关于智能机器人手臂机械结构和接线分析制作

您有没有想过拥有一款可以帮您满足日常需求的设备？而且该设备能够区分您（主人）和其他非授权用户，这并非简单的普通工具。在本教程中，我们将向您介绍一款能够识别并理解您语音命令的智能机器人手臂。此机器手臂通过OpenCV软件实现了人脸识别系统。（为了测试目的，我们开发了算法来检测小球颜色。）

作为MakeMIT硬件马拉松项目的一部分，我与同事Isac Andrei和VladNiculescu合作研发了该智能机器人手臂。由于其创新程度和创造性，该项目在硬件马拉松中排名前10。

硬件

Arduino UNO

麦克风

网络摄像头

伺服电机

软件

Arduino IDE

GitHub（https://github.com/DevicePlus/SmartRoboticArm）

工具

胶枪

丙烯酸树脂

螺丝

胶带

电锯

第一步：结构与力学

处理机器手臂的手腕时，必须非常小心。如果不考虑伺服电机角度就开始组装手腕部件，那么可能会导致手臂发生故障——机器人手臂可能发生您无法控制的混沌行为。在步骤1中，您需要做的就是将5台伺服电机连接到Arduino开发板上，并找到每个伺服机构的正确位置。正确的顺序是自下而上进行校准。

I.底座

底座设计为可向左移动90度，也可向右移动90度。将它放置在金属升降机上进而使基座可以旋转。这是一个关键部分，因为当发出语音命令的人移动时，手臂必须跟随并追踪人物。而且这种跟随必须准确，以便摄像头总能发现人脸。

图1：底座顶视图

底座随动系统安装在一个40 x 30厘米的大亚克力板上，以保持稳定。您也可以用更强大的材料替代亚克力板，从而支撑能够拾起重物的大机器人手臂。

伺服电机安装在一块12 x 12厘米的较小亚克力板上。我们在小板中间钻取了一个与伺服电机尺寸相同的孔。然后，将伺服电机用螺丝拧到孔上（图2）。

图2：底座（前视图）

II.肩部

肩部由两台伺服电机组成，它们相互配合以拾取物体并放置在正确的位置。该项目最重要的校准就在肩部。这两个伺服系统必须完美结合，从Arduino开发板上获得完全相同的命令，并且必须反相同步。为了获得良好的同步性，将两台电机放置在机器人手臂上之前，必须将其面对面放置并通过编程摆动到同一侧。

图3：伺服电机同步性

如果它们的行为不一致，那么处于上游位置的伺服电机会强制第二个电机移动，从而产生短路，最终导致第二个伺服电机烧掉。

如果伺服系统的分辨率不一样，您将无法使它们同步。在这种情况下，最好的办法则是仅使用一种伺服电机。如果它们质量很好，那么实际扭矩会与数据表相同，并且具有提升重物的能力。

另外，为了安全起见，在肩部的基座上装一个旋钮非常好。您也可以使用金属支架，将其放置到所需角度，以防止机械臂坠落。

图4：肩部组件

图4显示了我们之前构建的安装在底座上的肩部。伺服机构固定的部位采用旋转结构。肩部必须牢固地固定在基座上，但也必须能够自由旋转。平衡旋转部分的每一边也很重要，因为我们的装置含有一些较重的支撑金属部件。中心重量必须相同，这样机器手臂旋转时才不会掉落。对于这一部分，我们还放置了一个金属筋（即金属弯头），以便伺服机构没有插入时维持机器臂重量。

III.肘部

现在，我们来看一下肘部。肘部伺服部分通过手臂高度控制。由于手臂必须返回到原来位置，所以肘部延伸部分与肩部之间的最大角度不得超过100度。我们对该机器人手臂原型的肘部伺服系统进行编程，让手臂捡起一个球——系统会协调捕捉器和肩膀，两者相互配合，最终将球拾起。

肘部的工作原理如下：

当肘部延伸部分与肩部之间的角度较小时，肩部的角度将增大；

当肘部和肩部之间的角度较大时，肩部的角度将会减小。

图5：肘部

肘部使用SketchUp STL设计，并用3D打印机打印。（STL扩展可以将图形转换为能够打印的3D模型）。根据设计，肘部在允许弯曲的角度连接2个延伸部分。

图6：肘部的3D模型

当然，肘部的延伸部件需要能够很容易地抬起，所以除了肘部，延伸部分不应连接其他任何东西。每个丙烯酸树脂延伸部件尺寸为20 x 7厘米。延伸部分的另一端用小丙烯酸片粘合起来，以便将两部分固定在一起。您可以改变尺寸，但是由于伺服机构的限制，机械臂的尺寸不应太大。

如果您决定更改尺寸（比如制作一个较小的手臂），那么请确保计算出零件的正确尺寸。否则，手臂将发生故障，无法拾起重物。网络摄像机安装在延伸部件上。

图7：安装在机器人手臂上的网络摄像头

IV.手腕

手腕由能够抓取某些小物体的爪钳/捕捉器构成。在本文中，我们以抓取小球为例。当然，手臂还可以抓取并提起适合爪钳的其他物体。您还可以根据您的具体偏好进行设计——必要时请使用SG90 SketchUp文件进行必要修改。您需要做的就根据所抓物体的形状来改变爪钳形状。

图8：手腕

手腕部分也使用SketchUp中的3D模型构建。如果我们想要拿起较重的物体，可以用爪钳抓住它们。但是，爪钳抓取物体时比较有力，可能会对其造成损坏。

图9：手腕的3D模型

步骤2：连接伺服电机

1.底座

图10：底座伺服系统的接线图

底座伺服（图2）被设置为从0度开始，这意味着它将从左侧开始搜索用户。其旋转角度为140度——机器人手臂可追踪人员递送物体的范围。我们在0度进行校准——这是伺服的中心，叶片面向上方垂直放置。

在控制功能中，基座的分辨率为4度。这是因为在这种情况下，精度不需要太完美。较高的精度反而会导致处理变得缓慢。

每次我们都都需要检查伺服电机的位置，因为相互作用实时进行。为此，我们开发了两个功能：左方和右方。这两个功能可以从35个不同位置追踪人员。

2.肩部和肘部

肩部与肘部一起能够完成一项重要功能。他们必须弯曲机器人手臂。我们应当指出以下限制，这很重要：

由于前臂的长度，肩部的操作角度不能小于45度，我们有2个例子：

当肩部处于最低位置时，机器人手臂可以拾起最远的物体；

当肩部处于最高位置时，机器人手臂可以拾起最近的物体；

我们选定的角度对于肩部来说已经足够，因为它足以让手臂拾起物体并将其交给正确的人员。

图11：肩部范围

肘部的最大位置不能超过140度，因为该项目的目的是在平面上构建机器人手臂，并且将摄像头与用户处保持在同一高度。我们认为只用70度即可，因为这足以弯曲机器人手臂。

肩部角度和肘部角度之间的组合使手臂具有很大的灵活性，从而形成完整的机器手臂，最终实现拾取物体的功能。

图12：肘部范围

图13：肩部伺服接线图

图14：肘部伺服接线图

本智能机器人手臂教程的第1部分描述了手臂的一般机械结构，以及伺服电机如何与手臂不同连接处进行连接的方法。