2．机械臂本体的设计

2.1机械臂类型方案选择
机械臂的种类繁多，首先是针对坐标形式和驱动形式，对其进行一系列的选型，选择最为合适的方案，对整体功能实现起到关键作用。[6]
（1）坐标形式
笛卡尔坐标：机械臂在由x、y、z组成的右手直角坐标内做直线运动，名为笛卡尔坐标，如下图2.1所示。该类型需要预留大量的操作空间，刚性的结构给末端位置提供了精确的位置，但是该类型维护起来较难，由于直线运动是采用旋转电机配合上螺母和滚珠丝杠来实现的，因此堆积在螺杆中的灰尘会影响机械臂的滑动，且其组件必须采用刚性高的材料，这类机械臂造价较高，考虑到成本关系且占据空间大，工作范围小，故对此类型坐标不做考虑。[7]

图2.1 笛卡尔坐标机械臂
圆柱坐标：该类型机械臂采用了两个平移关节和一个旋转关节，运动坐标就是圆柱坐标，如下图2.2所示。图中机械臂能够作出z轴方向的伸长与缩短运动、y轴方向的上下移动和腰关节的360度旋转运动。与直角坐标相比较，该工作空间是一个圆柱体，与长方体空间相比较，空间要小一点，可以看到，如果所要抓取的物体高度比机械臂底座要矮，则根本抓取不了，这在一定的程度上限制了手臂的发挥空间，同时惯性也比较大。同样的，其直线驱动部分也难以实现防尘。考虑到本设计要识别抓取地面上的工件，故不采用该坐标形式的机械臂。

图2.2 圆柱坐标机械臂

3．机械臂控制系统的设计

3.1 Arduino开发板介绍
在我看来，Arduino自从面世以来，就是为了满足人们那丰富的想象力，它是人们实现自己的想法的万能愿望机，就像是乐高积木。它的组成部分是一个基于单片机并且开放源码的硬件平台和一套为Arduino板编写的程序，板子上的其他东西都是用于供电或者电脑连接的。只要在电脑上敲上几段代码，透过Arduino与其他电子设备通信，从而控制生活一些比较常见的电子设备。基本上就是没有你做不到的，只有你想不到的。[13]
在设计时候，Arduino可以用来开发交互产品，比如它可以读取大量的开关和传感器信号，并且可以控制各式各样设备。Arduino项目可以是单独的，也可以在运行时和你电脑中运行的程序（例如：Flash，Processing，MaxMSP）进行通讯。Arduino板你可以选择自己DIY,也可以是在市面上选择进行购买，其实，Arduino面世这么久，市面上各式各样，能够用于不同项目的开发板数不胜数。同时，Arduino开源的IDE可以免费下载得到Arduino的编程语言，而这个平台其实就是一个基于处理多媒体的编程环境。[14]
3.2基于Arduino控制舵机的原理
伺服电机的种类有很多种，其中精确定位来控制轴转过的角度是一大特点。伺服电机系统其实就是一种闭环系统，如下图3.1所示。

图3.1 电机闭环控制系统
它通过检测位置并反馈来控制其运动和最终的位置。一个精准度高的编码器就是我们在工业应用上的位置反馈传感器，其中精度问题就决定了伺服电机在工业上的应用范围，而这里我们所要用到的舵机就是一个微型的直流伺服电机。其实工业上的位置反馈传感器就是一个电位计，这个电位计相对于来说比较简单，这些传感器首先是根据一个目标位置的信号，然后该信号会与误差检测器进行通信连接，信息反馈后就会与实际位置进行校对，最后校对出来的误差就会使控制器工作，将电机的实际位置校对到我们事先设计好的目标位置上。
舵机是用于控制遥控玩具，飞机，船等的小型控制器，工程专业的学生还可以使用这类特殊的伺服电机来设计制作机器人，在舵机内部有四个主要组件，如下图3.2所示。

图3.2 舵机的组成部分

4．基于Proteus的仿真测试

Proteus软件功能强大，我们只要绘制出电气原理图，并且通过各种软件进行代码编辑，输出成Proteus能识别的文件，就可以在Proteus软件上进行仿真。更为出色的是，通过对代码不断的调试，并且与外围电路一起仿真，切换到PCB设计，就可以将我们的想法转变为实实在在的东西。其次是仿真的过程不会产生资源上的损耗，尤其是对于一些简单程序来控制的设计，可以说是大大减少了成本，对于一些复杂重要的设计，可以用Proteus循序渐进地仿真，将风险降到最低。
本文设计的机械臂是基于Arduino控制的，借用Proteus对其Arduino控制的舵机进行仿真测试，在舵机的pwm信号线上接上示波器，就可以看到仿真出来的波形，可以看出脉冲的宽度，通过宽度的大小来分析Arduino对舵机的控制是否恰当。[16]
4.1 Proteus电气原理图的建立
电气原理图如下图4.1所示，由于本文设计的机械臂是采用吸盘吸取物料，涉及到气泵的驱动，和两位三通电磁阀，气泵的作用是抽吸吸盘内部的气体，这里电气原理图采用直流电机来代替，电机开始转动就表示气泵开始工作。而两位三通电磁阀工作原理与继电器相类似，所以就用继电器接LED灯来表示电磁阀的打开和关闭。Arduino控制直流电机时，中间采用的电机驱动模块L298来控制，在连接继电器的时候，为了能让Arduino正常驱动继电器，就接入一个PNP的三极管来放大电流，同时为了保护PNP三极管，就在继电器和三极管间接了一个二极管，防止过流击穿三极管。而舵机的连接方式如上一章所述，其中，示波器接PWM信号线，以观察脉冲的宽度。

图4.1 Proteus电气原理图
4.3 Proteus仿真结果分析
在未进行分拣时，要对所有舵机进行初始位置的的调节，也就是腰部waist舵机要0度，大臂big arm舵机要90度，小臂samll arm舵机要90度，末端执行器actuato舵机要90度，我们知道在0度的位置所对应的脉冲宽度为0.5ms，在90度的位置所对应的脉冲宽度为1.5ms。仿真舵机初始位置的波形图如下图4.5所示。

图4.5 舵机在0度和90度位置的波形图

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