通过以太网控制的机械臂

应用和在线服务

	Arduino IDE
	WIZnet S2E 配置工具
	Android Studio

关于这个项目

简介

我喜欢机器人手臂。我喜欢你只需要一些简单的机械部件、一些伺服系统或电机和一个好的软件，你就可以得到一个不仅壮观和有趣而且实际上也非常有用的设备。我想建立一个，因为我有一个我非常喜欢的机器人课程。

制作机械臂可以学到很多东西，所以我认为这是一个很好的中级项目，可以加深您对机器人技术的了解。开始吧！

机械臂

你可以从大约 20 美元购买机械臂。为了实验，我想从更便宜的开始。稍后我将建造或购买一个更专业的机械臂，但现在我将使用 Banggood 的 25 美元 DIY 机械臂。

这是一个 4DoF（自由度）机械臂，其中 3 个伺服用于移动，一个用于执行器（我在项目中称之为抓手）。这意味着夹具可以移动到特定区域的任何位置，但其角度不能改变。这是一个很大的限制，但目前还可以，而且对很多事情仍然有好处。

DIY 套件带有 4 个伺服系统，因此实际上除了控制器之外，您还可以获得构建机器人手臂的所有组件。这些舵机还不错，但我更喜欢这些：

这些舵机比蓝色舵机快，而且这些舵机使用的是金属齿轮而不是塑料。

机器人零件有 4 个塑料片。您必须从这些工作表中取出零件。

机械臂套件由一堆零件组成。我建议您观看以下视频。在这段视频中，一个俄罗斯人正在建造相同类型的机械臂。搭建部分7:43开始。

我在包装上有一个关于如何构建机器人手臂的链接，但它的图像和说明质量都很低。那个视频好多了也许你可以弄清楚什么是什么，但如果你这样做，你最终会陷入组装、拆卸、重新组装的几乎无限循环。

插入伺服系统时要非常小心。当您拧紧螺钉时，这种带有这种塑料的设计很容易断裂。螺钉的最佳紧固度对于机器人的其他部分也很重要。把它们弄得太紧，你不能用舵机移动机器人手臂的部分。

经过一些构建，您最终将拥有自己的机械臂。

定位伺服系统有足够长的电缆，但夹具需要更长的电缆。我拆卸了那个伺服器，拆掉了旧电缆，并使用了至少两倍长的电缆。

大脑

好吧，机器人手臂已经准备好了，但你很可能想以某种方式控制它。为此我需要一个微控制器，我选择了我的 Arduino 101 来完成这项工作。

它是唯一使用 Intel 微控制器（Intel Curie）的官方 Arduino 板。它有内置的陀螺仪和加速度计。它还具有蓝牙功能，因此我将来可以通过 BLE 控制机器人。该板的另一个非常有用的功能是串行通信的工作方式。与大多数 Arduino 不同，USB 串行和 UART 引脚 1 和 0（TX 和 RX）不相同。它有它的好处，比如当我重新编程 Arduino 时，我不必从引脚 0 和 1 断开任何其他通信电路。它也可用于调试目的。

如果您想使用 USB 端口的串行，那么您必须使用“串行”，如果您想使用 GPIO0 和 GPIO1 引脚，那么您必须使用“Serial1”

Arduino 101 有 4 个支持 PWM 的 GPIO（GPIO3、GPIO5、GPIO6 和 GPIO9），我用它们来控制舵机。

沟通

我的机械臂可以通过串口控制（具体来说是Serial1）。为此，我使用了我最新的通信模块 WIZ750SR。

这是一个带有 Cortex-M0 MCU 的小型以太网模块。就其基本功能而言，它是一个串行转以太网模块，但您可以轻松地对该模块重新编程以满足您的需求。如果你愿意，你可以把这个板子变成一个 I2C 到以太网板。

一个非常酷的功能是板载 TCP 服务器（或客户端）。使用 TCP 服务器，您可以远程控制 Arduino，就像通过 USB 串行一样，但可以从世界任何地方进行！在 Arduino 方面，它是完全透明的。你不需要在你的草图中添加任何额外的代码来使用这个模块。

我还有一块 WIZ750SR-TTL-EVB 评估板。我可以为 WIZ750SR 供电并有一个调试 USB 端口，但除了一些早期的实验之外，我没有使用它。

Arduino 101 和 WIZ750SR 都使用 3.3V，因此我不必对 TX 和 RX 引脚使用电平转换。 Arduino 还通过其电源为以太网模块供电。该电路非常简单，您可以在该项目的原理图部分找到它。舵机有自己的5V电源。

设置模块

要使用此板，您必须先对其进行配置。我不会重新记录这部分，因为 WIZnet 的人已经在这里完成了，您可以确定您总是在那里获得最新的文档。

他们的文档很棒，但我有一些很好的信息，我有一些（已解决的）问题值得分享。

首先，您可以通过评估板的 USB 端口为评估板供电，但除此之外，该端口主要用于调试和刷机。我相信您无法使用 USB 端口与 WIZ750SR 的 TCP 服务器通信，但是如果您连接到此 COM 端口，您将收到调试信息。一开始这让我有些困惑，因为我不知道会发生什么。

其次，如果 WIZ750SR 连接到您的网络时蓝色 LED 亮起，那么您的开发板应该工作正常，继续使用配置工具，它应该会找到开发板。

当我尝试在配置工具中搜索设备时，我最大的问题发生在这一点上。第一次效果很好，但后来我没有时间，所以我停在那里。两周后，我再次尝试这样做，但在多个网络上的多个操作系统和计算机下，它再也找不到该板了。

我用最新的固件通过评估板的调试 USB 端口进行了重新刷新，它工作正常。我的Windows PC 仍然找不到它，但是Ubuntu 下的Python 版本可以。我不确定是什么问题，但这些步骤终于解决了我的问题。成功配置WIZ750SR后，我的Windows PC也可以再次找到它，所以我继续工作。

正如我所读到的，带有虚拟网络适配器调用的 VM 也会使搜索变得混乱，因此如果您在搜索时遇到一些问题，您应该查看一下。

测试 TCP 通信的一个很好的工具是 NetCat。使用该软件，您可以连接到 WIZ750SR 上的 TCP 服务器。安装 NetCat 后，使用此命令进行连接：

nc [tcp_server_ip] [tcp_server_port]  

之后您可以直接从 WIZ750SR 发送和接收数据。我经常使用这个工具。

从 A 到 B

要移动机器人手臂，您必须告诉控制器您想要什么。最简单的方法是直接更新所有舵机的角度。更新关节角度可以通过一些试验和错误来完成，它实际上可以很好地工作。

在我的下一个机械臂项目中，我将使用逆运动学来控制具有世界坐标的机械臂，但现在我将仅使用关节角度来控制机器人。

系统的速度是这里的一个关键点。伺服系统非常快，但它们仍然需要时间才能到达接收到的位置。另一方面，跳线不喜欢快速移动，所以我不得不放慢速度。无论是硬件部分还是软件部分。

我通过创建系统的路径计算并插入延迟来实现这一点。当您为机器人手臂发送新的关节角度时，您必须提供一个额外的参数：速度 (mDelay)。基本上，您是在告诉机器人手臂控制器循环的最小步进时间。路径计算器将为每个定位伺服系统计算一个可选的步长。这意味着所有舵机将在大约同一时间达到目​​标，速度取决于延迟。结果是每次都非常漂亮和平滑的线性运动。

效应器以不同的方式工作。基本上它只能有打开或关闭（具有3种不同程度的关闭强度）状态，不能平滑过渡。显然你会想尽快抓住物体，同时移动应该是平滑的。

该系统中目前有两种类型的命令。以下是它们的示例：

• G 1 --> 轻轻合上夹持器。 0 表示打开
• A 10 130 120 110 --> 以 10ms 步长、130º 上关节角、120º 下关节角和 110º 底座旋转器角度移动机器人手臂。

用于远程控制的 Android 应用

好的，所以此时我可以从世界任何地方控制机械臂，但我必须手动编写每个新命令。这种方式不是很有趣。我需要一种更加用户友好的方式来控制机械臂，因此我开发了一个 Android 应用程序来实现这一点。

该应用程序具有 TCP 客户端，因此可以直接连接到 WIZ750SR 的 TCP 服务器。机器人手臂不存储旧的和未来的运动图。它只知道当前的目标位置。这意味着应用程序不仅会向机器人手臂发送整个运动图，还会根据位置反馈定期向机器人手臂发送新位置。如果您关闭应用程序或断开与 WIZ750SR 的连接，则机器人手臂将在到达上次接收位置后立即停止移动。

连接到机器人手臂后，您将进入配置屏幕。它包含 3 页。第一个是 Run（稍后会详细介绍），第二个是 Init，第三个是 Loop。 Init 和 Loop 基本相同，唯一不同的是保存位置。

除了保存按钮外，屏幕还包含 4 个搜索栏和一个抓手按钮。这些滑块用于设置移动的位置和速度，而夹具按钮用于打开或关闭效应器。所有更改都是即时的，因此您会立即看到机器人手臂上的新位置，但是您必须单击保存按钮将其添加到绘图中。这是一个关于它的简短演示：

如果同时更改夹具状态和机器人手臂位置，则将保存为两个不同的命令。先是夹具指令，然后是位置指令。

如您所料，情节的运行将从 init 开始。初始化和循环就像 Arduino 的设置和循环功能一样工作。 Init 适用于以后不会重复的动作。当 init 命令完成后，循环命令将随之而来。循环命令将永远重复，或者至少直到您停止绘图为止。如果您不需要循环或初始化，您只需将该字段留空。

这些字段是 EditText 字段，这意味着您可以轻松编辑或删除其内容。如果您不想使用滑块，您可以手动编写命令。您还可以复制和粘贴绘图。该应用程序将记住您运行的最后一个绘图供以后使用。

“配置”下的第一行用作测试的视觉反馈。左侧部分显示机器人手臂的最新目标位置（S - 发送），而右侧字段是它的当前位置（R - 接收）。只要目标和当前位置相同，应用就会向机械臂发送一个新的目标位置。

可以看到，当只有init时，机械臂一执行完init命令就停止了。

使用我的应用程序，您可以做很多事情，但未来有很多改进的可能性。我计划在图中使用函数、条件控制、带参数的循环等。

如果你想搭建一个类似的机器人，你可以在这个项目的代码部分找到Arduino代码和机器人手臂控制器应用程序。

结果

我同时使用了 init 和 loop 命令，它允许我完成一些中等复杂的任务。这是一段视频，内容是关于我的机械臂如何设置一些橡皮鸭 (init)，然后开始将它们一个一个地绕着自己移动，永远（循环）。

正如您所看到的，如果您考虑到这是一个非常便宜的机械臂，并且具有严重的硬件相关限制，那么它的动作非常流畅、连续和准确。

结论

我的软件运行良好，未来我肯定会致力于改进这个机械臂，或者我会建造一个更先进的机械臂。我完成了我为这个项目计划的一切，没有任何严重的阻塞问题。

Arduino 101 非常适合此用途。该板的唯一限制是仅有 4 个支持 PWM 的 GPIO。如果我构建一个自由度更高的新机械臂，将来可能会出现问题，但是单独的 USB 串行和 GPIO 串行在开发过程中非常有用，并且该板还可以提供大量的计算能力。

我认为 Android 应用程序是一个好主意，但是我必须使其更加健壮、用户友好并增加其功能。目前是 alpha 版本。

WIZ750SR 是一个非常好的惊喜。我担心这块板子会出现更多问题，但是在配置之后，它运行良好。它是完全透明的，我对它零问题。这是一款非常易于使用的设备，也是我曾经与我的任何微控制器一起使用过的最好的以太网模块。

使用机械臂工作非常有趣，所以我一定会更多地了解它，然后在将来与您分享我的知识！感谢阅读！

代码

Arduino 网页编辑器

Arduino 和 Android 代码

示意图