来源：https://zhuanlan.zhihu.com/p/1997088909
0 前言
在今年八月份的时候，看到了《黑神话·悟空》的发布，想起来86版西游记孙悟空扮演者六小龄童老师讲述自己在拍摄《西游记》的时候买了一只猴子在家，方便观察真实猴子的各种动作和神态，这为他的饰演提供了宝贵的灵感，于是想着自己目前也在从事相关的工作，能不能学习六小龄童老师的经验，弄一台桌面级的小型机械臂，方便自己研究和学习机械臂各种动作和形态，快速验证一些规划算法呢！
于是在网上查找了各类小型机械臂的产品，搜了一圈之后发现，发现很多是舵机驱动的机械臂，这对于3D打印0.2mm的精度要求来说是不够的，稍微好一点的成本也比较高，想到了两年前稚晖君开源了一款机械臂系统，看起来还挺帅的，于是乎找到了稚晖君开源的仓库并克隆下来研究。
接下来，通过这篇文档，我记录了学习和复现这个项目的过程。鉴于很多小伙伴对此感兴趣，我也将这些记录贴出来，供大家参考。
开源链接：https://github.com/peng-zhihui/Dummy-Robot
下面就大家关心的问题，比如成本和材料来源问题做一个摘要，列了两个摘要表，如下：
| 序号 | 材料类型 | 预计费用 |
|---|---|---|
| 1 | CNC金属件 | 3360 |
| 2 | 塑料装饰件 | 250 |
| 3 | 电子元器件+电机 | 1500 |
| 4 | PCB硬件 | 130 |
| 5 | 谐波减速器 | 4400 |
| 6 | 工具设备 | 300 |
| 7 | 小结 | 9940 |
工具由于自己之前攒过一些类似于螺丝刀，回流焊焊台，烙铁等工具，为了制作这个项目又添加了一些工具，包括数字电源、百分表、电动螺丝刀等，并且攒了若干电子元器件等，最终算下来我这台的Dummy手子的纯成本在9500元左右（不包括最末端电机减速器，加上末端减速器成本就超过一万了）。
部分重要物料及其购买链接也列了一个表，如下：
1. 需要注意的是这只是其中一部分物料，还有例如电容电阻、晶振、电源管理芯片等等物料未一一列举，这些材料的购买渠道其实很多，就没有一一列举。
2. 另外电机电机选择3颗42型号步进电机，长度可以选择34mm、42mm、23mm，3颗20型号的，长度选择28mm，这里电机长度并不是固定的，可以根据实际情况更改！提醒一下，轴长选择相对较短的，比如10mm左右的，这样避免电机的轴太长导致塑料装饰盖板装不上去。
1 结构零件篇
结构件分为金属框架和塑料的装饰件。金属结构固件主要是要使得机械臂构型满足Pieper判据（也就是机器人的三个相邻关节轴交于一点或三轴线平行），才能得出解析解。
1.1 零件处理
如果我们能够以比较合理的价格买到原版的哈默纳科谐波减速器，那么结构件是不用修改的，但是由于目前二手难找，且咸鱼二手98新的要一千八甚至更贵，六颗加起来成本太高了，不划算。那么是否有国产替代呢？答案是有的，比如鑫拓智能。
这款谐波与哈默纳科CSF-05-xx-1U这款型号的谐波体积对比如下：
从这个对比图可以看出，目前（2024年10月）CSF-05-xx-1U这款型号的谐波，鑫拓的比哈默纳科要长一些！而且输出端固定盘与法兰盘，鑫拓也比哈默纳科的要厚一些。那厚多少呢？
哈默纳科减速器的固定盘与法兰之间的距离为3mm，鑫拓减速器的固定盘与法兰之间的距离为3.5mm，也就是说鑫拓比哈默那科厚0.5mm。所以在 Joint5 和 Joint6 两个关节上，我们需要缩 0.5mm。因此，我的修改如下：
- Joint5 往内缩 0.5mm
- Joint5 往内缩 0.5mm
然后看CSF-08-xx-1U谐波，两个品牌的尺寸对比：
一对比大概就能看出尺寸大小，同样地，具体尺寸为：
鑫拓减速器的螺丝固定盘与法兰盘之间的距离为5mm，哈默那科为3.0mm，所以鑫拓的比哈默纳科厚了2.0mm，因此按照这种分析，Joint1和Joint3要内缩2mm左右。
另外有些装饰件也需要修改，在Joint5上塑料装饰件装不上，这里需要修改一下：
由于这里个关节安装槽本身比较浅，国产鑫拓减速器又稍微长一些，导致这里的盖板安装不上，大家可以将这里的盖板拉厚 2.0mm ~ 3.0mm 就足够了。
另外，我还修改了垫片的厚度。
第三处修改是底部固定板，我将原来的大底板修改为小底板，如下：
加工厂商找的嘉立创，注意自己简单截个图标记一下每个地方的螺孔型号即可。
1.2 减速器器型号选择
减速器型号：
- 关节1减速器：CSF-11-30-1U-CC-SP （电机直连）
- 关节2减速器：CSF-08-30-1U-U （轴输出）
- 关节3减速器：CSF-08-30-1U-U（轴输出）
- 关节4减速器：CSF-05-30-1U（轴输出）
- 关节5减速器：CSF-05-30-1U（轴输出）
- 关节6减速器：CSF-05-30-1U-C （电机直连）
关于谐波减速器命名规则如下：
备注：减速器这一块我把Joint2和Joint3处购买的是 CSF-08-xx-1U-U 50减速比，原版是30减速比的。原因在于前者在整个机械臂的关节中负载是最大的，由于担心30减速比的不足以支撑住，故采用了50减速比的，但是实际上不影响。
1.3 同步轮与同步带
同步带的长短选择很关键，太长会有冗余，传动运行不流畅，太短则会卡住，动不了。
同步轮：
参考购买连接：https://item.taobao.com/item.htm?_u=f23dkfq29451&id=729262123840&spm=a1z09.2.0.0.698a2e8dWkxPEY
同步带：
参考同步带购买连接：https://item.taobao.com/item.htm?_u=f23dkfq221ed&id=793782134585&spm=a1z09.2.0.0.67002e8d1JksOK
具体细节：
- Joint2 电机与减速器之间的同步带长度为 150mm，同步轮型号为 2GT，电机和减速器的同步轮内孔选择 5mm 的，带宽为 6。
- Joint3 电机与减速器之间的同步带之间的长度为 118mm，同步轮型号为 2GT，电机和减速器的同步轮内孔选择 5mm 的，带宽为 6。
这里图片中标注的是116mm，我文字部分推荐的是118mm，是不是矛盾了呢？解释一下，在实际制作过程中，116mm和118mm都可以安装，116mm稍微有点紧，118mm又有点松，但是购买不到117mm的，如果非要选择的一个的话，推荐118mm的，大家可以都买回来自己试一下！
- Joint4 关节电机与减速器之间的同步带长度为 86mm，同步轮型号选择 2GT，20电机同步轮内孔选择 4mm，CSF-05-xx-1U 减速器同步轮内孔选择 3mm 的。
- Joint5 电机与减速器之间的同步带长度为 184mm，同步轮型号选择 2GT，20电机同步轮内孔选择 4mm，CSF-05-xx-1U 减速器同步轮内孔选择 3mm 的
至此，结构部分全部结束，下面进入电路篇。
2 电路硬件篇
2.1 电机驱动器
电机驱动板子有两类，一个是42步进电机驱动板，一个是20步进电机驱动板，直接把PCB文件压缩成包或者转成Gerber文件送去嘉立创打样即可。
元器件选型这里有几个位置位置需要注意：
- 高压端滤波电容的选择，选择50V耐压的
- 接地电阻的选择
接地电阻选择 1206，0.1欧姆
- MT6816 选择具备SPI通讯功能的
MT6816具有多个型号，如MT6816CT-STD、MT6816CT-AKD、MT6816CT-ACD等，这里选择MT6816CT-STD（SPI通讯的），这个型号测试可行。
- CAN通讯要串上120Ω电阻
注意，驱动电路上要将CAN通讯的120Ω电阻接入，也就是电路板上的跳线要通过飞线连通，例如20步进电机驱动板上的跳线处连接如下：
42步进电机也是同样的，注意将跳线连通。
小Tips：20步进电机驱动器很小，最好在开始进行回流焊的时候就要注意将飞线放上去，因为空间很狭小，等焊接好了再去焊接这里的跳线难度就比较大了。
另外如果是自己焊接的电路，可能需要对硬件进行Debug，硬件Debug的方法比软件要多很多，大家熟能生巧，我总结了这么几点技巧，分别是：
- 对于驱动，焊接好之后第一个要做的事情是测电源是否短路。
- 注意虚焊，注意短路，虚焊问题用电表打到连通挡，逐个连接点去测试，短路问题首先就是要注意观察，有没有连锡问题，其次就是注意用钢网，上焊台，这样可以减少短路问题。
- 上电之后，注意电源3V3，5V供电是否正常，芯片的VCC和GND电压是否正常，SWD引脚连接是否正常，这确保了电脑是否能够正常连接并识别驱动板
关于下载器与芯片之间连通性测试方法，可用通过Keil软件来查看，如下：
- 测试连通性，几个比较重要的点，分别是：按键、TB67H450、MT6816、CAN，对着PCB文件一点一点测。
2.2 控制板 – Base
这个板子主要功能是提供电源、通讯功能，测试的时候主要测电源。
这里电路测试的技巧如下：
- 测试电源电压是否正常
- 对着PCB图逐个测试是否存在虚焊，短路
2.3 核心板 – Core
核心板子测试也是如此，没有太多技巧，就是认真焊接。
2.4 常见问题
2.4.1 虚焊和短路
虚焊问题非常常见，多拿电表去测，调试过程中我遇到的一些问题如下：
- 电源滤波电容击穿
对于上电后板子冒过烟的要尤其注意，板子冒烟的可能是电源滤波电容被击穿了，造成电容短路。
- 3.3V电源和GND短路
这个遇到过好几次，怎么都找不出问题，后来把STM32芯片换掉之后，就好了。
2.4.4 检查芯片方向是否焊接错误
F405芯片和F103芯片封装标识是不一样的，F405芯片上有两个点，一个大点，一个小点，注意芯片上的小点与PCB丝印上的点对应。
检查芯片几个VCC和GND引脚电压是否正确，核心板上的灯亮不亮。
2.4.3 程序下载
下面是几个重要电路的之间的连接顺序：
工具：ST-Link :ST-LINK V2 STM8/STM32仿真器编程stlink下载器线烧录调试单片机-tmall.com天猫
备注：原版42步进电机这里的丝印标记GND和DIO和实际是反过来的，在调试程序的时候要留意一下。
驱动板与电机之间的连接
提醒一下：电机的连接看购买电机的说明文档。
至此，硬件电路篇结束，下面进入软件调试篇！
3 软件调试篇
3.1 集成开发环境
结构设计：Fusion360
硬件设计：Altium Designer
软件开发：VSCode、Keil v5、CLion、STM32 ST-Link Utility
3.2 软件调试篇
3.2.1 LED Ring
开发环境：VSCode + PlatformIO
搭建教程：使用VSCode进行Arduino与ESP32开发配置指南 – 小牧同学 – 博客园
ESP32的开发方式很多，网上的教程也很多，可以选择自己喜欢的方式。
板子选择ESP32 Pico
这里给一些参考的控制代码：
- 彩虹循环流动效果
#include <Adafruit_NeoPixel.h>
#define PIN 13
#define NUMPIXELS 16
Adafruit_NeoPixel pixels(NUMPIXELS, PIN, NEO_GRB + NEO_KHZ800);
void setup() {
pixels.begin();
}
void loop() {
rainbowCycle(20);
}
void rainbowCycle(int wait) {
for (int j = 0; j < 256 * 5; j++) { // 5 cycles of all colors on wheel
for (int i = 0; i < NUMPIXELS; i++) {
pixels.setPixelColor(i, Wheel(((i * 256 / NUMPIXELS) + j) & 255));
}
pixels.show();
delay(wait);
}
}
uint32_t Wheel(byte WheelPos) {
WheelPos = 255 - WheelPos;
if (WheelPos < 85) {
return pixels.Color(255 - WheelPos * 3, 0, WheelPos * 3);
}
if (WheelPos < 170) {
WheelPos -= 85;
return pixels.Color(0, WheelPos * 3, 255 - WheelPos * 3);
}
WheelPos -= 170;
return pixels.Color(WheelPos * 3, 255 - WheelPos * 3, 0);
}
- 呼吸灯效果
#include <Adafruit_NeoPixel.h>
#define PIN 13
#define NUMPIXELS 16
Adafruit_NeoPixel pixels(NUMPIXELS, PIN, NEO_GRB + NEO_KHZ800);
void setup() {
pixels.begin();
}
void loop() {
breathEffect(255, 0, 0, 10); // 红色呼吸
breathEffect(0, 255, 0, 10); // 绿色呼吸
breathEffect(0, 0, 255, 10); // 蓝色呼吸
}
void breathEffect(byte red, byte green, byte blue, int wait) {
for (int i = 0; i < 256; i++) {
int brightness = (exp(sin(i / 128.0 * PI)) - 0.36787944) * 108.0;
pixels.fill(pixels.Color(red * brightness / 255, green * brightness / 255, blue * brightness / 255));
pixels.show();
delay(wait);
}
for (int i = 255; i >= 0; i--) {
int brightness = (exp(sin(i / 128.0 * PI)) - 0.36787944) * 108.0;
pixels.fill(pixels.Color(red * brightness / 255, green * brightness / 255, blue * brightness / 255));
pixels.show();
delay(wait);
}
}
- 流动彩虹效果
#include <Adafruit_NeoPixel.h>
#define PIN 13
#define NUMPIXELS 16
Adafruit_NeoPixel pixels(NUMPIXELS, PIN, NEO_GRB + NEO_KHZ800);
void setup() {
pixels.begin();
}
void loop() {
colorWipe(pixels.Color(255, 0, 0), 50); // 红色流动
colorWipe(pixels.Color(0, 255, 0), 50); // 绿色流动
colorWipe(pixels.Color(0, 0, 255), 50); // 蓝色流动
}
void colorWipe(uint32_t color, int wait) {
for(int i=0; i<NUMPIXELS; i++) {
pixels.setPixelColor(i, color);
pixels.show();
delay(wait);
}
}
- 彩虹渐变效果
#include <Adafruit_NeoPixel.h>
#define PIN 13
#define NUMPIXELS 16
Adafruit_NeoPixel pixels(NUMPIXELS, PIN, NEO_GRB + NEO_KHZ800);
int rainbowSpeed = 20; // 调整彩虹渐变的速度
int rainbowOffset = 0;
void setup() {
pixels.begin();
}
void loop() {
rainbow(rainbowSpeed);
}
void rainbow(int wait) {
for (int j = 0; j < 256; j++) {
for (int i = 0; i < NUMPIXELS; i++) {
pixels.setPixelColor(i, Wheel((i + j) & 255));
}
pixels.show();
delay(wait);
}
}
uint32_t Wheel(byte WheelPos) {
WheelPos = 255 - WheelPos;
if (WheelPos < 85) {
return pixels.Color(255 - WheelPos * 3, 0, WheelPos * 3);
}
if (WheelPos < 170) {
WheelPos -= 85;
return pixels.Color(0, WheelPos * 3, 255 - WheelPos * 3);
}
WheelPos -= 170;
return pixels.Color(WheelPos * 3, 255 - WheelPos * 3, 0);
}
常见问题
- 识别不到串口：USB线插反了或者存在虚焊
- 程序下载不进去：存在虚焊或者ESP32芯片损坏了
3.2.2 REF Core
1.程序下载
开发环境搭建：稚晖：配置CLion用于STM32开发【优雅の嵌入式开发】
- ST-Link 识别不到芯片
这是搞定硬件之后我们可能遇到的第一个问题，就是无法识别到芯片，大家各有各的Debug方式，这里分享一下我自己的Debug经验：
- 检查芯片方向是否焊接错误
- SWD连接线虚焊
检查下载程序的三根线是否是通路，是否存在虚焊，适量补补锡。
这里存在一个问题，就是核心板与底板安装上去之后，芯片在背面，无法直接测芯片引脚与JST(底板上的塑料接线端子)之间的连通性，我的方法是分段测，首先测芯片到核心板上的板间连接件之间的连通性，其次测底板上的连接件与JST接线端子之间的连通性。通过这种方式间接测芯片与接线端子之间的连通性。
2. 无法识别USB设备驱动
通过USB将机械臂连接计算机，设备管理器中不显示设备驱动。
- 检查驱动是否安装，是否安装正确
- 虚焊问题
- USB线的问题
普通的手机充电线就可以，这个存在问题的概率很小，但是如果什么问题都排除了都找不到问题，可以考虑是否是USB线的问题。注意，USB线正反接功能不同，一个是串口功能，一个USB功能，要连接到USB功能方可。
3. 屏幕不亮
Ref板连接电机之后，上电发现屏幕不亮
- 检查OLED引脚与芯片对应引脚之间的连通问题，检查是否存在虚焊。
- 检查电源电压是否正常，OLED电源引脚电压，电机电压等。
- 注释掉代码中通讯相关代码，再次下载调试，注释内容如下。
这样做的目的是暂时先避免掉CAN通讯问题造成的显示异常问题，REF板测试没问题后在取消这里的注释。
4. 减速比配置
如果更改了减速器的减速比，在DummyRobot类的构造函数中修改减速比，如下所示：
3.3.3 Motor Driver
1. 只用CLion打开项目文件，注意，第一次打开选用Debug模式，因为我们需要通过Debug获取设备ID
2. 设置 OpenOCD
3. 设置 stlink.cfg 配置文件
4. 然后编译程序
这里提示找不到这些类的函数实现，这些属于基类的虚函数，这个时候将提示的虚函数设置为 = 0
5. 将提示的虚函数设置为 = 0
6. 修改完成后，继续编译并烧录，没有错误提示的话就可以烧录程序了。
7. 打断点并进入调试模式
注意将这里的参数填写到对应电机节点位置，比如这里是Joint1号电机，那么此时就可以将这里的参数填写到对应case后面。
8. 将模式修改为Release模式
接下来重点，注意看上面程序编译完之后Flash占用率为86%，驱动程序中编码器的位置参考数据用32Kb，这说明要占用芯片Flash末尾25%的空间，也就是说代码占用空间必须低于75%。所以这里的86%明显不行，怎么解决这个问题？办法之一是将Debug模式切换为Release模式。
注意：修改完成之后要Reload一下CMake文件
注释掉下面这段函数。
如果这样做完之后占用的Flash还是超过75%，可以考虑把没用的功能删掉，比如串口！
9. 编译程序
接下来发现编译完Flash占用率为66.07%，满足要求。
如果发现修改为Release之后，占用的Flash和Debug模式差不多甚至更大，可以考虑换一个新的代码，打开的时候直接选择Release，然后修改ID号。
如果不想调试，那么更简单的办法是直接把代码中判断的过程删掉，根据电机使用于哪一个关节定义defaultNodeID，就省的调试了。如下：
程序下载完成之后就是测试，测试就是将两个按键同时按下，然后上电，一切正常会出现电机旋转一圈，然后减速正向旋转一圈，然后反转一圈。
用STM32 ST-LINK Utility软件来进行检查是否校正成功。
软件下载链接：https://www.st.com/en/development-tools/stsw-link004.html
拉到0x08017C00地址处，正常情况下是这样的：
异常情况是这样的：
这表明编码器校正失败了，这种情况下可能如下：
- 纯粹写入失败，这种情况下，多校正几遍。
- 多校正几遍还是没有写进去，看一下芯片是不是被锁住了，是不是还能下载程序？
- 硬件问题，比如MT6816与MCU之间的连接问题，是否存在短路、虚焊等，造成SPI通讯失败。
当然，还有一些可能情况，这里也一并记录下来了：
1. STM32 ST-LINK Utility软件连接不上芯片。
这种情况下一般是硬件还没有调稳定，其实up自己在调试的时候碰到过很多这种问题，但多下载几次程序，调节一下电路，上电工作一段时间，前面碰到的问题就慢慢消失了。
2. 按键上电后电机没反应
上述工作还是比较顺利的，实际上也存在不顺利的情况，情况之一是按下两个按键上电后，电机没有任何反应。这种情况下需要去检查电路是否存在虚焊和短路问题，特别是TB67H450的电压是否正常，与MCU之间的连接是否正常。具体为：
- 按键与芯片之间的连接问题，存在虚焊
- TB67H450的电压异常
- TB67H450几个引脚与MCU之间的连接是否正常
基本也就上面几个问题，上面问题解决也就没什么问题了。
调试完成按Key1，电机进入闭环模式，也就是说电机这个时候你用手去掰是需要使点劲的，并且松手后会立马返回原来的位置。
3.2.5 与Ref板子联合调试
上述问题解决完成之后就可以进行电机与Ref板的联合通讯调试。
- 安装 libusb-win32 驱动程序
稚晖君开源仓库的Software中提供了两个工具，一个是CLI工具，一个是他自己写的上位机软件Dummy Studio，在Windows系统下，要使用这个CLI工具，需要先安装几个软件，分别是：
- ipython
参考安装教程：IPython的安装及使用技巧整理_ipython安装-CSDN博客
安装好 ipython 后，打开 CMD DOS 窗口。
# 进入 ipython
ipython
# 安装 pyusb
pip install pyusb- windows系统下面还需要安装libusb，下载libusb驱动：libusb。
- 将 libusb-1.0.dll 文件的路径添加到环境变量中去
这里提供了run.bat的快捷键，双击即可
一切都没问题的话，效果如下：
调式到此，机械臂就已经能够动起来了。
4 总结
至此，桌面机械臂的基础制作介绍就全部结束了。总结一下，整个项目主要分为三大部分：结构、硬件和软件。
结构方面，机械臂的设计满足Pieper判据。由于哈默纳科谐波减速器难以购买且成本高，我们选用了国产鑫拓的同型号谐波减速器，并对结构进行了微调以适应尺寸差异。
硬件部分无需特别调整，重点是元器件选择，并且焊接和测试时保持耐心，避免虚焊、短路若干等问题。
软件和固件则要关注异常中断和Flash内存的占用。对于电机驱动，使用STM32F103CBT6芯片时，需预留32KB用来存储位置校正数据，固件占用的Flash不应超过75%。特别是在Debug模式下，可能出现内存占用过大的情况，导致校正数据被覆盖，从而引发程序异常。同时要注意利用Debug的方式获取关节电机的ID，并填写到对应的代码中。如果不想通过Debug的方式获取defaultNodeID，可根据电机使用于哪一个关节直接定义defaultNodeID，然后再下载程序调试。
目前市面上很多学习用的机械臂项目存在质量和资料不完善的问题，这对机器人入门者不够友好。而本项目无论在结构设计、开源资料量还是技术深度上，都具有较好的参考价值，感谢稚晖君的分享。
最后分享一段在《肖申克的救赎》这部电影中的看到的台词，“我小时候只见过一辆汽车，现在满大街都是”。
或许几十年后，一位老者会在回忆录中写下：“我小时候只在展览会上见过机器人给我倒了一杯果汁，而如今，机器人已无处不在”。
以上就是本文的全部内容，见识浅薄，仅供参考，希望本文对大家有帮助。
2024年10月
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