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毕 业 设 计 （ 论 文 ） 设计 (论文 )题目 ： 基于 Arduino 的移动 搬运 机械手 设计 与实现 学生姓名 ： 符 金 冬 指导教师 ： 李 国 利 二级学院 ： 机电 工程学院 专 业 ： 电气 工程及其自动化 班 级 ： 14 电气 （ W） 学 号 ： 1404501023 提交日期 ： 2016 年 5 月 15 日 答辩日期 ： 2016 年 5 月 18 日 金陵科技学院学士学位论文 摘要 I 目 录 摘 要 . III Abstract. IV 第一章 绪 论 . 1 1.1 课题研究的相关背景 . 1 1.2 课题研究的目的与意义 . 1 1.3 本文的主要内容及结构 . 2 第二章 机械手机械设计 . 4 2.1 机械手的总体构成 . 4 2.1.1 机械手本体的组成 . 4 2.1.2 机械手自由度的分配 . 4 2.2 机械手运动学分析 . 5 2.2.1 机械手连杆参数 . 5 2.2.2 机械手运动学正解 . 6 2.2.3 机械手运动逆解 . 8 第三章 移动平台设计 . 11 3.1 移动平台结构 . 11 3.2 移动平台运动分析 . 11 第四章 控制系统设计 . 13 4.1 系统设计框图 . 13 4.2 控制系统硬件 . 13 4.2.1 Arduino 微控模块 . 13 4.2.2 S50 非接触式 IC 卡 . 14 4.2.3 RC522 读卡器 . 15 4.2.4 舵机 . 15 4.2.5 电机驱动模块 . 16 4.2.6 直流减速机 . 17 金陵科技学院学士学位论文 摘要 II 4.2.7 光电编码器 . 18 4.2.8 红外对光模块 . 19 4.2.9 人体红外感应模块 . 20 4.2.10 ESP8266 WiFi 模块 . 20 4.3 软件设计 . 21 4.3.1 软件开发平台介绍 . 21 4.3.2 系统程序设计 . 21 4.3.3 读卡程序设计 . 22 4.3.4 机械手控制程序设计 . 23 4.3.5 电机驱动程序 设计 . 24 4.3.6 红外循迹程序设计 . 25 4.3.7 光电编码器程序设计 . 26 4.3.8 ESP8266 程序设计 . 27 4.3.9 服务器端程序设计 . 28 4.3.10 html 网页程序设计 . 28 第五章 系统实物制作 与功能实现 . 31 5.1 系统实物制作 . 31 5.1.1 机械手的制作 . 31 5.1.2 移动平台的制作 . 39 5.1.3 控制系统硬件连接 . 41 5.2 系统功能实现 . 42 5.2.1 ESP8266 的调试 . 42 5.2.3 仓库移动轨迹设定 . 47 5.2.4 服务器与客户端的远程无线信息传输系统 . 47 第六章 总结 . 49 参考文献 . 50 附录 1 系统部分程序清单 . 51 致 谢 . 71 金陵科技学院学士学位论文 摘要 III 基于 Arduino 的移动搬运机械手 设计 与实现 摘 要 随着中国 制造 2025 的推进和发展以及工业制造的网络化，通过信息技术把人、机械、信息系统和各种相关设备紧密联接起来，为工业企业的智能化提供可靠完整的数据基础和支持。 本设计是基于 Arduino 平台的移动搬运机械手系统设计，机械手系统主要包括机械本体与控制系统两部分，机械本体包括搬运机械手、移动平台。控制系统主要包括上位机、Arduino 开发板、舵机、电机驱动模块、直流减速机、读卡器电路、 RFID 射频卡等。所设计的机械手具有以下功能：手机 或者 PC 端 连接 WiFi 热点，通过浏览器访问 WEB 服务 器 地址，获取 搬运 机械手的现场状态有 无 货物 ， 当有货物 时 将货物 编码 发送至客户端，用户在客户端看到 货物 信息后，通过客户端的 页面 对货物的存放位置进行分配。分配 完成 后数据通过网络发送至服务器，服务器对数据 进行 处理后，移动 搬运 机械 手根据收到 的数据进行货物的搬运入库。 本文首先设计了移动机械手的机械结构，使用 SolidWorks 进行了移动机械手的建模和装配。建立了机械手的笛卡尔坐标系，通过 D-H 参数法推导出了机械手的正、逆解运动学矩阵方程。然后介绍了控制系统硬件。根据控制要求，画出了系统软件流程图，并编写了系统源代码。再对系统实物的搭建进行了介绍。最后进行系统软硬件调试，调试结果表明，系统能够满足控制要求。所设计的系统能够 实现通过 搭建 WEB 服务器 技术 实现移动 机械手的远程无 线控制， 通信 安全性高，工作可靠，操作简单。 关键词： Arduino； 机械手 ； 移动 平台 ； 直流 减速机； WEB 服务器 ； 金陵科技学院学士学位论文 Abstract IV Arduino-based automatic transfer robot Design and Implementation Abstract With the development of made in China 2025 and the networking of industrial manufacturing, people, machinery, information systems and all kinds of related equipments are closely linked which could provide the reliable and completed data base as well as support for industrial enterprises intelligence through information technology. The design is based on the Arduino platform for mobile transfer robot system design, robotic system mainly consists of two parts, machinery and mechanical body and the body control systems including handling robots, mobile platforms. The main control system including PC, Arduino development board, steering, motor drive module, DC gear, circuit card reader, RFID radio frequency cards. The design of the robot has the following features: Mobile phone or PC connection WiFi hot spots, through the browser to access the server address, access to the handling of the mechanical hand of the scene of the goods. When the goods are sent to the client, the goods are sent to the client, the client to see the client information, through the clients page to store the location of the distribution of goods. After the completion of the distribution of data sent through the network to the server, the server for data processing, mobile handling machinery in accordance with the data received by the handling of goods warehousing. At first, this paper designs the mechanical structure and uses SolidWorks to carry out the modeling and assemblage of the mobile manipulator. Cartesian coordinate system of the manipulator is established by D-H parameter method which deduces the positive and inverse solution of the manipulators kinematic matrix equation. Then, the paper introduces the hardware of control system. According to the control requirements with drawing a software flow chart of the system and it could write the source code of the system.Then, the building of objects of the system is introduced. Finally, it debugs the hardware and software of the system and the debugging results show that the system could meet control requirements. The designed system is able to achieve the mobile robot wireless remote control through building WEB server technology and it 金陵科技学院学士学位论文 Abstract V has high communications security ,reliable and simple operation. Key words: Arduino; manipulator; mobile platforms; DC reducer; WEB server; 金陵科技学院学士学位论文 第一 章 绪论 1 第一章 绪 论 1.1 课题 研究的相关背景 在研究移动机器人方面， 国外 已经取得了一定的成果 。 Google公司 旗下的机器人公司波士顿动力公司推出的 新一代 机器人 “ Atlas” 人形机器人 具备激光定位 、 立体传感、自动平衡、独立 电源 、液压驱动等；能实现人类生活的一些基本动作； 2003年 美国发射了 “ 机遇 ” 和“勇气 ” 号 两辆火星探测车， 并在 火星的不同区域完成了为期 90天 的科研工作。 日本 的 “T -52援龙 ” 抢险 救生机器人， 采用 的是 油压 驱动的双臂式机器人，通过履带移动可以在救援人员无法接近的区域完成数倍于人力的危险救援等。 此外 ，在美国的一些高校都配有移动平台的机械手设备， 可以在其上 开展 更多 有价值的研究。 国内 方面 机器人 方面 ， 中国 科学技术大 学研制 出了我国首台 “ 特有 体验交互机器人 ”初步 具备了人机对话 理解， 面部微表情 、 口型和身体动作匹配以及大范围动态环境自主定位导航和 云服务 等功能； 清华大学 设计 出了 基于 Lyanpov稳定性理论的鲁棒控制器 ；上海 交通大学 研究 出了 具有 机械臂的智能移动轮椅，可以帮助老年人代步，完成取药和开门等日常事务 。 移动机器人的市场发展趋势， 2014年，受全球汽车及电子行业需求的带动，特别是中国和韩国，工业机器人销量增长 27。国际机器人协会（ IFR）称， 2014年工业机器人销量约为 22.5万台，其中亚洲的销量几乎占到 2/3，而中国市场的工业机器人销量增长 54，达到 5.6万台。未来全球 市场的需求 还将 持续增长。 机器人 产业主要包括：核心零部件制造、机器人本 体 制造 、 系统集成和行业应用四大环节 。 目前 我国 机器人企业 能 真正 赚钱的业务是系统的集成 。 核心 的 零部件没有真正实现国产化，使国内机器人造价成本远高于国外。 特别 是 “ 减速机 ” ， 国内企业购买减速机的价格 是 国外企业价格的 将近 5倍 。控制器 和 伺服电机等关键零部件价格也显著高于国外同类产品。 1.2 课题研究的目的与意义 移动机械手是指由移动平台和安装在平台上的若干机械手组成的系统。移动机械手相比传统机械手具备显著优势，主要表现为同时具有机械手的操作灵活性和移动平台工作空间的广阔性，有着广泛的应用领域和应用前景。在工业场合，移动机械手可以在生产车间的流水线和仓库中灵活移动，对工件进行识别、抓取、搬运和加工等操作。 金陵科技学院学士学位论文 第一 章 绪论 2 1.3 本文 的主要内容 及 结构 本设计是基于 Arduino 平台的移动搬运机械手系统 的 设计 与 实现 。 本 设计主要包括 两大 部分 ， 移动 搬运 机械手 机械 设计和控制系统设计。 移动 搬运机械手本体 包括 机械手、移动平台 。 机械手 设计的总体方案： 通过 对搬运机械手的工作环境、工作内容 的 分析，确定机械手的总体结构 ， 包括机械手的 关节数 、 自由度 的分配和模型尺寸 。 对 机械手的运动学进行分析，建立运动学模型， 并 对运动学进行正逆解运算。移动 平台 的总体设计方案： 根据 工作 环境和 工作内容的要求确定 移动 平台的机械结构，包括移动平台 驱动方式、 主动轮和从动轮安装位置、是否采用悬挂 等 。 对移动平台的 运动状态 进行分析，包括 移动 距离 、 路径识别等。 服务器网络客户端货物仓库移动搬运机械手图 1-1 控制 系统设计 如图 1-1 控制系统 设计 的 主要内容 ， 控制系统主要包括 客户端 （ 手机 或者 PC 浏览器 ） 、网络热点 AP、 Arduino 开发板 、 ESP8266（ 用于 连接 WiFi 和服务器的 创建 ） 、 舵机（ 机械手关节控制） 、电机 驱动模块（ 移动 平台电机驱动） 、 直流 减速机 （ 移动 平台驱动 电机 ） 、S50 IC 卡（ 货物 信息） 、 RC522 读卡器 （ 货物 的 识别 ） 等 。控制 系统 主要实现如下功能：手机 或者 PC 端 连接 WiFi 热点，通过浏览器访问服务 器 地址，获取 搬运 机械手的现场状态有 无 货物 ， 当有货物 时 将货物 编码 发送至客户端，用