基于arduino控制的机械臂的运动与程序设计

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1、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

2、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

3、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

4、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

5、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：61203066）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2014／3506号舵机FE5号舵机D4号舵机Z腰转（底座）3号舵机C横向平面纵向平面YB2号舵机俯仰（主臂）1号舵机XA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

6、机械臂质心与肩转关节的距离L2随着L1的减小而逐渐减小（如图4），肩转关节因重物重力产生的力矩F1L1逐渐减小，机械臂重力产生的力矩F2L2也逐渐减小，至θ=0°时，总力矩为0，故当θ=90°时，即当机械臂位于水平状态时，肩转关节受到的力矩最大（如图5），只需对此状态下进行力矩校核。∑∑M0（Fi）=M0（F1）+M0（F2）∑∑∑∑M0（F1）=2F1L（1）∑∑∑∑M0（F2）=F2L将计算所得的M0与舵机的额定转矩相比较，即可确定机器人能否正常运动。机械臂的控制系统利用Arduino的开发环境进行程序编辑，3在应用Arduino开发环境之前，先在电脑端添加新硬件Arduinouno控

7、制板，它是采用ATmega3280芯片进行USB到串行数据的转换，然后将ArduinoSensorShieldV5.0扩展板通过串行接口连接到控制板上，再将舵机连接到扩展板的I/O接口上，连接好控制系统后，再连机械手爪关闭，夹住物体；第四步：肩转关节转动至初始位置，使下臂处于竖直状态，同时肘关节旋转，使上臂处于水平状态；第五步：底座关节旋转至另一特定方向，机械手打开，放下物体；第六步：机械手爪关闭，机械手关节旋转至初始状