城市街区自助图书馆机械手运动规划与力控制系统设计.pdf

第2 7 卷第1 期 2 0 1 4 年1 月 机电产品开崖与刨斩 n 7 e lo p m 1 I I n 1 1 a lio n fM a h in E lf ta lP r 州I I I 1 s V O I 2 7 N O 1 J a n 2 0 14 文章编号 1 0 0 2 6 6 7 3 2 0 1 4 0 1 0 8 6 一0 4 城市街区自助图书馆机械手运动规划与力控制系统设计 周占明 吴昌林 王玉金 余旭 华中科技大学机械科学与I 蛩学院 湖北武汉4 3 0 0 7 4 摘要 城市街区自助图书馆系统是在物联网基础上兴起的文化建设项目 是一种新型的图书馆发展模式 自助图书馆机械手作为图书传输的执行部件 具有借书传输 还书传输 自动分拣的功能 是自助 服务效率和安全传输的关键 论文首先介绍了机械手图书传输的实现方式和机械手图书夹持装置的 结构 然后对机械手进行了运动规划在此基础上 基于单片机 运动控制卡和P c机对机械手控 制系统进行了设计市场反馈表明该机械手控制系统运行稳定 很大程度上提高了图书传输的安全 性和自助服务的效率 关键词 自助图书馆 机械手 运动规划 力控制 单片机 中图分类号 T P 3 9文献标识码 Ad o i 1 0 3 9 6 9 i is s n 1 0 0 2 6 6 7 3 2 0 1 4 0 1 0 3 2 M a n ip u la t o rM o t io nP I a na n dF o r ceC o n t r o lS y s t e mD e s ig no faC it yB lo ck sS e lf S e r V iceL ib r a r y z H O 乙z h n n M in g W UC h m g L in W A N GY t I 一 t n Y Ux lf S ch o o lo f M e ch a llica lS cie n cea 1 1 dE n 目n e e r in 蜀H L 1 a z llo llgU 1 1 1 v cr s lf yo fS cie n cc a n dT cch n 0 1 0 9 y W u lla nH u b ci 4 3 1 7 4 C h in a A b s t r a ct C icyb lo ck ss e lf s en t ice1 ib r a r ys y s t cm1 sa llt u r a lco n S t n I c 0 1 1p r J ccta n dan e w 七y p eo flib r a Wd e v e lo p m e n tn lo d e lb a s e do n t h er is in go fch in g sI n t e n le tT h cs e lf 二s e ice1 ih r a r yn la n ip u la t r w icht h ea b lh r yo fb o o k 七r a n s lllls s i0 1 1a n da L lt o n la t ic s r t in g isch ee x e cu t io n p a no fb o o kt r a n s n lis s io n a n dit sa ls o 七h ek cyt os clf s en t icce m cle n cva 1 1 dt h es a f b t vo fb o o kt r a n s m is s io llF ir s t lv t h e1 1 1 1 p lcm e llt a 七1 0 no f b o o kn a n s n lis 曲o nb yT 1 1 a n ip u la t o ris1 1 1 t r o d u ccdin t h isp a p e r a n dt h cnt h es t r L lct u r eo fb o o kcla ln p in gd e v lcclsd e s lg n cdind ct a ll a 1 1 dt h e n ch en locio np la n n in go fn la n lp u la t o rlsco n s t icu ce dB a s cdo T lt 1 1 ea b o v e an la lllp u la t o rco n t r o l s y s t clll b a s e do ns in 9 1 c ch ipn 1 1 cr o co n lp u t e r m o t io nco n t r o lca r da n dco lllp u ce risca r r ie do u t T h ism a n lp L I la t o rco llt r o s y s t cmiss ca b le a n da ls ocn h a n ce sb o o kt r a n s n li辐io ns a 良呵a n d s e lf L s e icee 币cie n cya cco r d in gt ot h en la r k ccf 爸e d b a ck K e yw o r d s s clf s e r v icelib r a r y n la lliP u la t o r r n o 西o np la n llillg f o r ccco n t r 1 1 in g s in e c 1 ipr n j cr o co n lp L lt cr 0 引言 城市街 自助图书馆系统是物联网技术往图书馆领 域的拓展 是集数字化 人性化和智能化为一体的新型 图书馆发展模式 是现有公众图书馆服务的延伸 实现 了传统图书馆与数字图书馆的完美结合和质的飞跃 自助图书馆系统由自助I 翎书馆服务机 物流管理系统 中心服务系统 图书馆监控系统 资源管理系统等部分 构成 其中自助图书馆服务机是自助图书馆系统的硬件 基础 也是其核心组成部分 射频识别技术 R F I D 作为自动识别技术的一大分支 是自助图书馆系统的核心技术 它通过无线射频方式获 修稿日期 2 0 1 3 1 1 2 7 作者简介 周占明 1 9 8 9 一 男 河南驻马店人 华中科技大 学硕士研究生 主要研究方向 机电一体化产品设计 吴昌林 1 9 5 卜 男 湖北武汉人 华中科技大学教授 博士研究生 导师 主要研究方向 机电一体化设备及曲面数控抛光技术 8 6 得图书的相关数据 并对图书加以识别 且无需与图书 直接接触即可完成信息的输入与处理 能够实时准确地 采集和处理信息H 正是由于R F I D 的应用使得自助图书 馆系统成为一种典型的人机交互系统 实现了自助办 证 白助借书 自助还书 自助预约 自助查询等服务 功能的融合 取书机械手系统作为自助服务的执行子系统 具有 借书传输 还书传输 自动分拣的功能 是服务效率和 图书安全传输的父键因素 机械手运动规划及其系统控 制策略对提高服务效率和传输安全系数起着至关重要的 作J 机械手定位速度 精度以及传输安全性是机械手 控制的三大性能指标 二因此 对取书机械手系统进行研 究具有重要的意义和应用价值 1 机械手运动原理 白助图书馆服务机在传统陶书馆书架的基础上添加 E 字形隔书板 使图书两两隔 r 方便U 形结构机械手 测试与控制 末端夹持装置能够快速准确地插入E 形隔书板卡槽内抓 取指定图书 机械手末端夹持装置是机械手的末端执行 器 末端执行器在三维空间的运动使得罔书传送功能得 以实现一 冈l所示为机械手的三维空间运动示意图 其中 X Z 表示自助图书馆上导轨平面 X 轴表示书架的长度 方向 Y 轴表示书架宽度方向 Z 轴表示书架高度方向 W 轴为机械手末端执行器的夹持运动方向 该方向与X 轴平行 夹持装置在W 轴向的运动提供图书夹紧力 机械手具有4 个移动关节 X 轴 Y 轴和Z 轴方向的移 动实现末端执行器的空间 1定位 W 轴方向的运动提 供图书夹紧力 是图书安 一n全输送的关键 一o 自 2 夹持装置结构设计 x 轴图书在传输过程巾应 当避免滑落的情况发生 一需要在W 轴方向上提供适 图1 机械手运动示意图当o 耳压力 以使图书与 F ig 1T h es ch e m a t icd ia g r a m 夹持件之间的摩擦力与图 o f m a n ip u la t o r m o v e m e n t 书蕊力之间达到静力平衡 冈此 对执行器结构显得 尤为重要 图2 所示为本文所没汁的末端执行器的运动 原理 电机驱动凸轮转动使安装在凸轮卡槽内的套简和 夹板连接销沿槽运动 同时 限位槽约束夹板连接销只 能在槽的方向上作直线移动 而套筒还具有垂直于凸轮 平面的旋转运动 以减小夹板连接销与凸轮槽问的滑动 摩擦 这样 凸轮转动就能使固定在夹板连接销上的夹 板产生直线运动 实现抓取图书的目的 n 轮 赍衍 r I 轮竹 1 炙饭连接铺 j 枣黟一铲地 黟孝 鞋 嬉一牵二 癣t 一 瞅位情 j 输 轴 a 夹板完全合拢 b 夹板张开 c 夹板完全张开 图2 机械手夹持装置运动原理 F ig 2 T h em o t io np r in cip leo fm a n ip u la t o rh o ld in gd e V ice 图3 所示为末端夹持器的详细结构网 电机输出轴 与传动轴通过螺钉连接 传动轴上固定带内槽的凸轮 盘 槽内安装穿有夹板连接销的套筒 限位槽限制夹板 连接销只能在沿上板盖和下板盖的限位槽方向作直线运 动 所以与夹板连接销相连接的夹板只能作直线移动而 不能旋转 即机械手夹板的直线运动 电机的旋转运动在凸轮内槽和限位槽的作用下转换 图3 机械手末端夹持装置结构 F i9 3T h eh o ld in gd e v ices t r u ct u r eo fm a n ip u la t o rt e r m in a lp a r t s 3 机械手运动规划 机械手在X Y Z 轴方向的移动文现机械手末端 夹持装置的空间定位 W 轴方向的移动实现图书抓取功 能 当渎者借阅图书时 自助图书馆数据库为机械手控 制系统提供网书位置信息 x v z 而没有W 轴向移动距 离的信息 控制系统首先根据给定的目标位置信息 x v z 对机械手进行运动规划 6 使末端夹持装置运动到目标 位置 然后控制W 轴向移动 当夹紧力能够安全抓取 指定图书时 W 轴向停止运动 最后机械手逆向运动将 图书送到指定位置 控制系统需要对 x v z 进行运动规划 目的是使机 械手准确快速到达指定位置 并且机械手在移动过程中 不能与其他图书或者书架接触 因此 本文采用的机械 手避障规划策略为 机械手在X Y 方向同时启动 同 时到达目标位置 当其在X Y 方向到达指定位置后Z 轴开始启动 数学表达式为 t 0 I I J t t 尸 1 t 其中 t o X 轴向运动的初始时刻 t 一X 轴向运 动结束时刻 其它轴向运动表示方法相同 本文采用正弦曲线对机械手运动加速度进行规划 该运动规划可以实现机械手无冲击定位 运动规划的轨 迹方程为 8 7 测试与控制 s t 一器s in f 孚t 一詈co s 等t 2 卜争s in f J 其中 s 一机械手在x Y zi个轴方向位移变量 的其中之一 s 广机械手初始位置与目标之间在该轴方 向上的距离 f 一机械手在相应轴上达到指定位置所需 时间 通过规划公式 2 机械手可以无冲击到达指定目 标位置 通过调整t 的大小就能够改变机械手达到指定 位置所需时间 4 夹持力控制系统设计 机械手末端夹持装置左右夹板在w 轴方向移动夹 持图书 位移较小 W 轴方向运动提供夹持力 应当防 止夹持力过小造成书本脱落以及夹持力过大造成网书损 坏 冈此夹持装置在w 轴上应该采用力控制方式 在 抓取过程中 可将书本近似视为刚体 图书不发生变 形 当夹持装置接触图书时 安装在夹板上的压力传感 器实时测量所受压力 压力信号通过A D 电路转换为数 字信号并通过串口通讯传递给上位机 压力传感器在机械手夹板与图书接触时开始传递压 力信号 上位机根据初始压力值估算图书厚度d 以及图 书质量m 从而计算出图书安全传输所需夹持力 如图 3 所示 右夹板上具有合页轴 该合页轴原点可看作是 一杠杠的支点 F 一f F 3 图书厚度公式可以由以下公式近似得到 d D 0 8cI 4 式中 F 一压力传感器所受压力值 F 一图书对夹 板的压力 2 一两压力之间的近似线性比 d 一图书厚 度 D 一左右夹板间初始间距 s 厂压力传感器有正压 力值输出时左右夹板相对位移 根据以上公式可以近似 得到所需夹紧力 F 入斗m 1 9 D 广s d 5 其中 m 一单位厚度图书质量 一夹板与图书之 间的摩擦系数 通过计算得到机械手所需夹紧力的近似 值 并依此设定机械手夹持力参考值 将压力传感器信 号反馈到输入端 进而进行力闭环控制 4 1 力控制系统硬件设计 夹持力控制系统以基于P C 机和运动控制卡 单片 机为核心 以交流伺服驱动器 交流伺服电机 压力传 感器等构成一个开放式硬件结构 整个机械手夹持系统 由末端执行器本体 伺服电机 伺服电机驱动器 压力 传感器和放大器 单片机系统 运动控制卡 工控机 8 8 稳压电源 D C 1 2 V 等组成 当夹取图书时 压力传感 器将受到的压力转变成电压信号 经信号放大后被采集并 转换成实际压力 根据设定压力值和反馈压力值的偏差 经控制算法后 由运动控制卡发送脉冲给驱动器控制伺服 电机转动 直到夹紧力达到所要求的设定范围内 单片机压力采样电路由C P U A T 8 9 S 5 2 串行接口电 路 M A X 2 3 2 信号放大电路 光电隔离电路 A D 转 换电路 H X 7 1 1 等组成 A D 转换芯片为H X 7 1 l芯片 具有2 4 位的转换精度 满足使用精度要求 H X 7 ll芯 片内置增益控制 可对传感器输出的毫伏级电压信号进 行调理转换 性能稳定 同时可通过2 线串行方式与单 片机通信 单片机使用A T 8 9 S 5 2 芯片 系统时钟频率为 1 1 0 5 9 2 M H z 单片机读取经过A D 转换后的压力数据 通过串口通讯将数据传递到上位机即P C 机 单片机电 路原押图如图4 所示 一一趸if 一 一l 雌 l 川 一 1 一l c f 南 j o 3 J u r o l 量t 二 j 二二兰 I u j 一 可 二二一j i二 曩蔡二 了 f F k 1 冀 二 j州8 9 5 2 二 等j 1 一享 i 等L 名一j 斗暑爿l I 1 j 票二譬 j 幂案二l 图4 单片机电路原理图 F ig 4T h ecir cu its I ch e m a t icd ia g r 帅o fs in g I ech ipm icr o co m p u t e r 4 2 力控制系统软件设计 控制系统软件包括下位机软件和上位机软件i上位 机软件为自助图书馆服务机系统控制软件 采用模块化 设计 包括面向读者的窗口显示模块 运动控制模块 数据库存储模块 网络终端通信模块等 机械手末端夹持装置的控制 甬数为运动控制模块的 子函数 实现单片机和P C 机的实时串口通讯以及驱动 电机的运动控制 P C 机接收通过单片机采样得到的压 力值 通过运动控制卡控制伺服电机转动 上位机程序 控制流程如图5 a 所示 下位机软件同样采用模块化设计 包括主程序模 块 串口通讯程序模块 A D 采样程序模块及滑动平均 滤波处理模块等 下位机软件采样得到压力传感器的压 力信号 经A D 转换及滤波处理后将数据传递至P C 机 构成j 位机对驱动电机的闭环控制 单片机采样程序流 测试与控制 程图如图5 b 所示j 采样数据的准确性制约着夹取图书的可靠性 是安 全夹取图书的关键 为避免干扰对采样数据造成的影 响 在单片机程序中采用滑动平均滤波算法对采样数据 进行处理 保证最终数据的合理可靠H 1 f k y k 2 1 y k l k q 1 q 2 N P 6 i l 式中 f k 一滑动平均滤波后数据 y 一原始数据 p o 一加权系数 且 山 1 p q 为小于m 的任一正整 l 数 且p q m l L 初始化 抓力采样t j 麓 奠 1 7 纛心 值 i 卅 r 均出 J 让理 图5 上位机程序控制与单片机采样流程图 F ig 5T h en o wch a r to fh o s tco m p u t e rp r o ce d u r ea n dM C U s a m p U n g 5 结论 本文在自助图书馆机械手结构设计的基础上 在机 械手避障的前提下对机械手的定位采用正弦加速度进行 了运动规划 以实现机械手的无冲击定位 提高定位精 度 通过调整正弦加速度的参数 可以提高机械手的运 行效率 机械手末端执行器采用力闭环控制 压力传感 器反馈信号使用单片机采样 采用滑动平均滤波算法保 证了数据的可靠性 能有效避免因正压力过小造成的图 书滑落或因正压力过大造成的图书损坏 本文所设计的 机械手结构和控制系统在产品中得到了良好运用 产品 运行稳定 自助服务效率得到了提高 本文的研究具有 较大的实用价值和理论意义 参考文献 1 H u a n gYH L iGY D e 州r ip t iv Pm o d e lsf o rin I e m e l f J ft h illg s A I n t e m a lio n a lC o n f e r e n eo nI f lt e llig P n lC o n lr o la n 1I n f o r m a t io nP r o ce s s in g C H a r b in C h in a I E E EP r e s s 2 0 10 2 陈淑珍 基于W e b 2 0 的高校图书馆在线信息素质教育研究 J 图 持与情报 2 0 ll 3 3 W e lb o u m eE e Ia 1 B u ild i glh ein le m e l o ft h i g su s in gR F I D T h e R F I De 1 1 0 s y s I e me x p e r ie n e J I E E EI n le r n e lC o n lp u t in g 2 0 0 9 13 4 彭奇志 严m i清 吴信岚 我同高校在线信息素质教育的分析研究 J 1 图书与情报 2 0 0 9 1 5 1 熊有伦 尹周平 熊蔡华 等 机器人操作 M 湖北 湖北科学m 版 衬 2 0 0 2 6 M u H a yRM L Z e x j a n g S a s r yS S 徐卫良 钱瑞明 译 机器人操 作的数学导论 M 北京 机械T 业m 版社 1 9 9 8 7 F u a dF K h a liLP ie r r eP a y e u LR o b o licin t e r a cf io nw it hd e f o r m a b leo b j e t s u n t ie rv is io na n d a ct il8g u id a n ce ar e v ie w J j R O S E 2 0 0 7 一lE E E I n t e m a t io n a lW o r k s h o Do nR o I J o t ira n lS e n s r sE n v im n m e n f 2 0 0 7 8 H L in S J B u ll P M T a y lo rS im u la I i no