STM32机器人手臂控制器

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丿灬幸灬发布时间：2018-11-2 21:10

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本帖最后由丿灬幸灬于 2018-11-5 11:27 编辑

功能：提供电源，PWM电平转换，和Wii Nunchuck连接器。
用于与EEZYbotARM MK2一起工作。

这个STM32扩展板有一个开关调节器可控制3到6个舵机。它还将一个3.3 V PWM信号从单片机转换为5 V电平，并具有电源启动信号。
一个独特的功能是它的Wii Nunchuck连接器。通过I2C让它成为控制机械臂(如EEZYbotARM MK2)的理想设备，。我使用Nunchuck，通过固件在线Mbed编译器来直观的控制EEZYbotARM MK2。

更人性化的固件

修订后的pcb已经发货，但预计将于周二到达，所以不幸的是他们无法赶上Hackaday奖机器人技术竞赛的截止日期。同时，我一直在调整固件。固件在Mbed上，所以您也可以为其他支持的微控制器编译它。我一直在使用STM32L073和STM32L476 MCUs，所以它们至少在正确的引脚上具有所需的PWM功能。

EEZYBot手臂MK2使用三个伺服器控制手臂和第四伺服器的末端执行器。Wii Nunchuck控制器有一个操纵杆和两个按钮。这实际上允许控制三个“轴”。其中两个来自操纵杆(上/下和左/右)，第三个来自两个按钮。最初，我的固件使用这三个直接控制三个主要的伺服，例如，移动操纵杆上下移动一个伺服。这很容易实现，但它不是很直观的使用，因为手臂的末端不只是水平或垂直移动，而是沿着一个更复杂的轨迹。

我想最好是能向上/向下，手臂的末端能垂直移动。这是一个有点复杂的实现，因为它涉及到移动多个伺服器和做一些数学计算，以找出他们需要如何移动。数学只是高中的三角学，如下面的草图所示。从本质上讲,我需要计算角度α(α的总和₁和α₂)和γ,可以用来计算主臂的角度(l₁)和小胳膊贴上(l₂）。

这个数学计算是在pos_to_angle函数中实现的:

<font color="#000000">void pos_to_angle(double *horz_angle, double *vert_angle, double radius, double height)% l. ~0 |- i2 a; [* u
{- N' [1 _% N) D5 m" j. W
double alpha1 = atan(height/radius);
! K; z: g0 V1 P$ C
double bf_2 = radius*radius + height*height;) k5 ` c* W# Z3 ~3 |# h9 x
double alpha2 = acos((bf_2 + L1*L1 - L5*L5)/(2*sqrt(bf_2)*L1));
8 ] N+ \( T& g
*horz_angle = PI/2 - (alpha1 + alpha2);
# N6 v% G8 Y) K6 R* `
double beta2 = acos((L1*L1 + L5*L5 - bf_2)/(2*L1*L5));
" Z1 N+ [3 S; F, v" R
*vert_angle = PI - beta2 - alpha1 - alpha2;, B/ R* x/ A, S7 Z' _
}% A7 C( F- S& u! P6 [* }( j
</font>

复制代码

我做了一个加快的机械臂运行视频演示

固件首先允许你校准，这涉及到定位手臂，使主臂是垂直的，另一个是水平的。按下开关2执行校准，节省了每个伺服电机的偏移量。注意，固件的编写是为了与EEZYBot ARM MK2一起工作。使用其他机器手臂,你需要调整常量(如l₁)和可能是数学,如果手臂有不同的运动的联系。

实际上操作手臂是非常直观的。操纵杆上的上/下水平移动末端执行器。背面的两个按钮垂直移动，操纵杆上的左/右旋转手臂围绕底座旋转。要打开/关闭末端执行器，同时按下两个按钮会激活另一个“模式”，其中操纵杆上的上/下现在打开/关闭末端执行器。

我对这个项目的进展非常满意。假设正在交付的修订2 pcb修复了电源启用信号的问题，这个项目将被完成!

Gerbers2完成

Gerbers2完成了。第一次修订版的改动如下:

将POW_EN信号改为STM32单片机上的5V容忍度引脚，这样保护二极管就不会夹紧电压，防止PFET关闭(在前面的日志中讨论过)。
使接头稍微宽一点。第一个版本太窄了，我不得不把它归档。
将一些PWM信号移动到不同的引脚。STM32 MCUs不是完全与pin兼容的，所以我选择了在更多MCUs上有PWM可用的引脚。
为提供标头添加了一些丝网标签(主要用于调试)。
PCB在GitHub上。

尝试第一个PCB

这周我收到了PCB，我焊接了一个。

到目前为止，它基本是起作用的。我到目前为止遇到的主要问题是电源启动信号，它被拉到5v，它的门在应该很高的时候太低了几百毫伏，所以它控制的PFET不会关闭。

当POW_EN被拉低时，PFET就会打开马达。

我在STM32L476上使用pin PA4在开漏模式来控制它。我认为这应该是工作的，但不幸的是，这个大头针不是一个5v容忍大头针。查看数据表，我认为是pin上的保护二极管导致了这个问题。这意味着电源启动信号不幸地不能工作在这个修改的PCB。它应该连接到一个5v的容忍度引脚，也称为数据表中的“TT”引脚，例如PA2。

从更积极的方面来看，平移电路正在工作。在调试完上面的问题后，我损坏了顶部的铜层，所以我做了一个混乱的焊接修复如下所示重新连接5V引体向上。NFETs将3.3V PWM从微控制器转换为5V用于伺服系统。注意，由于FETs是反向的，PWM信号的占空比也需要反转。我成功地移动了一个伺服电机，并且开始使用在线Mbed编译器组装一些固件。项目在这里。

一个丑陋的修复短针R7到Q2到R13。这是在5v网络上。Q2是没用的，因为它永远不会关闭。

nfts将3.3 V PWM信号转换为5V。您可以控制多达6个伺服器。

最后，我还检查了Nunchuck接口。不幸的是，连接器有点太窄了，所以我不得不把它打磨一下。但是在Mbed上使用wiflood chuck库可以很好地实现I2C通信。

用于控制舵机的Nucleo扩展板

我想要控制的EEZYbotARM MK2。

我决定使用我的Prusa i3mk2，并且已经为EEZYbotARM MK2机器人手臂的部件进行了3d打印。它使用了三个更大的MG995或MG946伺服电机，以及一个更小的塑料SG90伺服电机，用于“抓取器”(正式称为“末端执行器”FYI)。我没有给电路布线，也没有买现成的东西，而是决定做一个PCB来驱动伺服电机。这让我有机会添加一些现有解决方案中不可用的东西:Wii Nunchuck连接器。

伺服电机采用PWM信号控制，厂家指定工作电压为4.8 V - 6.6 V。STM32核板在3.3 V下工作，我读到过3.3 V PWM可能用于驱动伺服电机。但是，为了安全起见，我添加了一些FETs来将3.3V PWM转换为5v。