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🤖 Firmware Brazo Robótico 4-DOF (STM32 BluePill)

Este documento detalla la arquitectura, lógica y configuración del firmware para el controlador del brazo robótico de 4 grados de libertad (3 ejes cartesianos + 1 Gripper). El sistema corre sobre un STM32F103C8T6 (BluePill) utilizando STM32CubeIDE y la librería HAL.

📂 Arquitectura de Archivos

El proyecto sigue una estructura modular donde se separa la lógica de negocio, el control de hardware y la comunicación.

📁 Core/Src & Core/Inc

Archivo Propósito / Alcance
main.c / .h Punto de Entrada. Configuración inicial de periféricos (HAL_Init), bucle infinito (while(1)), instanciación de variables globales y orquestación entre USB y Motores.
robot_logic.c / .h Cerebro del Robot. Interpreta los comandos ASCII recibidos, gestiona la máquina de estados (Calibración, Aprendizaje, Ejecución) y controla la telemetría automática.
motor_driver.c / .h Control de Movimiento (Paso a Paso). Contiene la lógica matemática para generar pulsos, rampas (si aplica), rutinas de Homing y gestión de interrupciones de temporizadores para los pasos.
gripper_driver.c / .h Control del Efector Final. Maneja el servo mediante PWM. Abstrae los ángulos físicos a comandos lógicos (Open/Close).
comm_manager.c / .h Gestor de Comunicación. Wrapper para la transmisión USB (CDC) segura y funciones de utilidad para parseo de cadenas (substrings, atoi).
stm32f1xx_it.c / .h Interrupciones. Manejadores de interrupciones de hardware (IRQ Handlers) para Timers y Pines EXTI (Fines de carrera/Emergencia).
lcd_i2c.c / .h Driver de Pantalla. Librería de bajo nivel para controlar el LCD 16x2/20x4 mediante el bus I2C.
robot_defines.h Definiciones Globales. Contiene las estructuras de datos principales (StepperMotor) y constantes del sistema.

⚙️ Métodos y Funciones Clave

A continuación se detallan las funciones críticas que dan vida al robot:

🧠 Lógica (robot_logic.c)

  • void Robot_ProcesarComando(char *cmd): Recibe la trama cruda del USB (ej. :#X100|Y200). Usa un switch para derivar al modo correcto:
    • :- -> Modo Calibración (Homing, Set Zero, Config Velocidad).
    • :# -> Modo Ejecución (Movimiento coordinado).
  • uint8_t Robot_ModoEjecucion(void): Parsea coordenadas X, Y, Z y actualiza el setpoint de los motores. Aplica la velocidad global configurada.
  • void Robot_UpdateTelemetry(void): Se ejecuta cada 50ms. Verifica si hubo cambios en posición o sensores y envía el estado al PC: STATUS|X:100|Y:100|....

💪 Motores (motor_driver.c)

  • void moveMotors(StepperMotor *motor, ...): No mueve el motor directamente. Calcula el intervalo de tiempo necesario entre pasos basándose en la velocidad deseada y la resolución del timer.
  • void Motor_Timer_Callback(void): Llamada desde la interrupción del Timer. Si el contador llega al intervalo calculado, genera un pulso físico en el pin STEP.
  • int HomingMotors(...): Rutina bloqueante. Mueve los ejes secuencialmente hacia el sensor, espera la interrupción y establece el cero lógico.

✋ Seguridad e Interrupciones (stm32f1xx_it.c)

  • EXTI15_10_IRQHandler: Se dispara al tocar cualquier fin de carrera o el botón de emergencia. Llama inmediatamente a Motor_Sensor_Triggered para detener los pulsos.

🔌 Configuración de Hardware (Pinout)

⚡ Motores Paso a Paso (Drivers A4988)

Eje Pin STEP Pin DIR Notas
X PA0 PA3
Y PA1 PA4
Z PA2 PA5
Enable PB8 - Activo en BAJO (Lógica negativa)

🛑 Sensores y Seguridad (Input Pull-Up)

Función Pin Interrupción
Fin X PB12 EXTI Line 12
Fin Y PB13 EXTI Line 13
Fin Z PB14 EXTI Line 14
E-STOP PB15 EXTI Line 15 (Prioridad Máxima)

📟 Periféricos Adicionales

  • Servo (Gripper): PB9 (PWM TIM4 CH4).
  • LCD I2C: PB6 (SCL), PB7 (SDA).
  • LEDs Estado: PB3 (Home), PB4 (Finish), PB5 (Wait).
  • USB: PA11 (DM), PA12 (DP).

⏱️ Configuración de Timers y Velocidad

El sistema utiliza interrupciones de temporizador para generar los pasos con precisión.

Asignación de Timers

  • TIM2: Generación de Pasos. Configurado a 20 kHz. Es el "metrónomo" del sistema.
  • TIM3: Base de Tiempo (Segundos). Usado para timeouts en rutinas de homing (Watchdog por software).
  • TIM4: PWM Servo. Frecuencia 50Hz (Periodo 20ms) para control estándar de servos.

📐 Cálculo de Velocidad

Considerando el siguiente hardware estándar:

  • Motor: NEMA 17 (1.8° por paso = 200 pasos/vuelta).
  • Driver: A4988 en modo Full Step (Microstepping desactivado o MS1/MS2/MS3 a GND).
  • Timer Frequency (TIMER_FREQUENCY): 20,000 Hz.

Fórmula de Frecuencia de Pasos

El firmware recibe un valor de velocidad (V) que se interpreta directamente como frecuencia en Hz (Pasos por segundo).

$$IntervaloTimer = \frac{TIMER_FREQUENCY}{VelocidadObj}$$

Conversión a RPM

Para saber la velocidad rotacional real del eje:

$$RPM = \frac{VelocidadObj \text{ (Hz)} \times 60}{200}$$

Ejemplos Prácticos:

Comando USB Velocidad (Hz) RPM (Eje Motor) Descripción
:-V010 100 Hz 30 RPM Velocidad muy lenta (precisión).
:-V050 500 Hz 150 RPM Velocidad media.
:-V100 1000 Hz 300 RPM Velocidad rápida (Límite típico sin rampa).

Nota: La variable velocidadGlobal en el código se escala multiplicando el input por 10 (Input 10-100 -> Output 100-1000 Hz).