基于Arduino的四自由度机械臂控制

2022-12-21连百万韩静卜周乐涛

无线互联科技 2022年19期

关键词：波特率舵机按键

连百万，韩静卜，周乐涛

（西京学院，陕西西安 710123）

0 引言

工业机器人技术迅速发展，越来越多地用于机械、电子、汽车等行业。在工业加工中使用机械臂不仅能提高生产率，而且还能降低工人的劳动密度［1］。

1 系统总体设计

本文提出一种四自由度机械臂的设计，以Arduino为核心，通过按键模块检测用户的控制信号，当Arduino对控制信号进行识别后，驱动舵机控制模块来操作相应的舵机转动，从而带动整个机械臂的运动［2］。硬件部分主要有Arduino UN3、PWM舵机(MG996R，MG90S）、舵机驱动模块PCA9685、5V3A开关电源、轻触按键。使用本文设计的基于Arduino的机械臂可以对机械臂进行多关节的控制，并且能够利用按键控制其抓取一定体积的物体。总体设计框架如图1所示。

图1 总体设计框架

1.1 系统功能

本文基于Arduino的机械臂的设计，实现了机械臂的控制功能，完整的功能包括以下3点：

(1）按键控制功能。

基于Arduino的机械臂需要通过输入器件(按键模块）来获取用户的操作要求，再根据按键信号的种类驱动外围电路进行控制。

(2）机械臂四自由度控制功能。

系统的机械臂采用4个舵机进行转轴控制，可以实现机械臂的四自由度控制。

(3）抓取物体功能。

机械臂组件中顶部的舵机用于对金属爪子进行控制，通过控制金属爪子，对应舵机转动便可控制其抓取一定体积的物体。

1.2 主控模块设计

本文设计的基于Arduino的四自由度机械臂无须进行复杂的算法运算，只需要检测用户的按键输入信号以及输出控制信号到舵机驱动电路。选用的Arduino主控模块使用的单片机型号为ATmega328，采用最小系统实现基本的控制功能，包括主控芯片、时钟电路、复位电路。其中复位电路如图2所示。

图2 复位电路

1.3 舵机驱动与选择

本文选用的是PWM舵机，控制舵机转动时需要向舵机输入PWM信号。常见的PWM舵机控制方式有两种：

(1）处理器使用IO直接输出PWM信号控制。

该方式需要处理器选择具有信号输出功能的IO连接PWM舵机的控制引脚，通过软件编程输出特定的PWM信号。

(2）使用舵机驱动模块控制。

舵机驱动模块内部具有驱动器实现对舵机的精准控制，当控制PWM舵机时，PWM信号由舵机驱动模块产生。当处理器通过舵机驱动模块，间接对PWM舵机进行控制时，处理器无须与每一路的PWM舵机进行连接，舵机直接与舵机驱动模块连接，处理器只需与舵机驱动模块的数字通信接口连接，然后根据特定的控制协议向舵机驱动模块发送控制指令，便可实现舵机的简单控制。处理器通过舵机驱动模块控制舵机转动时，一个角度只需发送一次控制指令便可，无须持续发送占用系统资源。同时舵机驱动模块由于主要工作是负责PWM舵机的控制，因此常常支持多路PWM舵机的控制。

本文选择使用的是：舵机驱动模块对PWM舵机进行控制，模块使用的舵机驱动芯片为PCA9685。

1.4 PCA9685舵机驱动电路

PCA9685使用的通信协议是I2C，所以Arduino只需要使用两个IO口与PCA9685芯片进行连接。PCA9685是一个最大输出十六路PWM信号的驱动芯片［3］，并且每一路的PWM信号分辨率都能达到12位。PCA9685舵机驱动电路的电源电路是为模块提供稳定电源的首要电路，主要包括两部分电路，MP1584电路以及RT9193－33电路。其中MP1584电路如图3所示。

图3 MP1584电路

1.5 按键模块

通过轻触按键来获取用户的控制需求，由于需要控制4个舵机，每个舵机需要对机械臂进行顺时针和逆时针的转动控制，因此四自由度共需要8个轻触按键来获取用户的控制信号。当按下轻触按键时，只需要将其中一个按键触点连接到处理器的IO口，同一自由度的另一个按键触点连接到电源或者GND，通过软件判断处理器的IO电平高低，便可识别当前轻触按键处于按下或是弹起的状态。按键电路如图4所示。

图4 按键电路

1.6 软件设计

作品包含了系统初始化软件设计、主循环软件设计、Arduino按键IO软件设计、舵机控制软件设计等，软件设计流程如图5所示。

图5 软件设计流程

本设计中系统软件的初始化程序为轻触按键初始化、舵机驱动模块初始化和TTL串行口初始化。由于舵机驱动模块(PCA9685）与Arduino使用I2C的协议来进行通信，因此舵机驱动模块的初始化是将PCA9685芯片与I2C接口连接的，Arduino的接口设置为I2C模式，然后通过I2C通信协议来设定模块的工作频率，最后为了实现每次系统上电，机械臂可以恢复到初始化状态，将在舵机驱动模块初始化中，为每一路舵机设置一个默认的初始摆动角度。为了方便整个系统的运行调试，本文为Arduino主控模块编写了串口调试信息输出功能，因此在初始化软件中需要设置调试的TTL串行接口。串行通信需要通信方均设置同样的数据传输速率后，才能进行通信。在TTL串行口通信的数据传输速率称为波特率。TTL串口初始化主要是将Arduino主控模块的TTL串行口的通信波特率设置为与PC进行通信时相同波特率，而常用的通信波特率为9 600 bps，则Arduino主控模块系统软件的TTL串行口初始化，主要将串行口通信波特率设置为9 600 bps。

2 结语

在整个软硬件系统搭建完成后，需要测试每个舵机对机械臂的控制精度，从而了解整个机械臂的控制精准度［4］。具体测试时，实现使用8个轻触按键分别控制4个舵机按特定角度进行转动，记录每个舵机的理论控制角度和实际控制角度，统计成表后对数据进行分析。其中一路舵机的测试数据如表1所示，实际控制角度为多组数据中的最大值。