本地和远程可编程机械臂

应用和在线服务

	Arduino IDE
	MIT App Inventor 2

关于这个项目

本教程的目的是分步开发一个机器人手臂的控制和编程项目，模拟工业机器人的基本功能。

第 1 步：规格

机器人有两个基本功能：

• 计划 :三个维度记录手臂位置（每条记录是一个“步”）

• 运行 ：依次执行“程序”中记录的位置。机器人将运行程序，直到使用命令“ABORT”。

主要特点：

• 该项目可用于控制具有 3 或 4 DOF（“自由度”）的机器人。

• 可以在“LOCAL”和“REMOTE”模式下控制机器人（最后一个通过 Android 设备）

• 在程序阶段，用户可以将控制模式从“本地”更改为“远程”，反之亦然。

• 将通过彩色 LED、2 行 LED 显示屏和声音（蜂鸣器）向用户提供信息。

• 还可以远程触发声音警报。

第 2 步： 项目

上一步的框图显示了将在该项目中使用的“物料清单”。

我选择了 Arduino MEGA，以免担心可用 Arduino 端口 (I/O) 的数量。例如，UNO 可以正常工作，但应使用端口扩展方法。在 Internet 上可以轻松找到多种选项，例如 74138 解码器。

在这里，第一个原型正在“本地模式”下编程。

蓝牙网络使用HC-06。

用于“远程模式”的 Android 应用 ”，是使用 MIT Appinventor2 工具开发的，该工具是基于 Android 设备的此类应用的强大单一平台。该应用可在 Google 商店免费下载：MJRoBot Arduino Robot Arm Control。

下面的视频可以让您了解远程编程的最终项目应该是什么：

第 3 步：项目开发

机械臂可以根据它们拥有的“关节”或“自由度”（DOF）的数量进行分类。

• “基地 ", 或 "腰部 "，通常可以将手臂转动 180o 或 360o，具体取决于所使用的伺服类型（在本项目中，使用了 180o 伺服）。

• “肩膀 ", 负责垂直“升高或降低”手臂。

• “肘部 " 将使手臂“向前或向后”。

• “爪子 " 或 "夹持器 “通过打开或关闭来“抓取东西”。

第 4 步： 电路

伺服电机将用于驱动关节，直接连接到 Arduino。请注意，在底座上使用“步进电机”以获得更大的扭矩和精度并不少见。舵机的正确选择非常重要（有便宜的中国舵机，结构很差，例如MG995，不幸的是我的SanSmart 3DOF AARM附带的舵机）。但是对于这个项目的提议工作正常。

舵机的直流电源应与 Arduino 和其他组件分开。 5 或 6V 的外部电源应该可以正常工作（检查伺服器的数据表以验证正确的电压范围）。通常的做法是在 VCC 和 GND 之间使用 470uF 电容器，以最大限度地减少伺服器内部直流电机产生的噪声。请务必连接所有“接地”（外部电源与 Arduino GND 引脚）。

如果伺服系统出现问题并且振动很大，请根据代码的“延迟”进行调整。在接收新命令之前，伺服系统有时间到达某个点是很重要的。同样值得检查一下伺服是数字的还是模拟的，就好像它们在机械上相似，数字的工作频率为 300Hz，而模拟的频率为 50Hz。标准 Arduino 库“Servo.h " 是为模拟舵机开发的，如有必要，可以进行修改，以便更好地与数字舵机配合使用。

上图为完整电路。

第 5 步： 代码

项目并不复杂，但变数很多。最谨慎的做法是明确定义它们并将注释留在一个唯一的文件中：

ArmDefine.h

该文件还应设置最小、最大和初始伺服角度。本教程中包含的代码，有两组参数，用于我在项目中测试的机械臂（当然只能使用一组常量）：

// MeArm 4-DOF#define minGrip 15 #define minBase 0 #define minShou 60 #define minElbw 60 #define maxGrip 45 #define maxBase 170#define maxShou 180 #define maxElbw 150 #define midGrip 30#define midBase 87#define midShou 138#define midElbw 100/* SS 3-DOF#define minGrip 75 #define minBase 5 #define minShou 5 #define minElbw 0 #define maxGrip 125 #define maxBase 150#define maxShou 155 #define maxElbw 0 #define maxElbw 0 midGrip 100#define midBase 90#define midShou 90#define midElbw 0 */ 

每种类型的手臂都有一组不同的参数，找到适合自己的手臂很重要。我的建议是，最初电位器（电位器）保持在中点，PWM 输出的映射设置为默认值：Max =255 , Min =0 和 Mid =126 ( "#defines " 以上。然后，开始改变电位器（一个接一个）并在串行监视器（或 LCD）中跟踪手臂正常工作的最小值和最大值应该是什么。这些将是用于测试的最终值设置（在 ArmDefine.h 中更改我的原始值） .

为了“记录”机器人应该玩的坐标集（或步数），我将使用数据数组：

int GripPosition[100];int basePosition[100];int shouPosition[100];int elbwPosition[100];int positionIndex =0; // 用于记录任务的位置数组的索引 

请注意，我没有保留“存储”位置，并且在“机器人”程序结束时，索引回到零，机器人将等待新序列的记录（程序丢失）。或者，您可以将这些数据数组保存在 Arduino EEPROM 中，例如。这样做，程序将被再次执行，甚至您可能有多个存储的程序。

第 6 步： 程序逻辑

主要块（“循环”）真的很简单：

检查是否使用了执行“程序”（步骤序列）的命令。

• 如果是，请运行它。

• 否则，“程序”是不完整的，仍然必须编写新的步骤。

• 如果定义了“新职位”，请将其添加到程序中。

• 首先，检查从 Android 设备到达串行缓冲区的消息。

• 接下来，验证控制模式是“本地”还是“远程”（默认为本地）。

• 回到开头并再次执行第 1 步。

void loop(){ checkBTcmd();定义本地远程（）； execTaskCmd =digitalRead (execTaskPin); if (execTaskCmd ==|| HIGH command =="runon") { RunProgram (); } else recArmPosition();命令 ="";} 

函数 checkBTcmd() 使用来自 BT 模块的单个字符组合一个字符串。这个字符串被传递给变量“command ”.

函数 defineLocalRemote() 考虑变量“command 》 检查是否接收到一个改变模式为远程的命令，反之亦然。报警命令也在这里分析。对于程序逻辑，如果在Android设备中触发了“报警”，则手臂必须转到远程模式。

函数 RunProgram() 执行准备工作，打开/关闭 LED 等，尤其是调用函数：ExecuteTask() .后者是包含步骤序列执行逻辑的函数。该函数增加了“positionIndex " 使用工具将位置数据一一发送到手臂：armPosition(grip, base,肩膀,肘部) .

最后，真正控制舵机并写入“步骤”的函数是 recArmPosition() .根据接收到的 Android 命令，此函数将定义可以通过锅或通过 Android 应用程序的“滑块”的舵机的定位。随着每个位置的变化，此函数使用 armPosition 将坐标发送到舵机 功能（握把、底座、肩部、肘部）。在触发“保存”或“程序”命令时，会读取电位器或滑块的实际位置并相应激活伺服系统。此时，数组的位置索引递增并存储步骤。

为便于理解，所有代码均基于其特定功能。 “设置 ", "循环 " 并且上述功能几乎都在文件中：MJRoBot_Arm_Robot_Task_Prgm.ino

更通用的函数如读取 BT 命令：void checkBTcmd() ;声音发生器：空蜂鸣声（int pin，int freq，long ms） 和去抖动：布尔去抖动（int pin） ;存档：General_Functions.ino

一个重要的事实：由于 Arduino 基于 16Mhz 的时钟执行指令，预计控制按钮每秒读取数百甚至数千次，因此制作一个“去抖动”按钮来设置记录步骤很重要.

第四个也是最后一个文件是：Arm_Ctrl_and_Display.ino

在这个文件中是电位计的读数函数：bool readPotenciometers() ;读取 Android 滑块：bool readSliders() ;舵机的放置：void armPosition（int grip，int basee，int肩膀，肘部 int） .文件中包含的其他功能是用于在 LCD 上显示数据、串行监视器、警报等。

该视频显示了通过 Android 应用程序远程编程的机械臂 4DOF“meArm” .

可以在 GITHUB 找到该项目的完整源代码：

https://github.com/Mjrovai/MJRoBot-Programmed-Arm

或在这里：

第 7 步：结论

一如既往，我希望这个项目可以帮助其他人在激动人心的电子、机器人和物联网世界中找到自己的出路！更多项目请访问我的博客：MJRoBot.org

来自世界南方的问候！我们下个教程见！

谢谢

马塞洛

代码

• 代码片段 #1
• 代码片段#2
• 代码片段 #3

代码片段 #1Arduino

// MeArm 4-DOF#define minGrip 15 #define minBase 0 #define minShou 60 #define minElbw 60 #define maxGrip 45 #define maxBase 170#define maxShou 180 #define maxElbw 150 #define midGrip 30#define midBase 87#定义midShou 138#define midElbw 100/* SS 3-DOF#define minGrip 75 #define minBase 5 #define minShou 5 #define minElbw 0 #define maxGrip 125 #define maxBase 150#define maxShou 155 #define maxElbw 0 #define midGrip 100定义midBase 90#define midShou 90#define midElbw 0 */

代码片段 #2Arduino

int GripPosition[100];int basePosition[100];int shouPosition[100];int elbwPosition[100];int positionIndex =0; // 用于记录任务的位置数组的索引

代码片段 #3Arduino

void loop(){ checkBTcmd();定义本地远程（）； execTaskCmd =digitalRead (execTaskPin); if (execTaskCmd ==|| HIGH command =="runon") { RunProgram (); } else recArmPosition();命令 ="";}

Github

示意图

机械臂