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[摘 要]随着科技的发展，世界各国对机器人的研究越来越多。机械手的研究属于机器人研究领域之一，目前在工业、医疗、助残等方面的研究越来越多中。本文研究的对象是一种用于搬运的机械手的控制系统，以arduino2560为控制器设计，PDI-6221MG 20KG防水舵机作为驱动器。控制系统的电路由电源、蓝牙模块和控制器arduino2560组成。实现在移动设备上控制机械手，根据使用者在移動设备上的输入的角度来控制机械手的动作，实现人机交互。
[关键词]机械手；控制系统；蓝牙
中图分类号：TH952 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）32-0000-01
0 引言
随着社会经济发展，各国对机械手的研究越来越多，随着珠三角地区持续掀起“机器换人”的浪潮更迎来了机械手研究的快速发展。本文研究机械手的控制系统是在互联网+的思维基础上进行研究的，使用者通过使用移动设备，输入一定角度值，根据运动学与动力学的基础来控制机械手的动作。本文介绍了机械手的执行机构与控制系统的电路组成主要由电源、蓝牙模块和控制器arduino2560组成。以及分析了移动设备如何对机械手进行控制的过程。
1 机械手系统设计
整个机械手由云台、舵机、机械手爪、支撑架组成。其控制器使用arduino 2560来控制，通过蓝牙模块与移动设备配对后，使用者在移动设备上输入信息，信息通过蓝牙模块传递到机械手上的蓝牙模块中，实现人机交互的远程控制、便携控制角度的功能。整个系统控制流程图如图1所示。
2 控制系统设计
本文研究的舵机能实现机械手各个舵机的同时控制以及可以实时接收来自移动设备通过蓝牙模块传输过来的信息，并能够将当前角度同步的反馈到移动设备的控制界面上。通过对舵机参数的试验，控制器只要提供pwm脉冲信号，就可以用arduino来控制舵机的转角。PWM信号由arduino程序来产生模拟信号。信号传输由蓝牙模块来控制，蓝牙模块通过与移动设备配对后，接收来自移动设备的信息，对机械手末端机械爪角度控制。机械爪角度根据舵机旋转角度与舵机支架的长度计算得出，控制系统中还包括电源的设计以及PWM控制。
电源是控制系统中不可缺少的一部分，本文所使用的电源是11.1V的航模电池，但是上文中所讲到的驱动器（舵机）供电电压为只需要6V左右，控制器（arduino2560）供电要求默认为5V，但是实际使用中，我们发现供电电压是完全可以达到6V的。蓝牙模块供电在5V左右，所以必须在中间加以稳压元件，因为arduino可以使用6V供电，通过稳压模块XL4005将航模电池的11.1V电压转换到6V后为在给arduino2560与舵机供电，再从arduino2560的5V输出口给蓝牙模块供电，以实现系统的全部供电。
3 驱动机构控制
本文所采用的执行的驱动采用常见的PDI-6221MG20KG（最大脉冲宽度500-2500，中立点1500us，最大角度175+/-2度，扭矩20.32kg.cm，如图2所示）。在控制时，只需要接三根线，包括PWM信号线、电源线和接地线，控制起来非常方便。动作时，根据出厂时的预设角度值为基准，通过控制器传来角度控制信号，舵机可以准确的转到指定的角度。
4 机械手运动控制
机械手是机器人的主要组成部分，机械手可以看做由舵机来代替人的关节，舵机的转动使机械手形成一个旋转运动。不同的舵机组合可以实现不同的关节运动，如转动关节、移动关节。在控制舵机时，根据不同的角度、位置要求，通过arduino进行想要的角度与自身的角度计算。
目前基于运动学计算的研究方法有多种，例如拉格朗日、欧拉公式等，通过这些公式，我们可以算出机械手根据移动设备输入的角度值、位置量进行舵机所需要的旋转角度的输出，根据上下舵机转角优先级及转角各个舵机对应的角度比例函数，实现机械手根据所输入的角度、位移量形成运动轨迹，并根据轨迹进行旋转，实现机械手的功能。
但是在实际运行中，因为舵机数量的增多，公式方程中关节的参数将越来越多，使得整个公式變的更为繁琐并变的难以计算，使用arduino2560来计算公式显得难以实现快速响应的目的。同时机械手的动力学方程中包含各类正弦余弦计算公式，在计算过程中又会出现他们的导数以及他们的二介导
数。经过试验，我们发现3-4个舵机组成的机械手是arduino2560控制较为合适的情况。舵机数量若是再增多将会影响控制器的计算，甚至导致程序崩溃。在实际操作中，为了使机械手能到达一个确定的位置，我们将机械手上的多个舵机按照一定的比例旋转的方式来控制，而不是按照先旋转一个舵机到底，再控制另一个舵机。本文认为以这种方式达到电机的联动显得更为合理并更有一定多个适应性。
5 结束语
本文设计了一种利用蓝牙来传递数据，通过操作者操作移动设备，将角度值或者位移量从移动设备中输入到控制器arduino2560，控制系统根据输入的角度值或位移量进行算法控制，将计算出来的各个舵机角度值按顺序旋转。通过测试时，发现3-4个舵机时，舵机的控制符合机械手快速响应、控制稳定，同时一级舵机的扭矩能满足使用要求，显得较为合适。此方法控制机械手操作简单，可以利用多种移动终端或是其他蓝牙设备，使机械手的控制更加的智能化。
参考文献
[1] 王成军.七功能水下机械手本体设计及自适应控制研究[D].哈尔滨工程大学，2009.
[2] 张敏.水下机械手设计及仿真研究[D].西北工业大学，2005.
[3] 贾卫东.基于STM32单片机的码垛机械手控制系统的研究与设计[D].辽宁科技大学，2015.
[4] 蒋亚飞.三自由度机械手控制系统的设计与实现[D].广东工业大学，2016.
[关键词]机械手；控制系统；蓝牙
中图分类号：TH952 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）32-0000-01
0 引言
随着社会经济发展，各国对机械手的研究越来越多，随着珠三角地区持续掀起“机器换人”的浪潮更迎来了机械手研究的快速发展。本文研究机械手的控制系统是在互联网+的思维基础上进行研究的，使用者通过使用移动设备，输入一定角度值，根据运动学与动力学的基础来控制机械手的动作。本文介绍了机械手的执行机构与控制系统的电路组成主要由电源、蓝牙模块和控制器arduino2560组成。以及分析了移动设备如何对机械手进行控制的过程。
1 机械手系统设计
整个机械手由云台、舵机、机械手爪、支撑架组成。其控制器使用arduino 2560来控制，通过蓝牙模块与移动设备配对后，使用者在移动设备上输入信息，信息通过蓝牙模块传递到机械手上的蓝牙模块中，实现人机交互的远程控制、便携控制角度的功能。整个系统控制流程图如图1所示。
2 控制系统设计
本文研究的舵机能实现机械手各个舵机的同时控制以及可以实时接收来自移动设备通过蓝牙模块传输过来的信息，并能够将当前角度同步的反馈到移动设备的控制界面上。通过对舵机参数的试验，控制器只要提供pwm脉冲信号，就可以用arduino来控制舵机的转角。PWM信号由arduino程序来产生模拟信号。信号传输由蓝牙模块来控制，蓝牙模块通过与移动设备配对后，接收来自移动设备的信息，对机械手末端机械爪角度控制。机械爪角度根据舵机旋转角度与舵机支架的长度计算得出，控制系统中还包括电源的设计以及PWM控制。
电源是控制系统中不可缺少的一部分，本文所使用的电源是11.1V的航模电池，但是上文中所讲到的驱动器（舵机）供电电压为只需要6V左右，控制器（arduino2560）供电要求默认为5V，但是实际使用中，我们发现供电电压是完全可以达到6V的。蓝牙模块供电在5V左右，所以必须在中间加以稳压元件，因为arduino可以使用6V供电，通过稳压模块XL4005将航模电池的11.1V电压转换到6V后为在给arduino2560与舵机供电，再从arduino2560的5V输出口给蓝牙模块供电，以实现系统的全部供电。
3 驱动机构控制
本文所采用的执行的驱动采用常见的PDI-6221MG20KG（最大脉冲宽度500-2500，中立点1500us，最大角度175+/-2度，扭矩20.32kg.cm，如图2所示）。在控制时，只需要接三根线，包括PWM信号线、电源线和接地线，控制起来非常方便。动作时，根据出厂时的预设角度值为基准，通过控制器传来角度控制信号，舵机可以准确的转到指定的角度。
4 机械手运动控制
机械手是机器人的主要组成部分，机械手可以看做由舵机来代替人的关节，舵机的转动使机械手形成一个旋转运动。不同的舵机组合可以实现不同的关节运动，如转动关节、移动关节。在控制舵机时，根据不同的角度、位置要求，通过arduino进行想要的角度与自身的角度计算。
目前基于运动学计算的研究方法有多种，例如拉格朗日、欧拉公式等，通过这些公式，我们可以算出机械手根据移动设备输入的角度值、位置量进行舵机所需要的旋转角度的输出，根据上下舵机转角优先级及转角各个舵机对应的角度比例函数，实现机械手根据所输入的角度、位移量形成运动轨迹，并根据轨迹进行旋转，实现机械手的功能。
但是在实际运行中，因为舵机数量的增多，公式方程中关节的参数将越来越多，使得整个公式變的更为繁琐并变的难以计算，使用arduino2560来计算公式显得难以实现快速响应的目的。同时机械手的动力学方程中包含各类正弦余弦计算公式，在计算过程中又会出现他们的导数以及他们的二介导
数。经过试验，我们发现3-4个舵机组成的机械手是arduino2560控制较为合适的情况。舵机数量若是再增多将会影响控制器的计算，甚至导致程序崩溃。在实际操作中，为了使机械手能到达一个确定的位置，我们将机械手上的多个舵机按照一定的比例旋转的方式来控制，而不是按照先旋转一个舵机到底，再控制另一个舵机。本文认为以这种方式达到电机的联动显得更为合理并更有一定多个适应性。
5 结束语
本文设计了一种利用蓝牙来传递数据，通过操作者操作移动设备，将角度值或者位移量从移动设备中输入到控制器arduino2560，控制系统根据输入的角度值或位移量进行算法控制，将计算出来的各个舵机角度值按顺序旋转。通过测试时，发现3-4个舵机时，舵机的控制符合机械手快速响应、控制稳定，同时一级舵机的扭矩能满足使用要求，显得较为合适。此方法控制机械手操作简单，可以利用多种移动终端或是其他蓝牙设备，使机械手的控制更加的智能化。
参考文献
[1] 王成军.七功能水下机械手本体设计及自适应控制研究[D].哈尔滨工程大学，2009.
[2] 张敏.水下机械手设计及仿真研究[D].西北工业大学，2005.
[3] 贾卫东.基于STM32单片机的码垛机械手控制系统的研究与设计[D].辽宁科技大学，2015.
[4] 蒋亚飞.三自由度机械手控制系统的设计与实现[D].广东工业大学，2016.