基于Arduino控制的机械臂的运动与程序设计.docx

基于 Arduino 控制的机械臂的运动与程序设计*□ 卢光跃□ 吴 涛昆明理工大学 机电工程学院 昆明 650500摘 要：设计了一个采用舵机进行 基于 Arduino 控制的机械臂的运动与程序设计 * □ 卢光跃 □ 吴 涛 昆明理工大学 机电工程学院 昆明 650500 摘 要：设计了一个采用舵机进行驱动的机械臂装置，应用 Arduino 程序系统和硬件对其进行运动控制，使其完成一 个从低处取物放回高处的动作，实际应用中可用作生产线物料搬运以及机床的上下料等工作。 通过对 Arduino 专门控制 伺服电机的 Servo 库函数创新编程，使机械臂完成设计动作。 关键词：Arduino 机械臂 舵机 程序 运动设计 中图分类号：TH122；TP242.3 文献标识码：A 文章编号：1000 － 4998 (2014) 03－ 0050－ 03 目 前 人 们 对 各 类 机 械 臂 的 研 究 十 分普遍， 它对环境有较好的适应性，在 实际生产应用中，可替代人工进行一些 劳动强度大、有危险的工作。 在机械臂 这 种 需 要 对 多 个 舵 机 同 时 控 制 的 系 统 中 ，Arduino 可 实 现 对 多 个 舵 机 转 动 的 角 度 精 确 控 制 ， 方 法 简 单 ， 为 机 械 臂 的 运动控制提供了新方式。 本文着重研究 了机械臂的工作姿态、 运动控制等，应 用 Arduino 对其进行运动控制。 Arduino 是 意 大 利 一 个 开 放 源 代 码 的 硬 件 项 目 其中 1 号舵机有绕 Z 轴转动的自由度， 初始位置的角 度是 90°；舵机 2、3 和 4 号有绕 Y 轴转动的自由度；舵 机 5 有绕 X 轴转动的自由度；舵机 6 在垂直于 5 号舵 机转动轴的平面内有一个转动自由度。 因此，为实现机 械臂的完整运动， 每段臂的关节处各分配一个俯仰自 由度，基座关节、腕关节和机械手爪关节各分配一个偏 转自由度，共 6 个自由度。 1.3 机械臂的执行装置 舵机是一种位置伺服的驱动器， 具有闭环控制系 统的机电结构，由小型直流电机、变速齿轮组、可调电 位器、控制板等组成。 采用 MG995 型号通用舵机，工作 电压是 5V，转速转矩适当，舵角不超过 180°，可以实现 机械臂转动角度的灵敏控制以及平稳运动。 平台， 该平台包括一块具备 I/O 功能的电路板以及一 套程序开发环境软件。 1 机械臂机构设计 1.1 机构的组成 机械臂的主体结构是由一套铝合金支架、 铝合金 机械手爪、6 个 MG995 舵机驱动组成，如图 1 所示，1~ 6 号分别为 6 个舵机，A~F 分别为每个舵机的转动轴。 其中 ：1 号舵机位于底座上， 起到腰转的作用；2 号舵 机位于 1 号舵机之上，起到肩转作用；3 号舵机位于上 臂末端， 起到肘转的作用；4 号舵机位于机械手腕处， 起到机械 手爪的俯仰 作用；5 号舵 机位于 4 号 舵 机 之 上，起到机械手爪的偏转作用；6 号舵机位于机械手掌 处，起到控制机械手爪的开合作用。 由于舵机是以转动 形式提供机械能，所以该机构共有 6 个转动副，其中每 个转动副为一个运动关节。 1.2 机械臂自由度分配 如图 2 所示，该机械臂有 3 个方向的转动自由度， 2 机械臂的运动分析 2.1 运动过程分解 在机械臂运动过程中，第一步：通过初始化使各舵 机位于初始状态；第二步：底座腰转关节旋转至特定方 向， 腕关节旋转， 使机械手向上旋转与臂处于同一方 向，同时底座上端肩转关节旋转，使整个机械臂处于水 平位置，机械手爪关节旋转，使机械手爪打开；第三步： * 国家自然科学基金青年基金资助项目（编号 云南省大学生创新计划项目（编号：201310674232） 收稿日期：2013 年 12 月 机 械 制 造 52 卷 第 595 期 2014 ／ 3 50 6 号舵机 F E 5 号舵机 D 4 号舵机 Z 腰转（底座） 3 号舵机 C 横向平面 纵向平面 Y B 2 号舵机 俯仰（主臂） 1 号舵机 X A 偏转（机械手腕） ▲图 1 机械臂结构模型 ▲图 2 机械臂运动方向示意图 ·研 究开 发于手爪处， 机械臂的重力 F2 作用于质心 G，L1、L2 分别为力 F1、F2 与肩转关节的水平距离，θ 为该状态下肩转 关节转动的角 · 研 究 开 发 于手爪处， 机械臂的重力 F2 作用于质心 G，L1、L2 分别 为力 F1、F2 与肩转关节的水平距离，θ 为该状态下肩转 关节转动的角度。 显然，θ 从 90°减小到 0°的过程中， 由于机械臂质 心位于机械臂中点处， 所以机械臂质心与肩转关节的 距离