關(guān)于智能機器人手臂機械結(jié)構(gòu)和接線分析制作

您有沒有想過擁有一款可以幫您滿足日常需求的設(shè)備？而且該設(shè)備能夠區(qū)分您（主人）和其他非授權(quán)用戶，這并非簡單的普通工具。在本教程中，我們將向您介紹一款能夠識別并理解您語音命令的智能機器人手臂。此機器手臂通過OpenCV軟件實現(xiàn)了人臉識別系統(tǒng)。（為了測試目的，我們開發(fā)了算法來檢測小球顏色。）

作為MakeMIT硬件馬拉松項目的一部分，我與同事Isac Andrei和VladNiculescu合作研發(fā)了該智能機器人手臂。由于其創(chuàng)新程度和創(chuàng)造性，該項目在硬件馬拉松中排名前10。

硬件

Arduino UNO

麥克風

網(wǎng)絡(luò)攝像頭

伺服電機

軟件

Arduino IDE

GitHub（https://github.com/DevicePlus/SmartRoboticArm）

工具

膠槍

丙烯酸樹脂

螺絲

膠帶

電鋸

第一步：結(jié)構(gòu)與力學

處理機器手臂的手腕時，必須非常小心。如果不考慮伺服電機角度就開始組裝手腕部件，那么可能會導致手臂發(fā)生故障——機器人手臂可能發(fā)生您無法控制的混沌行為。在步驟1中，您需要做的就是將5臺伺服電機連接到Arduino開發(fā)板上，并找到每個伺服機構(gòu)的正確位置。正確的順序是自下而上進行校準。

I.底座

底座設(shè)計為可向左移動90度，也可向右移動90度。將它放置在金屬升降機上進而使基座可以旋轉(zhuǎn)。這是一個關(guān)鍵部分，因為當發(fā)出語音命令的人移動時，手臂必須跟隨并追蹤人物。而且這種跟隨必須準確，以便攝像頭總能發(fā)現(xiàn)人臉。

圖1：底座頂視圖

底座隨動系統(tǒng)安裝在一個40 x 30厘米的大亞克力板上，以保持穩(wěn)定。您也可以用更強大的材料替代亞克力板，從而支撐能夠拾起重物的大機器人手臂。

伺服電機安裝在一塊12 x 12厘米的較小亞克力板上。我們在小板中間鉆取了一個與伺服電機尺寸相同的孔。然后，將伺服電機用螺絲擰到孔上（圖2）。

圖2：底座（前視圖）

II.肩部

肩部由兩臺伺服電機組成，它們相互配合以拾取物體并放置在正確的位置。該項目最重要的校準就在肩部。這兩個伺服系統(tǒng)必須完美結(jié)合，從Arduino開發(fā)板上獲得完全相同的命令，并且必須反相同步。為了獲得良好的同步性，將兩臺電機放置在機器人手臂上之前，必須將其面對面放置并通過編程擺動到同一側(cè)。

圖3：伺服電機同步性

如果它們的行為不一致，那么處于上游位置的伺服電機會強制第二個電機移動，從而產(chǎn)生短路，最終導致第二個伺服電機燒掉。

如果伺服系統(tǒng)的分辨率不一樣，您將無法使它們同步。在這種情況下，最好的辦法則是僅使用一種伺服電機。如果它們質(zhì)量很好，那么實際扭矩會與數(shù)據(jù)表相同，并且具有提升重物的能力。

另外，為了安全起見，在肩部的基座上裝一個旋鈕非常好。您也可以使用金屬支架，將其放置到所需角度，以防止機械臂墜落。

圖4：肩部組件

圖4顯示了我們之前構(gòu)建的安裝在底座上的肩部。伺服機構(gòu)固定的部位采用旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)。肩部必須牢固地固定在基座上，但也必須能夠自由旋轉(zhuǎn)。平衡旋轉(zhuǎn)部分的每一邊也很重要，因為我們的裝置含有一些較重的支撐金屬部件。中心重量必須相同，這樣機器手臂旋轉(zhuǎn)時才不會掉落。對于這一部分，我們還放置了一個金屬筋（即金屬彎頭），以便伺服機構(gòu)沒有插入時維持機器臂重量。

III.肘部

現(xiàn)在，我們來看一下肘部。肘部伺服部分通過手臂高度控制。由于手臂必須返回到原來位置，所以肘部延伸部分與肩部之間的最大角度不得超過100度。我們對該機器人手臂原型的肘部伺服系統(tǒng)進行編程，讓手臂撿起一個球——系統(tǒng)會協(xié)調(diào)捕捉器和肩膀，兩者相互配合，最終將球拾起。

肘部的工作原理如下：

當肘部延伸部分與肩部之間的角度較小時，肩部的角度將增大；

當肘部和肩部之間的角度較大時，肩部的角度將會減小。

圖5：肘部

肘部使用SketchUp STL設(shè)計，并用3D打印機打印。（STL擴展可以將圖形轉(zhuǎn)換為能夠打印的3D模型）。根據(jù)設(shè)計，肘部在允許彎曲的角度連接2個延伸部分。

圖6：肘部的3D模型

當然，肘部的延伸部件需要能夠很容易地抬起，所以除了肘部，延伸部分不應(yīng)連接其他任何東西。每個丙烯酸樹脂延伸部件尺寸為20 x 7厘米。延伸部分的另一端用小丙烯酸片粘合起來，以便將兩部分固定在一起。您可以改變尺寸，但是由于伺服機構(gòu)的限制，機械臂的尺寸不應(yīng)太大。

如果您決定更改尺寸（比如制作一個較小的手臂），那么請確保計算出零件的正確尺寸。否則，手臂將發(fā)生故障，無法拾起重物。網(wǎng)絡(luò)攝像機安裝在延伸部件上。

圖7：安裝在機器人手臂上的網(wǎng)絡(luò)攝像頭

IV.手腕

手腕由能夠抓取某些小物體的爪鉗/捕捉器構(gòu)成。在本文中，我們以抓取小球為例。當然，手臂還可以抓取并提起適合爪鉗的其他物體。您還可以根據(jù)您的具體偏好進行設(shè)計——必要時請使用SG90 SketchUp文件進行必要修改。您需要做的就根據(jù)所抓物體的形狀來改變爪鉗形狀。

圖8：手腕

手腕部分也使用SketchUp中的3D模型構(gòu)建。如果我們想要拿起較重的物體，可以用爪鉗抓住它們。但是，爪鉗抓取物體時比較有力，可能會對其造成損壞。

圖9：手腕的3D模型

步驟2：連接伺服電機

1.底座

圖10：底座伺服系統(tǒng)的接線圖

底座伺服（圖2）被設(shè)置為從0度開始，這意味著它將從左側(cè)開始搜索用戶。其旋轉(zhuǎn)角度為140度——機器人手臂可追蹤人員遞送物體的范圍。我們在0度進行校準——這是伺服的中心，葉片面向上方垂直放置。

在控制功能中，基座的分辨率為4度。這是因為在這種情況下，精度不需要太完美。較高的精度反而會導致處理變得緩慢。

每次我們都都需要檢查伺服電機的位置，因為相互作用實時進行。為此，我們開發(fā)了兩個功能：左方和右方。這兩個功能可以從35個不同位置追蹤人員。

2.肩部和肘部

肩部與肘部一起能夠完成一項重要功能。他們必須彎曲機器人手臂。我們應(yīng)當指出以下限制，這很重要：

由于前臂的長度，肩部的操作角度不能小于45度，我們有2個例子：

當肩部處于最低位置時，機器人手臂可以拾起最遠的物體；

當肩部處于最高位置時，機器人手臂可以拾起最近的物體；

我們選定的角度對于肩部來說已經(jīng)足夠，因為它足以讓手臂拾起物體并將其交給正確的人員。

圖11：肩部范圍

肘部的最大位置不能超過140度，因為該項目的目的是在平面上構(gòu)建機器人手臂，并且將攝像頭與用戶處保持在同一高度。我們認為只用70度即可，因為這足以彎曲機器人手臂。

肩部角度和肘部角度之間的組合使手臂具有很大的靈活性，從而形成完整的機器手臂，最終實現(xiàn)拾取物體的功能。

圖12：肘部范圍

圖13：肩部伺服接線圖

圖14：肘部伺服接線圖

本智能機器人手臂教程的第1部分描述了手臂的一般機械結(jié)構(gòu)，以及伺服電機如何與手臂不同連接處進行連接的方法。