四轴视觉机械臂——基于F350下位机

tinnu

四轴视觉机械臂——基于F350下位机 [复制链接]

 

（一）软硬件结构
上位机：连接摄像头，进行图像识别、用户交互
下位机：指令解析，信息上报，传感器信息采集，电机脉冲控制，空间位置顺解逆解
机械结构：3轴+1轴+1夹持架。





（二）机械结构部分介绍
底部三轴采用步进电机控制，保证精度；
主要负重的主轴和副轴采用42bygh48，旋转轴采用42bygh34。
（关于这个电机的问题真的坑啊……我设计的机械臂有点太大了，不断加传动比都很容易出现力矩不够的情况，1.0版的机械臂1：3.5的传动比，一直换到42bygh48都不行，42bygh48基本是市面上常见的步进里面力矩最大的……而且这个步进电机也是贼贵，几个几个的买真的吃不消……最后不行，改版弄出了一个2.0般的机械臂，1：5的传动比）
末端旋转轴采用mg996舵机控制；
夹持架采用mg996

（三）硬件结构
一开始是用cnc shield控制板+一块自己焊的接口板（接角度传感器+限位开关）：

后来自己画了一块：

黑油板是不是很酷？其实因为我犯了个很难受的错误，导致一些地线没接上，所以其实这个板子背后有好几根飞线来着……


舵机供电也是个巨坑，我设计了两个供电方案保证成功：
LM7805从12V转到5V：

还有一个就是直接usb供

（四）下位机功能

1、传感器信息采集

步进电机这种东西虽然常用于开环控制，但奈何那都是力矩经过验算的情况，我这个容易遇到力矩大的角度的机械臂不知道什么时候就失步了，所以用两个mpu6050反馈主轴和副轴的角度信息。

不过这个反馈并非数控传统意义上的闭环控制，只是运动结束之后同步一下。

此外，如果传感器损坏或者接触不良等恶劣情况下系统也会转为开环控制。

程序设计中也为adxl345提供了接口，不过因为时间关系还没来得及实现，不过相比于mpu6050，前者还是比较实惠的，虽然mpu6050可以姿态融合，但奈何对采集速度要求严格，间隔一大就读不出来，结果还是直接读角度算了。

2、信息上报：

下位机接口有两个，USART2的串口和基于USART1的esp8266无线模块，可以通过SERIAL交互、tcp socket交互

上报设计了专门的上报体系，不会影响电机控制算法。

3、电机脉冲控制：

保证电机脉冲控制的优先度最高，采用定时器生成时基、控制时基单元数量控制电机运动速度的方式。

4、指令解析：

为了保证指令的识别度我没用标准的NC指令，自己设计了一套：

指令以_&为开始，以;结束，包含直接传入xy坐标、前后左右、旋转、夹持、翻转、复位、查询：

1. int command_operate(u8 *USART_RX_BUF,u16 USART_RX_STA)
   
2. {
   
3.         double x_dis=x_current,y_dis=y_current;                //保存临时路程变量
   
4.         u16 speed;                                                                        //保存临时速度参数
   
5.         
   
6.     char SearchChar[USART_REC_LEN];
   
7.         char command[3]="0";
   
8.     double command_num[3]={0};
   
9.         
   
10.         u16 len = USART_RX_STA&0x3fff;
    
11.         u8 CommandCount = 0;
    
12.         
    
13.         //1、获取指令、参数
    
14.         memcpy(SearchChar, USART_RX_BUF, len);
    
15.         CommandCount = search4(SearchChar, command, command_num);
    
16.         
    
17.         if(CommandCount <= 0){
    
18.                 ReportStruct.Uart1ReportFlag.VerifyError = 1;
    
19.                 ReportStruct.Uart2ReportFlag.VerifyError = 1;
    
20.                 return -1;
    
21.         }
    
22.         
    
23.         //2.2、确定路程参数
    
24.         switch(command[0])
    
25.         {
    
26.                 case 'F':
    
27.                         x_dis = x_current+command_num[0];
    
28.                         break;
    
29.                 case 'B':
    
30.                         x_dis = x_current-command_num[0];
    
31.                         break;
    
32.                 case 'U':
    
33.                         y_dis = y_current+command_num[0];
    
34.                         break;
    
35.                 case 'D':
    
36.                         y_dis = y_current-command_num[0];
    
37.                         break;
    
38.                 case 'R':
    
39.                         rotation_angle_distance = command_num[0];
    
40.                         break;
    
41.                 case 'X':
    
42.                         x_dis = command_num[0];
    
43.                         if(command[1] == 'Y')
    
44.                                 y_dis = command_num[1];
    
45.                         break;
    
46.                 case 'C':
    
47.                         click_num = command_num[0];
    
48.                         break;
    
49.                 case 'T':
    
50.                         turn_num = command_num[0];
    
51.                         break;
    
52.                 case 'S':
    
53.                         break;
    
54.                 case 'E':
    
55.                         break;
    
56.                 default:
    
57.                         ReportStruct.Uart1ReportFlag.VerifyError = 1;
    
58.                         ReportStruct.Uart2ReportFlag.VerifyError = 1;
    
59.                         return -2;
    
60.         }
    
61.         
    
62.         if(CommandCount == 2 && command[1] == 'S')
    
63.         {
    
64.                 speed = (u16)command_num[1];
    
65.         }
    
66.         else if(CommandCount == 3 && command[0] == 'X'  && command[1] == 'Y' && command[2] == 'S')
    
67.         {
    
68.                 speed = (u16)command_num[2];
    
69.         }
    
70.         else
    
71.                 speed = 150;
    
72.                
    
73.         //3、执行
    
74.         if(command[0] == 'R'){
    
75.                 point_to_point_rotation(rotation_angle_distance,speed);
    
76.                 ReportStruct.Uart1ReportFlag.VerifySuccess = 1;
    
77.                 ReportStruct.Uart2ReportFlag.VerifySuccess = 1;
    
78.         }
    
79.         else if(command[0] == 'C'){
    
80.                 click_pwm();
    
81.                 ReportStruct.Uart1ReportFlag.ExecuteFinish = 1;
    
82.                 ReportStruct.Uart2ReportFlag.ExecuteFinish = 1;
    
83.         }
    
84.         else if(command[0] == 'T'){
    
85.                 turn_pwm();
    
86.                 ReportStruct.Uart1ReportFlag.ExecuteFinish = 1;
    
87.                 ReportStruct.Uart2ReportFlag.ExecuteFinish = 1;
    
88.         }
    
89.         else if(command[0] == 'S'){
    
90.                 Limit_Disable();
    
91.                 io_init();
    
92.                 locate_init();
    
93.                 Limit_Enable();
    
94.                 ReportStruct.Uart1ReportFlag.ExecuteFinish = 1;
    
95.                 ReportStruct.Uart2ReportFlag.ExecuteFinish = 1;
    
96.         }
    
97.         else if(command[0] == 'E'){
    
98.                 if(!(prime_run_flag||vice_run_flag||rotation_run_flag))
    
99.                 {
    
100.                         ReportStruct.Uart1ReportFlag.ExecuteFinish = 1;
     
101.                         ReportStruct.Uart2ReportFlag.ExecuteFinish = 1;
     
102.                 }
     
103.                 else
     
104.                 {
     
105.                         ReportStruct.Uart1ReportFlag.VerifySuccess = 1;
     
106.                         ReportStruct.Uart2ReportFlag.VerifySuccess = 1;
     
107.                 }
     
108.         }
     
109.         else{
     
110.                 point_to_point_xy(x_dis,y_dis,speed);
     
111.                 ReportStruct.Uart1ReportFlag.VerifySuccess = 1;
     
112.                 ReportStruct.Uart2ReportFlag.VerifySuccess = 1;
     
113.         }
     
114.         
     
115.         return 1;
     
116. }

复制代码

至于识别算法可以具体参考我的工程文件里面的communicate文件
下位机程序： GD_TARM.rar (3.41 MB, 下载次数: 6)

2018-10-20 00:06 上传

点击文件名下载附件

（五）上位机

上位机程序基于qt和opencv，是跨平台应用，我实现了基于x86的win、linux和基于arm的linux版本。

双目摄像头目前采用的是两个廉价的UVC摄像头拼成，目标识别算法采用yolo v2

基于串口的win上位机：链接：

链接已隐藏，如需查看请登录或者注册

提取码：c23t

基于tcp socket的win上位机： TARM_V4.exe (124 KB, 下载次数: 1)

2018-10-20 00:08 上传

点击文件名下载附件

基于tcp socket的安卓的上位机： tarm.apk (1.55 MB, 下载次数: 0)

2018-10-20 00:08 上传

点击文件名下载附件

（六）手动控制

这个演示当时采用的是1.0般机械臂，电机是42bygh40，传动比只有1：3.5，所以很容易出现力矩不够的情况：

整体概况：

前后左右（1.0版本是很脆弱，不敢让它动作太大，不然一下子就啪的掉下来了）：

触碰限位（可以看到它压了几次都没压到限位（捂脸）后面那个位置力矩是真的不够）：

（七）重头戏——自动识别水杯搬运

这个2.0版的力矩大些，但也是很难伺 候，拆了调好久，所以没用他来演示手动控制。

桌面放不下机械臂来演示，没办法，只能用rk3288的arm开源硬件来控制，win远程登录，rk3288的性能可以从视频中中途尴尬的静默看出来（捂脸），一开始用树莓派当上位机，结果程序一跑直接崩溃……

至于这个画质……学校校园网刚禁止的无线网络，没wifi用，只能用手机传……

（八）ps

演示效果挺差强人意，整块捣鼓下来真的费劲（口袋也吃不消，下面那个底座打印件、电机都贼贵……那个性能拆墙任意的rk3288也不便宜……）

虽然有让朋友帮忙弄机械结构，但大部分都是我自己动手的，加上上位机、硬件、下位机，各种bug，这段时间真的折腾……

nmg

附给评委补充材料：

经验分享	tinnu	F350串口那些事	点击查看
问题讨论	tinnu	F350的pwm配置不成功	点击查看

Orima

不错,给学习者一个经验积累...
谢谢分享!

bqgup

楼主，不知道你的舵机电路解决没，我这儿有一个调试好的舵机电路图，如果您需要的话，我就发给你看看用不用的上

白丁

这个好复杂的样子

efree

不错，支持下

特效化妆师

真心求合作，我有个差不多的项目，仿生机械的

特效化妆师

一定不要忽视我啊，我辣么可爱的

tinnu

bqgup 发表于 2018-10-20 18:05
楼主，不知道你的舵机电路解决没，我这儿有一个调试好的舵机电路图，如果您需要的话，我就发给你看看用不用 ...

我目前主要的pwm传输距离有些问题，我之前为这个搞了挺久的，别人推荐我用开关电路，但也只能传输40cm左右，多一点就不稳。如果版主有方案那就太好了，不过这两个月正在赶着考研复习，等十二月之后再请教可行

tinnu

特效化妆师 发表于 2018-11-1 16:16
一定不要忽视我啊，我辣么可爱的

呃……主要是这两个月都要赶着考研复习进度，现在我的复习进度非常尴尬……如果可以的话十二月之后再交流？

bqgup

tinnu 发表于 2018-11-19 19:37
我目前主要的pwm传输距离有些问题，我之前为这个搞了挺久的，别人推荐我用开关电路，但也只能传输40cm左 ...

舵机光耦隔离原理图

lishunde

不错，支持下

tinnu

bqgup 发表于 2018-11-19 19:53
舵机光耦隔离原理图

对了，这个光耦IC是用什么型号的？

bqgup

tinnu 发表于 2019-3-4 17:51
对了，这个光耦IC是用什么型号的？

光耦隔离芯片TLP521