基于STM32的机械臂抓取系统【2】【机械臂板块】_stm32六轴机械臂

哈喽鸭，据上一篇感觉过了好久了，因为平时工作下班很晚，周末也经常加班，所以更新的确实没有按照预期，所以跟那些对这个项目感兴趣的同学们！说声骚瑞啊~，所以需要资料的请私信我，虽然我可能不一定及时回复，但肯定都会回复的！好了，废话不多说，开始。

首先，提一下整个的逻辑

其实机械臂在整个系统里，起到的是一个执行作用，他的任务就是接收中控MCU的指令，并保质保量的完成(复位、抓取、放置)。

机械臂听起来高级，但其实在这个项目里很普通的，包括后面要讲的最优路径算法，其实真的都很简单，正如第一篇文章说的那样，这仅仅是个入门级别的小项目罢了，拿来玩儿玩儿，感受一下单片机就好。但学的是这个逻辑，养成一个好的代码习惯和思考方式、动手能力应该是你做完项目收获到的，这虽然是个很easy的小项目，但其实扩展性还很大的，比如可以加摄像头(跑视觉模型)、接入云平台完成批量设备控制、甚至不用MCU，而是用RTOS，甚至嵌入式AI的板子，也就是可以用LVGL写一个UI更酷的去控制机械臂啦。

又开始多说了，下面不会有废话了。

核心仅有下面两大板块：

1. PWM控制
   明确PWM之前，理解一下咱们使用的六轴机械臂
   
   对应的六个部位我已经很形象的做了比喻，不论几个自由度，不过都是由舵机来控制的，通过电压的不同，舵机的转动角度不同，因此各个部分就开始动起来了，也就可以完成抓取、放置等常规性动作了。

电平变化，对于GPIO的输出，无非只有高和低两种，也就是1和0，也就是说，你无法达到让IO口直接输出0.5v的效果，那么这时候PWM就派上用场了。

这张图是我从别的博主那里偷来的，博主我不记得了，骚瑞~，借用一下！
在单片机的定时器逻辑里，对的PWM的基础就是定时器，只是用到的定时器的PWM模式。

通俗的说下上图，ARR为顶端计数值，CCRX为比较寄存器值，举个栗子：你设定计数值为200（也就是ARR为200），设定CCRX为100，另外计数是自底向上，那么也就是说你将会得到一半高电平、一半低电平，可以理解为0.5v的电压，那么我们也就得到了除了0和1之外的电平值了。

在具体到代码，也就是你要确定PWM模式（1还是2）、有效状态是高电平还是低电平、舵机的精度参数，你就可以控制你的舵机转动范围内的任意角度了。

看一点代码。

我要是没记错的话，PWM1就是当前值<比较寄存器CCRX值，就为有效状态，再确定有效状态为高电平还是低电平就好了。

我的舵机是270°，PWM控制范围是0.5ms–2.5ms。

这里说明下我的机械臂复位状态，也就是竖直即为复位，因为这样对于范围内的任意方向都是运动同样的距离了，也就是上图中的中间箭头位置，比较寄存器值也就是1500啦。

看下代码。

理论上是1500才对，但因为安装等误差吧，和本身舵机的质量等等，所以不一定完全是1500。

2. 最优路径算法
   会了怎么控制，也就可以思考下怎么实现抓取路径了。在这里呢，我感觉并不能把其称之为算法，也不能称之为最优路径，真正计算路径的话，还是比较复杂，会涉及正逆运动学的建系运算等等，但别怕，咱们的说法也可以说通。

接下来，我会用很通俗的话来讲解“最优路径算法”，不一定对，但目的是为了让有兴趣的小白更好的了解。

这样理解：你现在已经能用PWM去控制舵机的转动了，那理论上，咱们放一个物体在机械臂前面，那么是不是可以用笨方法，我手动调节每个舵机的值，总会让机械臂抓到物体，是不是！

但这样很麻烦，但如果你能这么样，那么你已经摸到了正向运动学的门了，如果是正经的机械臂正运动学里，我们需要建系，整体为世界坐标，每个舵机有自己的坐标系，通过两个坐标系的差别来确定机械臂的转动角度，计算方式就是一系列的矩阵运算了，但我不正经，咱们一个简单的几何算法就OK。

由于在此项目中，物体的位置不是固定的，我们不能直接让每个舵机转动角度，我们因该是反向操作，我们只需要知道一个物体的坐标点，那我们是不是可以让机械臂的机械爪达到其上的某个坐标，那么一个接一个的反推，是不是就可以得到每个舵机的转动范围了。

上图是2、3、4号舵机，我们只需要关注这三个舵机就好啦。

解释下为什么只有三个舵机，因为第一个舵机的只是控制整体的转动，每次都是转动在物体的面前罢了。另外提一下Pieper准则，也就是手腕准则（自己取的），也就是五号舵机，其只是控制机械爪的圆柱体内转动罢了，不能让其跟人类真正的手一样向下抓，只能模仿人类手腕的转动，因此并不影响，对于6号舵机就更不用说了，他只是控制机械爪的张开和闭合罢了，在路径计算中，考虑一下他的长度就好了，不用考虑他的坐标因素。

P点为机械臂末端（5号舵机位置或者将其看成物体位置也可以），橙色为世界坐标，也就是咱们看的坐标，是不动的，白色的和红色的是两种到达物体的路径，L0、L1为杆长，α是L2和世界坐标X轴的角度，θ是舵机和在世界坐标的转动角度（此时没有画出各舵机的坐标系，其x轴方向就是白线方向），而后便有了一个几何关系。

P(x,y)点坐标我们是知道，而且α我们也是知道的，为啥呢，因为L2也就是4号舵机的和5号舵机的连接杆，而5号舵机刚才说了，只能转动，不能偏移出其本身的圆柱体范围，也就是说，当我们L2这跟杆确定后，其实是机械爪的也就固定了。

我们需要求的是，三个θ值，也就是需要三个表达式，P的x和y在图中的几何关系很清晰了，还有个不太明显的几何关系就是θ和α的关系，其实三个θ加起来就是α的值，这一点大家可以稍微思考下，多看图，看看几何关系。

举个例子

我比较笨，就用的笨方法，就直接硬解的，但是有简单解法的，当时没看懂，加上参数也不多，反正又不是我手算，就硬解了。

今天差不都就说这些了，其实写的不好，没有排版内容也比较乱，本来说下午写的，但一直在躺平，哈哈哈哈骚瑞了~所以就着急的写了些，但重要的内容基本都说了，如果有哪个地方不理解或者有想法的都可以随时私信我，我看到了都会一一回复的，感谢大家的支持。