如何使用双极电机创建3点轴机械臂

步骤1：原理图和组件列表

这是我们在此项目中使用的完整原理图和可用组件的概述。

包含的组件如下：

Berger Lahr双极步进电机（已安装在机械臂上）

Arduino UNO

PlayStation2游戏杆

Cyber 310机械臂

超声波接近传感器HC-SR04

面包板

PlayStation2 RC直升机的振动电机和转子

EasyDriver 4.4步进电机驱动器

5V AC/DC电源

我们主要选择这些组件是因为它们很容易为我们使用。我们还认为，与同班同学相比，使用更大的机械臂会很有趣。尽管我们意识到了这一点，但我们的野心超出了我们的能力。

步骤2：构造操作设备

我们焊接并连接了几部分印刷品和许多电线，以便获得适当的运行电路来控制我们的机械臂。

设计本身主要基于尽管在实际施工过程中进行了一些修改，但本节上面概述的概述中没有提及。

步骤3：对其中的一些进行了实现，以实现超声传感器。

步骤3：机器人手臂的测试代码

下面包含的机械手测试代码

我们使用这段代码来测试机械臂是否在实际工作，因为我们很难对完整代码（包含在步骤6中）做出反应。该代码的某些部分已过时，因为实际设备中未使用它。

#define step_pin 6 // Pin 6 connected to Steps pin on EasyDriver

#define dir_pin 7 // Pin 7 connected to Direction pin

//#define MS1 5 // Pin 5 connected to MS1 pin

//#define MS2 4 // Pin 4 connected to MS2 pin

#define SLEEP 10 // Pin 10 connected to SLEEP pin

#define X_pin A0 // Pin A0 connected to joystick x axis

int direction; // Variable to set Rotation （CW-CCW） of the motor

int steps = 1025; // Assumes the belt clip is in the Middle

void setup（） {

// pinMode（MS1， OUTPUT）;

// pinMode（MS2， OUTPUT）;

pinMode（dir_pin， OUTPUT）;

pinMode（step_pin， OUTPUT）;

pinMode（SLEEP， OUTPUT）;

digitalWrite（SLEEP， HIGH）; // Wake up EasyDriver

delay（5）; // Wait for EasyDriver wake up

/* Configure type of Steps on EasyDriver：

// MS1 MS2

//

// LOW LOW = Full Step //

// HIGH LOW = Half Step //

// LOW HIGH = A quarter of Step //

// HIGH HIGH = An eighth of Step //

*/

// digitalWrite（MS1， LOW）; // Configures to Full Steps

// digitalWrite（MS2， LOW）; // Configures to Full Steps

}

void loop（） {

while （analogRead（X_pin） 》= 0 && analogRead（X_pin） 《= 100） {

if （steps 》 0） {

digitalWrite（dir_pin， HIGH）; // （HIGH = anti-clockwise / LOW = clockwise）

digitalWrite（step_pin， HIGH）;

delay（1）;

digitalWrite（step_pin， LOW）;

delay（1）;

steps--;

}

}

while （analogRead（X_pin） 》 100 && analogRead（X_pin） 《= 400） {

if （steps 《 512） {

digitalWrite（dir_pin， HIGH）; // （HIGH = anti-clockwise / LOW = clockwise）

digitalWrite（step_pin， HIGH）;

delay（1）;

digitalWrite（step_pin， LOW）;

delay（1）;

steps++;

}

if （steps 》 512） {

digitalWrite（dir_pin， HIGH）;

digitalWrite（step_pin， HIGH）;

delay（1）;

digitalWrite（step_pin， LOW）;

delay（1）;

steps--;

}

}

while （analogRead（X_pin） 》 401 && analogRead（X_pin） 《= 600） {

if （steps 《 1025） {

digitalWrite（dir_pin， HIGH）;

digitalWrite（step_pin， HIGH ）;

delay（1）;

digitalWrite（step_pin， LOW）;

delay（1）;

steps++;

}

if （steps 》 1025） {

digitalWrite（dir_pin， HIGH）;

digitalWrite（step_pin， HIGH）;

delay（1）;

digitalWrite（step_pin， LOW）;

delay（1）;

steps--;

}

}

while （analogRead（X_pin） 》 601 && analogRead（X_pin） 《= 900） {

if （steps 《 1535） {

digitalWrite（dir_pin， HIGH）;

digitalWrite（step_pin， HIGH）;

delay（1）;

digitalWrite（step_pin， LOW）;

delay（1）;

steps++;

}

if （steps 》 1535） {

digitalWrite（dir_pin， HIGH）;

digitalWrite（step_pin， HIGH）;

delay（1）;

digitalWrite（step_pin， LOW）;

delay（1）;

steps--;

}

}

while （analogRead（X_pin） 》 900 && analogRead（X_pin） 《= 1024） {

if （steps 《 2050） {

digitalWrite（dir_pin， HIGH）;

digitalWrite（step_pin， HIGH）;

delay（1）;

digitalWrite（step_pin， LOW）;

delay（1）;

steps++;

}

}

}

步骤4：传感器代码

包括超声波传感器的代码

为传感器选择的代码经过构造，以便当风扇在以下范围内注册对象时风扇将运行。距回波点10至20厘米。

尽管我们同时更改了引脚和范围，但物理构造仍基于上面的示意图。

/*

HC-SR04 Ping distance sensor：

VCC to arduino 5v

GND to arduino GND

Echo to Arduino pin 8

Trig to Arduino pin 9

*/

#define echoPin 11 // Echo Pin

#define trigPin 12 // Trigger Pin

#define LEDPin 8 // Onboard LED

int maximumRange = 20; // Maximum range needed

int minimumRange = 10; // Minimum range needed

long duration， distance; // Duration used to calculate distance

void setup（） {

Serial.begin （9600）;

pinMode（trigPin， OUTPUT）;

pinMode（echoPin， INPUT）;

pinMode（LEDPin， OUTPUT）; // Use LED indicator （if required）

}

void loop（） {

/* The following trigPin/echoPin cycle is used to determine the

distance of the nearest object by bouncing soundwaves off of it. */

digitalWrite（trigPin， LOW）;

delayMicroseconds（2）;

digitalWrite（trigPin， HIGH）;

delayMicroseconds（10）;

digitalWrite（trigPin， LOW）;

duration = pulseIn（echoPin， HIGH）;

//Calculate the distance （in cm） based on the speed of sound.

distance = duration/58.2;

if （distance 》= maximumRange || distance 《= minimumRange）{

/* Send a negative number to computer and Turn LED ON

to indicate “out of range” */

Serial.println（“fuckboy”）;

digitalWrite（LEDPin， LOW）;

}

else {

/* Send the distance to the computer using Serial protocol， and

turn LED OFF to indicate successful reading. */

Serial.println（distance）;

digitalWrite（LEDPin， HIGH）;

}

//Delay 50ms before next reading.

delay（50）; }

步骤5：一点点视频（和麻烦）

上面的精选视频显示了我们最大的问题之一。

我们根本没有足够的视频电压功率来运行机械臂本身。机器肯定在接收信号，但是它很小，甚至不能转动旋钮来驱动手臂的轴点。

主要问题集中在为机器人提供正确的电压。电机，由于最大输入功率之间的差异，您可以放心地将其输入到Arduino和使实际电机本身正常运行所需的功率中。

步骤6：完整的主控制代码

下面包含了机械手臂的完整代码。

我们使用的代码存在一些问题，但是由于我们在电压功率方面也存在一些问题，如步骤5所述，我们很难对所有这些进行分类。应该注意的是，此部分代码不包含传感器的代码。

#ifndef _stepLib_h_

#define _stepLib_h_

#include “Arduino.h”

// define our stepper class

class stepMotor {

public：

stepMotor（byte stepPin， byte dirPin）; // our stepper object with variables stepPin and dirPin

void step（unsigned int stepFreq）; // our stepping function which takes as an input our stepping frequency

private：

unsigned long _time; // current time

unsigned long _lastStepTime; // time at which we last stepped

unsigned long _stepPeriod; // time between a half period - this is the same as our delay（X） of part 1

byte _stepPin;

byte _dirPin;

boolean _stepCycle; // defines if we are on the HIGH or LOW side of our step cycle

};

#endif

#include “Arduino.h”

#include “stepLib.h”

// used for declaring our motor and initializing it

stepMotor：：stepMotor（byte stepPin， byte dirPin） {

_stepPin = stepPin;

_dirPin = dirPin;

// define our digital pins as output

pinMode（_stepPin， OUTPUT）;

pinMode（_dirPin， OUTPUT）;

// initialize our digital pins to LOW

digitalWrite（_stepPin， LOW）;

digitalWrite（_dirPin， LOW）;

_stepCycle = false; // this keeps track of which end of the step cycle we are on： high or low

}

// function responsible for driving our digital pins high/low at the proper frequency

// input is the stepping frequency

void stepMotor：：step（unsigned int stepFreq） {

_time = micros（）; // get the current time

_stepPeriod = 1000000 / stepFreq; // get our step period （in micro-seconds） from the user given step frequency; we lose a bit of accuracy here since we‘ve defined _stepPeriod as an unsigned long instead of a float， but that’s ok.。.

// if the proper amount of time has passed， let‘s go ahead and proceed to the next half of our step cycle

if （_time 》= _lastStepTime + _stepPeriod） {

digitalWrite（_stepPin， _stepCycle == true）; // a compact way of writing either HIGH/LOW to our step pin based on where we are on our step cycle

_stepCycle = ！_stepCycle; // this simply flips our Boolean

_lastStepTime = _time; // update the time we last stepped

}

}

#include “stepLib.h”

// define a constant value named stepPin and assign the value 8 to it - this value will not change during our code

// this assumes digital pin 8 of your Arduino is attached to the step input of your driver

#define stepPin 9

// define a constant value named dirPin and assign the value 8 to it - this value will not change during our code

// this assumes digital pin 9 of your Arduino is attached to the step input of your driver

#define dirPin 8

// instantiate a new object in our stepMotor library named slider

// we are essentially declaring that we want to add a stepper motor named slider that has our defined stepPin and dirPin

stepMotor slider（stepPin， dirPin）;

// setup（） loop， the Arduino only runs through this once

void setup（） {

}

// loop（） loop， the Arduino continuously cycles through this as fast as it can

void loop（） {

slider.step（50）; // step our motor at a given frequency （Hz）

}

#include “stepLib.h”

// define our step pins

# define sliderStep 9

# define panStep 11

# define tiltStep 7

// define our direction pins

# define sliderDir 8

# define panDir 10

# define tiltDir 6

// instantiate a new object in our stepMotor library named slider

// we are essentially declaring that we want to add a stepper motor named slider that has our defined stepPin and dirPin

stepMotor slider（sliderStep， sliderDir）;

stepMotor pan（panStep， panDir）;

stepMotor tilt（tiltStep， tiltDir）;

// setup（） loop， the Arduino only runs through this once

void setup（） {

}

// loop（） loop， the Arduino continuously cycles through this as fast as it can

void loop（） {

slider.step（50）; // step our motor at a given frequency （Hz）

pan.step（10）; // step our motor at a given frequency （Hz）

tilt.step（100）; // step our motor at a given frequency （Hz）

}

#ifndef _stepLib_h_

#define _stepLib_h_

#include “Arduino.h”

// define our stepper class

class stepMotor {

public：

stepMotor（byte stepPin， byte dirPin）; // our stepper object with variables stepPin and dirPin

void step（unsigned int stepFreq）; // our stepping function which takes as an input our stepping frequency

void setDir（boolean dir）; // function that allows us to set our direction of rotation

private：

unsigned long _time; // current time

unsigned long _lastStepTime; // time at which we last stepped

unsigned long _stepPeriod; // time between a half period - this is the same as our delay（X） of part 1

byte _stepPin;

byte _dirPin;

boolean _stepCycle; // defines if we are on the HIGH or LOW side of our step cycle

};

#endif

#include “Arduino.h”

#include “stepLib.h”

// used for declaring our motor and initializing it

stepMotor：：stepMotor（byte stepPin， byte dirPin） {

_stepPin = stepPin;

_dirPin = dirPin;

// define our digital pins as output

pinMode（_stepPin， OUTPUT）;

pinMode（_dirPin， OUTPUT）;

// initialize our digital pins to LOW

digitalWrite（_stepPin， LOW）;

digitalWrite（_dirPin， LOW）;

_stepCycle = false; // this keeps track of which end of the step cycle we are on： high or low

}

// function responsible for driving our digital pins high/low at the proper frequency

// input is the stepping frequency

void stepMotor：：step（unsigned int stepFreq） {

_time = micros（）; // get the current time

_stepPeriod = 1000000 / stepFreq; // get our step period （in micro-seconds） from the user given step frequency; we lose a bit of accuracy here since we’ve defined _stepPeriod as an unsigned long instead of a float， but that‘s ok.。.

// if the proper amount of time has passed， let’s go ahead and proceed to the next half of our step cycle

if （_time 》= _lastStepTime + _stepPeriod） {

digitalWrite（_stepPin， _stepCycle == true）; // a compact way of writing either HIGH/LOW to our step pin based on where we are on our step cycle

_stepCycle = ！_stepCycle; // this simply flips our Boolean

_lastStepTime = _time; // update the time we last stepped

}

}

// given a boolean user input， set our direction of travel to that input

void stepMotor：：setDir（boolean dir） {

digitalWrite（_dirPin， dir）;

}

#include “stepLib.h”

// define our step pins

# define sliderStep 9

# define panStep 11

# define tiltStep 7

// define our direction pins

# define sliderDir 8

# define panDir 10

# define tiltDir 6

// define the pins on which we‘ve put our N.O. buttons

#define button1 2

#define button2 3

// our motor step frequencies

int sliderFreq = 300;

int panFreq = 10;

int tiltFreq = 100;

// instantiate a new object in our stepMotor library named slider

// we are essentially declaring that we want to add a stepper motor named slider that has our defined stepPin and dirPin

stepMotor slider（sliderStep， sliderDir）;

stepMotor pan（panStep， panDir）;

stepMotor tilt（tiltStep， tiltDir）;

// setup（） loop， the Arduino only runs through this once

void setup（） {

// define our button pins as input pullup type - see http://arduino.cc/en/Tutorial/DigitalPins#.Uyphr4WN7q4

pinMode（button1， INPUT_PULLUP）;

pinMode（button2， INPUT_PULLUP）;

}

// loop（） loop， the Arduino continuously cycles through this as fast as it can

void loop（） {

if （digitalRead（button1） == LOW && digitalRead（button2） == HIGH） { // if button1 is pressed and button2 is not pressed

slider.setDir（true）;

pan.setDir（true）;

tilt.setDir（true）;

} else if （digitalRead（button1） == HIGH && digitalRead（button2） == LOW） { // if btton1 is not pressed and button2 is pressed

slider.setDir（false）;

pan.setDir（false）;

tilt.setDir（false）;

}

if （digitalRead（button1） == LOW || digitalRead（button2） == LOW） { // if either button is pressed

slider.step（sliderFreq）; // step our motor at a given frequency （Hz）

pan.step（panFreq）; // step our motor at a given frequency （Hz）

tilt.step（tiltFreq）; // step our motor at a given frequency （Hz）

}

if （digitalRead（button1） == LOW && digitalRead（button2） == LOW） { // if both buttons are pressed together

sliderFreq += 10;

panFreq += 10;

tiltFreq += 10;

delay（10）; // delay just a short while otherwise the double button presses causes our frequency to increase too quickly （we need to allow for the user to release the buttons）

}

}

#include “stepLib.h”

// define our step pins

# define sliderStep 9

# define panStep 11

# define tiltStep 7

// define our direction pins

# define sliderDir 8

# define panDir 10

# define tiltDir 6

// define the pins on which we’ve put our N.O. buttons

#define button1 2

#define button2 3

// define our joystick pins; NOTE we are using analog pins， not digital

#define LRjoystickPin 27 // left-right joystick

#define UDjoystickPin 28 // up-down joystick

// our motor step frequencies

int sliderFreq = 50;

int panFreq = 300;

int tiltFreq = 100;

// other variables

byte deadband = 50; // size of deadband， from joystick neutral position， in which we assume we are reading 0

unsigned int LRjoyValue = 0;

unsigned int UDjoyValue = 0;

// instantiate a new object in our stepMotor library named slider

// we are essentially declaring that we want to add a stepper motor named slider that has our defined stepPin and dirPin

stepMotor slider（sliderStep， sliderDir）;

stepMotor pan（panStep， panDir）;

stepMotor tilt（tiltStep， tiltDir）;

// setup（） loop， the Arduino only runs through this once

void setup（） {

// define our button pins as input pullup type - see http://arduino.cc/en/Tutorial/DigitalPins#.Uyphr4WN7q4

pinMode（button1， INPUT_PULLUP）;

pinMode（button2， INPUT_PULLUP）;

pinMode（LRjoystickPin， INPUT）;

pinMode（UDjoystickPin， INPUT）;

}

// loop（） loop， the Arduino continuously cycles through this as fast as it can

void loop（） {

// read our joystick values and store them

LRjoyValue = analogRead（LRjoystickPin）; // acts just like digitalRead， but for analog pins

UDjoyValue = analogRead（UDjoystickPin）; // acts just like digitalRead， but for analog pins

// control our pan with the LR joystick

if （LRjoyValue 》 512+ deadband） { // joystick is outside of deadband， move right

pan.setDir（true）;

pan.step（panFreq）;

} else if （LRjoyValue 《 512- deadband） { // joystick is outside of deadband， move left

pan.setDir（false）;

pan.step（panFreq）;

}

// control our tilt with the UD joystick

if （UDjoyValue 》 512 + deadband） { // joystick is outside of deadband， move up

tilt.setDir（true）;

tilt.step（panFreq）;

} else if （UDjoyValue 《 512 - deadband） { // joystick is outside of deadband， move down

tilt.setDir（false）;

tilt.step（panFreq）;

}

// control our slider stepper with the two buttons， just like we did previously

if （digitalRead（button1） == LOW && digitalRead（button2） == HIGH） { // if button1 is pressed and button2 is not pressed

slider.setDir（true）;

} else if （digitalRead（button1） == HIGH && digitalRead（button2） == LOW） { // if btton1 is not pressed and button2 is pressed

slider.setDir（false）;

}

if （digitalRead（button1） == LOW || digitalRead（button2） == LOW） { // if either button is pressed

slider.step（sliderFreq）; // step our motor at a given frequency （Hz）

}

}