drawbot 桌面级scara机械臂

在thingiverse上闲逛的时候，翻到了一个好几年前的机械臂项目，一下子就被这骚粉色吸引了。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。

作者自己为了方便在淘宝开了店：点击前往

drawbot 所用零件除打印件和铝管外均为标件，tb上都能买到。打印件tb上也有代打的，当然也可以找我打。

bom 表已整理完成，见下表。螺钉螺母数量可能不准确，建议多备几颗。舵机线长度需要80cm，长度不够的，需要自己接延长线。M8x55六角螺钉可用Φ8x40xM8 塞打螺钉代替，提高两个驱动轮同轴度。

步进电机和限位开关线长度为40cm。

铝管长度为178mm  200mm（老款笔夹）  178mm 197mm（新款笔夹），bom中长度有误，请注意。

---

材料清单

	Part name	unit
内六角螺钉	M8*55	1
内六角螺钉	M3*25	2
内六角螺钉	M3*12	3
内六角螺钉	M3*20	8
内六角螺钉	M3*50	4
内六角螺钉	M4*12	1
内六角螺钉	M4*30	1
内六角螺钉	M4*35	1
内六角螺钉	M3*16	1
内六角螺钉	M3*10	1
内六角螺钉	M2*10	4
内六角螺钉	M3*12 手拧螺丝	1
螺母	M3	12
螺母	M8	1
螺母	M4	3
垫片	M4	4
垫片	M8	2
带轮	608zzz	2
带轮	624zzz	5
铝管	15mm 13mm 153mm	1
铝管	15mm 13mm 181mm	1
电气	mega1560	1
电气	ramps1.4	1
电气	A4988	2
电气	Limit switch限位开关	2
电气	42 step motor步进电机	2
电气	9g servo 舵机	1

---

软件

需要使用的软件主要如下

• Xloader固件烧录软件
• proterface 3D打印上位机
• G代码生成软件inkscape及相关插件

下面是作者更新过的清单

• Xloader固件烧录软件
• 机械臂大师上位机提取码：q3v3
• G代码生成软件1 inkscape及相关插件插件由aelab提供，大家觉得好用，可以购买他们的正版上位机，付费的自然好用的多，可以手机录入字体，支持填表功能等，传送门
• G代码生成软件2 奎享雕刻绿色版提取码：s2fu
• G代码生成软件3  laserGRBL，支持中文
• inkscape下载链接
• 部分用户反应inkscape运行报错，可以换成laserGRBL中文版

将mega2560连接电脑，选择对应的端口，用xloader烧录hex固件。

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。

软件界面介绍如下

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  设置默认落笔角度为10 默认抬笔角度为40

• 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，点击自动标定按钮，数秒后标定完成，然后发送M500指令保存设置
1.大臂与电机座侧边平行
2.小臂与大臂呈45度角

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。写字测试，由于抬笔结构为旋转式抬笔，速度太快写字会飘，后续考虑改结构，做成直上直下结构。

---

模型下载地址：https://www.thingiverse.com/thing:3096135

---

制作过程

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，将舵机线穿入管内

装上舵机和笔夹，之前bom表漏掉了一个2mm*12mm光轴，可用钢丝代替。

穿线

安装连接件

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。

有个螺孔被挡住了，3颗勉强固定，网上底座图纸孔位已更新

两个M4螺钉反装如图，正装转动螺母会松

插上电机线，裹上束线管，机械部分就算完成了

全家福

---

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

---

代码

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

---

更新：
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。

本文为发布者再原作者的基础上做了重新排版后发布的，原作者为贴吧高唱我爱你，如有维权请联系。

膜拜巨佬！！！666666！

Hex固件在哪儿？不见固件啊，求一个研究研究 425095@qq.com

膜拜大佬！！！感谢分享

厉害厉害