模擬拳擊之機械手臂系統控制

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理工學院機械工程學系專題競賽論文

模擬拳擊之機械手臂系統控制

Control of the Robotic Arm for Simulation Boxing

*林譽澍、劉雋凡、江東益王勝清國立聯合大學機械工程學系

摘要

本次專題主要為製作機器手臂機器人，參考相關的書籍，並使用繪圖軟體 Solid works 來設計手

臂的設計圖以及運動模式來模擬出人體的揮拳方式。硬體機構設計的材料主要使用質量輕、且稍有硬

度的壓克力板組合而成，並將運用 8051 單晶片來進行控制的 7 顆伺服馬達，裝置此機器手臂之硬體

上連接來進行各關節之旋轉，以此達到手臂揮動。伺服馬達之轉動角度主要以 keil-C 程式寫入 8051

單晶片來進行控制，如此一來便可設計各種不同的揮拳動作。

前言

對這個世代的人類來說，機器已是生活中不可獲缺的重要零件，太髒太累、太危險、太精細、太粗重或太反覆無聊的工作，常常由機器代勞。在眾多精密機器工具逐一實現的這個時代，人類對機器自行控制，人工智慧，甚至進而讓整個世界生產線的運作自動化，便不免成了人類嚮往的夢。以人類的身體組織構造為腳本，依所需加以調整誕生的機器，便是今日俗稱的機器人。相信對於機器人的研究，不勝其數，隨著機器人的構造越來越精細，用途也隨之更加廣泛。用於工業上的機械化生產、製造、加工，農業上的機械化播種、灑肥、收割等等，各行各業，機器逐漸以人的姿態，把繁雜、反覆、精細的工作，近乎無誤的完成。在嚴肅的利益與效率的用途以外，我們的專題製作嘗試把機器人運用在截然不同的方向，便是娛樂。我們選擇了肢體多動作技巧、招式與衝擊性引人入勝、肉博性又較高的運動，拳擊。靈感來至於最近的好萊塢電影－『鋼鐵擂台』，一個以機器人拳擊搏鬥遊戲為主軸，灼熱的親情與冰冷的機器交織出一篇洋洋灑灑的熱血故事！當然，相信有這樣的電影，我們也就不會是第一個嘗試的人，不過依舊熱血！在參考各類相關資料與分析後，關於拳擊機器人的重點，主要分為三點，裝甲硬度＝肌肉強度、力量＝攻擊質量、速度＝腳力及靈敏度，而我們研究目標的是力量中的才能發揮百分之百的力量！我們用鐵片和鋁塊作為支架，壓克力板作為手臂固定與延伸的材料，伺服馬達為動力，利用單晶片輸入指令做出招式的連貫動作。

機械手臂

機械手臂機構設計

機構設計

在設計出機械手臂前須先規劃出設計流程圖，其設計流程圖為圖(一)，主要分為三個部分： 1. 機構：先預想設計，之後便使用 Solidworks 繪出設計圖，再來就是決定製作的材料，最後再選用壓克力板製作 2. 動力：動力便是選用伺服馬達來做為動力，使用型號則為 GWS S03T-2BBMG 3. 控制：控制程式是使用 8051 單晶片，並用 C 語言來編寫程式，最後則是用 8051 單晶片來控制馬達的旋轉角度，之後再將馬達裝在用壓克力板做出來的硬體上，之後再用單晶片驅動馬達使硬體動作便完成了。為了設計出關節構造接近人類手臂的機械手臂，首先要歸納出人體手臂的主要關節圖(二): 1.胸鎖關節(由胸骨、鎖骨組成) 2.肩關節(由鎖骨、肩胛骨、肱骨組成) 3.肘關節(由肱骨、橈骨、尺骨組成) 4.腕關節(由橈骨、尺骨及掌部骨骼組成) 伺服馬達的配置決定於運動範圍與旋轉自由度數，由

組別:█實作組□設計組

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自由度數不同，以下整理出各關節的運動範圍與旋轉自由度數如圖(三)所示: 1.胸鎖關節:有前後、上下的運動範圍，因此有兩個旋轉自由度。 2.肩關節:同樣有前後、上下的運動範圍，但人體在肩膀靜止的狀況下，上臂還是可自行作旋轉，因此為三個旋轉自由度。 3.肘關節:此關節控制手肘的伸直或彎曲，以及手肘本身的旋轉，有兩個旋轉自由度。 4.腕關節:控制手腕上下、左右的方向，因此有兩個旋轉自由度。分析四個主要關節後，我們總結出總共九個旋轉自由度，在決定伺服馬達的配置之前，先預想手臂的動作，確定會運用的關節，才能知道伺服馬達需要的數量。本次實驗的動作為”正拳”，流程為圖(四): 1.起始動作 2.舉拳 3.後拉 4.出拳 5.回歸舉拳 6.回歸起始動作在思考過動作後，我們整理出真正會運用到的關節與旋轉自由度: 胸鎖關節兩個旋轉自由度肩關節三個旋轉自由度肘關節一個旋轉自由度(僅控制手肘伸直與彎曲) 總結出六個自由度，所以至少需要六顆伺服馬達。考量到”胸鎖關節”中控制上下的馬達可能負荷較多重量，所以配置兩顆伺服馬達，總共七顆伺服馬達。接下來利用壓克力板設計結構，將七顆伺服馬達按照關節的相對位置和運動範圍組裝起來。

機構製作

1.Solidwork 繪圖，如圖(五) 2.Solidwork 輸出工程圖 PDF 3.工程圖列印後，將圖案剪下貼於壓克力板 4.按照圖案將零件鋸下 5.鑽孔 6.用砂輪機磨平邊緣 7.用螺絲、六角銅柱、六角塑膠柱、L 架組裝完成

控制系統

本專題機器手臂之控制系統主要是使用 8051 單晶片寫入 C 語言程式來進行控制，8051 是一種 8 位元的單晶片微電腦，屬於 MCS-51 單晶片的一種特色有:專為控制應用所設計之八位元 CPU、加強了布林代數(單一位元的邏輯)之運算功能、32 條雙向且可被獨立定址之 I/O、內部有兩個 16 位元計時器…等等，運用 C 語言設定主程式以及計時中斷副程式來設定修改 PWM 波來輸入 8051 單晶片內，加上驅動電路便可輕易控制馬達轉動。本轉題所使用的馬達為伺服馬達，雖然有點大，但擁有巨大的扭力、並且可控制轉動角度(最多 270 度)，，，伺服，馬達規格：尺寸：39.5×20×39.5mm 運動角度：0 度~270 度(PWM 的工作週期為 5% ~ 12.5%) 重量：73 克工作電壓：4.8V~6.0V 先預想動作後，將各關節應旋轉的角度，輸入相對應的伺服馬達。實際測試後，目測動作上的誤差，再修正伺服馬達的旋轉數值。之後便撰寫 C 語言程式到 8051 單晶片內，手臂運動程式系統其程式內容如圖(六)為主程式、圖 (七)為計時中斷副程式：產生脈波、圖(八)為按鈕控制，其圖(九)為單晶片與馬達系統之連接電路圖。

結果與討論

我們可以運用 8051 單晶片來輸入 C 語言來控制伺服馬達的旋轉角度，根據系統輸入的係數的不同馬達的旋轉角度也會不同如圖(十)中的 a 圖當 PWM 的工作週期為 7.5%時馬達便會旋轉到如 b 圖之中央位置；圖(十一)中的 a 圖當 PWM 的工作週期為 10%時馬達便會從 0 度的位置逆時針旋轉到如 b 圖之-75 度的位置；圖(十二)中的 a 圖當 PWM 的工作週期為 5%時馬達便會從 0 度的位置順時針旋轉到如 b 圖之 56 度的位置。根據此三個旋轉方位的測試結果，當輸入係數越大時便會逆時針旋轉，反之當輸入係數越小時便會順時針旋轉。之後我們再根據使用 Solidworks 設計出來的預想動作圖去測量各個馬達所要旋轉的角度來設計各個馬達所要輸入程式裡的係數。之後便可將程式輸入到 8051 單晶片內並對硬體進行實際的測試，之後的測試結果如圖(十三)為起始固定位置、圖(十四)為手臂直拳揮拳動作。

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結論與建議

這次機械手臂在設計上有幾項缺點和改進方法: 1. 重量過重，導致手臂無法完成部分動作，可透過更換更換輕的材料，或縮小手臂大小，或改變馬達放置方向讓重心更接近中心，都可改善伺服馬達負擔問題。 2.關節設計上，無法完全自然做出與人類相同的動作，這或許是因為旋轉軸完全是水平、垂直設計導致，如果再仔細分析人類的各種動作，或許能做出更完善的旋轉軸設計。 3.揮拳動作不夠自然其原因在於程式系統設計不夠完善，須加入更多揮拳分段動作、動作間隔的停頓時間也須更加改進。

致謝

國立聯合大學洪千萬老師之加工技術指導國立聯合大學柳皓凱學長之 8051 單晶片程式製作、燒錄指導國立聯合大學高恩瀚學長之 C 語言程式教學指導

參考文獻

[1] 蔡朝洋、蔡承祐，單晶片微電腦 8051/8951 原理與應用(C 語言)，全華書局 [2] 王允上，機器人單晶片為電腦控制，全華 [3] 楊明豐，8051 單晶片 C 語言設計實務 [4] 洪維恩，C 語言教學手冊(第四版)，旗標出版股份有限公司

圖表彙整

圖(一) 整體流程圖圖(二) 主要關節歸納圖圖(三) 關節旋轉軸歸納圖圖(四) 動作預想圖

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圖(五) Solidwork 機械手臂繪製圖圖(六) 主程式圖(七) 計時中斷副程式(產生脈波) 圖(八) goto 跳耀指令(按鈕控制)

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圖(九) 電路圖 a.PWM 的工作週期為 7.5%時之波形 b.PWM 的工作週期為 7.5%的馬達旋轉角度圖(十) a.PWM 的工作週期為 10%時之波形 b.PWM 的工作週期為 10%的馬達旋轉角度圖(十一) a.PWM 的工作週期為 5%時之波形 b.PWM 的工作週期為 5%的馬達旋轉角度圖(十二)