通過以太網(wǎng)控制的機(jī)械臂

描述

介紹

我喜歡機(jī)器人手臂。我喜歡你只需要一些簡(jiǎn)單的機(jī)械部件、一些伺服器或電機(jī)、一個(gè)好的軟件，你就可以獲得一個(gè)不僅壯觀有趣而且真正有用的設(shè)備。我想建立一個(gè)，因?yàn)槲矣幸粋€(gè)我非常喜歡的機(jī)器人課程。

當(dāng)你建造一個(gè)機(jī)械臂時(shí)，你可以學(xué)到很多東西，所以我認(rèn)為這是一個(gè)很好的中級(jí)項(xiàng)目，可以加深你在機(jī)器人方面的知識(shí)。開始吧！

機(jī)械臂

你可以從大約 20 美元購(gòu)買機(jī)器人手臂。為了進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，我想從更便宜的開始。稍后我將建造或購(gòu)買更強(qiáng)大的機(jī)器人手臂，但現(xiàn)在我將在Banggood 制作這款25 美元的 DIY 機(jī)器人手臂。

這是一個(gè) 4DoF（自由度）機(jī)械臂，其中 3 個(gè)伺服器用于移動(dòng)，一個(gè)用于執(zhí)行器（我在項(xiàng)目中將其稱為夾具）。這意味著夾具可以移動(dòng)到特定區(qū)域的任何位置，但其角度不能改變。這是一個(gè)很大的限制，但現(xiàn)在還可以，它仍然適用于很多事情。

DIY 套件帶有 4 個(gè)伺服器，因此實(shí)際上除了控制器之外，您還可以獲得構(gòu)建機(jī)器人手臂的每個(gè)組件。這些伺服器還不錯(cuò)，但我更喜歡這些：

這些伺服系統(tǒng)比藍(lán)色的伺服系統(tǒng)快，并且使用金屬齒輪而不是塑料。

機(jī)器人零件有 4 個(gè)塑料片。您必須從這些表中刪除零件。

由一堆零件組成的機(jī)械臂套件。我建議您觀看以下視頻。在這段視頻中，一個(gè)俄羅斯人正在建造相同類型的機(jī)械臂。建筑部分于7:43開始。

我在包裝上獲得了有關(guān)如何構(gòu)建機(jī)械臂的鏈接，但圖像和說明的質(zhì)量都非常低。那個(gè)視頻好多了 可能你可以弄清楚什么是什么，但如果你這樣做，你最終會(huì)陷入組裝、拆卸、重新組裝的幾乎無限循環(huán)。

插入舵機(jī)時(shí)要非常小心。當(dāng)您擰緊螺絲時(shí)，這種塑料的設(shè)計(jì)很容易折斷。螺釘?shù)淖罴丫o固度對(duì)機(jī)器人的其他部分也很重要。把它們弄得太緊，你就不能用伺服系統(tǒng)移動(dòng)機(jī)器人手臂的各個(gè)部分。

經(jīng)過一番搭建后，您將擁有自己的機(jī)械臂。

定位伺服系統(tǒng)有足夠長(zhǎng)的電纜，但夾具需要更長(zhǎng)的電纜。我拆開了那個(gè)伺服器，拆掉了舊電纜，我使用了至少兩倍長(zhǎng)的電纜。

腦

好吧，機(jī)器人手臂已經(jīng)準(zhǔn)備好了，但很可能你想以某種方式控制它。為此我需要一個(gè)微控制器，因此我選擇了我的Arduino 101來完成這項(xiàng)工作。

它是唯一使用英特爾微控制器（英特爾居里）的官方 Arduino 板。它具有內(nèi)置陀螺儀和加速度計(jì)。它也有藍(lán)牙，所以它讓我有可能在未來通過 BLE 控制機(jī)器人。該板的另一個(gè)非常有用的功能是串行通信的工作方式。與大多數(shù) Arduino 不同，USB 串行和引腳 1 和 0（TX 和 RX）上的 UART 并不相同。它有它的好處，比如當(dāng)我重新編程 Arduino 時(shí)，我不必從引腳 0 和 1 斷開任何其他通信電路。它也可用于調(diào)試目的。

如果你想使用 USB 端口的串口，那么你必須使用“Serial”，如果你想使用 GPIO0 和 GPIO1 引腳，那么你有“Serial1”

Arduino 101 有 4 個(gè)支持 PWM 的 GPIO（GPIO3、GPIO5、GPIO6 和 GPIO9），我用它們來控制舵機(jī)。

溝通

我的機(jī)械臂可以通過串口進(jìn)行控制（具體為 Serial1）。為此，我使用了最新的通信模塊WIZ750SR 。

這是一個(gè)帶有 Cortex-M0 MCU 的小型以太網(wǎng)模塊。它的基本功能是串行轉(zhuǎn)以太網(wǎng)模塊，但您可以輕松地重新編程模塊以滿足您的需求。如果你愿意，你可以把這個(gè)板變成一個(gè) I2C 到以太網(wǎng)板。

一個(gè)非?？岬墓δ苁前遢d TCP 服務(wù)器（或客戶端）。使用 TCP 服務(wù)器，您可以遠(yuǎn)程控制 Arduino，就像您通過 USB 串行所做的一樣，但可以在世界任何地方！在 Arduino 方面，它是完全透明的。您無需在草圖中添加任何額外代碼即可使用此模塊。

?

?

我還有一個(gè) WIZ750SR-TTL-EVB 評(píng)估板。我可以為 WIZ750SR 供電并有一個(gè)調(diào)試 USB 端口，但除了一些早期的實(shí)驗(yàn)外，我沒有使用它。

Arduino 101 和 WIZ750SR 都使用 3.3V，因此我不必對(duì) TX 和 RX 引腳使用電平轉(zhuǎn)換。Arduino 還通過其電源為以太網(wǎng)模塊供電。該電路非常簡(jiǎn)單，您可以在本項(xiàng)目的原理圖部分找到它。舵機(jī)有自己的 5V 電源。

設(shè)置模塊

要使用此板，您必須先對(duì)其進(jìn)行配置。我不會(huì)重新記錄這部分，因?yàn)?WIZnet 的人已經(jīng)在這里完成了，你可以確定你總是在那里獲得最新的文檔。

他們的文檔很棒，但我有一些值得了解的信息，并且我有一些（已解決的）問題值得分享。

首先，您可以從評(píng)估板的 USB 端口為開發(fā)板供電，但除此之外，此端口主要用于調(diào)試和刷寫。我相信您無法使用 USB 端口與 WIZ750SR 的 TCP 服務(wù)器通信，但如果您連接到此 COM 端口，您將收到調(diào)試信息。這讓我一開始有些困惑，因?yàn)槲也恢罆?huì)發(fā)生什么。

其次，如果 WIZ750SR 連接到您的網(wǎng)絡(luò)時(shí)藍(lán)色 LED 亮起，那么您的板應(yīng)該正常工作，繼續(xù)使用配置工具，它應(yīng)該找到板。

當(dāng)我嘗試在配置工具中搜索設(shè)備時(shí)，我最大的問題發(fā)生了。第一次它工作得很好，但后來我沒有時(shí)間，所以我停在那里。兩周后，我再次嘗試執(zhí)行此操作，但在多個(gè)操作系統(tǒng)和多個(gè)網(wǎng)絡(luò)上的計(jì)算機(jī)下再也找不到板子了。

我使用最新固件通過評(píng)估板的調(diào)試 USB 端口進(jìn)行了重新刷新，并且它工作正常。我的 Windows PC 仍然找不到它，但 Ubuntu 下的 Python 版本可以。我不確定是什么問題，但這些步驟最終解決了我的問題。成功配置 WIZ750SR 后，我的 Windows PC 也可以再次找到它，所以我繼續(xù)工作。

正如我所讀到的，帶有虛擬網(wǎng)絡(luò)適配器調(diào)用的虛擬機(jī)也會(huì)弄亂搜索，所以如果你在搜索時(shí)遇到問題，你應(yīng)該看看。

測(cè)試 TCP 通信的一個(gè)很好的工具是NetCat 。使用此軟件，您可以連接到 WIZ750SR 上的 TCP 服務(wù)器。安裝 NetCat 后，使用此命令進(jìn)行連接：

nc [tcp_server_ip] [tcp_server_port]  

之后，您可以直接從 WIZ750SR 發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。我經(jīng)常使用這個(gè)工具。

從 A 移動(dòng)到 B

要移動(dòng)機(jī)械臂，您必須告訴控制器您想要什么。最簡(jiǎn)單的方法是直接更新所有舵機(jī)的角度。更新關(guān)節(jié)角度可以通過一些試驗(yàn)和錯(cuò)誤來完成，它實(shí)際上可以很好地工作。

瑣事：使用關(guān)節(jié)角度控制機(jī)器人手臂存在一個(gè)問題：很難找到特定 XYZ 坐標(biāo)的最佳關(guān)節(jié)角度，以及可選的 Roll、Pitch 和 Yaw 角度（世界坐標(biāo)）。從關(guān)節(jié)角度和線段長(zhǎng)度獲取世界坐標(biāo)是一個(gè)非常簡(jiǎn)單的計(jì)算，但從世界坐標(biāo)獲取關(guān)節(jié)角度是一個(gè)復(fù)雜得多的過程。一種稱為逆運(yùn)動(dòng)學(xué)的解決方案就是這樣做的工具。

在我的下一個(gè)機(jī)器人手臂項(xiàng)目中，我將使用逆運(yùn)動(dòng)學(xué)來控制具有世界坐標(biāo)的機(jī)器人手臂，但現(xiàn)在我將僅使用關(guān)節(jié)角度來控制機(jī)器人。

系統(tǒng)的速度是這里的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。伺服系統(tǒng)非?？?，但它們?nèi)匀恍枰獣r(shí)間才能到達(dá)接收到的位置。另一方面，跳線不喜歡快速移動(dòng)，所以我不得不放慢速度。無論是在硬件部分還是軟件部分。

我通過為系統(tǒng)創(chuàng)建路徑計(jì)算并插入延遲來做到這一點(diǎn)。當(dāng)您為機(jī)器人手臂發(fā)送新的關(guān)節(jié)角度時(shí)，您必須提供一個(gè)額外的參數(shù)：速度（mDelay）。基本上，您是在告訴機(jī)械臂控制器循環(huán)的最小步進(jìn)時(shí)間。路徑計(jì)算器將計(jì)算每個(gè)定位伺服系統(tǒng)的可選步長(zhǎng)。這意味著所有舵機(jī)將在大約同一時(shí)間達(dá)到其目標(biāo)，并且速度取決于延遲。結(jié)果是每次都非常漂亮和平滑的線性運(yùn)動(dòng)。

效應(yīng)器以不同的方式工作。基本上它只能有打開或關(guān)閉（具有3個(gè)不同級(jí)別的關(guān)閉強(qiáng)度）狀態(tài)，沒有平滑過渡。顯然你會(huì)想盡快抓住物體，同時(shí)移動(dòng)應(yīng)該是平滑和漂亮的。

該系統(tǒng)目前有兩種類型的命令。這是他們兩個(gè)的示例：

• G 1 --> 輕輕合上夾具。0 表示打開
• A 10 130 120 110 --> 以 10 毫秒的步進(jìn)時(shí)間、130o 上關(guān)節(jié)角度??、120o 下關(guān)節(jié)角度和 110o 基礎(chǔ)旋轉(zhuǎn)器角度移動(dòng)機(jī)器人手臂。

用于遠(yuǎn)程控制的 Android 應(yīng)用程序

好的，所以此時(shí)我可以從世界任何地方控制機(jī)械臂，但我必須手動(dòng)編寫每個(gè)新命令。這種方式并不好玩。我需要一種更加用戶友好的方式來控制機(jī)械臂，所以我制作了一個(gè) Android 應(yīng)用程序來做到這一點(diǎn)。

該應(yīng)用程序有一個(gè) TCP 客戶端，因此它可以直接連接到 WIZ750SR 的 TCP 服務(wù)器。機(jī)械臂不存儲(chǔ)舊動(dòng)作和未來動(dòng)作的圖。它只知道當(dāng)前的目標(biāo)位置。這意味著應(yīng)用程序不僅將整個(gè)運(yùn)動(dòng)圖發(fā)送到機(jī)械臂，而且會(huì)根據(jù)位置反饋定期向機(jī)械臂發(fā)送新位置。如果您關(guān)閉應(yīng)用程序或斷開與 WIZ750SR 的連接，則機(jī)械臂將在到達(dá)最后接收到的位置后立即停止移動(dòng)。

連接到機(jī)械臂后，您將進(jìn)入配置屏幕。它包含 3 頁。第一個(gè)是 Run（稍后會(huì)詳細(xì)介紹），第二個(gè)是 Init，第三個(gè)是 Loop。Init 和 Loop 基本相同，它們唯一的區(qū)別是它們保存位置的位置。

除了保存按鈕外，屏幕還包含 4 個(gè)搜索欄和一個(gè)抓手按鈕。這些滑塊用于設(shè)置移動(dòng)的位置和速度，而夾具按鈕用于打開或關(guān)閉效應(yīng)器。所有更改都是瞬時(shí)的，因此您會(huì)立即看到機(jī)器人手臂上的新位置，但是您必須單擊保存按鈕才能將其添加到繪圖中。這是一個(gè)簡(jiǎn)短的演示：

如果同時(shí)更改夾具狀態(tài)和機(jī)械臂位置，則會(huì)將其保存為兩個(gè)不同的命令。首先是夾具命令，然后是位置命令。

如您所料，情節(jié)的運(yùn)行將從 init 開始。初始化和循環(huán)就像 Arduino 的設(shè)置和循環(huán)功能一樣工作。Init 適用于以后不會(huì)重復(fù)的動(dòng)作。當(dāng)初始化命令完成后，循環(huán)命令將隨之而來。循環(huán)命令將永遠(yuǎn)重復(fù)，或者至少在您停止繪圖之前重復(fù)。如果您不需要循環(huán)或初始化，則只需將該字段留空。

這些字段是 EditText 字段，這意味著您可以輕松地編輯或刪除它們的內(nèi)容。如果您不想使用滑塊，您可以手動(dòng)編寫命令。您也可以復(fù)制和粘貼該圖。該應(yīng)用程序?qū)⒂涀∧\(yùn)行的最后一個(gè)繪圖以供以后使用。

“配置”下的第一行用作測(cè)試的視覺反饋。左側(cè)部分顯示機(jī)器人手臂的最新目標(biāo)位置（S - 發(fā)送），而右側(cè)字段是它的當(dāng)前位置（R - 接收）。只要目標(biāo)和當(dāng)前位置相同，應(yīng)用程序就會(huì)向機(jī)械臂發(fā)送一個(gè)新的目標(biāo)位置。

Received command explanation:

5 0 100 116 60 --> Speed: 5, Gripper: open (0), upper joint angle: 100, lower joint angle: 116, base rotator angle: 60

?

如您所見，當(dāng)只有 init 時(shí)，機(jī)械臂在執(zhí)行完 init 命令后立即停止。

使用我的應(yīng)用程序，您可以做很多事情，但未來還有很多改進(jìn)的可能性。我計(jì)劃在圖中使用函數(shù)、條件控制、帶參數(shù)的循環(huán)等。

如果你想構(gòu)建一個(gè)類似的機(jī)器人，你可以在這個(gè)項(xiàng)目的代碼段中找到 Arduino 代碼和機(jī)器人手臂控制器應(yīng)用程序。

結(jié)果

我同時(shí)使用了 init 和 loop 命令，它允許我執(zhí)行一些中等復(fù)雜的任務(wù)。這是一個(gè)關(guān)于我的機(jī)器人手臂如何設(shè)置一些橡皮鴨（init）然后開始一個(gè)接一個(gè)地移動(dòng)它們的視頻，永遠(yuǎn)（循環(huán)）。

正如您所看到的，如果您考慮到這是一個(gè)非常便宜的機(jī)械臂，具有嚴(yán)重的硬件相關(guān)限制，運(yùn)動(dòng)非常流暢、連續(xù)和準(zhǔn)確。

結(jié)論

我的軟件運(yùn)行得很好，將來我一定會(huì)努力改進(jìn)這個(gè)機(jī)械臂，或者我會(huì)建造一個(gè)更先進(jìn)的。我實(shí)現(xiàn)了我為這個(gè)項(xiàng)目計(jì)劃的一切，沒有任何嚴(yán)重的阻塞問題。

Arduino 101 非常適合這個(gè)用途。該板的唯一限制是僅有 4 個(gè)支持 PWM 的 GPIO。如果我將來構(gòu)建一個(gè)自由度更高的新機(jī)械臂可能會(huì)成為問題，但是單獨(dú)的 USB 串行和 GPIO 串行在開發(fā)過程中非常有用，并且該板還可以提供大量計(jì)算能力。

我認(rèn)為 Android 應(yīng)用程序是個(gè)好主意，但是我必須使它更健壯、用戶友好并增加其功能。目前它是一個(gè) alpha 版本。

WIZ750SR 是一個(gè)非常好的驚喜。我擔(dān)心這塊板會(huì)出現(xiàn)更多問題，但在配置之后，它工作得很好。它是完全透明的，我對(duì)此沒有任何問題。這是一個(gè)非常易于使用的設(shè)備，也是我曾經(jīng)與我的任何微控制器一起使用過的最好的以太網(wǎng)模塊。

使用機(jī)械臂工作非常有趣，所以我一定會(huì)更多地了解它，然后與您分享我的知識(shí)！感謝您的閱讀！

?