國廠祥儀科技寶智慧手臂 2/3：
機電整合設計篇
Nov. 13, 2022
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本系列第二篇文章延續了前一篇《國廠祥儀科技寶智慧手臂 1/3：機構設計篇（https://reurl.cc/Wq1aWZ）》的解析，本文將進一步地著墨在機電整合設計上（圖 1 中間方塊），仔細地剖析控制板（Arduino Nano）、伺服馬達與 16 路伺馬達擴充板 PCA9685 的電路設計。這三者的接線圖如圖 3，電路圖如圖 4 所示。註：智慧手臂的控制板在出廠的接線已改為以 D11（8787 Grove 的黃線接做為接收 Rx 的控制板接腳） 和 D9（8787 Grove 的白線接做為傳送 Tx 的控制板接腳） 和 8787 做四線對接交握（handshaking）通信，請讀者自行調整圖 2 和圖 3 的接腳接線。
圖 1：機電整合專案三大設計
圖 2：智慧手臂接線圖
圖 3：智慧手臂電路圖
另一方面，因為伺服馬達與 8787 都是吃大電流的電子元件，以「多電源共地」方式拉電源是比較安穩的供電方式（圖 2 是以二顆 18650 的 7.4 V 電池並聯供電） [4]：
電源供應 1：供應 5V 給 PCA 9685 去控四顆伺服馬達
電源供應 2：供應 5V 給 8787
電源供應 3：供應 5V 給控制板
機電整合之 Arduino Nano
智慧手臂使用祥儀自家設計的科技寶（Cagebot）控制板（https://reurl.cc/X5jn1a），這是一塊 Arduino Nano 的相容板子，使用前要先掛上 CH340 驅動程式（https://reurl.cc/VRDVK6）。然後在裝置管理員（device manager）（以 Windows 為例，其他作業系統請自行尋找）中可查看到作業系統所指派的序列埠（COM port）編號──此號碼很重要，一定要學會隨時查看，因為我們隨後會以 Arduino IDE 開發工具透過此通道將程式上傳到控制板中。
機電整合之伺服馬達
伺服馬達採用了閉迴路（closed-loop）的迴授（feedback）機制（https://reurl.cc/aaV0vZ），使之能以 0~180 度控制其轉動角度。至於馬達內的各部件（parts），強烈建議讀者以破壞式學習（https://reurl.cc/aaV0vZ），透過逐一拆解的過程去印證這些組成部件的關連性，以建立知識的直覺（intutition）。
機電整合之 PCA9685
（伺服）馬逹是以電生磁，磁生力的電磁作用轉動的，它在啟動瞬間需要較大的啟動電流去推動，因此，切勿貪圖一時方便直接將之接到控制板的 GPIO（General Purpose Input/ Output）接腳（pin）上。雖然偶一為之看不出它對控制板的傷害，但隨著多次的積累使用，其實是在加速控制板的老化（burnout），就好像一直往存款有限的戶頭大量提款，這筆存款就會很「快」地被提領殆盡的。因此，我們選擇了 16 路四線 I2C 匯流排（bus）介面的馬達擴充板 PCA9685（https://reurl.cc/58pVn7）來趨動智慧手臂的四軸。
- 六種授權條款。
- 感謝祥儀提供智慧手臂第一手相關文件。
- 感謝羅傑史丹兒童程式教育學院（https://reurl.cc/nZOyRD）提供智慧手臂借測與學生體驗。
- 反推，多電源若不共地，則有人在地下室、有人在大廳，還有人在天花板上，這…要怎玩？
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