Python可以這樣玩(23)：MeArm 機器手臂

最近夾娃娃機流行，為了把家裡的小朋友導入正途，因此四處尋找夾娃娃機的 Arduino 模組，可惜沒找到，不過倒是找到了替代方案，MeArm，如下圖：

meArm 是時下最夯的桌上型機器手臂，藉由DIY套件，它不只能帶你走入 maker 世界，更能透過實做培養電路設計與程式設計能力，從學生到社會人士都適合玩。meArm 目的是要喚酷大家潛藏已久的自造魂，希望藉時下最夯的機器手臂來引發興趣，同時透過深入淺出的教程帶領大家進入程式設計殿堂。

除了機械手臂特質外，meArm 更代表開源精神，因為它搭載開放的 Arduino 主板，我們特別設計的搖桿擴展板也會開源出來。不僅如此，它的軟體也是開源的，包括C語言和圖形語言開發環境，您所在上面修改的任何一條程式碼，都可以放到社群供大家分享，藉以融入廣大的國際 Arduino 和 MeArm 社群，透過 meArm，您不僅能鍛鍊程設功力，並能融入國際社群，為未來開創無限可能。

首先，開源的MeArm 的原始狀態，其實就是一張開源的設計圖，如下圖：

有了這張藍圖，您可以用木板，紙板，鋼板，壓克力板來自行製作，網路上真的可以看到有人用紙板和美工刀來自行製作機器手臂，不過我覺得不用那麼麻煩，網路上只要花530元就可以買到。我買的零件如下圖：

我的 MeArm 是在露天拍賣買的，原本想在台北光華商場買，但是找不到，如果有其他網友知道哪家有賣，也可以留言分享。最後組裝好如下面的影片(娃娃太大夾不起來)：

伺服馬達

上圖中可以看到，機器手臂的主要動力來自於四顆伺服馬達(SG90)，一般電子材料店都可以買到，下面先整理一下馬達的種類：

同步馬達：特點是恆速不變與不需要調速，起動轉矩小，且當馬達達到運轉速度時，轉速穩定，效率高。

感應馬達：特點是構造簡單耐用，且可使用電阻或電容調整轉速與正反轉，典型應用是風扇、壓縮機、冷氣機。

可逆馬達：基本上與感應馬達構造與特性相同，特點馬達尾部內藏簡易的剎車機構（摩擦剎車），其目的為了藉由加入摩擦負載，以達到瞬間可逆的特性，並可減少感應馬達因作用力產生的過轉量。

步進馬達：特點是脈衝馬達的一種，以一定角度逐步轉動的馬達，因採用開迴路（Open Loop）控制方式處理，因此不需要位置檢出和速度檢出的回授裝置，就能達成精確的位置和速度控制，且穩定性佳。

伺服馬達：特點是具有轉速控制精確穩定、加速和減速反應快、動作迅速（快速反轉、迅速加速）、小型質輕、輸出功率大（即功率密度高）、效率高等特點，廣泛應用於位置和速度控制上，如機器手臂。

線性馬達：具有長行程的驅動並能表現高精密定位能力。

有了馬達的基本概念之後，我們就來深入討論伺服馬達。試著 Google 一下就可以找到相關資料。

伺服馬達（Servomotor）是對用於使用伺服機構的馬達（電動機）總稱。伺服（Servo）一詞來自拉丁文"Servus"，本為奴隸（Slave）之意，此指依照命令動作的意義。所謂伺服系統，就是依照指示命令動作所構成的控制裝置，應用於馬達的伺服控制，將感測器裝在馬達與控制對象機器上，偵測結果會返回伺服放大器與指令值做比較。由此可知，因為伺服馬達是以回饋訊號控制，與藉由輸入脈波訊號控制的步進馬達有所區別。

伺服馬達的動作特性是進行位置定位控制和動作速度控制，其主要特點是 轉速可以精確控制，速度控制範圍廣，可以安定平順等速運轉之外，還可以根據需求隨時變更速度。在極低速度也可以穩定轉動。能迅速做出正轉與逆轉，也能迅速加減速。在由靜態改為動態運作或由動態改為靜態運作所需費時極短，而且即便有外力附加仍可以保持位置。並在額定容量範圍內瞬間產生大轉矩，輸出功率大且效率也高。

伺服馬達分為交流（AC）和直流（DC）兩種，直流伺服馬達機體較細長，因此轉子慣性較小[3]，而且具有線性反應佳與簡單易於控制特性，因為直流伺服馬達因為操作容易，也就是旋轉方向由電流決定，並且旋轉速度由改變施加的電壓來控制，控制簡單所以廣泛使用因此現在直流伺服馬達是使用最多的馬達。

校正伺服馬達

伺服馬達是有角度的，從 0度到 180度，所以我們是用角度來控制，如果希望機器手臂向右轉90度，就下轉 90度的指令給它即可。當您拿到 MeArm 之後，請按照說明書的步驟組裝，通常第一步就是要校正伺服馬達，為何要校正呢？我們以底座的伺服馬達為例，必須先校正到 90度之後才能安裝，這樣才能讓底座能夠向左轉到0度，向右轉到 180 度，也就是個轉 90度，如果沒有校正，假設伺服馬達的內定值是0度，那麼很可能你裝好手臂之後，只能向右轉 180度了。

我按照說明書，使用 Python 將底座(控制左右)、左側(控制上下)、右側(控制前後)、與鉗爪(控制開闔)分別校正。其校正角度分別是 90、90、90、25度。前面三個設定成90度我沒有意見，但是我實際測試的結果，如果設定25度，鉗爪開到最大的角度就是 50度，感覺上還可以再張開一點，建議設定成 45度。我自己已經改成45度了，這樣鉗爪就可以完全打開。

組裝

校正好四顆伺服馬達之後，就可以開始組裝了，組裝的過程中，伺服馬達的角度在扣上白色小槓桿之前，絕對不可以轉動，否則角度就跑掉了，必須重新校正。一旦按照說明書的角度扣上槓桿之後，就可以隨安裝需要轉動了。

我買的這組MeArm 的說明書中，有兩個錯誤的地方，您可以相信說明書，也可以接納我的安裝經驗加以修正。

第一個錯誤是在倒數第二個步驟，也就是安裝鉗爪的步驟有錯誤，這裡少裝了一個小圓圈，請看下圖：

在右上角那個螺絲的地方，兩個板中間會出現一個空隙，請自行把小圓圈夾在中間鎖上，不然，安裝完成之後，會發現多出一個小圓圈來。

我們都有去機車行修機車的經驗，最擔心的事情，就是當師傅把拆下的車零件案裝回去之後，發現多一顆螺絲，真的很尷尬，我真的遇過這種情況，最後那個師傅把那顆多出來的螺絲踢掉了，我有看到，但也不能說啥？

第二個錯誤則是最後一個步驟，請看下圖：

這個步驟說了需要三個 8mm的螺絲，這三個螺絲裝在下面三個地方，就是鎖住鉗爪馬達座的三顆螺絲，請看下圖：

圖中的螺絲有七顆，我所說的這三顆螺絲，是上面朝左右側的那三顆。不是下面面朝上的四顆。

左上角那顆面朝左的那顆鎖上8mm的螺絲沒有問題，但是接下來側面的那兩顆，由於 8mm螺絲是用來鎖三層厚度的板子的螺絲，側面那兩顆所要鎖的厚度則超過三層，實際鎖的時候會發現根本躲不到內層板子，兩個螺絲就這麼掛在上面還會晃動，雖然因為上面那一顆螺絲有鎖緊，馬達並不會掉下來，但是運作的時候那兩顆螺絲會晃來晃去。

剛好，整組組合完畢之後，有多出三顆螺絲，應該是用來鎖底座跟開發板用的，其中剛好多出兩個 10mm的螺絲，建議，把這兩顆螺絲鎖在這個位置。這樣一來，整個螺絲就可以鎖緊，不會再晃動。

完成了這一步，恭喜你，整個機器手臂就安裝完畢了。

插裝線路

接下來，我們就可以接受下一個挑戰，線路部分，就按照下圖安裝：

至於哪一個 Digital Pin 接在哪個馬達上，請參考下面的程式碼：

  myservo1.attach(9);         // 連結pin9到底部伺服馬達

  myservo1.write(servoVal1); // 一開始先置中90度

  myservo2.attach(10);        // 連結pin10到左側伺服馬達

  myservo2.write(servoVal2); // 一開始先置中90度

  myservo3.attach(11);        // 連結pin11到右側伺服馬達

  myservo3.write(servoVal3); // 一開始退到後面，30度

  myservo4.attach(6);         // 連結pin6到爪子的伺服馬達

  myservo4.write(servoVal4); // 一開始鉗爪全開，0度

哪個是左側馬達哪個是右側？有一個原則，方形的馬達座裝的馬達是左側馬達，而五邊形的馬達座則是右側馬達，另一個方式，請從手臂的後面往前看，左右邊就不會有錯。