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無(wú)線可移動(dòng)機(jī)械臂
摘要
最近幾年，隨著無(wú)線應(yīng)用的廣泛使用，對(duì)一個(gè)能夠輕松連接遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備無(wú)需電纜的系統(tǒng)的需求也日益增長(zhǎng)。這篇論文講述了無(wú)線可移動(dòng)機(jī)械臂的發(fā)展?fàn)顩r。這是一個(gè)能做到撿起、放下運(yùn)算并可以用無(wú)線PS2手柄控制的可移動(dòng)機(jī)器人。它可以根據(jù)控制器的指令進(jìn)行一定距離的前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)。這種機(jī)器人的開發(fā)基于Arduino Mega平臺(tái)，這個(gè)平臺(tái)可以將無(wú)線控制器與可移動(dòng)機(jī)械臂連接起來(lái)。為了了解機(jī)械臂的表現(xiàn)，我們分析了機(jī)械臂的速度、行程以及承載能力。最終，這個(gè)機(jī)器人的原型有望解決一些像放置或拿起遠(yuǎn)離使用者的物體以及以最快速簡(jiǎn)單的方式放置或拿起有危險(xiǎn)的物體的問(wèn)題。
1.引言
如今，機(jī)器人取代人類廣泛地被整合到工作任務(wù)中，尤其是在反復(fù)作業(yè)中?？傮w來(lái)說(shuō)機(jī)器人學(xué)可以分為兩類：工業(yè)機(jī)器人和服務(wù)機(jī)器人。國(guó)際機(jī)器人聯(lián)合會(huì)這樣定義服務(wù)機(jī)器人：服務(wù)機(jī)器人是一種半自主或全自主工作的機(jī)器人，它能完成有益于人類健康的服務(wù)工作，但不包括從事生產(chǎn)的設(shè)備。目前移動(dòng)機(jī)器人被應(yīng)用于許多領(lǐng)域包括辦公，軍事任務(wù)，醫(yī)院手術(shù)，危險(xiǎn)的環(huán)境和農(nóng)業(yè)[1]。
除此之外，工人們?cè)趽炱鸷头胖靡恍┛赡軐?duì)他們有影響的東西時(shí)會(huì)有一些困難。例如，一些人類不能觸摸的化學(xué)藥品，軍事上拆出炸彈時(shí)需要機(jī)器人來(lái)取放炸彈，用戶在坐著的時(shí)候需要機(jī)器人來(lái)幫忙取放物品等。因此，一些機(jī)器人可以取代人類來(lái)做一些工作。
無(wú)線控制的機(jī)器人可以保證其遠(yuǎn)離用戶工作。例如，過(guò)去的無(wú)線電自主導(dǎo)航機(jī)器人項(xiàng)目就跟這個(gè)項(xiàng)目類似[2]。這個(gè)機(jī)器人在物理上適合無(wú)線電工作。
除了無(wú)線電控制之外，藍(lán)牙也是一個(gè)無(wú)線傳輸控制機(jī)器人的可用平臺(tái)[3]。機(jī)器人的動(dòng)作通過(guò)藍(lán)牙連接遠(yuǎn)程控制。對(duì)這個(gè)項(xiàng)目來(lái)說(shuō)，這個(gè)機(jī)器人在各個(gè)方向（前，后，左，右）都能實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)。
2.機(jī)械臂的定義
機(jī)械臂是通常一種可編程的，跟人的手臂有著相似功能的擬人機(jī)操作手。這樣一個(gè)操縱器的連接部分由一些允許回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)（例如在一個(gè)鉸鏈?zhǔn)綑C(jī)器人中）或者平移（線性）運(yùn)動(dòng)的接頭組成[4]。
操縱器的連接部分可以形成一個(gè)運(yùn)動(dòng)鏈[5]。操縱器運(yùn)動(dòng)鏈起作用的一端被稱為末端執(zhí)行器，它與人手類似。末端執(zhí)行器被設(shè)計(jì)用來(lái)完成想要完成的任務(wù)，例如：焊接，夾緊，旋轉(zhuǎn)等，這取決于應(yīng)用。
機(jī)械臂可以自動(dòng)或者被人工控制來(lái)高精度的完成一系列任務(wù)。機(jī)械臂可以是固定的，也可以是可以動(dòng)的（例如，帶輪子的），可以應(yīng)用在工業(yè)領(lǐng)域，也可以家庭服務(wù)。無(wú)線可移動(dòng)機(jī)器人也已經(jīng)發(fā)展了好多年[6]。
3.研究方法
3.1項(xiàng)目概覽
在這個(gè)項(xiàng)目中，軟硬件相結(jié)合會(huì)使系統(tǒng)變得可靠。Arduino Mega會(huì)成為機(jī)器人的接口，無(wú)線PS2手柄會(huì)控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。項(xiàng)目概覽如圖1所示：
3.2系統(tǒng)架構(gòu)
表1列出了無(wú)線可移動(dòng)機(jī)械手臂的項(xiàng)目規(guī)范。制作這個(gè)規(guī)范的主要目的是列出這個(gè)項(xiàng)目的一些重要部分和確保這個(gè)項(xiàng)目可行并且適合在市場(chǎng)上使用。
3.3機(jī)械設(shè)計(jì)
圖2列舉了一些機(jī)器人的設(shè)計(jì)，有（a）主體結(jié)構(gòu)手臂機(jī)器人，（b）手臂機(jī)器人設(shè)計(jì)，（c）移動(dòng)搬運(yùn)手臂機(jī)器人。機(jī)械手臂主要有基座、肩膀、肘部、腕部和爪子等五部分組成。
對(duì)機(jī)械手來(lái)說(shuō)，像支架、U型架等伺服機(jī)構(gòu)被用來(lái)放置馬達(dá)的，都是用鋁來(lái)制作的，因?yàn)殇X很輕。爪子部分也是用鋁做的，因?yàn)樗蜋C(jī)械手主體框架結(jié)構(gòu)相似。
正如圖2（c）所示，移動(dòng)機(jī)器人的外形尺寸為：長(zhǎng)28cm，寬15.5cm，高8.5cm。移動(dòng)機(jī)械手臂的主要材料是亞克力板，因?yàn)樗壮尚?，價(jià)格低，堅(jiān)固并能夠承受馬達(dá)的重量和運(yùn)轉(zhuǎn)。
3.4電路設(shè)計(jì)
圖3（a）是使用Protens模擬的馬達(dá)驅(qū)動(dòng)移動(dòng)機(jī)器人的電路設(shè)計(jì)，圖3（b）表示通過(guò)使用PCB巫師軟件，每一個(gè)電子元件都被特定安排來(lái)為Arduino Mega創(chuàng)造空間。
3.5軟件研發(fā)
軟件是一套程序、規(guī)程、算法和與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)相關(guān)的文檔。在這個(gè)案例中需要軟件來(lái)完成項(xiàng)目的任務(wù)。
Arduino集成開發(fā)環(huán)境：Arduino硬件使用一種與C++相似、只有輕微的簡(jiǎn)化和修改的線基語(yǔ)言和一種過(guò)程基礎(chǔ)的完整開發(fā)環(huán)境為基礎(chǔ)。
Proteus 7專業(yè)版：這個(gè)軟件僅僅被用來(lái)設(shè)計(jì)移動(dòng)機(jī)械臂的馬達(dá)驅(qū)動(dòng)電路。因?yàn)闉榱耸箼C(jī)械臂能夠?qū)崿F(xiàn)前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)，需要像繼電器和晶體管之類的電子元件來(lái)實(shí)現(xiàn)。
谷歌Sketch Up:整個(gè)項(xiàng)目被分成了兩個(gè)設(shè)計(jì)部分。一部分是機(jī)械臂，另一部分是移動(dòng)機(jī)器人。
PCB Wizard:這個(gè)軟件可以用來(lái)創(chuàng)造和設(shè)計(jì)接線板里的電子設(shè)備的安放。由于使用的電子元件少，這個(gè)項(xiàng)目會(huì)用單層的接線板。
3.6 Arduino Mega 2560
正如圖4所示，Arduino Mega 2560是一塊基于ATmega2560單片機(jī)板。它具有54個(gè)輸入輸出接口，包括14個(gè)PWM輸出，16個(gè)模擬輸入，4個(gè)通用異步收發(fā)器（硬件串行端口）1個(gè)16MHz的晶體振蕩器，1個(gè)USB接口，1個(gè)電源插口，1個(gè)ICSP接頭，1個(gè)重置按鈕。它包含了用來(lái)支持單片機(jī)所需的所有東西；可以用一條USB連接線輕松的將其連接到電腦上且可以用交流電轉(zhuǎn)直流電的電源適配器或電池來(lái)供電。
3.7索尼PS2無(wú)線手柄
這個(gè)項(xiàng)目所使用的PS2無(wú)線手柄如圖5所示，使用手柄可以了控制包括爪子和可移動(dòng)機(jī)械臂在內(nèi)的伺服系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)。另外，無(wú)線手柄相比有線來(lái)說(shuō)有一個(gè)優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗梢詿o(wú)線地與機(jī)器人交流。手柄的頻率為2.4GHz，并帶有振動(dòng)反饋。它的發(fā)射器和接收器可以分離操作。手柄使用的電源是兩節(jié)3號(hào)電池。
4.結(jié)果與討論
4.1完成機(jī)器人設(shè)計(jì)
圖6展示了無(wú)線移動(dòng)機(jī)械臂的完整機(jī)械結(jié)構(gòu)。在不工作時(shí)機(jī)器人的外形尺寸為29X19X25.5cm，重量為1.55Kg。
4.2無(wú)線移動(dòng)機(jī)械臂的分析
圖7展示的是移動(dòng)機(jī)器人的輪子的運(yùn)動(dòng)。機(jī)器人可以前進(jìn)、后退、右轉(zhuǎn)和左轉(zhuǎn)。當(dāng)按下手柄的按鈕時(shí)，LED燈會(huì)點(diǎn)亮。
輸入的電源供應(yīng)對(duì)移動(dòng)機(jī)器人來(lái)說(shuō)是很重要的，因?yàn)樗梢钥刂扑欧妱?dòng)機(jī)的速度。因此表2展示了機(jī)器人在不同電壓供給下行走一米的分析。
正如表格所示，電壓降低，機(jī)器人行走一米的時(shí)間會(huì)延長(zhǎng)。但是，當(dāng)供給電壓為6V時(shí)，移動(dòng)機(jī)器人會(huì)停止運(yùn)動(dòng)。因此可以得到結(jié)論，移動(dòng)機(jī)器人的電壓供給與運(yùn)行速度成反比。
4.3機(jī)械臂的運(yùn)作
圖8列舉了移動(dòng)機(jī)器人的工作場(chǎng)所。機(jī)器人的工作場(chǎng)所在一個(gè)旋轉(zhuǎn)控制器中。它包含了代表自由度的軸。對(duì)這個(gè)項(xiàng)目來(lái)說(shuō)，機(jī)器人有4個(gè)自由度
機(jī)械手臂的承載能力取決于伺服電動(dòng)機(jī)的力量。如果載荷超過(guò)了伺服電機(jī)的力量，會(huì)造成伺服電機(jī)不工作，和更多的電流消耗。表3展示了機(jī)械臂的不同載重量。由于只是原型設(shè)計(jì)，機(jī)械臂的載重量非常小。
4.4無(wú)線PS2手柄的應(yīng)用
無(wú)線移動(dòng)機(jī)械臂可以移動(dòng)，并可以用PS2無(wú)線手柄來(lái)控制。在這個(gè)項(xiàng)目中，機(jī)器人的原型隨著手柄的按鈕同時(shí)動(dòng)作。14個(gè)LED燈對(duì)應(yīng)著手柄的按鈕，按下按鈕燈就會(huì)亮。圖9（a）展示了基于編程代碼的手柄導(dǎo)航，9（b）展示了每一個(gè)按鈕所代表的LED燈。
手柄的頻率為2.4GHz無(wú)線頻率，最大操作距離為8米，45度。如果手柄的電池電量降低，信號(hào)強(qiáng)度也會(huì)降低。因此接收器和發(fā)射器之間的連接就會(huì)斷開。表4展示了機(jī)器人的有效工作距離。
4.5伺服電動(dòng)機(jī)的分析
伺服電機(jī)是三線輸出的。其中兩個(gè)是電源和接地接口，另外一個(gè)是對(duì)馬達(dá)進(jìn)行位置反饋的。PS2無(wú)線手柄會(huì)控制伺服電機(jī)的定位。機(jī)器人的首要位置是伺服電機(jī)的90度位置。圖10展示的是不同的脈沖寬度進(jìn)入伺服電機(jī)的信號(hào)線時(shí)的不同位置角度。
4.6電路分析
正如圖5所示，這個(gè)項(xiàng)目所有的電路將有3種電源供給。
對(duì)電源供應(yīng)3來(lái)說(shuō)，LM7806的調(diào)節(jié)電壓為6V~12V，因?yàn)檫@是給私服系統(tǒng)供電的最大電壓。相比鋰電池來(lái)說(shuō)，使用可充電且電壓高的鉛酸電池，可以使伺服電動(dòng)機(jī)正常工作。
5.總結(jié)
總的來(lái)說(shuō)，這個(gè)項(xiàng)目的目標(biāo)都已經(jīng)實(shí)現(xiàn)：開發(fā)出了無(wú)線移動(dòng)機(jī)械臂的軟件和硬件，實(shí)現(xiàn)了取放物體的系統(tǒng)操作，測(cè)試機(jī)器人滿足目標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)。從已做的分析可以看出，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)是精確的，易操作的且用戶友好的。
機(jī)器人的動(dòng)作（包括移動(dòng)和機(jī)械臂部分可以被無(wú)線控制）表明了移動(dòng)機(jī)器人的成功研發(fā)。這個(gè)機(jī)器人的原型有望解決一些像放置或拿起遠(yuǎn)離使用者的物體以及以最快速簡(jiǎn)單的方式放置或拿起有危險(xiǎn)的物體的問(wèn)題。
6.建議
總體來(lái)說(shuō)，機(jī)器人程序運(yùn)作的像計(jì)劃一樣順暢。對(duì)以后的建議是，希望機(jī)器人可以安卓一個(gè)攝像頭來(lái)觀察并在顯示屏上顯示。除此之外，機(jī)器人原型的材料也可以升級(jí)一下，這樣機(jī)器人的承載能力就會(huì)加強(qiáng)且可以做多功能操作。
7.致謝
感謝項(xiàng)目管理員Reza Ezuan Bin Samin工程師和Babul Salam Bin KSM Kader Ibrahim教授對(duì)這個(gè)項(xiàng)目的鼓勵(lì)和支持，也感謝共事的朋友們?cè)陧?xiàng)目期間提供的幫助以及在遇到問(wèn)題時(shí)他們的寶貴想法。
參考文獻(xiàn)
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