用Arduino驅動開源MOVEO大型機械手臂

Posted By Lin Felix on 3 月 26, 2019 in 教學文, 機器人 | 2 comments

作者：Felix Lin、Kevin Chiu

本文介紹如何用Arduino控制單顆及多顆步進馬達來操控開源MOVEO大型機器手臂。

在開始介紹手臂控制前，我們一定得先認識一下 MOVEO 手臂的動力來源「步進馬達」。由於傳統馬達，無法得知馬達轉動的位置狀況，因此無法應用在機械手臂上；步進馬達顧名思義，便是將傳統馬達改為一步步前進的馬達，每次動作只會轉動一點角度（通常為 1.8 度），但由於它本身沒有回饋訊號，所以如果過載（負載太大），就會造成步進馬達失步，也就是會與我們預期的位置不一樣，因此它並非最常用在機械手臂的馬達，會將它應用在 MOVEO 是由於它符合需求且價格實惠。

步進馬達內部構造（圖片來源：步進馬達維基百科）

步進馬達驅動器

通常使用步進馬達都會搭配使用步進馬達驅動器（Driver），這麼做不只是因為懶得將兩相線圈交替輸出，以達到一步一步動作，而是大部分的驅動器都能將這一個步驟再細分為多個微步。以常見的 A4988 步進馬達驅動 IC 為例，就能將每 1 步再細分成 16 個微步，以達到更高的解析度，雖然加上驅動器不一定會更精準，但能使運作上更順暢；除此之外使用驅動器的優點還有很多，像是輸出電流、節省布線等。詳細請看下圖步進馬達驅動器運作原理。

步進馬達驅動器運作原理（圖片來源：hackaday）

步進馬達驅動器 TB6560 的接線圖（圖片來源：ROBOKITS INDIA）

在開始控制馬達前，要注意運作電流（Running Current），如下圖。依照筆者的實務經驗，可以將 Running Current 設定為一顆馬達額定電流的 80%為原則，以調整適當的電流。雖然電流越大可以讓馬達產生越大的扭力，但同時也容易造成馬達過熱，若不慎超過馬達額定，就可能會造成馬達不可逆的損傷。

Running Current Table（圖片來源：ROBOKITS INDIA）

單顆步進馬達控制

不同馬達驅動器的控制方式不一定相同，但幾乎都大同小異，不過使用前建議還是要看一下使用手冊。以 MOVEO 手臂所建議使用的 TB6560 而言，每隻接腳的功能如下圖：

步進馬達驅動器接腳功能（圖片來源：ROBOKITS INDIA）

看不懂英文也沒關係，可以直接試試程式。我們使用的主板是 Arduino Mega2560，首先必須先到 Arduino 官網下載新的 IDE（如下圖所示），點選你的電腦系統，它便會引導你安裝，以 Windows 來說，點選 Windows Installer 這個選項，即可下載安裝檔進行安裝。

Arduino IDE 下載（圖片來源：Arduino 官方網站）

完成後開啟 Arduino IDE 出現如下圖的視窗就代表安裝成功了。

Arduino IDE 介面

Arduino IDE 安裝完成後，請選擇我們的開發版 Mega2560，輸入下圖的程式碼（單一馬達控制），點選上傳就可以看到 X 軸來回轉動了喔！（注意：在步進馬達激磁前，記得將手臂復歸到原點的位置，讓每一軸箭頭都對齊即可，手臂便會呈現直立一直線的狀態。）

單一馬達控制（圖片來源：ROBOKITS INDIA）

了解運作的基礎後，我們來介紹一個專門拿來做步進馬達控制的程式庫，叫做 AccelStepper：library for Arduino，它整合了我們做馬達控制會用到的功能，像是加速度、定位、多顆同時控制等，如下圖程式（單一馬達 acc 控制），一樣讓 X 軸來回轉動。

單一馬達 acc 控制

多顆步進馬達控制

用 AccelStepper 來做多顆步進馬達控制，會很輕鬆，它有另一個程式庫叫 MultiStepper，是運用 AccelStepper 延伸拿來做多顆步進馬達控制的，直接輸入下圖程式試試看吧！

所需要的程式

Main.h中的設定組態參考

Main.cpp

RobotControl_acc.ino

輸入完程式打開監控視窗（右上角類似放大鏡的按鈕），會看到下圖介面（監控視窗），用串列傳輸的方式與微處理機做溝通，調整視窗下發輸入設定及通訊協定，與下圖設定一樣後，試著輸入＂30 0 0 0 0＂如下圖（輸入位置），就可以讓手臂X軸轉動至30度角，到達指定位置後會在出現＂======MoveFinish=====＂的字樣如下圖(移動完成)，告訴我們手臂已經到達指令位置，可以再輸入下一個位置以此類推來控制每一軸。