尝试做个机械臂缘起：看过稚辉君的机械臂，备受震撼。后来小米发布了私服电机，故想尝试一下。 思路：简单来想，机械臂的最本质 – 掘金_AI阅读总结 — 包阅AI

缘起：看过稚辉君的机械臂，备受震撼。后来小米发布了伺服电机，故想尝试一下。
思路：简单来想，机械臂的最本质就是控制电机，我们只需要让电机按照我们的预想来进行旋转就可以了。当然这只是最简单的目标。由此可以计划出以下几点渐进的目标。
已实现的阶段目标:

1. 简单运行电机： 电机连接电脑，然后随便转转
2. solidworks建模部分： 用3d建模软件画出3d模型
3. 3d打印部分： 找淘宝商家打印出3d模型，验证下是否可以安装
4. 前端项目篇部分： 使用threejs + vue3做个类似数字孪生，简单点说就是网页操作控制电机旋转
5. 尝试运行单片机： 运行乐鑫官方的helloworld项目
6. 蓝牙部分： 单片机运行乐鑫官方的蓝牙项目，并使用手机连接通信
7. TWAI部分： 单片机运行乐鑫官方的TWAI项目，并与小米电机通信
8. 改写单片机项目： 根据需求需要将蓝牙项目和TWAI项目组合一起，以实现网页控制esp32单片机向小米电机发送信息
9. 完善前端项目： 使用网页控制电机精准旋转
10. 组装，最终成品： 组装电路，并于上位机（网页）联调
11. 总结
12. 未来展望
13. github
14. 参考文章

未来的进阶目标：

1. 优化3d模型
2. 动画系统（关键帧），引入贝塞尔曲线，简化机械臂的运动控制，就像css的动画那样（待验证可行性）
3. 单片机改为Rust语言开发（应该可行： 参考文章 ）
4. 尝试使用人工智能

备注：除了前端，其余技术未接触过，所以分的比较细。

所有物料的清单：

名称	数量	价格
小米电机	3	1497元
ESP32 N16R8	1	54.90元
TJA1050 CAN模块	1	6元
艾迈斯线XT30插头带线	3	12.6元
usb-can转换器	1	79元
24V10A电源	1	46.56元
DC5.5转XT30转接线	1	10元
黑色绝缘胶带	1	3.97元
杜邦线	2板	5.26元
螺丝螺母套装	1	17.91元
SolidWorks软件安装费	1	10元
3D打印模型	1	100元
12V电源	1	11.16元
12V转5V转换器	1	4.9元
硅胶线18AWG（红黑2米）	2	3.4元
艾迈斯线XT30连接器线公转母	2	4.2元
合计		1866.86

成品：

简单运行电机

物料:
小米电机 * 1
usb-can转换器 * 1
24V10A电源 * 1
艾迈斯线 * 1
DC5.5转XT30转接线 * 1

连线部分：

can-usb参数设置：

打开小米电机的上位机：

电机成功连接，点击jog运动的加、减号，电机就可以动起来了：

solidworks建模部分

本想做个酷一些的模型，类似稚辉君那种。刚刚简单入门，画起来还是太麻烦了，先画个简单的，以后再优化吧。
下臂：

中臂：

上臂：

组合起来如下图：
还有个底座，底板没做（暂时这么称呼），大概是用来控制重心的，使机械臂能稳定立在桌面上，以下是稚慧君的机械臂模型，参考看看：

3d打印部分

导出stl文件格式给淘宝的3d打印商家：

模型设计的问题很多，比如螺丝孔太细，管壁太薄变形，蛮多缺陷，先勉强用用。如下图所示：

简单测试下能不能匹配：

还行，勉强能用，就是有点丑。这章到此结束。

前端项目部分

目标： 做个网页用来控制机械臂
技术： vue3 + threejs
步骤：
1.solidworks导出3d模型：在此使用glb格式(不使用.gltf格式的原因是：gltf格式会生成.bin文件，在本地预览失败，在项目中调用失败，可能是用的方式不对)。

2. 搭建前端工程并搭建threejs场景（参考文章）：

4. 调整模型并添加控制轴：因为机械臂的每个关节只能固定一个方向旋转(参考文章： )，所以用transformControls来控制，并将其他其他轴隐藏。如下图所示：

5. 模型调整：重新使用solidworks装配并导出(因为臂需要和电机是一个整体)，并且调整模型的原点，以便更容易控制。

6. 控制优化：想要的效果是骨骼系统那样，比如： three.js示例，但solidworks中似乎没有骨骼系统，所以就先用THREE.Object3D做个简单控制(参考文章 )，transformControls好像无法控制Object3D，所以舍弃，效果如下图所示。

这章先简单到此为止，接下来做单片机部分。

尝试运行单片机

目标： 运行esp32官方的hello world项目
物料选择:

1. esp32-s3 N8R16单片机，主要原因是支持蓝牙，wifi和can通信。
2. 一个typeC线
   如下图：

esp-idf环境搭建

1. 根据官方文档： esp快速入门我选择的是在线安装，按默认配置安装，

2. 成功之后桌面会有快捷键图标：

3. 双击运行会自动初始化环境，如下图，接下来编译，烧录都会用到，记得使用管理员身份运行：

尝试helloworld

1. 从esp-idf项目中复制出helloworld项目，粘贴至你的项目文件夹下（猜测：以后的项目应该也是去改官方的项目示例）：

2. 接下来就是按照官方文档步骤来走：
① 设置编译的目标平台: 成功则会生成build文件夹：

② 编译代码: 编译成功之后在build文件夹下会生成.bin文件。

③ 烧录： 将程序写入单片中，端口可不写，会自动寻找（注意: typeC插入esp32的正确的口，我用的是COM口）:

④ 执行命令idf.py monitor可看到程序的输出:

3.到此算简单入门了，接下来就是探索蓝牙和TWAI协议了。

蓝牙部分

目标： 运行官网的蓝牙Master项目，并尝试用LightBlue（功能类比postman，用来调试蓝牙）连接蓝牙并传输数据
物料：
esp32-s3单片机 * 1
usb-typec线 * 1
蓝牙的概念：
参考文章

运行官方项目:

1. 从esp-idf项目中复制出gatt-server项目，粘贴至你的项目文件夹下
2. 烧录进单片机并运行
3. 手机下载lightblue软件

4. 打开lightblue并搜索单片机的蓝牙信号：

5. 连接成功之后，尝试调用蓝牙的write方法给单片机传递消息:

6. 单片机成功接收到来自的lightblue传输的消息，这章简单到此结束。

TWAI部分

目标： 运行官方的TWAI-network项目，并尝试使用can调试工具互通数据，然后尝试发送指令给小米点机

物料：
esp32-s3单片机 * 1
usb-typec线 * 1
TJA1050 can模块 * 1
杜邦线 * 6根
usb-can转换器 * 1
小米电机 * 1

Q&A：
问 为什么要用这个TWAI？
答：因为小米电机是can协议通信，而esp32-s3支持TWAI协议，TWAI兼容can2.0协议（TWAI官方文档）。
问：需要其他什么硬件支持吗？
答：esp32-s3单片机只有TWAI模块，但没有can消息的收发器，所以单片机上要额外接入TJA1050 can收发器。

CAN协议

CAN协议的参考文章，简单看下协议结构，如下图所示（小米电机采用扩展数据帧）:

硬件连线

这个正确的硬件连线搞了好几天，查阅了很多资料，没人指导的情况下有点懵。正确的连线情况是：运行官方项目，电脑的can调试器能收到相关消息。
单片机与TJA1050连线如下图：

TJA1050与usb转can转换器连线如下图，usb-can转换器需要短接内置的120欧姆电阻：

检查单片机与TJA1050收发器是否正常连接

1. 运行官方示例项目： twai_self_test

2. 正常运行的console:

测试收发消息

1. 正确连接TJA1050与usb-can转换器的线
2. 运行官方示例项目: twai_network_master

3. 修改参数: usb-can转换器的波特率要与单片机的一致(在此我设置为1Mbits), 还有就是设置为包模式。can调试工具是usb-can转换器商家开发的，不同商家软件界面可能不同，但功能参数应该是相似的。如下图:

4. 修改代码： 因为twai_network_master项目需要与twai_network_slave项目配合，意味着需要两块单片机（但我只有一块，想法是esp32跟usb-can转换器通信，后来证实可行）。展示了ping信号，收发消息和命令任务控制等功能。而我只需要最简单的收发消息，故简化代码逻辑，并与usb-can转换器通信。如下图:

到此算是一个重要标志节点：可以使用TWAI收发消息。

发送指令控制小米电机

1. 观察下小米上位机通信时的指令，来分析其中含义：

2. 好吧，根据can协议看了很久没分析出什么（好像不同的can master有不同的格式），又看了遍官方文档，有单独的文件进行说明：

3. 数据帧蛮复杂，看的很迷糊，参考解析的文章，由此可以得到简单的四条测试指令：
① 使能指令：AA 01 00 08 03 00 FD 15 00 00 00 00 00 00 00 00 7A
简单解析下：

帧头： AA   是否扩展帧: 01中的1   data_length_code: 08中的8   帧id： 03 00 FD 15 即通信类型3 发送者的的canid为0xFD 接收者的canid为0x15   数据： 00 00 00 00 00 00 00 00   帧尾： 7A  

② jog +5rad/s指令：AA 01 00 08 12 00 FD 15 05 70 00 00 07 01 6A AA 7A
③ jog停止指令： AA 01 00 08 12 00 FD 15 05 70 00 00 07 00 7F FF 7A
④ 停止指令： AA 01 00 08 04 00 FD 15 00 00 00 00 00 00 00 00 7A

4. 连线小米电机（电机的波特率也是1Mbits），运行项目，效果如下图：

这章简单到此结束。

改写单片机项目

目标： 将蓝牙和TWAI项目集合在一起，单片机的最终功能是：① 接收蓝牙信息，将其转成can消息帧，传给小米电机 ② 将接收到的can消息帧通过蓝牙进行回传。如下图：

关键代码

1. 将接收到蓝牙消息用TWAI发送：

        unsigned int frameId = 0;    int frameData[8];    for(int i = 0; i < param->write.len; i++) {      printf("遍历蓝牙%d值: %d", i, param->write.value[i]);      if(i < 4) {         frameId = frameId * 16 * 16 + param->write.value[i];      }else {         frameData[i - 4] = param->write.value[i];      }    }    printf("frameId%u值: %d, --- %d", frameId, frameData[0], frameData[7]);        ESP_LOGI(EXAMPLE_TAG, "-----发送can数据指令------");            emitMsg(frameId, frameData);    ESP_LOGI(EXAMPLE_TAG, "-----发送can数据指令结束-----");

2. 将收到的can信号用蓝牙转发给网页：

static void twai_receive_task(void *arg){    while (1) {      rx_task_action_t action;      xQueueReceive(rx_task_queue, &action, portMAX_DELAY);      while(1) {          twai_message_t rx_msg;          twai_receive(&rx_msg, portMAX_DELAY);          ESP_LOGI(EXAMPLE_TAG, "接收到can信号: %lu", rx_msg.identifier);                    uint8_t notify_data[8];          for (int i = 0; i < sizeof(rx_msg.data); ++i) {              notify_data[i] = rx_msg.data[i];          }                              esp_ble_gatts_send_indicate(current_gatts_if, current_param->write.conn_id, gl_profile_tab[PROFILE_A_APP_ID].char_handle,                                  sizeof(notify_data), notify_data, false);        }    }    vTaskDelete(NULL);}

完善前端项目

目标： 与单片机建立蓝牙通信，新增控制面板模块，用网页控制小米电机的运行。

界面如下：

关键代码：

蓝牙部分：

  let available = await navigator.bluetooth.getAvailability(); ...  let device = await navigator.bluetooth.requestDevice({    filters: [{ namePrefix: "ESP" }],    optionalServices: [0x00ff],  }); let server = await device.gatt.connect(); let service = await server.getPrimaryService(0x00ff); let characteristic = await service.getCharacteristic(0xff01); ...  characteristic.writeValue(cmdFrame); ... characteristic.addEventListener("characteristicvaluechanged", (e) => {    console.log("蓝牙Notification通知: ", e, "值:");    let CAN_frame_data = Array.from(new Uint8Array(e.target.value.buffer)).map(      (num) => {        return num.toString(16);      }    );  

位置模式的指令生成

看文档之后，发现位置模式是最符合网页中控制面板的操作。

1. 首先看看文档解释：

2. 其次看看如何运行这个位置模式：

可以看到，设置位置模式主要是需要分发两条指令：①. 发送设置速度指令，即设置limit_spd②. 发送设置具体位置，即loc_ref

3. 最后来仔细看看指令的内容：

速度指令的速度（0-30rad）需要4个字节来表示
角度指令的弧度（rad）需要4个字节来表示

4. 看了这么久rad，解析下它是什么(参考文章):

5. 但是我们的控制面板用的是角度，看下互换比例（参考文章）：

C = 2Πr, 弧度rad = 角度 * Π / 180 就行了

6. 到此可以计算出角度对应弧度的值，看个指令的例子(参考文章):

CODE3：设置参数limit_spd速度5rad/s
AA 01 00 08 12 00 01 05 17 70 00 00 00 00 A0 40 7A

CODE4：设置参数loc_ref 位置12.5rad
AA 01 00 08 12 00 01 05 16 70 00 00 00 00 48 41 7A

7. 那如何转换成can数据帧需要的格式，比如上边例子： 5 -> 00 00 A0 40 和 12.5 -> 00 00 48 41
   ① 去查查这个浮点数的原理简析
   ②看到参考文章里的IEEE754是不是很熟悉，js的Number是遵循这个标准，那可以直接用吗？
   ③查了MDN：number属于64位，意味着是8个字节，与我们想要的有些不同，没发现可以如何调用的方法，遂放弃

JavaScript 的Number类型是一个双精度 64 位二进制格式 IEEE 754值，类似于 Java 或者 C# 中的double。这意味着它可以表示小数值，但是存储的数字的大小和精度有一些限制。简而言之，IEEE 754 双精度浮点数使用 64 位来表示 3 个部分：

④ 造轮子:

export function double2floatCode(num) {  if(num == 0) {    return fillZero([], 32);  }  let num0b = (num).toString(2).replace('-', '');  console.log('num: ', num, '二进制: ', num0b);  let integer0b = num0b.split('.')[0];  let fraction = num0b.split('.').length === 2 ? num0b.split('.')[1] : [];      let signal = num >= 0 ? '0' : '1';    let e = 127;    let first1Index = num0b.indexOf('1');    let pointIndex = num0b.indexOf('.') || 0;      if(first1Index < pointIndex) {        e += pointIndex - 1;  }else {    e += pointIndex - first1Index;  }  let e0bArr = e.toString(2).split('');    if(e < 128) {    e0bArr = fillZero(e0bArr, 8, 'head');  }            let mantissaBasis = first1Index + (first1Index < pointIndex ? 1: 0)    let mantissa = [...integer0b, ...fraction].slice(mantissaBasis, mantissaBasis + 23);      console.log('single', signal, 'e', e, 'mantissa: ', mantissa.join(''));    const floatCodeArr = [signal, ...e0bArr, ...fillZero(mantissa, 23)];    console.log('floatCodeArr: ', floatCodeArr.join(''));  return floatCodeArr;      function fillZero(arr, len, type = 'tail') {    if(type === 'head') {      return [...new Array(len - arr.length).fill('0'), ...arr];    }else {            return [...arr , ...new Array(len - arr.length).fill('0')]    }      }}export function numToUnit8Array(num) {  let floatCodeArr = double2floatCode(num);    let binaryArr = [];  for(let i = 0; i < floatCodeArr.length; i = i + 8) {        let binaryStr = '0b' + floatCodeArr.slice(i, i + 8).join('');    binaryArr.push(binaryStr);  }    return new Uint8Array(binaryArr.reverse());}

⑤使用豆包ai辅助验证下函数的输出：

8. 到此可以生成位置模式指令需要的数据，所以可以进行下一步：生成指令，用策略模式来优化下：

export function generateCMD(type, params = {}) {                                        let TWAI_id = new Array(4).fill(0);  let TWAI_data = new Array(8).fill(0);  var Strategies =  {    enable: () => {      TWAI_id = [0x03, 0x00, 0xfd, 0x15];    },    disable: () => {      TWAI_id = [0x04, 0x00, 0xfd, 0x15];    },    jog5: () => {      TWAI_id = [0x12, 0x00, 0xfd, 0x15];      TWAI_data = [0x05, 0x70, 0x00, 0x00, 0x07, 0x01, 0x95, 0x54];    },    jog0: () => {      TWAI_id = [0x12, 0x00, 0xfd, 0x15];      TWAI_data = [0x05, 0x70, 0x00, 0x00, 0x07, 0x00, 0x7f, 0xff];    },        limit_spd: ({motorId, limit_spd}) => {      TWAI_id = [0x12, 0x00, 0xfd, motorId];      TWAI_data = [0x17, 0x70, 0x00, 0x00, ...numToUnit8Array(limit_spd)];    },        loc_ref: ({motorId, loc_ref}) => {      TWAI_id = [0x12, 0x00, 0xfd, motorId];      TWAI_data = [0x16, 0x70, 0x00, 0x00, ...numToUnit8Array(loc_ref)];    },        run_mode: ({motorId, run_mode}) => {      TWAI_id = [0x12, 0x00, 0xfd, motorId];      TWAI_data = [0x05, 0x70, 0x00, 0x00, run_mode, 0x00, 0x00, 0x00];    }  }  Strategies[type](params);  console.log('策略模式: ', type , [...TWAI_id, ...TWAI_data]);  return Uint8Array.from([...TWAI_id, ...TWAI_data]);}

9. 运行位置模式需要四条指令： ①设置运行模式 ②使能 ③设置速度 ④设置位置 。为了方便使用，也为了未来的扩展，因为还有其他三种模式：运控模式，电流模式，速度模式。所以在此使用建造者模式来优化：

class MotorRotateBuilder {  motorId  cmdArr = []  setMotorId(motorId){    this.motorId = motorId;    return this;  }  enableCmd() {    this.cmdArr.push(generateCMD('enable'))    return this;  }    disableCmd() {    this.cmdArr.push(generateCMD('disable'))    return this;  }  runModeCmd() { }    coreCmd() { }  getCmdArr() {    return this.cmdArr;  }}export class LocBuilder extends MotorRotateBuilder {  constructor({ motorId }) {    super();    this.setMotorId(motorId)  }  runModeCmd() {    let cmd = generateCMD('run_mode', {motorId: this.motorId, run_mode: 1})    this.cmdArr.push(cmd);    return this;  }  coreCmd({limit_spd, loc_ref}) {    let limit_spd_cmd = generateCMD('limit_spd', {motorId: this.motorId, limit_spd});    let loc_ref_cmd = generateCMD('loc_ref', {motorId: this.motorId, loc_ref});    this.cmdArr.push(limit_spd_cmd, loc_ref_cmd);    return this;  }}export function LocDirector({motorId, limit_spd, loc_ref}) {    if(limit_spd > 30) {    limit_spd = 30;  }else if(limit_spd < 0) {    limit_spd = 0;  }  let loc_instance = LocBuilder({motorId}).runModeCmd().enableCmd().coreCmd({ limit_spd, loc_ref });  return loc_instance.getCmdArr();}

10. 查看生成的数据:

11. 发现已经生成了预期想要的数据了，接下来循环发送(暂时每条指令间隔300ms，实测不能发太快)给小米电机

12. 将控制面板绑定相关函数和参数，实现拨动滑块控制电机，如下图：

13. 这章到此结束

组装，最终成品

目标： 将三个电机的电源用并联方式连接起来，连接TWAI通信网络，组装上3d打印的壳子，完成最终成品。

线路连接： 如下图：

遇到的问题：

1. 期间twai网络消息，只有当连接一个电机时候才可通信（查阅资料can通信在1Mbps下的通信距离能达到10公里，而我这一米不到就不行了），尝试设想很多原因，比如：
   ① 连线的问题，查阅资源发现要两侧添加电阻，故又去买了120欧姆的电阻。
   ② can通信线的问题，图中用的电源线和can线用的一个类型的线。
   ③ 是否是线路的电阻太高，导致线路失败。
   …
   最终发现是：tja1050收发器需要5v的电压供电，而esp32只能提供3.3v的电压，导致电压与电阻不匹配。那为何在之前3.3v时候也能通信工作？ 查看商品详情页：

所以，现在需要一个5v的电源（12v电源转5v）如下：

2. twai单片机项目问题，由于是之前拷贝官方项目改的，达到了能简单运行的目标。但现在经常发送can报文时候报错，但官方的代码太过复杂，无法正确有效修改，到了不得不解决的时候了。于是重写该部分项目代码：待写文章。
3. 蓝牙经常会爆内存，导致单片机直接重启。解决方法是 ① menuconfig中调整蓝牙的BTC_TASK的栈容量 ② 官方项目会把蓝牙接收到write消息写入单片机的持久化磁盘中，在此优化部分逻辑并删掉相关代码。

组装后的成品:

存在的明显问题：

1. 设计的3d模型存在很多问题，比如重心偏移站不住，电线无法走线，螺丝孔不好安装等，基本一整个都有问题，需要重新设计和做仿真测试。
2. 蓝牙的交互还存在问题，消息发快点就不行了，需要优化。
3. can信号的发送丢失严重，不知道是什么原因。
4. 操作体验优化，目前由于蓝牙和can网络，导致数据交互有点慢。
5. 网页的接收数据模块（左下角那块）需要优化，目前有点鸡肋。

总结

从5.16做到8.06，接近三个月，做的东西太粗糙了，没想象中的好，但主要逻辑是通的，勉强算完成吧。

未来展望

如果都做的顺利的话，下一个可能会做灵巧手，如下图：

github

地址： github.com/5sj-666/Rob…

参考文章

SolidWorks 打开stp/step不显示解决办法: zhuanlan.zhihu.com/p/661600802
机械臂cad参考: github.com/Tony607/Cyb…
esp 指南: docs.espressif.com/projects/es…
awg解释： baike.baidu.com/item/AWG/36…
螺纹孔深度标注: zhidao.baidu.com/question/16…
esp32 can总线： lastminuteengineers.com/esp32-can-b…
idf指令: docs.espressif.com/projects/es…
threejs在vue中用法： cloud.tencent.com/developer/a…
机械臂控制: www.cnblogs.com/zhnblog/p/6…
esp-idf readme: github.com/espressif/e…
esp32-tja1050: lingshunlab.com/book/esp32/…
蓝牙角色区分： blog.csdn.net/weixin_4335…
蓝牙术语解读： www.nordicsemi.cn/news/blueto…
蓝牙ATT介绍（英文版本）： lpccs-docs.renesas.com/tutorial-cu…
PC蓝牙调试器: blog.csdn.net/Ikaros_521/…
STM32F103用CAN通讯驱动小米电机讲解： www.bilibili.com/video/BV1Z1…
小米电机指令详解: blog.csdn.net/qq_35003234…
详解蓝牙传输: blog.csdn.net/chengbaojin…
通过web控制蓝牙设备（入门）： segmentfault.com/a/119000001…
float浮点数原理： blog.csdn.net/whyel/artic…
rad详解: blog.csdn.net/janechel/ar…
设置BTC_TASK大小： docs.espressif.com/projects/es…
获取twai状态：blog.csdn.net/HeroGuo_JP/…