Python 物联网入门指南（八）（1）

原文：zh.annas-archive.org/md5/4fe4273add75ed738e70f3d05e428b06

译者：飞龙

协议：CC BY-NC-SA 4.0

第三十章：制作机械臂

最后，我们终于到达了大多数人自本书开始以来就想要到达的地方。制作一个机械臂！在本章中，我们将学习机械臂工作背后的概念。毫无疑问，我们也将制作一个用于个人使用的机械臂，它可以为我们做无限的事情。

机械臂的基础

如果你看到一个人体，那么使我们能够与大多数其他物种不同的最显著的部分之一就是手臂。这是我们用来做大部分工作的身体部分。

人类的手臂是一个由关节和肌肉组成的非常复杂的机制，它们协同工作以赋予它我们所知道的灵巧性。以我们的肩关节为例。如果你注意观察，你会注意到它有能力向上、向下、向右、向左移动，甚至可以在自己的轴线上旋转，而这一切只是因为它只有一个单一的关节，我们称之为球关节。

当我们谈论机器人上的机械臂时，我们无疑是在谈论一种复杂的安排，它由执行器和身体（也称为底盘）组成，以在三维空间中获得所需的运动。

现在，让我们了解一些机械臂的基本部件。第一部分是执行器。我们可以使用电机来控制机械臂；然而，正如我们之前学过的，使用之前使用过的电机不是它的理想解决方案，因为它既不能保持位置，也没有反馈机制。因此，我们只剩下一个选择，那就是使用舵机。正如我们所知，它们有大量的扭矩，并且有能力知道它在哪里，并且可以保持其位置，只要我们想要。

机器人的第二部分是底盘，也就是将所有电机固定在一起并为机器人提供结构支持的部分。这必须以这样的方式制作，以便为任何给定的关节提供所有理想轴线的运动。这很重要，因为单个舵机只能在一个单一轴线上提供运动。然而，有多个地方可以使用复杂的安排使机器人在多个轴线上移动。此外，底盘应该是坚固的，这非常重要。正如我们所知，地球上的所有材料都具有一定程度的柔韧性。材料的构造也取决于材料的不服从性。这对于重复性非常重要。

现在，什么是重复性？你可能在工业或任何制造单位中看到，机器人被安装并一遍又一遍地执行相同的任务。这是可能的，因为机器人被编程执行一组特定的功能在特定的情况下。现在，假设机器人的底盘不是坚固的。在这种情况下，即使舵机是 100%精确并且一遍又一遍地到达完全相同的位置，机器人仍然可能与其实际目标位置不同。这是因为底盘可能有一定的柔韧性，这就是为什么最终位置可能会有所不同。因此，正确的底盘是必不可少的。当我们谈论大型机器人时，这变得更加重要，因为即使最轻微的变形也可能导致机械臂最终位置的非常大的变化。

我们在谈论机器人手臂时经常使用的一个术语是末端执行器。这基本上是机器人手臂的末端，它将为我们做所有最终的工作。在真实的人类手臂的情况下，末端执行器可以被认为是手。这位于手臂的顶部，手臂的所有运动基本上是为了在三维空间中表达手的位置。此外，正是手拿起物体或进行必要的物理动作。因此，术语末端执行器。

现在，由于机械臂在三维空间中移动，定义运动发生的轴成为一个真正的大问题。因此，我们通常使用正在执行的运动类型来定义运动，这给我们一个关于运动是什么以及在哪个轴上的现实想法。为了分析运动，我们使用偏航、俯仰和翻滚（YPR）的概念。

前面的图表将清除关于 YPR 的大部分疑惑。这个概念通常用于飞机；然而，它也是机械手的一个重要部分。因此，正如您可以从前面的图表中看到的，当飞机的机头上下移动时，它将被视为俯仰运动。同样，如果飞机改变航向，那么偏航也可以相应地改变——偏航只是飞机在y轴上的运动。最后，我们有一个叫做翻滚的东西。它用于理解旋转的角度。正如您所看到的，所有这三个实体是彼此独立的，追逐其中任何一个都不会对其他产生影响。这个概念也很有用，因为无论飞机的方向如何，YPR 仍然保持不变，非常容易理解。因此，我们直接从飞机上将这个概念引入到我们的机器人中。

最后，我们怎么能忘记处理单元呢？它是命令所有执行器并进行协调和决策的单元。在我们的情况下，这个处理单元是树莓派，它将命令所有执行器。所有这些前述的组件构成了一个机械臂。

自由度

并非每个机械臂都相同。它们具有不同的负载评级，即末端执行器可以承受的最大负载，速度和范围，即末端执行器可以达到的距离。然而，机械臂非常重要的一部分是它所拥有的电机数量。因此，对于每个轴，您至少需要一个电机来使机器人在该轴上移动。例如，人类手臂在肩关节具有三维自由度。因此，为了模仿该关节，您将需要每个轴的电机，也就是说，至少需要三个电机才能使手臂在所有三个轴上独立移动。同样，当我们谈论手肘关节时，它只能在两个维度上移动。也就是手臂的张合和最终手臂的旋转，手肘不在第三维度上移动。因此，为了复制它的运动，我们至少需要两个电机，这样我们就可以在w轴上移动机器人。

根据我们目前所了解的，我们可以安全地假设电机数量越多，机器人的灵巧性也越高。这在大多数情况下是成立的；然而，您可能使用多个电机使机器人在单个轴上旋转。在这种情况下，通过计算执行器数量来确定机器人的灵巧性的基本概念将不起作用。那么我们如何确定机器人的灵巧性呢？

我们有一个叫做自由度（DOF）的概念。如果按照标准定义，我可以非常肯定地说你会对它的实际含义感到困惑。如果你不相信，那就自己去 Google 上找找看。用非常简单和平实的英语来说，自由度是指关节可以在任何给定的轴上独立移动。所以，例如，如果我们谈论肩关节，那么我们在所有三个轴上都有运动。因此，自由度就是三。现在，让我们考虑一下我们手臂的肘关节。因为它只能在俯仰和滚动中移动，所以我们最终得到两个自由度。如果我们把肩关节和肘关节连接起来，那么自由度就会增加，整个系统将被称为具有六个自由度。请记住，这个定义是非常简化的。如果你选择深入挖掘，你会遇到多种复杂性。

现在，你会遇到的大多数机械臂都有接近六个自由度。虽然你可能会说这比人类的手臂少，但实际上，它完成了大部分工作，显然自由度较少意味着更少的电机数量，从而降低成本，显然编程复杂性也更低。因此，我们尽量使用尽可能少的自由度。

现在，在前面的图表中，你可以看到一个典型的机械臂，它有六个自由度。编号为1的基本执行器提供了滚动和改变俯仰的自由度。编号为2的肘部执行器只为机器人增加了一个俯仰的自由度。此外，第3关节有能力在俯仰和滚动中移动。最后，我们在这里有末端执行器作为夹具；夹具本身有一个自由度。因此，总体上，我们可以说这个机器人是一个六自由度的机器人。

动力源

在我们所有的项目中，我们一直在使用一个单位，但我想在这一章中强调一下。这个单位是功率单位。我们谈论它的原因是因为在这一章中我们将控制多个舵机。当我们谈论多个舵机时，自然我们将谈论大量的功耗。在机械臂中，我们有六个舵机电机。现在，根据电机的品牌和型号，功耗会有所不同。但是为了保险起见，假设每个舵机的功耗约为 1 安培是个好主意。你可能使用的大多数电源可能无法提供这么多的突发电流。那么我们该怎么办呢？

我们可以采取更高功率输出的简单方法。但是，相反，我们可以采取非常规的途径。我们可以有一个电池，在需要时可以提供这么多的功率。但问题是，任何电池都能满足我们的目的吗？显然，答案是否定的。

存在多种类型的电池。这些电池可以根据以下参数进行区分：

• 电压
  
• 容量
  
• 功率重量比
  
• 最大充电和放电速率
  
• 化学成分
  

这些将在接下来的小节中详细介绍。

电压

电压是电池可以产生的总体电位差。每个电池都有它提供的特定电压。要记住的一件事是，这个电压会根据电池的充电状态略有变化。也就是说，当一个 12V 的电池充满电时，它可能会输出 12.6V。然而，当它完全放电时，可能会降到 11.4V。因此，电池电压的意思是电池将提供的名义电压。

容量

现在，第二个参数是容量。通常，当你购买电池时，你会看到它的容量以毫安时（mAh）或安时（Ah）为单位。这是一个非常简单的术语。让我用一个例子来解释这个术语给你。假设你有一个容量为 5Ah 的电池。现在，如果我连续绘制 5 安培 1 小时，那么电池将完全放电。相反，如果我连续绘制 10 安培，那么电池将在半小时内放电。通过这个，我们还可以使用以下简单的公式推导出电池的总功率：电池的总功率=电池的标称电压 x 电池的总容量

因此，如果你有一个 12V 的电池，其容量为 10Ah，那么总容量将是 120 瓦特。

功率重量比

重量在机器人技术中扮演着非常关键的角色，如果我们增加机器人的重量，那么移动它所需的力量可能会呈指数级增长。因此，功率重量比的概念就出现了。我们总是更喜欢一个极轻的电池，它在重量方面提供了大量的功率。功率重量比的方程可以定义如下：每公斤瓦时的功率重量比=瓦特的最大功率/电池的总重量

现在，假设一个电池提供了 500 瓦的功率，重量为 5 公斤，那么功率重量比将是 100 瓦时/公斤。功率重量比越高，电池就越好。

最大充电和放电速率

这可能是电池中最关键的部分之一。通常，电池能够让机器人运行 1 小时。然而，机器人的功耗并不是恒定的。假设在 90%的时间里，我们的机械臂消耗 2 安培的功率，所以电池容量为 2Ah。然而，在操作过程中的某些时刻，机器人需要所有电机以最大功率工作。机器人的峰值功耗约为 6 安培。现在，问题是，2Ah 的电池能否为机器人提供 6 安培的功率？

这是一个非常实际的挑战。你可能会说，最好选择一个比 2Ah 电池大得多的电池。但是，正如你所知，这将显著增加重量。那么解决方案是什么呢？

还有一个叫做峰值放电电流的东西。这由C评级表示。因此，如果我们的电池是 1C 评级，那么 2Ah 的电池一次只能提供最多 2Ah 的电源。然而，如果电池是 10C 评级，那么它应该能够提供高达 20 安培的突发电源。如今，你可以找到可以提供高达 100C 甚至更高的突发电源的电池。我们之所以有这个是因为机器人的峰值功耗可能比它们的恒定功耗高得多。如果在任何时候，电池无法提供足够的电力，那么机器人将表现异常，甚至可能关闭。

这个故事的第二部分是充电评级。这是你可以提供给电池的最大充电电流。它也由相同的 C 评级表示。因此，如果 C 评级为 0.5，那么你可以为 2Ah 的电池提供最大 1 安培的充电。

换句话说，你可以给电池充电的最快速度是 2 小时。

化学成分

市场上有不同类型的电池，它们通常根据其化学成分进行广泛分类。所有这些电池都有各自的优缺点。因此，我们不能说哪一个比另一个更好。这总是在各种因素之间进行权衡。以下是市场上可以找到的电池列表，以及它们的优缺点：

从这个表中可以看出，峰值功率输出是我们非常想要的，良好的功率重量比也是如此；因此，在锂聚合物电池上花费一定的金额是有道理的。

这些电池，至少具有 20C 的额定值，功率重量比约为普通湿电池的五倍。然而，它们的价格可能是普通湿电池的 10 倍。

现在我们知道了为这些更高电流要求选择哪些电池。一块 11.1V 和 2200 毫安时的锂聚合物电池不会花费你超过 20 美元，并且将为你提供你可能永远不需要的巨大功率。所以，我们已经解决了电源供应问题。现在是时候继续使机械手运行了。

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