基于arduino控制的機械臂的運動與程序設計

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1、基于Arduino控制的機械臂的運動與程序設計*□盧光躍□吳濤昆明理工大學機電工程學院昆明650500摘要：設計了一個采用舵機進行驅動的機械臂裝置，應用Arduino程序系統(tǒng)和硬件對其進行運動控制，使其完成一個從低處取物放回高處的動作，實際應用中可用作生產(chǎn)線物料搬運以及機床的上下料等工作。通過對Arduino專門控制伺服電機的Servo庫函數(shù)創(chuàng)新編程，使機械臂完成設計動作。關鍵詞：Arduino機械臂舵機程序運動設計中圖分類號：TH122；TP242.3文獻標識碼：A文章編號：1000－4998(2014)03－0050－03目前人們對各類機械臂的研究十分普遍，它對環(huán)境有較好的適應性，在實

2、際生產(chǎn)應用中，可替代人工進行一些勞動強度大、有危險的工作。在機械臂這種需要對多個舵機同時控制的系統(tǒng)中，Arduino可實現(xiàn)對多個舵機轉動的角度精確控制，方法簡單，為機械臂的運動控制提供了新方式。本文著重研究了機械臂的工作姿態(tài)、運動控制等，應用Arduino對其進行運動控制。Arduino是意大利一個開放源代碼的硬件項目其中1號舵機有繞Z軸轉動的自由度，初始位置的角度是90°；舵機2、3和4號有繞Y軸轉動的自由度；舵機5有繞X軸轉動的自由度；舵機6在垂直于5號舵機轉動軸的平面內(nèi)有一個轉動自由度。因此，為實現(xiàn)機械臂的完整運動，每段臂的關節(jié)處各分配一個俯仰自由度，基座關節(jié)、腕關節(jié)和機械手爪關節(jié)各

3、分配一個偏轉自由度，共6個自由度。1.3機械臂的執(zhí)行裝置舵機是一種位置伺服的驅動器，具有閉環(huán)控制系統(tǒng)的機電結構，由小型直流電機、變速齒輪組、可調(diào)電位器、控制板等組成。采用MG995型號通用舵機，工作電壓是5V，轉速轉矩適當，舵角不超過180°，可以實現(xiàn)機械臂轉動角度的靈敏控制以及平穩(wěn)運動。平臺，該平臺包括一塊具備I/O功能的電路板以及一套程序開發(fā)環(huán)境軟件。1機械臂機構設計1.1機構的組成機械臂的主體結構是由一套鋁合金支架、鋁合金機械手爪、6個MG995舵機驅動組成，如圖1所示，1~6號分別為6個舵機，A~F分別為每個舵機的轉動軸。其中：1號舵機位于底座上，起到腰轉的作用；2號舵機位于1號舵

4、機之上，起到肩轉作用；3號舵機位于上臂末端，起到肘轉的作用；4號舵機位于機械手腕處，起到機械手爪的俯仰作用；5號舵機位于4號舵機之上，起到機械手爪的偏轉作用；6號舵機位于機械手掌處，起到控制機械手爪的開合作用。由于舵機是以轉動形式提供機械能，所以該機構共有6個轉動副，其中每個轉動副為一個運動關節(jié)。1.2機械臂自由度分配如圖2所示，該機械臂有3個方向的轉動自由度，2機械臂的運動分析2.1運動過程分解在機械臂運動過程中，第一步：通過初始化使各舵機位于初始狀態(tài)；第二步：底座腰轉關節(jié)旋轉至特定方向，腕關節(jié)旋轉，使機械手向上旋轉與臂處于同一方向，同時底座上端肩轉關節(jié)旋轉，使整個機械臂處于水平位置，機

5、械手爪關節(jié)旋轉，使機械手爪打開；第三步：*國家自然科學基金青年基金資助項目（編號：61203066）云南省大學生創(chuàng)新計劃項目（編號：201310674232）收稿日期：2013年12月機械制造52卷第595期2014／3506號舵機FE5號舵機D4號舵機Z腰轉（底座）3號舵機C橫向平面縱向平面YB2號舵機俯仰（主臂）1號舵機XA偏轉（機械手腕）▲圖1機械臂結構模型▲圖2機械臂運動方向示意圖·研究開發(fā)于手爪處，機械臂的重力F2作用于質(zhì)心G，L1、L2分別為力F1、F2與肩轉關節(jié)的水平距離，θ為該狀態(tài)下肩轉關節(jié)轉動的角度。顯然，θ從90°減小到0°的過程中，由于機械臂質(zhì)心位于機械臂中點處，所以

6、機械臂質(zhì)心與肩轉關節(jié)的距離L2隨著L1的減小而逐漸減小（如圖4），肩轉關節(jié)因重物重力產(chǎn)生的力矩F1L1逐漸減小，機械臂重力產(chǎn)生的力矩F2L2也逐漸減小，至θ=0°時，總力矩為0，故當θ=90°時，即當機械臂位于水平狀態(tài)時，肩轉關節(jié)受到的力矩最大（如圖5），只需對此狀態(tài)下進行力矩校核?！啤芃0（Fi）=M0（F1）+M0（F2）∑∑∑∑M0（F1）=2F1L（1）∑∑∑∑M0（F2）=F2L將計算所得的M0與舵機的額定轉矩相比較，即可確定機器人能否正常運動。機械臂的控制系統(tǒng)利用Arduino的開發(fā)環(huán)境進行程序編輯，3在應用Arduino開發(fā)環(huán)境之前，先在電腦端添加新硬件Arduinouno控

7、制板，它是采用ATmega3280芯片進行USB到串行數(shù)據(jù)的轉換，然后將ArduinoSensorShieldV5.0擴展板通過串行接口連接到控制板上，再將舵機連接到擴展板的I/O接口上，連接好控制系統(tǒng)后，再連機械手爪關閉，夾住物體；第四步：肩轉關節(jié)轉動至初始位置，使下臂處于豎直狀態(tài)，同時肘關節(jié)旋轉，使上臂處于水平狀態(tài)；第五步：底座關節(jié)旋轉至另一特定方向，機械手打開，放下物體；第六步：機械手爪關閉，機械手關節(jié)旋轉至初始狀