图书管理机器人设计

目录第一章 设计综述41.1 图书管理机器人国内外发展现状41.2 智能机器人任务概述41.3 设计主要内容5第二章 方案设计62.1 机械结构方案设计62.2 驱动方案选择62.2.1车轮驱动62.2.2升降台驱动72.2.3机械臂部分驱动82.3 传感器的选择92.3.1红外对管循迹传感器9如图2.8 红外对管循迹传感器及电路原理图102.3.2超声波避障传感器102.3.3霍尔传感器11第三章 机械系统设计123.1 机械系统总体方案123.2 关键尺寸设计133.2.1升降台的尺寸133.2.2机械臂的尺寸143.2.3小车底盘尺寸153.3 关键零部件结构设计163.3.1图书管理机器人升降台结构设计163.3.2机械手爪结构设计193.3.3 机械臂结构设计20第四章 控制系统设计214.1 控制系统总体方案214.2.1整体核心运动控制器选择224.2.2升降台高度运动控制器的选择224.2.3机械臂运动控制器的选择224.2.4车轮转动运动控制器234.3驱动电机控制电路设计244.4 传感检测外围电路设计254.5 电源供电电路设计26第五章 软件系统设计275.1 软件系统总体方案275.2 速度控制方案确定28第六章 装配与调试296.1 机器人系统整体装配296.2系统调试流程与状况296.3 设计创新点306.4 系统缺陷与改进30第七章 市场应用前景分析32项目心得33参考文献34附录一 成本分析35附录二 程序源代码37第一章 设计综述1.1 图书管理机器人国内外发展现状随着科技的发展，图书典藏和自助查询等工作目前已经可以借助网络信息化部分实现，但是图书的搬运和上下架等单调需要体力的工作还是有人工来实现。机器人作为一种高效的自动化设备，在汽车，航天等现代制造发展中发挥了巨大的作用，因此，对于如何利用机器人实现图书管理的更智能化，减轻当前图书管理人员的劳动强度，提高图书管理效率，也是科研人员一直在研究的课题，近年来，国外的一些研究机构已经对图书管理机器人的可行性进行初步的尝试，目前应用较为成功的案例有，英国国家图书馆建立的高科技藏书库，可以将700多万册图书的保管和检索全部交由机器人完成，不需要图书管理员参与其中。德国洪堡大学、美国芝加哥大学、犹他州大学、日本早稻田大学等高校也建立了类似的图书管理机器人系统，而在国内的这一领域仍然停留在理论和实验的阶段，目前尚未有实际应用成功的机器人管理人员出现。图书管理机器人整个设计综合应用性较强，目前有一些相关的文献出现，但大多是在信息管理和书库改造方面探讨其可行性，而在机器人的具体应用角度以及所涉及的技术方面却涉及很少，我们此次对图书信息管理等文献进行参考，进行图书管理机器人设计的尝试，希望图书管理机器人能够智能实现对书架定位以及对图书上下架等功能。1.2 智能机器人任务概述图书馆是同学们经常光顾的场所，这里有丰富的学术资源，能够为同学们提供学习上的各种帮助，图书早已经成为同学们开阔视野，了解世界、社会的凭借，是我们的良师益友，它为我们实现了不出门便晓天下事的美谈，但是，图书馆人流众多，图书管理人员需要将同学们归还的书籍再进一步分门别类，进行书籍的上下架摆放，而单凭人力来解决这一问题，是费事又费时的，尤其是近年来，随着大型图书馆的高速发展，在传统得到工作模式下，图书管理人员需要消耗大量的时间和精力对图书进行管理，这些上下架，搬运的工作都是单调而重复性的工作，所以，图书整理机器人应运而生。对于图书管理机器人的具体功能，顾名思义，图书整理机器人是用来整理图书的；该智能机器人在系统中，可以智能的完成沿前着路径的行走，在行走过程中智能的对在一定距离内遇到的障碍进行躲避，并进行鸣笛警示，通过信息匹配识别与运送书籍所对应的书架，到达匹配书架后，自动将运送书籍进行上下架的摆放。1.3 设计主要内容由于知识，个人能力，时间等多种因素的限制，在课设阶段我们制作的是图书管理机器人的小型模型，在控制方面实现图书管理机器人基本动作的一部分。在机械本体搭建部分需要完成机器人小车底盘的尺寸设计，底盘的制造，由于模型大小的限制，需要升降台的大小进行选型，并将手动的实验室升降台进行改造，实现使用电机进行升降台的上下带动，我们在课设阶段设计并搭建机械手臂并设计制造机械手爪，为以后能够对图书管理机器人的机械手摆放书籍时，更熟练的对其轨迹进行规划。除此之外，还需要在驱动以及各功能模块实现的方案选择以及选型进行确定。在控制方面我们使用功能强大，应用广泛的STM32单片机作为核心控制元件，所以需要在设计阶段完成keil软件的相关编程学习，主要包括循迹，避障，串口，定时器中断，外部事件中断以及PWM波输出控制等。第二章 方案设计2.1 机械结构方案设计整个机器人模型包括驱动部分，执行部分以及控制部分。驱动部分有电机及车轮组成，还包括小车上下底盘承载部分，执行部分是指用来完成机器人工作任务的部分，包括升降台，机械臂；升降台以及机械臂位于上小车底盘；机器人想要完成智能工作必须有控制部分以及能源提供部分，这两部分安排在小车下底盘；对于各功能的完成，主要考虑循迹以及避障的完成，所以在机械结构部分需要考虑两大功能模块的具体安排位置。由于循迹模块对于检测信号有距离的要求，所以，将其放置于小车底盘下方，用于检测信号，完成循迹功能；避障模块是在小车前进过程中智能对遇到障碍进行躲避以及警示的模块，因此将避障模块放置在机器人前方，用于检测前进方向是否存在障碍。所以，将图书管理机器人模型的机械结构可以分为头部，躯干，足部三大部分，头部由避障检测模块构成，躯干由控制模块，能量来源，以及升降台和机械臂执行元件构成，足部是机器人模型前进的结构，我们采用轮式前进，除了车轮驱动部分，还有路径检测部分，完成机器人路径的规划。2.2 驱动方案选择该机器人模型中，需要进行驱动的主要为车轮驱动，升降台升降驱动，机械手爪以及机械手臂的驱动。2.2.1车轮驱动本系统足部为轮式前进，其驱动轮的驱动电机的选择就显得十分重要。我们在课设中制作的是机器人的小型模型，参考智能小车套件中的动力驱动部份一般都用电机作为动力，目前市场上的电支机品种图多，如普通电机、带减速的电机、步进电机。平常我们接触到的也以直流电的居多。电机，是指依据电磁感应定律实现电能的转换装置。电动机也称（俗称马达），它的主要作用是产生驱动转矩，作为各种机械的动力源。比较合适做智能小车、机器人的常用的电机如下所示：（1）普通直流电机。普通电机是我们平时间的比较多的电机，电动玩具，刮胡刀等里面都有。一般只有两个引脚，用电池的正负极接上两个引脚就会转起来。这种电机有转速过快，扭力过小的特点，一般不直接用在智能小车上，在用得配置减速器才行。（如下图2.1） （2）带减速的电机，带减速的电机就是普通电机加上了减速箱，这样便降低了转速，增加了扭力，使得普通电机有的更广泛的使用空间。带减速的电由于降低了转速，增加了扭力，被大多数智能小车套件中列为智能小车动力标配，这种电机的控制一般都用H桥方案，用L298芯片组成的电路进行控制，能实现PWM（脉宽调制）调速，控制上采用单片机进行 PWM 调速控制，PWM控制可以方便的控制小车整体速度（如图2.2）。 图2.1 直流电机 图2.2 带减速的电机（3）步进电机，步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制电机件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机一般用在控制精确的智能小车或机器人上，相对成本较高，而且虽然采用步进电机有诸多优点，但步进电机的输出力矩较低，随转速的升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，其转速较低，不适用于小车等有一定速度要求的系统。在一些简单的的智能小车上运用得较少。总之，选择一款适合的电机作为智能小车套件中的动力源非常重要，带减速的电机扭力大、速度相对较低、控制灵活、价格低等优点，被广泛运用到智能小车上用为驱动支力源。本次课设中最终要实现对路径控制定位和速度测量不是要求太高，精度也不是太高，因此我们选型为：37GB90-500T直流减速电机 2.2.2升降台驱动对于升降台驱动部分，我们将升降台有手动升降改装为电机驱动升降台，因此升降台的驱动也需要电机进行驱动，升降台上面放置被机械臂抓取的物品，另外升降台本身具有一定重量，还有在上升的时候由于力的方向的原因，所要求的驱动力较大，所以对于驱动升降台的电机，在电机的输出力矩方面要求较高，因此，对于升降台的驱动电机我们选择驱动力矩较大的ZGB37RG直流减速电机马达。具有较大扭矩，能够完成升降台上升的驱动。 图2.4 ZGB37RG ZYTD520 2.2.3机械臂部分驱动机械臂是图书管理机器人的执行部分之一，用来完成对物品的夹取和放置，所以对于机械臂的驱动装置我们应该选择具有角度控制的舵机进行驱动。舵机也叫伺服电机，最早用于船舶上实现其转向功能，由于可以通过程序输出PWM信号，利用占空比的变化，连续控制其转角，改变舵机的位置，而且舵机具有体积小、力矩大、外部机械设计简单、稳定性高等特点，因而被广泛应用智能小车以实现转向以及机器人各类关节运动中。舵机的组成：一般来讲，舵机主要由以下几个部分组成，舵盘、减速齿轮组、位置反馈电位计、直流电机、控制电路等，如图2.5。 图2.5 舵机组成 图2.6舵机输入线 舵机的输入线共有三条，如图6所示，红色中间，是电源线，一边黑色的是地线，这辆根线给舵机提供最基本的能源保证，主要是电机的转动消耗。电源有两种规格，一是4.8V，一是6.0V，分别对应不同的转矩标准，即输出力矩不同，6.0V对应的要大一些，具体看应用条件；另外一根线是控制信号线，Futaba的一般为白色，JR的一般为桔黄色。 舵机工作原理：控制电路板接受来自信号线的控制信号，控制电机转动，电机带动一系列齿轮组，减速后传动至输出舵盘。舵机的输出轴和位置反馈电位计是相连的，舵盘转动的同时，带动位置反馈电位计，电位计将输出一个电压信号到控制电路板，进行反馈，然后控制电路板根据所在位置决定电机转动的方向和速度，从而达到目标停止。其工作流程为：控制信号控制电路板电机转动齿轮组减速舵盘转动位置反馈电位计控制电路板反馈。 舵机的控制信号周期为20MS的脉宽调制（PWM）信号，其中脉冲宽度从0.5-2.5MS,相对应的舵盘位置为0180度，呈线性变化。也就是说，给他提供一定的脉宽，它的输出轴就会保持一定对应角度上，无论外界转矩怎么改变，直到给它提供一个另外宽度的脉冲信号，它才会改变输出角度到新的对应位置上。 如图所求。舵机内部有一个基准电路，产生周期为20MS，宽度1.5MS的基准信号，有一个比出较器，将外加信号与基准信号相比较，判断出方向和大小，从而生产电机的转动信号。由此可见，舵机是一种位置伺服驱动器，转动范围不能超过180度，适用于那些需要不断变化并可以保持的驱动器中，比如说机器人的关节。 通过舵盘和机械臂相连接，从而进行机械臂转动角度的控制，鉴于是对舵机的初次接触，并且驱动的机械臂对于精度以及驱动力矩并没有特殊的要求，所以我们选择使用标准舵机进行驱动。标准舵机型号：MG995。2.3 传感器的选择 我们此次的图书管理机器人需要完成按照规定的路线行走，为了防止在其运行过程中和路径上的物体相撞，损坏机器人，因此，需要在机器人模型上增加循迹传感器部分以及避障传感器部分。除此之外对于升降台的升降高度需要得到确定，确定升降台高度的方法有多种，比如采用有编码器的电机，在编程中进行控制，或者在机械本体上添加具有限位开关作用的传感器进行实现，这里我们具体采用的是能够检测磁性物体的霍尔传感器，在循迹传感器方面我们选择在智能小车方面应用较为广泛，使用方便且价格便宜的红外对管黑白线循迹传感器，避障功能的实现我们选择应用较为广泛的超声波避障传感器，下面将主要针对这三种传感器进行展开介绍。2.3.1红外对管循迹传感器采用红外对管作为循迹传感元件，我们采用红外发送管和接收管于一体化的红外对管，其具体工作原理如下：红外发送管发送红外线，红外接收管接受红外线，根据红外接收管接收到的不同强度的红外线，红外对管的信号线就能输出高低不同的电平，从而结合软件编程进行智能小车底盘的循迹功能的实现。 如图2.8 红外对管循迹传感器及电路原理图 我们此次机器人循白线轨迹前进。落在白线区域内的光电二极管接收到的反射光线强度与地板的不同，由此判断行车的方向。红外线检测信号，将检测到的信号送到单片机I/O口，当I/O口检测到的信号为低电平时，表明红外光被白线反射回来有红外对管中的接收管接收，表明机器人处在黑色的引导线上；两个驱动电机驱动小车的两个轮子，通过改变两个轮子的速度进行机器人的方向的改变。红外对管循迹传感器的电路原理图如图2.4所示。我们采用的黑白线循迹传感器型号为：LM393。2.3.2超声波避障传感器安全避障是移动机器人的重要研究内容。超声波避障实现方便，技术成熟，成本低，是移动机器人常用的避障方法。也可以采用光电开关传感器进行避障。超声波可以在气体、液体及固体中传播，其传播速度不同。另外，它也有折射和反射现象，并且在传播过程中有衰减。在空气中传播超声波，其频率较低，一般为几十KHZ，而在固体、液体中则频率可用得较高。在空气中衰减较快，而在液体及固体中传播，衰减较小，传播较远。利用超声波的特性，可做成各种超声传感器，配上不同的电路，制成各种超声测量仪器及装置，并在通迅，医疗家电等各方面得到广泛应用。我们此次选择超声波传感器进行避障。具体型号：HC-SR04 智能循迹小车机器人探头（如下图2.9所示），其探测的距离范围是3CM到3.5米。如图2.9 超声波传感器该模块工作原理具体如下： (1)采用IO触发测距，给至少10us的高电平信号; (2)模块自动发送8个40khz的方波，自动检测是否有信号返回； (3)有信号返回，通过IO输出一高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间测试距离=(高电平时间*声速(340M/S)/2; 2.3.3霍尔传感器霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器。如图2.10图2.10 霍尔传感器 霍尔传感器工作原理：半导体薄片置于磁场中，当它的电流方向与磁场方向不一致时，半导体薄片上平行于电流和磁场方向的两个面之间产生电动势，这种现象称霍尔效应。产生的电动势称霍尔电势，半导体薄片称霍尔元件。 优点：结构简单，体积小，重量轻，频带宽，动态特性好和寿命长。应用：电磁测量：测量恒定的或交变的磁感应强度、有功功率、无功功率、相位、电能等参数； 自动检测系统：多用于位移、压力的测量。、第3章 机械系统设计 机械系统是机电一体化最基本的要素，用于完成包括机械力，运动和能量流等动力学任务的机械以及机电部件相互联系的系统。下面我们将再在机器人的机械力的提供能量转换等方面展开介绍。3.1 机械系统总体方案 通过三维建模，及相关功能模块的了解，我们确定机械系统的总体方案如下：车轮需要向前的驱动力，升降台需要上升下降的驱动力，机械臂需要转动的机械力，机械力由电能转换，整个机器人系统的电能由充电电池提供，从而得到车轮的转动运动，升降台位置高度的运动以及机械臂的转动运动。得到能量流如下所示：图3.1 图3.1 能量流综合第二章机械结构设计，通过三维建模软件，得到机器人模型如下图3.2所示： 图3.2 机器人模型3.2 关键尺寸设计 此次设计我们制作的是图书管理机器人的小型模型，目的在于实现图书管理机器人的一部分基本功能，加深自己对机电系统的学习及了解，图书管理机器人包括小车底盘，升降台，检测控制等多个部分。由于制作机械本体初期，首先确定了升降台的尺寸。3.2.1升降台的尺寸 由于课程初期没有决定自己制作升降台，而是直接在网上选择升降台的型号，因此在网上所有的小型实验室升降台型号中，我们选择使用150150,实验室手动剪叉升降台如图3.3。 图3.3实验室手动剪叉升降台 手动升降台并不能满足我们机器人模型智能升降的要求，因此对于升降台的升降方法我们进行了改造，将其改装为丝杠螺母传动的结构，具体三维模型如下图3.4。 图3.4 改造后的升降台主要尺寸如下：图3.5（a)、(b)、(c)（a)、升降台工作平台：150150 (b)、升降台能够升高的高度由剪叉架决定，剪叉架的剪叉结构的长度尺寸为134mm（c）、升降台的上升高度205mm 图3.5（a)工作平台 图3.5（b）剪叉架 图3.5（c)上升高度 3.2.2机械臂的尺寸 机械臂由舵机驱动进行一定角度的转动，舵机通过舵盘和舵机固定架，结合升降台的上升高度，机械手臂高度主要由舵机云盘，长U型舵机支架决定。 图3.6机 械臂Solidworks三维图主要尺寸如下：图3.7（a)、(b)、(c)（a)、舵机云盘高度62mm。（b）、长U型舵机固定架高度尺寸66.5mm。（c）、最后得到机械臂的能够达到的最后高度为302mm 图3.7（a）舵机云盘高度 图3.7（b)长U型支架尺寸 图3.7（c）机械臂最大高度3.2.3小车底盘尺寸 小车上下底盘尺寸基本相一致，在小车上底盘上放置着升降台，机械臂，还有驱动升降台的电动机，综合考虑升降台，机械臂，电机尺寸以及，升降台和机械臂之间能够有一个较为合适的距离，结合三维建模软件，我们设计得到小车上、下底盘的基本长宽尺寸为：420240； 上底盘上有用于固定升降台和电动机的孔，在第二章机械结构设计中已经提及，在上底盘我们设计安装避障检测模块，因此上底盘和下底盘还区别于上底盘前端突出一部分用于安装避障传感器；上底盘中孔的具体定位尺寸见零件图3.8。 图3.8上底盘零件图 图3.9上底盘装配图 小车下底盘需要安装车轮及驱动车轮的电机，底盘上钻有安装孔，由于升降台和机械臂具有一定的重量，因此考虑受力方面因素，车轮的安装位置应基本位于升降台和机械臂的前后两边缘，安装孔的具体尺寸见图3.10所示： 图3.10 下底盘零件图、 3.3 关键零部件结构设计3.3.1图书管理机器人升降台结构设计 升降台主要有两部分组成：机械系统和驱动系统。机械机构主要起传递和支撑作用，驱动系统主要提供动力，它们两者共同作用实现升降机的位置高度改变的功能。这里主要介绍升降台机械系统的设计。 升降台广泛应用于工业中，并有多种分类，如：伸缩式，剪叉式，套筒式等，剪叉式升降台具有结构稳固、故障率低、运行可靠、安全高效、维护简单方便，而且其机械机构及驱动较简单，不仅在工业方面，在实验室等地也应用广泛，所以升降台我们采用X式剪叉式升降台。为保证升降台能够上升到一定的高度，因此选择两级剪叉结构。（图3.12为升降台剪叉结构，改变工作平台的高度）图3.12 升降台剪叉结构 在升降台里的传递方面，我们将手动升降台设计改造成电机驱动，需要将电动机的旋转运动转换为升降台的上下直线运动。 在机电一体化课程中，我们学习到一种传动方式：丝杠副传动，丝杠副的特点是将螺旋运动变为直线运动或者将直线运动变换为螺旋运动，丝杠副中的滚珠丝杠副以滚珠的滚动代替丝杠螺母副中的滑动，摩擦力小，具有良好的性能。因此我们设计在图书管理机器人实体中采用滚珠丝杠，但是由于滚珠丝杠副制造工艺复杂，成本较高，在设计阶段我们采用原理相同，成本较低的丝杠螺母传动。 丝杠的轴承组合及轴承座、螺母座以及其它零件的连接刚性，对丝杠副传动系统的刚度和精度都有很大影响，为了提高轴向刚度，丝杠支承常用推力轴承为主的轴承组合，仅当轴向载荷很小时，才用向心推力轴承。在该机器人模型中考虑到电源，导线承载电流能力等因素，轴向载荷并不大，因此采用能够承受径向载荷和一定双向轴向载荷，结构简单，成本低廉，应用广泛的深沟球轴承。丝杠副的安装方式一般叫做丝杠副的支承形式，支承形式不同，所容许的轴向载荷和容许的回转转速也有所不同，应根据工况适当选择。支承形式通常有两大类：丝杠旋转类和螺母旋转类。此次设计中由于需要由螺母带动升降台传动轴直线移动，故需要将螺母和传动轴焊接到一起，因此设计采用丝杠旋转的支承形式，在丝杠旋转的支撑方式中共四种支撑方式：（1）、“固定固定”型如图3.13：适用于高转速、高精度的场合。该形式两端分别分别由一对轴承约束轴向和径向自由度，负荷由两组轴承副共同承担。也可以使两端的轴承副承受反向预拉伸力，从而提高传动刚度。在定位要求很高的场合，甚至可以根据受力情况和丝杠热变形趋势精确设定目标行程补偿量，进一步提高定位精度。“固定固定”型有时也被片面地叫做“双推双推”型，实际上由于径向力的存在几乎很少能用两个推力轴承作为固定端。由于此形式结构较复杂，调整较难，因此一般仅在定位要求很高时采用。 图3.13 “固定-固定”型 （2）、“固定游动”型图3.14：适用于中转速、高精度的场合。该形式一端由一对轴承约束轴向和径向自由度，另一端由单个轴承约束径向自由度，负荷由一对轴承副承担，游动的单个轴承能防止悬臂挠度，并消化由热变形产生的应力。“固定游动”型有时也被片面地叫做“双推支承”。此形式结构较简单，效果良好，应用广泛。 图3.14 “固定-游动”型 （3）、“支承支承”型图3.15：适用于中转速，中精度的场合。该形式两端分别设一个轴承，分别承受径向力和单方向的轴向力，随负荷方向的变化，分别由两个轴承单独承担某一 方向的力。由于支承点随受力方向变化，定位可控性较低。此形式结构较为简单。 图3.15 “支承支承”型（4） 、“固定自由”型图3.16：适用于低转速，中精度，轴向长度短的场合。该形式一端由一对轴承约束轴向和径向自由度，另一端悬空呈自由状态，负荷均由同一对轴承副承担， 并且需克服丝杠回转离心力（及水平安装时的重力）造成的弯矩。此形式结构简单，受力情况差。 图3.16“固定自由”型由于升降台在上升下降的时候，丝杠支撑需要承受不同方向的轴向力，因此，结合以上对丝杠传动支承方式的了解，将支承方式设计为“支承支承”型。 具体传动流程为：通过联轴器将电机和丝杠连接，电机旋转带动丝杠进行回转运动，通过丝杠副，在丝杠旋转时，螺母在丝杠上进行直线运动，从而带动和螺母焊接在一起的传动轴进行直线移动，传动轴的直线移动带动剪叉架角度的改变，从而实现升降台的上下移动，达到所需要的高度。3.3.2机械手爪结构设计 在机器人模型中，机械手爪需要完成抓取任务。机械手爪也称末端执行器，根据其用途和结构的不同可以分为机械式夹持器，吸附式末端执行器和专用工具（如焊枪、电磨头等）三类。它安装在操作机手腕（如果配置有手腕的话）或手臂的机械接口上。 吸附式末端执行器（又称吸盘），有气吸式和磁吸式两种。他们分别是利用吸盘内负压产生的吸力或磁力来吸住并移动工件的；专用工具主要用于焊枪、电磨头等工业过程中，机械式夹持器结构简单、紧凑，重量轻，可以减轻手臂的负荷。对于完成我们的夹取任务也是最合适的末端执行器类型，所以初步确定末端执行器的类型为机械式夹持器。 通过参考机械式夹持器结构，我们设计的机械手爪如下图3.17所示： 图3.17 机械手抓 设计的该机械式夹持器为双指手爪式，按其手爪的运动方式为回转型。回转型手爪又可分为单支点回转型和双支点回转型。显然，此设计为双支点回转式。其工作原理为：用舵机带动其中一边的手爪零件运动，再通过齿轮啮合带动另一边的手爪零件运动实现手爪的抓取动作。 设计创新点在于：（1） 每一边都有四个相同的手爪零件旨在增加爪子的接触面积，更加方便抓取物品；（2） 爪子末端配备多个M3的孔位，方便自行手爪大小的拓展。 3.3.3 机械臂结构设计由机器人操作机的动力关节和连接杆件等构成的手臂是用来支承和调整手腕和末端执行器位置的部件。手臂部分一般具有个23个自由度。对手臂的设计要求有：手臂的结构尺寸和自由度应满足机器人完成作业任务提出的要求。根据手臂所受载荷和结构的特点，合理选择手臂截面形状和高强度轻质材料；如长采用空心的薄壁矩形框体或圆管以提高其弯曲刚度和扭转刚度，减轻自身的重量。空心结构内部可以方便地安置机器人的驱动系统。尽量减少手臂重量和相对其关节回转的转动惯量和偏重力矩，以减少驱动装置的负荷；减少运转的动载荷与冲击，提高手臂运动的响应速度。要设法减小机械间隙引起的运动误差，提高运动的精确性和运动刚度。采用缓冲和限位装置提高定位精度。设计机械手臂时，肯定会联想到我们人类的手臂，除了肩、肘、腕基本关节，再加上多个手指关节，才会使手臂如此灵活，那么我们将复杂问题简单化，用5个伺服舵机以巧妙的结构设计，结合它的控制系统，就能展示出控制5自由度机械臂的工作原理。如图3.18所示上述方案是我们小组初步设计，出于我们项目的功能要求，我们只想实现一个方向的抓取，连接末端执行器的旋转自由度虽然使得机械手臂更加灵活，但是，在控制方面却增加了困难。考虑到机械臂在工作时，抓取图书时角度一致，不需要旋转，故我们决定去掉此自由度，降低造价，节约成本。改进后如图3.19所示 图3.18 四自由度机械臂 图3.19五自由度机械臂设计时为减轻机械臂的自身重量，我们采用铝质材料的多功能固定支架和U型舵机连接支架，最大限度的减少机械臂自身的质量。第四章 控制系统设计4.1 控制系统总体方案本产品的控制核心是STM32单片机，相当于人体的心脏，控制着整个系统的运作。首先是控制循迹，用红外对管传感器检测白纸条，传感器会给单片机返回一个低电平，通过编程矫正小车的路线，保证能一直沿着白纸条走。为了避免小车在行走过程中撞到障碍物，我们设计了超声波避障传感器，一旦传感器检测到有障碍物，小车就会停止或者倒退，同时LED等亮，蜂鸣器响，从而避免了碰撞。具体程序见附录二。 其次是控制升降台，当小车到达预定的位置后，升降台开始升起，升起到指定位置后停止，同时机械臂操作，开始抓取图书。抓取完图书后，升降台开始下降，下降到最低位置，完成整个流程。升降台的高度，我们采用霍尔传感器来控制，在升降台的驱动杆上加上磁铁，用来给霍尔传感器信号。最后是控制机械臂，当升降台上升到指定位置后，机械臂开始运动。通过编程控制机械臂的运动轨迹，来实现抓取图书并放到指定位置过程。具体程序见附录二。4.2 运动控制器选型运动控制通常是指在复杂条件下，将预定的控制方案、规划指令转变成期望的机械运动，实现机械运动精确的位置控制、速度控制、加速度控制、转矩或力的控制。 按照使用动力源的不同，运动控制主要可分为以电动机作为动力源的电气运动控制、以气体和流体作为动力源的气液控制和以燃料（煤、油等）作为动力源的热机运动控制等。在这几种运动控制中，电气运动控制应用最为广泛。 从基本结构上看，一个典型的现代运动控制系统的硬件主要由上位机、运动控制器、功率驱动装置、电动机、执行机构和传感器反馈检测装置等部分组成。其中的运动控制器是指以中央逻辑控制单元为核心、以传感器为信号敏感元件、以电机或动力装置和执行单元为控制对象的一种控制装置。 运动控制器就是控制电动机的运行方式的专用控制器：比如电动机在由行程开关控制交流接触器而实现电动机拖动物体向上运行达到指定位置后又向下运行，或者用时间继电器控制电动机正反转或转一会停一会再转一会再停。运动控制在机器人和数控机床的领域内的应用要比在专用机器中的应用更复杂，因为后者运动形式更简单，通常被称为通用运动控制（GMC）。4.2.1整体核心运动控制器选择 由于现代科技的发展，智能产品已经越来深入到人们的生活中，而大多数的智能产品的核心控制器就是单片机，单片机把一个计算机系统集成到一个芯片上，相当于一个微型的计算机，和计算机相比，单片机只缺少了I/O设备。各种产品一旦用上了单片机，就能起到使产品升级换代的功效，常在产品名称前冠以形容词“智能型”。 单片机发展迅速，至今已有多种容量，功能性不同的型号，众多种类中，STM32F103系列单片机基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARM Cortex-M3内核，内部有定时器，中断系统等多个功能模块，工作频率为72MHz，内置高速存储器(高达128K字节的闪存和20K字节的SRAM)，丰富的增强I/O端口和联接到两条APB总线的外设。所有型号的器件都包含2个12位的ADC、3个通用16位定时器和1个PWM定时器，还包含标准和先进的通信接口：多达2个I2C接口和SPI接口、3个USART接口、一个USB接口和一个CAN接口。供电电压为2.0V至3.6V，包含-40C至+85C温度范围和-40C至+105C的扩展温度范围。一系列的省电模式保证低功耗应用的要求。 总之STM32F103RCT6有低功耗、功能强大等特点，足以控制整个机器人模型的运动。所以对于核心的控制器，我们选择使用STM32F103RCT6对车轮运动，升降台升降，机械臂转动等各个模块进行控制。4.2.2升降台高度运动控制器的选择 在机器人工作过程中，需要对升降台的高度定位进行掌控，控制升降台的高度可以增加限位开关或具有能输出相关信号的元器件，如能够识别障碍，检测黑白的红外对管传感器以及能够检测磁性物质的霍尔传感器；所列出的三种高度运动控制器的控制和线路连接都能够较容易实现，综合考虑实验室能够便利提供传感器的条件，我们选择使用霍尔传感器和磁铁相结合作为该部分的运动控制器。霍尔传感器型号为YL-57，对于霍尔传感器的相关介绍已在第二章传感器介绍讲明，此处不再赘述。4.2.3机械臂运动控制器的选择 机械臂在图书管理机器人模型执行运动的过程中，机械臂需要转过规定的角度，因此对于驱动机械臂运动的驱动器确定为舵机，对控制舵机的输出角度的控制器，可以通过使用单片机输出PWM波软件控制，除此之外，还可以使用舵机控制板进行控制。 舵机控制板内部采用ARM Cortex-M3内核的高性能STM32单片机，能够高精度控制多路舵机运动，速度可调；只有政府两路电源接口，线路连接简单；有大容量内存，可以容纳上百个动作组，每个动作组可以容纳上百个动作；支持串口通信，舵机控制板可以和别的单片机进行连接，别的单片机可以向控制板发送指令，使得机器人实现智能控制；最重要的是舵机控制板支持在线调试，不需要安装任何驱动，对于调节机械臂的轨迹规划，实现关节角度的改变很方便。 鉴于舵机控制板有以上多个优点，我们选择使用其作为机械臂的运动控制器。舵机控制板拥有24路输出。4.2.4车轮转动运动控制器 对于小车底盘车轮的转动，前进方向，转弯方向我们选择使用广泛应用于智能小车中的电机驱动模块，结合STM32F103RCT6核心控制件发送命令进行，车轮的运动控制。电机驱动模块型号为TB6612FNG。该型号电机驱动模块引脚图4.1如下所示： 图4.1 TB6612FNG电机驱动模块引脚图 该模块相对于传统的L298N效率上提高很多,体积上也大幅度减少，在额定范围内，芯片基本不发热，接线的时候务必细心，注意正负极性。该模块是双驱动，也就是可以驱动两个电机，AO1、AO2、BO1、BO2、AI1、AI2、BI1、BI2是控制两个电机的IO口，其中AO1、AO2、BO1、BO2输出给两路电机，AI1、AI2、BI1、BI2连接单片机的输出引脚，接收单片机发送的指令；STBY口接单片机的IO口清零电机全部停止，置1通过AIN1 AIN2，BIN1，BIN2 来控制正反转；VM 接12V以内电源；VCC 接5V电源；GND 接地；PWMA、PWMB接单片机的PWM口 ; 真值表4-1：AIN1001AIN2010停止正传反转 对该模块的引脚具体连接将于下一小节展开介绍。4.3驱动电机控制电路设计 电机驱动的控制使用机器人核心控制单片机及TB6612FNG电机驱动模块进行控制，AI1、AI2、BI1、BI2连接单片机的输出引脚，接收单片机发送的指令，对电机的正反停运动进行控制。AI1、AI2、BI1、BI2连接单片机的输出引脚PA口4、5、6、7；使用STM32F103RCT6的TIM3的通道1和通道2输出PWM波，PWMA、PWMB分别连接PB口的PB5、PB4；AO1、AO2、BO1、BO2连接要控制的电机的正负极；VCC 接5V电源；VM 接12V电源；GND 接地；连接线路图如下图4.2所示： 图4.2电机驱动模块连接线路图 对于升降台的驱动电机线路连接为：PWMA连接PB口的PC4，AI1、AI2连接单片机的输出引脚PC口1、2；AO1、AO2连接要控制的电机的正负极；VCC 接5V电源；VM 接12V电源；GND 接地；连接线路图如下图4.3所示： 图4.3升降台的驱动电机连接线路图4.4 传感检测外围电路设计 机器人模型系统中使用的传感器有三类：红外对管传感器、超声波避障传感器、霍尔传感器； 设计使用三个红外对管传感器形成三路循迹，控制机器人行走过程中前进、后退、转弯；红外对管有四个引脚： VCC 外接3.3V-5V电压（可以直接与5v单片机和3.3v单片机相连）； GND 外接GND；DO为小板数字量输出接口（0和1）（AO在该项目中使用不到）；软件编程中设置单片机的PB口的12、13、14引脚作为三个红外对管检测信号的输入；具体线路图连接见下图4.4所示： 图4.4红外对管传感器连接线路图 使用一个超声波传感器检测前方一定距离内是否有障碍，进行智能避障，超声波传感器有四个引脚：VCC接5V电源，GND接地，Trig为触发信号，和单片机PC8相连接，当单片机PC8口输出置位的时候，Trig输出短期的10微秒的触发信号，Echo为回响信号，和单片机相连接，输出信号给单片机，软件编程中设置中断线路7，因此Echo引脚和单片机PC7相连接；电路连线图4.5如下所示： 图4.5超声波传感器连接线路图 使用两个霍尔传感器来检测升降台的位置，从而限制调整升降台的高度。霍尔传感器有3个引脚：VCC接5V电源，GND接地，OUT为输出信号，和单片机PC13、PC15连接。霍尔传感器工作时，电源指示灯和开关指示灯亮，当其靠近磁铁时，开关指示灯灭，同时给单片机一个信号，从而进行下一步操作。电路连线图如下图4.6所示： 图4.6 霍尔传感器连接线路图4.5 电源供电电路设计 出于对电流稳定的因素的考虑，本产品采用了两块电池供电。一个用来给小车供电，包括小车电机电源、单片机电源、各种模块电源；另一个给机械臂供电，由于舵机对电流的稳定要求比较大，所以需要单独供电。两块电源均为12V电源，且型号相同，容量比较大，能够输出足够的功率。同时，我们还用了4个降压模块，用来提供相应的电压，一块降为5V，用来给单片机和各个模块等控制电路供电；一块也降为5V，用来给电机等驱动电路供电；我们采用控制电路与驱动电路分开的方式，防止因驱动电路的不稳定而造成控制电路的损害，有效的保护了单片机和各个功能模块；第三块降压模块输出电压也为5V，用来给舵机控制板供电，之所以采用第三块降压模块，是由于调试舵机时，用外部的USB线给舵机控制板供电，会导致电流倒流，即同时给单片机和各个功能模块供电，有可能会将其烧毁，因此，我们多加了一块降压模块，单独供电；最后一块降压模块输出电压为6V，用来给舵机供电，此模块必须独立出来。第5章 软件系统设计5.1 软件系统总体方案 图书管理机器人模型整个软件系统以STM32RCT6单片机为控制核心，在机器人前进过程中，单片机接受来自循迹传感器的高低电平信号，从而输出相应的信号给电机驱动模块，控制车轮的前进，左转，右转以及升降台的升降，在通过串口程序，实现舵机控制板和单片机的通信，实现机械臂的动作；单片机控制核心接受来自超声波避障传感器的信号，当检测到的距离在一定范围的时候，通过软件控制小车后退报警，及前进报警；另外，单片机接受来自霍尔传感器的信号，控制驱动升降台的电机的正转、反转，停止。整个软件控制流程如下图5.1所示： 图5.1 控制流程图5.2 速度控制方案确定方案一：串电阻调速系统。方案二：静止可控整流器。简称V-M系统。方案三：脉宽调速系统。V-M系统是当今直流调速系统的主要形式。它可以是单相、三相或更多相数，半波、全波、半控、全控等类型，可实现平滑调速。V-M系统的缺点是晶闸管的单向导电性，它不允许电流反向，给系统的可逆运行造成困难。它的另一个缺点是运行条件要求高，维护运行麻烦。最后，当系统处于低速运行时，系统的功率因数很低，并产生较大的谐波电流危害附近的用电设备。与V-M系统相比，PWM调速系统有下列优点：（1） 由于PWM调速系统的开关频率较高，仅靠电枢电感的滤波作用就可以获得脉动很小的直流电流，电枢电流容易连续，系统的低速运行平稳，调速范围较宽，可达1：10000左右。由于电流波形比V-M系统好，在相同的平均电流下，电动机的损耗和发热都比较小。同样由于开关频率高，若与快速响应的电机相配合，系统可以获得很宽的频带，因此快速响应性能好，动态抗扰能力强。（2） 由于电力电子器件只工作在开关状态，主电路损耗较小，装置效率较高。 根据以上综合比较，以及本设计中受控电机的容量和直流电机调速的发展方向，本设计采用了H型单极型可逆PWM变换器进行调速。我们最终选择使用PWM调速系统进行调速。通过stm32单片机给电机驱动模块发送PWM波，控制电机驱动模块的输出，实现小车速度控制。第六章 装配与调试6.1 机器人系统整体装配图书管理机器人各部分机械结构在以上章节已经分别介绍，此处不再赘述， 机器人系统整体装配如下图