机械毕业设计(论文)-多爪自动搬运机器人-机械手类(含全套图纸).doc

完整说明书 cad 图纸由扣扣 153893706 提供 -学院学院 全全日日制制普普通通本本科科生生毕毕业业设设计计 多爪自动搬运机器人多爪自动搬运机器人 more claws automatic handling robot 学生姓名学生姓名： 学学 号：号： 年级专业及班级：年级专业及班级： 指导老师及职称：指导老师及职称： 湖南长沙 提交日期：2011 年 5 月 完整说明书 cad 图纸由扣扣 153893706 提供 声明 本人郑重声明：所呈交的本科毕业设计是本人在指导老师的指导下， 进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议。除文中已经注 明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的 作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体在文中均作了明确 的说明并表示了谢意。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 毕业设计作者签名： 年 月 日 完整说明书 cad 图纸由扣扣 153893706 提供 目 录 摘 要 .1 关键词 .1 1 前言1 2 总体方案的设计2 2.1 总体设计图2 2.2 机器人设计的要求2 2.3 机器人设计的原则3 3 机器人机械设计3 3.1 底盘和轮子的选择与设计3 3.2 各轮系的结构和特性6 3.3 升降体设计7 3.4 传动设计.9 3.5 滑块设计.9 3.6 爪子的设计思路.9 3.7 爪子托盘的设计10 3.8 摇杆设计.11 4 电子硬件.12 4.1 动力轮电机的选择.12 4.2 电机伺服器控制.13 4.3 编码盘采样.15 4.4 光电传感器.16 5 机器人主控制板硬件设计.18 5.1 主控板硬件实物图.18 5.2 avr 电源模块.18 5.3 最小系统.18 完整说明书 cad 图纸由扣扣 153893706 提供 5.4 人机交互界面.19 6 总结.24 参考文献 24 致谢 25 附录 26 完整说明书 cad 图纸由扣扣 153893706 提供 -1 多爪自动搬运机器人多爪自动搬运机器人 学 生：豆志文 指导老师：康 江 （湖南农业大学东方科技学院，长沙 410128） 摘 要：国内外大学生智能机器人是一个多种高新技术的集成体，它融合了机械、电子、 传感器、计算机硬件、软件、人工智能等许多学科的知识，涉及到当今许多前沿领域的技术。本 文是以第十届亚太机器人大赛为背景而设计的自动机器人，它采用合理的机构，经过巧妙的结合， 而达到精确快速完成任务的要求。 关键词关键词：机器人；机构；准确；快速 more claws automatic handling robot student:dou zhiwen tutor:kangjiang (orient science作为从机，联合对应一个 cpu 初中，插值和伺服控制处理行动， 以实现特定的运动，反馈信息给主机。构成机器人的要素有机械执行机构、驱动设备、 检测装置和控制系统等。 2.3 机器人设计的原则 最小运动惯量原则：由于机器人运动部件多，运动状态经常改变，必然产生冲击 和振动，采用最小运动惯量原则，可增加机器人运动平稳性，提高机器人动力学特性。 为此，在设计时应该注意在满足强度的前提下，尽量减小运动不讲的质量，并注意运 动部件对转轴的质心装配。 尺度规划优化远侧：当设计要求满足一定工作空间要求时，通过尺度优化以选定 最小臂杆尺寸，这将有利于机器人刚度的提高，使运动惯量进一步降低。 高强度材料选用原则：由于操作机从手腕、小臂、大臂到机座是依次作为负载起 作用的，选用高强度材料以减轻零部件的质量是十分必要的。 刚度设计的远侧：机器人设计中刚度是比强度更重要的问题，要使刚度最大，必 须恰当地选择杆件剖面形状和尺寸，提高支撑刚度和接触刚度，合理地安排作用在杆 臂上的力和力矩，尽量减少杆件的弯曲变形。 可靠性原则：机器人因机构复杂、环节较多，可靠性问题显得尤为重要。一般来 说，元器件的可靠性应高于部件的可靠性，而部件的可靠性应高于整机的可靠性。 工艺性原则：机器人是一种高精度、高集成度得自动机械系统，良好的加工和装 配工艺性是设计时要体现的重要原则之一。仅有合理地机构设计而无良好的工艺性， 必然导致机器人性能的降低和成本的提高。 3 机器人机械设计 3.1 底盘和轮子的选择与设计 为了让机器人能够快速的定位，那么它需要有足够的灵活性，当使用全向轮作为动 力轮时我们就就得考虑底盘形状了。底盘整体可分为四边形底盘和三角形底盘，它们的 完整说明书 cad 图纸由扣扣 153893706 提供 -4 作用和功能特性也有很多不同。 四边形底盘：动力轮分布在底盘的四个方向（如下图所示） ，轮心到底盘重心 o 的距 离等于 a，假设四个轮子与地面的滚动摩擦力分别为 f1、f2、f3、f4,按照运动力学公式 推导如下： 图 2 四边形底盘分析 fig.2 chassis of quadrilateral fx = f1 + f3 fy = f2 + f4 mo = (f1 * a) + (f2 * a) + (f3 * a) + (f14 * a) （1） 当 f1 = f3 ；f1 与 f3 方向相同 f2 = f4 = 0 此时机器人向 x 方向运动 （2） 当 f2 = f4 ；f2 与 f4 方向相同 f1 = f2 = 0 此时机器人向 y 方向运动 （3） f1 = f2 = f3 = f4；f1 与 f3 方向相反 f2 与 f4 方向相反时 此时机器人原地 旋转 （4） f1 = f3 = f1,f2 = f4 = f2； f1 方向与 f2 相反 此时机器人向 f1 与 f2 的合 力方向移动。 完整说明书 cad 图纸由扣扣 153893706 提供 -5 三角形底盘：等边三角形底盘，动力轮分布在三条垂直平分轴线上，且到重心距离 相等如下图所示。假设每个轮子能提供的反向摩擦力分别为 f1、f2、f3,按照力学公式 推导如下： 图 3 三角型底盘分析 fig.3 analysis of triangular chassis fy = f2*cos30+ f3*cos30 fx = f3*sin30+ f2*sin30+f1 mo = (f1 * a) + (f2 * a) + (f3 * a) (1) 当 f1 = 0,f2 = f3 ；f2 和 f3 的方向如图示方向时机器人向 y 方向运动 (2) 当 f1 = 2*f2 = 2*f3 ；f2 与 f3 方向如图所示；或 f2 = f3 = 0 此时机器人 向 x 方向移动。 (3) f1 = f2 = f3 ；f3 方向与图示相反 f1 和 f2 方向与图示一致时 此时机器人原地 旋转 (4) 此时，如果依照四边形底盘第 4 种情况分析不能得到，能产生一个朝向任意方向 的合力 但无法使 mo = 0 这样机器人就会走出一个弧线。当合力方向在大约 35 时mo = 0，也就是三角形底盘只能朝与水平线相差 35的斜线方向直线移动 完整说明书 cad 图纸由扣扣 153893706 提供 -6 综上分析两种底盘都可以实现平移和走某一方向斜线均可以满足设计需求。但是两者 均有利弊： 底盘类型弊端优势 三角底盘 35斜线不能向任意角度平移 运动。 设计简便 能保证 3 个轮子在同 一平面内，能灵活转向。 四边形底盘 由于 4 点确定一平面属于过定 位很难保证平面度。 可以向任意方向平移 结论：由于搬运机器人搬运的是花瓣盆是在一定的高度的。所以要求爪子必须是 在固定的高度，要求相当好的平稳性，三点确定一面，所以选择三角底盘。 3.2 各轮系的结构和特性 假设在一个理想的状态，用硬质外壳的移动机器人，车轮，局限在水平面运动。则机 器人在水平面上的运动可以由图2 表示. 平面坐标系定义xoy ,点p 是在机器人本体上的 参考点,车体坐标系为x py ,则机器人的位置和姿态可以由= ( x , y ,) t 表示, 其 中( x , y) 为点p 在平面世界坐标系中的位置,为世界坐标系x 轴到机器人坐标系x 轴 的角度, 其逆时针为正. 用点p 作为质点来代表机器人,若能在平面世界坐标系下实现( x , y , ) 三个自由度的运动,则把它称为全方位移动机器人. 图 4 移动机器人在世界坐标系中的位置 fig.4 mobile robot in the world coordinate system location 完整说明书 cad 图纸由扣扣 153893706 提供 -7 将轮子划分为传统轮系,包括固定方向轮( fixed wheel ) 、同心方向轮( centered orientablewheel) 和偏心方向轮(off2centered orientable wheel) ,和自由方向轮 系,如swedish 轮、球轮等. swedish 轮也称mecanum 轮,由轮辐和固定在外周的许多 小滚子构成,轮子和滚子之间的夹角为,通常夹角为90,如下图所示，每个轮子 具有三个自由度, 一个是绕轮子轴心转动,第二个是绕滚子轴心转动,第三个是绕轮子 和地面的接触点转动. 轮子由电机驱动,其余两个自由度自由运动. 由三个或以上的 swedish 轮子可以构成全方位移动机器人。 综上分析传统轮系和自由方向轮系两种轮系都能实现机器人移动与定位的设计需 求。但是两者均有利弊： 轮系类型弊端优势 传统轮系 要改变运动方向只能在平面内 转向、转向半径大 制造简单、价格便宜， 自由方向轮系 制造困难、价格较昂贵可以实现方向平移、改变运动 方向基本无须转向 上述表格我们可以看出自由方向轮系在平面移动运动方向改变上有巨大的优势。 所以我选择自由轮系的设计思路，有利于机器人的快速转向运动与定位。 3.3 升降体设计 起重机构需要不断提升的稳定和效率可以选择螺杆，导轨，滑块和其他机构，但是必 须适应比赛过程中升降快的优势，下面是选择形式的分析。 1 采用直线导轨运动：往复运动的场合，具有比直线轴承负荷较高的评价，并能承受 高负载条件下的扭矩实现高精度直线运动一些。 直线运动的指导作用是用来支持和引导运动部件，根据给定的往复直线运动的方向。 由摩擦性质的决心，直线运动导轨可分为滑动摩擦，滚动摩擦铁路，钢轨的弹性摩擦， 铁路和其他类型的流体摩擦。 2 直线轴承解除用途：旅行的无限直线运动系统的低生产成本的同时与气缸轴线。由 于携带与轴，所以负载使用小球点接触。旋转的摩擦阻力最小，可以得到高精度的平 稳运动钢珠。直线轴承是用于与淬火结合。对于无限直线运动系统。负荷滚珠和淬火 传动轴因为是点接触，更小的负荷，但直线运动，最小的摩擦，精度高，速度快的议 案。 完整说明书 cad 图纸由扣扣 153893706 提供 -8 3 传动带的使用：时间就是强大的钢丝或玻璃纤维层的聚氨酯或氯丁橡胶与橡胶环 带覆盖，齿形带的一周内提出，从事与齿滑轮。皮带传动，传动比准确，对轴力小， 结构紧凑，油，耐磨损，耐老化性能，需要同步传输，也可用于低速传输。同步带是 由一根内齿面与等距圆带，并与相应的圆组成是一致的。它结合了皮带传动，链传动 和齿轮传动自己的优势。通过与牙齿与牙槽骨轮啮合旋转，通过权力。传动皮带传动 具有准确的传动比，无滑，恒可用率，传动平稳，吸收振动，噪音，传动比范围内， 通常可达 1:10。允许线速度可达 50 米/秒，传输功率从几瓦到一百千瓦。传动效率高， 一般可达 98，紧凑，多适用于轴传动，无润滑，无任何污染，所以不能让更多的污 染，在正常的工作场所和工作条件差。 4，动力传动螺丝：螺丝是变为直线运动，旋转运动或直线运动，旋转运动传递到结 构。一个由螺杆，螺母和滚珠丝杆组成的典型。其作用是变为直线运动，旋转运动的 滚珠丝杆是进一步延伸和发展，这种发展的意义是从行动滑动轴承的滚动动作。有了 小摩擦，螺丝被广泛应用于各种工业设备和精密仪器。 上述分析可以达到几吊装任务要求，进行机构的效率和质量的优劣分析可以知道： 升降式的优点缺点 直线轴承是在圆形轨道的要求，在该部队的细节铁路太小，太厚更加繁琐。简单，成 本低 线性滑轨式的昂贵，更重。精度高，可制成。 综上分析几种升降机构都可以实现任务要求，进行就效率和质量优劣分析可知 道： 升降类型弊端优势 直线轴承式 需要圆形的导轨，导轨过细则 受力太小，过粗则较笨重。 简单，成本低廉 直线滑轨式价格昂贵，重量较重。 精度高，可自制。 动力传输类型弊端优势 丝杆 传动缓慢，需要软件算法提高 精度 简单，成本低廉，传动力大 同步带价格昂贵，需要定制精度高，有瞬时传动比质量轻 由于比赛要求我们能够短期内完成的升降运动，动作精度高，而机器人的重量要求， 选择直线滑轨式和同步带转动升降更占优势。 完整说明书 cad 图纸由扣扣 153893706 提供 -9 3.4 传动设计 整个上升结构的重量约 5kg，即整个的重力约为 50n。搬运物体的重量约 4kg， 即重量约 40n。 所购买的同步带资料：l 型 节距 9.525 齿高 1.91 带厚 3.6 角度 40 温度-2080，v50m/s，p300kw 我们这次比赛机器人的上升速度约为 3m/s, 承载物所需理论用功为： p=f*v p=（50+40）n*3m=270w 270w 90kw 电机的功率 90kw 远远小于同步带所承载的功率 所以所选同步带适合我们这 次机器人上的传动。有经验和实验室做实验可知，此同步带满足要求。 3.5 滑块设计 铝合金型材为 30x30，深沟球轴承：内径 6 外径 15 宽度 5.由于轴承式用来 做上升滑块滚子的，所以设计中不需要过于考虑其受压情况，只有转速要求，此类轴 承的脂润滑转速(r/min)为 32000.而我们机器人的上升结构所需的转速为： 线速度等于角速度乘以圆周半径即： v=w*r w=v/r =3/(0.0075) =400r/s 约 24000r/min 32000 所以是此轴承是合适可用的。 3.6 爪子的设计思路 夹取的爪子本身需要保持足够的强度，稳定性和效率，可以选择联动，铰链，凸 轮等机构，但比赛必须满足快速采取行动，锁定，重量轻，操作方便等，分析如下: 1，联动：联动元件在各种形式的运动，如要实现旋转，摇摆，平面或空间的运动和 运动的复杂性，可用于实现已知运动轨迹。此外，低副连杆使表面接触结构具有以下 优点：运动副减少对单位面积的压力，表面接触，以便润滑，从而降低损耗;更方便 完整说明书 cad 图纸由扣扣 153893706 提供 -10 获得高准确度;两个组件之间的接触本身的几何封闭维护，有时不喜欢凸轮被封闭， 弹簧力保持联系。平面连杆机构的缺点是：在正常情况下，只能近似的运动轨迹或给 予运动规律的实现，这种设计也比较复杂，当比赛要求所需元件运动副数往往更复杂 的结构，使机体，降低了效率，不仅增加了自锁的可能性发生，并且机体运动的制造 干涉，难以平衡。这将导致更多的振动和动载荷，它通常用于的场合下联动的速度。 2，铰链：是用来连接两个固体，并允许设备之间的机械做旋转。铰链可能由可移动 的组件，或折叠的物质组成，结构简单。 3，凸轮机构一般是由凸轮，从动件和机架三个构件组成的高副机构。凸轮通常是连 续旋转不变，跟随根据设计要求，它得到一些经常锻炼。凸轮机构来实现复杂的运动 要求，通常通过移动两部分组成，即分凸轮和从动轮，都固定在机座上。凸轮是相当 多的变化，所以几乎所有的任何一个机构，其中可以产生行动。可作为凸轮表面或沟 槽的往复运动的定义，其摆动或旋转使用。从机内的子限制最多的路径，滑道去盖运 动。在往复运动的时候，有时依靠自身的重量，但一些机构为了获取准确的动作，往 往作为弹簧的功率响应，而有些事使用的导槽，那是对一个特定的运动路径。 综上分析三种家去机构都能实现夹取、平稳性的设计需求。但是三者均有利弊： 夹取机构类型弊端优势 连杆机构 设计复杂，准确性不高、工作 效率不高 方便、底磨损、易自锁 铰链无法自锁结构简单。 凸轮机构质量过大结构紧凑、设计方便 由于比赛要求我们的夹取机构质量轻则不能选择凸轮机构，就平稳性和效率性来说其 它两机构都可以完成比赛任务，但就设计简洁来说铰链拥有更大的优势，而铰链无法 自锁的弊端，在我们的夹取动力机构舵机上可以实现自锁，且操作非常方便。选择舵 机作为夹取装置的动力机构是因为：舵机质量轻、能自锁、控制简单行程可控等优点。 3.7 爪子托盘的设计 准备材料有： 有机玻璃（待加工） ，10 x 10 铝合金型材 20 x 20 铝合金型材 完整说明书 cad 图纸由扣扣 153893706 提供 -11 图 5 托盘结构 figure.5 tray structure 由于此托盘所承载的比赛要求的搬运物最重约为 4kg ，而铝合金的承载能力是 上百千克的 ，因此所选的材料可用。 3.8 摇杆设计 构思图为： 图 6 摇杆结构 figure.6 rocker structure 完整说明书 cad 图纸由扣扣 153893706 提供 -12 搬运物总重约 4kg，铝合金承载杆约 800mm，摇杆 600mm。 f=4kg x 10= 40 n m = 40n x 600/2 x 0.001 =12n*m 4 电子硬件的选择 4.1 力轮电机的选择 方案 1：采用直流减速电机。上电即转动，掉电后惯性较大，停机时还会转动一 定的角度后才会停下来；转矩小，无抱死功能，如要求准确停在一个位置， 其闭环算法复杂。 方案 2：采用步进电机控制，步进电机是实现数字化操纵的重要器件，是控制脉 冲信号达到控制步进电机的步距角和速度的开环控制元件，在速度、定位等控制领域 应用广泛。具有精确度高、转矩大、步进角度小，没有积累误差等特点。上电后自锁 能力强，外表在 80 至 90 摄氏度下可以正常工作。其最大的优点是以开环的形式实现 闭环的控制，性价比很高。 方案 3：采用伺服电机，在高起动转矩、大转矩、低惯量的系统中经常使用。 本题的特点是需要根据键盘输入的数据来确定电机的转动速度，机器人按要求轨迹运 动，行动距离也比较远，更要实现精确控制。综上所述，我们采用方案 3 来实现。所 用电机实物图如 下： 型号：36syk 功率 90w 24v 转速 300rpm/min 厂家：宁兴电机 图 7 直流空心杯电机 完整说明书 cad 图纸由扣扣 153893706 提供 -13 fig.7 dc coreless motor 4.2 电机伺服器控制 在这次的设计中，采用了 dcs810 全数字直流伺服驱动器采用专用运动控制 dsp 和高效 mosfet 等先进技术。控制指令信号与步进驱动器兼容，用户不用更换控制器， 就可将所用的步进驱动升级为全数字直流伺服驱动。由 dcs810 组成的小功率运动控 制系统在速度、精度、噪声和低速平稳性等方面达到甚至超越数字式交流伺服系统， 而系统成本远低于交流伺服。其体积小巧、安装方便、可靠性高、调试简单。用户可 通过雷赛 pro tuner 调试软件、文本显示器或 stu 伺服调试器轻松实现系统参数整定 和保存。 接口定义 图8 端口定义 fig.8 port definition vdd 驱动器电源 (1238v) 输入 vss 驱动器电源地 输入 电源 mot+ 电机驱动信号正 输出 mot- 电机驱动信号负 输出 电机 完整说明书 cad 图纸由扣扣 153893706 提供 -14 gnd 控制信号地 输入 tx rs-232发送端 输出 rx rs-232接收端 输入 rs232 ain+ 模拟输入信号正 输入 ain- 模拟输入信号负 输入 en 外部使能控制（高 电平有效） 输入 clk/pwm 控制输入（脉冲 / 脉宽） 输入 dir 方向控制(只在步 进模式有效) 输入 org 位置清零（低电平 有效） 输入 控制信号 步进控制模式（脉冲方向模式） （a）信号来源：clk，dir （b）设置模式：步进控制模式，信号源：scs3 （c）常用指令： 设置最大速度：ssp 参数 设置最大跟踪误差：ser 参数 设置最大加速度：a 参数 设置步宽：stw 参数 读取步宽值：gstw 切换到步进模式：s （e）工作原理 在步进模式下，脉冲输入端每接收一个脉冲，电机将运转一个步宽； 这种工作模式能同时实现位置和速度控制。由于允许设置步宽（stw），输入 频率和电机转速的比率可以根据需要设置。 转速与脉冲频率之间的关系如下： 转速脉冲频率x步宽（stw）x 60 编码器分辨率（4倍线数） 位置与脉冲个数之间的关系如下： 位置（圈数）脉冲个数x步宽（stw） 编码器分辨率（4倍线数） （f）优点（与步进电机比较） 步宽可编程设定； 没有因齿槽效应而引起的转矩损失； 具有优异的动态特性； 完整说明书 cad 图纸由扣扣 153893706 提供 -15 无震动，发热小； 采用闭环控制，不会产生“丢步”现象； 功率随着负载变化动态调节，效率高（步进电机无论有无负载，均按最大功率 运行）。 4.3 编码盘采样 1、编码盘的工作原理 编码盘或编码尺是一种按一定的编码形式，如二进制编码，二十进制编码、格 莱码或余三码等，将一个圆盘或直尺分成若干等分，并利用电子、光电或电磁器件， 把代表被测位移量大小的各等分上的编码转换成便于应用的其他二进制表达方式的测 量装置。下面以接触式编码盘为例说明其工作原理。 图 4-24 是一个 4 位二进制编码盘，图中涂黑部分是绝缘的。码盘的外 4 圈按导电为 “1”、绝缘为“0”组成二进制码。通常，我们把组成编码的各圈称为码道。对应 4 个码道并排安装有 4 个电刷，电刷经电阻接到电源正极。编码盘的最里一圈是公用的， 与 4 个码道上的导电部分连在一起，而与绝缘部分断开，该圈接到电源的负极(地)。 编码盘的转轴与被测对象连在一起(如机床丝杠)，编码盘的电刷则装在一个不随被测 对象一起运动的部件(如机床本体)上。当被测对象带动编码盘一起转动时，根据与电 刷串联的电阻上有无电流流过，可用相应的二进制代码表示。如图 4-24(b)所示，若 编码盘沿顺时针方向转动，就可依次得到 0000，0001，0100，1111 的二进制输 出。 图9 编码盘工作原理 完整说明书 cad 图纸由扣扣 153893706 提供 -16 fig.9 encoding disk works 2、编码盘的运用 编码盘随着自身的转动发出一个频率变化的脉冲信号，该信号的频率可以表现此 时机体的运动速度，脉冲个数可以变现所走过的距离，这样我们使用 cpu 采样这些脉 冲信号就能对运动状态有一个很好的了解，从而更好的控制机器人的运动与动作。 4.4 光电传感器 光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器。它首先把被测量的变化转换 成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。光电传感器一般 由光源、光学通路和光电元件三部分组成。 1、光电传感器工作原理 不同所制成的光学测控系统是多种多样的,按光电元件(光学测控系统)输出量性 质可分二类,即模拟式光电传感器和开关式光电传感器.模拟式光电传感器是将被测量 转换 图10 光电传感器 fig.10 photoelectric sensor 成连续变化的光电流,它与被测量间呈单值关系.模拟式光电传感器按被测量(检测目 标物体)方法可分为透射(吸收)式,漫反射式,遮光式(光束阻档)三大类.所谓透射式是 指被测物体放在光路中,恒光源发出的光能量穿过被测物,部份被吸收后,透射光投射 完整说明书 cad 图纸由扣扣 153893706 提供 -17 到光电元件上;所谓漫反射式是指恒光源发出的光投射到被测物上,再从被测物体表面 反射后投射到光电元件上;所谓遮光式是指当光源发出的光通量经被测物光遮其中一 部份,使投射刭光电元件上的光通量改变,改变的程度与被测物体在光路位置有关. 2、光电传感器的分类 漫反射式：它是一种集发射器和接收器于一体的传感器，当有被检测物体经过 时，物体将光电开关发射器发射的足够量的光线反射到接收器，于是光电开关就产生 了开关信号。当被检测物体的表面光亮或其反光率极高时，漫反射式的光电开关是首 选的检测模式。 镜反射式：它亦集发射器与接收器于一体，光电开关发射器发出的光线经过反 射镜反射回接收器，当被检测物体经过且完全阻断光线时，光电开关就产生了检测开 关信号。 对射式：它包含了在结构上相互分离且光轴相对放置的发射器和接收器，发射 器发出的光线直接进入接收器，当被检测物体经过发射器和接收器之间且阻断光线时， 光电开关就产生了开关信号。当检测物体为不透明时，对射式光电开关是最可靠的检 测装置。 槽式：它通常采用标准的 u 字型结构，其发射器和接收器分别位于 u 型槽的两 边，并形成一光轴，当被检测物体经过 u 型槽且阻断光轴时，光电开关就产生了开关 量信号。槽式光电开关比较适合检测高速运动的物体，并且它能分辨透明与半透明物 体,使用安全可靠。 光纤式：它采用塑料或玻璃光纤传感器来引导光线，可以对距离远的被检测物 体进行检测。通常光纤传感器分为对射式和漫反射式。 它们的工作光线示意图如图所示。 完整说明书 cad 图纸由扣扣 153893706 提供 -18 图 11 fig.11 5 机器人主控制板硬件设计 5.1 主控板硬件实物图 下图为实物图 图 12 控制板实物图 fig.12 physical map panel 5.2 avr 电源模块 avr 使用的是 5v 电源，对电源要求很高，过大的电源噪声很容易使得程序跑 飞或者芯片烧毁，使用 lm117 稳压芯片能很好的解决这一问题下图所示是该电源模 块的原理图 完整说明书 cad 图纸由扣扣 153893706 提供 -19 图 13 电源模块 fig.13 power module 5.3 最小系统 如图所示是 lpc2103 的最小工作系统原理图 图 14 最小系统 fig.14 minimum system 5.4 人机交互界面 如图所示为人及交互界面的硬件设计其中包括键盘输入和 12864 液晶中文显示模 块。 完整说明书 cad 图纸由扣扣 153893706 提供 -20 图 15 人机交互 fig.15 hci 液晶中文显示模块 12864 简介 液晶显示模块是12864点阵的汉字图形型液晶显示模块，可显示汉字及图形，内 置8192个中文汉字（16x16点阵）、128个字符（8x16点阵）及64x256点阵显示 ram（gdram）。可与cpu直接接口，提供两种界面来连接微处理机：8-位并行及 串行两种连接方式。具有多种功能：光标显示、画面移位、睡眠模式等。 液晶中文显示模块 12864 引脚说明： 引 脚 名称方 向 说明引 脚 名称方 向 说明 1vssgnd15psb0数据模式 2vddvcc(+5v)16nc空 3v0背光亮度调整17/rst0复位（低电平有效） 4rs0数据指令端口18nc空 5r/w0读写命令端口19leda背光源负极（gnd） 6e(sclk)0使能端口20ledk背光源正极（+5v） 7-14方向 1/0数据端口 db0-db7 液晶中文显示模块 12864 时序图 下图为液晶中文显示模块 12864 的读操作时序和写操作时序，依据这些时序图和 完整说明书 cad 图纸由扣扣 153893706 提供 -21 指令集可以对液晶中文显示模块 12864 进行读写操作，从而完成人机交互。 图 16 读操作时序 fig.16 read timing 图 17 写操作时序 fig.17 write timing 液晶中文显示模块 12864 的指令集 基本指令rsrwdb7db6db5db4db3bd2bd1bd0 清除显示0000000001 功能：清除显示屏幕，把 ddram 位址计数器调整为“00h” 完整说明书 cad 图纸由扣扣 153893706 提供 -22 基本指令rsrwdb7db6db5db4db3bd2bd1bd0 地址归位000000001x 功能：把 ddram 位址计数器调整为“00h”，游标回原点，该功能不影响显示 ddram 基本指令rsrwdb7db6db5db4db3bd2bd1bd0 地址归位00000001i/ds 功能：把 ddram 位址计数器调整为“00h”，游标回原点，该功能不影响显示 ddram 功能：执行该命令后，所设置的行将显示在屏幕的第一行。显示起始行是由 z 地址计数器控制的，该命令自动将 a0-a5 位地址送入 z 地址计数器，起始地址可以 是 0-63 范围内任意一行。z 地址计数器具有循环计数功能，用于显示行扫描同步，当 扫描完一行后自动加一。 基本指令rsrwdb7db6db5db4db3bd2bd1bd0 显示状态开/关0000001dcb 功能： d=1 整体显示 on； c=1 游标 on； b=1 游标位置 on； 基本指令rsrwdb7db6db5db4db3bd2bd1bd0 游标显示移位000000s/cr/lxx 功能：设定游标的移动与显示的移位控制位：这个指令并不改变 ddram 的内容 基本指令rsrwdb7db6db5db4db3bd2bd1bd0 功能设定00001dlxrexx 功能：dl=1（必须设为 1） re=1；扩充指令集动作； re=0：基本指令集动作； 基本指令rsrwdb7db6db5db4db3bd2bd1bd0 cgram 地址设 定 0001ac5ac4ac3ac2ac1ac0 功能：设定 cgram 位址到位址计数器（ac） 基本指令rsrwdb7db6db5db4db3bd2bd1bd0 完整说明书 cad 图纸由扣扣 153893706 提供 -23 ddram 地址设 定 001ac6ac5ac4ac3ac2ac1ac0 功能：设定 ddram 位址到位址计数器（ac） 基本指令rsrwdb7db6db5db4db3bd2bd1bd0 读取忙状态和位 址 01bfac6ac5ac4ac3ac2ac1ac0 功能：读取忙碌状态（bf）可以确认内部动作是否完成，同时可以读出位址计数器 （ac）的值 基本指令rsrwdb7db6db5db4db3bd2bd1bd0 写资料到 ram10d7d6d5d4d3d2d1d0 功能：写入资料到内部的 ram（ddram/cgram/tram/gdram） 基本指令rsrwdb7db6db5db4db3bd2bd1bd0 读取 ram 的值11d7d6d5d4d3d2d1d0 功能：从内部 ram 读取资料（ddram/cgram/tram/gdram） 基本指令rsrwdb7db6db5db4db3bd2bd1bd0 待命模式（12h）0000000001 功能：进入待命模式，执行其他命令都可终止待命模式 基本指令rsrwdb7db6db5db4db3bd2bd1bd0 反白选择（14h）00000001r1r0 功能：选择 4 行中的任一行作反白显示，并可决定反白的与否 基本指令rsrwdb7db6db5db4db3bd2bd1bd0 睡眠模式（15h）0000001slxx 功能：sl=1；脱离睡眠模式 sl=0；进入睡眠模式 完整说明书 cad 图纸由扣扣 153893706 提供 -24 基本指令rsrwdb7db6db5db4db3bd2bd1bd0 扩充功能设定 （16h） 000011x1reg0 功能：re=1；扩充指令集动作 re=0；基本指令集动作 g=1；绘图显示 on g=0；绘 图显示 off 基本指令rsrwdb7db6db5db4db3bd2bd1bd0 iram 位址设定 （17h） 0001ac5ac4ac3ac2ac1ac0 功能：sr=1：ac5ac0 为垂直卷动位址 ；sr=0：ac3ac0 写 iconram 位址； 基本指令rsrwdb7db6db5db4db3bd2bd1bd0 设定绘图 ram 位 址（18h） 001ac6ac5ac4ac3ac2ac1ac0 功能：设定 gdram 位址到位址计数器（ac） 6 结论 经过两个多月的努力，第十届机器人比赛自动搬运机器人论文终于完成在整个设 计和制作过程中，出现过很多的难题，但都在老师和同学的帮助下顺利解决了，在不 断的学习和实践过程中我体会到：写论文是一个不断学习的过程，从最初刚写论文时 对其问题的模糊认识到最后能够对该问题有深刻的认识，我体会到实践对于学习的重 要性，以前只是明白理论，没有经过实践考察，对知识的理解不够明确，通过这次的 做。总之，通过毕业设计,我深刻体会到要做好一个完整的事情，需要有系统的思维方 式和方法，对待要解决的问题，要耐心、要善于运用已有的资源来充实自己。同时我 也深刻的认识到，在对待一个新事物时，一定要从整体考虑，完成一步之后再作下一 步，这样才能更加有效。 参考文献 1 张继电机控制与供电基础m成都：西南交通大学出版社2000:20-180. 2 张琛直流无刷电动机原理及应用(第 2 版)m北京：机械工业出版社1996:20-220 完整说明书 cad 图纸由扣扣 153893706 提供 -25 3 秦曾煌.电工学上册m. 北京.高等教育出版社.2002：58-102. 4 秦曾煌.电工学下册m. 北京.高等教育出版社.2002: 156-180. 5 张相军，陈伯时无刷直流电机无位置传感器控制技术的研究j上海：上海大学2001 6 王敏，周顺荣无位置传感器 bldc 电机控制策略综述j上海：上海交通大学2001 7 刘光斌，刘冬，姚志成.单片机系统实用抗干扰技术m.北京：人民邮电出版社，2003:36-97 8 马潮，詹卫前，耿德根atmega8 原理及应用手册m清华大学出版社2003:1-127 9 程仁杰功率电子学m成都：成都电讯工程学院出版社1989:46-58 10 应根裕电子器件m北京：清华大学出版社1989:45-52 11 吴安顺等最新使用交流调速系统m北京：机械工业出版社1998:56-68 12 周必水c 语言程序设计m北京：科学出版社2004 13 金春林，邱慧芳，张皆喜 avr 单片机 c 语言编程及应用实例m北京：清华大学出版 社2003 14 赵亮单片机 c 语言编程与实例m北京：人民邮电出版社2003 15 田淳无位置传感器稀土永磁无刷直流方波电机系统研究d南京航空航天大学硕士学位 论文，1998.3 致 谢 本论文是在我的导师康江副教授的亲切关怀和悉心指导下完成的。他严肃的科学 态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我。从课题的选 择到项目的最终完成，康老师都始终给予我细心的指导和不懈的支持。三年多来，康 教授不仅在学业上给我以精心指导，同时还在思想、生活上给我以无微不至的关怀， 在此谨向康老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。 在此，我还要感谢在一起愉快的度过实验室生活的各位朋友，正是由于你们的帮 助和支持，我才能克服一个一个的困难和疑惑，直至本文的顺利完成。特别感谢我的 学弟胡志斌同学，他对本课题做了不少工作，给予我不少的帮助。 完整说明书 cad 图纸由扣扣 153893706 提供 -26 在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成， 有可敬的陈业冬学长、陈昱名同学、和各位实验室朋友给了我无言的帮助，在这里请 接受我诚挚的谢意! 附录 附录一：2011 年亚太机器人大赛主题和规则 附录二：2011 年亚太机器人大赛场地图 完整说明书 cad 图纸由扣扣 153893706 提供 -27 附录一：2011 年亚太机器人大赛主题和规则 比赛主题 “水灯节, 点亮幸福与友谊” 2000年亚太广播联盟年成员国共同商定每年组织一次由地区和职业大学的学生参加 的机器人竞赛。除了促进的关系和文化交流外，以促进太平洋地区更紧密，亚洲各国之 间的关系为目的，比赛的目标是要发展该地区年轻人的知识，创造力和创新力。 第一亚太广播联盟亚太机器人大赛，命名为亚太机器人，由东京发起，日本2002年 在各成员国之后又举办了区域活动。自泰国2003年举办后韩国（2004 年），中国（2005年），马来西亚（2006年），越南（2007年），印度（2008年）， 日本（2009年）和埃及（2010）相继举办。 在过去9年来，比赛已加强了各成员国家之间的合作和知识的交流。这不是夸张地说， 亚太广播联盟亚太机器人大赛已建立了超越“友谊”的密切关系，而是一个青年爱好者的家 园，他们参与到比赛中来，展示自我，通过他们发明的技术机器人展示他们的梦想。非 常年轻的参赛者是充满希望地展示其先进的机器人。一些参赛者充满了喜悦，好像他们 赢得了比赛，是因为机器人达到了他们设计和完美的工作要求。然而有些大哭起来不是 因为失败，是因为他们的机器人在观众面前没有展示自己的全部能力。 2011年标志着亚太广播联盟亚太机器人大赛十周年的泰国很荣幸能再次举办活动。 我们锲而不舍，越过本章在发展技术知识，由各国家一起走向未来。对未来的道路可能 是粗糙，但一个巨大的，家庭和睦，国家组成的成员，必定会发展的一个强大的团体。 水灯节的历史： 水灯节是泰国传统的仪式，纪念河流女神。生机勃勃的活动是每年在泰国11月份月 圆之夜举行的。一个“水灯”是一只小船，通常由香蕉切茎和叶制成。水灯节狂欢把鲜花， 蜡烛，香烛放置在小船中，并让其顺流而下。 水灯的一个目的是因污染而寻求河流女神的宽恕。释放前精心船入河中，小型，可 能使未来的美好祝愿，繁荣和幸福。水灯节也是重新象征抛弃自己的怨恨，愤怒和烦恼， 使人们可以开始新生活。 在水灯节时，是雨季结束的时期，大部分地区附近河流和运河充斥着。一名泰国人 有句话：在11月份洪水涌入，在腊月撤退。这是高兴的时候，随着雨季的结束，天气会 变得更好。泰国人民期待着一个凉爽的季节 ，而月亮是在每年的这个时候是最亮的。 一个世纪之久的泰国节日，水灯节已一代又一代的流传下来。 在水灯节当天，每个 社区或家庭忙着准备制作小船的材料。该 原料都是社会上可提供 无需购买。一个家庭 可以提供他们的材料以友好的方式。 该材料的范围从香蕉茎到香蕉 叶，香枝，蜡烛和 鲜花。在这 非常的节日，大多数家庭和社区 成员都是喜悦和焦急地期待着 欢乐日落之 后。他们的谈话充满的是欢乐和笑声。 当天晚些时候，许多精美制作的“水灯”是 在展出的比赛之后会 释被放到水中时， 夜幕低垂。由于太阳 从地平线上消失，月亮逐渐出现，本身有充分的亮度和光芒。月球 完整说明书 cad 图纸由扣扣 153893706 提供 -28 反射在水面上，一个祝福一个人的眼睛， 提示狂欢走向附近的水道， 庆祝水灯节的节 日。之前释放到河里小船，人们通常希望从河流的女得到神宽恕，也寄托了一个未来幸 福的愿望。 传统的水灯节的一些组件将被改编成一个机器人，一个真正的挑战，展示青年选手 的创造力和创新。 所有参赛者必须完全按照显示能力，正如这项运动的宗旨是：“一个谁 赢得了自己和对手、，全是时间的赢家。” 1.规则： 每个团队组成：不超过三个机器人一个手动机器人和一个或两个自动机器人。该手 动机器人必须完成拿起3敬香盆的首要任务 并放置在普通区，然后才进行其它他们的任 务。在此之后，该手动机器人将带来一个基座和蜡烛装饰放在组装点族位置。该手动机 器人将收集普通区的蜡烛，再次用于在水灯大会。 自动机器人将收集水灯花瓣和花，把它们摆放在准备点。机器人会自动堆叠一水灯 和一花花瓣在位于组装点族的蜡烛基座上。在完成这项任务， 手动机器人将三炷香放入 水灯进行装饰。自动机器人将携带完成装配的水灯拖放在自身河流的表面的一边。机器 人任何部分不能接触河面。 最后，只有一个自动机器人将拖放顶部烛光火焰完成了流域地表水灯漂浮蜡烛。机 器人任何一部分都不可以触摸流域地表和水灯。第一队点亮蜡烛灯火焰成功就是本场比 赛的冠军。这种类型被称为获奖 “水灯节”。 如果没有队能在3分钟内“水灯节”，获胜者将由完成任务的得分决定 。 每场比赛是由红，蓝两队组成。每场比赛时间为3分钟。 2.比赛场：结构和规格 2.1 该场地是由一个尺寸面积为12000mm12000mm毫米的被高100mm，厚50mm木栅栏 围成的区域。比赛场由一个高度为100mm米，50mm厚度的栅栏队均分两队。参赛队伍有红 色和蓝队。 2.2 在比赛区，用30毫宽度米的有光泽的贴纸贴在了非白线绘制在地板上。 2.3 比赛区域由一个普通区，一个组装点，一个流域地表，启动区， 制备点和储 存点构成。 2.3.1 共同区是一个用浅绿色画出的长为3500毫米，宽为500mm的矩形区域。六 根柱子位于共同开发区中间，放置敬香壶。两根柱子之间的距离是500mm。每队最多可领 取9个元宝蜡烛来组装水灯。 2.3.2 组装点是一个高度为300mm，阔度为4000mm和长度5000 mm的平台。它被 平均分为红色和蓝色队伍。每个部分有一个装饰点，它是一个直径为510mm,周围有高 10mm，厚度为10mm的高度木栅栏围绕的圆形。为了方便移动自动机器人，组装点两侧每 侧都有一个长度为1000毫米的斜坡，。 2.3.3 河面位于组装点的中间。它可以在有下落物下落时摇摆水灯。 2.3.3.1 河面是一个木制的，厚度为4mm，宽度700mm，长度为2400 mm平台 。 它是一个 280毫米的从组装点到较低水平的缓冲区，该平台的表面由不锈钢的四线直径 为1.5毫米，长度为350毫米构成的。 所有部件和机制，形成流域地表的视为流域地表。 他们不能被锁定，也不能被任何机器人所接触。 2.3.3.2 河岸是由高度为180毫米和厚度为10毫米的木栅栏构成的。有4 双方围绕流 域地表。在河边可用油漆或装饰来代表水或河流。 （图8-9） 2.3.4 每队有3个启动区：2自动启动区和一个手动启动区 。每个启动区是一个边长 为1000毫米边长的正方形。红队启动区为红色区，蓝队启动区为蓝色区。 2.3.5 储存点和准备区是由，木材，钢材，金属构成的，用来存储一些竞赛的工具。 每个存储点和制备点包括两部分;下游和上游部分。 完整说明书 cad 图纸由扣扣 153893706 提供 -29 较低的部分是一个直径为100mm和高为800mm的圆柱体。上层部分总高度为100mm。顶 部 在上段部分圆锥形直径从 40mm至60mm。最高的位置的测量值为 60mm，在距离顶部为30mm的位置测量值为40mm。在上层区域底部分有一个直径为 60mm的圆柱形状。然而, 每个火焰的蜡烛光储存点极科只有一 个直径为60mm，高度为 35mm的圆柱体。 （图10-12） 3.水灯的规格和其他大赛工具 3.1 蜡烛基地，水灯花瓣，花，元宝蜡烛，敬香花盆，蜡烛点亮火焰在比赛中使用的 是由组织者提供。一个蜡烛基地重量约为800