基于Arduino紅外控制的智能機(jī)械手的設(shè)計(jì)

摘 要：本文介紹了一種基于Arduino紅外控制的智能機(jī)械手的設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)主要面向兒童，通過智能機(jī)械手的多功能來吸引兒童的注意力。本設(shè)計(jì)方案中包括機(jī)械手，Arduino Uno開發(fā)板，I2C LCD1602顯示屏，驅(qū)動(dòng)手指舵機(jī)、紅外接收模塊，紅外遙控器，電源等。通過Arduino的紅外控制功能，借助紅外遙控器向Arduino發(fā)送信號(hào)，再利用Arduino對(duì)舵機(jī)發(fā)送PWM信號(hào)，來控制舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)而控制智能機(jī)械手的手指彎曲程度，做出不同的手勢，完成不同的功能，同時(shí)在LCD1602顯示屏上可以顯示當(dāng)前智能機(jī)械手執(zhí)行的功能。

關(guān)鍵詞：紅外線；Arduino控制；智能機(jī)械手

Abstract：This paper introduces the design of an intelligent manipulator based on Arduino infrared control.The design is mainly aimed at children.It attracts children's attention through the multi-function of the intelligent manipulator.This design includes manipulator，Arduino Uno core development board，I2C LCD1602 LCD display，driving finger steering module，infrared receiving module，infrared remote controller，power module and so on.Through the infrared control function of Arduino，the infrared remote controller sends signals to Arduino，and then uses Arduino circuit board to send PWM signals to the actuator to control the rotation angle of the actuator，and then to control the bending degree of the fingers of the intelligent manipulator，so as to make different gestures and implement different functions.At the same time，the current functions of the intelligent manipulator can be displayed on the LCD1602 display screen.

Key words：infrared light；Arduino control；The intelligent manipulator

1 概述

現(xiàn)如今大多數(shù)的玩具智能手智能化程度較高，雖然功能強(qiáng)大但也避免不了智能手本身結(jié)構(gòu)易損壞，不易于裝配，銷售價(jià)格昂貴等缺點(diǎn)。

本文所介紹的智能機(jī)械手是機(jī)電一體化的充分體現(xiàn)，將機(jī)械上對(duì)智能手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和電子設(shè)計(jì)上利用Arduino芯片的紅外控制功能模塊的完美結(jié)合。借助Arduino的紅外控制功能，利用遙控器上的按鍵對(duì)智能機(jī)械手的功能進(jìn)行選擇與實(shí)現(xiàn)，即不易損壞，易于裝配且銷售價(jià)格低，便于維修。

2 硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

本文介紹了一種基于arduino紅外控制的智能機(jī)械手的設(shè)計(jì)方案，智能機(jī)械手分為機(jī)械手和Arduino控制模塊兩大部分

智能機(jī)械手分為手掌和五個(gè)機(jī)械手指，每個(gè)機(jī)械手指有三個(gè)自由度，三個(gè)活動(dòng)關(guān)節(jié)。

Arduino控制模塊是利用Arduino對(duì)機(jī)械手實(shí)現(xiàn)多功能控制，包括Arduino Uno核心開發(fā)板，I2C LCD1602液晶顯示屏，驅(qū)動(dòng)手指舵機(jī)模塊、紅外接受模塊，紅外遙控器，電源模塊等。

2.1 Arduino Uno核心開發(fā)板

Arduino Uno開發(fā)板是智能手工作的核心，以采用的微處理器是ATmega328[1].并包括14路數(shù)字輸入輸出IO引腳，6個(gè)模擬輸入IO，16MHZ陶瓷諧振器，USB接口，電源接口，ICSP接頭，復(fù)位按鈕等[2]，可以采用ATmega328芯片進(jìn)行USB到串行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。

2.2 I2C LCD1602液晶顯示屏

LCD1602是一種專門用來顯示字母、數(shù)字、符號(hào)等的點(diǎn)陣型液晶模塊，其優(yōu)點(diǎn)是控制簡單，性價(jià)比高，但由于其引腳占用過多所以通過PCF8574T轉(zhuǎn)接板與Arduino板相連。通過此種方式，可以大大節(jié)省Arduino的IO口，PCF8574T轉(zhuǎn)接板除了VCC和GND接口外，僅使用兩個(gè)雙向漏極開線路，串行數(shù)據(jù)線（SDA）和串行時(shí)鐘線（SCL），通過電阻上拉。本系統(tǒng)中LCD1602顯示屏用于顯示當(dāng)前智能手所執(zhí)行的功能，在遙控器指令發(fā)出后，顯示屏上顯示當(dāng)前功能。

2.3 驅(qū)動(dòng)舵機(jī)模塊

驅(qū)動(dòng)舵機(jī)采用SG90舵機(jī)，工作電壓為3.5V到6V，無負(fù)載操作速度為0.12/60度（4.8V），0.10/60度（6V），扭矩為16KG.cm（4.8V），其內(nèi)部包括外殼，直流電機(jī)，齒輪和位置測試。

2.4 紅外接收模塊及紅外發(fā)射遙控器

紅外接收頭采用HX1838B，工作電壓為2V到5.5V，工作頻率為38KHZ，接受距離為22m，接受角度為正負(fù)45度，主要功能為IC化的一種受光元件，其內(nèi)部是將光電二極管和集成IC共同組成，一般只接受38KHZ的紅外線，這樣子遙控器可以發(fā)出特定的38KHZ的頻率，從而完成發(fā)射接收，構(gòu)成通訊。而后通過紅外發(fā)射遙控器的不同按鍵來實(shí)現(xiàn)智能手的不同功能。

2.5 電源模塊

電池采用 9V 方形碳性電池。或者可以通過PC端利用USB傳輸線進(jìn)行程序燒寫和供電。

3 控制流程及算法的設(shè)計(jì)

3.1 紅外的發(fā)送與接收

本設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)的紅外通信協(xié)議為NEC協(xié)議，NEC編碼協(xié)議是紅外遙控通信協(xié)議的一種，利用NEC編碼來定義遙控器上每個(gè)按鍵的命令碼，在按鍵按下時(shí)紅外遙控器會(huì)將命令碼以紅外線的形式傳輸給紅外接收頭HX1838B，實(shí)現(xiàn)電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)再轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再將電信號(hào)傳輸給Arduino開發(fā)板。利用遙控器上的CH-鍵測試遙控器是否與Arduino板構(gòu)成通訊，利用遙控器的每一個(gè)數(shù)字鍵對(duì)應(yīng)智能機(jī)械手的每一個(gè)功能，具體功能數(shù)暫定為6個(gè)。

3.2 Arduino對(duì)舵機(jī)的控制

Arduino開發(fā)板在接收電信號(hào)后，再依據(jù)程序判斷按鍵來選擇特定的舵機(jī)控制程序，通過利用Arduino電路板對(duì)舵機(jī)發(fā)送PWM信號(hào)，然后由電路板上的IC處理信號(hào)以計(jì)算旋轉(zhuǎn)方向來驅(qū)動(dòng)舵機(jī)內(nèi)部電機(jī)，并通過驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過齒輪將角度傳遞至擺臂，控制擺臂的旋轉(zhuǎn)角度來控制智能手手指的彎曲角度。

3.3 LCD1602對(duì)功能的顯示

在Arduino對(duì)舵機(jī)的控制的同時(shí)，也對(duì)LCD1602輸出信號(hào)在顯示屏上顯示當(dāng)前功能。

主體控制程序如下

#include//引入紅外通訊庫文件

#include //引入舵機(jī)庫文件

#include//引入功能1到6的庫文件

#include

#include

#include

#include

#include

#include //引入LCD顯示屏庫文件

#include

Servo myservo1//定義五個(gè)驅(qū)動(dòng)舵機(jī)

Servo myservo2

Servo myservo3

Servo myservo4

Servo myservo5

LiquidCrystal_I2C lcd（0x27，16，1）；

const int irReceiverPin =7；//定義紅外數(shù)據(jù)的接受引腳7

IRrecv irrecv（irReceiverPin）；

decode_results results；

void setup（）

{pinMode（ledPin，OUTPUT）；

Serial.begin（9600）；//定義波特率

irrecv.enableIRIn（）；

myservo1.attach（8）；//定義舵機(jī)的輸出接口

myservo2.attach（9）；

myservo3.attach（10）；

myservo4.attach（11）；

myservo5.attach（12）；

myservo1.write（0）；//回到0角度

myservo2.write（0）；

myservo3.write（0）；

myservo4.write（0）；

myservo5.write（0）；

delay（1000）；

lcd.init（）；

lcd.backlight（）；//打開LCD尾燈

}

void loop（）

{if（irrecv.decode（&results））

{ Serial.print（"irCode："）；

Serial.print（results.value，HEX）；

Serial.print（"，bits："）；

Serial.println（results.bits）；

irrecv.resume（）；

}

delay（600）；

if（results.value == 0xFF30CF）//如果接收的編碼為0xFF30CF

{Functon1（）}

else if（results.value == 0xFF18E7）

{Functon2（）}

else if（results.value == 0xFF7A85）

{Functon3（）}

else if（results.value == 0XFF10EF）

{Functon4（）}

else if（results.value == 0xFF38C7）

{Functon5（）}

else if（results.value == 0xFF5AA5）

{Functon6（）}

}

}

4 結(jié)論

一種基于 Arduino 紅外控制五指靈巧手的方案，完成了紅外遙控器遠(yuǎn)程遙控五指機(jī)械手的多功能實(shí)現(xiàn)，例如：可抓取規(guī)則形物體，正方體，長方體，球體等，也可以實(shí)現(xiàn)多種手勢，數(shù)數(shù)字，OK等，在執(zhí)行功能是在顯示屏上可顯示功能名稱，避免混亂。在以后的研究中可以在智能手上添加更多的功能，例如手部安全反饋系統(tǒng)，更復(fù)雜的手指舞等，值得我進(jìn)一步研究與學(xué)習(xí)。

參考文獻(xiàn)：

[1]桂淮濛.基于Arduino的電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì).2018.09.18.

[2]李紅淵.基于Arduino語音控制的五指靈巧手.

作者簡介：劉景銘（1998-），男，漢族，遼寧鞍山人，沈陽工業(yè)大學(xué)在讀本科生，研究方向：控制工程。