Arduino機械手臂控制發展

嘉南藥理大學資管三甲羅亘佑

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1. 嘉南藥理大學 資訊管理系 104 學年度第 1 學期專題計劃書 Arduino 機械手臂控制發展 指導老師：李豐良 專題負責人 資管三甲 學號:B0209002 姓名:羅亘佑 中華民國 104 年 11 月 【摘 要】
2. 前言 服務型機器人是目前各產業必須要走的一條路，因近年來機械手臂在傳統產業方面 的使用上是不停的在成長，而服務型機器人，根據推估，2021 年全球服務型機器人的 需求總值為 178 億美元，將超過工業機器人的 158 億美元；日本官方也推估，2040 年後服務型機器人的全球市場規模可能達到近 5 兆日圓（約合 1 兆 6 千多億台幣）， 是工業用機器人的 2 倍。(數據來源經濟部產業期刊) 在我們生活中很多小細節都是值得留意的，家中有上了年紀癱瘓的外婆，我因此開 始觀察路邊對身心障礙者（以下簡稱：身障者）所設立的設施，心裡常想著：這真的 能符合他們需求嗎？對他們來說夠友善嗎？我投入了此次的計畫，開始構思如何更貼 近身障者的生活與需求，讓他們的生活品質提升，同理心促使了我的動力與為他們盡 一份心力的想法。 對於行動不便患有特殊疾病的病友與身障者，照護人員或家人必須隨時注意並且協 助他們，倘若一個不留心便可能造成難以彌補的遺憾。缺少他人的協助，他們得花更 多力氣與時間來完成一件在我們普通人眼中十分輕而易舉的動作。 在照護人員有限的協助下，運用現今科技的力量來彌補和協助身障者的不足， Arduino 是一個開放原始碼的單晶片控制器，主要使用 Arduino 語言與 Java、make block.cc 等軟體結合電子元件，例如：開關感測器、光敏感測器、濕度溫度感測器， 藉由 Arduino 來協助身障者是本專題研究及應用上的重點目標。
3. 1-1 研究背景 多年來機械手臂多從事固定反覆的動作來取代工業高危險性的組裝、噴漆、焊接、 高溫鑄鍛等繁重工作，例如汽車製造業，在高科技產業上有矽晶圓切割，蝕刻、加熱、 研磨、離子植入..等等高精密高高危險的製程。 目前在科技日益的進步下，使用機器人來提高生活品質與醫療健康照護已是趨勢不 再是藍圖，而日本、韓國、美國及歐洲，這些國家在健康照護服務型機器人都已注入 相當多心血並做為主力發展項目。(臺大電機系羅仁權教授-醒報採訪) 我國在機器人產業存在的問題，技術方面機器人重要技術還需要突破，學研研發實 際商品化還未成熟，市場方面傳統產業對於高價機器人接受度不高。 我國也在 2015 年 6 月由行政院召開「生產力 4.0 SRB 產業推動計畫」未來九年將 挹注經費於機器人、物聯網、大數據等相關計畫。為因應政府推動智慧機器人產業發 展，經濟部工業局委託財團法人精密機械研究發展中心辦理全國機器人創意競賽活動， 藉此次競賽激發更多創意想法，培育參賽學生以所學之技術進以解決產業問題，競賽 成果使參賽學生與廠商交流機會增加，落實產學實質合作，為優秀人才製造就業機會， 並形成機器人產業發展基石。 (經濟部工業局) 日本 NEDO（新能源產業技術綜合開發機構）在 7 月 17 日推出了世界第一本機器 人白皮書，並進 行了發刊說明會。說明會中 NEOD 的機器人及機械系統發展部弓取修 二部長談到，「機器人技術將 能成為支撐社會基盤的重要根基，並蘊藏有能改革社會 的可能性」 NEDO 表示，日本雖然一直以來都被冠以機器人大國的稱號，但在電機產 業上卻陷入了「在技 術面取勝，在商業面落敗」的窘境，此次推出白皮書便是希望藉 此能讓機器人商機更加的活性化。 機器人白皮書並非提供給機器人開發者，而是站在 使用者的角度上，提供機器人產業現狀及技術、 所面臨到的問題上進行說明，書中並
4. 舉出多項應用實例。 書中共有七章，分別由「機器人的基本情報」、「利用機器人的 意義」、「產業機器人的現 狀與面臨到的課題」、「生活與服務領域的機器人事業」、 「各領域機器人的現狀與面臨到的課 題」、「機器人在社會應用上的策略」、「各章 節的課題與解決方案」等 7 章構成。這些內容也都 能在 NEDO 的首頁下載內容。 韓國產業通商資源部（MOTIE）於近期召開的機器人部屬產業政策協議會上，發 布了第二期 （2014 年—2018 年）的智慧型機器人基本計劃。智慧型機器人基本計畫 是根據「智慧型機器人開發 與普及化促進法」所規劃出的五年計畫，第一次計畫是在 2009 年頒布。 第二期智慧型機器人基本計劃將主要推廣機器人技術的發展與主力產業 融合，創造附加價值， 並延伸到其他領域，著重在「機器人產業向外延伸」，將針對 包含提高機器人研究開發(R&D)實 力、擴大機器人需求產業、建構開放式的機器人產 業生態系、將機器人與網路結合在內等四大課題 推動，期許透過計畫改善機器人研究 開發所面臨的問題，開發韓國國內外的新需求及新市場，創造 產業市場。 韓國產業通 商資源部在發布第二期智慧型機器人基本計劃的同時，也發布了 2013 年機器人產 業 調查結果(調查機關：韓國機器人產業振興院)，2013 年韓國國內的機器人市場較前年 度約上升了 4.1%，達到了 644.6 億元的產值，在機器人出口產值上，則較前年度上升 了 23.9%來到 216.1 億元，相 關企業數上則上升了 9.2%，來到了 402 家。(經濟部智 慧自動化產業期刊)
5. 研究動機與目的 未來機器人實際應用於日常生活，貼近一般人不再是冰冷冷不解人性的工具，不再 是待在工廠內執行骯髒(Dirty)、疲累(Difficult)、危險(Dangerous) 的工業機器(臺大電 機系羅仁權教授)，未來機器人市場以服務型機器人主導。而輔具機器設備也是重要的 一環，是更貼近使用者的機器設備，因此提高身障者生活品質的機器手臂，是目前台 灣可以積極研究及發展的項目，未來也可將此機器手臂做各種延伸運用在服務型機器 人居家照護機器人，使機器人在手部上的活動更為靈活敏捷及準確。 本研究是實際解決受到疾病影響日常生活的患者與身障者，改善目前看護人力 不足與過勞問題的衍生，提升患者自信及獨立減少患者依賴家庭及職業人員使他們能 享受方便的生活。藉輔助機器與病患互動下令患者和身障者於生活不必再過於仰賴他 人。 透過人機介面觸控及聲控接收使用者傳達的指令，進而控制機械手臂做機械運 動。但因考慮安全性及使用環境因素，必須讓機械手臂在任何三維空間都能保持安全 及可控性，因此必須限制在三維空間機械手臂的作動範圍，讓使用在安全的環境下控 制機械手臂執行機械運動，平移，旋轉，抓握，達成靈活控制適應不同使用者的需求。
6. 研究流程
7. 系統架構 本專題主要分為三個部分其說明如下： 軟體部分：Sensing Orientation 移動計算判斷，壓力感測接收判斷，機械手臂 控制系統。下圖(自製)為本研究所提出的系統架構圖，圖中使用 Arduino Uno 為控制器 當作 I2C master 來讀取和設定壓力感測器 Force-Sensitive Resistor 之暫存，再將 Sensor 的 Raw Data 做運算和分析，同樣的 HC-05 藍芽接收 Android 訊號運算解碼後 傳值給 Arduino Uno 透過運算驅動 Servo motor。LCD 16x2 是用來顯示重要運算值。 硬體部分：六軸機械手臂，Arduino board，I2C LCD，HC-05，Android tablets， Force-Sensitive Resistor，。下圖(自製)
8. 微控軟體流程圖
9. 雛型機構設計： 機械手臂以 Universidad Carlos III de Madrid Escuela Politécnica Superior Ingeniería Técnica Industrial Electrónica Industrial 的手臂為原型，重新進行設計與修 改。採用 Solidworks 軟體繪製以及設計各零件。 機械手臂主要分為五個部分： Base：包括底坐的 (對 Z 軸旋轉) 與 (對 Y 軸旋轉)。使用兩顆 MG995 馬達 Humerus：連結 Base 與 Elbow 之間的骨幹，不須攜帶馬達。 Elbow：使用兩顆 MG995 馬達 Wrist：使用兩顆 MG995 馬達 Gripper：夾持的手指端。使用一顆 MG90 馬達
10. 目前進度 此研究計畫分為：構想、雛形、元件測試、設計：軟體設計硬體設計、組裝、測試、 實物應用，目前已完成構想及元件測試。雛形包含軟體設計及硬體設計，可以簡單的 藉由 Arduino 及 NI labview 圖控、Android 軟體設計、solidworks CAD 建模及模擬運 作。(Arduino、NI labview、Solidworks CAD)
11. 預期成果
12. 相關研究 機械手臂之介紹 機械手臂( robotic arm )是具有模仿人類手臂功能並完成各種反覆性的自動控制設 備，這種機器人系統有多軸關節並且可在平面或三度空間中進行機械運動或使用線性 位移移動。構造上有機械主體、控制器、伺服機構和 Sensor 所組成，並且由工程師預 先撰寫程式，並由程式根據作業需求設定一定的指定動作。機器人的運作由電動馬達 驅動手臂，旋轉或是開合的動作，並且精準的反饋至可編邏輯的控制器。這種自動裝 置機械可由熟練的操作者將作業程序輸入，就能依照程序並且反覆完成無數次的正確 規律運作。 工業用機械手臂 在 1980 年代機械手臂已成功的使用於汽車製造等傳統產業，在機器人技術領域是 應用最為廣泛的自動化機械裝置，且可用於多危險之組裝、噴漆、焊接、刻蝕，高溫 鍛造，是解決人力不足及繁重工作主要機器。目前機械手臂在機器人技術領域中獲得 最廣泛的使用在自動化機械裝置，主要用於工業製造上，但近幾年來機械手臂等應用 上朝向服務人群人機互動，機械手臂在機器人領域中，的應用也開始有了重要突破， 可以說是因物聯網的發展下帶動感測器越來越多樣化，使機械手臂的應用範圍更加廣 泛更加貼近使用者。。 NI labview 之介紹 LabVIEW（Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench，實驗室 虛擬儀器工程平台）是由美國國家儀器公司所開發的圖形化程式編譯平台，發明者為 傑夫·考度斯基（Jeff Kodosky），程式最初於 1986 年在蘋果電腦上發表。LabVIEW 早期是為了儀器自動控制所設計，至今轉變成為一種逐漸成熟的高階程式語言。圖形 化程式與傳統程式語言之不同點在於程式流程採用"資料流"之概念打破傳統之思維模式， 使得程式設計者在流程圖構思完畢的同時也完成了程式的撰寫。(National Instruments Corporation)
13. Arduino 之介紹 Arduino，是一個開放原始碼的單晶片微控制器，它使用了 Atmel AVR 單片機，採 用了開放原始碼的軟硬體平台，建構於簡單輸出/輸入（simple I/O）介面板，並且使用 類似 Java、C 語言的 Processing/Wiring 開發環境。 Arduino 是一種開放授權的互動環境開發技術(Arduino.TW,2015)。基於創用 CC 開放原始碼的電路圖設計。免費下載，也可依需求自己修改，但需遵照姓名標示。您 必須按照作者或授權人所指定的方式，表彰其姓名。依相同方式分享，若您改變或轉 變著作，當散布該衍生著作時，您需採用與本著作相同或類似的授權條款。Arduino 可 使用 ICSP 線上燒入器，將 Bootloader 燒入新的 IC 晶片。 而且 Arduino 是使用開放原始碼的軟硬體平台，提供簡單而好用的輸出入介面，也 可以使用類似於 Java、C 語言等高階語言的開發環境。因為是開放原始碼的平台，所 以開發各種應用的參考資料非常多，尤其網路上的資源與討論構想也對學習 Arduino 有非常多的幫助(石致和,2013;趙英傑,2014)。但是在過去若要設定硬體環境時，可能 需要具備電子、電機及相關科系的背景，一般人有時間與能力的門檻。但是因為 Arduino 學習門檻較低，不需要電子電機相關科系的背景，也可以容易學會 Arduino 相 關互動裝置的開發，提高實務作品的機會。又由於 Arduino 是以公開共享為發想，網 路上的創客都樂於公開自己是如何創作出有趣實用的作品，所以網路上能找的創作案 子也非常豐富(Arduino.TW,2015)。本專題可以使用這樣的技術，依照需求進行彈性調 整與增能，讓專題可以在時限內完成實務作品。
14. 感測器之介紹 在網通及感測器的發展帶動下，物聯網時代即將來臨，感測器的多樣化，剛開始較 多使用在汽車上，到現在感測器越來越多樣化，舉凡我們外界感受到的物理因素，都 可以透過感測器，比如重力，壓力，溫度，濕度還有空氣品質都可以透過感測器變成 訊號給終端的接收裝置比如，Raspberry PI，Arduino，android，IOS，ARM mbed... 等等，再經過雲端做處理。圖例[X] Arduino 接收訊號根據壓力感測器，commend LED 的亮度
15. 機械手臂發展現況及探討 機械手臂在工業自動化的應用已經相當廣泛，主要是使用於人工無法進行或者會耗 費較多時間來做的工作，機械手臂在精度與耐用性上可以減少許人為的不可預知問題。 自從第一台產業用機器人發明以來，機械手臂的應用也從原本的汽車工業、模具製造、 電子製程等相關產業，更拓展到農業、醫療、服務業…等等，近年來各國把重點放在 輔具機械手臂，例圖[X] 。 http://robohub.org/robots-podcast-supernumerary-limbs-with-federico-parietti/
16. 本專題案例之探討 JACO Rehab Edition by Kinova 是由加拿大公司，在 2010 年被引入復康市場。是 一個具有 Gripper and 6 axis servo drive arm。它被安裝在電動輪椅座椅框架，並使 用相同的控制器。它是為了有嚴重的肌肉障礙，如肌肉萎縮症、肌萎縮性側索硬化症、 脊髓損傷、多發性硬化症、及偶發神經系統疾病，而使用電動輪椅的人。 它可以幫助那些個人實現他們原本無法做的日常任務。例如，藉由其多功能手臂為 自己倒一杯水。此外，可以把你的食物拿到桌上，並享用餐點。即使在你周圍的人都 願意幫助你，但總不會比自己做的更好。 但在 JACO 機械手臂操控上還有很多技術可以加入延伸，不侷限於單單使用搖桿 及按鍵，本專題研究在平板上以觸控方式及聲控來控制機械手臂，使機械手臂完成即 時任務。
17. 參考文獻 1. “Bio-Artificial Synergies for Grasp Posture Control of Supernumerary Robotic Fingers” “Faye Y. WuHarryH.Asada” “d'ArbeloffLaboratory,MassachusettsInstitute of Technology Cambridge, MA 02139, USA, {yfwu,asada}@mit.edu”(July, 2014) 2. Arduino 官網 https://www.arduino.cc/en/Guide/Introduction 3. Massimo Banzi: How Arduino is open-sourcing imagination ，TED(6,2012) 4. 經濟部 智慧自動化 產業期刊 季刊 NO.10 (9,2014)頁碼 11 頁 5. S.K. Clark and K.D. Wise, “Pressure sensitivity in anisotropically etched thin- diaphragm pressure sensors,” IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. ED- 26, pp. 1887-1896, 1979. 6. W.P. Eaton and J.H. Smith, “Micromachined pressure sensors: review and recent developments,” Smart Master., Struct. 6, pp. 530-539, 1997. 7. 國立中央大學，資訊工程研究所，碩士論文，Intuitive Remote Control Robot Arm System，研究生:蔡子文,指導教授:曾定章教授(6,2015)p5 8. 行政院 2010 年產業科技策略會議，議題三:智慧型自動化之產業化推動策略，子題 二: 發展智慧型機器人產業，經濟部工業局(12,2010)p20 9. 機器人軍團 顛覆勞力供應鏈，經濟日報 張小玫、科技產業資訊室團隊(2,2015) 10. 物聯網將掀起工業 4.0 革命，RESEARCH PORTAL 科技政策觀點(6,2015) 11. 國立台灣科技大學，機械工程系，碩士論文，以系統晶片發展具機器視覺隻機械手 臂運動控制，研究生誣憲欣，指導教授黃緒哲教授(6，2006) 12. 7. 國立中央大學，機械工程研究所，碩士論文，力量控制於機械手臂運動之應用， 研究生喬執中，指導教授黃碧正教授(7,2001)