基于Arduino開發循跡避障裝載機械臂機器車的研究

摘要：機械手臂是自動化制造流程中運用的一種具備抓取和移動工件功能的新型自動化設備，屬于機械制造行業，是機械化和自動化相結合的產物。近些年，由于電子科技的進步，它有了飛速發展，因為它的應用領域廣闊，發展前景良好。故本人以此為課題做了一個循跡避障裝載機械臂的機器車。

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

關鍵詞：Arduino微處理器;傳感器;循跡;避障;機械手臂

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

機械手臂是機器人技術范疇中獲得最普遍利用的自動化機械裝配，在產業制造、醫院治療、娛樂生活服務以及太空探究等領域都能可以看到它的身影。雖然它們的形態各不相同，但是它們都有一個共性，就是都能接納命令，并精準地定位到三維上的某一點展開對應的任務。

第一代的機器人是示教再現型機器，就是運行開發人員提前準備好的程序，無論外界環境情況怎么樣改變，都不會改變動作。第二代的機器人是帶傳感器的機器人，能對外界情況的改變做出相應的自身調解。第三代是智能型機器人，它可以操縱各類傳感器來獲得四周的環境情況，然后運用智能技術進行辨別、了解、推理，最終做出決定，能實現預定目的的高水平機器人。

現今，醫療機器人是國外機器人研究區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，用于培訓和演練手術、剖解講授等。

1.1.2課題研究目的

裝載機械臂機器車能夠操縱各類傳感器收集四周的環境信息，具備感知周圍作業環境的功能，可以按照給定的指令完成與之相對應行動的綜合體。裝載機械臂機器車在產業制造、抗震救災、娛樂生活服務等行業被廣泛的應用。

在產業制造中，常常流水線上的工作還需要人來上下料，既費時，又影響工作效率。它可用做零部件拼裝、原料工件的載運、裝卸，相當多是在自動控制機床、組合機床上運用更加廣泛，機械手臂能夠代替人類完成危險，反復又死板的工作，減輕了人類勞動強度，提高了勞動生產率。

在抗震救災方面，該小車可以深入到人類沒法到達的地區進行采礦，輻射區進行探測等。小車上裝載有無線攝像機，可以在第一時間內傳送圖像到計算機，計算機進行顯示，若有危險可以第一時間實施搜救，從而大大提高了工作的效率。

1.2 課題研究現狀

1.2.1 國外研究現狀

機器人在產業發達的地區獲得了迅速發展。除日本外，世界上還有很多產業發達國家，如美國、前蘇聯的機器制造業也成長得非常迅速。雖然美國研發的機器人在數量上不如日本，但其技術水平占據上風。國外的機械臂在機械制造行業運用廣泛，成長也非常快。可以用做壓力機的上下料，點焊等，它可依照先前規定的作業規劃來完成相應的操作。外地多個國家的機械臂的新趨勢是設計開發兼具某種智能化的機械臂。裝有的傳感器能接受外界條件轉變的信息，并且做出相應的響應。即使出現一些誤差，也能自行檢測，重點是鉆研視覺功能和觸覺功能，現已獲得一定的成就。

1.2.2 國內研究現狀

到現在，我國的機器人核心技術及其工程運用的程度和國外比還有一定的差距。我國經歷了十幾年的研發，現在在一些方面，如噴涂機器人、搬運機器人、裝配機器人等，已經掌握了機器人的設計制造，配套設備的主動通信，調解控制技能。我國的機器人鉆研開發與利用已獲得了肯定的成績，可是總的看來，我國的機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，從智能機器的數目和技能上來看，我們就有必然的差距。國際競爭日趨劇烈，對機器人的需求越來越大，我國的智能機器產業將面對新的成長機遇和挑戰，因此我們必然要自主研發機器人高技能，處理生產前期的重要技術，努力推進我國的機器人生產的進程。

1.3課題研究意義

1.智能機器車，在很大程度上節省了勞動力同時提高了效率。

2.隨著科學技術越來越發達，這種智能機器車在人類生活中會得到大規模的應用，人類也需要智能機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構安排

1.4.1課題研究工作

本課題首先進行需求分析，主要計劃機器車需要實現何功能，各功能之間如何串接等。在需求分析之后，組裝機器車及機械臂，其次實現機器車及機械臂的各個功能，最后再進行各功能測試，通過測試找出不足，從而完善程序，優化算法，充分讓用戶享受機器車成果。通過研究Arduino板的各個部件和接口，掌握Arduino編程一些常用的命令，函數等。

第二章 初識Arduino

2.1 什么是Arduino

Arduino，是一個開放原始碼的軟硬件平臺，組建于開放原始碼simple I/O介面版，而且具備類似C語言的開發環境。它包括兩個重要的部份：硬件部份是電路連接和Arduino開發板;軟件部份是計算機中的程序開發環境即Arduino IDE。在此環境中編輯程序代碼，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板供電。

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

Digital 引腳：UNO R3具有14個數字I/O引腳，6個可用于PWM（脈寬調制）輸出。數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）的兩個引腳用于串口通訊。

2.2 Arduino優勢

Arduino不僅僅是全世界盛行的開源硬件，也是一個優異的硬件開發平臺，更是在未來硬件開發的趨向。Arduino簡要的開發方式使得開發人員更有精力去重視創造性與實現，更加有效的完成自己的研究項目，很大程度上節省了學習的成本，收縮了開發的周期。Arduino優勢眾多，在很多的開發平臺中占據上風，而今越來越多的開發者使用Arduino來開發項目。

2.3 Arduino特征

主要特點如下：

1.共享源代碼的開放平臺，程序可自主下載，也可以按照個人需求去修改。

2.可以采取USB接口供電，也可以使用電池，無需外部電源。可以和各種傳感器連接。

3.利用Arduino開發，突破以前只能利用鼠標和鍵盤輸入的設備，可以更簡單的達到互動的效果。[2]

2.4 使用心得及注意事項

Arduino開發給我的最大的感受就是用起來方便、簡單。首先準備arduino開發板和一些要用的驅動和傳感器，按照規定安裝好。然后到官方網站下載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候會出現錯誤從而導致代碼上傳不成功。

第三章 循跡避障裝載機械臂機器車的總體設計

3.1 硬件設計

3.1.1功能結構

本小車的硬件部份分為如下幾個模塊：Arduino單片機、紅外線傳感器、超聲波傳感器、兩個直流電機、機械臂、車身等。機器車以Arduino單片機為中心，紅外線傳感器安放在車身前下端，用于機器車循跡。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。當超聲波傳感器碰到障礙物，將反饋信息發送到開發板，機器車做出向左方向轉動的響應，再次檢測前方是不是有障礙物，如果有障礙物則繼續轉動，沒有障礙物則機器車前進，從而實現整個機器車的避障作用。小車在行駛的過程中遇到障礙物，機械臂可以將其障礙物移開，如果發生意外機器車側翻了，機器車可以自動恢復至原來的狀態。

3.1.2硬件系統框架圖

本系統以Arduino為主要控制器，由電源模塊、電機驅動模塊、循跡避障模塊、超聲波測距模塊、機械手臂模塊等組成。系統框架圖能直接的表現出小車具備哪些功能并且這些功能之間又如何的串接，所以設計的系統框架圖必不可少，系統框架圖如圖3.1所示。

3.2 軟件設計

3.2.1 Arduino語言

Arduino用的是擴展C語言，剛開始Arduino核心庫是利用C語言來編輯，后期引進了面向對象的思想，當下最新的Arduino核心庫采取C與C++聯合編程。

3.2.2 Arduino IDE

如圖3.2是運行界面。Arduino語言是一種擴展C語言。在軟件的界面里有我們編程時經常使用的東西。當我們把鼠標放在功能圖標上，旁邊就會出現該圖標的功能。

Arduino IDE的菜單欄中有許多圖標，例如"文件""編輯"等界面。在Arduino IDE中，每個Arduino程序都稱為sketch，他是一個可以上傳進Arduino中的程序包。Tools里面第一項是調整格式，當你的代碼不整齊放到sketch里面，會有一些縮進的亂碼，這時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 單片機模塊

單片機是由運算器、控制器、主要寄存器三個模塊組成的。Arduino實際上就是一個AVR單片機，如圖4.1所示，具備ISP下載功能。輸入電壓：接上電腦USB時不必外部供電，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、電機驅動模塊

本設計采取雙極性管構成的H橋電路（L298N）。利用單片機控制晶體管讓其工作在可以調節的狀態中，準確調解電機轉速，這種電路效率很高。H橋電路能簡單的實現轉速和方向的控制，電子開關的速率非常快，穩定性也非常高。并且L298N有過電流保護功能，當電機出現錯誤時，可以保護電路與電機。這種調速方法具備很多優秀特征。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。

4.1.3 循跡模塊

小車利用三個紅外探頭，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產生的反射強度也不同的特征，在小車行駛的過程當中不斷地向地面發射紅外光，當該光線碰到白色地板時會產生反射，接著反射過來的光線會被小車上的接收器接收。如果遇到黑線時接收端接收不到紅外光。Arduino單片機就以是不是有光線反射回來作為根據來規劃小車的行走路線。

4.1.4 避障模塊

本設計采取超聲波測距模塊，可探測2厘米至400厘米的距離，測量準確度可高達3毫米。

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

4.1.5 機械臂模塊

機械手臂是由執行機構、驅動機構和控制系統三大部件構成。手部實現各種轉動、移動或組合運動來進行規定的動作。控制系統是借助對機械手臂各個自由度的電機的控制，來實現規定的動作，同一時間接收傳感器的反饋，組合成穩固的閉環控制。控制系統最重要的部分是anruino控制芯片，通過編程實現所需功能。

機械手臂的執行機構分為手部、手臂、軀干;

1、手部

手部安放在機械手臂的頭部。手臂的里面放置了傳動軸，最后實現轉動、伸張手腕、張開合并手指等動作。

手部類似人的手指，分為無關節、固定關節與自由關節3種。可以按照抓取物件的形狀和大小裝備各種形狀和大小的手指以滿足操作的需要。當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

手臂的功能是指導手指正確地抓住所需的部件，并轉送到所需的位置上。為了機械手可以準確的運作，其手臂上的3個自由度全都需要精確地定位。

3、軀干是安裝手臂、動力源和各種執行機構的支架。

第五章 軟件模塊

5.1 紅外線循跡模塊

1.功能實現

小車沿著黑線行駛。主要依據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，當左邊傳感器檢測到黑色時，小車往右轉彎行走;當小車右邊的紅外線傳感器檢測到黑色時小車左轉行走。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.功能實現。

超聲波傳感器先發送一個信號，在發射的同時開始計時，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時，接收到聲波的時間就是超聲波從發射到接收的時間。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據計時器記錄的時間t，就可以計算出發射點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 機械臂模塊

5.3.1 行駛抓取

1.功能實現

此功能是在巡線與夾取的結合，在巡線的行走中，夾取擋路的物體。其實現的過程為小車在進行巡線行走（巡線可參照前面的智能巡線功能），當超聲波檢測到前方的物體到達設定值時則進行夾取放在小車的一側。從而實現組合的功能。

2.流程圖，如下圖5.3所示

5.3.2 側翻恢復

1.功能實現

此功能主要添加了 ADXL345 傳感器進行控制，實現小車倒地時恢復成原始狀態。將 ADXL345 傳感器 x 軸往左，y 則往小車后進行安裝。當小車往左邊傾倒的時候，x 軸會減小，設定達到某個值時則認為小車已經倒地，則執行向左支撐小車的動作組;當小車向右傾倒時，x 軸回增大，到達設定值則認為小車往右傾倒，執行向右支撐的動作組。

2.流程圖，如下圖5.4所示

第六章 總結與展望

本文設計了循跡避障裝載機械臂的機器車，該機器車能夠運用各類傳感器采集四周的環境信息，具備感知周圍環境的功能，能夠按照給定的指令實現規定動作的綜合體。循跡避障裝載機械臂的機器車以Arduino為主控制板，L298N直流電機驅動模塊驅動直流電機，紅外線傳感器和超聲波傳感器結合可以實現機器車的循跡和避障，裝載的機械手臂可以引導手部精確的抓住所需部件，并運送到需要的位置上。

隨著科學技術的飛速發展，智能已成為高科技的熱門詞匯。智能機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。這種機器車在科學研究中也有廣泛的應用前景。在現實中有許多危險的地方是人們無法涉足的。此時，智能機器車可以投入使用。它配備了攝像頭來代替人們執行許多人類無法完成的工作。智能機器車的應用減小了人們的工作危險系數，解決了惡劣環境下探測的需求，這項研發可謂是一舉多得。

在未來的社會生活中智能機器人也是大勢所趨，而智能機器車是智能機器人中一類必要的構成部份。最近幾年發展也是非常快速，完成了一系列學科的創新研究，其研究成果可應用于工業、農業、醫院、太空等領域，在我們未來的工作與生活中，需要越來越多的機器人代替人來實現一些高難度的任務，機器人的需求也會越來越大。故機器人研發的前景是不可衡量的。

參考文獻：

[1]?AVR單片機入門與速成攻略.?高顯生.?機械工業出版社.?2014

[2]?深入淺出AVR單片機. 江海波，王卓然.?中國電力出版社，2008.

[3]?電動機的單片機控制[M].王曉明. 北京航空航天大學出版社.2002

[4]?Arduino高級開發權威指南.Steven F.Barrett. 機械工業出版社.2014

[5]?S12單片機模塊應用及程序調試[J]. 安鵬，馬偉.電子產品世界. 2006.第211期. 162-163

[6]?模擬電子技術基礎[M].童詩白，華成英.北京. 高等教育出版社.2000

[7]?常用電子元器件使用一讀通[M].沈長生.北京. 人民郵電出版社.2004

[8]?機器人的創意設計與實踐[M].宗光華.北京. 北京航空航天大學出社.2004

致謝

本設計及學位論文是在我的導師沈老師和李老師的親切關懷和悉心指導下完成的。他嚴肅的科學態度，嚴謹的治學精神，精益求精的工作作風，深深地感染和激勵著我。從課題的選擇到項目的最終完成，沈老師都始終給予我細心的指導和不懈的支持。八個多月以來，沈老師不僅在學業上給我以精心指導，同時還在思想、生活上給我以無微不至的關懷，在此謹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，從開始進入課題到論文的順利完成，有多少可敬的師長、同學、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：冶俊（1995.08-），男，回族，青海省民和縣，本科?計算機科學與技術專業。

指導教師：李娜，沈亮

基金項目：西北民族大學國家級大學生創新創業訓練計劃資助項目（項目編號：201910742057）

（作者單位：西北民族大學數學與計算機科學學院）