网站建设规划模板,太原建网站,网络域名多少钱一年,老板让我做网站负责人目录 一、前言二、整体框架2.1 系统构成2.2 硬件介绍2.2.1主要组成部分2.2.2机械结构2.2.3驱动及控制主板PS电机驱动原理简介: 2.2.4其余部分 2.3 机器人python程序框架2.3.1通信服务模块2.3.2消息处理模块2.3.3轨迹解析模块2.3.4机械臂逆解模块2.3.5写字板模块 三、机械臂的建… 目录 一、前言二、整体框架2.1 系统构成2.2 硬件介绍2.2.1主要组成部分2.2.2机械结构2.2.3驱动及控制主板PS电机驱动原理简介: 2.2.4其余部分 2.3 机器人python程序框架2.3.1通信服务模块2.3.2消息处理模块2.3.3轨迹解析模块2.3.4机械臂逆解模块2.3.5写字板模块 三、机械臂的建模3.1 机械臂机构几何分析3.1.1 俯视——水平面的运动投影3.1.2 侧视——垂直平面的运动投影3.1.3 机械臂逆解公式推导 3.2 机械臂软件定义3.2.1 机械臂结构的软件表达3.2.2 逆解算法的python表达1 俯视图根据目标点x,y计算J1L2侧视图根据目标点J1,L,z计算剩余角度J2J33 绘制侧视图 四、笔迹规划五、写字web服务器模块六、写字板客户端模块八、应用演示Setp1.连接写字机器人串口并启动进入写字模式Setp2.在写字服务器界面中点击在线执行模式Setp3.在写字板中点击连接服务Setp4.等待连接完成Setp5.在写字板上任意写字或绘画点击send发送执行 九、示例代码 一、前言
本篇我们构建一个可以跟人一样写字的机器人python软件。实现如下功能打开一个写字板人类在屏幕上写或画出任意形状机器人同步在纸面上画出和人类一样的形状就好像人类在远程操控机械臂又或是机械臂是人的另一只手。这个软件是可以扩展的如果连上互联网可以实现人在北京写了一行字在上海的机器臂同时也在自己的本子上写了一行字。
二、整体框架
2.1 系统构成 如上图写字机器人硬件部分主要为三轴机械臂和主机构成软件部分为python编写用于控制机械臂末端的轨迹。
2.2 硬件介绍
2.2.1主要组成部分
硬件的组成如下图所示
2.2.2机械结构
写字机器人的机械臂部分采用一台开源的优秀的三轴机械臂如图所示 其中各转轴齿轮传动部分改成了皮带传动夹具采用了自制的夹具用于按照写字用笔。
2.2.3驱动及控制主板
机械臂的控制器可采用如下主板作为机械臂三个轴的驱动和控制板也可采用其它成熟的控制板。板子内安装了控制电机的驱动控制代码提供通过串口通信规约如G代码与上位机进行所有必要的通讯如电机的旋转角度、真反正转、停止等此部分软硬件产品解决方案已经非常成熟不再赘述。 如图所示主板装有电机驱动模块用于对机械臂电机进行驱动本质上是控制板通过串口接收将上位机程序要求的电机目标旋转角度转化为脉冲信号输入驱动模块驱动模块驱动电机旋转相应角度就完成了控制。
PS电机驱动原理简介:
两相四线步进电机如42步进电机以8拍方式工作则每个脉冲旋转0.9°即每旋转一圈需要400个脉冲信号来励磁。步进电机的正、反转由励磁脉冲产生的顺序来控制它通过外部周期脉冲信号来相应改变4个线圈电极的上电数量和顺序来周期改变定子的磁场带动永磁转子向指定方向指定速度旋转如图所示
2.2.4其余部分
其余部分包括了电源变送器及连接线部分不再赘述。
2.3 机器人python程序框架
我们重点完成写字机器人上位系统功能如下图所示 由上图可见机器人上位操作软件设计了几大模块主要包括
2.3.1通信服务模块
通信模块主要有两部分 1. 串口通信部分 此部分主要使用python的串口通信库如pyserial实现用于主机与机械臂主板的串行双向通信。以下为一个简单的串口示例代码
import serial# 打开串口
ser serial.Serial(COM1, 115200) # 根据实际情况修改串口号和波特率# 发送G代码至下位机
gcode G90 G0 X0 Y0 Z0\r # G代码指令根据实际情况修改
ser.write(gcode.encode())# 关闭串口
ser.close()如上示例所述首先使用了serial库导入serial模块以进行串口通信。然后你可以通过调用serial.Serial()函数打开串口。在此函数中你需要指定串口号和波特率。根据实际情况修改’COM1’为正确的串口号例如linux格式为’/dev/ttyUSB0’windows格式为‘COM3’和波特率例如 9600。接下来你可以将要发送的G代码赋值给变量gcode在示例中是G90 G0 X0 Y0 Z0\r。最后使用ser.write()函数将G代码发送到下位机使用.encode()将字符串编码为字节数据。最后通过调用ser.close()关闭串口。 2.web通信部分 此部分主要是建立B/S的写字机器人架构用于支持远程写字操作功能。把写字板作为写字机器人的客户端在写字机器人的核心模块中设置一个写字板服务器端。可以通过WebSocket协议进行远程通信。 Python 支持多个用于 WebSocket 通信的库。以下是一些常用的库 websocketwebsocket 是一个纯 Python 实现的 WebSocket 客户端和服务器端库提供了基本的 WebSocket 功能。websocketswebsockets 是一个支持异步的 WebSocket 客户端和服务器端库使用起来简单方便。tornado.websocketTornado 是一个强大的 Python Web 框架其中包含了用于 WebSocket 通信的模块。 autobahnautobahn 是一个基于 Twisted 的 WebSocket 库提供了客户端和服务器端的功能支持高级特性如发布-订阅和RPC模式。socket.iosocket.io 是一个跨平台的实时通信引擎支持 WebSocket 和其他实时传输协议有 Python 的客户端和服务器端实现。
2.3.2消息处理模块
该模块用于对上下通信模块和应用模块之间产生的数据交互进行有效处理。有利于模块化建模。采用多线程消息的发布订阅机制实现各功能模块间的协同顺序工作关于消息系统详见博客相关章节。以下为一个消息流示意
2.3.3轨迹解析模块
轨迹解析模块作用是将来自写字板的写字字迹信息转化为序列的机械臂末端执行坐标[x0、y0、z0,x1、y1、z1,x2、y2、z2…xn、yn、zn]并安顺序发布至消息中心。
2.3.4机械臂逆解模块
机械臂逆解模块是实现末端坐标点xn、yn、zn转化为机械臂各关节电机的角度及电机控制指令并发布至消息中心。本模块为机械臂控制的核心模块之一涉及机械臂的建模和逆解。在后面节中描述。
2.3.5写字板模块
写字板模块可以是一个Web前端程序功能是捕捉人的手写字轨迹并对轨迹进行离散化采样形成轨迹序列离散点周期或打包发送至写字服务器。写字板如下
三、机械臂的建模
3.1 机械臂机构几何分析
如下图所示写字机械臂是一个有三个旋转轴的机械臂这样的机械臂在工业制造领域有着非常广泛的应用常用于产品的码垛、搬运等: 下面我们对写字机械臂进行几何解析首先看一张俯视图
3.1.1 俯视——水平面的运动投影
在vrep环境里面所定义的坐标系为机械臂初始位置俯视投影在x轴轴上机械臂的左侧为y轴正方向。其它轴不变只是运动轴J1则机械臂在x-y平面内做旋转运动如果改变J2、J3的角度在俯视图看来投影的臂长L或增加或缩短简化如下图所示
3.1.2 侧视——垂直平面的运动投影
这里所说的“侧视”投影面是需要想象出来的它是指机械臂左侧正对着L-Z平面看到的机械臂的投影如下图 我们的下面的算法将在这个面进行解析我们通过绘制机械臂的主要机构对这个机械臂的运动特点进行分析画出如下稍微简单的结构
上图可以看到其实这个机械臂在侧视平面内的运动是通过改变两根红色臂杆L1、Lq的旋转带动末端或抓具运动的两根驱动的杆子又分别是两个电机J2、J3来驱动的。如下图 上图把机械臂主要的部分“扣”了出来左上角画出了只转动臂杆L1时出现的状态可见在一定的驱动杆Lq位置固定下运动是有位置限制的边界的我们在python实现的时候要注意这一点以免超出边界还再给电机发送指令导致电机过载仿真环境还好在实际机械臂中容易发生运动L1后机械臂的前后运动为主方向变化比较大相对地上下运动为次要方向变化幅度小。同样的右边是固定L1时改变Lq可以使机械臂末端主要进行上下运动同样也存在边界状态。 以上是机械臂的运动特点需要注意的是它还有一个连杆机构如下图红圈其目的是使机械臂的末端抓具始终垂直于水平面这是一个隐含条件 最后我们可以将机械臂侧视投影简化为下图所示由6跟杆组成包括Lg、L0、L1、L2、L3、L4、三个转轴或关节包括J1、J2、J3的一个连杆结构同时受到隐形的约束抓具必须始终保持垂直状态。 Ps此处去掉了对轴J4的考虑因为我们用的是吸头它的角度改变实际是没有用的。
3.1.3 机械臂逆解公式推导
问题描述 已知目标物体中心相对机械臂的位置坐标x,y,z求抓取该物体所需的机械臂各旋转关节的角度各是多少J1J2J3 求解问题得流程如下两步 至此当我们知道目标物体得坐标时x,y,z我们就可以通过以上的简单几何知识计算出控制机械臂的三个轴的角度值J1J2J3从而将机械臂的抓手送至目标位置实现准确的抓取动作。
3.2 机械臂软件定义
3.2.1 机械臂结构的软件表达
对应上面的几何连杆结构我们可以用python的程序表达如下
class uarm:#以下定义uarm臂的物理参数对上篇python机器人编程——四轴UARM机械臂的运动控制逆解原理及python实现上#转轴1J10#转轴2J20#转轴1J30#固定基座杆lg 单位mmLg22.1#固定基座杆l0 单位mmL0104.9#驱动臂杆L1 单位mmL1148#驱动臂杆L2 单位mmL2160#从动臂杆L3L334.5#吸头长度L459.3#臂架投影L1003.2.2 逆解算法的python表达
1 俯视图根据目标点x,y计算J1L
如下图俯视已知坐标x,y计算旋转角度和投影臂长L 对应的python函数属于uarm类的方法如下 def J1AndLBy(self,x,y):J1round(np.arctan(y/x)/np.pi*180,2)Lround(x/np.cos(self.J1),2)return True,J1,L
2侧视图根据目标点J1,L,z计算剩余角度J2J3
我们根据3.1节2中的推导公式编写python程序作为一个机器人类的方法 def J2AndJ3By(self,J1,L,z0):try:(XXm,YYm)(-(L-self.Lg),z-self.L0)(XXw,YYw)(-(L-self.Lg-self.L3),self.L4z-self.L0)LLnp.sqrt(XXw**2YYw**2)res ,gamaself.sove_angle(self.L1,LL,self.L2)if res:res,alphaself.sove_angle(LL, self.L2, self.L1)if res: (XXd,YYd)(0,-self.L0)Lvnp.sqrt((XXd-XXw)**2(YYd-YYw)**2)print(LL,Lv)res,betaself.sove_angle(LL, Lv, self.L0)if res: JJ2round(360-beta-alpha-90,2)JJ3round(JJ2-gama)return True,JJ2,JJ3else:print(超出作用区域)return False,None,None else:print(超出作用区域)return False,None,Noneelse:print(超出作用区域)return False,None,Noneexcept Exception as e:print(计算J1L异常,e) return False,None,None3 绘制侧视图
为了直观的能够看到程序运行是否正确我们可以简单的绘制一下侧面的图效果如下 通过构建一个内部方法实现根据x,y,z计算出机械臂的各个关节的角度并画出侧视图对应python代码如下 def drawUarm(self,x,y,z):backimgnp.zeros((500,500,3),np.uint8)points[]res,J1,Lself.J1AndLBy(x,y)if res:points.append((-(L-self.Lg),z-self.L0))points.append((-(L-self.Lg),self.L4z-self.L0))points.append((-(L-self.Lg-self.L3),self.L4z-self.L0))res,J2,J3self.J2AndJ3By(J1,L,z)if res:p cmath.rect(self.L1, math.radians(J2)) points.append((round(p.real,2),round(p.imag,2)))points.append((0,0))points.append((0,-self.L0))points.append((self.Lg,-self.L0))dx300dy300colors[(0,255,255),(255,0,0),(255,255,255),(0,255,0),(255,255,0),(255,200,100)]for i in range(len(points)-1):p1(points[i][0]dx,dy-points[i][1])p2(points[i1][0]dx,dy-points[i1][1])cv2.line(backimg,(int(p1[0]),int(p1[1])),(int(p2[0]),int(p2[1])),colors[i],3)cv2.imshow(,backimg) cv2.waitKey()cv2.destroyAllWindows()四、笔迹规划
根据写字的流程可以把写字划分为以下过程如图所示 如上图所示可以将写字划分为以笔划为最小单位一个字由诺干个笔划安装时间序列组成写字只要根据笔划序列依次循环执行以上流程首选是准备写字将机械臂末端笔尖定位在写字板的准备位置一般是写字板的中间其次是根据一笔的起点坐标将末端移动到起点位置接着降低笔尖至写字板面根据笔划的序列采样点坐标进行笔尖推送最后完成一笔后笔尖抬起。部分python程序如下 #以下为机械臂类的成员函数#写字准备姿势def waitfor_draworder(self):self.ready2draw(185,0) #移动到固定位置 #移动到笔划的起点 def ready2draw(self,armx0,army0):根据新来的一笔快速移动到开始位置if armx0self.X_range[0] and armx0self.X_range[1] and army0self.Y_range[0] and army0self.Y_range[1]:ppx[armx0,army0]if ppx!None: self.p0(-ppx[1],ppx[0])res,J1,Rself.cp_J1_R_oring(ppx[0],ppx[1])if res!True:print(out of workspace)self.p0(None,None)#self.J[0],self.R0,200print(超机械臂工作范围)return Falseelse: self.J[0],self.RJ1,Rself.Zself.Z_range[1]#print(定位结果J1R,Z,[self.J[0],self.R,self.Z])res,J2,J3,J4,J5self.cp_J2_3_4_5(self.Z,self.R)if res:J1self.J[0]self.J[1]J2self.J[2]J3self.J[3]J4self.J[4]J5self.fire_cmm(J1,J2,J3)return Trueelse:print(无效点)return Falseelse:print(超写字工作范围)return False#低头开始写字 def down_draw(self,armx0,army0):根据新来的一笔移动到头部后低头到起始点if self.jobcancel:print(job cancelled signal)return Falseelse: if armx0self.X_range[0] and armx0self.X_range[1] and army0self.Y_range[0] and army0self.Y_range[1]:res,J1,Rself.cp_J1_R_oring(armx0,army0)self.J[0],self.RJ1,Rself.Zself.Z_range[0] res,J2,J3,J4,J5self.cp_J2_3_4_5(self.Z,self.R)if res:J1self.J[0]self.J[1]J2self.J[2]J3self.J[3]J4self.J[4]J5self.fire_cmm_faster(J1,J2,J3)return Trueelse:return False#写完抬起def holdon_afdraw(self):一连笔完成后手臂抬起self.Zself.Z_range[1]res,J2,J3,J4,J5self.cp_J2_3_4_5(self.Z,self.R) if res:J1self.J[0]self.J[1]J2self.J[2]J3self.J[3]J4self.J[4]J5self.fire_cmm(J1,J2,J3)return True
五、写字web服务器模块
此模块用于开启一个web服务可接收来自网络内的客户端的笔迹信息序列。使用web服务的好处是可以通过TCP/IP网实现局域网或广域网的远程控制可以不受地理限制。本模块采用python库websockets实现。在运行写字机机器人主程序时开启websocket服务部分代码如下 #以下为写字机器人类的成员函数启动新线程开启websokect服务def RunWebServer(self):if islinux(): try: self.son_loop asyncio.get_event_loop()localipgetosip() self.WEBSOCKET websockets.serve(self.main_logic, localip, self.exval[port])self.son_loop.run_until_complete(self.WEBSOCKET)print(arm_webserver run at:localip:,self.exval[port])self.son_loop.run_until_complete(self.tasklist()) except KeyboardInterrupt as e:print(asyncio.Task.all_tasks())print(asyncio.gather(*asyncio.Task.all_tasks()).cancel()) # 取消taskself.son_loop.stop() # 停止事件循环配合run_forever()退出事件循环self.son_loop.run_forever()finally:self.son_loop.close() # 关闭事件循环else: self.son_loopasyncio.new_event_loop() t0 threading.Thread(targetself.runtasks,args(self.son_loop,),namearm_server) self.WebThreads.append(t0)t0.setDaemon(True) t0.start() def runtasks(self,lp):try:asyncio.set_event_loop(lp)self.WEBSOCKET websockets.serve(self.main_logic, localhost, self.exval[port]) lp.run_until_complete(self.WEBSOCKET) print(arm_webserver run at:localhost:,self.exval[port]) lp.run_forever()except KeyboardInterrupt as e: print(asyncio.gather(*asyncio.Task.all_tasks()).cancel()) # 取消tasklp.stop() # 停止事退出事件循环lp.run_forever()finally:lp.close() # 关闭事件循环async def recv_msg(self,websocket): 接收来自客户端的笔迹数据并放入写字任务列表 while True:recv_text await websocket.recv()print(receive from clinet: )try:redictjson.loads(recv_text)#print(redict)self.JobsList.append(redict)self.JobsListN.append(jobson)except Exception as e:return Falselogging.error(转换文件异常---,e) async def main_logic(self,websocket, path):服务器端主逻辑 await self.recv_msg(websocket)六、写字板客户端模块
由于开启了websocket服务写字板客户端可以采用HTML语言进行开发。主要功能实现如下 如上所示实现了一个简易的画面客户端可以按笔划进行写字具有撤销重做等功能可以通过客户端连接至服务器端并按发送键将画板上的文字或图画笔迹按顺序序列发送至服务器端。
八、应用演示
Setp1.连接写字机器人串口并启动进入写字模式 Setp2.在写字服务器界面中点击在线执行模式 Setp3.在写字板中点击连接服务 Setp4.等待连接完成 Setp5.在写字板上任意写字或绘画点击send发送执行 九、示例代码
本示例采用我们提供的写字机器人库和录制好的笔迹文件完成写字功能代码如下
import inspect
import ctypes
import threading
import time
import logging
import base64
import numpy as np
import cv2
import json
import pyttsx3
import subprocess
import os
import platform
import datetime
import sys
import asyncio
import math
import cmath
import serial
import websockets
import pupil_apriltags as apriltag
from heads import *
import PySimpleGUI as sg
from collections import deque
import configparserfrom minibot_arm_pi import Mini_Arm if __name__ __main__:aMini_Arm() #创建一个手臂pathdrawfile/draw2022-0-2-16-53-8.json#指定笔迹文件a.drawbyfile(path) #读取笔迹文件并写字
