使用arduino+舵机+步进电机+泵+灯带制作一个自动倒茶机机器人
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1 应用背景
发扬一下我国传统文化，倒茶有九序：烫壶->置茶->温杯->高冲->低泡->分茶->敬茶->闻香->品茶。倒茶是一个需要有礼节且又繁杂不停的事情，由于客人茶杯较小，需要不停加茶，然后递送客人。使用机器人替代这个过程，减少倒茶、送茶流程。
2 结构设计
机器人需要在桌子角落的茶杯抓起，并放到桌子上的相应位置。在末端位置，需要一个手爪能够完成抓取和释放的动作。为了方便沏茶过程，与手爪连接的连杆保持水平，因此手爪的轴线与水平面垂直。向杯子注入茶水的水管与手爪的轴线保持水平。综上所述，机器人需要五个自由度，其中四个自由度为关节旋转自由度，另一个为手爪的局部自由度。
3 控制总体设计
本次设计采用Arduino的芯片作为主控板。关节角度的控制依据于对机械手臂建模之后的正运动学和逆运动学，通过运动学计算得出关节空间与手臂末端的对应关系，进而通过对各个关节的控制实现目的。
使用材料清单如下：
4 倒茶机整体结构图
制作过程省略太多，一切的不顺利，东凑凑西凑凑终于凑出了个样子了。
5 调试程序
程序是在arduino IDE上编写的，个人觉得这次编写的程序实在冗杂，不是好程序，没得办法，主要考虑马上把这个东西做好交差，读者们可以做适当优化吧。
#include <Wire.h>
#include <Servo.h>
#include <Adafruit_NeoPixel.h>
#include <avr/power.h>
/*舵机引脚定义*/
#define ServoPin1 0
#define ServoPin2 1
#define ServoPin3 2
/*爪子的引脚定义*/
#define MechanicalClawPin1 10
#define MechanicalClawPin2 11
/*压力传感器引脚定义*/
#define Sensor1Pin A0
#define Sensor2Pin A1
#define Sensor3Pin A2
/*定义电机是否开闭*/
#define Open 1
#define Close 0
/*指定机械臂位置状态*/
#define InitialPosition_UP 1
#define InitialPosition_DOWN 2
#define TargetPosition_UP 3
#define TargetPosition_DOWN 4
/*泵的引脚定义*/
#define PumpPin 9
/*步进电机引脚定义*/
#define dirPin 8
#define stepperPin 7
int MM=560;
/*灯带的相关宏定义*/
#define LEDPin 7
#define LEDCount 30
Adafruit_NeoPixel pixels = Adafruit_NeoPixel(LEDCount, LEDPin, NEO_GRB + NEO_KHZ800);
/*舵机对象的建立*/
Servo myservo1;
Servo myservo2;
Servo myservo3;
void setup()
{
/*设置波特率9600*/
Serial.begin(9600);
/*步进电机引脚初始化*/
pinMode(dirPin, OUTPUT);
pinMode(stepperPin, OUTPUT);
/*舵机初始化*/
myservo1.attach(ServoPin1);
myservo2.attach(ServoPin2);
myservo3.attach(ServoPin3);
/*机械爪的引脚初始化*/
pinMode(MechanicalClawPin1, OUTPUT);
pinMode(MechanicalClawPin2, OUTPUT);
/*水泵引脚初始化*/
pinMode(PumpPin, OUTPUT);
/*灯带初始化*/
#if defined (__AVR_ATtiny85__)
if (F_CPU == 16000000) clock_prescale_set(clock_div_1);
#endif
pixels.begin();//初始化灯带
/*打开LED，流水灯，不同颜色,完成杯子的摆放动作*/
CupPositionInitialize( );
Serial.println("CupPositionInitialize()have completed");
}
void loop()
{
/* 用于检测杯子水量的接口 */
int PressureSensor1 = analogRead(Sensor1Pin);
int PressureSensor2 = analogRead(Sensor2Pin);
int PressureSensor3 = analogRead(Sensor3Pin);
if( PressureSensor1<100)
{
delay(500);
if(PressureSensor1<100)
{
RobotAction_PourWaterToCup1();
Serial.println("Fill the Cup1 with tea");
}
}
if( PressureSensor2<100)
{
delay(500);
if(PressureSensor2<100)
{
RobotAction_PourWaterToCup2();
Serial.println("Fill the Cup2 with tea");
}
}
if( PressureSensor3<100)
{
delay(500);
if(PressureSensor3<100)
{
RobotAction_PourWaterToCup3();
Serial.println("Fill the Cup3 with tea");
}
}
}
/*步进电机的转向和步数设置函数*/
void step(boolean dir,int steps)
{
digitalWrite(dirPin,dir);
delay(50);
for(int i=0;i<steps;i++)
{ digitalWrite(stepperPin, HIGH);
delayMicroseconds(MM);
digitalWrite(stepperPin, LOW);
delayMicroseconds(MM);
}
}
/*将初始位置的三个杯子摆放到目标位置，并打开LED灯带*/
void CupPositionInitialize( void )
{
LED(Open);
RobotAction_GrabCup1();
delay(500);
RobotAction_GrabCup2();
delay(500);
RobotAction_GrabCup3();
delay(500);
RobotReset();
delay(500);
LED(Close);
}
/*倒水到cup1中的动作*/
void RobotAction_PourWaterToCup1( void )
{
LED(Open);
step(true,3500);
RobotState_Cup1Position( TargetPosition_UP );
delay(500);
// RobotState_Cup1Position( TargetPosition_DOWN );
// delay(500);
// Pump(Open);
// delay(5000);
// Pump(Close);
// RobotState_Cup1Position( TargetPosition_UP );
// delay(500);
LED(Close);
RobotReset();
step(false,3500);
delay(1000);
}
/*倒水到cup2中的动作*/
void RobotAction_PourWaterToCup2( void )
{
LED(Open);
step(true,0);
RobotState_Cup2Position( TargetPosition_UP );
delay(500);
// RobotState_Cup2Position( TargetPosition_DOWN );
// delay(500);
// Pump(Open);
// delay(5000);
// Pump(Close);
// RobotState_Cup2Position( TargetPosition_UP );
// delay(500);
LED(Close);
RobotReset();
step(false,0);
delay(1000);
}
/*倒水到cup3中的动作*/
void RobotAction_PourWaterToCup3( void )
{
LED(Open);
step(false,3000);
RobotState_Cup3Position( TargetPosition_UP );
delay(500);
// RobotState_Cup3Position( TargetPosition_DOWN );
// delay(500);
// Pump(Open);
// delay(5000);
// Pump(Close);
// RobotState_Cup3Position( TargetPosition_UP );
// delay(500);
LED(Close);
RobotReset();
step(true,3000);
delay(1000);
}
/*机械臂拿初始位置1的杯子到指定位置1处*/
void RobotAction_GrabCup1( void )
{
step(false,5000);
RobotState_Cup1Position( InitialPosition_UP );
delay(500);
Grab_Cups(Open);
RobotState_Cup1Position( InitialPosition_DOWN );
delay(500);
Grab_Cups(Close);
delay(500);
step(true,8500);//目标位置的step是 3500 true
RobotState_Cup1Position(TargetPosition_UP);
delay(500);
RobotState_Cup1Position(TargetPosition_DOWN);
delay(500);
Grab_Cups(Open);
delay(2000);
RobotReset(); //先复位再旋转
step(false,3500); //回到中心位置
}
/*机械臂拿初始位置2的杯子到指定位置2处*/
void RobotAction_GrabCup2( void )
{
step(false,4000);
RobotState_Cup2Position( InitialPosition_UP );
delay(500);
Grab_Cups(Open);
RobotState_Cup2Position( InitialPosition_DOWN );
delay(500);
Grab_Cups(Close);
delay(500);
step(true,4000);
RobotState_Cup2Position(TargetPosition_UP);
delay(500);
RobotState_Cup2Position(TargetPosition_DOWN);
delay(500);
Grab_Cups(Open);
delay(2000);
RobotReset(); //先复位再旋转
}
/*机械臂拿初始位置3的杯子到指定位置3处*/
void RobotAction_GrabCup3( void )
{
step(false,3500);
RobotState_Cup3Position( InitialPosition_UP );
delay(500);
Grab_Cups(Open);
RobotState_Cup3Position( InitialPosition_DOWN );
delay(500);
Grab_Cups(Close);
delay(500);
step(true,500);
RobotState_Cup3Position(TargetPosition_UP);
delay(500);
RobotState_Cup3Position(TargetPosition_DOWN);
delay(500);
Grab_Cups(Open);
delay(2000);
RobotReset(); //先复位再旋转
step(true,3000);
}
/*机械臂关于杯子1的位置状态*/
void RobotState_Cup1Position ( int cmd1 )
{
switch(cmd1)
{
case 1:
myservo1.write(90);
delay(500);
myservo2.write(95);
delay(500);
myservo3.write(50);
delay(500);
break;
case 2:
myservo1.write(100);
delay(500);
myservo2.write(100);
delay(500);
myservo3.write(50);
delay(500);
break;
case 3:
myservo1.write(100);
delay(500);
myservo2.write(80);
delay(500);
myservo3.write(60);
delay(500);
break;
case 4:
myservo1.write(105);
delay(500);
myservo2.write(80);
delay(500);
myservo3.write(45);
delay(500);
break;
}
}
/*机械臂关于杯子2的位置状态*/
void RobotState_Cup2Position(int cmd2 )
{
switch(cmd2)
{
case 1:
myservo1.write(70);
delay(500);
myservo2.write(120);
delay(500);
myservo3.write(50);
delay(500);
break;
case 2:
myservo1.write(90);
delay(500);
myservo2.write(130);
delay(500);
myservo3.write(30);
delay(500);
break;
case 3:
myservo1.write(130);
delay(500);
myservo2.write(30);
delay(500);
myservo3.write(80);
delay(500);
break;
case 4:
myservo1.write(140);
delay(500);
myservo2.write(30);
delay(500);
myservo3.write(70);
delay(500);
break;
}
}
/*机械臂关于杯子3的位置状态*/
void RobotState_Cup3Position( int cmd3 )
{
switch(cmd3)
{
case 1:
myservo1.write(90);
delay(500);
myservo2.write(95);
delay(500);
myservo3.write(50);
delay(500);
break;
case 2:
myservo1.write(100);
delay(500);
myservo2.write(100);
delay(500);
myservo3.write(50);
delay(500);
break;
case 3:
myservo1.write(120);
delay(500);
myservo2.write(50);
delay(500);
myservo3.write(70);
delay(500);
break;
case 4:
myservo1.write(125);
delay(500);
myservo2.write(55);
delay(500);
myservo3.write(55);
delay(500);
break;
}
}
/*机器臂复位的位置*/
void RobotReset( void )
{
myservo1.write(90);
delay(500);
myservo2.write(10);
delay(500);
myservo3.write(90);
delay(500);
}
/*开启水泵加水,可以使用继电器，也可以使用驱动*/
void Pump (int cmd3)
{
switch(cmd3)
{ case 1:
digitalWrite(PumpPin, HIGH);
break;
case 2:
digitalWrite(PumpPin, LOW);
break;
}
}
/*灯带的函数，设置有开关*/
void LED (int cmd5)
{ if (cmd5==0)
{
for(int j=30;j<LEDCount;j--)
{ pixels.setPixelColor(j, pixels.Color(250-j*5,j+20,j*5+100));
pixels.show();
delay(20);
}
}
if (cmd5==1)
{
for(int i=0;i<LEDCount;i++)
{ pixels.setPixelColor(i, pixels.Color(250-i*5,i+20,i*5+100));
pixels.show();
delay(20);
}
}
}
/*抓取杯子,打开或关闭爪子*/
void Grab_Cups(int cmd9 )
{
if (cmd9==1)
{
digitalWrite(MechanicalClawPin1, HIGH);
digitalWrite(MechanicalClawPin2, LOW);
delay(5000);
}
if (cmd9==0)
{
digitalWrite(MechanicalClawPin1, LOW);
digitalWrite(MechanicalClawPin2, HIGH);
delay(5000);
}
}
最后特别感谢两位同仁：张如学，李聪，和他们合作搭配非常有意思，有基情！最后是我们如学同志基情美照一张（哈哈，开点玩笑，望如学别怪我侵犯肖像权）。
（感谢各位读者）
DAMO开发者矩阵，由阿里巴巴达摩院和中国互联网协会联合发起，致力于探讨最前沿的技术趋势与应用成果，搭建高质量的交流与分享平台，推动技术创新与产业应用链接，围绕“人工智能与新型计算”构建开放共享的开发者生态。
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