Программируемый набор 3-осевой манипулятора — локальное и удаленное управление через Arduino и Bluetooth

Компоненты и материалы

Arduino Mega 2560	×	1
SainSmart DIY 3-Axis Control Palletizing Robot Arm Model для Arduino UNO MEGA2560	×	1
MeArm DIY Robot Arm Kit	×	1
HC-06 Bluetooth модуль	×	1
Adafruit RGB Backlight LCD 16x2	×	1
Android устройство	×	1
Потенциометр вращательный 10 кОм	×	4
Кнопка тактовая 12 мм	×	3
Светодиоды (красный, синий, зеленый, желтый)	×	4

Приложения и сервисы

Arduino IDE

MIT App Inventor 2

О проекте

Цель этого руководства — пошагово разработать проект управления и программирования манипулятора, имитирующего базовые функции промышленного робота.

Шаг 1: Спецификации

Робот имеет две основные функции:

• Программирование (Program): запись позиций манипулятора в трех измерениях (каждая запись — «шаг»);
• Выполнение (Run): последовательное выполнение записанных позиций. Программа работает до команды «ABORT».

Основные характеристики:

• Управление роботами с 3 или 4 степенями свободы (DOF);
• Режимы «LOCAL» (локальное) и «REMOTE» (удаленное через Android);
• Переключение режимов во время программирования;
• Индикация через цветные LED, 2-строчный LCD дисплей и звуковой извещатель (зуммер);
• Звуковая тревога может запускаться удаленно.

Шаг 2: Проект

Блок-схема показывает спецификацию материалов. Выбрал Arduino MEGA, чтобы не беспокоиться о количестве пинов (на UNO понадобился бы расширитель, например 74138).

Для Bluetooth используется HC-06. Android-приложение для «remote mode» разработано в MIT App Inventor 2, доступно бесплатно в Google Play: «MJRoBot Arduino Robot Arm Control».

Видео демонстрирует удаленное программирование.

Шаг 3: Разработка проекта

Роботизированные манипуляторы классифицируются по количеству «суставов» или степеней свободы (DOF):

• База (Основание/Таз) — поворачивает руку на 180° или 360° (в проекте серво 180°);
• Плечо (Shoulder) — поднимает/опускает руку вертикально;
• Локоть (Elbow) — двигает руку вперед/назад;
• Захват (Claw/Gripper) — открывается/закрывается для захвата предметов.

Шаг 4: Схема подключения

Сервоприводы приводят суставы в движение, подключены прямо к Arduino. На базе иногда используют шаговые двигатели для большего момента и точности. Выбор серв критичен (дешевые китайские MG995 плохо сделаны, но для проекта подошли).

Питание серв должно быть отдельным от Arduino и остальной электроники. Внешний источник 5-6В (проверьте даташит серв). Рекомендуется конденсатор 470 мкФ между VCC и GND для сглаживания шумов от двигателей серв. Все «Ground» должны быть соединены (внешний источник с GND Arduino).

Если сервы вибрируют — увеличьте задержки в коде, чтобы сервы успевали дойти до позиции. Также проверьте, цифровые или аналоговые сервы: цифровые работают на 300 Гц, аналоговые на 50 Гц. Стандартная библиотека Servo.h для аналоговых, для цифровых может потребоваться модификация.

Шаг 5: Код

Проект не сложный, но много переменных. Разумно определить их в отдельном файле:

ArmDefine.h

Здесь же задаются минимальные, максимальные и начальные углы серв. В коде два набора параметров для протестированных манипуляторов (использовать только один):

// MeArm 4-DOF
#define minGrip 15
#define minBase 0
#define minShou 60
#define minElbw 60
#define maxGrip 45
#define maxBase 170
#define maxShou 180
#define maxElbw 150
#define midGrip 30
#define midBase 87
#define midShou 138
#define midElbw 100

/* SS 3-DOF
#define minGrip 75
#define minBase 5
#define minShou 5
#define minElbw 0
#define maxGrip 125
#define maxBase 150
#define maxShou 155
#define maxElbw 0
#define midGrip 100
#define midBase 90
#define midShou 90
#define midElbw 0
*/

У каждого манипулятора свои параметры. Рекомендую: поставьте потенциометры в середину, PWM маппинг по умолчанию (Max=255, Min=0, Mid=126). Затем поворачивайте потенциометры по одному и смотрите в Serial Monitor или на LCD минимальные/максимальные рабочие значения. Их и пропишите в ArmDefine.h.

Для записи наборов координат (шагов) использую массивы:

int gripPosition[100];
int basePosition[100];
int shouPosition[100];
int elbwPosition[100];
int positionIndex = 0; // индекс для массива записанных задач

Записанная программа не сохраняется после выключения (индекс сбрасывается в 0). Можно хранить в EEPROM для сохранения между сессиями.

Шаг 6: Логика программы

Главный блок loop() прост:

void loop() {
  checkBTcmd();
  defineLocalRemote();
  execTaskCmd = digitalRead(execTaskPin);
  if (execTaskCmd == HIGH || command == "runon") {
    RunProgram();
  } else {
    recArmPosition();
  }
  command = "";
}

• checkBTcmd() — собирает строку из символов, приходящих от BT модуля, кладет в переменную command.
• defineLocalRemote() — анализирует command на смену режима Local/Remote. Также обрабатывает команду тревоги: если тревога с Android, рука обязательно переходит в Remote.
• RunProgram() — подготовка (LED и т.д.) и вызов ExecuteTask(). Последняя содержит логику выполнения последовательности шагов: увеличивает positionIndex, посылает позиции сервам через armPosition(grip, base, shoulder, elbow).
• recArmPosition() — реально командует сервами и записывает шаги. В зависимости от команды от Android позиционирование серв происходит через потенциометры или слайдеры приложения. При изменении позиции координаты отправляются сервам через armPosition. При команде «SAVE» или «PROGRAM» индекс массива увеличивается и шаг сохраняется.

Код разбит на файлы по функциям:

• MJRoBot_Arm_Robot_Task_Prgm.ino — setup, loop и основные функции;
• General_Functions.ino — общие функции: checkBTcmd(), генерация звука beep(pin, freq, ms), дебаунс кнопок debounce(pin);
• Arm_Ctrl_and_Display.ino — чтение потенциометров readPotenciometers(), чтение слайдеров Android readSliders(), установка серв armPosition(grip, base, shoulder, elbow), функции отображения на LCD, Serial Monitor, тревоги.

Видео показывает 4DOF манипулятор «meArm», запрограммированный удаленно через Android-приложение.

Полный исходный код на GitHub: https://github.com/Mjrovai/MJRoBot-Programmed-Arm

Файлы проекта: F49C85FIL8CVX0P.ino, FC4OQJNIL8CVX1C.h, FBYPQAMIL8CVX1D.ino, F2SBAXVIL8CVX1E.ino

Шаг 7: Заключение

Надеюсь, проект поможет другим в увлекательном мире электроники, робототехники и IoT! Больше проектов в блоге: MJRoBot.org

Привет с юга мира! До встречи в следующем уроке!

Спасибо, Марсело

Код

Фрагмент кода #1 (Arduino) — параметры манипулятора

// MeArm 4-DOF
#define minGrip 15
#define minBase 0
#define minShou 60
#define minElbw 60
#define maxGrip 45
#define maxBase 170
#define maxShou 180
#define maxElbw 150
#define midGrip 30
#define midBase 87
#define midShou 138
#define midElbw 100

/* SS 3-DOF
#define minGrip 75
#define minBase 5
#define minShou 5
#define minElbw 0
#define maxGrip 125
#define maxBase 150
#define maxShou 155
#define maxElbw 0
#define midGrip 100
#define midBase 90
#define midShou 90
#define midElbw 0
*/

Фрагмент кода #2 (Arduino) — массивы позиций

int gripPosition[100];
int basePosition[100];
int shouPosition[100];
int elbwPosition[100];
int positionIndex = 0; // индекс для массива записанных задач

Фрагмент кода #3 (Arduino) — основной цикл

void loop() {
  checkBTcmd();
  defineLocalRemote();
  execTaskCmd = digitalRead(execTaskPin);
  if (execTaskCmd == HIGH || command == "runon") {
    RunProgram();
  } else {
    recArmPosition();
  }
  command = "";
}

GitHub

https://github.com/Mjrovai/MJRoBot-Programmed-Arm

Схемы

Роботизированная рука

Схема на GitHub