机械设计创新大赛

第六届江苏省大学生机械创新设计大赛项目技术报告参赛学校: 江苏科技大学 作品名称: 可远程视频传输的全方位排障机器人 参赛项目: 机械设计创新大赛 领队老师: 唐炜、顾金凤 研制人员: 张玮文、顾宪成、聂俊杰、高志远 作品名称可远程视频传输的全方位排障机器人选手基本情况本项目组成员共4人，目前均为江苏科技大学机械工程学院在校学生。具体情况如下：参赛成员风采聂俊杰（学号）：男，机械设计制造及其自动化专业大四学生。项目组负责人，全面组织协调项目总体方案及其实施过程，熟练掌握机械结构数字化建模的相关技能，重点负责本项目虚拟样机的三维建模及运动仿真。张玮文（学号）：男，机械电子工程专业大三学生。擅长单片机应用技术及控制系统的开发与调试，重点负责本项目单片机控制系统硬/软件的自主设计研发，样机联机调试。顾宪成（学号）：男，机械电子工程专业大三学生。擅长运动学建模及软件编程，重点负责本项目运动学模型的建立，控制程序的编写及完善。高志远（学号）：男，机械电子工程专业大三学生。熟练掌握机电系统调试和维护工作，重点负责本项目样机加工/装配及相关实验平台搭建。1、作品介绍1.1研究背景从世界范围来看，工业4.0概念引领了全世界制造业的发展方向，其强调的工业化和智能化融合发展道路，而“中国制造2025”的十大领域中强调重点发展新一代信息技术、高档数控机床和机器人。经过几十年的发展，如今机器人发展的特点可概括为：横向上，应用面越来越宽，由95%的工业应用扩展到更多领域的非工业应用；像做手术、采摘水果、剪枝、巷道掘进、侦查、排雷、探索，还有空间机器人、潜海机器人。纵向上，机器人的种类会越来越多，像进入人体的微型机器人，已成为一个新方向，可以小到像一个米粒般大小；机器人智能化得到加强，机器人会更加聪明。因此，智能化、信息化是机器人发展的一大方向。本项目源于现实需要，由于其小体积以及全向性，尤其适合在一些狭小空间以及特殊场景的应用，如在一些危险场地的探测或者特殊路面的排查等。通过车身上搭载摄像头完成对周围环境的实时监测，并用无线WIFI传输上传到服务器上，供监测人员了解工作的环境，并结合地盘上的机械臂通过其装卸功能即可实现对于作业场地一些实体的信息采集也可以在一些狭小空间做到物质的远程运输，从而集成了运输与探索于一体的功能。另外可通过在车身上增加各类传感器拓展其外围功能，如避障等。 1.2结构说明该机器人由全向移动底盘、车载机械手和手机操控终端三大部分组成。其中，移动底盘采用四个Mecanum轮独立驱动的形式，以实现平面内的全方位运动；六自由度机械手完成对地面障碍物的移位或搬运等功能；车载摄像头实现对周围环境的图像采集并通过无线WIFI传输到操控手机上，从而确保在用户不进入危险现场的前提下，可通过远程视频操控的方式实现机器人排障的功能。 全向底盘是用来承载机械手的部分，主要负责全向移动部分的工作。整个底盘的制作材料为铝板，四个轮子安装在四个悬臂上，悬臂根部与底盘顶端之间安装有减震器，这样就组成了悬架结构，确保了全向底盘在不平的路面上仍然能四个轮子同时着地，使得小车运行更加平稳，路径更加精确。小车的底部与顶部之间的空间用来安放控制系统的控制板以及走线。图1就是全向底盘机械结构的三维造型图。图1 全向底盘机械手是由六个舵机进行驱动的，六个舵机分别安装在六个关节部位。如图2，由腰部到爪子部位六个舵机分别编号为号。在这六个舵机当中最为重要的是三个舵机，这三个舵机协同控制使得机械手的爪子部分能够运动到当前平面内可触及区域的任意位置，号舵机是控制机械手左右旋转的，因此控制到号舵机就可以实现机械手在近似球体空间内进行运动。号舵机控制爪子部分的旋转，号舵机控制爪子部分的张合。图2 机械手1.3技术参数可远程视频传输的全方位排障机器人具体技术指标如下：1）该机器人小车能在狭小作业空间内实现灵活移动，可完成前后移动、横向侧移和原地旋转等基本运动及其复杂的任意组合运动形式，同时机械手完成物品的夹持、装卸和移位。2）该机器人通过摄像头可以对周围环境实时的监控和采集，该摄像头模块型号是Robot eyes，分辨率为720p、输出的格式MJGEP、内置麦克风且为USB接口。3）无线WIFI模块，将采集到到信息实时传输给远程手机上，该模块型号是Robot-Link V5.0 MT采用双天线传输速度可达到300mbps，驱动摄像头默认30fps；室外传输的距离可达30米，室内20米，保证传输视频的清晰度和流畅度。4）小车自重不超过20KG，最高直线速度20cm/s，控制精度小于5%，可距障碍物15cm时停车。1.4工作原理可远程视频传输的全方位排障机器人的机械结构分为全向底盘与机械手两部分，控制系统也分为上述的两个部分。两块STM32单片机分别为两个部分的主控芯片，两个控制系统之间由WIFI协调控制，手机作为命令的发射端。两块单片机通过对WIFI所发送的命令判断来做出下一步的动作。两块单片相对于WIFI而言是处于并联的关系，此外在整个过程中机器人通过摄像头可以对周围环境实时的监控和采集，并将视频传输到手机上供操作人员了解周围环境从而下达进一步指令。最终两块单片机与视频相结合共同控制了排障机器人的整体运动。图3所示就是规划的控制总体方案框图。图3 控制系统总体方案1.4.1全向底盘本项目全向底盘采用Mecanum轮作为全向轮，Mecanum轮具有承重能力大、与地面摩擦力大、不容易打滑、运动平滑等优点。应用Mecanum轮后车轮的位置相对固定，不需要其它独立的转向机构，通过各个轮子间的相互配合即可实现全向移动。所谓全向移动，就是说机器人小车能在不改变自身位姿的情况下实现任意方向、任意回转曲率半径的平面运动，其基本运动形式包括前后移动、横向侧移和原地旋转（零回转半径）。因为逆雅可比矩阵的秩等于3是实现全向运动的必要条件，所以全向底盘采用的是图4所示的轮子布局方案。本课题设计的全向移动平台为四轮矩形分布的，四个轮子的中心轴都平行于y轴，全向移动平台的速度为，四个轮子的角速度为，L为移动平台的长度的一半，为宽度的一半。由此可得Mecanum轮全向移动平台的正运动学方程： (3.1)Mecanum轮全向移动平台的逆运动学方程为： (3.2)根据式（3.1）可知，给轮子不同的角速度并相互组合就可以实现移动平台在一个平面内的三自由度全方位移动。例如：当时，移动平台的速度为，移动平台将进行前后移动；当时，移动平台的速度为，移动平台将进行左右移动；当时，移动平台的速度为，移动平台将进行原地回转运动。如果已知移动平台的速度，那么就可以根据式（3.2）求出每个轮子的角速度。 图4 全向底盘轮子布局具有代表性的几个方向运动轮子的旋向如图5所示。图5 轮子旋向与底盘行走方向以原地旋转为例，左侧两轮旋转矢量方向向左（轮子向前转），转速大小相等，辊子轴向力与滚动摩擦力方向如图所示，这些力的合力是绕机器人本体中心周的逆时针力偶，故表现为逆时针转动。 1.4.2六自由度机械手本项目机械手预计执行三个动作，分别为下降、抓取物体、放置物体并回原位这三个动作。要实现上述的三个动作就必须预先求出六个舵机执行动作分别需要变化的角度。抓取物体和放置物体通过最后一个舵机即可控制。关键问题是上升和下降过程中相关三个舵机旋转角度的配合。机械爪子的驱动原理主要是一个齿轮与舵机转轴固定，当舵机旋转时带动该齿轮旋转，从而带动从动齿轮旋转，主动齿轮与从动齿轮共同作用使得机械爪子张角变大。齿轮上面是两个摇杆，这样的结构确保了爪子闭合时能够获得较大的夹紧力。连接处应用的是铰制孔螺栓，这样既固定了摇杆又确保了摇杆能够顺利转动。其他连接处采用的是防滑螺丝，确保了机械爪子各部位之间既有间隙又不易脱落。如需要抓取更大宽度的物体可对机械手爪子部分增加张角更大的辅助机械结构。机械手动力系统由六个舵机构成，六个舵机构成了机械手的六个关节，关节转向处采用进口杯式轴承，使得转向更加灵活，确保舵机的转向在同一圆心。这样的机械结构使得机械手具有六个自由度，可在近似半球体空间内将手抓移动到任何一个位置，完成物体的夹持、移位及其放置等任务。机械手的各个动作由六个舵机协同控制完成，机械手具体安装位置如图2所示。从图中可以看出连接的结构主要是铝制的U型架，通过螺丝将U型架与舵机转动轴连接起来。这样当舵机被驱动后，就可带动机械结构一起运动。如果舵机前面旋转轴是固定的，根据作用力与反作用力即可知道舵机驱动后舵机机身就会旋转，进而带动相关的机械结构运动。2研制过程 1）机械部分 四轮Mecanum底盘和多自由度机械手的机械部件通过Pro/E进行建模和装配，分析并推导出了Mecanum四轮优化布局的运动学方程；装配完成了刚性悬架和柔性悬架两种Mecanum轮全向小车，设计过程中避免机械结构存在的干涉问题和不合理结构导致难以加工的问题，然后将三维实体模型导入ADAMS虚拟样机进行运动学、动力学仿真，验证了机械结构的合理性。进一步优化机械结构，提高了项目开发效率。2）控制部分 本项目核心的控制功能是对四轮转速的控制和机械臂的位姿控制，首先将对Mecanum轮运动学和多自由度串联形式的机械臂的运动学进行分析研究，并确定满足系统需求的控制系统方案，随后可以通过MATLAB和ADAMS的联合仿真进行控制算法的编写和调试，通过MATLAB进行了普通直流电机的建模和仿真，编写了基于普通PID算法的编程及调试；并基于STM32高性能单片机设计了Mecanum轮全向小车的整车控制器。最后搭建硬件系统验证控制算法的合理性。2.1虚拟样机设计2.1.1三维建模 (1)Mecanum轮的建模辊子的长度是由Mecannum轮的宽度决定的，我们所选用的轮子的宽度是32mm；由于辊子轴线与轮子轴线成45度角，所以辊子长度L32/sin45mm;再根据结构的情况，辊子长度为30mm建立三维图，如图6所示。图6 辊子的三维图为了保证Mecanum轮在任意时刻都有12辊子与地面接触，我们要通过计算来确定每个轮上辊子的数量。已知参数有：轮子的直径为60mm、辊子的最大直径为12mm、辊子的长度为30mm辊子数量为。由此可取N=8。根据前面的结构分析可以建立Mecanum轮实体模型；如图7所示。图7 Mecanum轮三维图 (2)避震器的建模 避震器的有效长度为100mm，该尺寸是由机器人整体结构所决定的。避震器三维实体模型如 图8所示。图8 避震器三维图 (3)悬臂的建模 图9和图10是悬臂的两个零件，通过三组螺栓螺母的连接构成了悬臂。如图11所示。原本悬臂的结构只有一个零件构成，是一个U型的铝板；但是加工方不能加工这种U型的铝板。最后只能将U型结构拆分成两个L型的零件，通过螺栓螺母连接。图9 悬臂零件1 图10 悬臂零件2图11 悬臂三维图 (4)其它部分模型建模 图12 支撑板 图13 中间板 图14 直流电机 图15 U形梁 图16 舵机支架 图17 舵机 图18 爪子2.1.2基于ADAMS的虚拟样机仿真 如图19所示，将机器人PRO/E三维模型导入ADAMS后并添加约束后的仿真模型及坐标，并对其进行运动仿真根据上述理论分析体系, 可以给4个轮子添加相应的旋转驱动进行运动仿真, 由此不仅可以直观地观察机构不同驱动情况下的运动情况, 而且还可以检查上述理论分析的正确性, 图20,21是仿真得出的一些结果曲线。图19 全向机器人在ADAMS中仿真模型 根据上述理论分析体系, 可以给4个轮子添加相应的旋转驱动进行运动仿真, 由此不仅可以直观地观察机构不同驱动情况下的运动情况, 而且还可以检查上述理论分析的正确性, 图20,21是仿真得出的一些结果曲线。图20 全向机器人直线运动质心位移时间与轮子转速时间曲线图21 全向机器人原地回转质心位移时间曲线通过仿真的结果可以发现,此全方位移动平台可以很好地实现直线以及原地转动等运动, 而且运动效率高,并且由图21可以看出:当系统原地转动时, 系统质心的位移误差在1.5mm以内,这相对于系统250mm250mm的总体尺寸来说误差很小（1.5/250=0.6%）,所以稳定性比较好。图4.17为仿真过程中移动平台运动时质心竖直方向的跳动曲线。通过图22可以发现:系统运动时, 竖直方向最大跳动距离为0.5mm左右,而系统的竖直高度为160mm,相对跳动比为$ = 0.5/160 =0.31。所以系统运动时不会出现明显的颠簸等情况。图22 全向机器人竖直跳动幅度时间曲线2.2实物加工制作可远程视频传输的全方位排障机器人由两部分组成：全向底盘和六自由度机械手，是以可以分别对两部分进行组装最后在装配成一个整体。前面小结我们已经对机器人的整体零件都进行了建模，所以我们在虚拟环境中先进行装配，最后在进行实体零件的装配，这样既省时又不费力。图4.23和图4.24分别是组装后的全向底盘和机械手三维模型。 图23 全向底盘 图24 机械手 2.2.1全向底盘实物组装 以下为全向底盘所需的部分实体零件展示： 图25 悬臂 图26 Mecanum轮 图27 直流电机 图28 避震器 图29 挡板在所需各实体零件准备就绪后，按照搭建的三维模型进行组装得到如图30所示的全向底盘。 图30 全向底盘2.2.2机械手实物组装以下为机械手所需的部分实体零件展示： 图31 U形梁 图32 爪子 图33 舵机在所需各实体零件准备就绪后，按照搭建的三维模型进行组装得到如图34所示的机械手。图34 机械手2.2.3控制系统实物控制板的设计所应用的软件为Altium Designer 09 Summer。显示设计画出所需控制系统原理图在生成PCB图，如图35。 图35 控制系统PCBPCB图生成后，即可加工成实物控制板，如图36,37所示。 图36 控制板正面 图37 控制板反面焊接元器件后即为最终的控制板。 图38 控制板最后将全向底盘，机械手，和控制板安装好，则就是最终的可远程视频传输的全方位排障机器人。 图39 全方位排障机器人2.3控制系统设计2.3.1硬件总体方案设计可远程视频传输的全方位排障机器人的机械结构分为全向底盘与机械手两部分，控制系统也分为上述的两个功能模块，由于舵机在启动时电流比较大，是以为了安全考虑，控制器采用双MCU的设计办法将底盘运动和机械手在控制层进行分割，大大增加了系统的可维护性和稳定性。两块STM32单片机分别作为两个部分主要功能的主控芯片并配有独立的电源，两个模块之间由WIFI模块信号协调控制，基于Android系统的手机程序作为命令的发射端。两块单片是并联的关系，即两个MCU将同时收到WIFI模块发来的控制报文。两块单片机根据报文协议并结合传输的视频图像做出下一步的动作，它们各自实现的功能共同构成了可远程视频传输的全方位排障机器人的整体功能。如图40是小车整体的硬件组成框图。图40 硬件组成框图2.3.2全向底盘控制硬件设计全向底盘控制系统共包括以下几个部分：主控制器模块：主控制器模块主要功能是发出命令，接收并处理命令，是整个控制系统的核心部分。全向底盘所采用的主控芯片型号为STM32F103ZE。电源模块：本控制系统共需要驱动模块的12V、WIFI模块的5V、核心板的3.3V三种电压，因此需要电源转换模块实现电压的转换。电源监测模块：本控制系统是采用锂电池供电，在使用过程电量的减少会影响电机的驱动，所以需要监测电量提示更换电池或充电，以使底盘能一直处于工作状态。WIFI模块：主要作用是给单片机发送命令。命令的载体是WIFI与单片机之间按照一定的通讯协议传输的一组报文。 直流电机及驱动模块：用来驱动直流电机转向和转速。本项目最终采用的是直流电机，因为直流电机比步进电机有更好的运动特性。虽然结构比步进电机复杂，但是闭环调速性较好，动态性能高。速度反馈模块：用来反馈电机转速给主控芯片。全向底盘采用的速度反馈模块为直流电机尾部自带的光电编码器。光电编码器是一种通过光电将几何位移转化成数字量或脉冲的传感器。4.3.3机械手控制硬件设计机械手控制系统共包括以下几个部分：主控制器模块：主控制器模块主要功能是发出命令，接收并处理命令，是整个控制系统的核心部分。全向底盘所采用的主控芯片型号为STM32F103ZE。电源模块：本控制系统共需要驱动模块的5V、核心板的3.3V两种电压，因此需要电源转换模块实现电压的转换。电源监测模块：本控制系统是采用锂电池供电，在使用过程电量的减少会影响电机的驱动，所以需要监测电量提示更换电池或充电，以使底盘能一直处于工作状态。WIFI模块：主要作用是给单片机发送命令。命令的载体是WIFI与单片机之间按照一定的通讯协议传输的一组报文。舵机驱动模块：本项目机械手选用舵机作为驱动电机，应用舵机作为关节能够实现比较精确的角度控制，并且适用于角度不断变化且能够保持的控制系统。为了确保整个系统的稳定性，共选用了两种类型的舵机：MG996R金属舵机与DS3115数字舵机。2.4软件总体方案设计可远程视频传输的全方位排障机器人采用的编程工具是Keil uVision5。该软件是一个集成的环境，它整合了各种微处理器的源代码和调试程序，可以应用串口、J-link或ST-link进行程序的烧写。该软件支持在线调试程序，方便编写过程中对程序的调试。全向底盘主要负责机器人整体的移动工作，主要是实现对四个Mecanum轮子的闭环控制。软件程序中涉及到PWM调速、四轮协同控制、PID控制算法、串口通讯等。机械手部分的程序实现的功能就是机械手能够在预定命令的遥控下实现物体的抓取、放置等功能。图41为软件总体的功能模块。图41 软件功能模块2.4.1全向底盘控制软件设计 全向底盘软件主要包括以下几个方面：PWM速度控制程序、运动学相关程序、PID闭环控制程序、串口程序。其中较为重要的两个程序为：PWM速度控制程序和PID闭环控制程序。当前控制软件PWM编程模块中还包含了定时器捕获相关程序，即对光电编码器反馈回来的脉冲频率进行采集。本控制程序中应用定时器四、定时器一、定时器二和定时器五分别对四个轮子的光电编码器反馈信号进行采集。本控制系统中有四路输出信号，因此需要做四路PID闭环控制。PID闭环控制的实现主要是通过TIM6来实现的。在使用PID进行处理之前需要对定时器6的采样周期进行设定，应用函数PIDperiodinit(40,36000-1);确定了PID的采样周期为20ms。2.4.2机械手控制系统软件设计在本项目中，机械手所要做的工作就是完成将手爪下降一定高度、抓取目标物体、放置目标物体三个动作。实现的具体方式就是协同控制机械手的六个关节，即对六个舵机的角度进行协同控制。在具体编程中主要涉及到了PWM控制角度程序、插补程序、串口程序等。 在本程序中，各个舵机的角度应用矩阵的形式编排在一起，每一行代表机械手的一个位置。矩阵共7列，第一列是舵机旋转的速度值，第二列到第七列就是编号到六个舵机的角度所处的值。本控制系统中应用的是串口中断，当接收到字符串之后就会响应中断来查看接收到的字符串是否是当前系统的命令。在试验过后选用JZF三个字母分别控制机械手的下降、抓取与放置三个动作。 2.5系统的调试与评估首先需要进行的调试为硬件调试。硬件电路板设计打样好后，需要自己动手进行元器件的焊接，检测硬件电路板问题用的主要工具就是万用表，它可以检测各个连接点之间是否通路，检测各个点的点位来判断是否连接正常。硬件调试结束后是比硬件更加耗时的软件调试。软件大部分由代码组成，代码编写过程中需要不断的调试，以达到预期功能。本项目参数的整定首先应用Matlab软件进行仿真，求出各个参数的大概范围。然后利用单片机D/A转换功能，将电机的转速信号以成比例的电压信号显示到示波器上后应用资料中的参数调节经验来对参数进行微调直至曲线达到理想效果。舵机的转角以理论值为依据进行实体的调试，在调试舵机的角度中，本项目应用到了专用的32路舵机控制器，它配备有专门的电脑软件，能够实时的对舵机角度进行调整并且具有动作记忆功能，可以一起调试一个动作组。机械手的下降高度（舵机角度）调整。需要不断调整程序中编写的各个舵机旋转的角度，直到机械手臂能顺利的抓取目标物体。图42所示即为机械手抓取高度调试现场。通过测量机械手抓取点距离目标物体的高度，经过计算后修改程序中的舵机转角。图42 机械手抓取高度调试现场3创新性展示 1）通过三维建模仿真进行设计分析。直流电机用MATLAB进行控制算法的仿真，ADAMS建立机器人虚拟样机并进行运动学、动力学仿真，而基于ADAMS+MATLAB的联合仿真可用于整体样机的优化和性能评价。设计过程中先从三维建模仿真出发，后对事物进行设计调试，先虚后实，减少了设计时间，降低了人力物力，设计过程更为合理化。2）机械本体结构的创新设计。本项目设计了四轮Mecanum全向移动底盘，和传统的轮式或履带式搬运设备相比，在运动灵活性、移动平稳性方面得到大幅度提升，适合狭小空间进行搬运作业。同时在底盘上配有四个减震器，以保证在形式过程中机器人小车整体的稳定性。为兼顾小车整体的重心移机械手运动空间的空余，在底盘上方的合理位置设计安装了六自由度机械手，运动更加灵活，具有更高工作效率。 3）信息的采集+无线WIFI传输+上位机的显示。通过摄像头对周围环境的信息采集，并无线传输给终端，可以在手机上显示，做到对作业环境的实时了解，与串口通讯、蓝牙通讯相比，在传输的距离、速度、可靠性、灵活性上有了很大的提高。4）具有自主知识产权的双MCU控制系统的设计。本次设计的控制系统使用STM32单片机，用两块单片机分别对小车底盘和机械臂的控制，两块单片机之间通过串口通信。机器人小车可以自由实现移动，图像的采集和传输、机械手对物体装卸、夹持和移位等功能；另外通过红外传感器在检测到障碍物机器人会自动减速避障，即实现机器人小车的行走+图像采集+机械手的工位+避障功能。该控制系统的软、硬件设计全部自主完成，即具有完全的自主知识产权。4应用前景1）在企业应用领域，全向探索型机器人可以对工厂工作环境的