基于Arduino的6自由度智能機械臂創(chuàng)新實驗平臺

摘要：智能機器人是我國“十三五”期間的重大科研方向和熱點應(yīng)用領(lǐng)域，在高等院校相關(guān)專業(yè)中，智能機器人方向的教學(xué)資源建設(shè)和教學(xué)改革實踐方興未艾。同時，智能機器人是較為典型的機械、電子和計算機等先進技術(shù)結(jié)合的一體化系統(tǒng)，將其作為大學(xué)生工程教育和創(chuàng)新教育的實驗平臺非常適合。在眾多類型的機器人中，多自由度機械臂是市場應(yīng)用最為廣泛的一種智能機器人，由此，本文詳細論述了浙江師范大學(xué)數(shù)理與信息工程學(xué)院基于Arduino的6自由度智能機械臂的設(shè)計。教學(xué)實踐表明，該設(shè)計的創(chuàng)新實驗平臺具有較強的專業(yè)知識綜合性，較能調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，在培養(yǎng)學(xué)生實踐能力和創(chuàng)新素養(yǎng)方面效果良好。

關(guān)鍵詞：智能機器人；6自由度機械臂；創(chuàng)新實驗；Arduino；創(chuàng)新能力

中圖分類號：G434 文獻標識碼：A 論文編號：1674-2117（2018）10-0099-03

引言

創(chuàng)新實驗平臺[1]是高等院校在進行工程教育和創(chuàng)新教育時，將理論知識、實踐技能和創(chuàng)新能力有機融合的高層次、綜合性教學(xué)手段。隨著近年來智能機器人技術(shù)的發(fā)展，以智能機器人開發(fā)或應(yīng)用為核心的創(chuàng)新實驗平臺成為熱點。[2]智能機器人是一種典型的融合了材料、機械、電子以及計算機技術(shù)、傳感技術(shù)、可編程控制和人工智能等先進技術(shù)的一體化系統(tǒng)，與之相關(guān)的研究所涉及的學(xué)科多，應(yīng)用領(lǐng)域廣，是目前世界各國高校和研究機構(gòu)進行教學(xué)研究與工程訓(xùn)練的理想實驗平臺。[3]

在眾多類型的機器人中，多自由度機械臂[4]可完成碼垛、裝配、切削、焊接或噴涂等工業(yè)生產(chǎn)作業(yè)，是最為常見且應(yīng)用最廣泛的一種智能機器人，本文以我國目前市場占有率最高的ABB公司6自由度關(guān)節(jié)機械臂4600為參考對象（如圖1），首先基于D-H參數(shù)法進行運動學(xué)分析[5]，在建立參數(shù)模型后，采用通用模型套件設(shè)計了6自由度機械臂模型。模型控制系統(tǒng)采用Arduino控制器，通過編程控制多個舵機完成所需動作序列。用于學(xué)生創(chuàng)新實驗時，以動作序列編程為主，設(shè)計了上下料、拋光和噴涂三種基本動作序列要學(xué)生編程實現(xiàn)，如果配合末端執(zhí)行器，可執(zhí)行夾取或裝配等更復(fù)雜動作。

智能機器人的運動學(xué)模型及系統(tǒng)硬件

智能機器人利用控制系統(tǒng)進行運動軌跡規(guī)劃和實時運動控制，其數(shù)學(xué)基礎(chǔ)是機器人運動學(xué)，此類問題一直是機器人和人工智能領(lǐng)域的研究熱點。機器人運動學(xué)描述了機械運動關(guān)節(jié)與機器人運動組件（如連桿等）的各剛體之間的運動關(guān)系。進行機器人設(shè)計時，首先應(yīng)該對其進行運動學(xué)分析，并建立參數(shù)模型。根據(jù)ABB 4600 6自由度機械臂的固有物理結(jié)構(gòu)，本文采用如圖2所示的D-H參數(shù)模型來描述機器人各個運動部件之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。

在圖2中，設(shè)連桿長度為αi，連桿扭角αi表示垂直于公共法線所在平面內(nèi)兩軸的夾角，連桿距離di表示兩連桿的相對位置，關(guān)節(jié)角θi表示兩連桿法線的夾角。由此，可以用ai和αi來描述單個連桿，而用di和θi描述兩個連桿之間的關(guān)系。同時，連桿長度ai、連桿扭角αi和連桿距離di均只與機器人物理結(jié)構(gòu)相關(guān)，可視為常量，具體定義見右下表。

為了使智能機器人創(chuàng)新實驗平臺搭建方便快速，筆者采用了目前流行的智能機械臂通用硬件，主要包括機械臂通用組件、舵機和Arduino控制器，具體如下：

（1）機械臂通用組件：這套組件的作用是組成機械臂各個位置的連桿，材質(zhì)為鋁合金，外觀如圖3所示。

（2）舵機：舵機驅(qū)動連桿轉(zhuǎn)動一定角度，多個舵機協(xié)同作用，可以使機械臂做出各種動作。本文選用的舵機如下頁圖4所示。

（3）Arduino控制器：Arduino是一個支持多個擴展接口的開源硬件平臺。以Arduino為控制器的機器人擁有許多功能，如使機器人連接各類傳感器、驅(qū)動不同類型的電動機或存儲一組預(yù)定義動作序列等。本文選用的型號是常見的Arduino UNO，如下頁圖5所示。

基于Arduino的智能機器人控制系統(tǒng)

機器人能夠順利執(zhí)行預(yù)先編輯好的各種動作，依賴的是基于單片機或智能控制器的控制系統(tǒng)。本文選用最近流行的Arduino UNO控制器，其編程環(huán)境較為簡單，且是開源系統(tǒng)，相關(guān)資源較多，擴展性強，滿足創(chuàng)新實驗平臺的實驗仿真需求。

本文的6自由度智能機器人共使用6路舵機，是較為典型的多路舵機控制案例。6個舵機都支持180度轉(zhuǎn)角，舵機的轉(zhuǎn)動角度是通過調(diào)節(jié)脈沖寬度調(diào)制（PWM）信號的占空比來實現(xiàn)的，標準PWM信號的周期固定為20ms（50Hz），脈寬在500us到2500us之間，脈寬和舵機的轉(zhuǎn)角0度～180度相對應(yīng)。所謂動作序列的編輯，就是同時實驗測試，找出PWM脈寬和各個舵機轉(zhuǎn)角值（對應(yīng)著不同動作）之間對應(yīng)的時序關(guān)系，并把這種時序關(guān)系存儲起來，當需要機器人重復(fù)該動作序列時，按照預(yù)先存儲好的時序驅(qū)動各個舵機，完成動作。

利用Arduino的編程環(huán)境，可以完成上述實驗過程，學(xué)生在編程調(diào)試過程中，能夠更形象直觀地理解智能機器人控制系統(tǒng)的工作流程，較深入地將理論知識點與實踐結(jié)合起來，同時，編輯新的動作序列也能較好地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。本文實驗采用的編程軟件環(huán)境如圖6所示。

控制舵機角度等的范例程序如下：

pos1 = pos1+20；

servo1.write（pos1）；

delay （30）；

if（pos1>170）

{ pos1=170；

servo1.write（pos1）；}

每個不同的動作序列都需要根據(jù)分解后的各個動作設(shè)置對應(yīng)舵機的參數(shù)，并校正上面程序中的變量值，對于多個舵機而言還需考慮時延等情況。

綜上所述，從整個創(chuàng)新實驗平臺的軟硬件以及實驗的過程來看，本文的創(chuàng)新實驗平臺具有較強的綜合性，結(jié)合了智能機器人的控制與應(yīng)用，雖有難度，但也較好地調(diào)動了學(xué)生的積極性。

結(jié)論

隨著智能機器人應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴大，人們對機器人性能的要求越來越高，高速、高精度、智能和模塊化成為目前機器人發(fā)展的主要趨勢。而6自由度關(guān)節(jié)式智能機器人的操作空間大且結(jié)構(gòu)緊湊，所以它的應(yīng)用范圍最廣泛。本文選擇ABB公司的4600型機器人為研究對象，建立D-H參數(shù)模型，搭建了以Arduino控制器為核心的6自由度機械臂軟硬件系統(tǒng)，并將該系統(tǒng)作為創(chuàng)新實驗平臺，用于機器人實踐教學(xué)，取得了較好的教學(xué)效果。

參考文獻：

[1]鐘麗鴻，金京姬，王強強.開放性創(chuàng)新實驗教學(xué)管理模式初探[J].教育現(xiàn)代化，2017，4（28）：210-213.

[2]張則，蘇貴章，李春江，等.大學(xué)生創(chuàng)新性實驗計劃實施策略[J].中國科技信息，2015（11）：1-3.

[3]董愛梅.以智能機器人為平臺專業(yè)學(xué)位研究生培養(yǎng)模式的研究[J].教育教學(xué)論壇，2017（45）：170-171.

[4]左駿秋，張磊，喜冠南，等.關(guān)節(jié)半解耦6自由度服務(wù)機器人的設(shè)計與運動學(xué)研究[J].機械設(shè)計，2017，34（6）：88-94.

[5]Loh B G，Rosen J. Kinematic analysis of 7 degress of freedom upper-limb exoskeleton robot with tilted shoulder abduction[J].International Journal of Precision Engineering and Manufacturing，2013，14（1）：69-76.

作者簡介：李知菲，男，講師，研究方向為智能機器人、虛擬現(xiàn)實與動作捕捉。