基于Arduino的步進電機教學機械手

顧頔 韓鑫

摘 要：使用Arduino Uno開發板、6個步進電機、HC-05藍牙模塊等部件設計了用于教學的機械手及其控制系統。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6個自由度的運動。旨在為相關專業學生創造一多功能演示教具，可提高學生對機械手結構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生進行自主創新。

關鍵詞：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，尤其是機械技術和自動控制技術的發展，現代工業機器人逐漸取代了傳統的手工勞作，把我們從一些機械化的、重復性的勞動中解脫出來[1]。工業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，實現生產過程的自動化，大大提高了我們的生產效率。同時，Arduino作為開源系統，具有很多優點：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、擴展板或機械結構等結合起來，組成智能設備等，適合初學者使用。綜上所述，我們設計的這一演示教具希望能夠同時促進學生對于機械手和單片機的學習和掌握。

1 功能結構

該機械手主要用于教學示范用具，如圖1所示，意在向學生展示機械手的運動方式、控制方式、電路結構、軟件程序等。此次設計機械手具有以下功能。

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

（2）結構可以充分體現出機械領域的專業知識。

（3）作品美觀大方。在具有相應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，主要由3個轉動副組成，每個轉動副轉動范圍約為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定性，并且提供一定的力矩，故在各轉動副中加入一扭簧。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的推力，使得機械手指的力矩就作用在自身的轉動副上，而不是相鄰的指節或者根部的指節。繩索傳動依靠動力裝置牽引內部繩索的抽動，用繩索的抽動帶動指節的運動，可以在較為狹窄的地方提供較大的力。在各指關節中布置通孔，傳動繩索通過其中并固定，與動力元件相連，從而帶中各關節的運動。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，轉速小時穩定性較好，為了滿足此次設計的要求，采用電機驅動當中的步進電機驅動。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，根據輸入的脈沖信號確定內部勵磁線圈的狀態，使得轉子固定在與通電勵磁線圈相同的方向上，當輸入信號的狀態發生改變，則內部勵磁線圈的狀態亦發生改變轉子也轉到相應的方向，使得步進電機的輸出軸發生轉動，同時，若步進電機的輸入信號有規律的改變，則輸出軸也會按照預定的方向發生轉動，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，可以實現對步進電機輸出角度的精準控制。

2 電路系統

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

由于電機采用四相四拍驅動，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，研究人員本打算設計成相對的兩爪指節的驅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量的要求，簡化了設計要求。但是實際操作后發現，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個關節。由于每個關節由步進電機驅動，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芯片驅動。將電機與芯片相連后，芯片的4個輸入端就相對應于電機四相定子，只需按通電順序依次給通電，即可實現電機的轉動。

3 程序設計

Arduino語言是用C開發環境編寫的，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把一些相關的功能封存了起來，使得我們不需要去學習最基本的理論，而是直接使用它，大大降低了它的使用門檻，這樣一來，即使是非電學專業的學生，只要經過短暫的學習，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：數據接收、數據處理和脈沖輸出。

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

數據處理部分：根據接收到的信號進行運算，按運算結果調用正反轉程序，實現電機功能。

脈沖輸出部分：按照四相八拍通電方式按序設置對應引腳為高或低電平，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，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置。全部設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。

藍牙模塊設置完畢口，在手機端下載藍牙串口APP與其聯接。這樣就可以通過手機發送各種數據給藍牙模塊，達到通信控制功能。在后續實驗中，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，同時預留一定的修改、自由改動空間，有利于學生自主學習發揮[7-9]。

5 結語

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

參考文獻

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