Development of Programmable 

Educational Articulated Robotic Arm 

 

B.E. SENIOR DESIGN PROJECT REPORT 

Electronics Specialization 

 

 

Prepared by 

 

Safdar Mahmood   

 

3849 

Muhammad Amin Qureshi 

3837 

Raheel Masood 

 

 

3930 

 
 

 

  
 

 

 

 

 

College of Engineering 

 

PAF – Karachi Institute of Economics and Technology 

Karachi 

ii 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

This page was intentionally left blank 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

iii 

 

PAF - Karachi Institute of Economics & Technology 

PAF Base Korangi Creek, Karachi-75190, Pakistan 

 

SDP COMPLETION DECLARATION 

 

We the students of College of Engineering, batch Fall 2007, hereby declare that we have completed our final 
year project titled “Articulated Educational Robotic Arm” and have achieved all targets set forth in the project 
proposal. 

It is requested that we may be examined. 

                       NAME 

 

 

  REGISTRATION ID 

     SIGNATURE 

1. 

Muhammad Amin Qureshi  

 

3837 

 

__________________ 

2. 

Raheel Masood   

 

 

3930 

 

__________________ 

3. 

Safdar Mahmood  

 

 

3849 

 

__________________ 

 

Confirmation by Project Supervisor: 

I ___________________________________, as project supervisor for the above mentioned group confirm that 
they  have  completed  all  requirements  of  the  final  project  including  the  number  of  minimum  visits  for 
supervision, submission of all deliverables etc. 

They may now be allowed to present and defend their work. 

________________________________ 

 

 

 

 

 

 

 

 

    Date & signature 

FOR OFFICE USE ONLY 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

            Remarks (If any) 

1.  Report submitted   

 

 

       Yes            No ________________________ 

2.  Project hardware & software fully functional        Yes            No ________________________ 

3.  All other deliverables received 

 

       Yes            No ________________________ 

4.  Presentation Date & Time   _____________________________________________________ 

 

Approved by Project Committee   

 

 

Yes            No        

 

 

 

 

 

NAME   

 

 

 

       SIGNATURE 

1. Chairperson 

Asst. Prof. Muhammad Abdul Aleem 

 

 

__________________ 

2. Member 

Asst. Prof. Rehan Adil 

 

 

 

 

__________________  

3. Member 

Asst. Prof. MohazzabJaved 

 

 

 

__________________ 

4. Member 

Lecturer ObaidRehmani   

 

 

 

__________________ 

 

 

Approved by the Dean/Director: 

 

I certify, to the best of my knowledge, that the required procedures have been followed and the preparation 
criteria have been met for this project work. 

 

Dated:  _______________  

 

 

 

________________________________ 

 

 

 

 

 

 

 

 

(Dean/Director CoE) 

iv 

 

 

PAF - Karachi Institute of Economics & Technology 

PAF Base Korangi Creek, Karachi-75190, Pakistan 

 

 

 

SDP CERTIFICATE OF COMPLETION 

 

This  is  to  certify  that  the  following  students  of  College  of  Engineering  have  completed  their  Senior  Design 
Project under the title Articulated Educational Robotic Arm in partial fulfillment of the requirement of the 
Bachelor 

of 

Engineering 

in 

Electronics 

with 

Telecommunications/Computer 

Systems/Industrial 

Electronics/Avionics specialization. 

 

GROUP MEMBERS: 

 

 

 

 

 

 

 

Muhammad Amin Qureshi  

 

3837 

 

 

Raheel Masood   

 

 

3930 

 

 

Safdar Mahmood  

 

 

3849 

 

 

Project Advisor: 

 

__________________________________ 

 

 

Senior Design Project Committee: 

 

 

_______________ 

 ___________ 

 

_____________   

_______________ 

Asst. Professor   

Asst. Professor   

Asst. Professor   

Lecturer 

M. Abdul Aleem  

Rehan Adil 

 

MohazzabJaved  

ObaidRahmani 

(Chairperson) 

 

(Member) 

 

(Member) 

 

(Member) 

 

 

 

 

______________________ 

Mr. S. NajeebHaiderJafri 

HoD 

Dept. of Telecom.Engg. 

College of Engineering 

PAF – KIET

(Name &Signature) 

 

 

 
 
 
 

To Our Parents 

 

…..and Mentors 

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

vi 

 

 

 

 

 

ABSTRACT 

 

 

 

Educational  and  training  equipment  cost  too  much  when  imported.  We  proposed  a 
design of a 5-axis Articulated Robotic Arm Trainer (named IES Edu.bot v1), which is 
produced  locally  at  relatively  lower  costs  than  those  imported.  We  used 
sophisticatedly designed links made out of acrylic and high torque servo motors. This 
is relatively a different and an indigenous design. The mathematical modeling is done 
in  MATLAB  using  standard  forward  kinematic  convention  of  Denavit-Hartenberg 
parameters.  These  parameters  are  used  to  calculate  the  position  of  the  end-effector 
when  the  joint  angles  are  known.  The  desired  joint  angles  are  given  as  commands 
through  the  MATLAB  GUI  over  the  serial  port  to  the  Atmega128  microcontroller 
which then processes them and sends the output accordingly to the PWM channels to 
rotate the servo motors.Lab manuals have been compiled for giving students a clear 
understanding of the working of robotic arms. The text will guide students to perform 
operation efficiently, guiding them though each procedure. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

vii 

 

KEYWORDS 

 

Robotic Arm Trainer 

5 DOF (Degrees of Freedom) 

Link Coordinate Diagram 

Home Position 

Transformation Matrices 

Forward Kinematics 

Articulated Robotic Arm 

Revolute Joint 

Wrist Pitch and Roll 

D-H Parameters (Denavit&Hartenberg Parameters) 

Training Equipment 

RC/PWM Servo Motor (Radio Control/Pulse Width Modulation) 

Serial Communication 

FBD (Free body Diagram) 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

viii 

 

TABLE OF CONTENTS 

 

ACKNOWLEDGMENT ............................................. Error! Bookmark not defined. 

ABSTRACT ............................................................................................................ vi 

KEYWORDS ......................................................................................................... vii 

TABLE OF FIGURES............................................................................................. x 

LIST OF TABLES .................................................................................................. xi 

PROJECT OBJECTIVES ..................................................................................... xii 

Motivation ........................................................................................................... xii 

Aim...................................................................................................................... xii 

Objectives ............................................................................................................ xii 

Results ................................................................................................................ xiii 

Methodology Adapted ......................................................................................... xiii 

Market Adaptability ........................................................................................... xvii 

1.0 

INTRODUCTION......................................................................................... 1 

1.1 

The Project .................................................................................................. 2 

2.0 

DESIGN OBJECTIVES, ISSUES&THEIR ANALYSES ........................... 4 

2.1 

Design Objectives........................................................................................ 5 

2.2 

Issues .......................................................................................................... 5 

3.0 

DESIGN SPECIFICATIONS ....................................................................... 6 

3.1 

Literature Review ........................................................................................ 7 

3.2 

Process Flow Diagram ............................................................................... 15 

3.3 

Block Diagrams ......................................................................................... 16 

3.4 

Design Parameters ..................................................................................... 17 

3.5 

The Transformation Matrices..................................................................... 20 

3.6 

Design Matrix............................................................................................ 23 

3.7 

Schematics ................................................................................................ 27 

3.8 

Algorithms ................................................................................................ 31 

3.9 

Simulations ............................................................................................... 33 

3.10  PCB Designs ............................................................................................. 34 

3.11  Free Body Diagram (FBD) ........................................................................ 36 

3.12  Mechanical Designs................................................................................... 37 

3.13  Sample Lab Manual ................................................................................... 41 

ix 

 

3.14  Hardware and Software List ...................................................................... 45 

3.15  Gantt Chart ................................................................................................ 48 

3.16  Safety Precautions ..................................................................................... 49 

4.0 

TEST RESULTS AND THEIR ANALYSIS .............................................. 51 

4.1 

Base Servo Motor ...................................................................................... 52 

4.2 

Shoulder Servo Motor ............................................................................... 53 

4.3 

Elbow Servo Motor ................................................................................... 55 

4.4 

Wrist Pitch ................................................................................................ 56 

4.5 

Wrist Roll .................................................................................................. 57 

5.0 

ECONOMIC ANALYSIS ........................................................................... 58 

6.0 

CONCLUSION ........................................................................................... 58 

7.0 

FUTURE RECOMMENDATIONS ........................................................... 59 

8.0 

REFERENCES ........................................................................................... 60 

APPENDICES ....................................................................................................... 61 

A-1 

Source Code ............................................................................................. 62 

A-2 

User Guide And General Information .................................................... 73 

A-3 

Datasheets ................................................................................................ 80 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

TABLE OF FIGURES 

 
 

Figure  3-1: SCORBOT-ER-4U ............................................................................................. 7 
Figure  3-2: Scorbot-ER-9 PRO ............................................................................................. 9 
Figure  3-3: ARISTO 6XT ................................................................................................... 11 
Figure  3-4: RhinoXR-4 links ............................................................................................... 12 
Figure  3-5: Mechanical links corresponding to Mark IV Controller labels ........................... 14 
Figure  3-6: Process flow chart for the robotic arm ............................................................... 15 
Figure  3-7: Block diagram of the robotic arm trainer ........................................................... 16 
Figure  3-8: Link coordinate diagram of 5-axis articulated robotic arm ................................. 17 
Figure  3-9: Link coordinate diagram for home position convention ..................................... 18 
Figure  3-12: The Serial Communication Module ................................................................. 27 
Figure  3-14: The output unit schematic ............................................................................... 28 
Figure  3-13: The inputunit schematic .................................................................................. 28 
Figure  3-15: Simulation of PWM channels OC1A,B& C ..................................................... 33 
Figure  3-16: Simulation of command protocol for the external board................................... 33 
Figure  3-17: PCB layout design of the main board .............................................................. 34 
Figure  3-18: PCB layout for Atmega128 breakout board ..................................................... 35 
Figure  3-19: Free Body Diagram of 5-axis articulated robotic arm, Edu.bot ......................... 36 
Figure  3-20: Part of the base with the space for motor ......................................................... 37 
Figure  3-21: Elbow link with the space for motor ................................................................ 37 
Figure  3-22: Links A& B for shoulder and elbow ................................................................ 38 
Figure  3-23: Shoulder link with the space for motor visible ................................................. 38 
Figure  3-24: Wrist roll clamp to move with the servo motor placed in it .............................. 39 
Figure  3-25: Wrist roll part with the space for motor ........................................................... 39 
Figure  3-26: Gear assembly from the top ............................................................................. 40 
Figure  3-27: Links and joints with cylinders ........................................................................ 40 
Figure  3-28: GUI window for the Lab#1 ............................................................................. 42 
Figure  3-29: GUI window of lab#1 showing 2nd degree of freedom .................................... 44 
Figure  3-30: Pie-chart distribution of the total cost in general .............................................. 46 
Figure  4-1: Angle response curve of the base motor w.r.t OCRnA ....................................... 53 
Figure  4-2: Angle response curve of the shoulder motor w.r.t OCRnA................................. 54 
Figure  4-3: Angle response curve of the elbow motor w.r.t OCRnA .................................... 55 
Figure  4-4: Angle response curve of the wrist pitch motor w.r.t OCRnA.............................. 56 
Figure  4-5: Angle response curve of the wrist roll motor w.r.t OCRnA ................................ 57 
Figure 1: Front panel of the trainer ...................................................................................... 73 
Figure 2: Workspace of the trainer ...................................................................................... 74 
Figure 3: Input and output panel .......................................................................................... 75 
Figure 4: Mini breadboard for optional working .................................................................. 75 
Figure 5: Forward kinematics software snapshot ................................................................. 77 
Figure 6: Forward kinematics software showing the error .................................................... 78