基于Arduino單片機模擬搜救其系統的設計與實現

姚昕

設計一款基于Arduino單片機的機械臂，通過Arduino單片機實現對機械臂舵機系統的運動控制，使其完成不同位置的抓取動作。本文首先從實際角度分析機械臂技術在直升機搜救中的應用，隨后基于實際情況探究模擬機械臂的控制方案，之后介紹了基于Arduino單片機六自由度機械臂的硬件結構和系統軟件設計。在實際應用情況下，則是將其吊裝在直升機模型下，用于參加全國航空航天模型錦標賽中的模擬直升機空中搜救。

【關鍵詞】Arduino 六自由度機械臂 舵機 系統軟件

面對近年來災后癱瘓的交通運輸條件，直升機空中搜救成為了更有效的措施。尤其是在近年國內的地震救災中，因地震導致地面路況嚴重損壞，在搶救的黃金時間段內只有通過空中投降救援才能爭取到更多的時間，從而挽救更多災區人民的寶貴生命。這也自然對空中救援技術提出了更高的要求。在多數復雜環境的情況下，由于視野受限，空中救援技術對目標物的識別和抓取精度提出了很高的要求。在此項目中，我們利用各色小球來充當不同目標物，通過圖傳和程序控制實現對目標物的精確抓取，通過顏色識別模塊進行目標物抓取的二次確認。這需要對機械臂上多個舵機同時協調控制的系統中，Arduino單片機可以很好的實現對多個串聯舵機轉動角度的精確控制，方法簡單，為機械臂的運動控制提供了新方式。

1 機械臂的設計與控制方案

1.1 結構設計-串聯多關節機械臂

目前，主流的機器人機構主要分為執行機構和走行機構，其中執行機構也就是操作機，按其裝配型式可以將其分為串聯結構和并聯結構。針對此項目的結構設計，考慮到真實搜救時空間可能受限這點，采用的是關節型機器人，關節型機器人是模擬人的上臂結構而構成的，由于人的手臂在一定的空間內有很大的靈活度，同時結構緊湊，占用空間體積也較小，符合空間上要求，因此關節型機器人為最佳選擇。在圖1中，為保證機械臂有6個空間的自由度，其受控關節數目最少為6，且均為轉動型關節，其中1、4、6為扭轉關節，2、3、5為彎曲關節。除此以外，多關節機械臂還具有以下優點，其運動慣量較小，在機械臂動作時對吊裝它的飛行器飛行姿態影響較小，飛行器可以保持穩定姿態。同時，多關節機械臂還可以實現越過目標物與機械臂之間的障礙物實現目標物的抓取。

1.2 控制方案

為確定機械臂的控制方案，首先需要確定機械臂的建模。由于為模擬救援機械臂，因此機械臂的長度較小，關節處的誤差對結構末端的運動影響較小，關節連接處可近似認為是剛性關節，忽略機械臂運動時由于震動對關節處帶來的影響。由于忽略其結構和關節點的形變，可利用D-H表示法，應用質心動量矩定理可以寫出機械臂的運動學方程，即把每個關節當作一個剛體處理，為每個關節建立一個參考坐標系，根據基本變換推導得到下一個關節的姿態位置，以此往下推導，最后可確定最后一節手臂的運動姿態、位置。之后可利用ADAMS模擬機械臂的運動，確定該機械臂在指定工作條件下的運動軌跡。

機械臂的控制部分采用的是Arduino對串聯機械臂的6個舵機進行協調控制。本控制系統的直接控制對象是驅動機械臂的舵機，控制舵機的信號是一種占空比可調的PWM波。目前可靠的PWM波生成有三種方案，第一種為采用模擬電路實現，該電路原理簡單，但PWM波形脈寬難調，且波形不準，不適用于抓取目標物。第二種為FPGA，該電路具有強大的編程能力和運算能力并且能夠完成數據的并行處理，能夠產生高精度的PWM波，但電路復雜，編程困難，研發成本較高。第三種即為單片機控制方案，由單片機控制的電路精度較高，體積較小且編程靈活，簡潔，符合此次設計的要求。如圖2所示。

2 硬件結構

2.1 Arduino Leonard單片機

ArduinoLeonard單片機的處理器核心為ATmega32u4，同時20路數字輸入/輸出口，其中7路作為PWM輸出，12路模擬輸入。

其工作電壓為5V，每一路輸出和輸入的最大電流為40mA且每一路內部配置了20～50K的上拉電阻。此次電路中脈寬PWM輸出提供6路8位的PWM調制波形。Mega32u4內置UART可以通過數字0（Rx）和1（Tx）實現與外部的數據通信。如圖3所示。

2.2 舵機

舵機為一種伺服控制系統，可以通過程序控制其連續轉過一定角度，因此適用于需要實現角度旋轉的各類關節運動中。由于舵機具有體積小，力矩大，外部機械設計簡單且控制精度高，因此適用于機械臂的扭轉和彎曲關節控制系統中。

舵機通過信號線接受PWM脈寬信號控制電機轉動，電機帶動變速齒輪組轉動，經過齒輪組減速后傳動至舵盤，舵盤轉至相應的角度，由此帶動機械臂的扭轉或彎曲，實現目標物的抓取，如圖4所示。

2.3 TCS230顏色傳感器

TCS230 是 TAOS公司推出的一款可編程彩色光到頻率的轉換器。它把可配置的硅光電二極管與電流頻率轉換器集成在一個單一的CMOS電路上，同時在單一芯片上還集成了紅綠藍（RGB）三種濾光器。該傳感器具有分辨率高，可編程的顏色選擇與輸出定標，單電源供電等特點，輸出為數字量，可直接與MCU連接，如圖5所示。

機械臂開始抓取目標時，要先對TCS230進行白平衡的調整。在完成白平衡后， TCS230根據所接收到的波長不同來識別判斷顏色，判斷目標物的抓取是否為真。

3 軟件設計

3.1 機械臂運動控制

首先在開發環境中，調用一個代碼庫，之后創建和定義一個舵機項目用以操控舵機。開始確定電位計位置，將電位計的位置通過模擬輸入接口引入單片機，讀取其電壓值確定初始舵機轉角。之后將一顆舵機連接至1號PWM輸出口。之后從控制器讀取運動指令并轉化為電壓值，通過map函數將電壓值轉化為所需要旋轉的角度，將信息通過PWM輸出口輸出給舵機控制其轉動，之后延時20s，等待舵機旋轉至指定位置。

3.2 機械抓的運動控制

在開發環境中，調用舵機庫。之后創建控制對象，定義機械抓上控制抓取的舵機并輸入初始角度，將9號PWM輸出口分配給機械爪上的舵機。之后輸出信號控制舵機從10°逐漸張開至120°，每次增加5°，之后延遲15s等舵機運動到指定位置，之后從引腳輸出信號，控制舵機從120°回復到初始位置10°，每次減小5°。機械爪完成抓取動作。

3.3 機械臂控制精度和抓取精度實現

機械臂的精度控制通過固定在機械臂上的電位計實現，當舵機接受到單片機指令動作后，轉過一定行程，電位計檢測轉過的角度并將其轉換為電壓信號回傳給單片機檢測并作出相應的調整。同時，為確保其運動精度，該機械臂的動作速度較慢，預留其動作時間在10～20S，確保其運動慣性較小，可以實現舵機的平穩控制。經試驗測試，當機械臂未加裝反饋電位計時，當抓取重量較大的重物時，停止動作后會產生明顯的沉頭和抖動現象，加裝電位計后，現象取得明顯改善。另外，為確保機械手抓取正確目標物，在機械手處加裝了顏色識別模塊，當抓取物體后，通過串口來選擇顏色種類的通道，再由于不同顏色對應不同的時間，從而確定不同的顏色來進行顏色判斷，若顏色不正確，會自動打開控制機械手的舵機。

4 總結

經過參數的模擬和平臺的搭建，以及硬件上的結構分析和軟件上的編程，我們最終確定基于Arduino單片機的6自由度串聯式機械臂的可行性，以及其控制的可靠性和精度。通過在實際的實驗中，確保了由Arduino單片機控制的機械臂在實際應用中的可實施性。

參考文獻

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作者單位

中國民航大學 天津市 300300