python代码控制机械臂

前言

互联网时代，技术的进步，文化的传播，自由的表达，让每一个个体都有了闪光的机会。形形色色的极客，各种 DIY，关注技术时尚，展示自己创意，也是新时代的赏心乐事。

工业机器人，高自由度的机械手臂，明晃晃的高科技啊。拥有一台灵活控制的机械手，应该是极客们的幸福事情。

现在机会来了，Dobot 团队开发了一款桌面型机械手，可以摆在书桌上，小巧玲珑，控制简单灵活。能做什么，就等你开发了。

开箱

不多说，拆箱！看看全家福吧。

不得不提是包装格外有创意，让人想起来千层饼。看到上图那厚厚的一摞泡沫塑料了吗？看看拆箱时的情景吧。

给未出壳的机械手来个特写吧！机械手金属表面的处理很有质感。

抓手设计的很巧妙，抓紧状态->电机旋转->松开状态->电机旋转->抓紧状态，这期间电机不需要反向旋转。

很用心的设计，连接线上用标签扎线，既可以提示，又可以扎线。

装配

Dobot 配件有机械臂主体、电源线、控制器、USB 线、爪子和激光头等配件，机械臂由三个电机控制。

控制器的每个接线都有标签，其中1号电机接 Stepper_R 电机，2号电机接 Stepper_L 电机，3号电机接 Stepper_rot 电机。

Dobot 主体有三个臂可以运动，分别为图2-2中的1、2、3表示。其中1号臂由1号电机控制，2号臂由2号电机控制，3号臂由3号电机控制。

为了获得当前机械臂的姿态，需要安装传感器，1号臂安装标签为 rear arm 的传感器，2号臂安装标签为 Forearm 的传感器（注意：由于2号臂较窄，需要拆卸2号臂才可以装入）

控制器有两个接口，分别为 USB 接口和电源接口，插入电源和 USB 接口，则带有气泵功能的机械手臂安装完成。插好 Dobot 机械手上的电机、传感器连接控制器，然后通过 USB 与电脑相连。

使用

装配完成，接下来可以通电操作啦。没上电之前，机械手软软的，先让机械手摆放一个Pose，打开电源开关。控制器立刻接管机械手的控制权，机械手硬了。小伙伴千万要留意，通电后就不要强行转动机械手。

下面让我们先在电脑上测试一下。去Dobot官网下载并安装驱动。驱动是Arduino驱动，Arduino可是非常流行的开源硬件，简单易上手，用过的都知道。安装件dobottools，拨动开关切换控制器为USB控制。

运行DobotClient软件，Dobot服务器会自动运行。点击右上角的菜单，可以对Dobot进行配置，比如设置机械手末端是抓手、激光笔或者气泵。

DobotClient示教功能提供两种控制模式：单关节点动和坐标轴点动。单关节点动模式直接控制机械手的关节转动，挖掘机就是这么开的。坐标轴点动模式控制机械手末端移动，由程序计算关节运动，这种模式更直观。接下来就可以控制机械手摆Pose了。

使用再现功能可以重复你先前的操作，不过需要你记录下每一个关键动作。然后点击启动按钮就可以回放动作了。

手机移动端提供了iOS和Android客户端控制软件，本次使用iOS端测试。下载安装Dobot App，运行之前要做好准备工作。把控制器切换至蓝牙控制，手机打开蓝牙开关，可以运行App了。

Dobot App同样提供了两种控制模式：通过J1、J2、J3控制关节转动，或通过直接滑动机械手臂进行控制。

通过设置再现点，可以重复执行先前动作。

准备工作完成，先用气泵抓物体试试。抓硬币自然不再话下，拿游标卡尺来，没问题。找个茶叶盒，装上重物，再试试，重量291.8克。能力很强啊，继续测试，3.5寸硬盘有596克，真的抓不起来了。

视频：气泵吸取重物-卡尺

视频：气泵吸重物-茶叶盒

卸下气泵，换上抓手。看看效果, 今年是猴年，让我们看个抓猴子的视频吧。

抓手-合图

视频：抓手-猴子

结构与控制

机械手结构

Dobot机械手结构简单，设计巧妙。通过大臂小臂上的连杆机构可以保证不论大臂小臂的角度如何变化，末端吸盘始终垂直于水平面。

机械结构

机械手控制模型

对Dobot机械手的控制就是控制大臂、小臂和底盘的角度，转换为坐标系，以此实现对吸盘的定位。AO 、CD永远垂直于水平面。XYZ坐标系原点位于机械手固定底盘。

机械臂简图

看起来这个机械手的控制还是非常简单的吗，只要有中学数学基础就可以理解了。

编程控制

API接口

简单程序流程

控制Dobot机械臂运动的简单流程。

1）调用ConnectDobot连接机械手

2）创建一个线程以固定间隔调用PeriodicTask函数

3）设置大小臂的初始位置、超时时间、末端类型、示教/再现的静/动态参数。

4）指令机械手移动到指定坐标(x,y,z)

5）获取机械手姿态，检测是否移动到(x,y,z)，未到达目标位置则跳转4

6）读取下一个机械手要到达的坐标(x,y,z)，跳转4

简单的编程测试

Dobot API动态链接库采用C++编码，支持C、C++、C#、java等语言的开发，需要使用DobotDll.dll动态链接库、DobotDll.h接口声明文件、DobotType.h数据结构定义文件，这些文件可以通过Dobot官网下载。

生成lib文件

在控制Dobot时还需要使用Dobot静态库，由于没有提到静态库，则需要通过DobotDll.h动态库生产静态库，需要以下几步：

1）使用VS自带工具DUMPBIN将DLL中的导出函数表导出到（.DEF）文件。

DEF转化

2）将导出的（.DEF）文件整理为符合（.DEF）个数的函数导出文件。

DEF修改

3）使用VS自带的LIB工具将（.DEF）文件输出为VS格式的LIB文件。

LIB生成

编写代码

使用VS 建立VC++控制台工程，编写C++代码。代码有点长，贴在这里有凑字数的嫌疑。哈哈，只贴个轮廓了，有需要代码的小伙伴请留言。

程序测试

我们编写的程序能够控制机械手按照输入的坐标连续运动。接下来让我们测试一下书法笔画图。书法笔笔头较软，即使Z轴方向有误差，也能顺利写字画图。卸下吸盘，拆开包装，装上书法笔。

编程控制书法笔

开机测试

重复定位精度

作为一款机械手，一个非常重要的指标就是末端位置重复定位精度（重复定位精度）。当机械手重复同一动作时，末端位置的偏差与这一指标有密切关系。Dobot给出的是0.2毫米。也就是说控制机械手反复执行同一个动作，位置偏差不超过0.2毫米。

让我们看看重复性真的如此好吗？把机械手末端装上水笔，编程控制末端的坐标，反复画直线，画线过程是“中à右à中à左à中”，重复3次。

视频：重复定位精度测试

使用游标卡尺测量测量一下图中蓝色标记的位置宽度。

直线测量位置示意图

左中、右中位置是笔不断往返的点，笔不会停顿，因此是测量重复精度的最好位置；（而中点是起点也是定位点，左、右点是停顿折返点，不适合）。考虑到水笔头部直径3mm以及墨水扩散的因素，可以推断重复精度小于0.4mm。

哈哈，这个精度足够极客们在实验室High了。

笔头直径0.3mm线长42.20mm

线宽（中）2.08mm

线宽（左端）0.71mm线宽（右端）0.70 mm

线宽（左中）0.40mm线宽（右中）0.44mm

伸展范围

让我们再测量一下机械手触及范围。以底座前缘为起点，测量机械手末端吸盘能触及最远与最近距离。

伸展范围测量示意图

当触及水平面时，吸盘能控制的最远距离278毫米，最近距离31.8mm。

机械手控制范围测试(动画最远距离)

最近距离测试1(吸盘)

最近距离测试2（吸盘）

若允许吸盘高于水平面（高23.5mm)，则距底座前缘最近距离为40.1mm。

最近距离测试3(吸盘)

最近距离测试4(吸盘)

改装可行性

极客总是不甘于墨守成规的，改造才是最有乐趣的事情。接下来让我们看看Dobot机械手的可改造性。

机械改装

Dobot机械手机械部分最方便改装的部分是末端。Dobot随箱送来许多末端配件，让我们先浏览下。配件主要包括抓手、激光笔、触摸笔、可转动的吸盘。当然也可以装配其它的东西，比如挂个布娃娃，带个面具之类的。

机械手末端（空）

末端用零配件

电气改装

Dobot控制器内部也有改造的余地。气泵、继电器都是可拆卸的。主控板上激光笔接口、抓手接口、控制吸盘转动电机接口、吸盘用气泵接口都可以改插其它模块，只要能搞清楚接口引脚定义、电气特性等。

电气改造配图

编程接口

Dobot官网提供的开发文档包含DobotAPI文档、通讯协议、DobotDemo、DobotTools源码。

开发文档内容图

编程接口Dobot API包括DobotAPI.DLL动态连接库及C/C++头文件。

l 提供Java、Python、WPF、JS等示例代码

l 支持Windows操作系统

l 支持C、C++、C#、Python、Java、JS等语言开发

会C、C++、C#、Python、Java、JS等其中任何一门语言的小朋友，都可以编写代码随心所欲的控制机械手了。

二次开发难度

作为极客，自己打造的程序才有成就感。那么编程控制机械手，上手程度有多难？我花了半天时间，包括阅读文档、编程、调试等，能顺利控制机械手画矩形了。

《插入视频：水笔画矩形.mp4》

程序使用C语言编写，共137行代码。编程中用到了多线程，这个稍有难度。难度中等偏下，有一定编程经验且能独立编写100行以上程序的同学，努力一下都可以做到的。

如果熟悉串口通信编程，还可以绕过DobotAPI，参考Dobot通信协议文档，直接编程操作串口，自由度更高，但难度有些偏高。Github网站有Dobot的开源代码，有兴趣的小伙伴可以到Github阅读(https://github.com/maxosprojects/open-dobot)。

脑洞大开（有了机械手可以做什么?）

装上激光器，结合人脸识别技术，控制机械手自动瞄准目标，配上声音“举起手来”，可以拍电影了。

或者找个四轮移动平台，装上机械手，是吊车还是挖掘机还是什么东东，就看你的改装水平了。

四轮移动机械手

给机械手装上抓手，控制机械手甩动手臂，抛球，可以投篮了。给机械手带个面具，然后配上摄像头，装上音箱，给小朋友讲故事。或者两个机械手玩击剑，就看脑洞开的有多大了。

体验总结

Dobot这款桌面型机械手，的确是为桌面设计，体积小，不占空间。执行动作时非常安静，步进电机噪声小；唯独气泵电机的声音稍大，室内环境完全可以接受。Dobot机械手结构简单，控制参数少，容易上手。

控制器的硬件接口也十分便捷，可以根据需要，增加相应的物理器材。外围连接方便。可以通过电脑使用USB进行控制，也可以通过蓝牙无线控制。不论是Android还是IOS都有可用App。

Dobot提供了电脑及手机上的控制软件。特别值得一提的是，手机App操作最方便。GitHub上有Dobot开源代码，适合有意深入研究的同学。

Dobot API支持多种语言开发，包括C、C++、C#、JAVA、Python。API接口函数少，学习简单，二次开发难度小。

总的来说，连接方便、协议公开、快速开发、重复精度高，适用极客。

最后提两点建议

（1）控制器和机械手之间的连线有些凌乱，希望更清爽些了；

（2）加强文档。我在编程时走了很多弯路，如果文档清晰，并适度讲解控制器内部结构，会更有利于二次开发。

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