机械臂开源硬件

描述

介绍

当我在我们的机器人俱乐部AeRobotix INSAT中发现一个旧机械臂时，这个项目的想法就开始了。它的情况不是很好，因为它已经闲置多年，被遗弃了。这个机器人的名字叫优比机器人。

该项目的主要思想是构建一个自动机械臂来分类彩色物体。它会将它们放置在每种颜色的预定义区域中。该手臂将基于实时操作系统FreeRTOS 运行。 在实际工业应用中，机械臂可用于焊接、物料搬运、热喷涂、喷漆和钻孔等多种用途。

机械 DIY

在项目开始时，一些部件损坏严重。这就是为什么我更换了一些部件，例如损坏的齿轮和阻塞的步进电机。然后，我引入了一些润滑液，以改善一些传动装置和机械连接。不幸的是，效应器的状况也很糟糕，不得不更换。

 

电源和步进驱动器

为了给这个机械臂供电，我使用了 ATX 电源，因为它可以为步进电机产生 24V 直流电，为真空泵产生 12V 直流电，因此足以满足此应用的需求。此外，它体积小，非常适合固定在手臂下。

同时，在我对合适的步进驱动器的研究中，A4988 步进驱动器考虑到它的小尺寸和便宜的价格是一个不错的选择。另外，为了减少威廉希尔官方网站 的拥堵，我使用了CNC shield V3。

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为了减少布线并使项目更有条理，我使用ISIS Proteus 设计了一个简单的威廉希尔官方网站 。 它包含一个为真空泵提供必要电流的继电器驱动威廉希尔官方网站 和一个检查有色物体是否存在的红外物体传感器。此外，步进电机连接直接与 CNC shield V3 建立。

威廉希尔官方网站 原理图：

打印设计、焊接组件并测试全部功能后：

效应器

不幸的是，原来的机器人效应器严重受损。因此，我决定使用Solidworks创建自己的效应器。它使用带有真空泵和适当排气装置的气动能量。

图像处理

在这部分项目中，我使用了计算机视觉库 Open -CV来检测彩色物体并确定它们的坐标。该程序将在我的电脑上运行，并从网络摄像头（摄像头固定在手臂顶部）获取数据帧。然后，它将分析这些帧并检查定义半径内的对象。优先顺序是（从前到后）：

当检测到物体时，它只需将其坐标和颜色发送到 STM32 微控制器。然后，手臂的主程序会将这些坐标转换到机器人的真实坐标系中。

您可以Object_Sorting.py在下面的代码部分或我的 GitHub 存储库中找到该程序：https ://github.com/AlaHammouda/Robotic-Arm-Project 。

我使用库中的范围检测器脚本imutils 来修复 HSV 颜色空间中的下边界和上边界。

测试演示：

主要程序：

在金字塔的顶端，我使用STM32F410RB NUCLEO 板对手臂进行了编程。关于同时控制步进电机的必要性，我发现实时操作系统不仅效率更高，而且可以让您将复杂的问题分解成更简单的部分。因此，您可以专注于每个任务的开发，而不是在事情运行时进行调度。FreeRTOS是一个免费的实时嵌入式操作系统。它是专业开发的，严格的质量控制，强大和支持。它也可用于许多流行的微控制器，包括STM32 。

• 理论研究：

为了确定效应器任意（x，y，z）坐标的具体关节角度（θ1，θ2，θ3，θ4），因为它基本上是程序中必不可少的操作，所以我画了一个简化的方案：

这个方程组的求解非常复杂，会导致我们找到无数个解。因此，我决定通过固定角度 θ4= -π/2 rad 来简化它们：

现在，系统的分辨率会给我们两种解决方案。我选择了其中 (θ2>θ3) 的那个，因为它更适合手臂，也更方便：

此解决方案仅通过以下方式确定和测试：

• 代码实现：

在STM32CubeMx中修复微控制器的配置并在Keil uVision IDE中生成设置代码后，代码的实现是唯一剩下的事情。

该程序的总体思路非常简单，它只是在FreeRTOS 中运行四个任务：其中三个是管理步进电机，第四个是处理手臂每种状态下的特定操作。

为了确保与对象的实时交互，与我的计算机的通信是使用 UART 中断建立的。

包括库和声明变量： main.c(56)

任务的定义和创建： main.c(208)

启动 RTOS 调度程序：main.c(233)

实施 Set_Joint_Angles()：此函数会将 (x, y, z) 命令坐标转换为 (θ1, θ2, θ3, θ4) 关节角度，正如我们在上一节中解释的那样：main.c(485)

实施 Stepper1_Task_function()：此函数将处理 Joint1 的旋转。Stepper2_Task_function( ) 和 Stepper3_Task_function( ) 中的代码相同main.c(516)

实施 Main_Arm_Task_function()：此函数将处理手臂的状态和每种情况下的适当操作：main.c(600)

在中声明变量stm32f4xx_it.c(41)：

接收和处理 UART 中断的数据：stm32f4xx_it.c(104)

您可以在下面的代码部分找到这些文件（main.c、stm32f4xx_it.c） 。完整的程序项目（Keil µVision + STM32cubeMX 文件）可在我的 GitHub 存储库中找到：https ://github.com/AlaHammouda/Robotic-Arm-Project 。

测试主程序：

最后

在完成我的工程研究之前，这个项目是一次很棒的经历。我应用了我在学习期间或课外活动中获得的大量知识。我还学到了很多新技能，尤其是在计算机视觉和嵌入式系统编程方面。

最后，我要感谢并感谢我的好家人AeRobotix INSAT ，感谢我从中学到的一切以及对这个项目的支持。

如果您需要更多信息，请随时与我联系：hammouda.alaaeddine@gmail.com