基于Arduino控制的机械臂的运动与程序设计

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
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
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 ＭＧ ９ ９ ５舵 机 驱 动 组 成 ， 如 图 １所 示 ． １ ～
基子 Ａ ｒ ｄ ｕ ｉ ｎ ｏ控 制 的 机 械 臂 的运 动 与程 序 设 计
口 卢光跃 口 吴
昆明
涛
６ ５ ０ ５ ０ ０
昆 明理 工 大 学 机 电 工程 学 院
摘 要 ： 设 计 了一 个 采 用舵 机 进 行 驱 动 的机 械 臂 装 置 ， 应用 Ａ ｒ ｄ ｕ ｉ ｎ ｏ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 Ａ ｒ ｄ ｕ ｉ ｎ ｏ专 门控 制 伺 服 电机 的 Ｓ ｅ ｒ ｖ ｏ库 函数 创 新 编 程 ， 使 机 械 臂 完成 设 计 动作 。 关键 词 ： Ａｒ ｄ ｕ ｉ ｎ ｏ 机 械 臂 舵 机 程 序 运动 设 计
如 图 ２所 示 ， 该 机 械 臂 有 ３个 方 向 的 转 动 自 由 度 ，
国家 自然科学基金青年基金资助项 目（ 编号： ６ １ ２ ０ ３ ０ ６ ６ ） 云 南 省 大 学 生 创 新 计划 项 目 （ 编 号： ２ ０ １ ３ １ ０ ６ ７ ４ ２ ３ ２ ）
收稿 １ ３ 期： ２ ０ １ ３年 １ ２月
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 械手 爪关 节旋 转 ， 使 机 械手 爪打 开 ； 第 三步 ：
ｊ 圆 ２ ０ １ ４ ／ ３
机械制造 ５ ２ 卷 第５ ９ ５ 期
在 Ａｒ ｄ ｕ ｉ ｎ ｏ中 ， 主 函数在 内部 已定 义 了 ， 只需 要完 成 ｖ ｏ ｉ ｄ ｓ ｅ ｔ ｕ ｐ（ ） 、 ｖ ｏ ｉ ｄ ｌ ｏ ｏ ｐ（ ） 这 两 个 函数 就 能 够 完 成 Ａｒ ｄ ｕ ｉ ｎ ｏ程 序 的 编 写 ， 这两 个 函数分 别 负 责 Ａ ｒ ｄ ｕ ｉ ｎ ｏ程 序 的初 始 化 部 分 和 执 行 部 分 。 两 个 函数均 为无 返 回值 的 函数 。 ｓ ｅ ｔ ｕ ｐ （） 函数 用 于 初始 化 ， 一 般放 在程 序开 头 ， 主要工 作是 用 于设置 一些 引脚 的输 出／ 输入模式 、 初 始 化 串 口等 ． 该 函数 只 在上 电或 重启 时执行 一 次 ； ｌ ｏ ｏ ｐ（ ） 函数 则用 于执 行程 序 ， 它 是一个 死 循环 ， 其 中的代 码将 被循 环执 行 ， 用 于完 成程 序 的 功 能 。另 外 ， 笔 者 采 用 Ｓ ｅ ｒ ｖ ｏ ｍｙ ｓ ｅ ｒ ｖ ｏ语 句 定 义 ６ 个舵机 ， 例 如 Ｓ ｅ ｒ ｖ ｏ ｍｙ ｓ ｅ ｒ ｖ ｏ １ ； 用 ａ ｔ ｔ ａ ｃ ｈ函 数 为 伺 服 电
６ 号 分 别 为 ６个 舵 机 ， Ａ～ Ｆ分 别 为 每 个 舵 机 的转 动 轴 。
其 中 ： ｌ号 舵 机 位 于 底 座 上 ， 起 到 腰 转 的 作 用 ： ２号 舵
机 位 于 １号 舵 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
这 种 需 要 对 多 个 舵 机 同 时 控 制 的 系 统
中 ． Ａｒ ｄ ｕ ｉ ｎ ｏ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 Ａｒ ｄ ｕ ｉ ｎ ｏ对 其 进 行 运 动 控 制 。Ａｒ ｄ ｕ ｉ ｎ ｏ 是 意 大 利 一 个 开 放 源 代 码 的硬 件 项 目 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 。 其 中 １号 舵 机 有 绕 Ｚ轴 转 动 的 自 由 度 ， 初 始 位 置 的 角 度是 ９ ０ 。 ； 舵 机 ２、 ３和 ４号 有 绕 ｌ ，轴 转 动 的 自 由 度 ； 舵
中 图分 类号 ： Ｔ Ｈ１ ２ ２ ； Ｔ Ｐ ２ ４ ２ ． ３
文献 标 识 码 ： Ａ
文章编号 ： １ ０ ０ ０ － ４ ９ ９ ８ ｆ ２ ０ １ ４ ） ０ ３ — ０ ０ ５ ０ — ０ ３
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 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
２ 机 械 臂 的运 动分 析
２． １ 运 动 过 程 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
１ 机 械 臂 机 构 设 计
１ ． １ 机 构 的 组 成
机 ５有 绕 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 分 配 一 个 偏 转 自 由度 ． 共 ６个 自 由 度 。
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 ＭＧ９ ９ ５型 号 通 用 舵 机 ， 工 作 电压 是 ５ Ｖ， 转 速转 矩适 当 ， 舵角 不超 过 １ ８ ０ 。 ， 可 以 实 现
机 械 臂 转 动 角 度 的 灵 敏 控 制 以及 平 稳 运 动 。