江國強(qiáng) 謝安潔 漆虹琳 張利強(qiáng)

【摘 要】機(jī)械結(jié)構(gòu)的研究是當(dāng)今時(shí)代高科技技術(shù)發(fā)展的必經(jīng)之路，在這個(gè)人工智能的時(shí)代，智能機(jī)器人是全球人工智能研究的重點(diǎn)，機(jī)器人無論是移動(dòng)、行動(dòng)還是工作都是有機(jī)械做功完成的，文章研究的是一款基于Arduino的開源機(jī)械臂，它擁有6個(gè)可活動(dòng)關(guān)節(jié)，利用hd參數(shù)系統(tǒng)建立空間定位模型。使用LDX-335MG數(shù)字舵機(jī)，不僅精度高，而且具有末端防燒防堵轉(zhuǎn)的功能，使得做工更具有可靠性、安全性，超高的精度也使得做功的失誤率降到了最低。

【關(guān)鍵詞】機(jī)械控制;仿生手臂;舵機(jī)

0 引言

自蒸汽機(jī)發(fā)明以來，人類便甩開了傳統(tǒng)的機(jī)械控制技術(shù)，開始進(jìn)入了機(jī)器控制的大門。電能的運(yùn)用更是讓控制技術(shù)得到飛速的發(fā)展與運(yùn)用，機(jī)器人如今可以說是無所不在，大到碼頭、工廠，小到家庭。機(jī)械臂則是大多數(shù)機(jī)器人不可缺少的一部分，本文研究的是Arduino控制伺服機(jī)的機(jī)械手臂，分析其機(jī)械結(jié)構(gòu)、三維空間內(nèi)位置的關(guān)系、多個(gè)舵機(jī)控制程序。

1 緒論

1.1 研究背景

自機(jī)器人誕生到現(xiàn)在，機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)發(fā)生翻天覆地的變化。全球各國的科學(xué)家都在為機(jī)器人的研究用盡心血，機(jī)器人被廣泛用于汽車鑄造、石油開采、航空航天、船舶碼頭、無人的物流工廠等領(lǐng)域，逐漸淘汰傳統(tǒng)人力做功，讓人們從繁瑣、重復(fù)、危險(xiǎn)的工作中解放出來。機(jī)械手臂是機(jī)器人的組成部分，大多數(shù)機(jī)器人任務(wù)都需要機(jī)械臂。機(jī)械手臂使得機(jī)器人可以做更多、更復(fù)雜的工作，可以像人一樣做一些靈活的動(dòng)作，可以說給機(jī)器人加上機(jī)械臂使得機(jī)器人的工作范圍擴(kuò)大了，同時(shí)提升了機(jī)器人的工作效率。

1.2 國內(nèi)外現(xiàn)狀

國外的機(jī)器人研究開展得比較早，目前瑞典的ABBRobotics、日本的FAUNC、德國的KUKARoboter等公司擁有較為成熟的技術(shù)和研究成果。

國內(nèi)機(jī)器人的研究起步較晚，但近年來很多高校取得了不菲的成果，例如香港大學(xué)自動(dòng)化及制造研究中心的自動(dòng)導(dǎo)航車和服務(wù)機(jī)器人、阿里巴巴的無人物流工廠、哈爾濱工業(yè)大學(xué)的導(dǎo)游機(jī)器人等。

總體來看，國內(nèi)的機(jī)器人研究相對(duì)于國外存在著較大的差距，當(dāng)前有兩個(gè)重要的問題亟須解決。

（1）機(jī)器人普遍采用的是輪式傳統(tǒng)移動(dòng)，應(yīng)用場景要求較高。

（2）機(jī)器人的機(jī)械臂結(jié)構(gòu)簡單，能完成的動(dòng)作較少，靈活性不足。

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 硬件描述

2.1.1 舵機(jī)

整套機(jī)械臂一共使用了6個(gè)高精度數(shù)字舵機(jī)，我們從上往下分析。爪子部分使用的是具有防堵轉(zhuǎn)功能的LDX-335MG數(shù)字舵機(jī)，當(dāng)發(fā)生堵轉(zhuǎn)時(shí)，舵機(jī)會(huì)自動(dòng)計(jì)時(shí)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)堵轉(zhuǎn)超過4 min時(shí)，舵機(jī)會(huì)自動(dòng)停止工作。兩個(gè)舵機(jī)是LFD-06防堵轉(zhuǎn)低功耗的數(shù)字舵機(jī)，當(dāng)發(fā)生堵轉(zhuǎn)時(shí)，舵機(jī)內(nèi)部會(huì)自動(dòng)進(jìn)行保護(hù)。在云臺(tái)上面的兩個(gè)舵機(jī)是高精度的雙軸數(shù)字舵機(jī)，它們采用插拔的連接方式，布線、更換都十分方便。底座上的舵機(jī)采用大扭力的1501舵機(jī)，它有15 kg的扭力，能旋轉(zhuǎn)180°。

2.1.2 控制板

控制板由兩個(gè)部分組成，一個(gè)是基礎(chǔ)板，另一個(gè)是接在主板接口的Arduino板?？刂瓢宓恼９ぷ麟妷涸?.4～8.4 V，低于6.4 V時(shí)蜂鳴器會(huì)發(fā)出低壓報(bào)警信號(hào)，提醒用戶。不過我們供電采用的是AD/DC電源適配器，只要插上就不用擔(dān)心電壓的問題?？刂瓢迳系腢SB接口是用來下載程序或調(diào)試用的，只需接到電腦上，打開相應(yīng)的上位機(jī)即可（如圖1所示）。

2.1.3 Arduino開發(fā)板

Arduino是一款功能強(qiáng)大且易于使用的開放式設(shè)計(jì)源代碼。免費(fèi)下載使用開發(fā)界面，閃存32KB存儲(chǔ)空間可滿足您的設(shè)計(jì)要求，與電機(jī)控制板兼容，使電路更簡單、更穩(wěn)定，價(jià)格也相對(duì)較低。

2.1.4 支架結(jié)構(gòu)

主體支架呈藍(lán)色，全部采用硬鋁合金，加上表面噴砂氧化處理，質(zhì)感好，硬度高。

2.2 坐標(biāo)系的關(guān)系

主要在笛卡爾坐標(biāo)系中描述空間位置、速度和加速度，也就是說，坐標(biāo)系統(tǒng)由3個(gè)相互垂直的軸組成，這是眾所周知的。確定繞軸旋轉(zhuǎn)多少角度的正方向是基于右側(cè)的規(guī)則，一般用的都是右手坐標(biāo)系，即繞z軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，y軸在x軸的+90°方向。通常，對(duì)象/點(diǎn)的名稱寫在右下角，就像坐標(biāo)系{A}中點(diǎn)O的位置矢量一樣寫作ApO。

2.3 位置與平移交換

位置表示是很簡單的，直接用三維向量就可以表示。變換是坐標(biāo)系空間位置的變化，可以用坐標(biāo)系原點(diǎn)O的位置矢量表示（如圖2所示）。多次平移變換的表示直接向量相加就可以了。

2.4 角度/方向、旋轉(zhuǎn)變換

相比于位置，方位的表示方法就麻煩多了。在方位的表示方法上，我們把物體看做一個(gè)坐標(biāo)系，在物體運(yùn)動(dòng)過程中坐標(biāo)系也跟著移動(dòng)或者旋轉(zhuǎn)，所以我們從這個(gè)物體的坐標(biāo)系與參考坐標(biāo)系的關(guān)系中可以得到物體的位置和朝向。

怎么知道坐標(biāo)系如何旋轉(zhuǎn)及圍繞另一個(gè)坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)？我們先從二維的情況分析，如圖3所示。

通過將坐標(biāo)軸單位向量用參考坐標(biāo)系表示，由圖4可以直接寫出：

顯然，該矩陣的每一列代表坐標(biāo)系B的坐標(biāo)單位矢量;有了這個(gè)矩陣，我們就能畫出坐標(biāo)系B的x軸與y軸，從而確定B的朝向。

2.5 旋轉(zhuǎn)矩陣

在三維的空間里面，要確定物體的朝向很困難，在三維空間中物體的朝向要考慮3個(gè)自由度。不過，如果我們從圖3的方法出發(fā)，就可以輕松寫出一個(gè)3×3的R矩陣，我們叫它旋轉(zhuǎn)矩陣：這個(gè)式子表明從坐標(biāo)系{B}到坐標(biāo)系{A}的旋轉(zhuǎn)矩陣的每一列都是坐標(biāo)系{B}的坐5標(biāo)軸單位向量在坐標(biāo)系{A}中的表示。

2.6 DH參數(shù)與坐標(biāo)系確定

在DH模型中用4個(gè)參數(shù)表達(dá)連桿之間的角度關(guān)系和坐標(biāo)系的定位，分別是連桿長度、連桿扭轉(zhuǎn)、連桿偏移、關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角。原本需要6個(gè)自由度的坐標(biāo)變換現(xiàn)在只需要4個(gè)參數(shù)表達(dá)，人為地通過現(xiàn)在原點(diǎn)和x軸的方法減少了兩個(gè)自由度（如圖4所示）。

結(jié)合圖4，我們可以直觀地看出4個(gè)參數(shù)的意義。連桿長度：沿Xi-1的Zi-1到Zi的距離;連桿扭轉(zhuǎn)：Zi相對(duì)于Zi-1繞Xi-1旋轉(zhuǎn)的角度;連桿偏移：沿Zi的Xi-1到Xi的距離;關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角：Xi相對(duì)于Xi-1繞。

由圖4我們可以很明顯地觀察出兩條重要的線：軸線和軸線與相鄰軸線之間的公共法線。在DH的參數(shù)表示里，我們把關(guān)鍵軸定為z軸;共同法線由x軸定義，x軸方向是從關(guān)節(jié)到下一個(gè)關(guān)節(jié)。這樣可以很容易地表示實(shí)際機(jī)器人的任何關(guān)節(jié)，從而更有利于對(duì)DH模型的理解。

3 多路舵機(jī)控制程序設(shè)計(jì)

3.1 舵機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

舵機(jī)內(nèi)置部件主要有舵盤、齒輪組、電機(jī)、控制電路、控制線。舵機(jī)的動(dòng)力來源全靠電機(jī)提供其高速的轉(zhuǎn)動(dòng)為舵機(jī)提供了強(qiáng)大的動(dòng)力，電機(jī)的高速轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)減速齒輪組，使之產(chǎn)生高扭力的輸出，舵機(jī)的輸出扭力也越大，也就是說越能帶動(dòng)更大重量的負(fù)載，但輸出的轉(zhuǎn)速也越低。

3.2 舵機(jī)的工作原理

舵機(jī)是一個(gè)常見的閉環(huán)反饋系統(tǒng)，減速器由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，輸出驅(qū)動(dòng)線性比例電位器以進(jìn)行位置感應(yīng)，電位計(jì)將旋轉(zhuǎn)角度轉(zhuǎn)換為比例電壓反饋給控制電路，控制電路通過比較對(duì)應(yīng)于輸入控制信號(hào)的角度使電動(dòng)機(jī)正向或反向旋轉(zhuǎn)，使電位器反饋角度趨向于控制信號(hào)期望角度，從而達(dá)到使伺服機(jī)馬達(dá)精確定位的目的（如圖5所示）。

3.3 如何控制舵機(jī)

舵機(jī)的輸入線有3條，中間紅色的為電源線，黑色的是地線，黃色的是標(biāo)準(zhǔn)PWM舵機(jī)的控制線。電源與地線為舵機(jī)提供能源，電壓通常介于5～8 V之間。甚至舵機(jī)在負(fù)載重時(shí)也會(huì)拉低放大器的電壓，所以整個(gè)系統(tǒng)的電源供應(yīng)比例必須合理。

舵機(jī)的控制通常需要約20 ms的時(shí)基脈沖，并且該脈沖的上位部分通常是0.5～2.5 ms范圍內(nèi)的角度控制脈沖部分，總間隔為2 ms。模擬舵機(jī)需要一直保持周期性的信號(hào)才可保持舵機(jī)的角度，當(dāng)失去信號(hào)，舵機(jī)就會(huì)不再輸出動(dòng)力。圖6為舵機(jī)信號(hào)對(duì)標(biāo)角度的數(shù)據(jù)圖。

4 實(shí)驗(yàn)總結(jié)

通過以上實(shí)驗(yàn)研究，基于Arduino的舵機(jī)控制仿人手的機(jī)械手臂具有人手般的靈活性，對(duì)在三維的空間里面機(jī)械手臂各個(gè)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行了規(guī)劃，其運(yùn)動(dòng)進(jìn)準(zhǔn)度達(dá)到工業(yè)級(jí)別，使用的LDX-335MG數(shù)字舵機(jī)，當(dāng)發(fā)生堵轉(zhuǎn)時(shí)，舵機(jī)會(huì)自動(dòng)停止工作，防止器械損壞。

參 考 文 獻(xiàn)

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