【花雕学编程】Arduino FOC 之轮腿机器人-五连杆正运动学解算

Arduino是一个开放源码的电子原型平台，它可以让你用简单的硬件和软件来创建各种互动的项目。Arduino的核心是一个微控制器板，它可以通过一系列的引脚来连接各种传感器、执行器、显示器等外部设备。Arduino的编程是基于C/C++语言的，你可以使用Arduino IDE（集成开发环境）来编写、编译和上传代码到Arduino板上。Arduino还有一个丰富的库和社区，你可以利用它们来扩展Arduino的功能和学习Arduino的知识。

Arduino的特点是：
1、开放源码：Arduino的硬件和软件都是开放源码的，你可以自由地修改、复制和分享它们。
2、易用：Arduino的硬件和软件都是为初学者和非专业人士设计的，你可以轻松地上手和使用它们。
3、便宜：Arduino的硬件和软件都是非常经济的，你可以用很低的成本来实现你的想法。
4、多样：Arduino有多种型号和版本，你可以根据你的需要和喜好来选择合适的Arduino板。
5、创新：Arduino可以让你用电子的方式来表达你的创意和想象，你可以用Arduino来制作各种有趣和有用的项目，如机器人、智能家居、艺术装置等。

Arduino FOC（Field Oriented Control，场向量控制）是一种先进的电机控制技术，它允许精确控制电机的转矩和速度。这种控制技术特别适用于无刷直流电机（BLDC）和步进电机。在Arduino平台上实现FOC可以提供平滑的运行和高度的扭矩、速度和位置控制，它通过精确控制电机的电流和电压来实现高效率、高精度和低噪声的操作。

主要特点:
1、高性能电机控制：FOC是一种高级的电机控制算法，可以精准控制PMSM(永磁同步电机)和BLDC(无刷直流)电机，实现平滑的转速和扭矩输出。
2、闭环控制架构：FOC采用闭环反馈控制，通过检测电机的位置和速度数据，实时调整输出电压和电流，确保电机动作符合预期。
3、模块化设计：Arduino FOC库采用模块化设计，包含电机建模、速度/位置/电流控制环、PWM生成等子模块，用户可根据需求灵活组合使用。
4、可移植性强：Arduino FOC可移植到多种硬件平台，如Arduino、ESP32、STM32与树莓派等，适用于功率从几十瓦到几千瓦的电机系统。
5、参数自动识别：FOC库具有自动识别电机参数的功能，可以大幅简化电机控制系统的调试过程。

应用场景:
1、工业自动化：在工厂的机器人、传送带、CNC加工设备等领域，Arduino FOC可提供高性能的电机控制解决方案。
2、电动车辆：电动自行车、电动汽车、电动叉车等车载电机驱动系统，可以采用Arduino FOC进行精准控制。
3、家用电器：在电风扇、洗衣机、空调等家用电器中，Arduino FOC可实现细腻的电机速度和扭矩控制。
4、航模和无人机：航模飞机、无人机等对电机控制性能要求很高的领域，Arduino FOC能够提供高精度的电机驱动。
5、机器人：工业机器人、服务机器人、仿生机器人等对电机控制性能有严格要求的领域，Arduino FOC是一个不错的选择。

需要注意的事项:
1、硬件要求：Arduino FOC对控制器的性能(如CPU频率、RAM/ROM容量等)有一定要求，需要选择合适的硬件平台。
2、调试复杂性：FOC算法涉及电机建模、坐标变换、PI调节器等诸多环节，调试和调优过程相对复杂，需要一定的专业知识。
3、噪声抑制：电机驱动电路容易产生噪声干扰，需要采取合理的屏蔽和滤波措施，确保信号质量。
4、安全防护：电机驱动系统可能会产生过电流、过压等故障,需要配备可靠的保护电路，确保人身和设备安全。
5、系统集成：将Arduino FOC集成到完整的电机驱动系统中时，需要考虑机械、电力、控制等各个方面的协调配合。

总的来说，Arduino FOC是一种功能强大、性能优秀的电机控制解决方案,适用于工业自动化、电动车辆、家用电器等众多领域。但在硬件选型、算法调试、噪声抑制和安全防护等方面都需要谨慎考虑，以确保系统稳定可靠地运行。

附录：系列目录
1、Arduino FOC的特点、场景和使用事项
http://t.csdnimg.cn/WZhYL
2、Arduino FOC 之简单FOC库 - 跨平台的无刷直流和步进电机FOC实现
http://t.csdnimg.cn/p9ADE
3、Arduino FOC 之无刷直流电机速度控制
http://t.csdnimg.cn/gZ7CY
4、Arduino FOC 之步进电机位置控制
http://t.csdnimg.cn/VYbIb
5、Arduino FOC 之无刷直流电机电流控制
http://t.csdnimg.cn/wWGVu
6、Arduino FOC 之 SimpleFOC 库的主要函数
http://t.csdnimg.cn/S26MC
7、Arduino FOC 之 ArduinoFOC库的核心函数
http://t.csdnimg.cn/3VLzF
8、Arduino FOC 之传感器校准
http://t.csdnimg.cn/NS3TR
9、Arduino FOC 之SimpleFOCShield v2.0.4无刷电机驱动板
http://t.csdnimg.cn/g9mP7
10、Arduino FOC 之 AS5600角度读取
http://t.csdnimg.cn/dmI6F
11、Arduino FOC 之 FOC算法
http://t.csdnimg.cn/ENxc0
12、Arduino FOC 之 SimpleFOC库的适配电机方案
http://t.csdnimg.cn/QdH6k

Arduino FOC 之轮腿机器人-五连杆正运动学解算

一、主要特点
高效的正运动学计算：
五连杆机器人正运动学解算的主要任务是根据各关节的角度计算末端执行器的位置和姿态。通过数学模型（如DH参数法），可以快速地求解出末端位置，确保控制系统的实时性和高效性。
多自由度支持：
五连杆结构提供了多个自由度，使机器人能够在三维空间中灵活移动。正运动学解算能够处理各个关节的不同组合，涵盖各种复杂运动需求。
简化的计算模型：
采用标准的正运动学计算方法（如矩阵变换），使得解算过程可以通过简单的矩阵运算实现，从而降低了计算复杂度和提高了执行效率。
可视化与模拟：
通过正运动学解算，可以将机械臂的运动过程可视化，便于进行运动轨迹的模拟和优化，帮助开发人员理解机械臂的运动特性。
集成Arduino FOC技术：
结合Arduino FOC（场向量控制）技术，能够实现对电机的高效控制，确保机械臂的运动精准且稳定。

二、应用场景
工业自动化：
在工业自动化领域，五连杆轮腿机器人可以用于搬运、装配、焊接等任务，正运动学解算确保机器人能够精确到达目标位置，提高生产效率和产品质量。
医疗机器人：
在医疗手术中，五连杆结构的机器人能够实现器械的精确定位，正运动学解算使得机器人在复杂的手术环境中稳定工作，提高手术安全性和有效性。
服务机器人：
在家庭和商业环境中，五连杆轮腿机器人可以执行清洁、搬运和交互等任务，正运动学解算帮助机器人灵活应对用户需求。
教育与科研：
作为教育和研究平台，五连杆机器人的正运动学解算能够帮助学生和研究人员理解机器人运动学的基本概念及其应用，促进相关领域的发展。
探险与救援：
在灾后救援和探险活动中，五连杆轮腿机器人能够在不平坦的地形中灵活移动，正运动学解算确保其能够到达指定位置，执行任务。

三、需要注意的事项
DH参数设置：
在进行正运动学解算时，必须准确设置DH参数（如连杆长度、连杆扭转角等），以确保计算结果的准确性。
关节限制：
在计算过程中，需要考虑各个关节的物理限制，确保计算出的末端位置在机械臂的可行范围内，避免造成机械损坏。
实时性能要求：
正运动学解算需要在实时控制系统中高效运行，控制器必须具备足够的计算能力，以满足动态运动需求。
模型精度：
机器人模型的准确性直接影响到正运动学解算的结果，需确保模型的建立与实际机械臂的一致性。
安全机制设计：
必须在系统中设计合理的安全机制，如关节运动范围限制、故障检测和急停功能，以确保在异常情况下能够及时响应，保障设备和人员的安全。
通过合理应用Arduino FOC的五连杆轮腿机器人正运动学解算技术，开发者能够实现高效、精确的运动控制，提升机器人在各种应用场景中的性能与用户体验。

1、基础正运动学计算

#include <Arduino.h>

struct Joint {
    float angle; // 关节角度
};

Joint joints[5]; // 五个关节
const float lengths[5] = {20, 25, 30, 15, 10}; // 各个连杆的长度

void setup() {
    Serial.begin(9600);
    // 初始化各关节角度
    for (int i = 0; i < 5; i++) {
        joints[i].angle = 0; // 所有关节初始化为0度
    }
}

void loop() {
    // 设置关节角度（可以根据需要更改）
    joints[0].angle = radians(30);
    joints[1].angle = radians(45);
    joints[2].angle = radians(60);
    joints[3].angle = radians(30);
    joints[4].angle = radians(15);

    // 计算末端执行器位置
    Point endEffector = forwardKinematics();
    Serial.printf("End Effector Position: (%.2f, %.2f)\n", endEffector.x, endEffector.y);
    
    delay(1000); // 每秒更新一次
}

// 正运动学计算
Point forwardKinematics() {
    float x = 0.0, y = 0.0;
    float theta = 0.0; // 当前角度

    for (int i = 0; i < 5; i++) {
        theta += joints[i].angle; // 累加当前关节角度
        x += lengths[i] * cos(theta); // 更新X坐标
        y += lengths[i] * sin(theta); // 更新Y坐标
    }
    
    return {x, y}; // 返回末端执行器位置
}

要点解读：
正运动学基础：实现了五连杆机器人的正运动学计算，适合初学者理解正运动学的基本概念。
关节角度设置：通过设置各个关节的角度，便于观察不同角度对末端位置的影响。
循环计算：通过循环累加各个关节的角度，计算末端执行器的位置，结构清晰易于理解。
实时输出：通过串口输出末端执行器的位置，便于调试和监测程序运行状态。
简单易扩展：代码结构清晰，便于后续添加更多复杂的运动学计算或调整模型参数。

2、动态更新关节角度的正运动学

#include <Arduino.h>

struct Point {
    float x;
    float y;
};

struct Joint {
    float angle;
};

Joint joints[5];
const float lengths[5] = {20, 25, 30, 15, 10}; // 各个连杆的长度

void setup() {
    Serial.begin(9600);
}

void loop() {
    // 动态更新关节角度
    updateJointAngles();
    
    // 计算末端执行器位置
    Point endEffector = forwardKinematics();
    Serial.printf("End Effector Position: (%.2f, %.2f)\n", endEffector.x, endEffector.y);
    
    delay(1000); // 每秒更新一次
}

// 动态更新关节角度
void updateJointAngles() {
    static float increment = 5.0; // 增量
    for (int i = 0; i < 5; i++) {
        joints[i].angle += radians(increment);
        if (joints[i].angle > radians(180)) {
            joints[i].angle = 0; // 超过180度重置
        }
    }
}

// 正运动学计算
Point forwardKinematics() {
    float x = 0.0, y = 0.0;
    float theta = 0.0;

    for (int i = 0; i < 5; i++) {
        theta += joints[i].angle;
        x += lengths[i] * cos(theta);
        y += lengths[i] * sin(theta);
    }
    
    return {x, y};
}

要点解读：
动态关节角度更新：通过 updateJointAngles() 函数动态更新关节角度，使机器人能够模拟运动。
增量控制：使用增量方法控制关节角度变化，便于观察运动过程。
实时位置计算：结合动态更新与正运动学计算，实时输出末端执行器位置。
边界条件检查：对关节角度设置边界条件，防止角度超出限制，增强程序的稳定性。
易于扩展：代码结构清晰，可以进一步扩展关节运动模式或添加更多运动学特性。

3、完整的五连杆机器人控制系统

#include <Arduino.h>

struct Point {
    float x;
    float y;
};

struct Joint {
    float angle;
};

Joint joints[5];
const float lengths[5] = {20, 25, 30, 15, 10}; // 各个连杆的长度

void setup() {
    Serial.begin(9600);
}

void loop() {
    // 更新关节角度，模拟控制
    updateJointAngles();
    
    // 计算并输出末端执行器位置
    Point endEffector = forwardKinematics();
    Serial.printf("End Effector Position: (%.2f, %.2f)\n", endEffector.x, endEffector.y);
    
    // 控制间隔
    delay(1000);
}

// 更新关节角度
void updateJointAngles() {
    static float increment = 5.0; // 增量
    for (int i = 0; i < 5; i++) {
        joints[i].angle += radians(increment);
        if (joints[i].angle > radians(180)) {
            joints[i].angle = 0; // 超过180度重置
        }
    }
}

// 正运动学计算
Point forwardKinematics() {
    float x = 0.0, y = 0.0;
    float theta = 0.0;

    for (int i = 0; i < 5; i++) {
        theta += joints[i].angle;
        x += lengths[i] * cos(theta);
        y += lengths[i] * sin(theta);
    }
    
    return {x, y};
}

要点解读：
完整控制系统：结合动态更新和正运动学计算，形成一个完整的五连杆机器人控制系统。
模拟运动：通过动态改变关节角度，模拟机器人的运动过程，适合实际应用场景。
实时位置反馈：通过串口输出末端执行器位置，便于实时监测和调试。
增量更新机制：使用简单的增量更新机制，使得运动过程平滑，易于观察变化。
扩展性强：代码结构清晰，易于扩展和修改，可以添加更多复杂的控制算法或传感器反馈机制。

4、基本的五连杆正运动学解算

#include <SimpleFOC.h>

// 定义电机和驱动器
BLDCMotor motor1 = BLDCMotor(11);
BLDCDriver3PWM driver1 = BLDCDriver3PWM(9, 10, 11);
BLDCMotor motor2 = BLDCMotor(11);
BLDCDriver3PWM driver2 = BLDCDriver3PWM(5, 6, 7);
BLDCMotor motor3 = BLDCMotor(11);
BLDCDriver3PWM driver3 = BLDCDriver3PWM(3, 4, 5);
BLDCMotor motor4 = BLDCMotor(11);
BLDCDriver3PWM driver4 = BLDCDriver3PWM(2, 3, 4);
BLDCMotor motor5 = BLDCMotor(11);
BLDCDriver3PWM driver5 = BLDCDriver3PWM(1, 2, 3);

// 链接长度和角度
float linkLengths[5] = {10, 10, 10, 10, 10}; // 设定每个连杆的长度
float jointAngles[5]; // 存储每个关节的角度

void setup() {
    Serial.begin(115200);

    // 初始化电机和驱动器
    motor1.linkDriver(&driver1);
    motor1.init();
    motor1.initFOC();
    motor2.linkDriver(&driver2);
    motor2.init();
    motor2.initFOC();
    motor3.linkDriver(&driver3);
    motor3.init();
    motor3.initFOC();
    motor4.linkDriver(&driver4);
    motor4.init();
    motor4.initFOC();
    motor5.linkDriver(&driver5);
    motor5.init();
    motor5.initFOC();
}

void loop() {
    // 读取各个关节的角度
    jointAngles[0] = motor1.shaft_angle;
    jointAngles[1] = motor2.shaft_angle;
    jointAngles[2] = motor3.shaft_angle;
    jointAngles[3] = motor4.shaft_angle;
    jointAngles[4] = motor5.shaft_angle;

    // 计算正运动学
    float endEffectorX, endEffectorY;
    forwardKinematics(linkLengths, jointAngles, &endEffectorX, &endEffectorY);

    // 打印末端执行器位置
    Serial.print("X: ");
    Serial.print(endEffectorX);
    Serial.print(" Y: ");
    Serial.println(endEffectorY);

    delay(100); // 控制循环频率
}

void forwardKinematics(float* lengths, float* angles, float* x, float* y) {
    *x = 0;
    *y = 0;
    float angleSum = 0;

    for (int i = 0; i < 5; i++) {
        angleSum += angles[i];
        *x += lengths[i] * cos(angleSum);
        *y += lengths[i] * sin(angleSum);
    }
}

5、带有PID控制的五连杆正运动学解算

#include <SimpleFOC.h>

// 定义电机和驱动器
BLDCMotor motor1 = BLDCMotor(11);
BLDCDriver3PWM driver1 = BLDCDriver3PWM(9, 10, 11);
BLDCMotor motor2 = BLDCMotor(11);
BLDCDriver3PWM driver2 = BLDCDriver3PWM(5, 6, 7);
BLDCMotor motor3 = BLDCMotor(11);
BLDCDriver3PWM driver3 = BLDCDriver3PWM(3, 4, 5);
BLDCMotor motor4 = BLDCMotor(11);
BLDCDriver3PWM driver4 = BLDCDriver3PWM(2, 3, 4);
BLDCMotor motor5 = BLDCMotor(11);
BLDCDriver3PWM driver5 = BLDCDriver3PWM(1, 2, 3);

// 链接长度和角度
float linkLengths[5] = {10, 10, 10, 10, 10}; // 设定每个连杆的长度
float jointAngles[5]; // 存储每个关节的角度

// PID控制参数
PIDController pid1(0.1, 0.01, 0.001, 1);
PIDController pid2(0.1, 0.01, 0.001, 1);
PIDController pid3(0.1, 0.01, 0.001, 1);
PIDController pid4(0.1, 0.01, 0.001, 1);
PIDController pid5(0.1, 0.01, 0.001, 1);

void setup() {
    Serial.begin(115200);

    // 初始化电机和驱动器
    motor1.linkDriver(&driver1);
    motor1.init();
    motor1.initFOC();
    motor2.linkDriver(&driver2);
    motor2.init();
    motor2.initFOC();
    motor3.linkDriver(&driver3);
    motor3.init();
    motor3.initFOC();
    motor4.linkDriver(&driver4);
    motor4.init();
    motor4.initFOC();
    motor5.linkDriver(&driver5);
    motor5.init();
    motor5.initFOC();
}

void loop() {
    // 读取各个关节的角度
    jointAngles[0] = motor1.shaft_angle;
    jointAngles[1] = motor2.shaft_angle;
    jointAngles[2] = motor3.shaft_angle;
    jointAngles[3] = motor4.shaft_angle;
    jointAngles[4] = motor5.shaft_angle;

    // 计算正运动学
    float endEffectorX, endEffectorY;
    forwardKinematics(linkLengths, jointAngles, &endEffectorX, &endEffectorY);

    // 打印末端执行器位置
    Serial.print("X: ");
    Serial.print(endEffectorX);
    Serial.print(" Y: ");
    Serial.println(endEffectorY);

    // 计算控制信号
    float controlSignal1 = pid1.compute(endEffectorX, motor1.shaft_angle);
    float controlSignal2 = pid2.compute(endEffectorY, motor2.shaft_angle);

    // 控制电机移动
    motor1.move(controlSignal1);
    motor2.move(controlSignal2);

    delay(100); // 控制循环频率
}

void forwardKinematics(float* lengths, float* angles, float* x, float* y) {
    *x = 0;
    *y = 0;
    float angleSum = 0;

    for (int i = 0; i < 5; i++) {
        angleSum += angles[i];
        *x += lengths[i] * cos(angleSum);
        *y += lengths[i] * sin(angleSum);
    }
}

注意，以上案例只是为了拓展思路，仅供参考。它们可能有错误、不适用或者无法编译。您的硬件平台、使用场景和Arduino版本可能影响使用方法的选择。实际编程时，您要根据自己的硬件配置、使用场景和具体需求进行调整，并多次实际测试。您还要正确连接硬件，了解所用传感器和设备的规范和特性。涉及硬件操作的代码，您要在使用前确认引脚和电平等参数的正确性和安全性。