基于Arduino的机器手臂控制熊晓松++李朝朝Summary：当前机械手臂得到广泛的应用，针对四自由度机械手臂系统进行了研究与设计，分析了机械手臂的机械结构及控制系统。舵机是传统的角度控制驱动器，在机器人领域得到了广泛应用。采用Arduino控制板进行舵机的控制，系统稳定性高，可靠性强，定位准确可以满足控制要求。Key：机器手臂；Arduino；舵机中圖分类号：TP398：A：1007-9416（2017）02-0003-01Abstract：Today，robotarmiswidelyused，theresearchanddesignaboutafourdegreesfreedom'sarmarefound.TheMechanicalStructureandControlSystemaredescribed.Theservoisthetradionalanglecontroldriverandhasbeenwidelyusedinfieldssuchasrobotics.TheArduinoisusedtocontroltheservorotation，thissystemisahighstability，reliabilityandaccuratecontrol.KeyWords：manipulator；arduino；steeringgear1引言1机器手臂是一种模拟人手臂而操作的自动化机械，它可按固定的程序抓取、搬运物件或操持工具完成某些特定操作。机器手臂可以代替人从事单调、重复或繁重的体力劳动，实现生产的机械化和自动化，可以代替人在有害环境下的手工操作，改善劳动条件，保证人身安全，目前广泛应用在工业自动化生产线上，如何有效的控制机械手臂是当前的热点之一。Arduino是一个开源的硬件平台，该平台由硬件部分和软件两部分组成，其中硬件包括单片机、电路板等，软件主要是以C/C++语言为基础的IDE集成开发环境，可以快速的开发自己的项目。它可以便捷地读取模拟信号，控制LED灯亮度、电机的转速等，也可以通过USB接口进行编程和PC机通信等。利用Arduino单片机作为控制器控制舵机转动，从而实观对机器手臂的各种操作[1，2，3]。2设计方案机器手臂一般由执行机构、控制系统、驱动系统三个部分组成。执行机构由手腕、机座组成，是联接手臂与末端执行器的部件，用以调整末端执行器的方位和姿态。手臂是支承手腕和末端执行器的部件。它由动力关节和连杆等组成，用来改变末端执行器的位置。机座是机器手臂的基础部件，并承受相应的载荷，机座分为固定式。控制系统以Arduino单片机为核心控制器完成机器手臂控制，实现四自由度机器手臂对货物的抓取；对机器手臂建立空间模型，确定规定动作控制要求；控制各功能电路，驱动电路等；根据机器手臂各关节动作要求，控制手臂动作行程，实现手臂四自由度规定动作。驱动系统通过输出PWM波的实现对舵机转动的控制，进而实现各个关节的位置控制。2.1机械设计随着制造工业的发展需要，对机器手臂的自由度，精确度，运行的平稳性要求越来越高，机器手臂向多自由度，高速度，高精确度发展。齿轮式的机器手臂具有结构简单，易于安装与拆卸；重量轻，关节转动的惯性小、灵活性强等优点，机器手臂采用齿轮式（舵机驱动方式）。齿轮式机器手臂具有传动精度高、体积小、速度较快及运行平稳等优点。实验的机器手臂为四自由度，四自由度机器手臂可采用四个舵机控制，如图1所示，舵机1控制底座，实现自由旋转，舵机2控制机器手臂上下运动，舵机3控制末端机械爪的水平倾角，舵机4控制机械爪的开合，用于抓取物件。本机器手臂各关节的最大运动范围：如图1所示。关节1（舵机1）底座的转动范围受舵机极限转动范围的限制为-90°～+90°。关节2（舵机2）用于平举最大的转动为最低0°，最高90°。关节3（舵机3）机械爪倾角的控制最低为-90°，最高90°。关节4（舵机4）机械爪的开合，最小（闭合）0°，最大（张开）90°。2.2控制系统以Arduino单片机为控制核心，控制机器手臂协调运动。机械手臂具有四个关节，每个关节可以自由转动相应角度，手臂转动采用4台舵机驱动，可以完成点对点的夹取物件的简单动作。利用arduino单片机本身所带的PWM口产生波形，编写控制机器手臂的动作程序，实现对舵机的控制[4]。系统控制图如图2所示。为了设计的方便，控制方式采用点位控制。通过分别控制舵机的正反转来确定末端执行器在空间上的具体位置。舵机不是同时控制，因此不存在相互间的干扰，从而增强了整个系统的稳定性。基座部分做为腰关节装有舵机M1，控制机器手臂旋转；肩M2通过齿轮传动控制大...