Python + Arduino でGUIからロボットアームを制御してみた

#はじめに

ロボットアームキットを組立てて動かしてみました。
GUIを作って簡単に動かせるようにしました。

#構成
・ロボットアームキット
DiyStudio 6自由度ロボットアームDIYキット

・PCA9685
HiLetgo PCA9685

・外部電源
SUCCUL ACアダプター 5V 4A
Kabenjee DC電源コネクタ ジャック コネクタ

・Arduino
ELEGOO Arduino用UNO R3スターターキット
ELEGOO 120pcs多色デュポンワイヤー

#組立、配線
ロボットアームの組立ては同封の説明書を参考に組み立てます。
(組み立てる時はサーボモータの原点位置を把握して、動かしたときに干渉しないように注意します。)

サーボモータ、PCA9685、Arduinoの配線はこちらの方を参考にさせてもらいました。
サーボモータドライバ（PCA9685)とArduinoを用いて複数(12個)のサーボモータ(mg996r)を動かす

模式図

実機

#プログラム
・動作環境

Windows10 Home
Python 3.7.2
Arduino IDE 1.8.13
Arduino Uno R3

・Arduino
Arduinoに書き込むコードはこちらの方を参考にしました。
Arduinoで複数のサーボを動かす（PCA9685）

servomotor_ide.ino

#include <Wire.h>
#include <Adafruit_PWMServoDriver.h>

#define MIN 150
#define MAX 600

Adafruit_PWMServoDriver PWM_SERVO = Adafruit_PWMServoDriver(0x40);

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  PWM_SERVO.begin();
  PWM_SERVO.setPWMFreq(50);
}

void loop() {
  if(Serial.available()> 1){
    int SERVO_NUMBER;
    int SERVO_ANGLE;
    SERVO_NUMBER = Serial.read();
    if(SERVO_NUMBER > 199){
      SERVO_ANGLE = Serial.read();
      if(SERVO_NUMBER==200){SERVO_MOVE(0, SERVO_ANGLE);}
      if(SERVO_NUMBER==201){SERVO_MOVE(1, SERVO_ANGLE);}
      if(SERVO_NUMBER==202){SERVO_MOVE(2, SERVO_ANGLE);}
      if(SERVO_NUMBER==203){SERVO_MOVE(3, SERVO_ANGLE);}
      if(SERVO_NUMBER==204){SERVO_MOVE(4, SERVO_ANGLE);}
      if(SERVO_NUMBER==205){SERVO_MOVE(5, SERVO_ANGLE);}
    }
    delay(200);
  }
}

void SERVO_MOVE(int ch, int ang){
  ang = map(ang, 0, 180, MIN, MAX);
  PWM_SERVO.setPWM(ch, 0, ang);
}

・Python
GUIの作成にはtkinterを利用しました。
arduinoとはシリアル通信を利用します。pyserialをpipでインストールします。
pipの使い方

pyserial 3.5

pythonコード

module_GUI_servo.py

import tkinter as tk
import serial, time
from functools import partial

# シリアル通信準備
print("Open Port")
ser =serial.Serial("COM3", 9600)
time.sleep(1.5)

# ウィンドウの作成
body = tk.Tk()
body.title("robot_control_GUI") 
body.geometry("700x550") 

#servo_0--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
# 上2ボタンの押したときの動作
x_position_servo_0 = 60
def botan_up_2(servo_num):
    if int(label_servo_0_angle["text"]) < 170:
        #ラベルの値を取得してint型に変換して、＋１０して返す
        label_servo_0_angle["text"] = int(label_servo_0_angle["text"]) + 10
    servo_move(servo_num,int(label_servo_0_angle["text"]))

# 上2ボタンの作成
bota_up_2 = tk.Button(text ='▲▲',width = 7,height = 3,command = partial(botan_up_2,0))
bota_up_2.place(x=x_position_servo_0,y=0)

# 上1ボタンの押したときの動作
def botan_up(servo_num):
    if int(label_servo_0_angle["text"]) < 179:
        #ラベルの値を取得してint型に変換して、＋１して返す
        label_servo_0_angle["text"] = int(label_servo_0_angle["text"]) + 1
    servo_move(servo_num,int(label_servo_0_angle["text"]))

# 上1ボタンの作成
bota_up = tk.Button(text ='▲',width = 7,height = 3,command = partial(botan_up,0))
bota_up.place(x=x_position_servo_0,y=60)

# 下1ボタンの押したときの動作
def botan_down(servo_num):
    if int(label_servo_0_angle["text"]) > 0:
        #ラベルの値を取得してint型に変換して、-１して返す
        label_servo_0_angle["text"] = int(label_servo_0_angle["text"]) - 1
    servo_move(servo_num,int(label_servo_0_angle["text"]))

# 下1ボタンの作成
bota_down = tk.Button(text ='▼',width = 7,height = 3,command = partial(botan_down,0))
bota_down.place(x=x_position_servo_0,y=120)

# 下2ボタンの押したときの動作
def botan_down_2(servo_num):
    if int(label_servo_0_angle["text"]) > 10:
        #ラベルの値を取得してint型に変換して、-１０して返す
        label_servo_0_angle["text"] = int(label_servo_0_angle["text"]) - 10
    servo_move(servo_num,int(label_servo_0_angle["text"]))
    
# 下2ボタンの作成
bota_down_2 = tk.Button(text ='▼▼',width = 7,height = 3,command = partial(botan_down_2,0))
bota_down_2.place(x=x_position_servo_0,y=180)

# 「servo_0」の角度の表示
label_servo_0_angle = tk.Label(text="90", borderwidth=2, relief="sunken")
label_servo_0_angle.place(x=x_position_servo_0, y=240, width=60, height=20)

# 「servo_0」ラベルの作成
label_servo_0 = tk.Label(text="servo_0") 
label_servo_0.place(x=x_position_servo_0,y=260)
#----------------------------------------------------------------------------------------------------------

#servo_1----------------------------------------------------------------------------------------------------------
# 上2ボタンの押したときの動作
x_position_servo_1 = 150
def botan_up_2(servo_num):
    if int(label_servo_1_angle["text"]) < 170:
        #ラベルの値を取得してint型に変換して、＋１０して返す
        label_servo_1_angle["text"] = int(label_servo_1_angle["text"]) + 10
    servo_move(servo_num,int(label_servo_1_angle["text"]))

# 上2ボタンの作成
bota_up_2 = tk.Button(text ='▲▲',width = 7,height = 3,command = partial(botan_up_2,1))
bota_up_2.place(x=x_position_servo_1,y=0)

# 上1ボタンの押したときの動作
def botan_up(servo_num):
    if int(label_servo_1_angle["text"]) < 179:
        #ラベルの値を取得してint型に変換して、＋１して返す
        label_servo_1_angle["text"] = int(label_servo_1_angle["text"]) + 1
    servo_move(servo_num,int(label_servo_1_angle["text"]))

# 上1ボタンの作成
bota_up = tk.Button(text ='▲',width = 7,height = 3,command = partial(botan_up,1))
bota_up.place(x=x_position_servo_1,y=60)

# 下1ボタンの押したときの動作
def botan_down(servo_num):
    if int(label_servo_1_angle["text"]) > 0:
        #ラベルの値を取得してint型に変換して、-１して返す
        label_servo_1_angle["text"] = int(label_servo_1_angle["text"]) - 1
    servo_move(servo_num,int(label_servo_1_angle["text"]))

# 下1ボタンの作成
bota_down = tk.Button(text ='▼',width = 7,height = 3,command = partial(botan_down,1))
bota_down.place(x=x_position_servo_1,y=120)

# 下2ボタンの押したときの動作
def botan_down_2(servo_num):
    if int(label_servo_1_angle["text"]) > 10:
        #ラベルの値を取得してint型に変換して、-１０して返す
        label_servo_1_angle["text"] = int(label_servo_1_angle["text"]) - 10
    servo_move(servo_num,int(label_servo_1_angle["text"]))
    
# 下2ボタンの作成
bota_down_2 = tk.Button(text ='▼▼',width = 7,height = 3,command = partial(botan_down_2,1))
bota_down_2.place(x=x_position_servo_1,y=180)

# 「servo_1」の角度の表示
label_servo_1_angle = tk.Label(text="90", borderwidth=2, relief="sunken")
label_servo_1_angle.place(x=x_position_servo_1, y=240, width=60, height=20)

# 「servo_1」ラベルの作成
label_servo_1 = tk.Label(text="servo_1") 
label_servo_1.place(x=x_position_servo_1,y=260)
#----------------------------------------------------------------------------------------------------------

#servo_2----------------------------------------------------------------------------------------------------------
# 上2ボタンの押したときの動作
x_position_servo_2 = 240
def botan_up_2(servo_num):
    if int(label_servo_2_angle["text"]) < 170:
        #ラベルの値を取得してint型に変換して、＋１０して返す
        label_servo_2_angle["text"] = int(label_servo_2_angle["text"]) + 10
    servo_move(servo_num,int(label_servo_2_angle["text"]))

# 上2ボタンの作成
bota_up_2 = tk.Button(text ='▲▲',width = 7,height = 3,command = partial(botan_up_2,2))
bota_up_2.place(x=x_position_servo_2,y=0)

# 上1ボタンの押したときの動作
def botan_up(servo_num):
    if int(label_servo_2_angle["text"]) < 179:
        #ラベルの値を取得してint型に変換して、＋１して返す
        label_servo_2_angle["text"] = int(label_servo_2_angle["text"]) + 1
    servo_move(servo_num,int(label_servo_2_angle["text"]))

# 上1ボタンの作成
bota_up = tk.Button(text ='▲',width = 7,height = 3,command = partial(botan_up,2))
bota_up.place(x=x_position_servo_2,y=60)

# 下1ボタンの押したときの動作
def botan_down(servo_num):
    if int(label_servo_2_angle["text"]) > 0:
        #ラベルの値を取得してint型に変換して、-１して返す
        label_servo_2_angle["text"] = int(label_servo_2_angle["text"]) - 1
    servo_move(servo_num,int(label_servo_2_angle["text"]))

# 下1ボタンの作成
bota_down = tk.Button(text ='▼',width = 7,height = 3,command = partial(botan_down,2))
bota_down.place(x=x_position_servo_2,y=120)

# 下2ボタンの押したときの動作
def botan_down_2(servo_num):
    if int(label_servo_2_angle["text"]) > 10:
        #ラベルの値を取得してint型に変換して、-１０して返す
        label_servo_2_angle["text"] = int(label_servo_2_angle["text"]) - 10
    servo_move(servo_num,int(label_servo_2_angle["text"]))
    
# 下2ボタンの作成
bota_down_2 = tk.Button(text ='▼▼',width = 7,height = 3,command = partial(botan_down_2,2))
bota_down_2.place(x=x_position_servo_2,y=180)

# 「servo_2」の角度の表示
label_servo_2_angle = tk.Label(text="90", borderwidth=2, relief="sunken")
label_servo_2_angle.place(x=x_position_servo_2, y=240, width=60, height=20)

# 「servo_2」ラベルの作成
label_servo_2 = tk.Label(text="servo_2") 
label_servo_2.place(x=x_position_servo_2,y=260)
#----------------------------------------------------------------------------------------------------------

#servo_3----------------------------------------------------------------------------------------------------------
# 上2ボタンの押したときの動作
x_position_servo_3 = 330
def botan_up_2(servo_num):
    if int(label_servo_3_angle["text"]) < 170:
        #ラベルの値を取得してint型に変換して、＋１０して返す
        label_servo_3_angle["text"] = int(label_servo_3_angle["text"]) + 10
    servo_move(servo_num,int(label_servo_3_angle["text"]))

# 上2ボタンの作成
bota_up_2 = tk.Button(text ='▲▲',width = 7,height = 3,command = partial(botan_up_2,3))
bota_up_2.place(x=x_position_servo_3,y=0)

# 上1ボタンの押したときの動作
def botan_up(servo_num):
    if int(label_servo_3_angle["text"]) < 179:
        #ラベルの値を取得してint型に変換して、＋１して返す
        label_servo_3_angle["text"] = int(label_servo_3_angle["text"]) + 1
    servo_move(servo_num,int(label_servo_3_angle["text"]))

# 上1ボタンの作成
bota_up = tk.Button(text ='▲',width = 7,height = 3,command = partial(botan_up,3))
bota_up.place(x=x_position_servo_3,y=60)

# 下1ボタンの押したときの動作
def botan_down(servo_num):
    if int(label_servo_3_angle["text"]) > 0:
        #ラベルの値を取得してint型に変換して、-１して返す
        label_servo_3_angle["text"] = int(label_servo_3_angle["text"]) - 1
    servo_move(servo_num,int(label_servo_3_angle["text"]))

# 下1ボタンの作成
bota_down = tk.Button(text ='▼',width = 7,height = 3,command = partial(botan_down,3))
bota_down.place(x=x_position_servo_3,y=120)

# 下2ボタンの押したときの動作
def botan_down_2(servo_num):
    if int(label_servo_3_angle["text"]) > 10:
        #ラベルの値を取得してint型に変換して、-１０して返す
        label_servo_3_angle["text"] = int(label_servo_3_angle["text"]) - 10
    servo_move(servo_num,int(label_servo_3_angle["text"]))
    
# 下2ボタンの作成
bota_down_2 = tk.Button(text ='▼▼',width = 7,height = 3,command = partial(botan_down_2,3))
bota_down_2.place(x=x_position_servo_3,y=180)

# 「servo_3」の角度の表示
label_servo_3_angle = tk.Label(text="90", borderwidth=2, relief="sunken")
label_servo_3_angle.place(x=x_position_servo_3, y=240, width=60, height=20)

# 「servo_3」ラベルの作成
label_servo_3 = tk.Label(text="servo_3") 
label_servo_3.place(x=x_position_servo_3,y=260)
#----------------------------------------------------------------------------------------------------------

#servo_4----------------------------------------------------------------------------------------------------------
# 上2ボタンの押したときの動作
x_position_servo_4 = 420
def botan_up_2(servo_num):
    if int(label_servo_4_angle["text"]) < 170:
        #ラベルの値を取得してint型に変換して、＋１０して返す
        label_servo_4_angle["text"] = int(label_servo_4_angle["text"]) + 10
    servo_move(servo_num,int(label_servo_4_angle["text"]))

# 上2ボタンの作成
bota_up_2 = tk.Button(text ='▲▲',width = 7,height = 3,command = partial(botan_up_2,4))
bota_up_2.place(x=x_position_servo_4,y=0)

# 上1ボタンの押したときの動作
def botan_up(servo_num):
    if int(label_servo_4_angle["text"]) < 179:
        #ラベルの値を取得してint型に変換して、＋１して返す
        label_servo_4_angle["text"] = int(label_servo_4_angle["text"]) + 1
    servo_move(servo_num,int(label_servo_4_angle["text"]))

# 上1ボタンの作成
bota_up = tk.Button(text ='▲',width = 7,height = 3,command = partial(botan_up,4))
bota_up.place(x=x_position_servo_4,y=60)

# 下1ボタンの押したときの動作
def botan_down(servo_num):
    if int(label_servo_4_angle["text"]) > 0:
        #ラベルの値を取得してint型に変換して、-１して返す
        label_servo_4_angle["text"] = int(label_servo_4_angle["text"]) - 1
    servo_move(servo_num,int(label_servo_4_angle["text"]))

# 下1ボタンの作成
bota_down = tk.Button(text ='▼',width = 7,height = 3,command = partial(botan_down,4))
bota_down.place(x=x_position_servo_4,y=120)

# 下2ボタンの押したときの動作
def botan_down_2(servo_num):
    if int(label_servo_4_angle["text"]) > 10:
        #ラベルの値を取得してint型に変換して、-１０して返す
        label_servo_4_angle["text"] = int(label_servo_4_angle["text"]) - 10
    servo_move(servo_num,int(label_servo_4_angle["text"]))
    
# 下2ボタンの作成
bota_down_2 = tk.Button(text ='▼▼',width = 7,height = 3,command = partial(botan_down_2,4))
bota_down_2.place(x=x_position_servo_4,y=180)

# 「servo_4」の角度の表示
label_servo_4_angle = tk.Label(text="90", borderwidth=2, relief="sunken")
label_servo_4_angle.place(x=x_position_servo_4, y=240, width=60, height=20)

# 「servo_4」ラベルの作成
label_servo_4 = tk.Label(text="servo_4") 
label_servo_4.place(x=x_position_servo_4,y=260)
#----------------------------------------------------------------------------------------------------------

#servo_5----------------------------------------------------------------------------------------------------------
# 上2ボタンの押したときの動作
x_position_servo_5 = 510
def botan_up_2(servo_num):
    if int(label_servo_5_angle["text"]) < 50:
        #ラベルの値を取得してint型に変換して、＋１０して返す
        label_servo_5_angle["text"] = int(label_servo_5_angle["text"]) + 10
    servo_move(servo_num,int(label_servo_5_angle["text"]))

# 上2ボタンの作成
bota_up_2 = tk.Button(text ='▲▲',width = 7,height = 3,command = partial(botan_up_2,5))
bota_up_2.place(x=x_position_servo_5,y=0)

# 上1ボタンの押したときの動作
def botan_up(servo_num):
    if int(label_servo_5_angle["text"]) < 59:
        #ラベルの値を取得してint型に変換して、＋１して返す
        label_servo_5_angle["text"] = int(label_servo_5_angle["text"]) + 1
    servo_move(servo_num,int(label_servo_5_angle["text"]))

# 上1ボタンの作成
bota_up = tk.Button(text ='▲',width = 7,height = 3,command = partial(botan_up,5))
bota_up.place(x=x_position_servo_5,y=60)

# 下1ボタンの押したときの動作
def botan_down(servo_num):
    if int(label_servo_5_angle["text"]) > 0:
        #ラベルの値を取得してint型に変換して、-１して返す
        label_servo_5_angle["text"] = int(label_servo_5_angle["text"]) - 1
    servo_move(servo_num,int(label_servo_5_angle["text"]))

# 下1ボタンの作成
bota_down = tk.Button(text ='▼',width = 7,height = 3,command = partial(botan_down,5))
bota_down.place(x=x_position_servo_5,y=120)

# 下2ボタンの押したときの動作
def botan_down_2(servo_num):
    if int(label_servo_5_angle["text"]) > 10:
        #ラベルの値を取得してint型に変換して、-１０して返す
        label_servo_5_angle["text"] = int(label_servo_5_angle["text"]) - 10
    servo_move(servo_num,int(label_servo_5_angle["text"]))
    
# 下2ボタンの作成
bota_down_2 = tk.Button(text ='▼▼',width = 7,height = 3,command = partial(botan_down_2,5))
bota_down_2.place(x=x_position_servo_5,y=180)

# 「servo_5」の角度の表示
label_servo_5_angle = tk.Label(text="0", borderwidth=2, relief="sunken")
label_servo_5_angle.place(x=x_position_servo_5, y=240, width=60, height=20)

# 「servo_5」ラベルの作成
label_servo_5 = tk.Label(text="servo_5") 
label_servo_5.place(x=x_position_servo_5,y=260)
#----------------------------------------------------------------------------------------------------------

def servo_move(servo_num,servo_angle):
    #servoは200からカウントすることとする
    #サーボ番号と角度がバッティングすることはない
    count_servo = 200 + servo_num
    servo_id = (count_servo).to_bytes(1, 'big')
    servo_angle = (servo_angle).to_bytes(1, 'big')
    ser.write(servo_id)
    ser.write(servo_angle)
    
#実行内容記述_終了-----------------------------------------------------
# イベントループ
body.mainloop()

print("Close Port")
ser.close()

GUI
ボタンをクリックするごとに動くようにしました。

ボタンを押したときの移動量

button	angle
▲▲	+10
▲	+1
▼	-1
▼▼	-10

各サーボの角度

servo	min	max	default
servo_0	0	179	90
servo_1	0	179	90
servo_2	0	179	90
servo_3	0	179	90
servo_4	0	179	90
servo_5	0	59	0

servo_5は60度ぐらいで閉じるようにしました。

#終わりに
GUIから動かしている記事が少なかったので、やってみました。
GUIで動かせると直感的に操作できるので、簡単に動かせるようになりました。

#参考
arduino ide ポートの指定
Arduinoライブラリのインストール
arduino Adafruit_PWMServoDriver