概要
GRBL 是一个开源的嵌入式CNC雕刻机框架， 可以直接在Arduino / STM32这类MCU上运行. 内置标准的GCode解析器, 针对有限的单片机资源做了很多的底层优化，是一个高性能低成本的运动控制方案。 另外，其运动规划框架具有极高的学习价值。 因为代码质量比较高，容易对其进行裁剪/自定义运动学算法, 因此也被广泛的用于其他的开源机器人， 例如画图机器人/机械手臂等等.
本文将介绍几款经典的基于Arduino运动控制框架的GRBL/Marlin的开源机器人(共10款)，并根据其结构进行分类， 同时也会对我接触过的几款机器人做一下技术方案的介绍。 涉及的机器人结构包括XYZ结构, CoreXY结构， Scara结构.
说明 : 课程面列举的资源， 很大一部分来自于国外社区跟视频网站， 为了正常下载跟浏览你需要一点点的超能力。
本文比较长，浏览起来可能不是很方便。 如果你想浏览离线PDF版本，可以添加阿凯老师微信 xingshunkai
XYZ结构
XYZ结构广泛的应用于CNC雕刻机/激光雕刻机/切割机/绘图机器人/3D打印机等。 , X轴Y轴Z轴分别用三个滑台/丝杆控制， 三个轴之间相对独立，不发生耦合关系。 优点就是精度高，在进行运动规划的时候，步进的步数跟滑台的位置之间的关系就是简单的线性关系, 不需要频繁做正逆向运动学， 计算量比较小。
在学习阶段，尤其是学习GRBL的使用或者做轨迹规划实验的时候， 建议大家使用绘图机器人来入门。 原因如下：
- 只需要用两个步进，对结构件刚性要求不高， 便宜.
- 安全环保，不像CNC雕刻机会产生非常大噪音。
- 可以让绘图机器人帮我们写手写作业 / 检查 / 教案。
激光雕刻机也ok，只是激光头会比较贵.
DrawBot 绘图机器人
| Tag | 内容 |
| ------------ | ------------------------------------------------------------ |
| 项目名称 | DrawBot V1.1 |
| 作者 | henryarnold YouTube \| MoustafaElkady Youtube |
| 效果视频 | How To Make Pen Plotter / Homework Writing Machine at Home |
| 项目主页 | 无 |
| 运动控制框架 | GRBL |
| 代码仓库 | grbl-servo GRBL的分支，Z轴用舵机控制. |
| 安装教程 | How To Make DIY Pen Plotter / Homework Writing Machine at Home |
| 3D模型下载 | Thingiverse - Drawing Robot - Arduino Uno + CNC Shield + GRBL |
效果视频跟安装教程是另外一个老哥MoustafaElkady做的, 很酷也很燃.
推荐教程:
DREMEL CNC 三轴雕刻机
3轴的CNC结构
| Tag | 内容 |
| ------------ | ------------------------------------------------------------ |
| 项目名称 | DREMEL CNC |
| 作者 | Nikodem Bartnik Youtube Facebook |
| 效果视频 | Fully Open Source DIY CNC Machine - Dremel CNC-Youtube B站搬运视频 |
| 项目主页 | dremel-cnc |
| 运动控制框架 | GRBL |
| 代码仓库 | grbl |
| 安装教程 | Instructables - DIY 3D Printed Dremel CNC |
| 3D模型下载 | Instructables - DIY 3D Printed Dremel CNC |
作者做的安装视频教程非常详细, 十分感人。使用的就是标准的GRBL固件，需要配置一些参数。
INDYMILL 三轴雕刻机
DIY OPEN SOURCE METAL CNC MACHINE 开源金属版CNC雕刻机
跟上面的DREMEL CNC 作者是同一个人, 可以理解为升级版， 用全金属打造.
| Tag | 内容 |
| ------------ | ------------------------------------------------------------ |
| 项目名称 | INDYMILL |
| 作者 | Nikodem Bartnik Youtube Facebook |
| 效果视频 | IndyMill - Open Source DIY CNC Machine #4 Final Test! - YouTube B站搬运 |
| 项目主页 | IndyMill – DIY Open Source Metal CNC Machine – Indystry.cc |
| 运动控制框架 | GRBL |
| 代码仓库 | grbl |
| 安装教程 | 项目主页有安装视频教程, 另外还有配套了40页的PDF安装教程， 不过是付费的 $10 |
| 3D模型下载 | IndyMill-STL |
| BOM表 | DIY Dremel CNC parts list - Google Sheets |
CoreXY结构
与传统XYZ结构不同，CoreXY 是一种仅使用一根同步带就可以控制末端在XY两个方向运动的结构，非常巧妙。
CoreXY结构无论是移动X轴或者是移动Y轴，都需要两个步进电机同时配合运动, 所以是一种并联结构.
相对于XYZ结构, CoreXY结构相对紧凑，工作空间更大一些。 同时因为CoreXY结构可以令两个两个步进都固定， 所以末端的惯性就小， 可以更快的速度进行运动.
CoreXY结构原理可以学习B站教程结构详解，hbot和corexy结构的原理和区别-Bilibili
大鱼DIY写字机器人V2.0 Pro
| Tag | 内容 |
| ------------ | ------------------------------------------------------------ |
| 项目名称 | 大鱼DIY写字机器人V2.0 Pro |
| 作者 | 大鱼DIY Bilibili |
| 效果视频 | 大鱼DIY写字机器人V2.0 Pro 效果展示 |
| 项目主页 | 无 |
| 运动控制框架 | GRBL |
| 代码仓库 | grbl , GRBL内置对CoreXY结构的支持 |
| 3D模型下载 | 百度网盘链接：https://pan.baidu.com/s/1C6H7iBoDg0USvALdU9V_gw 提取码：DW2P |
| BOM表 | 见网盘文件 大鱼写字机DayuWriter V2.0 Pro采购清单.xlsx |
大鱼DIY的这个视频，在B站上非常火， 在B站上是顶流， 拥有81W的播放量。同时也是做了非常详细的视频教程, 开源精神万岁.
SCARA结构
关节臂形的结构， 统称为SCARA结构。 也是我目前玩的最多的机械臂的机型。
上图的机器人，使用的主控板几乎清一色的都是Mega2560.
为什么做SCARA机械臂不用Arduino Uno呢？ 我之前开发grbl版本的DArm就踩过雷。
- GRBL项目几乎是压榨干了UNO所有的性能跟内存资源了， 强行将SCARA机械臂的逻辑添加进去, Uno资源会不够用， 而内存处于临界值的时候，及其容易产生莫名其妙的错误.
- Uno硬件资源太少， 不方便扩展第四轴， 或者拓展其他的传感器.
20sffactory 机械臂
| Tag | 内容 |
| ------------------- | ------------------------------------------------------------ |
| 项目名称 | 20sffactory Arm |
| 作者 | 20sffactory Facebook Youtube |
| 效果视频 | 20sffactory 3D打印机械臂-视频合集- Bilibili视频搬运 |
| 项目主页 | 20sffactory |
| 运动控制框架 | Marlin 2.0 |
| 代码仓库 | 20sffactory/community_robot_arm Marlin 2.0 Guide |
| 资源列表 | Resource -20sffactory |
| 3D模型下载+安装教程 | Resource-20sffactory , 代码仓库里有CAD Files |
| BOM表 | BOM表 |
这款机械臂作者没有给他起名字，用作者的名字来命名. 目前为止，生态最好，做的最完善的一款。 如果你想玩机械臂的话， 就从这款机械臂开始玩吧。 作者的设计是基于ftobler设计的版本做的改进， RobotArm by ftobler - Thingiverse 旧版的图片如下:
在原来的基础上，做了机械结构的改进， 改为同步带传动, 加上了第四轴， 同时也做了大量的内容生态, 同时现在仍然生机勃勃. 机械臂基于Marlin 2.0做的配置修改， 内置运动学算法。 做的比较完善。 从效果视频来看， 高速运动的时候，机械臂仍然可以保持稳定, 可以
说非常赞了.
DArm 机械臂
| Tag | 内容 |
| ------------ | ------------------------------------------------------------ |
| 项目名称 | DArm |
| 作者 | 廖洽源 Liao Qiayuan 知乎 |
| 效果视频 | 3D Print Desktop Robot Arm Drawing test(DARM) |
| 项目主页 | A 3D Printing desktop arm that can write and draw!!! |
| 运动控制框架 | Marlin 2.0 |
| 代码仓库 | DArm - Github |
| SW工程 | 见代码仓库, 作者把Solidworks的工程放到里面了. |
| 3D模型下载 | 3d print desktop robot arm(DARM) - thingiverse |
| BOM表 | 见3D模型下载 |
| 安装教程 | 【教程】桌面机械臂DARM 制作教程 - 百度贴吧 |
DArm是15年的一个开源项目, 作者是廖洽源 Liao Qiayuan , 毕业于广东工业大学 机械电子工程。
我在19年跟Sipeed合作的时候，也写过GRBL版本的DArm固件， 我的好朋友小峰也帮我优化过它的结构。 机械臂的臂展比较大， 连杆使用了圆柱管材， 减少了3D打印的部分， 成本比较低. 但是这种圆形管材的设计也会导致连接件易松动，进而影响连杆长度参数， 末端也会产生一定程度的歪斜, 难以保证末端的精度。同时对装配的要求也会比较高。 亮点是作者提供了开源的Solidworks工程， 大家如果要复现的话，可以把圆柱杆替换为板材。总体来讲，如果对工作区要求不高的话，建议玩20sffactory 机械臂。
Drawbot 机械臂
| Tag | 内容 |
| ------------ | ------------------------------------------------------------ |
| 项目名称 | DArm |
| 作者 | 张明 @成都 youtube |
| 效果视频 | drawbot repetition precision test - YouTube |
| 项目主页 | drawbot by MG-dream-technology - Thingiverse |
| 运动控制框架 | Marlin 2.0 |
| 代码仓库 | 没开源 |
| 3D模型下载 | drawbot by MG-dream-technology - Thingiverse |
| BOM表 | 见安装教程 |
Drawbot的项目是18年做的，整体结构参考了DArm， 将其转换为2自由度的平面绘图机器人, 之前在Arduino中文社区里大火.
Scara结构的绘图机器人， 因为机型自身的原因，精度没XYZ或者CoreXY结构的绘图机器人高，而且XYZ结构要更简单一些。 如果是研究的话，可以用来学习, 不过作者好像并没有开源源码。其实原理不难，比DArm还要简单一点点。
好在我的好朋友小峰做了一版金属版本的Drawbot， 并且开源了GRBL-stm32版本的SCARA绘图机器人的固件. Uniquemf/grbl-stm32-scara (github.com) , 这个也是他本科的毕业设计。
UArm Swift Pro 机械臂
| Tag | 内容 |
| ------------ | ------------------------------------------------------------ |
| 项目名称 | UArm Swift Pro |
| 作者 | ufactory |
| 效果视频 | uArm Swift Pro Robotic Arm Review: Professional Kit for Educators |
| 项目主页 | uArm – store.ufactory.cc |
| 运动控制框架 | GRBL-Mega / Marlin |
| 代码仓库 | SwiftProForArduino |
| 3D模型下载 | 金属件，结构不开源 |
之前买过一个UArm Swift Pro， 这款机械臂全金属机身， 做工不错. 旧版的UArm Swift Pro固件是基于Marlin做的.
但是UArm Swift Pro最新的固件V4.9.0以后，使用的都是基于GRBL改的固件版本。 因为Marlin是针对3D打印机设计的固件， 对于这种关节臂型的机械臂来讲，就显得很庞大. GRBL小巧，更容易学习， 也更容易定制.
看源码的时候，注意选择分支版本号V4.0.
UArm Swift Pro 主控使用的主控是 Mega2560. 步进电机驱动使用了三个LV8729跟一个A4988 。
UArm方案， 比较有亮点的地方是， 将步进电机+减速齿轮 + 霍尔IC编码器AS5600 (I2C接口)做到了一起， 磁铁是粘贴到减速齿的轴上的. 这样在机械臂上电的时候，主控就可以知道机械臂各个关节的绝对位置了， 所以UArm没有Homing的过程. 这样做的另外一个好处就是， UArm可以给步进电机卸力， 然后通过实时的采集编码器的角度信息， 完成拖动示教。 大家如果用步进电机+减速同步带的方案的时候， 也可以参考类似的做法， 在减速输出轴的位置添加磁铁跟霍尔IC编码器.
但是严格意义上来讲， UArm的步进电机方案，并不能称得上真正意义上的闭环步进. 在运行过程中，主控不会主动的去查询更新当前编码器的角度，如果步进电机在运动过程中产生了丢步的情况, 不会做任何的补偿/处理， AS5600霍尔IC编码器的用途只出现在Homing的时候。
还有顺带说一下UArm Swift Pro 末端的旋转关节舵机, 末端旋转关节配置的舵机规格跟MG90s差不多， 扭力很小， 只不过是四线舵机， 应该是多了一个电位计的ADC信号线， 但是固件里面并没有用到这个ADC采样线，普通PWM舵机也可以用在上面.
Mirobot 六自由度机械臂
| Tag | 内容 |
| ------------ | ------------------------------------------------------------ |
| 项目名称 | Mirobot |
| 作者 | 周冬旭 中国矿业大学 博士 藏起来 - 知乎 (zhihu.com) |
| 效果视频 | 机械臂五子棋人机对弈-AlphaZero强化学习+Mirobot六自由度机械臂 |
| 项目主页 | wlkata-mirobot |
| 运动控制框架 | GRBL-Mega |
| 代码仓库 | 固件不开源, Wlkata Mirobot Supporters Forum (github.com) |
| 3D模型下载 | 不开源，注塑件 。 开源了可用于搭建URDF模型的STL文件 wlkata/Mirobot-STL: STL (github.com) |
之前跟Mirobot有过机械臂案例的项目合作， 所以跟周冬旭 周博有过交流。 之前我修改过的Mirobot Python SDK wlkata/mirobot-py: WLkata Mirobot Python SDK (github.com), 被周博fork到官方代码仓库里了， 非常荣幸.
GRBL在底层设计里面，并没有考虑到末端姿态欧拉角的问题，只局限于末端的三维坐标 [x,y,z]. 而Mirobot开源的6自由度机械手臂的固件里面有6DoF机械臂的正逆向运动学， 有比较好的学习价值。固件在最初发布的时候是开源的， 不过现在固件不开源了。
MK2 Plus 机械臂
| Tag | 内容 |
| ------------ | ------------------------------------------------------------ |
| 项目名称 | MK2 Plus 机械臂 |
| 效果视频 | Cheap 3D printed Robot Arm Free Source code - Part 3 - YouTube |
| 项目主页 | 无 |
| 运动控制框架 | GRBL |
| 代码仓库 | grbl-servo GRBL的分支，Z轴用舵机控制. |
| 安装教程 | Robot Arm MK2 Plus (Stepper Motor Used) : 11 Steps - Instructables |
| 3D模型下载 | 见安装教程 |
| BOM表 | 见安装教程 |
MK1机械臂跟MK2机械臂都是基于舵机来做的, 作者是EEZYrobots, EEZYrobots官网
MK系列的机械臂玩的人比较多， 之前我基于MK1机械臂写过机械臂运动学的课程 机械臂运动学控制及Python实现-1Z实验室-网易云课堂
MK2 Plus版本是由Jacky Le 设计制作的， 用步进电机替换了舵机.
其设计原型为ABB IRB460机械臂。
没有深入针对当前的机型去定制GRBL的固件，使用的是标准的GRBL固件， 使用方式仅局限于示教.
也有一个不依赖GRBL版本的，但是也没有运动学的部分. 参考教程MK2 Plus Robot Arm Controller
评论（0）
您还未登录，请登录后发表或查看评论