機(jī)模式：
器材準(zhǔn)備：PC機(jī)或筆記本電腦（windows操作系統(tǒng)、Arduino IDE）、以及下圖所示的器材。
操作過程：分別為機(jī)械臂的轉(zhuǎn)臺、大臂、小臂設(shè)置舵機(jī)模式，并能設(shè)置其初始角度。
1.1 設(shè)置轉(zhuǎn)臺的舵機(jī)模式
第一步：按下圖所示連接電路。
第二步：打開文末資料內(nèi)的”總線舵機(jī)ID及模式更改資料\串口調(diào)試助手\sscom5.13.1.exe”（如下圖所示）。
第三步：選擇端口號、波特率，并打開串口。
先在菜單欄：串口設(shè)置-打開串口設(shè)置，選擇端口號、波特率，點擊“ok”即可。
接著點擊“打開串口”，并點擊“擴(kuò)展”。
這里已經(jīng)把命令設(shè)置好了，只需要依次點擊描紅的命令（如下圖所示），就可以完成轉(zhuǎn)臺模式的設(shè)置，即可觀察到轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動到指定角度。
1.2 設(shè)置大臂的舵機(jī)模式
第一步：按下圖所示把大臂的舵機(jī)線與小模塊進(jìn)行電路連接（注意：請先把小模塊斷電）。
第二步：在串口調(diào)試助手里，選擇端口號、波特率并打開串口。
第三步：依次點擊下邊描紅的命令，就可完成大臂模式的設(shè)置，同時可觀察到大臂轉(zhuǎn)動。
1.3設(shè)置小臂的舵機(jī)模式
第一步：按下圖所示把小臂的舵機(jī)線與小模塊進(jìn)行電路連接（注意：請先把小模塊斷電）。
第二步：在串口調(diào)試助手里，選擇端口號、波特率并打開串口。
第三步：依次點擊下邊描紅的命令，就可完成小臂模式的設(shè)置，同時可觀察到小臂轉(zhuǎn)動。
這樣就完成了總線舵機(jī)模式的設(shè)置工作，接下來的實驗都是基于這種舵機(jī)模式來完成的。
2. 機(jī)械臂的單關(guān)節(jié)控制
實現(xiàn)思路：串口發(fā)送命令，控制單關(guān)節(jié)控制（提示：需要先設(shè)置好舵機(jī)模式）
器材準(zhǔn)備：機(jī)械臂本體、主控盒、顯示屏、鍵盤、鼠標(biāo)（如下圖所示）
操作步驟：
① 下載文末資料內(nèi)的參考程序color_experiment_ws\src\Contril_Single_Joint\arm_driver\arm_driver.ino：
② 打開串口，查看返回的結(jié)果值。
注意：串口發(fā)送命令格式為［部件 pwm］（pwm范圍是［500～2500］）。
首先，設(shè)置波特率并等待程序初始化，界面如下圖所示：
接下來，可以發(fā)送控制轉(zhuǎn)臺運(yùn)動的例子，來觀看結(jié)果。
輸入格式如下圖所示，就可以看見機(jī)械臂的轉(zhuǎn)臺運(yùn)動：
同時也可看見串口顯示數(shù)據(jù)。
下面是本實驗中分別針對轉(zhuǎn)臺、大臂、小臂轉(zhuǎn)動位置進(jìn)行測試的結(jié)果（如下圖所示）。
3. 操作桿方案
實現(xiàn)思路：通過操作桿控制氣動盒的開、關(guān)； 當(dāng)氣動盒打開后，實現(xiàn)可以吸物塊的功能。
實驗器材及接線：如下圖所示。
操作步驟：
第一步：將 Basra主控板 、Bigfish擴(kuò)展板 與 ?Birdmen手柄擴(kuò)展板 堆疊在一起。
Birdmen手柄擴(kuò)展板引腳圖如下圖所示：
第二步：下載文末資料內(nèi)的參考程序color_experiment_ws\src\Rocker_Control_Sucker\rocker_contril_sucker\rocker_contril_sucker.ino：
第三步：左側(cè)的搖桿，當(dāng)向右按下時，氣動盒開關(guān)打開，可以吸取物品（如下圖所示）；當(dāng)向左按下時，氣動盒開關(guān)關(guān)閉。
4. 機(jī)械臂的無線遙控
本實驗將通過 藍(lán)牙 結(jié)合一個可編程示教器進(jìn)行無線遙控的學(xué)習(xí)，包含藍(lán)牙通信設(shè)定、無線控制。
4.1 兩個藍(lán)牙通信設(shè)定
實驗?zāi)康模?/strong>測試藍(lán)牙主從模塊數(shù)據(jù)發(fā)收。
連接在Birdmen手柄擴(kuò)展板上的藍(lán)牙模塊為主模塊；連接在帶開關(guān)通信擴(kuò)展塢上的藍(lán)牙模塊為從模塊。
實現(xiàn)思路：當(dāng)藍(lán)牙主模塊發(fā)送數(shù)據(jù)（如123）時，藍(lán)牙從模塊能收到該數(shù)據(jù)（123），代表通信成功。
實驗器材：如下圖所示。
操作步驟：
? ? ? 第一步：先給Basra主控板下載藍(lán)牙主模塊程序。
① 先按下圖所示連接好電路（注意：藍(lán)牙通信擴(kuò)展塢的開關(guān)需撥到左側(cè)）。
② 然后下載文末資料內(nèi)的參考程序color_experiment_ws\src\Bluetooth_communication\Master\Master.ino：
③ 最后拔掉此主控板的USB線，將藍(lán)牙主模塊插在Bigfish擴(kuò)展板的擴(kuò)展塢上（如下圖所示）。打開電源后，若看到藍(lán)牙上的燈一閃一閃的，代表正在等待連接中。
第二步：給主機(jī)里的Arduino mega2560控制板下載藍(lán)牙從模塊程序。
① 把藍(lán)牙通信模塊與主機(jī)的Tx2/RX2接口進(jìn)行連接（如下圖所示）。
② 然后下載文末資料內(nèi)的參考程序color_experiment_ws\src\Bluetooth_communication\Salve\Salve.ino：
③ 把藍(lán)牙從模塊連接在底座上（如下圖所示），然后接在主機(jī)的TX2/RX2上，可以看見藍(lán)牙從模塊的燈亮，且一閃一閃的。
第三步：觀察藍(lán)牙主從模塊燈，如果看到藍(lán)牙主從模塊上的燈亮著但不閃爍，則表示藍(lán)牙主從模塊連接成功。
第四步：打開藍(lán)牙（從）模塊的Arduino串口監(jiān)視器，觀察是否接受到數(shù)據(jù)“123”，如果接收到相應(yīng)的數(shù)據(jù)（如下圖所示），則表示藍(lán)牙主從模塊通信成功。
4.2 藍(lán)牙遙控
實驗?zāi)康模?/strong>通過控制手柄上的兩個搖桿，來實現(xiàn)機(jī)械臂氣動搬運(yùn)物塊的功能。
實現(xiàn)思路：當(dāng)按下手柄搖桿的不同方向時，可以控制機(jī)械臂的轉(zhuǎn)臺、大臂、小臂朝不同方向運(yùn)動（默認(rèn)規(guī)定手柄左邊為左側(cè)搖桿，右邊為右側(cè)搖桿）
當(dāng)左側(cè)搖桿按下后，控制的吸盤、小臂的情況如下圖所示：
當(dāng)右側(cè)搖桿按下后，控制的轉(zhuǎn)臺、大臂的情況如下圖所示：
實驗器材：BLE4.0藍(lán)牙模塊 ×2、連接線、Basra控制板×1、與藍(lán)牙連接的底座、機(jī)械臂本體、氣動盒、連接線、主機(jī)、顯示屏、鼠標(biāo)、鍵盤
操作步驟：
第一步：先給帶有搖桿模塊的主控板（接藍(lán)牙主模塊）下載程序。
① 按下圖所示連接電路：
② 然后下載文末資料內(nèi)的參考程序color_experiment_ws\src\Wireness_Contril\Program_With_Rocker\controller\controller.ino：
③ 將藍(lán)牙主模塊按下圖所示插在手柄的擴(kuò)展塢上。
第二步：給主機(jī)里的Arduino mega2560控制板（與藍(lán)牙從模塊連接）下載程序。
① 先把藍(lán)牙從模塊連接在擴(kuò)展底座上；并把另一端與主機(jī)的TX2/RX2進(jìn)行連接。
再把氣動盒的三芯線與主機(jī)的PWM進(jìn)行連接（如下圖所示）。
② 然后下載文末資料內(nèi)的參考程序color_experiment_ws\src\Wireness_Contril\Program_With_Chassis\Black_Handle_Robot_Arm_New\Black_Handle_Robot_Arm_New.ino：
第三步：通過控制手柄上的兩個搖桿，來實現(xiàn)機(jī)械臂氣動搬運(yùn)物塊的功能。
5. 資料下載
資料內(nèi)容：
①程序源代碼
②總線舵機(jī)ID及模式更改資料
資料下載地址：https://www.robotway.com/h-col-259.html
