开发一个控制和编程机械臂的项目

　　让我们逐步开发一个控制和编程机械臂的项目，模拟工业机器人的基本功能。

　　第 1 步：规格

　　机器人有两个基本功能：

　　程序：记录三个维度的手臂位置（每个记录是一个“步骤”）

　　运行：依次执行“程序”中记录的位置。机器人将运行程序，直到使用命令“ABORT”。

　　主要特征：

　　该项目可用于控制具有 3 或 4 DOF（“自由度”）的机器人。

　　机器人可以在“本地”和“远程”模式下控制（最后一个通过 Android 设备）

　　在程序阶段，用户可以将控制模式从“LOCAL”更改为“REMOTE”，反之亦然。

　　将通过彩色 LED、2 行 LED 显示屏和声音（蜂鸣器）向用户提供信息。

　　声音警报也可以远程触发。

　　第 2 步：项目

　　上一步的框图显示了将在此项目中使用的“材料清单”。

　　我选择了 Arduino MEGA，以免担心可用的 Arduino 端口 （I/O） 的数量。例如，UNO 可以正常工作，但应使用端口扩展方法。有几个选项可以在 Internet 上轻松找到，例如 74138 解码器。

　　关于蓝牙网络，这个项目使用的是 HC-06。

　　用于“ remote mode”的Android应用程序是使用MIT Appinventor2工具开发的，该工具是基于Android设备的此类应用程序的强大单一平台。

　　第 3 步：开发

　　机械臂可以根据它们拥有的“关节”或“自由度”（DOF）的数量进行分类。

　　“底座”或“腰部”通常可以将手臂转动 180o 或 360o，具体取决于所使用的伺服类型（在此项目中，使用了 180o 伺服）。

　　“肩”，负责垂直“抬高或降低”手臂。

　　“肘”将使手臂“向前或向后”。

　　“爪”或“抓手”通过打开或关闭来“抓取东西”。

　　第 4 步：电路

　　上图显示了完整的电路。

　　伺服电机将用于驱动关节，直接连接到 Arduino。请注意，在底座上使用“步进电机”以获得更大的扭矩和精度并不少见。舵机的正确选择非常重要。

　　舵机的直流电源应与 Arduino 和其他组件分开。5 或 6V 的外部电源应该可以正常工作（检查伺服器的数据表以验证正确的电压范围）。一种常见的做法是在 VCC 和 GND 之间使用 470uF 电容器，以最大限度地减少伺服器内部直流电机产生的噪声。确保连接所有“接地”（外部电源与 Arduino GND 引脚）。

　　如果伺服系统有问题并且振动很大，请在代码的“延迟”处进行调整。重要的是，伺服系统在接收新命令之前有时间到达某个点。同样值得检查的是舵机是数字的还是模拟的，就好像它们在机械上相似，数字的工作频率为 300Hz，而模拟的工作频率为 50Hz。标准 Arduino 库“ Servo.h”是为模拟舵机开发的，必要时可以进行修改，以便更好地使用数字舵机。

　　第 5 步：代码

　　这个项目并不复杂，但它有很多变数。最谨慎的做法是明确定义它们并将备注留在唯一的文件中：

　　ArmDefine.h

　　该文件还应设置最小、最大和初始伺服角度。本文中包含的代码有两组参数，用于我在项目中测试的机械臂（当然应该只使用一组常量）：

　　// MeArm 4-DOF

#define minGrip 15 
#define minBase 0 
#define minShou 60 
#define minElbw 60 
#define maxGrip 45 
#define maxBase 170
#define maxShou 180 
#define maxElbw 150 
#define midGrip 30
#define midBase 87
#define midShou 138
#define midElbw 100
/* SS 3-DOF
#define minGrip 75 
#define minBase 5 
#define minShou 5 
#define minElbw 0 
#define maxGrip 125 
#define maxBase 150
#define maxShou 155 
#define maxElbw 0 
#define midGrip 100
#define midBase 90
#define midShou 90
#define midElbw 0 
*/

每种类型的手臂都有一组不同的参数，重要的是找到适合自己的。我的建议是，最初电位器（电位器）保持在其中点，PWM 输出的映射设置为默认值：Max = 255和Min = 0（Mid = 126上面的“ #defines”）。然后，开始改变电位器（一个接一个）并在串行监视器（或 LCD）中跟踪手臂正常工作的最小值和最大值。这些将是用于设置的最终值（将我的原始值更改为ArmDefine.h).

为了“记录”机器人应该播放的坐标（或步数）集，我将使用数据数组：

int gripPosition[100];
int basePosition[100];
int shouPosition[100];
int elbwPosition[100];
int positionIndex = 0;   // Index to be used at position array used for recorded tasks

　　请注意，我没有保留“存储”位置，并且在“机器人”程序结束时，索引回到零，机器人将等待新序列的记录（程序丢失）。或者，您可以将这些数据阵列保存在 Arduino EEPROM 中。这样做程序将被再次执行，甚至您可能拥有多个存储的程序。

　　第 6 步：程序逻辑

　　主块（“循环”）非常简单：

　　检查是否使用了执行“程序”（步骤序列）的命令。

　　如果是这样，请运行它。

　　否则，“程序”是不完整的，仍然必须编写新的步骤。

　　如果定义了“新位置”，请将其添加到程序中。

　　首先，检查来自 Android 设备的到达串行缓冲区的消息。

　　接下来，验证控制模式是“本地”还是“远程”（默认为本地）。

　　回到开头并再次执行步骤 1。

　void loop ()

{
  checkBTcmd ();
  defineLocalRemote () ;
  execTaskCmd = digitalRead (execTaskPin);
  if (execTaskCmd == || HIGH command == "runon")
  {
    RunProgram () ;
  }
  else recArmPosition () ;
  command = "";
}

　　函数checkBTcmd（）使用来自 BT 模块的单个字符组装一个字符串。这个字符串被传递给变量“ command ”。

　　函数defineLocalRemote（）考虑变量“ command ”检查是否接收到将模式更改为远程的命令，反之亦然。报警命令也在这里分析。对于程序逻辑，如果在Android设备中触发了“Alarm”，则arm一定要进入Remote模式。

　　函数RunProgram（）执行准备工作，打开/关闭 LED 等，特别是调用函数：ExecuteTask（）。后者是包含步骤序列的执行逻辑的函数。该函数使用工具将位置数据发送到手臂的“位置索引”增加： armPosition（grip， base， Shoulder， E肘）。

　　最后，真正指挥舵机并编写“步骤”的函数是recArmPosition（）。根据接收到的 Android 命令，该函数将定义舵机的定位，可以通过罐子，也可以通过 Android 应用程序的“滑块”。随着每个位置的变化，此功能使用功能（握把、底座、肩部、肘部）将坐标发送到伺服系统。armPosition在触发“SAVE”或“PROGRAM”命令时，会读取电位器或滑块的实际位置以及相应的伺服激活。在那一刻，数组的位置索引增加并存储步骤。

　　为了简化理解，所有的代码都是基于它的特定功能。“ Setup”、“ Loop”和上面描述的函数几乎都在文件：MJRoBot_Arm_Robot_Task_Prgm.ino 中，并可在本文下方找到。

　　更通用的函数如读取 BT 命令：void checkBTcmd（）；声音发生器：void beep（int pin，int freq，long ms）和去抖：boolean debounce（int pin）；存档：General_Functions.ino

　　一个重要的事实：由于 Arduino 基于 16Mhz 时钟执行指令，预计控制按钮每秒读取数百甚至数千次，因此制作一个设置记录步骤的“去抖动”按钮很重要。

　　第四个也是最后一个文件是：Arm_Ctrl_and_Display.ino

　　在这个文件中是电位器的读取函数：bool readPotenciometers（） ; 读取 Android 滑块：bool readSliders（） ; 伺服系统的放置：void armPosition （int gripp， int basee， int肩部， 肘部 int）。文件中包含的其他功能是用于 LCD 上的数据显示、串行监视器、警报等。

　　第 7 步：结论

　　一如既往的是，我希望这个项目可以帮助其他人在电子、机器人和物联网的激动人心的世界中找到自己的道路！