3自由度并联绘图机器人实现写字功能

机器谱 · 发表于 2023-4-19 09:28:39

本帖最后由机器谱于 2023-4-19 09:28 编辑

1. 功能说明
本文示例将实现R305样机3自由度并联绘图机器人写字的功能。

2. 电子硬件
在这个示例中，采用了以下硬件，请大家参考：

主控板	Basra主控板（兼容Arduino Uno）
扩展板	Bigfish2.1扩展板
电池	7.4V锂电池

3. 功能实现
3.1建立坐标系
我们需要先对3自由度并联绘图机器人进行极限位置调节，下图中为左极限位置，右极限位置与其对称。3自由度并联绘图机器人绘图主要由图中所示两个伺服电机控制。

3.2硬件连接
   ① 左侧舵机连接Bigfish扩展板D4号引脚
   ② 右侧舵机连接Bigfish扩展板D7号引脚
   ③ 抬笔舵机连接到Bigfish扩展板D11号引脚

3.3 示例程序
编程环境：Arduino 1.8.19
将参考例程（_1_servoWrite.ino）下载到主控板，调试时可以先只安装舵机输出头，或者安装输出头及L1连杆，运行观察舵机转动状况。

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版权说明：Copyright 2023 Robottime(Beijing) Technology Co., Ltd. All Rights Reserved.
Distributed under MIT license.See file LICENSE for detail or copy at
https://opensource.org/licenses/MIT
by 机器谱 2023-03-31 https://www.robotway.com/
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#define SERVOLEFTNULL 500 //左侧舵机转动到0度的值
#define SERVORIGHTNULL 500 //右侧舵机转动到0度的值
#define SERVOFAKTORLEFT 603 //左侧舵机转动到0度右侧舵机转动到90度时的值
#define SERVOFAKTORRIGHT 610 //左侧舵机转动到90度右侧舵机转动到180度时的值
#define LIFT0 2000 //落笔写字时舵机转动的值
#define LIFT1 1800 //一笔写完换笔时舵机转动的值
#define LIFT2 1400 //初始及完成写字后抬笔时舵机的值
#define SERVOPINLEFT 4 //定义一些舵机引脚
#define SERVOPINRIGHT 7
#define SERVOPINLIFT 11
#define LIFTSPEED 1500 //定义抬笔落笔时舵机转动的速度
#define L1 90 //定义与舵机相连杆的长度 mm
#define L2 117.6 //定义与舵机相连杆的端点铰接处中心到笔中心的距离 mm
#define L3 31.6 //定义中间杆顶端铰接处中心到笔的距离 mm
#define X1 40.0 //定义左侧舵机中心轴到原点在X方向上的距离
#define Y1 -42 //定义左侧舵机中心轴到X轴的垂直距离
#define X2 111.4 //定义右侧舵机中心轴到原点在X方向上的距离
#define Y2 -42 //定义右侧舵机中心轴到到X轴的垂直距离
//坐标系建立第一象限，X轴方向为140mm,Y轴方向为120mm，选取坐标点时Y值建议大于70
int coAry[10][10][2] = {
//汉字王
{{25,110},{0,0},{51,110},{1,1}},
{{26,98},{0,0},{49,98},{1,1}},
{{25,84},{0,0},{51,84},{1,1}},
{{37,110},{0,0},{37,84},{1,1}},
//汉字云
{{61,110},{0,0},{81,110},{1,1}},
{{58,100},{0,0},{85,100},{1,1}},
{{68,100},{0,0},{62,85},{86,85},{1,1}},
{{80,96},{0,0},{91,82},{1,1}},
//汉字飞
{{99,110},{0,0},{114,110},{114,98},{115,90},{115,86},{118,84},{121,82},{126,88},{1,1}},
{{121,103},{0,0},{116,98},{122,94},{1,1}}
};
#include <Servo.h>
int servoLift = LIFT2;
Servo servo1;
Servo servo2;
Servo servo3;
volatile double lastX = 57; //笔初始坐标值
volatile double lastY = 93;
void setup() {
Serial.begin(9600); //开启串口通信
/*servo1.attach(SERVOPINLEFT);
servo2.attach(SERVOPINRIGHT);
servo3.attach(SERVOPINLIFT);
*/
}
void loop() {
Serial.println("begin");
if(1)
{
if(!servo1.attached()) servo1.attach(SERVOPINLEFT);
if(!servo2.attached()) servo2.attach(SERVOPINRIGHT);
if(!servo3.attached()) servo3.attach(SERVOPINLIFT);
lift(2);
//delay(1000);
//汉字坐标处理
for(int i=0;i<10;i++)
{
for(int j=0;j<10;j++)
{
int x = coAry[i][j][0];
int y = coAry[i][j][1];
//Serial.println(x);
//Serial.println(y);
if(x == 0 && y == 0)
{
lift(0);
continue;
}
else if(x == 1 && y == 1)
{
lift(1);
break;
}
drawTo(x,y);
//delay(10);
}
}
/*
//摆臂测试坐标，左侧舵机转动到0度，右侧舵机转动到90度；左侧舵机转动到90度，右侧舵机转动到180度，依次循环
drawTo(0,120.0);
delay(1000);
Serial.println("----------------------");
drawTo(140.0, 120.0);
delay(1000);
///////
*/
lift(2);
servo1.detach();
servo2.detach();
servo3.detach();
Serial.println("end");
}
}
//抬笔舵机转动函数，三个动作，落笔、换笔、起笔, 0 ,1, 2
void lift(char lift)
{
switch(lift)
{
case 0:
Serial.println("lift0");
if(servoLift >= LIFT0)
{
while(servoLift >= LIFT0)
{
servoLift--;
servo3.writeMicroseconds(servoLift);
delayMicroseconds(LIFTSPEED);
}
}
else
{
while(servoLift <= LIFT0)
{
servoLift++;
servo3.writeMicroseconds(servoLift);
delayMicroseconds(LIFTSPEED);
}
}
break;
case 1:
Serial.println("lift1");
if(servoLift >= LIFT1)
{
while(servoLift >= LIFT1)
{
servoLift--;
servo3.writeMicroseconds(servoLift);
delayMicroseconds(LIFTSPEED);
}
}
else
{
while(servoLift <= LIFT1)
{
servoLift++;
servo3.writeMicroseconds(servoLift);
delayMicroseconds(LIFTSPEED);
}
}
break;
case 2:
Serial.println("lift2");
if(servoLift >= LIFT2)
{
while(servoLift >= LIFT2)
{
servoLift--;
servo3.writeMicroseconds(servoLift);
delayMicroseconds(LIFTSPEED);
}
}
else
{
while(servoLift <= LIFT2)
{
servoLift++;
servo3.writeMicroseconds(servoLift);
delayMicroseconds(LIFTSPEED);
}
}
break;
default:break;
}
}
//笔移动函数，参数为点坐标值，计算两点坐标距离来控制笔移动
void drawTo(double pX, double pY) {
double dx, dy, c;
int i;
Serial.println(pX);
Serial.println(pY);
// dx dy of new point
dx = pX - lastX;
dy = pY - lastY;
//path lenght in mm, times 4 equals 4 steps per mm
c = floor(1 * sqrt(dx * dx + dy * dy));
if (c < 1) c = 1;
for (i = 0; i <= c; i++) {
// draw line point by point
set_XY(lastX + (i * dx / c), lastY + (i * dy / c));
}
lastX = pX;
lastY = pY;
}
double return_angle(double a, double b, double c) {
// cosine rule for angle between c and a
return acos((a * a + c * c - b * b) / (2 * a * c));
}
//用各种三角函数把位置坐标换算成舵机的角度，如何计算，请参考
//http://www.thingiverse.com/thing:248009/
void set_XY(double Tx, double Ty)
{
delay(1);
double dx, dy, c, a1, a2, Hx, Hy;
// calculate triangle between pen, servoLeft and arm joint
// cartesian dx/dy
dx = Tx - X1;
dy = Ty - Y1;
// polar lemgth (c) and angle (a1)
c = sqrt(dx * dx + dy * dy); //
a1 = atan2(dy, dx); //
a2 = return_angle(L1, L2, c);
//Serial.println(floor(((M_PI-a1 - a2) * SERVOFAKTORLEFT) + SERVOLEFTNULL));
servo1.writeMicroseconds(floor(((M_PI-a1 - a2) * SERVOFAKTORLEFT) + SERVOLEFTNULL));
// calculate joinr arm point for triangle of the right servo arm
a2 = return_angle(L2, L1, c);
Hx = Tx + L3 * cos((a1 - a2 + 0.621) + M_PI); //36,5掳
Hy = Ty + L3 * sin((a1 - a2 + 0.621) + M_PI);
// calculate triangle between pen joint, servoRight and arm joint
dx = Hx - X2;
dy = Hy - Y2;
c = sqrt(dx * dx + dy * dy);
a1 = atan2(dy, dx);
a2 = return_angle(L1, (L2 - L3), c);
//Serial.println(floor(((M_PI - a1 + a2) * SERVOFAKTORRIGHT) + SERVORIGHTNULL));
servo2.writeMicroseconds(floor(((M_PI - a1 + a2) * SERVOFAKTORRIGHT) + SERVORIGHTNULL));
}

复制代码

   两个舵机输出头会保持一个水平的同时另一个垂直，如上述演示视频中所示，如果差距较大，可拆下输出头进行调节，如果比较接近，可以修改程序中前四行参数的值：

   SERVOFAKTORLEFT 左侧舵机水平、右侧舵机垂直位置，数值增加顺时针调整；       SERVOFAKTORRIGHT 右侧舵机水平、左侧舵机垂直位置，数值减小逆时针调整；

   SERVOLEFTNULL 左侧舵机0°位置，可不调节；

   SERVORIGHTNULL 右侧舵机0°位置，可不调节。

   当调试完成后可以安装其余连杆，此测试例程中所调节的是笔架在绘图区域中的两端位置，即左侧点（0, 120），右侧点（140, 120）。

   根据上述步骤中所调节的四个参数修改_1_servoWrite.ino例程中对应参数的值。然后将该例程下载到主控板中，运行程序即可书写汉字。程序中所存储的汉字为“王云飞”坐标，如果要书写其它字体，可按照上述3.1步骤所示建立相应坐标系，将各笔画记录到程序中即可。

   坐标系可以按如下格式建立：

根据上面图表中可知，只要记录每一笔画的坐标值到程序中即可，字体的坐标值在程序中将以数组的形式记录。如下图所示：

以王字的第一笔：横来说，{25,110}表示横的第一个点坐标，数组中{0，0}表示当x=0&&y=0时落笔，每一笔的第一个坐标后要添加{0，0}，然后{51，110}为横的第二个点坐标，因为之前笔已经落下，所以此处将绘制此横；然后{1，1}表示当x=1&&y=1时抬笔，此时一笔写完，将执行下一行坐标。每一笔坐标用大括号括起来，因此{{25，110}，{0，0}，{51，110}，{1，1}}，表示王字的第一笔。如要写其它字体，按以上所示建立坐标系，获取坐标数据，按格式记录到程序中即可，并按笔画数量修改数组大小。

4. 资料下载
资料内容：
①写字-例程源代码
②写字-样机3D文件
资料下载地址：https://www.robotway.com/h-col-205.html

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