Удаленное IoT-управление самодельной манипулятором

Компоненты и материалы

Arduino MKR1000

1

Необходимые инструменты и станки

• Лазерный резак (универсальный)

Приложения и онлайн-сервисы

• MATLAB
• Arduino IDE

О проекте

Введение

Я давно хотел спроектировать роботизированную руку с нуля. Существует много открытых конструкций, но мне хотелось пройти полный цикл: проектирование, сборка и программирование с чистого листа (и это того стоило).

Видео работы готового проекта: YouTube / MathWorks.

Для программирования Arduino MKR1000 (MCU манипулятора) использовал Simulink. Добавил возможность управления откуда угодно через ThingSpeak — открытую IoT-платформу с аналитикой MATLAB.

Необходимое железо

• Фанера 15"x20", толщина 1/8 дюйма
• Arduino MKR1000
• 5 сервоприводов GS9025MG
• DC-разъем 2.1 мм для макетной платы
• Блок питания 6 В DC с разъемом
• Перемычки
• 3 транзистора 2n2222a
• 10 гайок M2 и 10 винтов M2×10
• 40 гайок M3 и 40 винтов M3×25

Используемое ПО

• MATLAB
• Simulink
• MATLAB Support Package for Arduino Hardware
• Simulink Support Package for Arduino Hardware
• MATLAB Support Package for ThingSpeak

Проектирование

Чтобы снизить стоимость, выбрал хобби-сервоприводы GS-9025MG. Это ограничило вес и размер: микросервы не выдают большой крутящий момент и не могут поднимать тяжелые рычаги.

Прототип из фанеры 1/4 дюйма оказался слишком тяжелым. Уменьшил длину рычагов и перешел на фанеру 1/8 дюйма — проблема решилась. Чертил в Fusion 360, экспортировал в .dxf и вырезал лазером.

Питание от батарей быстро садилось из-за большого тока — понадобилось стационарное питание 6 В.

У Arduino MKR1000 всего 4 ШИМ-вывода, а серв 5. Решил нестандартно: один ШИМ-пин управляет двумя сервами, а цифровой пин переключает их по очереди.

Программирование

Два этапа: прототипирование (сборка и командные углы) и точное управление через ThingSpeak.

Прототипирование

Слайдеры и константы задавали углы серв. Определил смещения между заданным и реальным углом, а также допустимые диапазоны. Блоки с шестерёнками — PWM Write для углов 0–180°.

Для обратной кинематики в 2D использовал методику из этой статьи.

Точное управление

Логика та же, но входы теперь из ThingSpeak. Блок loc2angles (MATLAB Function) переводит координаты X,Y в углы серв. Блок angles2loc сверяет прямую кинематику для мониторинга.

Ключевой инструмент Simulink — External Mode: мониторинг сигналов в реальном времени на работающем Arduino.

Блоки с облачком — ThingSpeak Read из Simulink Support Package. Задаёте Channel ID, номер поля и Read API Key — блок выдаёт данные из канала.

Работа с ThingSpeak: создание и использование канала

1. Перейдите на thingspeak.com.
2. Войдите через бесплатный аккаунт MathWorks (Sign in → MathWorks Account).
3. На дашборде нажмите New Channel.
4. Заполните поля как на скриншоте (имя, поля Field 1–5 для X, Y и серв).



5. Нажмите Save Channel.
6. Канал создан.
7. В MATLAB Command Window или MATLAB Mobile отправляйте команды:

   thingSpeakWrite(chID, [0.6963, 94, -12, 0, 0], 'WriteKey', APIKEY, 'Fields', [1 2 3 4 5]);
   

   Меняя значения во втором аргументе, меняете целевые позиции. Данные в канале обновятся:

   

Запуск модели

В Simulink: Model Configuration Parameters (шестерёнка) → Hardware Implementation → Hardware Board: Arduino MKR1000. В Target Hardware Resources → WiFi Properties введите SSID и пароль сети.

Зелёная кнопка Run — External Mode, синяя Deploy to Hardware — прошивка в плату.

После запуска модели пишите новые данные в поля ThingSpeak из MATLAB или MATLAB Mobile на телефоне — и наблюдайте за движением руки!

Код

Полные файлы модели Simulink и скрипты MATLAB: File Exchange.