機械臂開源硬件

描述

介紹

當我在我們的機器人俱樂部AeRobotix INSAT中發(fā)現(xiàn)一個舊機械臂時，這個項目的想法就開始了。它的情況不是很好，因為它已經(jīng)閑置多年，被遺棄了。這個機器人的名字叫優(yōu)比機器人。

該項目的主要思想是構(gòu)建一個自動機械臂來分類彩色物體。它會將它們放置在每種顏色的預(yù)定義區(qū)域中。該手臂將基于實時操作系統(tǒng)FreeRTOS 運行。 在實際工業(yè)應(yīng)用中，機械臂可用于焊接、物料搬運、熱噴涂、噴漆和鉆孔等多種用途。

機械 DIY

在項目開始時，一些部件損壞嚴重。這就是為什么我更換了一些部件，例如損壞的齒輪和阻塞的步進電機。然后，我引入了一些潤滑液，以改善一些傳動裝置和機械連接。不幸的是，效應(yīng)器的狀況也很糟糕，不得不更換。

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電源和步進驅(qū)動器

為了給這個機械臂供電，我使用了 ATX 電源，因為它可以為步進電機產(chǎn)生 24V 直流電，為真空泵產(chǎn)生 12V 直流電，因此足以滿足此應(yīng)用的需求。此外，它體積小，非常適合固定在手臂下。

同時，在我對合適的步進驅(qū)動器的研究中，A4988 步進驅(qū)動器考慮到它的小尺寸和便宜的價格是一個不錯的選擇。另外，為了減少電路的擁堵，我使用了CNC shield V3。

?控制電路

為了減少布線并使項目更有條理，我使用ISIS Proteus 設(shè)計了一個簡單的電路。 它包含一個為真空泵提供必要電流的繼電器驅(qū)動電路和一個檢查有色物體是否存在的紅外物體傳感器。此外，步進電機連接直接與 CNC shield V3 建立。

電路原理圖：

打印設(shè)計、焊接組件并測試全部功能后：

效應(yīng)器

不幸的是，原來的機器人效應(yīng)器嚴重受損。因此，我決定使用Solidworks創(chuàng)建自己的效應(yīng)器。它使用帶有真空泵和適當排氣裝置的氣動能量。

圖像處理

在這部分項目中，我使用了計算機視覺庫 Open -CV來檢測彩色物體并確定它們的坐標。該程序?qū)⒃谖业?a target='_blank' class='arckwlink_none'>電腦上運行，并從網(wǎng)絡(luò)攝像頭（攝像頭固定在手臂頂部）獲取數(shù)據(jù)幀。然后，它將分析這些幀并檢查定義半徑內(nèi)的對象。優(yōu)先順序是（從前到后）：

當檢測到物體時，它只需將其坐標和顏色發(fā)送到 STM32 微控制器。然后，手臂的主程序會將這些坐標轉(zhuǎn)換到機器人的真實坐標系中。

您可以Object_Sorting.py在下面的代碼部分或我的 GitHub 存儲庫中找到該程序：https ://github.com/AlaHammouda/Robotic-Arm-Project 。

我使用庫中的范圍檢測器腳本imutils 來修復(fù) HSV 顏色空間中的下邊界和上邊界。

測試演示：

主要程序：

在金字塔的頂端，我使用STM32F410RB NUCLEO 板對手臂進行了編程。關(guān)于同時控制步進電機的必要性，我發(fā)現(xiàn)實時操作系統(tǒng)不僅效率更高，而且可以讓您將復(fù)雜的問題分解成更簡單的部分。因此，您可以專注于每個任務(wù)的開發(fā)，而不是在事情運行時進行調(diào)度。FreeRTOS是一個免費的實時嵌入式操作系統(tǒng)。它是專業(yè)開發(fā)的，嚴格的質(zhì)量控制，強大和支持。它也可用于許多流行的微控制器，包括STM32 。

• 理論研究：

為了確定效應(yīng)器任意（x，y，z）坐標的具體關(guān)節(jié)角度（θ1，θ2，θ3，θ4），因為它基本上是程序中必不可少的操作，所以我畫了一個簡化的方案：

這個方程組的求解非常復(fù)雜，會導(dǎo)致我們找到無數(shù)個解。因此，我決定通過固定角度 θ4= -π/2 rad 來簡化它們：

現(xiàn)在，系統(tǒng)的分辨率會給我們兩種解決方案。我選擇了其中 (θ2>θ3) 的那個，因為它更適合手臂，也更方便：

此解決方案僅通過以下方式確定和測試：

• 代碼實現(xiàn)：

在STM32CubeMx中修復(fù)微控制器的配置并在Keil uVision IDE中生成設(shè)置代碼后，代碼的實現(xiàn)是唯一剩下的事情。

該程序的總體思路非常簡單，它只是在FreeRTOS 中運行四個任務(wù)：其中三個是管理步進電機，第四個是處理手臂每種狀態(tài)下的特定操作。

為了確保與對象的實時交互，與我的計算機的通信是使用 UART 中斷建立的。

包括庫和聲明變量： main.c(56)

任務(wù)的定義和創(chuàng)建： main.c(208)

啟動 RTOS 調(diào)度程序：main.c(233)

實施 Set_Joint_Angles()：此函數(shù)會將 (x, y, z) 命令坐標轉(zhuǎn)換為 (θ1, θ2, θ3, θ4) 關(guān)節(jié)角度，正如我們在上一節(jié)中解釋的那樣：main.c(485)

實施 Stepper1_Task_function()：此函數(shù)將處理 Joint1 的旋轉(zhuǎn)。Stepper2_Task_function( ) 和 Stepper3_Task_function( ) 中的代碼相同main.c(516)

實施 Main_Arm_Task_function()：此函數(shù)將處理手臂的狀態(tài)和每種情況下的適當操作：main.c(600)

在中聲明變量stm32f4xx_it.c(41)：

接收和處理 UART 中斷的數(shù)據(jù)：stm32f4xx_it.c(104)

您可以在下面的代碼部分找到這些文件（main.c、stm32f4xx_it.c） 。完整的程序項目（Keil μVision + STM32cubeMX 文件）可在我的 GitHub 存儲庫中找到：https ://github.com/AlaHammouda/Robotic-Arm-Project 。

測試主程序：

最后

在完成我的工程研究之前，這個項目是一次很棒的經(jīng)歷。我應(yīng)用了我在學(xué)習(xí)期間或課外活動中獲得的大量知識。我還學(xué)到了很多新技能，尤其是在計算機視覺和嵌入式系統(tǒng)編程方面。

最后，我要感謝并感謝我的好家人AeRobotix INSAT ，感謝我從中學(xué)到的一切以及對這個項目的支持。

如果您需要更多信息，請隨時與我聯(lián)系：hammouda.alaaeddine@gmail.com

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