My super compact robotic arm project.
Video Introduction: 【Homemade】I Made a Steel Iron Man Robotic Arm!【Hardcore】
- Добавлены исходные файлы дизайна 3D-моделей.
- Добавлены файлы аппаратного дизайна захвата и печатной платы светодиодного кольца.
- Добавлены файлы печатной платы для беспроводного контроллера пространственного позиционирования.
- Добавлены программное и аппаратное обеспечение для беспроводного устройства обучения Peak (в виде подмодуля).
- Добавлены файлы аппаратного дизайна REF.
- Добавлено настольное приложение DummyStudio.
- Добавлен исходный код прошивки для основного контроллера Dummy (см. инструкции ниже).
- Добавлен проект аппаратной части для шагового двигателя на 42 шага.
- Добавлен проект аппаратной части для шагового двигателя на 20 шагов.
- Добавлен исходный код прошивки для шаговых двигателей на 42/20 шагов.
- Добавлен инструмент командной строки "reftool" (на основе фреймворка odrivetool).
- Добавлены файлы модели для портативного переносного кейса.
Это полное решение для оригинального роботизированного манипулятора, показанного в видео. Стоимость и сложность этого варианта довольно высоки, поэтому я рекомендую дождаться выхода молодежной версии Dummy, если вы хотите его воспроизвести. Молодежная версия будет включать следующие улучшения:
- Общая конструкция будет переработана с использованием 3D-печати в качестве производственного решения (в оригинальной версии используется алюминиевое ЧПУ), что значительно снизит затраты на производство.
- Будет использоваться мой собственный компактный циклоидальный редуктор вместо оригинального гармонического привода, что значительно снизит стоимость компонентов.
- Всё программное и аппаратное обеспечение будут совместимы и сохранят ту же функциональность, что и в оригинальной версии.
- Будет включено приложение для ПК и мобильное приложение (с руководством по первоначальной настройке для пользователей), разработанные мною.
- Метод подключения оригинального привода двигателя будет улучшен. В оригинальной версии для подключения питания использовалась пайка, что неудобно для установки и демонтажа. В молодежной версии будет использоваться 4-контактный разъем (питание + шина CAN).
- Общая стоимость будет стремиться оставаться ниже 2000 единиц.
- И самое главное, будет полноценное видео-руководство!
Оригинальная конструкция, показанная в видео, использует шаговые двигатели и гармонический редуктор. Последний является довольно дорогим компонентом (я купил б/у примерно за 600 единиц), поэтому, чтобы сделать проект более доступным для всех, я позже добавлю бюджетное решение с использованием самодельного циклоидального редуктора и 3D-печати.
Циклоидальный редуктор уже разработан и в настоящее время проходит тестирование. Ожидается, что он будет изготовлен с помощью резки из поликарбоната (или акрила) в сочетании с 3D-печатью, что приведет к небольшому снижению точности, но сохранит всю функциональность. Ожидается, что стоимость всего оборудования будет удерживаться в пределах 2000 единиц.
Разработанный циклоидальный редуктор можно найти в моем другом репозитории: peng-zhihui/CycloidAcuratorNano.
Для реализации основной функции управления движением роботизированного манипулятора схема состоит из четырёх основных плат:
- Основная плата REF
- Плата основания REF (контроллер внутри основания манипулятора)
- Привод шагового двигателя
- Устройство обучения Peak
Я опубликовал в открытый доступ первые две платы и Peak. При проектировании привода шагового двигателя я ориентировался на проект unlir/XDrive, разработанный моим другом. Это драйвер с замкнутым контуром на базе STM32, доступный в открытой и закрытой версиях. Закрытая версия использует высокопроизводительные дискретные MOSFET и имеет полную функциональность, в то время как открытая версия использует АЦП и чип управления по схеме отсечки, предоставляя базовые функции без поддержки CAN-протокола.
Я переработал схему печатной платы привода (добавлены файлы для двигателей на 20, 42 и 57 шагов для возможных расширений) и добавил аппаратную поддержку шины CAN. Также я полностью переписал оригинальный код, предоставив предварительно скомпилированные бинарные файлы, которые можно прошивать напрямую.
Основные улучшения следующие:
- Код был переписан с использованием C++11, что добавило множество современных возможностей языка. Нижний уровень по-прежнему использует C, что сохраняет высокую производительность кода.
- Аппаратная зависимость полностью разделена, что упрощает портирование на другие платформы микроконтроллеров в будущем. Убран избыточный код, структура стала более организованной.
- Добавлены пользовательские шаблоны для протоколов CAN и UART.
- Добавлено хранение параметров с использованием аналоговой EEPROM, что позволяет сохранять данные при отключении питания.
- Любое положение может быть установлено как нулевая точка отсчета, что обеспечивает калибровку в пределах полуворота в обоих направлениях (а не только в одном).
- Полная совместимость с библиотекой STM32-HAL, что позволяет использовать STM32CubeMX для генерации конфигурационного кода.
- Другие улучшения. Для дальнейшей разработки сосредоточьтесь на файлах в папке "UserApp".
Использование драйвера Ctrl-Step довольно простое. После загрузки прошивки при первом включении двигатель выполнит калибровку энкодера. Если она успешна, при последующих включениях нажатие кнопки 1 переведет систему в режим замкнутого контура, и двигатель можно будет управлять, отправляя команды через CAN или UART. Инструкции можно найти в исходном коде в папке "UserApp", особенно в файлах "interface_can.cpp" и "interface_uart.cpp".
- Одновременное нажатие обеих кнопок при включении запускает автоматическую калибровку энкодера. Если первоначальная калибровка не удалась, её можно повторить таким образом.
- Кратковременное нажатие кнопки 1 переключает между режимами включения/отключения замкнутого контура.
- Длительное нажатие кнопки 1 перезагружает плату.
- Кратковременное нажатие кнопки 2 очищает защиту от блокировки двигателя.
- Длительное нажатие кнопки 2 сбрасывает целевую позицию в ноль (например, если в режиме позиционирования, положение будет сброшено в ноль).
Другие функции можно настроить через код или протоколы связи, такие как установка нулевой точки, параметры PID, идентификатор узла CAN и различные параметры движения.
Можно модифицировать и использовать драйверы GRBL для управления этим манипулятором. Однако у GRBL есть недостаток в виде сильной связанности (он предназначен для ЧПУ, а не для роботизированных манипуляторов), а также неэффективный метод подключения (каждое сочленение требует отдельных проводов для «step/dir», что приводит к длинным проводам для последних суставов).
В отличие от GRBL, использование интегрированного драйвера с замкнутым контуром позволяет соединить все двигатели последовательно через шину CAN, что требует всего четыре провода для подключения (два для питания и два для сигнала CAN). Модель с шиной также позволяет двигателям работать в режимах усилия, скорости, положения и траектории, в то время как импульсный режим поддерживает только положения и траектории, что ограничивает сложное управление.
Программное и аппаратное обеспечение для Peak уже опубликовано в открытом доступе. Более подробную информацию можно найти в файле README в папке SubModules.
Основной функционал прошивки этого манипулятора заключается в расчете кинематической позы. Я всё еще его упорядочиваю, но позже он будет открыт с лучшей упаковкой. Прошивка была перенесена с LiteOS на более знакомый FreeRTOS, что упрощает дальнейшую разработку.
Прошивка включает несколько основных модулей:
- Драйверы BSP: Управление встроенными аппаратными компонентами, такими как OLED, IMU, светодиоды, динамики, энергонезависимая память и т.д.
- Сторонние библиотеки: Включают графическую библиотеку U8G2 и библиотеку сериализации Fibre.
- Core: Официальная библиотека HAL от ST.
- Driver: Драйвер ARM CMSIS.
- Middleware: Пакет поддержки FreeRTOS.
- Robot: Основная библиотека для робота, включая различные алгоритмы и драйверы.
- UserApp: Верхнеуровневые приложения, позволяющие разрабатывать другие программы на основе предоставленных API.
OLED-дисплей перенесён из библиотеки Arduino U8G2, что упрощает отображение отладочной информации. Из-за ошибки аппаратного I2C в STM32 использован программный драйвер I2C для экрана, который в тестах показал более высокую частоту кадров по сравнению с аппаратным I2C.
Класс DummyRobot определяет всю функциональность манипулятора. Во время инициализации необходимо задать информацию о драйвере шагового двигателя и параметры DH.
Информация о драйвере включает в себя идентификатор узла CAN, направление (реверс или нет), передаточное число редуктора и диапазон ограничения движения.
Значение параметров DH следующее:
- d (offset): Расстояние вдоль оси предыдущего звена.
- θ (theta): Угол вращения вокруг оси текущего звена.
- r (radius): Расстояние от оси текущего звена до следующего.
- α (alpha): Угол между осями двух последовательных звеньев.
Эти параметры используются для описания геометрии и кинематики манипулятора, что позволяет правильно рассчитывать его движение и позы.
Конфигурация роботизированного манипулятора должна соответствовать критерию Пайпера (три соседние оси суставов робота должны пересекаться в одной точке или быть параллельными), чтобы получить аналитические решения. Поэтому вы можете изменить структуру манипулятора на основе Dummy и заменить параметры DH, чтобы адаптировать мой код к вашему собственному дизайну манипулятора.
О запоминании положения и калибровке нуля при включении:
Поскольку положение абсолютного энкодера действительно только в пределах одного оборота, в промышленных манипуляторах обычно используются энкодеры на выходе для получения абсолютного положения. Однако это снижает точность в 30 раз (из-за передаточного числа редуктора). Более разумным подходом является использование "двойных энкодеров" или "энкодера с низким энергопотреблением + батареи". В этом проекте использование двойных энкодеров повлияло бы на компактность конструкции, поэтому я принял более хитрое решение: используя контур управления током двигателя, манипулятор выполняет низкокрутящийся возврат в нулевую точку после включения. При встрече с механическим ограничителем подтверждается грубая нулевая точка (без использования концевых выключателей), а затем точная корректировка нуля выполняется на основе положения однооборотного абсолютного энкодера. Этот метод обеспечивает нулевую точку без погрешностей и практически не зависит от точности изготовления, поскольку находится в пределах диапазона абсолютного энкодера в 12 градусов (360/30).
Проект Peak основан на проекте X-Track. Более подробную информацию можно найти в репозитории Peak.
Программное моделирование, показанное в видео, основано на RoboDK. Я разработал драйвер для подключения к Dummy (документация представлена в официальных документах; оригинальная версия использовала интерфейс TCP, но я изменил её на использование последовательного интерфейса, совместимого с протоколом Dummy). Однако, поскольку RoboDK является коммерческим программным обеспечением, я также разработал собственное настольное приложение с использованием Unity3D, которое уже выпущено в репозитории.
Пока нет планов открывать исходный код настольного приложения, так как оно требует еще многих доработок. Моя цель — создать универсальное программное обеспечение, подобное RoboDK, которое можно будет использовать для самодельных роботизированных манипуляторов в будущем. Конечно, это программное обеспечение будет бесплатным.
Кинематика уже реализована. Вычисления прямой и обратной кинематики основаны на традиционных параметрах DH. Прямая кинематика (углы сочленений к позе захвата) довольно проста и имеет уникальное решение. Однако обратная кинематика (поза захвата к углам сочленений) может иметь несколько решений (в общем случае 8). В моей реализации я выбираю набор углов сочленений с наименьшим максимальным изменением среди 6 углов между предыдущей и целевой позами в качестве решения. Это гарантирует, что манипулятор всегда будет переходить с минимальными угловыми перемещениями.
Далее — преобразование углов сочленений в сигналы привода двигателя. Я использую трапецеидальные кривые ускорения/замедления для планирования скорости и положения. Например, в команде MoveJ при получении команды движения по углу сочленения контроллер рассчитывает разности углов для 6 суставов, выбирает сустав с наибольшим угловым отклонением (обозначенный как θ) и вычисляет время, необходимое для движения θ, исходя из параметра JointSpeed (с учетом ускорения и замедления). Это время используется для расчета ускорения, замедления и максимальной скорости для оставшихся 5 двигателей. Затем все 6 двигателей синхронно перемещаются по рассчитанным параметрам, обеспечивая синхронизацию и плавное движение.
Шесть двигателей подключены через шину CAN. Каждый двигатель получает два идентификационных номера (свой собственный ID и ID 0) для связи (ID 0 используется для вещания и синхронизации). После получения команды движения двигатель сохраняет информацию в теневые регистры и начинает движение при получении сигнала синхронизации, что обеспечивает синхронность двигателей.
Наконец, динамическая часть еще разрабатывается и не полностью реализована. Я настоятельно рекомендую обращаться к книге "Введение в робототехнику" для упомянутых выше кинематических и динамических алгоритмов. Она предоставляет детальные объяснения.
Прошивка Dummy поддерживает три различных режима команд (команды могут поступать через USB, последовательный интерфейс или CAN). Каждый режим имеет свои характеристики, как показано в таблице ниже:
| Instruction Frequency | Instruction Execution | Can Be Interrupted | Pause Between Instructions | Suitable Applications | |
|---|---|---|---|---|---|
| SEQ (Sequential) | Random, Low (<5Hz) | Executed in FIFO sequence | No | Yes | Sending a series of key poses, waiting for sequential execution, ensures key point reachability; however, there may be pauses between key points due to deceleration. Suitable for applications such as visual picking, stacking, etc. |
| INT (Instant) | Random, No Limit | Instruction Overwrites | Yes | No | Used for real-time control, where new instructions overwrite the ongoing one for immediate response. However, if a series of instructions is sent at once, only the last one will be executed. Suitable for applications such as motion synchronization. |
ToDo TRJ (Trajectory Tracking) |
Fixed, High (200Hz) | Automatic interpolation, executed at fixed intervals | No | No | Suitable for precise trajectory tracking applications; speed is reduced. Example applications include 3D printing, carving, painting, etc. |
Особая благодарность авторам следующих проектов:
- unlir/XDrive: шаговый двигатель с многофункциональным интерфейсом и замкнутым контуром управления.
- odriverobotics/ODrive: Высокопроизводительное управление двигателями
- olikraus/u8g2: Библиотека U8glib для монохромных дисплеев, версия 2
- samuelsadok/fibre: Слой абстракции для создания распределенных систем, которые работают «просто так»