您有沒(méi)有想過(guò)擁有一款可以幫您滿足日常需求的設(shè)備？而且該設(shè)備能夠區(qū)分您（主人）和其他非授權(quán)用戶，這并非簡(jiǎn)單的普通工具。在本教程中，我們將向您介紹一款能夠識(shí)別并理解您語(yǔ)音命令的智能機(jī)器人手臂。此機(jī)器手臂通過(guò)OpenCV軟件實(shí)現(xiàn)了人臉識(shí)別系統(tǒng)。（為了測(cè)試目的，我們開(kāi)發(fā)了算法來(lái)檢測(cè)小球顏色。）

作為MakeMIT硬件馬拉松項(xiàng)目的一部分，我與同事Isac Andrei和VladNiculescu合作研發(fā)了該智能機(jī)器人手臂。由于其創(chuàng)新程度和創(chuàng)造性，該項(xiàng)目在硬件馬拉松中排名前10。

硬件

Arduino UNO

麥克風(fēng)

網(wǎng)絡(luò)攝像頭

伺服電機(jī)

軟件

Arduino IDE

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

工具

膠槍

丙烯酸樹(shù)脂

螺絲

膠帶

電鋸

第一步：結(jié)構(gòu)與力學(xué)

處理機(jī)器手臂的手腕時(shí)，必須非常小心。如果不考慮伺服電機(jī)角度就開(kāi)始組裝手腕部件，那么可能會(huì)導(dǎo)致手臂發(fā)生故障——機(jī)器人手臂可能發(fā)生您無(wú)法控制的混沌行為。在步驟1中，您需要做的就是將5臺(tái)伺服電機(jī)連接到Arduino開(kāi)發(fā)板上，并找到每個(gè)伺服機(jī)構(gòu)的正確位置。正確的順序是自下而上進(jìn)行校準(zhǔn)。

I.底座

底座設(shè)計(jì)為可向左移動(dòng)90度，也可向右移動(dòng)90度。將它放置在金屬升降機(jī)上進(jìn)而使基座可以旋轉(zhuǎn)。這是一個(gè)關(guān)鍵部分，因?yàn)楫?dāng)發(fā)出語(yǔ)音命令的人移動(dòng)時(shí)，手臂必須跟隨并追蹤人物。而且這種跟隨必須準(zhǔn)確，以便攝像頭總能發(fā)現(xiàn)人臉。

圖1：底座頂視圖

底座隨動(dòng)系統(tǒng)安裝在一個(gè)40 x 30厘米的大亞克力板上，以保持穩(wěn)定。您也可以用更強(qiáng)大的材料替代亞克力板，從而支撐能夠拾起重物的大機(jī)器人手臂。

伺服電機(jī)安裝在一塊12 x 12厘米的較小亞克力板上。我們?cè)谛“逯虚g鉆取了一個(gè)與伺服電機(jī)尺寸相同的孔。然后，將伺服電機(jī)用螺絲擰到孔上（圖2）。

圖2：底座（前視圖）

II.肩部

肩部由兩臺(tái)伺服電機(jī)組成，它們相互配合以拾取物體并放置在正確的位置。該項(xiàng)目最重要的校準(zhǔn)就在肩部。這兩個(gè)伺服系統(tǒng)必須完美結(jié)合，從Arduino開(kāi)發(fā)板上獲得完全相同的命令，并且必須反相同步。為了獲得良好的同步性，將兩臺(tái)電機(jī)放置在機(jī)器人手臂上之前，必須將其面對(duì)面放置并通過(guò)編程擺動(dòng)到同一側(cè)。

圖3：伺服電機(jī)同步性

如果它們的行為不一致，那么處于上游位置的伺服電機(jī)會(huì)強(qiáng)制第二個(gè)電機(jī)移動(dòng)，從而產(chǎn)生短路，最終導(dǎo)致第二個(gè)伺服電機(jī)燒掉。

如果伺服系統(tǒng)的分辨率不一樣，您將無(wú)法使它們同步。在這種情況下，最好的辦法則是僅使用一種伺服電機(jī)。如果它們質(zhì)量很好，那么實(shí)際扭矩會(huì)與數(shù)據(jù)表相同，并且具有提升重物的能力。

另外，為了安全起見(jiàn)，在肩部的基座上裝一個(gè)旋鈕非常好。您也可以使用金屬支架，將其放置到所需角度，以防止機(jī)械臂墜落。

圖4：肩部組件

圖4顯示了我們之前構(gòu)建的安裝在底座上的肩部。伺服機(jī)構(gòu)固定的部位采用旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)。肩部必須牢固地固定在基座上，但也必須能夠自由旋轉(zhuǎn)。平衡旋轉(zhuǎn)部分的每一邊也很重要，因?yàn)槲覀兊难b置含有一些較重的支撐金屬部件。中心重量必須相同，這樣機(jī)器手臂旋轉(zhuǎn)時(shí)才不會(huì)掉落。對(duì)于這一部分，我們還放置了一個(gè)金屬筋（即金屬?gòu)濐^），以便伺服機(jī)構(gòu)沒(méi)有插入時(shí)維持機(jī)器臂重量。

III.肘部

現(xiàn)在，我們來(lái)看一下肘部。肘部伺服部分通過(guò)手臂高度控制。由于手臂必須返回到原來(lái)位置，所以肘部延伸部分與肩部之間的最大角度不得超過(guò)100度。我們對(duì)該機(jī)器人手臂原型的肘部伺服系統(tǒng)進(jìn)行編程，讓手臂撿起一個(gè)球——系統(tǒng)會(huì)協(xié)調(diào)捕捉器和肩膀，兩者相互配合，最終將球拾起。

肘部的工作原理如下：

當(dāng)肘部延伸部分與肩部之間的角度較小時(shí)，肩部的角度將增大；

當(dāng)肘部和肩部之間的角度較大時(shí)，肩部的角度將會(huì)減小。

圖5：肘部

肘部使用SketchUp STL設(shè)計(jì)，并用3D打印機(jī)打印。（STL擴(kuò)展可以將圖形轉(zhuǎn)換為能夠打印的3D模型）。根據(jù)設(shè)計(jì)，肘部在允許彎曲的角度連接2個(gè)延伸部分。

圖6：肘部的3D模型

當(dāng)然，肘部的延伸部件需要能夠很容易地抬起，所以除了肘部，延伸部分不應(yīng)連接其他任何東西。每個(gè)丙烯酸樹(shù)脂延伸部件尺寸為20 x 7厘米。延伸部分的另一端用小丙烯酸片粘合起來(lái)，以便將兩部分固定在一起。您可以改變尺寸，但是由于伺服機(jī)構(gòu)的限制，機(jī)械臂的尺寸不應(yīng)太大。

如果您決定更改尺寸（比如制作一個(gè)較小的手臂），那么請(qǐng)確保計(jì)算出零件的正確尺寸。否則，手臂將發(fā)生故障，無(wú)法拾起重物。網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)安裝在延伸部件上。

圖7：安裝在機(jī)器人手臂上的網(wǎng)絡(luò)攝像頭

IV.手腕

手腕由能夠抓取某些小物體的爪鉗/捕捉器構(gòu)成。在本文中，我們以抓取小球?yàn)槔?。?dāng)然，手臂還可以抓取并提起適合爪鉗的其他物體。您還可以根據(jù)您的具體偏好進(jìn)行設(shè)計(jì)——必要時(shí)請(qǐng)使用SG90 SketchUp文件進(jìn)行必要修改。您需要做的就根據(jù)所抓物體的形狀來(lái)改變爪鉗形狀。

圖8：手腕

手腕部分也使用SketchUp中的3D模型構(gòu)建。如果我們想要拿起較重的物體，可以用爪鉗抓住它們。但是，爪鉗抓取物體時(shí)比較有力，可能會(huì)對(duì)其造成損壞。

圖9：手腕的3D模型

步驟2：連接伺服電機(jī)

1.底座

圖10：底座伺服系統(tǒng)的接線圖

底座伺服（圖2）被設(shè)置為從0度開(kāi)始，這意味著它將從左側(cè)開(kāi)始搜索用戶。其旋轉(zhuǎn)角度為140度——機(jī)器人手臂可追蹤人員遞送物體的范圍。我們?cè)?度進(jìn)行校準(zhǔn)——這是伺服的中心，葉片面向上方垂直放置。

在控制功能中，基座的分辨率為4度。這是因?yàn)樵谶@種情況下，精度不需要太完美。較高的精度反而會(huì)導(dǎo)致處理變得緩慢。

每次我們都都需要檢查伺服電機(jī)的位置，因?yàn)橄嗷プ饔脤?shí)時(shí)進(jìn)行。為此，我們開(kāi)發(fā)了兩個(gè)功能：左方和右方。這兩個(gè)功能可以從35個(gè)不同位置追蹤人員。

2.肩部和肘部

肩部與肘部一起能夠完成一項(xiàng)重要功能。他們必須彎曲機(jī)器人手臂。我們應(yīng)當(dāng)指出以下限制，這很重要：

由于前臂的長(zhǎng)度，肩部的操作角度不能小于45度，我們有2個(gè)例子：

當(dāng)肩部處于最低位置時(shí)，機(jī)器人手臂可以拾起最遠(yuǎn)的物體；

當(dāng)肩部處于最高位置時(shí)，機(jī)器人手臂可以拾起最近的物體；

我們選定的角度對(duì)于肩部來(lái)說(shuō)已經(jīng)足夠，因?yàn)樗阋宰屖直凼捌鹞矬w并將其交給正確的人員。

圖11：肩部范圍

肘部的最大位置不能超過(guò)140度，因?yàn)樵擁?xiàng)目的目的是在平面上構(gòu)建機(jī)器人手臂，并且將攝像頭與用戶處保持在同一高度。我們認(rèn)為只用70度即可，因?yàn)檫@足以彎曲機(jī)器人手臂。

肩部角度和肘部角度之間的組合使手臂具有很大的靈活性，從而形成完整的機(jī)器手臂，最終實(shí)現(xiàn)拾取物體的功能。

圖12：肘部范圍

圖13：肩部伺服接線圖

圖14：肘部伺服接線圖

本智能機(jī)器人手臂教程的第1部分描述了手臂的一般機(jī)械結(jié)構(gòu)，以及伺服電機(jī)如何與手臂不同連接處進(jìn)行連接的方法。