描述

介紹

當(dāng)我在我們的機(jī)器人俱樂部AeRobotix INSAT中發(fā)現(xiàn)一個(gè)舊機(jī)械臂時(shí)，這個(gè)項(xiàng)目的想法就開始了。它的情況不是很好，因?yàn)樗呀?jīng)閑置多年，被遺棄了。這個(gè)機(jī)器人的名字叫優(yōu)比機(jī)器人。

該項(xiàng)目的主要思想是構(gòu)建一個(gè)自動(dòng)機(jī)械臂來分類彩色物體。它會(huì)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(shí)時(shí)操作系統(tǒng)FreeRTOS 運(yùn)行。 在實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中，機(jī)械臂可用于焊接、物料搬運(yùn)、熱噴涂、噴漆和鉆孔等多種用途。

機(jī)械 DIY

在項(xiàng)目開始時(shí)，一些部件損壞嚴(yán)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(jìn)電機(jī)。然后，我引入了一些潤滑液，以改善一些傳動(dòng)裝置和機(jī)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(jìn)驅(qū)動(dòng)器

為了給這個(gè)機(jī)械臂供電，我使用了 ATX 電源，因?yàn)樗梢詾椴竭M(jìn)電機(jī)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(shí)，在我對合適的步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器的研究中，A4988 步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器考慮到它的小尺寸和便宜的價(jià)格是一個(gè)不錯(cuò)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(xiàng)目更有條理，我使用ISIS Proteus 設(shè)計(jì)了一個(gè)簡單的電路。 它包含一個(gè)為真空泵提供必要電流的繼電器驅(qū)動(dòng)電路和一個(gè)檢查有色物體是否存在的紅外物體傳感器。此外，步進(jìn)電機(jī)連接直接與 CNC shield V3 建立。

電路原理圖：

打印設(shè)計(jì)、焊接組件并測試全部功能后：

效應(yīng)器

不幸的是，原來的機(jī)器人效應(yīng)器嚴(yán)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(dāng)排氣裝置的氣動(dòng)能量。

圖像處理

在這部分項(xiàng)目中，我使用了計(jì)算機(jī)視覺庫 Open -CV來檢測彩色物體并確定它們的坐標(biāo)。該程序?qū)⒃谖业?a target='_blank' class='arckwlink_none'>電腦上運(yùn)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(dāng)檢測到物體時(shí)，它只需將其坐標(biāo)和顏色發(fā)送到 STM32 微控制器。然后，手臂的主程序會(huì)將這些坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到機(jī)器人的真實(shí)坐標(biāo)系中。

您可以Object_Sorting.py在下面的代碼部分或我的 GitHub 存儲(chǔ)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(jìn)行了編程。關(guān)于同時(shí)控制步進(jìn)電機(jī)的必要性，我發(fā)現(xiàn)實(shí)時(shí)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(gè)任務(wù)的開發(fā)，而不是在事情運(yùn)行時(shí)進(jìn)行調(diào)度。FreeRTOS是一個(gè)免費(fèi)的實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)。它是專業(yè)開發(fā)的，嚴(yán)格的質(zhì)量控制，強(qiáng)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(biāo)的具體關(guān)節(jié)角度（θ1，θ2，θ3，θ4），因?yàn)樗旧鲜浅绦蛑斜夭豢缮俚牟僮鳎晕耶嬃艘粋€(gè)簡化的方案：

這個(gè)方程組的求解非常復(fù)雜，會(huì)導(dǎo)致我們找到無數(shù)個(gè)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(huì)給我們兩種解決方案。我選擇了其中 (θ2>θ3) 的那個(gè)，因?yàn)樗m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(shí)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(shí)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(yùn)行四個(gè)任務(wù)：其中三個(gè)是管理步進(jìn)電機(jī)，第四個(gè)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(shí)時(shí)交互，與我的計(jì)算機(jī)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(dòng) RTOS 調(diào)度程序：main.c(233)

實(shí)施 Set_Joint_Angles()：此函數(shù)會(huì)將 (x, y, z) 命令坐標(biāo)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(shí)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(shí)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(dāng)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(xiàng)目（Keil μVision + STM32cubeMX 文件）可在我的 GitHub 存儲(chǔ)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(gè)項(xiàng)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(dòng)中獲得的大量知識。我還學(xué)到了很多新技能，尤其是在計(jì)算機(jī)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(gè)項(xiàng)目的支持。

如果您需要更多信息，請隨時(shí)與我聯(lián)系：[email protected]

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