October 18, 2024
Description
先来一张效果图
再来一张全家福
看看书写效果
项目简介：
桌面级scara机械臂，运动机构为两个42步进电机和一个9g舵机，控制板为mega 2560 和ramps 1.4，其他部件主要为3D打印件，工作范围为A4纸，使用国标G代码，目前可以实现写字画画功能。
交流q群 791947714
测试视频见
https://youtu.be/NTBxLTUPyTU?si=kK8MbXBvQ_6qLob7
https://youtu.be/tPbYbp5LPhs?si=99UB9mAYLIAaEC__
https://www.youtube.com/watch?v=JfaiAnQvb0s
这个项目上个月就在做了，结构和代码反反复复改了多次，加上自己又太忙，一直没来得及发帖分享，这两天先打点零件出个组装教程。
需要用到的软件如下（两个链接内容一样，下载其中一个即可）：
百度网盘（针对中国区用户）
https://pan.baidu.com/s/18yXWUpLg42WciHy6xodiBA?pwd=krjr 提取码: krjr
Google网盘（针对全球用户）
https://drive.google.com/drive/folders/1Z0zM5VJ--ebthopvkgDU_kdO5pZJhkqG?usp=drive_link
配件包购买地址：
https://item.taobao.com/item.htm?id=1014022063556&mi_id=0000RvyG5r5gFKexPHN8P56AbPpiArThKv0HzF9AfO1-lg0&spm=a21xtw.29178619.0.0&xxc=shop
---------------------机械安装教程-------------------
drawbot 所用零件除打印件和铝管外均为标准件，bom 表已整理完成，见下表。
安装笔夹
舵机线不够长的，先将线加长到80cm，在较长的一根铝管一端装上舵机支架，并安装上舵机，将舵机线穿入管内，舵机线从管内穿入可隐藏走线，更美观。
安装大小臂，图示孔心距为200mm
图示孔心距50mm
由于铝管切割有误差，安装时保证图示尺寸为180mm即可。
安装电机座
安装皮带轮，提前套入同步带，不要漏了
限位开关为常闭型，如果买的常开型，自己改下线，接触片朝下。
安装步进电机
两个M4螺钉反装如图
插上电机线，裹上束线管，机械部分就算完成了
电气接线图如下，舵机 红正黑负 棕色为信号线，4988驱动模块下面 需全部短接，以设置步进电机为16细分。电源为12v 电流大于2A即可。
注意！！！12V电源是插红色ramps1.4板子上，不是插底下蓝色mega2560板子。插错容易烧主板。
步进电机先不分正反插上，后续调试如何回home归位方向不是向着触发限位的方向，再将电机反插就行。
如果电机光抖动不转，那就是电机线序有问题。用万用表测试一下，短接在一组的就是一相，如下图，左边红色两根线是导通的，是一相，右边亮蓝色两根线也是导通的，是另一相。如线序不对，用镊子挑开端子换一下即可。
---------------------调试教程-------------------
将mega2560连接电脑，打开设备管理器-端口找到如下端口， 如果电脑无法识别控制板，需要控制板驱动，找商家要即可。
用xloader烧录hex固件。选择对应的端口，波特率和主板设置如图，然后点击upload
打开机械臂大师，选择对应端口连接
出现如下返回值则连接成功。如果没有出现返回值，按一下控制板上的按钮即可。
软件界面如下
常用的控制指令如下：
G1 X10 Y10 直线移动
G28 回home点，每次开机后需要先回home点以确定机械臂位置
G90 切换到绝对坐标系
G91切换到相对坐标系
G94切换到直角坐标系
G95切换到到角度坐标系
M3 舵机落笔 转到默认落笔角度
M3 S15 舵机转到15度
M4 L10 T40 设置默认落笔角度L 默认抬笔角度为T （用M4修改抬笔落笔舵机角度后，再通过M3 M5指令抬笔落笔，确认角度是否合适 ）
M5舵机抬笔 转到默认抬笔角度M92 X48.8 Y48.8 设置电机分辨率，如果电机步进角是1.8°，16细分直接用出厂设置就行
M203 X2000 Y2000 设置电机最大运动速度
M201 X1000 Y1000 设置电机运动加速度
M205 X0.8 电机运动平滑度 （下面介绍）
M503 查看机械臂设置参数
M501 载入用户参数（保存到EEPROM的参数）
M502 恢复出厂设置
M500 保存用户参数（保存到EEPROM）
M370 将当面位置定义为坐标原点
M700 自动标定
所有参数修改后需用M500保存，否则重启后数据会丢失
首次连接后需要先发送M502恢复出厂设置，然后将机器摆成图示角度，大臂与电机座侧边平行，大小臂之间夹角为45°，可用A4纸对折得到45度角。
点击自动标定按钮，机械臂会自动归位，并触发限位，并通过计算到触发限位移动的步数，确定机械臂的角度，并数秒后标定完成，然后发送M500指令保存设置。
标定完成后，下次开机只需要回home位（点机械臂大师的中小房子即可，即G28指令）。如果机械臂重新拆装后，则需要重新标定。
如果标定后画线不直，请确认安装后下面3个尺寸是否准确，大小臂各长200mm，大臂和大臂拉杆轴承中心距离50mm。
发送G28回到HOME点，导入G代码生成软件导出的G代码，就可以开始愉快的写字了。
坐标系定义如下，X轴平行于电机座侧边，原点相对于旋转中心偏移如下，书写范围可以覆盖整个A4纸。
控制板作为下位机，他的作用是解释上位机发过来的G代码，G代码包含运动坐标值和一些控制指令，对于运动控制，下位机就是将G代码转换成步进电机的脉冲控制步进电机。这里比较关键的就是坐标正解反解函数，已知末端坐标值求出机械臂的角度，或已知机械臂的角度求出末端坐标值。
大多数工业scara机械臂副臂控制电机位于主臂和副臂上，电机控制的大臂小臂之间的角度，属于“相对”角度scara。如下图
和drawbot一样的平行四边形结构，副臂电机控制的副臂相对于世界坐标系的角度，即“绝对角度”scara
通过同步带传送，将电机移动到固定底座上，也为“绝对角度”scara
两种结构运动算法稍微有点区别。marlin 自带的scara算法属于“相对角度”scara，这里容易被忽略。
drawbot正解算法如下：
void calculate_SCARA_forward_Transform(float f_scara[3])
{
float x_sin, x_cos, y_sin, y_cos;
x_sin = sin(f_scara[X_AXIS]/SCARA_RAD2DEG) * Linkage_1;
x_cos = cos(f_scara[X_AXIS]/SCARA_RAD2DEG) * Linkage_1;
y_sin = sin(f_scara[Y_AXIS]/SCARA_RAD2DEG) * Linkage_2;//当Y电机控制小臂相对于世界坐标系旋转角度时使用此公式
y_cos = cos(f_scara[Y_AXIS]/SCARA_RAD2DEG) * Linkage_2;//当Y电机控制小臂相对于世界坐标系旋转角度时使用此公式
delta[X_AXIS] = -x_cos - y_cos - SCARA_offset[X_AXIS]; //求得用户坐标系下X值
delta[Y_AXIS] = x_sin + y_sin - SCARA_offset[Y_AXIS]; //求得用户坐标系下Y值
}
SCARA_RAD2DEG弧度角度转换常数，即180/π。三角函数计算是弧度计算，所以所有角度需先转换成弧度。通过三角函数关系算出x_sin x_cos y_sin y_cos.
则图中黄色向量表示世界坐标系下的末端位置，（-x_cos - y_cos，x_sin + y_sin ） 。再减去用户坐标偏移SCARA_offset，得到用户坐标系下的末端坐标值。
反解算法如下
void calculate_delta(float cartesian[3]){
float SCARA_pos[2];
static float SCARA_C2, SCARA_S2, SCARA_K1, SCARA_K2, SCARA_theta, SCARA_psi;
SCARA_pos[X_AXIS] = -cartesian[X_AXIS] - SCARA_offset[X_AXIS]; //求世界坐标系下X值并取反
SCARA_pos[Y_AXIS] = cartesian[Y_AXIS] + SCARA_offset[Y_AXIS]; //求世界坐标系下Y值
SCARA_C2 = ( sq(SCARA_pos[X_AXIS]) + sq(SCARA_pos[Y_AXIS]) - (float)L1_2 - (float)L2_2 ) /(2*Linkage_1*Linkage_2);
SCARA_S2 = sqrt( 1 - sq(SCARA_C2) );
SCARA_K1 = Linkage_1 + Linkage_2 * SCARA_C2;
SCARA_K2 = Linkage_2 * SCARA_S2;
SCARA_theta = ( atan2(SCARA_K1, SCARA_K2)-atan2(SCARA_pos[X_AXIS],SCARA_pos[Y_AXIS]) ) ;//大臂旋转角度，即主臂与-X轴夹角
SCARA_psi = atan2(SCARA_S2,SCARA_C2) + SCARA_theta;//小臂旋转角度，当Y电机控制小臂相对于世界坐标系旋转角度时使用此公式
delta[X_AXIS] = SCARA_theta * SCARA_RAD2DEG; //大臂旋转角度转换为弧度
delta[Y_AXIS] = SCARA_psi * SCARA_RAD2DEG; //小臂旋转角度转换为弧度
}
}
cartesian[X_AXIS][Y_AXIS]为用户坐标系下坐标值，加上SCARA_offset得到世界坐标系下坐标值。
其中SCARA_pos[X_AXIS]向量方向向右，与原坐标值X方向相反，故取反。
#define L1_2 sq(Linkage_1)
#define L2_2 sq(Linkage_2)
L1_2 L2_2是预先定义好的臂长的平方
则直线AB距离的平方为 sq(SCARA_pos[X_AXIS]) + sq(SCARA_pos[Y_AXIS]
三角形ABC中，现已知三边长度，由余弦定理推出 cosC=(a^2+b^2-c^2)/2ab
α的补角为
arccos [ ( (float)L1_2 + (float)L2_2- sq(SCARA_pos[X_AXIS]) - sq(SCARA_pos[Y_AXIS]) ) /(2Linkage_1Linkage_2) ]//这里是伪代码，C语言没有arccos函数
SCARA_C2为补角的cos值得取反
SCARA_C2 = ( sq(SCARA_pos[X_AXIS]) + sq(SCARA_pos[Y_AXIS]) - (float)L1_2 - (float)L2_2 ) /(2Linkage_1Linkage_2);
将α cos值转换为sin值
SCARA_S2 = sqrt( 1 - sq(SCARA_C2) );
根据三角函数关系求出 SCARA_K1 SCARA_K2
由图可知SCARA_theta +δ+β =π/2 δ+γ =π/2
则SCARA_theta =γ-β = ( atan2(SCARA_K1, SCARA_K2)-atan2(SCARA_pos[X_AXIS],SCARA_pos[Y_AXIS]) )
SCARA_psi = α+SCARA_theta = atan2(SCARA_S2,SCARA_C2) + SCARA_theta
乘上弧度角度转换因子得出大小臂角度值
delta[X_AXIS] = SCARA_theta SCARA_RAD2DEG
delta[Y_AXIS] = SCARA_psi SCARA_RAD2DEG
运动平滑度参数设置补充说明，运动平滑度就是工业机器人中的CNT值，因为速度不可以瞬间改变，折线运动中，如果准确运动到折点，折点速度为0，速度为很慢，所有用一条弧线代替折线，两条线的加速度梯形相交，设定值即为相交点的速度，设置越大，速度越快，路径被倒成的圆角也就越大。
License:
MakerWorld Exclusive License
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