文／位明先（技職教育老師）、胡哲瑋（機器人設計工程師）
近年來臺灣的自造者運動漸趨活躍，而在熱情的高雄港都也有一群自造者們會不定期舉辦活動聚會。在一次的因緣際會中，因為我們同時對開放原始碼設計的meArm 機器手臂感到興趣，因此開始合作一同製作這個meArm 機器手臂。由於meArm 採開放式設計， 所以不管任何人都可以在網路上找到它的設計檔，其結構非常簡單，配上現今多元的結構製作方式， 如果再搭配Arduino 控制器， 便可當作機器手臂的實驗器材。但在實際使用後，仍有許多需要改善的空間。
像是組成結構的零件是將螺絲與壓克力直接絞合，鎖得太鬆會讓手臂在移動時產生晃動， 太緊則容易卡死。不只是難以調整，當使用一段時間之後，壓克力上的螺紋也容易磨損使螺絲滑牙。下方轉動底盤的穩定度也不佳，當手臂伸長後會傾斜變得不易轉動。此外，夾爪在夾取物品的設計上仍需改良， 原先所用之SG-90 伺服機扭力過低，種種問題都會使手臂的應用範圍受到限制。因此經過一番討論後，我們決定分別負責機構的改善以及電控的設計，再邀請葛士冬同學分擔製作的工作， 就這樣開始進行meArm 的改造專題（照片1）。
（照片1） 改造後的meArm 機器手臂。
改善機構
若要讓機器手臂能用得更久， 首先要改善鬆散的結構，我們在原本壓克力骨架的連接處， 加裝垂直連接件（照片2），用螺絲直接鎖在結構上（照片3），以提高結構強度與穩定度。
原來機構上的活動關節則改用自鎖螺帽，以便之後進行旋緊或放鬆的調整，保留零件的連接公差（照片4）。同時因為壓克力不用再負擔螺絲的應力，也不會在長時間的使用後產生滑牙的問題。不過在修改時需注意原本鎖螺絲的孔， 其孔徑大小要再加大3mm ，才能讓螺絲順利穿過。
（照片2） 垂直連接件。（照片3） 用螺絲鎖好結構。（照片4） 活動關節則改用自鎖螺帽，以便之後進行旋緊或放鬆的調整。
迴轉底盤的部分則著重於增加轉動的穩定度，並加強前移與抬升機構的進程，讓手臂伸展到極限時，仍能維持順暢的動作（照片5、照片6）。
（照片5） 迴轉底盤。（照片6） 迴轉底盤。
原本的夾爪馬達有效角度大約只有30 度，一旦轉動超過其限制便會卡住無法轉動，對馬達造成損傷。再者，若只用USB 來供電， 也會導致USB 電源保護斷電。便決定將夾爪連桿結構重新設計以便解決這個問題（照片7），不僅增加轉動的角度，也不會再有卡死的情況出現。同時我們也針對驅動夾爪的齒輪組做了些更動，藉由改變齒輪的形狀，增加整個轉動過程中齒輪咬合的面積，讓動作更穩定且不晃動，也可以減少夾取物體時的間隙。
（照片7） 防鎖死夾爪。
建議使用CNC 雕刻機進行加工，能進一步減少齒輪間隙的公差，讓夾爪的動作更精確。
最後，則是使用扭力更強的伺服機（GS-9025MG）（照片8），同時使用外加直流電源供應，確保在伸長手臂之後，還能有足夠的抬升力量，也不會因為馬達負載電流過大造成USB 自動斷電。
（照片8） GS-9025MG 伺服機。
改造伺服機
改良機器手臂後，接著就能開始加上學習（Self Learning） 功能， 讓指導者能直接抓著手臂移動來記錄動作，再讓手臂重複做出一模一樣的動作。要達成此功能，必須將一連串的伺服機位置資料記錄在記憶體中。等到要重播動作時，再將資料取出來，好讓伺服機得以依照順序來移動。
若要取得伺服機的位置資料，除了可選擇同步外接角度感測器外，比較簡便的方法則是取出伺服機內部可變電阻的電壓值，再透過Arduino 的類比數位轉換功能，將取得的電壓值轉換成角度。不過， 要取得伺服機的VR 電壓就則必須改造在伺服機的內部稍作修改。首先將伺服機外殼固定螺絲轉拆開（照片9），接著並從在控制電路板上面找到VR 可變電阻的3 個接點（分別是電源、接地與VR 電壓）。
一般來說，仔細觀察電路板便可以發現很容易可以找到這3 個接點，焊點比較大的就是了；而在排在中間的點，通常就是VR 代表的電壓接點腳。如果要再進一步確認，可以將伺服機接上電源，再利用以數位三用電表測量接點與接地點端的電壓，如果轉動伺服機時，電壓會隨著成依比例改變，那麼這個接點即為電壓接腳。
（照片9） 將伺服機外殼固定螺絲轉拆開。
用烙鐵將一條導線焊到電壓接腳上（照片10），便能取得馬達轉動時的電壓變化。不過，還得要在外殼上鑽一個小孔讓導線通過外殼（請依所用導線粗細來選擇鑽孔大小）（照片11）。最後將改造過後的伺服機裝到手臂上（照片12、照片13）。
（照片10） 將導線焊到電壓接腳上。（照片11） 在外殼上鑽一個小孔讓導線通過。
（照片12） 改造完成的伺服機。（照片13） 將改造過後的伺服機裝到手臂上。
取得電壓後， 將伺服機接上電源，再將電壓輸出端接到Arduino 的類比數位轉換腳位上（照片14）。經實際的測量，伺服機由0 度轉動到180 度時， 其數值則會由117 變化到557。因此，可推得兩者的轉移函數為：
角度=((AD轉換值-117)*180)/440
這樣就能得到伺服機相對應的位置資料了。
（照片14） 取得電壓後連接到AD 轉換輸入。
學習功能的另一個關鍵則是要把設定好的手臂位置儲存起來，以便教導手臂後可反覆取出，控制手臂的動作。Arduino 可使用SD 卡或內部的EEPROM 來儲存資料，為了方便，我們使用了I2C 介面的EEPROM 當作儲存元件，因為它可以在電源拔取後移給另一個手臂讀取同樣的動作，價格也比SD 卡便宜。硬體的改造就到此告一段落，下次會針對電路與程式設計的部分做介紹。
文章原文刊載於《ROBOCON》國際中文版2015/9月號
