老外制作钢铁侠手臂教程（自制一条钢铁侠智能机械臂）

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

其中前两者和Peak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，这样方案的问题在于，grbl固件耦合性比较强（毕竟不是针对机械臂而是CNC类应用设计的）不便于扩展，另外脉冲形式的控制方式使得走线极其不优雅（每一个关节都要单独拉step/dir线到控制器，导致最后几个关节走线很长）。

而我用一体闭环的方式则可以以串联的形式把所有电机连起来即可，走CAN总线使得整体走线只需要四根线（电源正负两根，CAN信号线两根），此外总线模型使得电机可以工作在力矩、速度、位置、轨迹模式下，而脉冲模式只能工作在位置和轨迹模式，无法进行复杂控制。

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。

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或者低功耗编码器 电池；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。

另外六个电机使用CAN总线连接，每个电机接受两个ID号的信息（自己的ID、0号ID），0号ID作为信息广播和同步用。电机接收到运动指令后将信息储存在影子寄存器中，待收到广播的同步信号后开始运动，这样能进一步保证电机同步性。

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。

指令模式

Dummy固件支持三种不同的指令模式（指令可以由USB、串口、CAN接收），不同模式的特性有所区别，见下表：

	指令发送频率	指令执行方式	可被新指令打断	指令间停顿	适合场景
SEQ（顺序指令）	随机，低（<5Hz）	FIFO队列依次执行	否	有	一次性发送几个关键点位姿，等待依次执行，可以确保关键点到达；但是由于关键点之间存在减速到0的过程所以存在一定停顿；适合场景例如视觉抓取、码垛等应用。
INT（实时指令）	随机，频率不限	指令覆盖，立即执行	是	无	用于实时控制，新指令会覆盖正在执行的指令得到立即响应；但是如果一次性发送一系列指令的话则效果会是只执行最后一条；适合场景例如动作同步。
TRJ（轨迹跟踪）	固定，高（200Hz）	自动插值，固定周期执行	否	无	适合用于需要进行精确轨迹跟踪的应用，速度会放慢；示例场景比如3D打印、雕刻、绘画等。

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