顧頔 韓鑫

摘 要：使用Arduino Uno開發(fā)板、6個步進電機、HC-05藍牙模塊等部件設(shè)計了用于教學(xué)的機械手及其控制系統(tǒng)。該機械手能接收藍牙遙控器和PC機的命令，控制步進電機實現(xiàn)6個自由度的運動。旨在為相關(guān)專業(yè)學(xué)生創(chuàng)造一多功能演示教具，可提高學(xué)生對機械手結(jié)構(gòu)的了解并增強單片機運用方面的能力。同時該機械手的高度模塊化與柔性化也鼓勵學(xué)生進行自主創(chuàng)新。

關(guān)鍵詞：機械手 步進電機 Arduino 藍牙

中圖分類號：TP241 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2019）02（b）-0090-02

Abstract：Robots and control systems for teaching were designed using components such as the Arduino Uno development board， six stepper motors， and the HC-05 Bluetooth module. The robot can receive commands from the Bluetooth remote control and the PC， then control the stepper motor to achieve 6 degrees of freedom of motion.We aim to create a multi-functional presentation aid for relevant students， which can improve students' understanding of the structure of the robot and enhance the ability of the microcontroller.At the same time， the robot's high degree of modularity and flexibility also encourages students to innovate independently.

Key Words： Robot； Step motor； Arduino； Bluetooth

隨著社會的不斷進步，尤其是機械技術(shù)和自動控制技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代工業(yè)機器人逐漸取代了傳統(tǒng)的手工勞作，把我們從一些機械化的、重復(fù)性的勞動中解脫出來[1]。工業(yè)機器人可以直接接受人們的指令，也可以按照程序方程式自動運行，實現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動化，大大提高了我們的生產(chǎn)效率。同時，Arduino作為開源系統(tǒng)，具有很多優(yōu)點：源代碼和電路原理圖開放，程序接口可以免費下載；易于與其他電子元件、傳感器、擴展板或機械結(jié)構(gòu)等結(jié)合起來，組成智能設(shè)備等，適合初學(xué)者使用。綜上所述，我們設(shè)計的這一演示教具希望能夠同時促進學(xué)生對于機械手和單片機的學(xué)習和掌握。

1 功能結(jié)構(gòu)

該機械手主要用于教學(xué)示范用具，如圖1所示，意在向?qū)W生展示機械手的運動方式、控制方式、電路結(jié)構(gòu)、軟件程序等。此次設(shè)計機械手具有以下功能。

（1）可以實現(xiàn)實現(xiàn)手爪的張開、合并、抓取物體、捏和握等基本動作，達到基本的要求。

（2）結(jié)構(gòu)可以充分體現(xiàn)出機械領(lǐng)域的專業(yè)知識。

（3）作品美觀大方。在具有相應(yīng)功能的同時還具有一定的觀賞價值和娛樂價值。

模型選擇3D打印制造，既方便快捷，也便于同學(xué)們DIY各式零部件進行替換。一根機械手爪可視作三連桿機構(gòu)，主要由3個轉(zhuǎn)動副組成，每個轉(zhuǎn)動副轉(zhuǎn)動范圍約為90°。為了保證機械手運行流暢，能夠保證工作在各個位置時的穩(wěn)定性，并且提供一定的力矩，故在各轉(zhuǎn)動副中加入一扭簧。采用的傳動方式是機械傳動中的繩索傳動。繩索傳動最大的特點是在給對象施加拉力的同時，可以給一個固定的位置一個相應(yīng)的推力，使得機械手指的力矩就作用在自身的轉(zhuǎn)動副上，而不是相鄰的指節(jié)或者根部的指節(jié)。繩索傳動依靠動力裝置牽引內(nèi)部繩索的抽動，用繩索的抽動帶動指節(jié)的運動，可以在較為狹窄的地方提供較大的力。在各指關(guān)節(jié)中布置通孔，傳動繩索通過其中并固定，與動力元件相連，從而帶中各關(guān)節(jié)的運動。為了保證傳動部分不受干擾，故繩索布置在機械手內(nèi)部，同時動力裝置適當遠離機械手，從而保證可靠性[2]。

由于機械手承受載荷較小，轉(zhuǎn)速小時穩(wěn)定性較好，為了滿足此次設(shè)計的要求，采用電機驅(qū)動當中的步進電機驅(qū)動。步進電機是一種常用的控制電機，又稱為階躍電動機或者是脈沖電動機。它的基本工作原理是，根據(jù)輸入的脈沖信號確定內(nèi)部勵磁線圈的狀態(tài)，使得轉(zhuǎn)子固定在與通電勵磁線圈相同的方向上，當輸入信號的狀態(tài)發(fā)生改變，則內(nèi)部勵磁線圈的狀態(tài)亦發(fā)生改變轉(zhuǎn)子也轉(zhuǎn)到相應(yīng)的方向，使得步進電機的輸出軸發(fā)生轉(zhuǎn)動，同時，若步進電機的輸入信號有規(guī)律的改變，則輸出軸也會按照預(yù)定的方向發(fā)生轉(zhuǎn)動，是一種較為理想的控制電機[3]。通過控制步進電機輸入脈沖，可以實現(xiàn)對步進電機輸出角度的精準控制。

2 電路系統(tǒng)

為控制步進電機按要求進行轉(zhuǎn)動，此次實驗選擇將步進電機位置的模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，通過加減控制字，從而控制步進電機轉(zhuǎn)動，最終達到預(yù)定位置。每次得電時電機的位置初值設(shè)為4096，轉(zhuǎn)動時控制字改變量為16，電機轉(zhuǎn)動。計算過程如下。

由于電機采用四相四拍驅(qū)動，步距角為5.625°/64，控制字每改變1，電機得到整個周期4個脈沖。

由于機械手呈完全對稱性，研究人員本打算設(shè)計成相對的兩爪指節(jié)的驅(qū)動電機由同一輸出口控制，這樣既能保證機械手工作時的一致性，也減少了對輸出口數(shù)量的要求，簡化了設(shè)計要求。但是實際操作后發(fā)現(xiàn)，由于誤差累積，很難保證機械手的對稱性，故此最終還是選擇分別控制6個關(guān)節(jié)。由于每個關(guān)節(jié)由步進電機驅(qū)動，需4個輸入端口，共計24個輸入端口，而Arduino板IO端口不足，故需通過74hc238譯碼器進行IO端擴展。

此次實驗采用的步進電機為四相電機，由于端口電壓不足需通過ULN 2003芯片驅(qū)動。將電機與芯片相連后，芯片的4個輸入端就相對應(yīng)于電機四相定子，只需按通電順序依次給通電，即可實現(xiàn)電機的轉(zhuǎn)動。

3 程序設(shè)計

Arduino語言是用C開發(fā)環(huán)境編寫的，從根本上來講，它就是一些基本的C語言。Arduino語言之所以受歡迎的原因在于它通過函數(shù)把一些相關(guān)的功能封存了起來，使得我們不需要去學(xué)習最基本的理論，而是直接使用它，大大降低了它的使用門檻，這樣一來，即使是非電學(xué)專業(yè)的學(xué)生，只要經(jīng)過短暫的學(xué)習，也可以利用它制作一些有趣的小玩意。

總體的功能分為3部分：數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)處理和脈沖輸出。

數(shù)據(jù)接受部分：利用手機藍牙發(fā)送控制信號。使用Serial.available（）指令可接收和判斷手機發(fā)送的信號，因此需要首先規(guī)定輸出的各種信號對應(yīng)的功能。在此，選擇十六進制數(shù)0-B分別對應(yīng)6個電機的正反轉(zhuǎn)，以此為依據(jù)編寫控制程序，并在手機端預(yù)先設(shè)置開關(guān)和備注名稱。

數(shù)據(jù)處理部分：根據(jù)接收到的信號進行運算，按運算結(jié)果調(diào)用正反轉(zhuǎn)程序，實現(xiàn)電機功能。

脈沖輸出部分：按照四相八拍通電方式按序設(shè)置對應(yīng)引腳為高或低電平，每個脈沖輸出時間為2ms[4-6]。

4 控制軟件

由于藍牙通訊在短距離交換是較為穩(wěn)定，同時擁有較為成熟的接收模塊，所以控制部分主要選擇依靠藍牙遙控實現(xiàn)，具體如下。

在使用該模塊前，需按要求先進入AT模式對其進行初始化設(shè)置。全部設(shè)置完畢后再次通斷電，藍牙模塊指示燈快速閃爍，表示模塊進入正常工作狀態(tài)。

藍牙模塊設(shè)置完畢口，在手機端下載藍牙串口APP與其聯(lián)接。這樣就可以通過手機發(fā)送各種數(shù)據(jù)給藍牙模塊，達到通信控制功能。在后續(xù)實驗中，為避免占用電機IO口，藍牙模塊TXD，RXD接腳分別接Arduino板0，1口；需要注意的是，上傳程序時，需先將此接線斷開，避免占用導(dǎo)致上傳失敗。程序上傳完畢后，再將此接線連上藍牙才能正常工作。在藍牙部分，我們還加入更多模塊化功能，同時預(yù)留一定的修改、自由改動空間，有利于學(xué)生自主學(xué)習發(fā)揮[7-9]。

5 結(jié)語

該文主要描述了一種基于Arduino的演示教學(xué)機械手設(shè)計方案。該機械手主要優(yōu)點在于模塊化、柔性程度較高，便于學(xué)生在掌握基礎(chǔ)的情況下自主進行多樣化設(shè)計。該文基于科研訓(xùn)練項目，在創(chuàng)作過程中我們本身也受益匪淺。

參考文獻

[1] 劉廣明.PRRR機械手機構(gòu)分析及運動實現(xiàn)的研究[D].沈陽工業(yè)大學(xué)，2013.

[2] 許洪基.現(xiàn)代機械傳動手冊[D].北京：中國標準出版社，1997.

[3] 楊繼志，郭敬.Arduino的互動產(chǎn)品平臺創(chuàng)新設(shè)計[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2012，12（4）：39-41.

[4] 孫宏偉，肖正洪.開源硬件Arduino UNO的原理與應(yīng)用[J].新校園，2013（9）：45.

[5] 付久強.基于Arduino平臺的智能硬件設(shè)計研究[J].包裝工程，2015（10）：76-79.

[6] 李明亮.Arduino項目DIY[M].北京：清華大學(xué)出版社，2014.

[7] 蔡睿妍.Arduino的原理及應(yīng)用[J].電子設(shè)計工程，2012，20（16）：155-157.

[8] Oxer， Jonathan. Practical Arduino [M].Berkeley， CA ： Apress，2010.

[9] Evans，Brian.Beginning Arduino Programming[M].Berkeley， CA：Apress，2011.