摘要：抓取机器人在工业生产中成为替代人们开展复杂和危险作业的工具,它能完成简单的传递物料工作,提高生产质量,保证了产品的效率。本文就对抓取机器人的组装和工作原理作详细的描述，本文抓取机器人是基于Arduino平台的设计的，近年来开源硬件Arduino设计平台开发了大量消防机器人、智能家电等一些产品。
关键字：抓取机器人；Arduino；开源硬件
1 前言
Arduino是一款非常便捷开发板，并且是开放源程序代码和电路图的电子开发板。硬件使用的是Arduino Uno板，编译程序的软件是Arduino IDE，由意大利和西班牙的设计师首先提出。Arduino的设计主要包含两各部分：硬件部分电路主要使用的是Arduino板，软件编辑Arduino IDE，是由计算机提供。
Arduino的功能强大的原由是因为它可以通过传感器来感知环境,可以有温感,光感,湿感等一些传感器的所测数据来反馈到Arduino板上。通过这些反馈的数据板子就会根据你所需要和设置的数据来执行下一步设计的动作,控制器可以根据你所书写的程序数据来设置，以二进制文件编译，烧写进进微控制器。Arduino的编程是以Arduino的编程语言和电脑中的开发环境所提供的。总而言之,Arduino的使用难度相比单片机程序的设计降低了太多,程序简单易懂,也没有PLC那么高昂的价格，充分满足我们的试验需求和经济能力。
2 抓取机器人总体方案
2.1抓取机器人功能
六舵机自由度抓取机器人,能简单的模仿人手臂的一些动作。做一些简单的动作演示，它的动力由六个伺服舵机组成，可以实现抓取机器人的前后上下及左右抓取搬运的演示。具体动作解析如下，用手部(舵机一)抓持工作的部件，手腕(舵机二)用来旋转调整手部和被抓物体距离的调整,肘部(舵机三,四,五,)用来抬起物品,为下一步的移动做出铺垫，肩部(舵机六)用来移动物。动作覆盖地域要全面,在一定的范围能没有死角。动作指令可更改性,可以根据工作的需要,随时改变动作。程序简单化，不需要有太多程序指令，这样很不容易掌握，出现故障难以排除，动作指令不好更改。经济实用性，价格不能太贵，不管以后工作还是实验，成本节约一般都是首要条件。需要有多种控制方法，不能控制方法单一，出现困难的控制环境难以改变便，比如工作在室内，电脑就可以控制，不需要远程控制，可是在复杂的工作环境，人不可以长时间滞留的工作环境，这时候就需要改变控制方式，用远程来控制。
2.2控制模块和舵机
自由度抓取机器人的控制模块相当于电脑的主机，它是抓取机器人的核心关键，我们选用硬件体积小、价格便宜的Arduino。
本设计的抓取机器人需要用到六个舵机，本次设计不需要非常的高灵敏度和举起物品的重量，所以选择四个MG996型号的模拟舵机和两个DS3115型号的数字舵机，这样搭配着使用，既能可以相对提高抓取机器人的灵敏度，也可以降低价格成本，做上下左右的移动物品的动作。
2.3总体方案设计
控制模块选用简单易懂的Arduino模块和32路舵机控制板,这样既方便抓取机器人的制作,还方便对程序的理解。硬件模块选择DS3115和Mg996两款铁质材料的舵机，抓取机器人的机身，选择铁破质机身，这样方便后期的展示和制作。根据构思好的结构图制作硬件电路，
3 抓取机器人硬件设计
3.1 Arduino开发板
本项目选用Arduino UNO开发板，Arduino的核心芯片是AVR指令集的单片机(ATmega328)。Arduino的控制器最好的地方就是开放源程序代码和原始的电路设计,可以修改，也可以下载。可以电脑直接usb供电也可外部供应电源。
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3.2JOYSTICK手柄
手柄是我们本项目中必不可少的实现设备，它可以无线异地接收，不过仅限距离内控制抓取机器人。确保在危险施工现场人们可以不到现场并有目的的运用抓取机器人工作,确保工作人员的安全和提供必要的工作效率。手柄的使用和控制系统之间必须建立通信功能,在和控制系统实现通讯之前,必须要先通过Arduino和电脑之间实现通讯调试。因为本设计实现通讯的地方比较多，0、1通讯口下面要和32路舵机控制板实现通讯，所以这里不用这两个通讯口，Arduino的通讯口还有11、12、13、14，为了设计更好的进行定义了13、14口为通讯口，Arduino和手柄的通讯口对反连接,因为两个通讯之间的通讯是一个发送,另一个接收,所以通讯口要对反连接。
3.3舵机控制板
舵机控制板，它有32个通道。舵机控制板接线柱一和接线柱三为舵机供电控制（4-7V）,接线柱二为控制部分供电（7-12V），主芯片为单片机，单片机上端的四个插口是通讯口（TXD、RXD、GND、VCC），驱动分辨率为1us/秒，0.09度/秒。本设计通讯的波特率为9600。舵机控制板主要负责给舵机脉宽让舵机转动，以及与Arduino之间互相通讯来给舵机脉宽和选择通道来使多个舵机达到控制的目的。
实现32路舵机控制板的控制,需要和本设计的核心控件相连,两块板子上都有通讯口,需要对反相接,信号的传递是相互的,一个发送一个接收,32路舵机控制板的驱动电源为5V,这个电源刚好可以由Arduino来提供,节省试验资源。
3.4抓取机器人系统
抓取机器人的信号发送系统为JOYSTICK手柄, Arduino为控制系统,主要是负责接收JOYSTICK手柄发送过来的信息，来处理相应的数据，在根据这些数据作出反应，舵机控制板则是等Arduuino的信息，收到Arduino的信息后根据Arduino的给的数据选择通道给舵机信号，让舵机自此转动， 因为舵机里有电位器，只要舵机里的电机一但转动，电机的轴就会带动电位器的轴转动，这样电位器的阻值就会改变，根据变化的阻值，就可以知道舵机是否转动到指定的位置。
4 总结
在本次基于开源硬件的抓取机器人设计中，抓取机器人模型控制系统采用Arduino进行控制，大大提高了该系统的自动化程度，减少了模块的焊接和程序的编写，提高了控制系统的可靠性。同时，使用Arduino进行控制可更改运行动作和控制方式的可变性，增强控制功能。
参考文献(References):
[1]黄文凯. Arduino 开发实战指南{机卷器人}.机械工业出版社.2014年
[2]左义海.创客从0到1{基于Arduino设计}北京航空航天大学出版社.2016年
[3]程晨.Arduino开发实战指南{AVR篇}.机械工业出版社.2012年
[4]赵英杰.Arduino互动设计入门.科学出版社.2014年
[5]Steven Fbarrett.Arduino高级开发权威zhinan.机械出版社.2014nian
[6]姚汉.Arduino开发实战指南{STM32篇}.机械工业出版社.2014年
[7]程晨.Arduino开发实战指南{零基础篇}.机械工业出版社.2013年
[8]Alan Trevennor.AVR单片机实战{Arduino方法}.机械工业出版社.2014年
[9]Robert Faludi.Arduino无线传感网络实践指南.机械工业出版社.2013年
论文作者:陈奇1,陆必云2
论文发表刊物:《基层建设》2018年第35期
论文发表时间:2019/3/26
标签：舵机论文; 机器人论文; 控制板论文; 通讯论文; 动作论文; 硬件论文; 手柄论文; 《基层建设》2018年第35期论文;