florid-usb 0.2.0

Ragtime Florid USB SDK - MIT direct control over USB CDC

florid-usb-sdk

Ragtime 机械臂 USB 主机 SDK — 提供基于 USB CDC 的 MIT 直接控制，支持 C++ 和 Python。

架构

用户代码
  │
  ▼
florid_usb (Arm 类)
  │  ├── ProtocolStack (序列化 / 反序列化 / 可靠会话)
  │  └── Astrial (USB 串口传输，基于 Asio)
  │
  ▼
STM32H7 固件 (USB CDC)

• 固件内置重力补偿（CasADi 生成），tau 参数是在重力补偿之上的额外前馈力矩
• dt_us 和 seq 由 SDK 根据两次调用之间的壁钟时间自动计算
• 两次调用间隔 > 200ms 视为新轨迹（dt_us = 1000µs）

获取源码

git clone https://github.com/Ragtime-LAB/florid-usb-sdk.git
cd florid-usb-sdk

# 初始化所有子模块
git submodule update --init --recursive

如果 clone 时忘了加 --recursive，随时补跑即可。

系统依赖（需预先安装）

C++20 编译器

项目使用 C++20 特性，必须使用支持 C++20 的编译器（GCC >= 10 / Clang >= 10 / MSVC 2022+）。

Ubuntu 24.04 及以上自带 GCC 14，可以忽略这一步； Ubuntu 22.04 默认 GCC 版本不足，建议安装 GCC 13：

sudo add-apt-repository ppa:ubuntu-toolchain-r/test
sudo apt update
sudo apt install gcc-13 g++-13
sudo update-alternatives --install /usr/bin/gcc gcc /usr/bin/gcc-13 130 \
  --slave /usr/bin/g++ g++ /usr/bin/g++-13
# 如需切换回系统默认编译器：
sudo update-alternatives --config gcc

其他系统包

sudo apt install cmake

Python 绑定还需要：

sudo apt install python3-dev python3-numpy

包	用途	必需
GCC >= 10 / Clang >= 10 / MSVC 2022+（C++20）	编译	是
cmake（>= 3.21）	构建系统	是
python3-dev	Python C 扩展	仅 Python 绑定
python3-numpy	Python 数组接口	仅 Python 绑定

其余依赖由 CMake 自动获取（git submodule / FetchContent）：

依赖	来源	用途
Astrial	git submodule (3rdparty/astrial)	USB 串口传输（基于 Asio，跨平台）
florid-usb-protocols	git submodule (protocols/)	协议栈（ProtocolStack, ReliableSession, 包定义）
rpl	内置于 protocols/3rdparty/rpl	RPL 序列化框架
unordered_dense	CMake FetchContent	哈希表
pybind11	CMake FetchContent（仅 Python）	C++/Python 绑定

C++ 快速开始

构建

cmake -B build -S . -DCMAKE_BUILD_TYPE=Release -DBUILD_PYTHON=ON
cmake --build build

BUILD_PYTHON=ON 表示同时构建 Python 绑定库；如果只需要 C++ 库可以去掉此选项。

使用

#include <florid/usb/Arm.hpp>

using namespace florid::usb;
using namespace std::chrono_literals;

Arm::Config cfg;
cfg.device = "/dev/ttyACM0";
cfg.baud_rate = 115200;

Arm arm(cfg);
arm.connect();

// 启动 USB 会话（阻塞，等待固件确认）
arm.startSession(1s);

// 读取当前关节位置
auto status = arm.getArmStatus();

// 发送 MIT 位置指令（fire-and-forget，非阻塞）
float q[6]  = {0, 0, 0, 0, 0, 0.5};
float dq[6] = {};
float tau[6]= {};
float kp[6] = {8, 8, 8, 8, 8, 8};
float kd[6] = {0.7, 0.7, 0.7, 0.7, 0.7, 0.7};
arm.sendMitCommand(q, dq, tau, kp, kd);

// 停止会话
arm.stopSession(1s);

CMake 集成

add_subdirectory(path/to/florid-usb-sdk)

target_link_libraries(my_app PRIVATE florid_usb)

sdk/usb 目录下 protocols/ 子目录也会被自动构建。

C++ API 参考

Arm::Config

字段	默认值	说明
device	/dev/ttyACM0	串口设备路径
baud_rate	115200	波特率
session_timeout	500ms	每个可靠请求的超时
max_retries	3	最大重试次数

Arm

方法	阻塞/非阻塞	说明
connect()	非阻塞	打开串口，启动后台工作线程
disconnect()	阻塞	关闭串口，停止线程
isConnected()	非阻塞	是否已连接且持续收到遥测
startSession(timeout)	阻塞	发送 UsbSessionStart 并等待响应
stopSession(timeout)	阻塞	发送 UsbSessionStop 并等待响应
sendMitCommand(q, dq, tau, kp, kd, mode)	非阻塞	MIT 直接控制（fire-and-forget）
setMotorControlMode(joint_id, mode, timeout)	阻塞	切换电机控制模式
sendPosVelCommand(q, dq, enabled_mask)	非阻塞	POSVEL 模式控制
sendVelocityCommand(dq, enabled_mask)	非阻塞	速度模式控制
sendHybridCommand(q, dq_limit, current_limit, enabled_mask)	非阻塞	混合力位控制
sendGripperCommand(q, dq, tau, kp, kd, mode)	非阻塞	夹爪 MIT 控制
emergencyStop()	非阻塞	急停（fire-and-forget）
getArmStatus()	非阻塞	获取缓存的机械臂状态
getGripperStatus()	非阻塞	获取缓存的夹爪状态
getMotorFeedback(timeout)	阻塞	请求电机详细反馈
homeAll(timeout)	阻塞	归零所有关节
clearFaults(timeout)	阻塞	清除所有故障

---

Python 快速开始

安装

pip install git+https://github.com/Ragtime-LAB/florid-usb-sdk.git

或从本地构建：

pip install -e .

使用

import numpy as np
from florid_usb import Arm, Config

# 创建配置
cfg = Config()
cfg.device = "/dev/ttyACM0"
cfg.baud_rate = 115200

# 连接
arm = Arm(cfg)
arm.connect()

# 启动会话
arm.start_session(timeout=1.0)

# 发送 MIT 指令
q  = np.zeros(6, dtype=np.float32)
dq = np.zeros(6, dtype=np.float32)
tau = np.zeros(6, dtype=np.float32)
kp = np.full(6, 8.0, dtype=np.float32)
kd = np.full(6, 0.7, dtype=np.float32)
q[5] = 0.5  # J5 偏转 0.5 rad

arm.send_mit_command(q, dq, tau, kp, kd, control_mode=1)

# 读取状态
status = arm.get_arm_status()
print(status["q"])       # numpy array, 6 floats
print(status["mode"])    # int: 0=INIT, 1=IDLE, 2=RUNNING, 3=FAULT, 4=ESTOP
print(status["gripper"]) # dict: q, dq, tau, temp_c, enabled

# 切换电机模式
arm.set_motor_control_mode(joint_id=0, mode="posvel", timeout=0.5)

# 停止
arm.stop_session()
arm.disconnect()

Python API 参考

florid_usb 模块导出 Arm 和 Config 两个类。

Config

属性	默认值	说明
device	/dev/ttyACM0	串口设备路径
baud_rate	115200	波特率
session_timeout_ms	500	每个可靠请求的超时（毫秒）
max_retries	3	最大重试次数

Arm

方法	阻塞/非阻塞	说明
connect()	否	打开串口并启动通信
disconnect()	是	关闭串口
is_connected()	否	连接状态
start_session(timeout=0.5)	是	启动 USB 会话，timeout 单位秒
stop_session(timeout=0.5)	是	停止 USB 会话
send_mit_command(q, dq, tau, kp, kd, control_mode=1)	否	MIT 控制，参数为长度为 6 的 numpy 数组
set_motor_control_mode(joint_id, mode, timeout=0.5)	是	切换电机模式。mode 可以是字符串 `'mit'
send_posvel_command(q, dq, enabled_mask=0x3f)	否	POSVEL 控制
send_velocity_command(dq, enabled_mask=0x3f)	否	速度控制
send_hybrid_command(q, dq_limit, current_limit_norm, enabled_mask=0x3f)	否	混合力位控制
send_gripper_command(q, dq, tau, kp, kd, control_mode=1)	否	夹爪控制，参数为单个 float
emergency_stop()	否	急停
get_arm_status()	否	返回 dict，包含 mode, seq, timestamp_us, q, dq, tau, gripper
get_gripper_status()	否	返回 dict，包含 q, dq, tau, temp_c, enabled
get_motor_feedback(timeout=0.5)	是	返回 dict {motors: [...]}，每个电机包含 joint_id, position_rad, speed_rad_s, torque_nm, temp_c
home_all(timeout=0.5)	是	归零
clear_faults(timeout=0.5)	是	清除故障

Python 示例脚本

python/ 目录下提供了可直接运行的示例：

脚本	说明
example_simple.py	MIT 控制，J5 斜坡运动 @ 500 Hz
example_gripper.py	夹爪开合控制
read_arm_status.py	持续读取并打印机械臂状态
read_dual_status.py	双机械臂状态读取
mit_pd_move_to_center.py	MIT PD 控制移动到目标位置
tuning_ui.py	Tkinter 调参 GUI
teleop_mit.py / teleop_posvel.py / teleop_hybrid.py	主从遥操作（MIT / POSVEL / HYBRID 模式）
gravity_compensation_control.py	重力补偿控制
computed_torque_sin_j12345.py	计算力矩 + 正弦轨迹
test_all_api.py	遍历所有 API 接口的自动化测试

CMake 构建后，通过设置 PYTHONPATH 运行：

PYTHONPATH=build/python python python/example_simple.py /dev/ttyACM0

或直接 pip install . 安装模块后运行：

pip install .
python python/example_simple.py /dev/ttyACM0

实机操作文档

详见此文档