基于Arduino的四自由度機械臂控制

連百萬，韓靜卜，周樂濤

（西京學院，陜西 西安 710123）

0 引言

工業機器人技術迅速發展，越來越多地用于機械、電子、汽車等行業。在工業加工中使用機械臂不僅能提高生產率，而且還能降低工人的勞動密度［1］。

1 系統總體設計

本文提出一種四自由度機械臂的設計，以Arduino為核心，通過按鍵模塊檢測用戶的控制信號，當Arduino對控制信號進行識別后，驅動舵機控制模塊來操作相應的舵機轉動，從而帶動整個機械臂的運動［2］。硬件部分主要有Arduino UN3、PWM舵機(MG996R，MG90S）、舵機驅動模塊PCA9685、5V3A開關電源、輕觸按鍵。使用本文設計的基于Arduino的機械臂可以對機械臂進行多關節的控制，并且能夠利用按鍵控制其抓取一定體積的物體。總體設計框架如圖1所示。

圖1 總體設計框架

1.1 系統功能

本文基于Arduino的機械臂的設計，實現了機械臂的控制功能，完整的功能包括以下3點：

(1）按鍵控制功能。

基于Arduino的機械臂需要通過輸入器件(按鍵模塊）來獲取用戶的操作要求，再根據按鍵信號的種類驅動外圍電路進行控制。

(2）機械臂四自由度控制功能。

系統的機械臂采用4個舵機進行轉軸控制，可以實現機械臂的四自由度控制。

(3）抓取物體功能。

機械臂組件中頂部的舵機用于對金屬爪子進行控制，通過控制金屬爪子，對應舵機轉動便可控制其抓取一定體積的物體。

1.2 主控模塊設計

本文設計的基于Arduino的四自由度機械臂無須進行復雜的算法運算，只需要檢測用戶的按鍵輸入信號以及輸出控制信號到舵機驅動電路。選用的Arduino主控模塊使用的單片機型號為ATmega328，采用最小系統實現基本的控制功能，包括主控芯片、時鐘電路、復位電路。其中復位電路如圖2所示。

圖2 復位電路

1.3 舵機驅動與選擇

本文選用的是PWM舵機，控制舵機轉動時需要向舵機輸入PWM信號。常見的PWM舵機控制方式有兩種：

(1）處理器使用IO直接輸出PWM信號控制。

該方式需要處理器選擇具有信號輸出功能的IO連接PWM舵機的控制引腳，通過軟件編程輸出特定的PWM信號。

(2）使用舵機驅動模塊控制。

舵機驅動模塊內部具有驅動器實現對舵機的精準控制，當控制PWM舵機時，PWM信號由舵機驅動模塊產生。當處理器通過舵機驅動模塊，間接對PWM舵機進行控制時，處理器無須與每一路的PWM舵機進行連接，舵機直接與舵機驅動模塊連接，處理器只需與舵機驅動模塊的數字通信接口連接，然后根據特定的控制協議向舵機驅動模塊發送控制指令，便可實現舵機的簡單控制。處理器通過舵機驅動模塊控制舵機轉動時，一個角度只需發送一次控制指令便可，無須持續發送占用系統資源。同時舵機驅動模塊由于主要工作是負責PWM舵機的控制，因此常常支持多路PWM舵機的控制。

本文選擇使用的是：舵機驅動模塊對PWM舵機進行控制，模塊使用的舵機驅動芯片為PCA9685。

1.4 PCA9685舵機驅動電路

PCA9685使用的通信協議是I2C，所以Arduino只需要使用兩個IO口與PCA9685芯片進行連接。PCA9685是一個最大輸出十六路PWM信號的驅動芯片［3］，并且每一路的PWM信號分辨率都能達到12位。PCA9685舵機驅動電路的電源電路是為模塊提供穩定電源的首要電路，主要包括兩部分電路，MP1584電路以及RT9193－33電路。其中MP1584電路如圖3所示。

圖3 MP1584電路

1.5 按鍵模塊

通過輕觸按鍵來獲取用戶的控制需求，由于需要控制4個舵機，每個舵機需要對機械臂進行順時針和逆時針的轉動控制，因此四自由度共需要8個輕觸按鍵來獲取用戶的控制信號。當按下輕觸按鍵時，只需要將其中一個按鍵觸點連接到處理器的IO口，同一自由度的另一個按鍵觸點連接到電源或者GND，通過軟件判斷處理器的IO電平高低，便可識別當前輕觸按鍵處于按下或是彈起的狀態。按鍵電路如圖4所示。

圖4 按鍵電路

1.6 軟件設計

作品包含了系統初始化軟件設計、主循環軟件設計、Arduino按鍵IO軟件設計、舵機控制軟件設計等，軟件設計流程如圖5所示。

圖5 軟件設計流程

本設計中系統軟件的初始化程序為輕觸按鍵初始化、舵機驅動模塊初始化和TTL串行口初始化。由于舵機驅動模塊(PCA9685）與Arduino使用I2C的協議來進行通信，因此舵機驅動模塊的初始化是將PCA9685芯片與I2C接口連接的，Arduino的接口設置為I2C模式，然后通過I2C通信協議來設定模塊的工作頻率，最后為了實現每次系統上電，機械臂可以恢復到初始化狀態，將在舵機驅動模塊初始化中，為每一路舵機設置一個默認的初始擺動角度。為了方便整個系統的運行調試，本文為Arduino主控模塊編寫了串口調試信息輸出功能，因此在初始化軟件中需要設置調試的TTL串行接口。串行通信需要通信方均設置同樣的數據傳輸速率后，才能進行通信。在TTL串行口通信的數據傳輸速率稱為波特率。TTL串口初始化主要是將Arduino主控模塊的TTL串行口的通信波特率設置為與PC進行通信時相同波特率，而常用的通信波特率為9 600 bps，則Arduino主控模塊系統軟件的TTL串行口初始化，主要將串行口通信波特率設置為9 600 bps。

2 結語

在整個軟硬件系統搭建完成后，需要測試每個舵機對機械臂的控制精度，從而了解整個機械臂的控制精準度［4］。具體測試時，實現使用8個輕觸按鍵分別控制4個舵機按特定角度進行轉動，記錄每個舵機的理論控制角度和實際控制角度，統計成表后對數據進行分析。其中一路舵機的測試數據如表1所示，實際控制角度為多組數據中的最大值。

表1 舵機精度測試

由表1可以看出，整個Arduino軟件的舵機控制精度均保持在95%以上。因此，本文設計的基于Arduino的機械臂，控制精準度較高，能夠滿足實際使用需求。