Dummy-Robot my super mini robot arm robot items

Overview

Dummy-Robot

我的超迷你机械臂机器人项目。

资料待整理

  • 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核心控制器的固件代码(使用说明见后文)

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(我买的二手大搞600元一个),因此为了能让大家尽量复现本项目,我希望后期能添加一个同步轮轮减速+3D打印或者行星减速+3D打印(其实行星减速也不便宜而且从背隙的角度来看还不如同步轮)的方案,如果有同学有结构设计能力的也欢迎自行设计,提交pull request~

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。需要的话大家可以自行研究,(另外他家有淘宝店可以直接买闭源成品,非常推荐)。

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。

Peak的话我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,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。

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。


感谢以下项目作者:

Issues
  • 电机驱动进入使能模式问题

    电机驱动进入使能模式问题

    稚晖君您好,在复刻42电机驱动板的时候我遇到了一点问题,期望您能答复: 驱动板现在可以进入编码器校准模式,电机正反转一圈后使能,阻力很大。但是key1和key2无反应,疑似死机现象。使用Stlink utility连接后阻力消失,key1和key2依然无反应。 检查驱动板焊接时测量了MT6816引脚的电压值,大致如下图所示。 校准完之后的数据似乎也没写入Flash中,在程序里看到MT6816的地址是0x08017C00,但当电机进入上述使能后,用utility看该地址的flash是空的。 后来试图烧录您的hex程序进驱动板,地址是有数据的,但是key1和key2摁下后仍然无反应。

    图1(mt6816及其电压值) LV9SCEZ6@O9Z3}IF564)ASF 图二(mt6816地址) )V 2DSW8HT3J4A`M2YN6AE 4 YJ1MQBR6{OL0N~MUWB4)M

    opened by Scoulson986 5
  • 请教一下,步进如何能像BLDC机械臂一样通过电流环路的控制进而对力进行控制,当前步进电机如何实现这样的效果?

    请教一下,步进如何能像BLDC机械臂一样通过电流环路的控制进而对力进行控制,当前步进电机如何实现这样的效果?

    请教一下,步进如何能像BLDC机械臂一样通过电流环路的控制进而对力进行控制,当前步进电机如何实现这样的效果? 多谢

    Originally posted by @mailonghua in https://github.com/peng-zhihui/Dummy-Robot/issues/77#issuecomment-989757449

    opened by mailonghua 3
  • 关于DCE控制疑问

    关于DCE控制疑问

    稚晖君您好,您的驱动程序里位置控制部分使用了“DCE”方法,代码里面的公式好像是这样的 u(k)=kpep(k)+∑(kiep(m)+kvev(m))+kdev (k) 看起来和一般串级结构不太一样,像是使用了两个PI控制器求和输出到矢量控制中,而在速度控制中采用了独自的PID控制器。 想知道其中的控制设计原理,谢谢大佬!!

    控制结构

    opened by tangul 2
  • 请教一下作者关于机械臂的修改

    请教一下作者关于机械臂的修改

    你好,我觉得dummy是一套十分精巧且美观的机械臂 因为现在作者用的这款减速器已经不容易购买,所以想使用行星减速器替换 但是看了提供step文件当中不包含草图,所以不知道如何下手来修改机械结构以适配行星减速器 ,我能想到用过自建草图再原有的实体上进行填充\会盲切,但这样好像很麻烦 所以请教一下,该如何进行,希望能得到回复

    多谢

    opened by mailonghua 2
  • 咨询zhihui兄,从事这些DIY平时的资金投入情况

    咨询zhihui兄,从事这些DIY平时的资金投入情况

    很久之前,几乎是从zhihui君在大学时候作寻线机器人开始,就一直关注zhihui兄的DIY,也深受启发。

    我最大的问题是,其实zhihui兄之前也曾透露过花过不少钱,但是一直没有一个具体的数量级。

    所以,还是希望zhihui兄能否大概给出个从入门到平时开发的大体的资金投入,个人想得以参考:

    1. 原材料的费用,小的电子元器件估计费用不大,但是一些CPU等重要芯片和制作PCB板子,和作废板子等费用应该投入不小(每次小几百,小一千,累积多了也不少费用估计),能否具体说说?
    2. 这个机械臂成品费用一万元左右,但是从开发到设计,debug,作废等考虑进去,总计会投入多少?
    3. 由此,针对一般的DIY的开发,资金投入分布大概什么样子呢?比如作废板子大概占6,7成总费用等。能否给出个资金占比?当然详单更好。
    4. 除了这些,那些工具一次性的投入,估计还好。不管是焊台,还是3D打印机基本上都是一次性投入,这部分也能出个大概的清单吗?
    5. 总而言之,想知道zhihui兄,平时维持这个DIY爱好,资金投入的大体情况,以供参考。

    不知道这个是不是敏感话题,之前在给您的个人邮箱[email protected] 发过邮件咨询类似问题。如果不方便在issue里公开回答,是否可以邮件给我: [email protected]一些指导和答复?

    谢谢! Johnny

    opened by jpixy 2
  • 步进电机校准失败

    步进电机校准失败

    稚晖君,你好: 我调试电机驱动板的时候发现,校准老是失败。我在OnUartCmd中添加控制校准的代码。上电后通过串口发送'C' 校准电机。当电机正转两圈反转两圈后,检查校准数据失败,CalibrationDataCheck的返回值是CALI_ERROR_AVERAGE_DIR。请问下有可能是什么原因导致的呢? image

    驱动板和电机的连接是这样的: IMG_20220409_140326

    opened by jzijin 1
  • 关于步进电机驱动代码中数字的疑惑

    关于步进电机驱动代码中数字的疑惑

    作者你好,最近在看步进电机的驱动代码,但是在类似表示FOC控制的函数中存在疑惑若有空希望能帮忙解惑 1.如下面的将dac_reg*5083,这个5083该如何理解 2.同时想咨询一下,步进电机的软件细分有类似的文章能推荐一下吗,原理不了解,代码理解起来比较困难 非常感谢 _void TB67H450Base::SetFocCurrentVector(uint32_t _directionInCount, int32_t _current_mA) { phaseB.sinMapPtr = (_directionInCount) & (0x000003FF); phaseA.sinMapPtr = (phaseB.sinMapPtr + (256)) & (0x000003FF); phaseA.sinMapData = sin_pi_m2[phaseA.sinMapPtr]; phaseB.sinMapData = sin_pi_m2[phaseB.sinMapPtr]; //dac_reg uint32_t dac_reg = abs(current_mA); dac_reg = (uint32_t) (dac_reg * 5083) >> 12; dac_reg = dac_reg & (0x00000FFF);

    opened by mailonghua 1
  • 关于机器人运动学逆解法的代码细节

    关于机器人运动学逆解法的代码细节

    1、qs qa qw solFlag是什么意思?

    2、R06 与 L6_WRIST 矩阵相乘得到的 L0_wt是啥意思?

    3、书中是4x4的位姿矩阵通过左乘Ai^(-1)一步步解耦获得每个角的角度,您的思路是通过把3x3的旋转矩阵与3x1的位置矩阵分开计算的,请问这个算法有没有详细的流程介绍。求稚晖君指点一二。

    opened by LZD0502 1
Owner
稚晖
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稚晖
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