基于Arduino的6自由度智能機(jī)械臂創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

摘要：智能機(jī)器人是我國(guó)“十三五”期間的重大科研方向和熱點(diǎn)應(yīng)用領(lǐng)域，在高等院校相關(guān)專業(yè)中，智能機(jī)器人方向的教學(xué)資源建設(shè)和教學(xué)改革實(shí)踐方興未艾。同時(shí)，智能機(jī)器人是較為典型的機(jī)械、電子和計(jì)算機(jī)等先進(jìn)技術(shù)結(jié)合的一體化系統(tǒng)，將其作為大學(xué)生工程教育和創(chuàng)新教育的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)非常適合。在眾多類型的機(jī)器人中，多自由度機(jī)械臂是市場(chǎng)應(yīng)用最為廣泛的一種智能機(jī)器人，由此，本文詳細(xì)論述了浙江師范大學(xué)數(shù)理與信息工程學(xué)院基于Arduino的6自由度智能機(jī)械臂的設(shè)計(jì)。教學(xué)實(shí)踐表明，該設(shè)計(jì)的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)具有較強(qiáng)的專業(yè)知識(shí)綜合性，較能調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，在培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新素養(yǎng)方面效果良好。

關(guān)鍵詞：智能機(jī)器人；6自由度機(jī)械臂；創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)；Arduino；創(chuàng)新能力

中圖分類號(hào)：G434 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 論文編號(hào)：1674-2117（2018）10-0099-03

引言

創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)[1]是高等院校在進(jìn)行工程教育和創(chuàng)新教育時(shí)，將理論知識(shí)、實(shí)踐技能和創(chuàng)新能力有機(jī)融合的高層次、綜合性教學(xué)手段。隨著近年來智能機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，以智能機(jī)器人開發(fā)或應(yīng)用為核心的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)成為熱點(diǎn)。[2]智能機(jī)器人是一種典型的融合了材料、機(jī)械、電子以及計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感技術(shù)、可編程控制和人工智能等先進(jìn)技術(shù)的一體化系統(tǒng)，與之相關(guān)的研究所涉及的學(xué)科多，應(yīng)用領(lǐng)域廣，是目前世界各國(guó)高校和研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行教學(xué)研究與工程訓(xùn)練的理想實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。[3]

在眾多類型的機(jī)器人中，多自由度機(jī)械臂[4]可完成碼垛、裝配、切削、焊接或噴涂等工業(yè)生產(chǎn)作業(yè)，是最為常見且應(yīng)用最廣泛的一種智能機(jī)器人，本文以我國(guó)目前市場(chǎng)占有率最高的ABB公司6自由度關(guān)節(jié)機(jī)械臂4600為參考對(duì)象（如圖1），首先基于D-H參數(shù)法進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析[5]，在建立參數(shù)模型后，采用通用模型套件設(shè)計(jì)了6自由度機(jī)械臂模型。模型控制系統(tǒng)采用Arduino控制器，通過編程控制多個(gè)舵機(jī)完成所需動(dòng)作序列。用于學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)時(shí)，以動(dòng)作序列編程為主，設(shè)計(jì)了上下料、拋光和噴涂三種基本動(dòng)作序列要學(xué)生編程實(shí)現(xiàn)，如果配合末端執(zhí)行器，可執(zhí)行夾取或裝配等更復(fù)雜動(dòng)作。

智能機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型及系統(tǒng)硬件

智能機(jī)器人利用控制系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃和實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)控制，其數(shù)學(xué)基礎(chǔ)是機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)，此類問題一直是機(jī)器人和人工智能領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)描述了機(jī)械運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)與機(jī)器人運(yùn)動(dòng)組件（如連桿等）的各剛體之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系。進(jìn)行機(jī)器人設(shè)計(jì)時(shí)，首先應(yīng)該對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，并建立參數(shù)模型。根據(jù)ABB 4600 6自由度機(jī)械臂的固有物理結(jié)構(gòu)，本文采用如圖2所示的D-H參數(shù)模型來描述機(jī)器人各個(gè)運(yùn)動(dòng)部件之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。

在圖2中，設(shè)連桿長(zhǎng)度為αi，連桿扭角αi表示垂直于公共法線所在平面內(nèi)兩軸的夾角，連桿距離di表示兩連桿的相對(duì)位置，關(guān)節(jié)角θi表示兩連桿法線的夾角。由此，可以用ai和αi來描述單個(gè)連桿，而用di和θi描述兩個(gè)連桿之間的關(guān)系。同時(shí)，連桿長(zhǎng)度ai、連桿扭角αi和連桿距離di均只與機(jī)器人物理結(jié)構(gòu)相關(guān)，可視為常量，具體定義見右下表。

為了使智能機(jī)器人創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建方便快速，筆者采用了目前流行的智能機(jī)械臂通用硬件，主要包括機(jī)械臂通用組件、舵機(jī)和Arduino控制器，具體如下：

（1）機(jī)械臂通用組件：這套組件的作用是組成機(jī)械臂各個(gè)位置的連桿，材質(zhì)為鋁合金，外觀如圖3所示。

（2）舵機(jī)：舵機(jī)驅(qū)動(dòng)連桿轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度，多個(gè)舵機(jī)協(xié)同作用，可以使機(jī)械臂做出各種動(dòng)作。本文選用的舵機(jī)如下頁圖4所示。

（3）Arduino控制器：Arduino是一個(gè)支持多個(gè)擴(kuò)展接口的開源硬件平臺(tái)。以Arduino為控制器的機(jī)器人擁有許多功能，如使機(jī)器人連接各類傳感器、驅(qū)動(dòng)不同類型的電動(dòng)機(jī)或存儲(chǔ)一組預(yù)定義動(dòng)作序列等。本文選用的型號(hào)是常見的Arduino UNO，如下頁圖5所示。

基于Arduino的智能機(jī)器人控制系統(tǒng)

機(jī)器人能夠順利執(zhí)行預(yù)先編輯好的各種動(dòng)作，依賴的是基于單片機(jī)或智能控制器的控制系統(tǒng)。本文選用最近流行的Arduino UNO控制器，其編程環(huán)境較為簡(jiǎn)單，且是開源系統(tǒng)，相關(guān)資源較多，擴(kuò)展性強(qiáng)，滿足創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)仿真需求。

本文的6自由度智能機(jī)器人共使用6路舵機(jī)，是較為典型的多路舵機(jī)控制案例。6個(gè)舵機(jī)都支持180度轉(zhuǎn)角，舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度是通過調(diào)節(jié)脈沖寬度調(diào)制（PWM）信號(hào)的占空比來實(shí)現(xiàn)的，標(biāo)準(zhǔn)PWM信號(hào)的周期固定為20ms（50Hz），脈寬在500us到2500us之間，脈寬和舵機(jī)的轉(zhuǎn)角0度～180度相對(duì)應(yīng)。所謂動(dòng)作序列的編輯，就是同時(shí)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，找出PWM脈寬和各個(gè)舵機(jī)轉(zhuǎn)角值（對(duì)應(yīng)著不同動(dòng)作）之間對(duì)應(yīng)的時(shí)序關(guān)系，并把這種時(shí)序關(guān)系存儲(chǔ)起來，當(dāng)需要機(jī)器人重復(fù)該動(dòng)作序列時(shí)，按照預(yù)先存儲(chǔ)好的時(shí)序驅(qū)動(dòng)各個(gè)舵機(jī)，完成動(dòng)作。

利用Arduino的編程環(huán)境，可以完成上述實(shí)驗(yàn)過程，學(xué)生在編程調(diào)試過程中，能夠更形象直觀地理解智能機(jī)器人控制系統(tǒng)的工作流程，較深入地將理論知識(shí)點(diǎn)與實(shí)踐結(jié)合起來，同時(shí)，編輯新的動(dòng)作序列也能較好地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。本文實(shí)驗(yàn)采用的編程軟件環(huán)境如圖6所示。

控制舵機(jī)角度等的范例程序如下：

pos1 = pos1+20；

servo1.write（pos1）；

delay （30）；

if（pos1>170）

{ pos1=170；

servo1.write（pos1）；}

每個(gè)不同的動(dòng)作序列都需要根據(jù)分解后的各個(gè)動(dòng)作設(shè)置對(duì)應(yīng)舵機(jī)的參數(shù)，并校正上面程序中的變量值，對(duì)于多個(gè)舵機(jī)而言還需考慮時(shí)延等情況。

綜上所述，從整個(gè)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的軟硬件以及實(shí)驗(yàn)的過程來看，本文的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)具有較強(qiáng)的綜合性，結(jié)合了智能機(jī)器人的控制與應(yīng)用，雖有難度，但也較好地調(diào)動(dòng)了學(xué)生的積極性。

結(jié)論

隨著智能機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，人們對(duì)機(jī)器人性能的要求越來越高，高速、高精度、智能和模塊化成為目前機(jī)器人發(fā)展的主要趨勢(shì)。而6自由度關(guān)節(jié)式智能機(jī)器人的操作空間大且結(jié)構(gòu)緊湊，所以它的應(yīng)用范圍最廣泛。本文選擇ABB公司的4600型機(jī)器人為研究對(duì)象，建立D-H參數(shù)模型，搭建了以Arduino控制器為核心的6自由度機(jī)械臂軟硬件系統(tǒng)，并將該系統(tǒng)作為創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，用于機(jī)器人實(shí)踐教學(xué)，取得了較好的教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：李知菲，男，講師，研究方向?yàn)橹悄軝C(jī)器人、虛擬現(xiàn)實(shí)與動(dòng)作捕捉。