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 <Servo.h>

#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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  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 2023-08-03 https://www.robotway.com/

  ------------------------------*/

/*

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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  版权说明：Copyright 2023 Robottime(Beijing) Technology Co., Ltd. All Rights Reserved.
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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 <SoftwareSerial.h>

#include <stdio.h>

#include <string.h>

//#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