编程教程

预计用时：2 小时 | 难度：中等

1. GCode 基础

什么是 GCode？ GCode 是数控机床的标准编程语言，Delta 机器人同样使用 GCode 进行运动控制。

1.1 基本运动指令

指令	说明	参数	示例
G0	快速定位	X, Y, Z, F	G0 X10 Y20 Z-200
G1	直线插补	X, Y, Z, F	G1 X50 F1000
G28	回零	无	G28
G90	绝对坐标	无	G90
G91	相对坐标	无	G91

1.2 M 指令（辅助功能）

指令	功能	示例
M121	开泵	M121
M122	关泵	M122
M1	开阀（泄气，放下物体）	M1
M2	关阀（保持真空，吸住）	M2
M17	使能电机	M17
M18	关闭电机	M18

1.3 完整抓取序列示例

# 第 1 步：回零
G28

# 第 2 步：移到物体上方
G0 X30 Y-20 Z-160

# 第 3 步：下降到抓取高度
G0 Z-200

# 第 4 步：开泵并关阀（形成真空）
M121
M2
G4 S1     # 等待 1 秒

# 第 5 步：上升
G0 Z-160

# 第 6 步：移到目标位置
G0 X-50 Y30

# 第 7 步：下降
G0 Z-200

# 第 8 步：释放（开阀泄气）
M1
G4 S1

# 第 9 步：上升并关泵
G0 Z-160
M122

2. Python API

2.1 串口通信

from serial import Serial
import time

# 连接 ESP32
robot = Serial('COM3', 115200, timeout=1)
time.sleep(2)  # 等待连接稳定

# 发送 GCode 指令
def send_gcode(command):
    robot.write((command + '\n').encode())
    response = robot.readline().decode().strip()
    print(f"Sent: {command} | Response: {response}")
    return response

# 使用示例
send_gcode("G28")
send_gcode("G0 X10 Y20 Z-200")

2.2 视觉处理（YOLOv8）

import cv2
from ultralytics import YOLO

# 加载 YOLOv8 模型
model = YOLO('yolov8n.pt')

# 打开摄像头
cap = cv2.VideoCapture(0)

while True:
    ret, frame = cap.read()
    if not ret:
        break

    # 目标检测
    results = model(frame)

    # 读取检测结果
    for r in results:
        boxes = r.boxes
        for box in boxes:
            x1, y1, x2, y2 = box.xyxy[0].tolist()
            conf = box.conf[0].item()
            cls = int(box.cls[0].item())

            # 计算物体中心
            cx = int((x1 + x2) / 2)
            cy = int((y1 + y2) / 2)

            print(f"Object at pixel: ({cx}, {cy})")

    # 显示结果
    annotated = results[0].plot()
    cv2.imshow('Detection', annotated)

    if cv2.waitKey(1) & 0xFF == ord('q'):
        break

cap.release()
cv2.destroyAllWindows()

2.3 坐标变换

import numpy as np

# 加载透视变换矩阵（标定时生成）
H = np.load('homography_matrix.npy')

def pixel_to_robot(px, py):
    """把像素坐标转换为机器人坐标"""
    # 输入：像素坐标 (px, py)
    # 输出：机器人坐标 (x, y)，单位 mm

    pixel_point = np.array([[px, py]], dtype='float32')
    pixel_point = np.array([pixel_point])

    robot_point = cv2.perspectiveTransform(pixel_point, H)

    x = robot_point[0][0][0]
    y = robot_point[0][0][1]

    return x, y

# 使用示例
px, py = 320, 240  # 图像中心
x, y = pixel_to_robot(px, py)
print(f"Robot coordinate: X={x:.1f}, Y={y:.1f}")

3. 固件开发

3.1 运动学解算（robotGeometry.cpp）

Delta 机器人使用逆运动学：给定末端执行器坐标 (x, y, z)，计算 3 个电机角度 (θ1, θ2, θ3)。

// 核心函数：逆运动学解算
int delta_calcInverse(float x0, float y0, float z0,
                      float &theta1, float &theta2, float &theta3) {
    // 详细数学推导见 robotGeometry.cpp
    // 返回：0 成功，-1 超出范围
}

3.2 插补算法（interpolation.cpp）

使用余弦加速曲线实现平滑运动：

// SPEED_PROFILE = 2（余弦加速）
// 特点：启停平滑，无冲击

float Interpolation::cosineProfile(float t) {
    // 真正的余弦加速曲线：平滑启动与停止
    return -cos(t * PI) * 0.5 + 0.5;
}

4. 代码示例

示例 1：Hello World（移动到指定位置）

from serial import Serial
import time

robot = Serial('COM3', 115200, timeout=1)
time.sleep(2)

robot.write(b'G28\n')  # 回零
time.sleep(3)

robot.write(b'G0 X10 Y20 Z-200\n')  # 移动
print("Hello, Delta Robot!")

示例 2：画正方形

def draw_square(size=40):
    send_gcode("G28")
    send_gcode("G0 X0 Y0 Z-200")

    # 4 个顶点
    corners = [
        (size/2, size/2),
        (-size/2, size/2),
        (-size/2, -size/2),
        (size/2, -size/2),
    ]

    for x, y in corners:
        send_gcode(f"G1 X{x} Y{y} F1000")
        time.sleep(1)

    send_gcode(f"G1 X{size/2} Y{size/2}")  # 回到起点

draw_square()

进阶学习

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