Arduino平臺在機械手臂控制系統中的應用

趙麗麗

(東北石油大學電氣信息工程學院)

Arduino平臺在機械手臂控制系統中的應用

趙麗麗

(東北石油大學電氣信息工程學院)

為了提高機械手臂的可控程度，設計了應用Arduino平臺的六自由度機械手臂可控系統，分別介紹了硬件系統和軟件系統。測試結果表明該設計在實驗室環境下可正常工作。

機械手臂 六自由度 Arduino平臺

機械手型機器人作為現代機器人領域的重要構成部分，在現代社會的多個領域占主導地位。它由數學、機械工程、電氣與電子工程、控制工程、計算機科學及認知科學等學科交叉產生，其系統及其設計代表著工程意義和理論意義。

Arduino平臺是一款廣泛應用的硬件開放平臺[1]，其相對簡單的開放方式讓設計者更專注設計的創新和應用，可更快地實現項目開發，節省了時間成本，減少了開發周期。

筆者綜合機械手臂和Arduino平臺的理論與技術，通過對機械手臂各個關節精確控制，實現了機械手臂對6個自由度關節的調整控制，繼而進行簡單的動作。筆者為了增強機械手臂的通用性，便于在不同應用環境下的使用，設計了多種不同控制指令的方式，包括聲控、光控、手勢識別、顏色識別、智能手柄及手機藍牙等對機械手臂進行操控。

1 系統總體設計

機械手臂是一種同時兼具高度能動性和高度靈活性的自動化機器，它是機電一體化設備的典型代表之一。機械手臂控制系統(圖1)的主要部分由Arduino主控制板、舵機控制板、舵機系統和外接傳感器構成[2]。

圖1 六自由度機械手臂構成框圖

Arduino控制板負責搭載外接傳感器，接收外接傳感器發送的信號，并對這些信號進行處理[3]。再通過串口將信號上傳至舵機控制器，即以多種不同的控制模式控制機械手臂。舵機控制板負責接收機械手臂的控制指令，并將信號放大以驅動各個舵機[4]。

舵機系統主要包括底座舵機、臂部關節舵機、腕部關節舵機及手部關節舵機等，分別用于模擬執行機械手臂的動作。也可以對6個舵機單獨控制，從而實現對機械手臂6個自由度的調整控制。

外接傳感器主要由聲音傳感器、光敏電阻傳感器、紅外避障傳感器、三軸加速度傳感器、超聲波測距傳感器、OLED液晶顯示模塊、手勢感應傳感器、藍牙模塊以及PS2無線遙控模塊等部分組成。

2 系統硬件部分

機械手臂控制系統主要由主控制器系統、舵機控制板、舵機系統及各種傳感器等構成[5]。舵機驅動板類似于人體小腦，里面存有已經下載好的動作指令代碼，會根據接收到的指令驅動舵機做出相應的動作。Arduino相當于人體大腦，用于接收外界信息，感知環境，進行控制指令操作。

2.1主控制器系統

Arduino主控制器系統硬件部分包括ATmega328單片機、供電系統模塊、6路傳感器接口、通信模塊、CH340下載調試模塊、藍牙電路模塊和擴展板。此單片機是一種基于AVR架構體系的單片機。在電源電路中選擇XL4015降壓型DC-DC轉換芯片。將外接鋰電池36V電壓降壓為5V，為控制板提供穩定的電源，電源供電電路如圖2所示。

圖2 電源供電電路

2.2舵機控制板

舵機控制板的核心主要是STM32F103C8T6型單片機，用于系統發出的指令，并控制指令放大編碼后控制舵機。主要包括STM32F103C8T6單片機、供電系統模塊、6路PWM舵機接口、通信模塊、CH340下載調試模塊和Flash存儲模塊。供電系統電路與主控制器系統模塊基本相同，有6路PWM舵機接口，將6個舵機分別與各引腳相連接，完成指定動作。

2.3舵機系統

舵機系統共由6個舵機構成，對應控制機械手臂的6個自由度。為了夾持器有更強的扭矩，選擇TBSN-K15型耐燒數字舵機，其余舵機選擇TBS2701型。它們的工作電壓為直流4.8～7.2V，工作角度為0～270°。可支持機械手臂進行相應動作所需的扭矩。

2.4傳感器

2.4.1聲音傳感器

聲音傳感器型號為CNZ-15E，可檢測到周圍環境中非特定頻率或強度的聲音信號，并以數字形式輸出，且靈敏度可調，其電路如圖3所示。工作原理：傳感器內部設置一個對聲音極敏感的電容式駐極體話筒[6]。聲波使話筒內的駐極體薄膜振動，通過電容的變化會產生相應的微小電壓。這一電壓隨后被轉換成0～5V的電壓，經過A/D轉換被數據采集器接收，并傳送給主控制器。

2.4.2三軸加速度傳感器模塊

ADXL335是一款小尺寸、薄型、低功耗、完整的三軸加速度計，提供經過信號調理的電壓輸出，再以最小±3g的滿量程范圍計算加速度，其電路如圖4所示。

它可以測量傾斜檢測應用中的靜態重力加速

圖3 聲音傳感器電路

度和運動、沖擊或振動導致的動態加速度。本設計中，只用到x軸和y軸兩個方向上的加速度，并分別將x、y兩軸的輸出引腳與Arduino上的5、6端口相連接。

圖4 三軸加速度傳感器模塊電路

2.4.3姿態感應模塊

APDS-9960芯片是一款集成紅外LED、接近檢測器的光學模塊和環境亮度感測的傳感器，使用雙光二極管來近似0.01lux照度近似人眼的視覺反應。

本設計采用內置APDS-9960傳感器的小接口板，它是一個RGB和手勢傳感器，內置紫外線和紅外線阻隔濾鏡，有4個單獨的二極管分別對不同方向進行檢測，還有一個I2C兼容接口。用來實現顏色識別和非接觸手勢檢測，姿態感應模塊的電路如圖5所示，SCL、SDA引腳連接至Arduino上的5端口和4端口。

圖5 姿態感應模塊電路

3 系統軟件部分

3.1舵機控制板代碼設計

舵機控制軟件是用來進行動作調試，下載動作組或其他擴展功能的PC機控制軟件。本設計中使用的PC控制軟件界面如圖6所示，共設計了12組動作組以進行12個指定的動作任務。編輯動作組中的單個動作時，需要給出各路舵機的位置和到達該位置的時間，進而得到動作指令代碼命令。代碼命令格式如下：

#P#P……#PT

圖6 舵機控制界面

其中為舵機號，編號1～32；為脈沖寬度，取值范圍為500～2 500μs；為移動到指定位置使用的毫秒數。

編寫好所有的12個動作任務對應的動作組之后，將動作組下載到驅動板內，為之后的工作做準備。

3.2系統主程序

本軟件設計程序主要實現的是利用各種傳感器模塊操縱機械臂完成指定動作。程序設計在于利用Arduino UNO讀取相應數據并發送相應的指令，通過串口通信將指令傳遞給驅動板。因為在驅動板內已經下載好動作組，驅動板可根據接收到的指令驅動舵機執行相應的動作。當動作執行完后，LED和蜂鳴器進行聲光報警。程序流程如圖7所示。

4 結束語

實驗室測試結果表明：基于Arduino平臺的機械手臂控制系統，采用六自由度機械手臂，可以完成指定任務和規定動作，關節操作更靈活；通過外接多種傳感器，為機械手臂添加了“聽覺”、“視覺”及“觸覺”等感知功能，使得它可以感知多種不同環境下發出的指令信號；系統采用雙電源供電(鋰電池和市電供能)，便于使用。

圖7 主程序流程

[1] 張濤,王炎.基于單片機和Arduino平臺的六自由度可控機械手臂[J].電氣自動化,2016,38(6):97～99.

[2] 謝杰騰,顏曉文.基于Android手機語音和Arduino控制板的機器人控制系統[J].物聯網技術,2015,(3):101～102.

[3] 劉俊暢,蘆利斌,譚力寧.基于Arduino的自動避障技術實現[J].信息技術,2014,(12):170～172.

[4] 孟浩,王妍瑋.基于Arduino的雙足仿人機器人設計[J].林業機械與木工設備,2014,(2):38～40.

[5] 楊志鵬.導游機器人的設計與實現[D].杭州:浙江大學,2010.

[6] 李超.聲音識別傳感器設計與應用[J].傳感器與微系統,2014,33(12):51～53.

TheApplicationofArduinoPlatform

ZHAO Li-li

(CollegeofElectricalEngineeringandInformation,NortheastPetroleumUniversity)

In order to improve the controllability of mechanical arm, an Arduino platform-based controllable system for the manipulator with six degrees of freedom was designed and its hardware and software system were introduced respectively. The test results show that this design can work well in the laboratory environment.

manipulator, six degrees of freedom, Arduino

趙麗麗(1992-)，碩士研究生，從事檢測技術與自動裝置的研究，18545772186@163.com。

TP241

A

1000-3932(2017)11-1073-05

2017-07-06，

2017-09-09)