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無線可移動機械臂
摘要
最近幾年，隨著無線應用的廣泛使用，對一個能夠輕松連接遠距離數(shù)據(jù)傳輸設備無需電纜的系統(tǒng)的需求也日益增長。這篇論文講述了無線可移動機械臂的發(fā)展狀況。這是一個能做到撿起、放下運算并可以用無線PS2手柄控制的可移動機器人。它可以根據(jù)控制器的指令進行一定距離的前進、后退、左轉和右轉。這種機器人的開發(fā)基于Arduino Mega平臺，這個平臺可以將無線控制器與可移動機械臂連接起來。為了了解機械臂的表現(xiàn)，我們分析了機械臂的速度、行程以及承載能力。最終，這個機器人的原型有望解決一些像放置或拿起遠離使用者的物體以及以最快速簡單的方式放置或拿起有危險的物體的問題。
1.引言
如今，機器人取代人類廣泛地被整合到工作任務中，尤其是在反復作業(yè)中。總體來說機器人學可以分為兩類：工業(yè)機器人和服務機器人。國際機器人聯(lián)合會這樣定義服務機器人：服務機器人是一種半自主或全自主工作的機器人，它能完成有益于人類健康的服務工作，但不包括從事生產的設備。目前移動機器人被應用于許多領域包括辦公，軍事任務，醫(yī)院手術，危險的環(huán)境和農業(yè)[1]。
除此之外，工人們在撿起和放置一些可能對他們有影響的東西時會有一些困難。例如，一些人類不能觸摸的化學藥品，軍事上拆出炸彈時需要機器人來取放炸彈，用戶在坐著的時候需要機器人來幫忙取放物品等。因此，一些機器人可以取代人類來做一些工作。
無線控制的機器人可以保證其遠離用戶工作。例如，過去的無線電自主導航機器人項目就跟這個項目類似[2]。這個機器人在物理上適合無線電工作。
除了無線電控制之外，藍牙也是一個無線傳輸控制機器人的可用平臺[3]。機器人的動作通過藍牙連接遠程控制。對這個項目來說，這個機器人在各個方向（前，后，左，右）都能實現(xiàn)運動。
2.機械臂的定義
機械臂是通常一種可編程的，跟人的手臂有著相似功能的擬人機操作手。這樣一個操縱器的連接部分由一些允許回轉運動（例如在一個鉸鏈式機器人中）或者平移（線性）運動的接頭組成[4]。
操縱器的連接部分可以形成一個運動鏈[5]。操縱器運動鏈起作用的一端被稱為末端執(zhí)行器，它與人手類似。末端執(zhí)行器被設計用來完成想要完成的任務，例如：焊接，夾緊，旋轉等，這取決于應用。
機械臂可以自動或者被人工控制來高精度的完成一系列任務。機械臂可以是固定的，也可以是可以動的（例如，帶輪子的），可以應用在工業(yè)領域，也可以家庭服務。無線可移動機器人也已經(jīng)發(fā)展了好多年[6]。
3.研究方法
3.1項目概覽
在這個項目中，軟硬件相結合會使系統(tǒng)變得可靠。Arduino Mega會成為機器人的接口，無線PS2手柄會控制機器人的運動。項目概覽如圖1所示：
3.2系統(tǒng)架構
表1列出了無線可移動機械手臂的項目規(guī)范。制作這個規(guī)范的主要目的是列出這個項目的一些重要部分和確保這個項目可行并且適合在市場上使用。
3.3機械設計
圖2列舉了一些機器人的設計，有（a）主體結構手臂機器人，（b）手臂機器人設計，（c）移動搬運手臂機器人。機械手臂主要有基座、肩膀、肘部、腕部和爪子等五部分組成。
對機械手來說，像支架、U型架等伺服機構被用來放置馬達的，都是用鋁來制作的，因為鋁很輕。爪子部分也是用鋁做的，因為它和機械手主體框架結構相似。
正如圖2（c）所示，移動機器人的外形尺寸為：長28cm，寬15.5cm，高8.5cm。移動機械手臂的主要材料是亞克力板，因為它易成型，價格低，堅固并能夠承受馬達的重量和運轉。
3.4電路設計
圖3（a）是使用Protens模擬的馬達驅動移動機器人的電路設計，圖3（b）表示通過使用PCB巫師軟件，每一個電子元件都被特定安排來為Arduino Mega創(chuàng)造空間。
3.5軟件研發(fā)
軟件是一套程序、規(guī)程、算法和與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)相關的文檔。在這個案例中需要軟件來完成項目的任務。
Arduino集成開發(fā)環(huán)境：Arduino硬件使用一種與C++相似、只有輕微的簡化和修改的線基語言和一種過程基礎的完整開發(fā)環(huán)境為基礎。
Proteus 7專業(yè)版：這個軟件僅僅被用來設計移動機械臂的馬達驅動電路。因為為了使機械臂能夠實現(xiàn)前進、后退、左轉和右轉，需要像繼電器和晶體管之類的電子元件來實現(xiàn)。
谷歌Sketch Up:整個項目被分成了兩個設計部分。一部分是機械臂，另一部分是移動機器人。
PCB Wizard:這個軟件可以用來創(chuàng)造和設計接線板里的電子設備的安放。由于使用的電子元件少，這個項目會用單層的接線板。
3.6 Arduino Mega 2560
正如圖4所示，Arduino Mega 2560是一塊基于ATmega2560單片機板。它具有54個輸入輸出接口，包括14個PWM輸出，16個模擬輸入，4個通用異步收發(fā)器（硬件串行端口）1個16MHz的晶體振蕩器，1個USB接口，1個電源插口，1個ICSP接頭，1個重置按鈕。它包含了用來支持單片機所需的所有東西；可以用一條USB連接線輕松的將其連接到電腦上且可以用交流電轉直流電的電源適配器或電池來供電。
3.7索尼PS2無線手柄
這個項目所使用的PS2無線手柄如圖5所示，使用手柄可以了控制包括爪子和可移動機械臂在內的伺服系統(tǒng)運動。另外，無線手柄相比有線來說有一個優(yōu)勢，因為它可以無線地與機器人交流。手柄的頻率為2.4GHz，并帶有振動反饋。它的發(fā)射器和接收器可以分離操作。手柄使用的電源是兩節(jié)3號電池。
4.結果與討論
4.1完成機器人設計
圖6展示了無線移動機械臂的完整機械結構。在不工作時機器人的外形尺寸為29X19X25.5cm，重量為1.55Kg。
4.2無線移動機械臂的分析
圖7展示的是移動機器人的輪子的運動。機器人可以前進、后退、右轉和左轉。當按下手柄的按鈕時，LED燈會點亮。
輸入的電源供應對移動機器人來說是很重要的，因為它可以控制伺服電動機的速度。因此表2展示了機器人在不同電壓供給下行走一米的分析。
正如表格所示，電壓降低，機器人行走一米的時間會延長。但是，當供給電壓為6V時，移動機器人會停止運動。因此可以得到結論，移動機器人的電壓供給與運行速度成反比。
4.3機械臂的運作
圖8列舉了移動機器人的工作場所。機器人的工作場所在一個旋轉控制器中。它包含了代表自由度的軸。對這個項目來說，機器人有4個自由度
機械手臂的承載能力取決于伺服電動機的力量。如果載荷超過了伺服電機的力量，會造成伺服電機不工作，和更多的電流消耗。表3展示了機械臂的不同載重量。由于只是原型設計，機械臂的載重量非常小。
4.4無線PS2手柄的應用
無線移動機械臂可以移動，并可以用PS2無線手柄來控制。在這個項目中，機器人的原型隨著手柄的按鈕同時動作。14個LED燈對應著手柄的按鈕，按下按鈕燈就會亮。圖9（a）展示了基于編程代碼的手柄導航，9（b）展示了每一個按鈕所代表的LED燈。
手柄的頻率為2.4GHz無線頻率，最大操作距離為8米，45度。如果手柄的電池電量降低，信號強度也會降低。因此接收器和發(fā)射器之間的連接就會斷開。表4展示了機器人的有效工作距離。
4.5伺服電動機的分析
伺服電機是三線輸出的。其中兩個是電源和接地接口，另外一個是對馬達進行位置反饋的。PS2無線手柄會控制伺服電機的定位。機器人的首要位置是伺服電機的90度位置。圖10展示的是不同的脈沖寬度進入伺服電機的信號線時的不同位置角度。
4.6電路分析
正如圖5所示，這個項目所有的電路將有3種電源供給。
對電源供應3來說，LM7806的調節(jié)電壓為6V~12V，因為這是給私服系統(tǒng)供電的最大電壓。相比鋰電池來說，使用可充電且電壓高的鉛酸電池，可以使伺服電動機正常工作。
5.總結
總的來說，這個項目的目標都已經(jīng)實現(xiàn)：開發(fā)出了無線移動機械臂的軟件和硬件，實現(xiàn)了取放物體的系統(tǒng)操作，測試機器人滿足目標標準。從已做的分析可以看出，機器人的運動是精確的，易操作的且用戶友好的。
機器人的動作（包括移動和機械臂部分可以被無線控制）表明了移動機器人的成功研發(fā)。這個機器人的原型有望解決一些像放置或拿起遠離使用者的物體以及以最快速簡單的方式放置或拿起有危險的物體的問題。
6.建議
總體來說，機器人程序運作的像計劃一樣順暢。對以后的建議是，希望機器人可以安卓一個攝像頭來觀察并在顯示屏上顯示。除此之外，機器人原型的材料也可以升級一下，這樣機器人的承載能力就會加強且可以做多功能操作。
7.致謝
感謝項目管理員Reza Ezuan Bin Samin工程師和Babul Salam Bin KSM Kader Ibrahim教授對這個項目的鼓勵和支持，也感謝共事的朋友們在項目期間提供的幫助以及在遇到問題時他們的寶貴想法。
參考文獻
[1]R.C.Luo, K.L.Su,.A multi agent multi sensor based real-time sensory control system for intelligent security robot. IEEE International Conference on Robotics and Automation, vol. 2, 2003, pp.2394 .2399.
[2]Tan, Ming Chun (2005). Autonomous Robot Navigation using Radio Frequency. Bachelor Project. Thesis. Universiti Teknologi Malaysia, Skudai.
[3]Jennifer Bray, Charles F. Sturman (2002). “Bluetooth: connect withuot cables”, Upper Saddle river, New Jersey: Prentice-Hall PTR.
[4]Robot entry, http://education.yahoo.com/reference/dictionary/entry/robot accessed on 7th April 2012 at 2.00p.m.
[5]D.L. Pieper. The kinematics of manipulators under computer control. PhD Thesis, Stanford University, Department of Mechanical Engineering, 1968.
[6]L.Feng, J.Borenstein, D. Wehe, A Completely Wireless Development System for Mobile Robots.ISRAM conferecence, Montpellier, France, May 2730, 1996, pp.571-576.