摘要：機(jī)械手臂是自動(dòng)化制造流程中運(yùn)用的一種具備抓取和移動(dòng)工件功能的新型自動(dòng)化設(shè)備，屬于機(jī)械制造行業(yè)，是機(jī)械化和自動(dòng)化相結(jié)合的產(chǎn)物。近些年，由于電子科技的進(jìn)步，它有了飛速發(fā)展，因?yàn)樗膽?yīng)用領(lǐng)域廣闊，發(fā)展前景良好。故本人以此為課題做了一個(gè)循跡避障裝載機(jī)械臂的機(jī)器車。

循跡避障裝載機(jī)械臂的機(jī)器車，以Arduino為主控制板，能夠利用各類傳感器收集車周圍的環(huán)境信息，具備感知周圍環(huán)境情況的功能，能夠按照給定的命令完成相應(yīng)動(dòng)作。其中，紅外線感測器和超聲波感測器可以實(shí)現(xiàn)小車敏捷的循跡和避障，裝載的機(jī)械手臂可以引導(dǎo)手指精準(zhǔn)地抓住工件，并載運(yùn)到所需的位置上。

關(guān)鍵詞：Arduino微處理器;傳感器;循跡;避障;機(jī)械手臂

第一章 緒論

1.1 課題研究背景以及研究目的

1.1.1課題研究背景

機(jī)械手臂是機(jī)器人技術(shù)范疇中獲得最普遍利用的自動(dòng)化機(jī)械裝配，在產(chǎn)業(yè)制造、醫(yī)院治療、娛樂生活服務(wù)以及太空探究等領(lǐng)域都能可以看到它的身影。雖然它們的形態(tài)各不相同，但是它們都有一個(gè)共性，就是都能接納命令，并精準(zhǔn)地定位到三維上的某一點(diǎn)展開對應(yīng)的任務(wù)。

第一代的機(jī)器人是示教再現(xiàn)型機(jī)器，就是運(yùn)行開發(fā)人員提前準(zhǔn)備好的程序，無論外界環(huán)境情況怎么樣改變，都不會(huì)改變動(dòng)作。第二代的機(jī)器人是帶傳感器的機(jī)器人，能對外界情況的改變做出相應(yīng)的自身調(diào)解。第三代是智能型機(jī)器人，它可以操縱各類傳感器來獲得四周的環(huán)境情況，然后運(yùn)用智能技術(shù)進(jìn)行辨別、了解、推理，最終做出決定，能實(shí)現(xiàn)預(yù)定目的的高水平機(jī)器人。

現(xiàn)今，醫(yī)療機(jī)器人是國外機(jī)器人研究區(qū)域中最活躍融資最多的方向之一，各國研究人員開展基于遙控操縱的外科研究，用于培訓(xùn)和演練手術(shù)、剖解講授等。

1.1.2課題研究目的

裝載機(jī)械臂機(jī)器車能夠操縱各類傳感器收集四周的環(huán)境信息，具備感知周圍作業(yè)環(huán)境的功能，可以按照給定的指令完成與之相對應(yīng)行動(dòng)的綜合體。裝載機(jī)械臂機(jī)器車在產(chǎn)業(yè)制造、抗震救災(zāi)、娛樂生活服務(wù)等行業(yè)被廣泛的應(yīng)用。

在產(chǎn)業(yè)制造中，常常流水線上的工作還需要人來上下料，既費(fèi)時(shí)，又影響工作效率。它可用做零部件拼裝、原料工件的載運(yùn)、裝卸，相當(dāng)多是在自動(dòng)控制機(jī)床、組合機(jī)床上運(yùn)用更加廣泛，機(jī)械手臂能夠代替人類完成危險(xiǎn)，反復(fù)又死板的工作，減輕了人類勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率。

在抗震救災(zāi)方面，該小車可以深入到人類沒法到達(dá)的地區(qū)進(jìn)行采礦，輻射區(qū)進(jìn)行探測等。小車上裝載有無線攝像機(jī)，可以在第一時(shí)間內(nèi)傳送圖像到計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)進(jìn)行顯示，若有危險(xiǎn)可以第一時(shí)間實(shí)施搜救，從而大大提高了工作的效率。

1.2 課題研究現(xiàn)狀

1.2.1 國外研究現(xiàn)狀

機(jī)器人在產(chǎn)業(yè)發(fā)達(dá)的地區(qū)獲得了迅速發(fā)展。除日本外，世界上還有很多產(chǎn)業(yè)發(fā)達(dá)國家，如美國、前蘇聯(lián)的機(jī)器制造業(yè)也成長得非常迅速。雖然美國研發(fā)的機(jī)器人在數(shù)量上不如日本，但其技術(shù)水平占據(jù)上風(fēng)。國外的機(jī)械臂在機(jī)械制造行業(yè)運(yùn)用廣泛，成長也非?？??？梢杂米鰤毫C(jī)的上下料，點(diǎn)焊等，它可依照先前規(guī)定的作業(yè)規(guī)劃來完成相應(yīng)的操作。外地多個(gè)國家的機(jī)械臂的新趨勢是設(shè)計(jì)開發(fā)兼具某種智能化的機(jī)械臂。裝有的傳感器能接受外界條件轉(zhuǎn)變的信息，并且做出相應(yīng)的響應(yīng)。即使出現(xiàn)一些誤差，也能自行檢測，重點(diǎn)是鉆研視覺功能和觸覺功能，現(xiàn)已獲得一定的成就。

1.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

到現(xiàn)在，我國的機(jī)器人核心技術(shù)及其工程運(yùn)用的程度和國外比還有一定的差距。我國經(jīng)歷了十幾年的研發(fā)，現(xiàn)在在一些方面，如噴涂機(jī)器人、搬運(yùn)機(jī)器人、裝配機(jī)器人等，已經(jīng)掌握了機(jī)器人的設(shè)計(jì)制造，配套設(shè)備的主動(dòng)通信，調(diào)解控制技能。我國的機(jī)器人鉆研開發(fā)與利用已獲得了肯定的成績，可是總的看來，我國的機(jī)器智能和工程利用的程度和國外的相比較另有必然的差距，從智能機(jī)器的數(shù)目和技能上來看，我們就有必然的差距。國際競爭日趨劇烈，對機(jī)器人的需求越來越大，我國的智能機(jī)器產(chǎn)業(yè)將面對新的成長機(jī)遇和挑戰(zhàn)，因此我們必然要自主研發(fā)機(jī)器人高技能，處理生產(chǎn)前期的重要技術(shù)，努力推進(jìn)我國的機(jī)器人生產(chǎn)的進(jìn)程。

1.3課題研究意義

1.智能機(jī)器車，在很大程度上節(jié)省了勞動(dòng)力同時(shí)提高了效率。

2.隨著科學(xué)技術(shù)越來越發(fā)達(dá)，這種智能機(jī)器車在人類生活中會(huì)得到大規(guī)模的應(yīng)用，人類也需要智能機(jī)器車來解決的問題和難題越來越多。

1.4課題所作工作及文章結(jié)構(gòu)安排

1.4.1課題研究工作

本課題首先進(jìn)行需求分析，主要計(jì)劃機(jī)器車需要實(shí)現(xiàn)何功能，各功能之間如何串接等。在需求分析之后，組裝機(jī)器車及機(jī)械臂，其次實(shí)現(xiàn)機(jī)器車及機(jī)械臂的各個(gè)功能，最后再進(jìn)行各功能測試，通過測試找出不足，從而完善程序，優(yōu)化算法，充分讓用戶享受機(jī)器車成果。通過研究Arduino板的各個(gè)部件和接口，掌握Arduino編程一些常用的命令，函數(shù)等。

第二章 初識(shí)Arduino

2.1 什么是Arduino

Arduino，是一個(gè)開放原始碼的軟硬件平臺(tái)，組建于開放原始碼simple I/O介面版，而且具備類似C語言的開發(fā)環(huán)境。它包括兩個(gè)重要的部份：硬件部份是電路連接和Arduino開發(fā)板;軟件部份是計(jì)算機(jī)中的程序開發(fā)環(huán)境即Arduino IDE。在此環(huán)境中編輯程序代碼，接著將程序代碼上傳到Arduino電路板就好了。如下圖2.1所示[2]

重要引腳介紹：

Power 引腳：開發(fā)板可提供3.3V和5V兩種電壓輸出，Vin引腳可用來從外部電源為開發(fā)板供電。

Analog In引腳：此為模擬輸入引腳，Arduino開發(fā)板可以讀取外部模擬信號(hào)，其中A0～A5為模擬輸入引腳。

Digital 引腳：UNO R3具有14個(gè)數(shù)字I/O引腳，6個(gè)可用于PWM（脈寬調(diào)制）輸出。數(shù)字引腳用于讀取邏輯值（0或1）。

TX和RX引腳：TX（輸出）和RX（輸入）的兩個(gè)引腳用于串口通訊。

2.2 Arduino優(yōu)勢

Arduino不僅僅是全世界盛行的開源硬件，也是一個(gè)優(yōu)異的硬件開發(fā)平臺(tái)，更是在未來硬件開發(fā)的趨向。Arduino簡要的開發(fā)方式使得開發(fā)人員更有精力去重視創(chuàng)造性與實(shí)現(xiàn)，更加有效的完成自己的研究項(xiàng)目，很大程度上節(jié)省了學(xué)習(xí)的成本，收縮了開發(fā)的周期。Arduino優(yōu)勢眾多，在很多的開發(fā)平臺(tái)中占據(jù)上風(fēng)，而今越來越多的開發(fā)者使用Arduino來開發(fā)項(xiàng)目。

2.3 Arduino特征

主要特點(diǎn)如下：

1.共享源代碼的開放平臺(tái)，程序可自主下載，也可以按照個(gè)人需求去修改。

2.可以采取USB接口供電，也可以使用電池，無需外部電源?？梢院透鞣N傳感器連接。

3.利用Arduino開發(fā)，突破以前只能利用鼠標(biāo)和鍵盤輸入的設(shè)備，可以更簡單的達(dá)到互動(dòng)的效果。[2]

2.4 使用心得及注意事項(xiàng)

Arduino開發(fā)給我的最大的感受就是用起來方便、簡單。首先準(zhǔn)備arduino開發(fā)板和一些要用的驅(qū)動(dòng)和傳感器，按照規(guī)定安裝好。然后到官方網(wǎng)站下載arduino軟件并且解壓安裝，安裝此軟件主要是為了將程序開發(fā)代碼上傳到控制板中，軟件安裝也很簡單。其中最重要的一步就是配置端口，端口一定要配置正確否則上傳代碼的時(shí)候會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤從而導(dǎo)致代碼上傳不成功。

第三章 循跡避障裝載機(jī)械臂機(jī)器車的總體設(shè)計(jì)

3.1 硬件設(shè)計(jì)

3.1.1功能結(jié)構(gòu)

本小車的硬件部份分為如下幾個(gè)模塊：Arduino單片機(jī)、紅外線傳感器、超聲波傳感器、兩個(gè)直流電機(jī)、機(jī)械臂、車身等。機(jī)器車以Arduino單片機(jī)為中心，紅外線傳感器安放在車身前下端，用于機(jī)器車循跡。超聲波傳感器安裝在車身的最前端，用來探測前方是不是有障礙物。當(dāng)超聲波傳感器碰到障礙物，將反饋信息發(fā)送到開發(fā)板，機(jī)器車做出向左方向轉(zhuǎn)動(dòng)的響應(yīng)，再次檢測前方是不是有障礙物，如果有障礙物則繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，沒有障礙物則機(jī)器車前進(jìn)，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)機(jī)器車的避障作用。小車在行駛的過程中遇到障礙物，機(jī)械臂可以將其障礙物移開，如果發(fā)生意外機(jī)器車側(cè)翻了，機(jī)器車可以自動(dòng)恢復(fù)至原來的狀態(tài)。

3.1.2硬件系統(tǒng)框架圖

本系統(tǒng)以Arduino為主要控制器，由電源模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、循跡避障模塊、超聲波測距模塊、機(jī)械手臂模塊等組成。系統(tǒng)框架圖能直接的表現(xiàn)出小車具備哪些功能并且這些功能之間又如何的串接，所以設(shè)計(jì)的系統(tǒng)框架圖必不可少，系統(tǒng)框架圖如圖3.1所示。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

3.2.1 Arduino語言

Arduino用的是擴(kuò)展C語言，剛開始Arduino核心庫是利用C語言來編輯，后期引進(jìn)了面向?qū)ο蟮乃枷?，?dāng)下最新的Arduino核心庫采取C與C++聯(lián)合編程。

3.2.2 Arduino IDE

如圖3.2是運(yùn)行界面。Arduino語言是一種擴(kuò)展C語言。在軟件的界面里有我們編程時(shí)經(jīng)常使用的東西。當(dāng)我們把鼠標(biāo)放在功能圖標(biāo)上，旁邊就會(huì)出現(xiàn)該圖標(biāo)的功能。

Arduino IDE的菜單欄中有許多圖標(biāo)，例如"文件""編輯"等界面。在Arduino IDE中，每個(gè)Arduino程序都稱為sketch，他是一個(gè)可以上傳進(jìn)Arduino中的程序包。Tools里面第一項(xiàng)是調(diào)整格式，當(dāng)你的代碼不整齊放到sketch里面，會(huì)有一些縮進(jìn)的亂碼，這時(shí)Auto Format就起到了很好的作用。

第四章 硬件模塊

4.1各模塊的基本性能

4.1.1 單片機(jī)模塊

單片機(jī)是由運(yùn)算器、控制器、主要寄存器三個(gè)模塊組成的。Arduino實(shí)際上就是一個(gè)AVR單片機(jī)，如圖4.1所示，具備ISP下載功能。輸入電壓：接上電腦USB時(shí)不必外部供電，若是外部供電電壓在7V至12V。輸出電壓有兩種：5V 直流電壓輸出與3.3V 直流電壓輸出。

4.1.2 電機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

本設(shè)計(jì)采取雙極性管構(gòu)成的H橋電路（L298N）。利用單片機(jī)控制晶體管讓其工作在可以調(diào)節(jié)的狀態(tài)中，準(zhǔn)確調(diào)解電機(jī)轉(zhuǎn)速，這種電路效率很高。H橋電路能簡單的實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和方向的控制，電子開關(guān)的速率非?？欤€(wěn)定性也非常高。并且L298N有過電流保護(hù)功能，當(dāng)電機(jī)出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)，可以保護(hù)電路與電機(jī)。這種調(diào)速方法具備很多優(yōu)秀特征。從而選擇功率三極管作為功率放大器的輸出控制直流電機(jī)。

4.1.3 循跡模塊

小車?yán)萌齻€(gè)紅外探頭，分別安放在車前的左、中、右放向。利用紅外線對不一樣顏色的底面會(huì)產(chǎn)生的反射強(qiáng)度也不同的特征，在小車行駛的過程當(dāng)中不斷地向地面發(fā)射紅外光，當(dāng)該光線碰到白色地板時(shí)會(huì)產(chǎn)生反射，接著反射過來的光線會(huì)被小車上的接收器接收。如果遇到黑線時(shí)接收端接收不到紅外光。Arduino單片機(jī)就以是不是有光線反射回來作為根據(jù)來規(guī)劃小車的行走路線。

4.1.4 避障模塊

本設(shè)計(jì)采取超聲波測距模塊，可探測2厘米至400厘米的距離，測量準(zhǔn)確度可高達(dá)3毫米。

基本工作原理：采取IO口TRIG觸發(fā)測距，給出起碼10us的高電平。接著模塊會(huì)發(fā)送8個(gè)40k赫茲的方波，自主檢測是不是有信號(hào)返回;若有信號(hào)返回，則輸出一個(gè)高電平，高電平延續(xù)的時(shí)間就等于超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間。注：測試距離=[高電平延續(xù)時(shí)間*聲速（340M/S）]/2。

4.1.5 機(jī)械臂模塊

機(jī)械手臂是由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)三大部件構(gòu)成。手部實(shí)現(xiàn)各種轉(zhuǎn)動(dòng)、移動(dòng)或組合運(yùn)動(dòng)來進(jìn)行規(guī)定的動(dòng)作。控制系統(tǒng)是借助對機(jī)械手臂各個(gè)自由度的電機(jī)的控制，來實(shí)現(xiàn)規(guī)定的動(dòng)作，同一時(shí)間接收傳感器的反饋，組合成穩(wěn)固的閉環(huán)控制?？刂葡到y(tǒng)最重要的部分是anruino控制芯片，通過編程實(shí)現(xiàn)所需功能。

機(jī)械手臂的執(zhí)行機(jī)構(gòu)分為手部、手臂、軀干;

1、手部

手部安放在機(jī)械手臂的頭部。手臂的里面放置了傳動(dòng)軸，最后實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)、伸張手腕、張開合并手指等動(dòng)作。

手部類似人的手指，分為無關(guān)節(jié)、固定關(guān)節(jié)與自由關(guān)節(jié)3種?？梢园凑兆ト∥锛男螤詈痛笮⊙b備各種形狀和大小的手指以滿足操作的需要。當(dāng)中還有無手指的手部，一般都是真空吸盤和磁性吸盤兩種。

2、手臂

手臂的功能是指導(dǎo)手指正確地抓住所需的部件，并轉(zhuǎn)送到所需的位置上。為了機(jī)械手可以準(zhǔn)確的運(yùn)作，其手臂上的3個(gè)自由度全都需要精確地定位。

3、軀干是安裝手臂、動(dòng)力源和各種執(zhí)行機(jī)構(gòu)的支架。

第五章 軟件模塊

5.1 紅外線循跡模塊

1.功能實(shí)現(xiàn)

小車沿著黑線行駛。主要依據(jù)紅外線傳感器檢測地面上的黑色和白色。將小車放在黑色線上，小車前進(jìn)，當(dāng)左邊傳感器檢測到黑色時(shí)，小車往右轉(zhuǎn)彎行走;當(dāng)小車右邊的紅外線傳感器檢測到黑色時(shí)小車左轉(zhuǎn)行走。按照需求可以自己修改兩邊的紅外線傳感器的判斷來完成。

2.流程圖，如下圖5.1所示

5.2 超聲波避障模塊

1.功能實(shí)現(xiàn)。

超聲波傳感器先發(fā)送一個(gè)信號(hào)，在發(fā)射的同時(shí)開始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)，接收到聲波的時(shí)間就是超聲波從發(fā)射到接收的時(shí)間。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間t，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)與障礙物之間的距離（s），即：s=340t/2。

2.流程圖，如下圖5.2所示

5.3 機(jī)械臂模塊

5.3.1 行駛抓取

1.功能實(shí)現(xiàn)

此功能是在巡線與夾取的結(jié)合，在巡線的行走中，夾取擋路的物體。其實(shí)現(xiàn)的過程為小車在進(jìn)行巡線行走（巡線可參照前面的智能巡線功能），當(dāng)超聲波檢測到前方的物體到達(dá)設(shè)定值時(shí)則進(jìn)行夾取放在小車的一側(cè)。從而實(shí)現(xiàn)組合的功能。

2.流程圖，如下圖5.3所示

5.3.2 側(cè)翻恢復(fù)

1.功能實(shí)現(xiàn)

此功能主要添加了 ADXL345 傳感器進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)小車倒地時(shí)恢復(fù)成原始狀態(tài)。將 ADXL345 傳感器 x 軸往左，y 則往小車后進(jìn)行安裝。當(dāng)小車往左邊傾倒的時(shí)候，x 軸會(huì)減小，設(shè)定達(dá)到某個(gè)值時(shí)則認(rèn)為小車已經(jīng)倒地，則執(zhí)行向左支撐小車的動(dòng)作組;當(dāng)小車向右傾倒時(shí)，x 軸回增大，到達(dá)設(shè)定值則認(rèn)為小車往右傾倒，執(zhí)行向右支撐的動(dòng)作組。

2.流程圖，如下圖5.4所示

第六章 總結(jié)與展望

本文設(shè)計(jì)了循跡避障裝載機(jī)械臂的機(jī)器車，該機(jī)器車能夠運(yùn)用各類傳感器采集四周的環(huán)境信息，具備感知周圍環(huán)境的功能，能夠按照給定的指令實(shí)現(xiàn)規(guī)定動(dòng)作的綜合體。循跡避障裝載機(jī)械臂的機(jī)器車以Arduino為主控制板，L298N直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)，紅外線傳感器和超聲波傳感器結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器車的循跡和避障，裝載的機(jī)械手臂可以引導(dǎo)手部精確的抓住所需部件，并運(yùn)送到需要的位置上。

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，智能已成為高科技的熱門詞匯。智能機(jī)器人可以幫助人類解決許多人類無法解決或難以解決的問題。這種機(jī)器車在科學(xué)研究中也有廣泛的應(yīng)用前景。在現(xiàn)實(shí)中有許多危險(xiǎn)的地方是人們無法涉足的。此時(shí)，智能機(jī)器車可以投入使用。它配備了攝像頭來代替人們執(zhí)行許多人類無法完成的工作。智能機(jī)器車的應(yīng)用減小了人們的工作危險(xiǎn)系數(shù)，解決了惡劣環(huán)境下探測的需求，這項(xiàng)研發(fā)可謂是一舉多得。

在未來的社會(huì)生活中智能機(jī)器人也是大勢所趨，而智能機(jī)器車是智能機(jī)器人中一類必要的構(gòu)成部份。最近幾年發(fā)展也是非常快速，完成了一系列學(xué)科的創(chuàng)新研究，其研究成果可應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)院、太空等領(lǐng)域，在我們未來的工作與生活中，需要越來越多的機(jī)器人代替人來實(shí)現(xiàn)一些高難度的任務(wù)，機(jī)器人的需求也會(huì)越來越大。故機(jī)器人研發(fā)的前景是不可衡量的。

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致謝

本設(shè)計(jì)及學(xué)位論文是在我的導(dǎo)師沈老師和李老師的親切關(guān)懷和悉心指導(dǎo)下完成的。他嚴(yán)肅的科學(xué)態(tài)度，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)精神，精益求精的工作作風(fēng)，深深地感染和激勵(lì)著我。從課題的選擇到項(xiàng)目的最終完成，沈老師都始終給予我細(xì)心的指導(dǎo)和不懈的支持。八個(gè)多月以來，沈老師不僅在學(xué)業(yè)上給我以精心指導(dǎo)，同時(shí)還在思想、生活上給我以無微不至的關(guān)懷，在此謹(jǐn)向沈老師致以誠摯的謝意和崇高的敬意。在此，我還要特別感謝我的授課老師們，他們給予我很多的知識(shí)和很多做人的道理。

在論文即將完成之際，我的心情無法平靜，從開始進(jìn)入課題到論文的順利完成，有多少可敬的師長、同學(xué)、朋友給了我無言的幫助，在這里請接受我誠摯的謝意！

作者簡介：冶?。?995.08-），男，回族，青海省民和縣，本科?計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)。

指導(dǎo)教師：李娜，沈亮

基金項(xiàng)目：西北民族大學(xué)國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃資助項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：201910742057）

（作者單位：西北民族大學(xué)數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院）