智慧型機器手臂–第一部分：機械結構和接線

您有沒有想過擁有一款可以幫您滿足日常需求的設備？而且該設備能夠區分您（主人）和其他非授權使用者，這並非是一款簡單的普通工具。在本教材中，我們將向您介紹一款能夠識別並理解您語音命令的智慧型機器手臂。此機器手臂透過OpenCV軟體實現了人臉識別系統。（為了做測試，我們開發了演算法來檢測小球顏色。）

作為MakeMIT硬體駭客馬拉松專案的一部分，我與同事Isac Andrei和VladNiculescu合作研發了該智慧型機器手臂。由於其創新程度和創造性，該專案名列前10名。

硬體

• Arduino UNO
• 麥克風
• 網路相機
• 伺服馬達

軟體

• Arduino IDE
• GitHub (https://github.com/DevicePlus/SmartRoboticArm)

工具

• 膠槍
• 壓克力
• 螺絲
• 膠帶
• 電鋸

第一步：結構與力學

處理機器手臂的手腕時，必須非常小心。如果不考慮伺服馬達角度就開始組裝手腕零件，那麼可能會導致手臂發生故障—機器手臂可能發生您無法控制的失控行為。在步驟1中，您需要做的就是將5台伺服馬達連接到Arduino開發板上，並找到每個伺服機構的正確位置。正確的順序是自下而上進行校正。

I.底座

底座設計為可向左移動90度，也可向右移動90度。將它放置在金屬升降機上，使基座可以旋轉。這是一個關鍵，因為當發出語音命令的人移動時，手臂必須緊跟該人物並進行追蹤。而且這種行為必須非常精準，以便相機可以一直對準人臉。

底座伺服系統安裝在一個40x30cm的大壓克力板上，以保持穩定。您也可以用更強大的材料替代壓克力板，進而支撐能夠抓起重物的大型機器手臂。

伺服馬達安裝在一塊12x12cm的小塊壓克力板上。我們在小塊板中間鑽了一個與伺服馬達相同尺寸的孔。然後，將伺服馬達用螺絲鎖到孔上（圖2）。

II.肩部

肩部由二台伺服馬達組成，它們相互配合以抓起物體並放在正確的位置。本專案最重要的校正就在肩部。這兩個伺服系統必須完美結合，從Arduino開發板上獲得完全相同的命令，並且必須反相同步。為了獲得良好的同步性，將二台馬達安裝上機器手臂之前，必須將其面對面安裝，並通過程式設計擺動到同一側。

如果它們的行為不一致，那麼處於上游位置的伺服馬達會強制第二個馬達移動，從而產生短路，最終導致第二個伺服電機燒掉。

如果伺服系統的解析度不一樣，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馬達。如果它們品質很好，那麼實際扭矩會與資料表相同，並且具有提升重物的能力。

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

圖4顯示了安裝在我們之前所構建的底座上的肩部結構。伺服機構固定的部位採用旋轉結構。肩部必須牢牢地固定在基座上，但也必須能夠自由旋轉。平衡旋轉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用金屬零件。中心重量必須相同，這樣機器手臂旋轉時才不會掉落。對於這一部分，我們還放置了一個金屬肘，以便伺服機構沒有插入時能維持機器臂重量。

III.肘部

現在，我們來看一下肘部。肘部伺服部分透過手臂高度進行控制。由於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。我們對該機器手臂原型的肘部伺服系統進行程式設計，讓手臂撿起一個球—系統會協調抓取器和肩膀，兩者相互配合，最終將球抓起。

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。

肘部使用SketchUp STL進行設計，並用3D印表機列印。（STL可以將圖形轉換為能夠列印的3D模型）。根據設計，肘部在允許彎曲的角度上連接二個延伸部分。

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，延伸部分不應連接上其他任何東西。每個壓克力延伸零件尺寸為20 x 7釐米。延伸部分的另一端再用小壓克力片粘合起來，以便將兩部分固定在一起。您可以改變尺寸，但是由於伺服機構的限制，機器手臂的尺寸不應太大。

如果您決定更改尺寸（比如製作一個較小的手臂），那麼請確保計算出零件的正確尺寸。否則，手臂將發生故障，無法拾起重物。網路相機則安裝在延伸部件之上。

VI.手腕

手腕由能夠抓取某些小物體的爪鉗/捕捉器構成。在本文中，我們以抓取小球為例。當然，手臂還可以抓取並提起適合爪鉗的其他物體。您還可以根據您的具體偏好進行設計—必要時請使用SG90 SketchUp檔進行必要修改。您只需根據所抓物體的形狀來改變爪鉗形狀即可。

手腕部分也使用SketchUp中的3D模型構建。如果我們想要拿起較重的物體，可以用爪鉗抓住它們。但是，爪鉗抓取物體時如果較為費力，可能會對其造成損壞。

步驟2：連接伺服馬達

1. 底座

底座伺服（圖2）被設置為從0度開始，這意味著它將從左側開始搜索使用者。其旋轉角度為140度—機器手臂可追蹤人員遞送物體的範圍。我們在0度進行校正—這是伺服的中心，葉片面向上方的垂直放置。

在控制功能中，基座的解析度為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馬達的位置，因為相互作用即時進行。為此，我們開發了兩個功能：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。他們必須彎曲機器手臂。我們應當指出以下限制，這很重要：

由於前臂的長度，肩部的操作角度不能小於45度，我們有2個例子：

當肩部處於最低位置時，機器人手臂可以拾起最遠的物體；

當肩部處於最高位置時，機器人手臂可以拾起最近的物體；

我們選定的角度對於肩部來說已經足夠，因為它足以讓機器手臂拾起物體並將其交給正確的人員。

肘部的最大位置不能超過140度，因為該專案的目的是在平面上構建機器手臂，並且將相機與使用者處保持在同一高度。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，最終實現抓取物體的功能。

本次智慧型機器手臂教材的第一部分描述了手臂的一般機械結構，以及伺服馬達如何與機器手臂各連接處進行連接的方法。本教材的第二部分將會介紹幾款用C＃編寫的機器手臂控制程式。敬請繼續留意我們的發表內容！