Fernsteuerung eines Roboterarms per IoT: Eigenbau mit Arduino MKR1000

Komponenten und Zubehör

Arduino MKR1000

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Benötigte Werkzeuge und Maschinen

• Lasercutter (beliebig)

Apps und Online-Dienste

• MATLAB
• Arduino IDE

Über dieses Projekt

Einführung

Ich wollte unbedingt einen Roboterarm komplett von Grund auf selbst entwerfen. Es gibt viele Open-Source-Designs, aber ich fand es reizvoll, einen von Grund auf zu designen, zu bauen und zu programmieren (und es war es).

Ich werde sowohl die Design- als auch die Programmierphase beleuchten, wobei der Fokus auf der Programmierung liegt, da es nicht nur um das Steuern von Servowinkeln geht.

Video des finalen Projekts: MathWorks Video

Ich verwendete Simulink, um einen Arduino MKR1000 zu programmieren, der als MCU den Roboterarm steuert. Anschließend fügte ich die Möglichkeit hinzu, den Arm von praktisch überall über ThingSpeak – eine offene IoT-Plattform mit MATLAB-Analytik – zu steuern.

Benötigte Hardware

• 15″ × 20″ Sperrholz, 3 mm (1/8 Zoll) dick
• Arduino MKR1000
• 5× GS9025MG Servos
• 2,1 mm DC-Hohlsteckerbuchse (brotboard-tauglich)
• 6 V DC-Hohlstecker-Netzteil
• Jumper-Kabel
• 3× 2N2222A Transistoren
• 10× M2 Muttern
• 10× M2 × 10 Schrauben
• 40× M3 Muttern
• 40× M3 × 25 Schrauben

Verwendete Software

• MATLAB
• Simulink
• MATLAB Support Package for Arduino Hardware
• Simulink Support Package for Arduino Hardware
• MATLAB Support Package for ThingSpeak

Design

Um die Kosten niedrig zu halten, entwarf ich den Arm für Hobbyservos, speziell das Modell GS-9025MG. Das begrenzte das Endgewicht und die Größe, da Mikroservos nicht viel Drehmoment aufbringen und daher keine schweren Hebelarme heben können.

Ein Prototyp aus 6 mm (1/4 Zoll) Sperrholz erwies sich als zu schwer für die Servos. Ich verkürzte die Arme und nutzte 3 mm (1/8 Zoll) Sperrholz – das löste das Steuerproblem. Das Design erstellte ich in Fusion 360, exportierte es als DXF-Datei und ließ es laserschneiden.

Eine kontinuierliche DC-Spannung aus der Steckdose war nötig, da der Strombedarf aus Akkupacks sehr hoch war und diese schnell leerte.

Zur Motorsteuerung: Der Arduino MKR1000 hat 4 PWM-Pins, aber ich benötigte 5 für die 5 Servos. Ich wurde kreativ: Ein PWM-Pin steuert 2 Servos, und ein digitaler Pin schaltet per Transistor zwischen den beiden Servos um, sodass immer nur einer aktiv ist.

Schaltung dafür:

Verkabelung der Servos zum Arduino:

Programmierung

Die Programmierung hatte zwei Phasen: Prototyping (Aufbau und Ansteuern der Servos auf bestimmte Winkel) und präzise Steuerung (Anfahren von XY-Koordinaten via ThingSpeak).

Prototyping

Mit Schiebern und Konstanten-Blöcken konnte ich die Servos auf dem Arduino auf bestimmte Winkel fahren. Dieses Modell nutzte ich, um die Abweichungen zwischen Soll- und Ist-Winkeln sowie die zulässigen Winkelbereiche jedes Servos zu ermitteln.

Die Blöcke mit Zahnrad-Symbol sind die PWM-Schreibblöcke für die Servo-Winkel (0–180°).

Für die inverse Kinematik eines 2D-planaren Arms verwendete ich die Formeln von appliedgo.net/roboticarm – eine sehr gute Erklärung.

Präzise Steuerung

Obwohl komplexer, ist die Logik dieselbe: Ausgabeblöcke sind weiterhin die Servo-Schreibblöcke. Die Eingaben kommen nun nicht mehr von Schiebern, sondern werden vom ThingSpeak-Kanal gelesen. Die Eingaben sind X- und Y-Position des Arms, die über den MATLAB-Funktionsblock loc2angles in Sollwinkel umgerechnet werden. Der angles2loc-Block oben überwacht per Vorwärtskinematik, ob die Servowinkel die korrekte Eingabeposition ergeben.

Ein cooles Simulink-Tool nutzte ich: External Mode. Damit kann man das System überwachen, während es auf dem Arduino läuft.

Die Blöcke mit der grauen Wolke sind die ThingSpeak-Read-Blöcke aus dem Simulink Support Package für Arduino. Man gibt Channel-ID, Datenfeldnummer und Read-API-Key ein, und der Block liefert die Daten aus diesem Kanal und Feld.

ThingSpeak nutzen: Channel erstellen und verwenden

1. Gehen Sie zu thingspeak.com
2. Klicken Sie oben rechts auf „Sign in“ und melden Sie sich mit Ihrem kostenlosen MathWorks-Konto an.
3. Auf dem Dashboard „New Channel“ klicken.
4. Daten wie folgt ausfüllen (nur diese Felder sind nötig):

5. Unten auf „Save channel“ klicken.
6. Channel erstellt.
7. Im MATLAB-Befehlsfenster oder per MATLAB Mobile App Daten schreiben:
   thingSpeakWrite(chID, [0.6963.94 -12 0 0], 'WriteKey', APIKEY, 'Fields', [1 2 3 4 5]);
   Die Werte im zweiten Argument ändern die entsprechenden Felder. Danach sehen die Channel-Daten so aus:

Modell ausführen

Nach ThingSpeak-Setup: In Simulink auf „Model Configuration Parameters“ (kleines Zahnrad oben), „Hardware Implementation“ wählen, „Hardware Board“ auf Arduino MKR1000 setzen. Unter „Target Hardware Resources“ → „WiFi Properties“ WLAN-Zugangsdaten eintragen.

Grüner „Run“-Button = External Mode; Blauer „Deploy“-Button = Auf Hardware flashen.

Wenn das Modell läuft, können Sie per MATLAB oder MATLAB Mobile neue Daten in die ThingSpeak-Felder schreiben und zusehen, wie sich der Roboterarm bewegt!

Code

MATLAB Central File Exchange: Controlling a Robotic Arm from Anywhere Using IoT