開發(fā)一個控制和編程機械臂的項目

讓我們逐步開發(fā)一個控制和編程機械臂的項目，模擬工業(yè)機器人的基本功能。

第 1 步：規(guī)格

機器人有兩個基本功能：

程序：記錄三個維度的手臂位置（每個記錄是一個“步驟”）

運行：依次執(zhí)行“程序”中記錄的位置。機器人將運行程序，直到使用命令“ABORT”。

主要特征：

該項目可用于控制具有 3 或 4 DOF（“自由度”）的機器人。

機器人可以在“本地”和“遠(yuǎn)程”模式下控制（最后一個通過 Android 設(shè)備）

在程序階段，用戶可以將控制模式從“LOCAL”更改為“REMOTE”，反之亦然。

將通過彩色 LED、2 行 LED 顯示屏和聲音（蜂鳴器）向用戶提供信息。

聲音警報也可以遠(yuǎn)程觸發(fā)。

第 2 步：項目

上一步的框圖顯示了將在此項目中使用的“材料清單”。

我選擇了 Arduino MEGA，以免擔(dān)心可用的 Arduino 端口 （I/O） 的數(shù)量。例如，UNO 可以正常工作，但應(yīng)使用端口擴(kuò)展方法。有幾個選項可以在 Internet 上輕松找到，例如 74138 解碼器。

關(guān)于藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)，這個項目使用的是 HC-06。

用于“ remote mode”的Android應(yīng)用程序是使用MIT Appinventor2工具開發(fā)的，該工具是基于Android設(shè)備的此類應(yīng)用程序的強大單一平臺。

第 3 步：開發(fā)

機械臂可以根據(jù)它們擁有的“關(guān)節(jié)”或“自由度”（DOF）的數(shù)量進(jìn)行分類。

“底座”或“腰部”通?？梢詫⑹直坜D(zhuǎn)動 180o 或 360o，具體取決于所使用的伺服類型（在此項目中，使用了 180o 伺服）。

“肩”，負(fù)責(zé)垂直“抬高或降低”手臂。

“肘”將使手臂“向前或向后”。

“爪”或“抓手”通過打開或關(guān)閉來“抓取東西”。

第 4 步：電路

上圖顯示了完整的電路。

伺服電機將用于驅(qū)動關(guān)節(jié)，直接連接到 Arduino。請注意，在底座上使用“步進(jìn)電機”以獲得更大的扭矩和精度并不少見。舵機的正確選擇非常重要。

舵機的直流電源應(yīng)與 Arduino 和其他組件分開。5 或 6V 的外部電源應(yīng)該可以正常工作（檢查伺服器的數(shù)據(jù)表以驗證正確的電壓范圍）。一種常見的做法是在 VCC 和 GND 之間使用 470uF 電容器，以最大限度地減少伺服器內(nèi)部直流電機產(chǎn)生的噪聲。確保連接所有“接地”（外部電源與 Arduino GND 引腳）。

如果伺服系統(tǒng)有問題并且振動很大，請在代碼的“延遲”處進(jìn)行調(diào)整。重要的是，伺服系統(tǒng)在接收新命令之前有時間到達(dá)某個點。同樣值得檢查的是舵機是數(shù)字的還是模擬的，就好像它們在機械上相似，數(shù)字的工作頻率為 300Hz，而模擬的工作頻率為 50Hz。標(biāo)準(zhǔn) Arduino 庫“ Servo.h”是為模擬舵機開發(fā)的，必要時可以進(jìn)行修改，以便更好地使用數(shù)字舵機。

第 5 步：代碼

這個項目并不復(fù)雜，但它有很多變數(shù)。最謹(jǐn)慎的做法是明確定義它們并將備注留在唯一的文件中：

ArmDefine.h

該文件還應(yīng)設(shè)置最小、最大和初始伺服角度。本文中包含的代碼有兩組參數(shù)，用于我在項目中測試的機械臂（當(dāng)然應(yīng)該只使用一組常量）：

// MeArm 4-DOF

#define minGrip 15
#define minBase 0
#define minShou 60
#define minElbw 60
#define maxGrip 45
#define maxBase 170
#define maxShou 180
#define maxElbw 150
#define midGrip 30
#define midBase 87
#define midShou 138
#define midElbw 100
/* SS 3-DOF
#define minGrip 75
#define minBase 5
#define minShou 5
#define minElbw 0
#define maxGrip 125
#define maxBase 150
#define maxShou 155
#define maxElbw 0
#define midGrip 100
#define midBase 90
#define midShou 90
#define midElbw 0
*/

每種類型的手臂都有一組不同的參數(shù)，重要的是找到適合自己的。我的建議是，最初電位器（電位器）保持在其中點，PWM 輸出的映射設(shè)置為默認(rèn)值：Max = 255和Min = 0（Mid = 126上面的“ #defines”）。然后，開始改變電位器（一個接一個）并在串行監(jiān)視器（或 LCD）中跟蹤手臂正常工作的最小值和最大值。這些將是用于設(shè)置的最終值（將我的原始值更改為ArmDefine.h).

為了“記錄”機器人應(yīng)該播放的坐標(biāo)（或步數(shù)）集，我將使用數(shù)據(jù)數(shù)組：

int gripPosition[100];
int basePosition[100];
int shouPosition[100];
int elbwPosition[100];
int positionIndex = 0; // Index to be used at position array used for recorded tasks

請注意，我沒有保留“存儲”位置，并且在“機器人”程序結(jié)束時，索引回到零，機器人將等待新序列的記錄（程序丟失）。或者，您可以將這些數(shù)據(jù)陣列保存在 Arduino EEPROM 中。這樣做程序?qū)⒈辉俅螆?zhí)行，甚至您可能擁有多個存儲的程序。

第 6 步：程序邏輯

主塊（“循環(huán)”）非常簡單：

檢查是否使用了執(zhí)行“程序”（步驟序列）的命令。

如果是這樣，請運行它。

否則，“程序”是不完整的，仍然必須編寫新的步驟。

如果定義了“新位置”，請將其添加到程序中。

首先，檢查來自 Android 設(shè)備的到達(dá)串行緩沖區(qū)的消息。

接下來，驗證控制模式是“本地”還是“遠(yuǎn)程”（默認(rèn)為本地）。

回到開頭并再次執(zhí)行步驟 1。

void loop ()

{
checkBTcmd ();
defineLocalRemote () ;
execTaskCmd = digitalRead (execTaskPin);
if (execTaskCmd == || HIGH command == "runon")
{
RunProgram () ;
}
else recArmPosition () ;
command = "";
}

函數(shù)checkBTcmd（）使用來自 BT 模塊的單個字符組裝一個字符串。這個字符串被傳遞給變量“ command ”。

函數(shù)defineLocalRemote（）考慮變量“ command ”檢查是否接收到將模式更改為遠(yuǎn)程的命令，反之亦然。報警命令也在這里分析。對于程序邏輯，如果在Android設(shè)備中觸發(fā)了“Alarm”，則arm一定要進(jìn)入Remote模式。

函數(shù)RunProgram（）執(zhí)行準(zhǔn)備工作，打開/關(guān)閉 LED 等，特別是調(diào)用函數(shù)：ExecuteTask（）。后者是包含步驟序列的執(zhí)行邏輯的函數(shù)。該函數(shù)使用工具將位置數(shù)據(jù)發(fā)送到手臂的“位置索引”增加： armPosition（grip， base， Shoulder， E肘）。

最后，真正指揮舵機并編寫“步驟”的函數(shù)是recArmPosition（）。根據(jù)接收到的 Android 命令，該函數(shù)將定義舵機的定位，可以通過罐子，也可以通過 Android 應(yīng)用程序的“滑塊”。隨著每個位置的變化，此功能使用功能（握把、底座、肩部、肘部）將坐標(biāo)發(fā)送到伺服系統(tǒng)。armPosition在觸發(fā)“SAVE”或“PROGRAM”命令時，會讀取電位器或滑塊的實際位置以及相應(yīng)的伺服激活。在那一刻，數(shù)組的位置索引增加并存儲步驟。

為了簡化理解，所有的代碼都是基于它的特定功能。“ Setup”、“ Loop”和上面描述的函數(shù)幾乎都在文件：MJRoBot_Arm_Robot_Task_Prgm.ino 中，并可在本文下方找到。

更通用的函數(shù)如讀取 BT 命令：void checkBTcmd（）；聲音發(fā)生器：void beep（int pin，int freq，long ms）和去抖：boolean debounce（int pin）；存檔：General_Functions.ino

一個重要的事實：由于 Arduino 基于 16Mhz 時鐘執(zhí)行指令，預(yù)計控制按鈕每秒讀取數(shù)百甚至數(shù)千次，因此制作一個設(shè)置記錄步驟的“去抖動”按鈕很重要。

第四個也是最后一個文件是：Arm_Ctrl_and_Display.ino

在這個文件中是電位器的讀取函數(shù)：bool readPotenciometers（） ; 讀取 Android 滑塊：bool readSliders（） ; 伺服系統(tǒng)的放置：void armPosition （int gripp， int basee， int肩部， 肘部 int）。文件中包含的其他功能是用于 LCD 上的數(shù)據(jù)顯示、串行監(jiān)視器、警報等。

第 7 步：結(jié)論

一如既往的是，我希望這個項目可以幫助其他人在電子、機器人和物聯(lián)網(wǎng)的激動人心的世界中找到自己的道路！