资源目录
压缩包内文档预览：(预览前20页/共92页)
编号：209817494
类型：共享资源
大小：13.37MB
格式：ZIP
上传时间：2022-04-27
上传人：机械设计Q****6154...
认证信息
个人认证
陈**（实名认证）
上海
IP属地：上海
100
积分
- 关 键 词：
-
移动
机器人
设计
- 资源描述：
-
移动机器人设计,移动,机器人,设计
- 内容简介：
-
移动机器人设计摘要油液监测实验是故障诊断的过程中十分重要的方式之一，其检测结果对预测判断机械故障，查明故障原因等有着十分重要的作用。但油液监测实验用到大量四氯乙烯，危害实验人员身体健康。随着机器人产业不断发展，低成本的小型移动机械臂，因其具有灵活度高，操作简单等优势，越来越多的被应用于各种场合。本课题设计一套基于移动机器人的油样检测送样系统，可以取代实验人员，全自动完成油液的注液、分瓶、稀释工作，并准确送达实验仪器。移动机械臂兼具移动功能和操作执行能力，与油液旋转平台配合，完成抓取，并自主导航运输到指定位置。本设计分别对机械臂、移动机器人、油液旋转平台进行了设计，秉持着节约、高效的原则，将机械臂设计为四自由度机械臂，末端执行器可根据使用需求自由更换。移动机器人采用 PWM 调速、差速驱动，二维码结合光学引导的导航方式十分经济，同时包含避障，自主转弯，识别站点。油液旋转平台由同步带轮驱动， 条形码定位试剂瓶，注液模块为气压驱动的微量泵注液。控制方面均采用 STM32 单片机为主控模块，两设备的 MCU 和 PC 端，即三方之间均可通过 WIFI 通讯。通过控制流程编程，即可实现油液检测送样系统的全自动工作。关键词：油液监测实验；自动送样系统；移动机械臂；二维码导航IIAbstractThe oil monitoring experiment is one of the very important methods in the process of fault diagnosis, and its test results play a very important role in predicting and judging mechanical faults and identifying the cause of the fault. However, a large amount of tetrachloroethylene was used in the oil monitoring experiment, which endangered the health of the experimenters. With the continuous development of the robot industry, low-cost small mobile manipulators are more and more used in various occasions because of their advantages such as high flexibility and simple operation. This subject designs a set of mobile robot-based oil sample detection and delivery system, which can replace the experimental staff, complete the oil injection, bottle splitting, and dilution work automatically, and accurately deliver the experimental instrument. The mobile manipulator has both mobile functions and operation execution capabilities. It cooperates with the oil rotating platform to complete the grab, and autonomously navigates and transports to the designated location.This design separately designs the mechanical arm, mobile robot, and oil rotating platform. Adhering to the principle of saving and high efficiency, the mechanical arm is designed as a four-degree-of-freedom mechanical arm, and the end effector can be freely replaced according to the use requirements. The mobile robot adopts PWM speed regulation and differential speed drive. The two-dimensional code combined with optically guided navigation is very economical. It also includes obstacle avoidance, autonomous turning, and station identification. The oil liquid rotating platform is driven by a synchronous belt wheel, the reagent bottle is positioned by a barcode, and the liquid injection module is a micropump driven liquid injection driven by air pressure. The control aspect adopts STM32 single-chip microcomputer as the main control module, and the MCU and PC terminals of the two devices, that is, the three parties can communicate through WIFI. Through the control process programming, the fully automatic operation of the oil detection and sample delivery system can be realized.Keywords: oil monitoring experiment; automatic sample delivery system; mobile manipulator; QR code navigationII目录摘要I1 绪论5 选题背景1 国内外研究现状2 选题意义3 设计内容32 总体方案设计5 机械臂总体设计方案5 油液实验室移动机器人总体设计方案7 移动机械臂电控系统总体设计方案8 油液旋转平台总体设计方案13 总体方案设计14 本章小结153 四自由度机械臂设计16 四自由度机械臂运动学分析16 四自由度机械臂结构设计25 四自由度机械臂电机选型28 机械臂重要部件校核31 四自由度机械臂三维图35 本章小结364 移动机器人设计37 移动机器人运动学分析37 移动机器人动力学分析41 电机选型和转向驱动设计42 移动机器人车体设计44 移动机器人主要零件校核45 本章小结485 移动机械臂电控系统设计49 电控系统总体设计49 单片机主控模块50III 直流电机驱动模块52 移动机械臂行走测速模块54 光学导引模块54 移动机器人行走避障模块56 二维码导航识别模块58 WIFI 多方通讯模块61 末端夹持压力传感模块62 本章小结636 油液旋转平台设计64 油液旋转平台结构设计64 油液旋转平台电控设计70 油液旋转平台三维模型73 本章小结747 整体系统相关指标分析75 技术指标分析75 经济指标分析75 环保指标分析758 总结77参考文献78翻译部分80IVContentsAbstractI1 Introduction5 Background1 Research Status at Home and Abroad2 Significance3 Design Content32 Overall Design5 Overall Design of the Robot Arm5 Overall Design of Mobile Robot in Oil Laboratory7 Overall Design of Mobile Robotic Arm Electric Control System8 Overall Design of Oil Rotating Platform13 Overall Design14 Summary153 Four-Degrees-of-Freedom Manipulator Design16 Kinematics Analysis Of Four-degree-of-freedom Manipulator16 Four-degree-of-freedom Mechanical Arm Structure Design25 Motor Selection28 Verification of Manipulator31 3D Illustration of Robotic Arm35 Summary364 Kinematics Analysis of Mobile Robots37 Kinematics Analysis of Mobile Robots37 Mobile Robot Dynamics Analysis41 Motor Selection and Steering Drive Design42 Mobile Robot Body Design44 Verification of Mobile Robots45 Summary485 Design of Electric Control System49 Overall Design of Electronic Control System49 Main Control Module50V DC Motor Drive Module52 Speed Measuring Module54 Optical Guidance Module54 Obstacle Avoidance Module56 QR Code Navigation Module58 WIFI Communication61 Pressure Sensing62 Summary636 Design of Oil Rotating Platform64 Structure Design64 Electric Control Design70 Three-dimensional Model73 Summary747 Analysis of Related Indexes of the System75 Technical Index75 Economic Index75 Environmental Protection Index758 Summary77Reference78VI1 绪论1 绪论21 Introduction 选题背景（Background）机器人产业的快速发展，使其使用领域不断拓宽。移动机器人已经广泛应用于物流搬运工作1，机械臂在流水线生产等工作中发挥作用。随着机器人应用领域的不断扩展，对机器人的灵活性和功能多样性提出了新的要求。新型移动机械臂系统，既有移动平台的运动性能又有机械臂的执行功能，具有灵活度高、适应性广的特点2，有着广泛的应用前景。油液监测技术伴随着现代工业的不断发展产生，零部件的磨损是机械设备中最常见最主要的失效形式。润滑油加入摩擦的零件表面可减少摩擦能量消耗和磨损材料消耗，起着润滑冷却、清洗和防腐的作用。润滑油中携带的磨损颗粒和去本身状态反映着机器运行状态，对预测和检测机器故障有重大意义3。图 1-1 油液监测系统指标Figure 1-1 Indicators of oil monitoring system油液检测实验室对油品的理化指标或受污染的程度，以及磨损微粒进行监测分析，通过各项试验指标，定性或者定量地对设备的磨损情况及工作状态进行分析，对该设备工作状况评估并预测其故障。甚至借助一些参考样本和特殊仪器， 也可以确定工程设备的故障部位、故障原因和类型4-5。现在的实验人员手动操作的油液分析实验室存在如下问题：实验项目繁多， 操作重复度高，操作人员工作枯燥。油液分析稀释液（四氯乙烯）挥发，对长 期暴露于高浓度环境下的实验人员身体有害。因此用移动机械臂系统和油液自动 进样系统，取代实验室操作人员，符合自动化、高效率的“智慧”实验室的主流 发展方向。9 国内外研究现状（Research Status at Home and Abroad）进样检测系统的主要功能体现在可以自动完成被测试样品的进给和检测过程，以代替人工的操作6-7。目前实验自动化的尝试领域主要在生物医学检测领域，检测样本量大，要求检测速度快，因此多采用自动化流水线。西门子公司开发的生化/免疫自动化流水线获得了良好的临床使用效果8。但开发实验室流水线仪器和维护成本高，不同厂家模块化设备不便于实验设备更新迭代，且规划缺陷可能导致仪器不能完全自动化，维修复杂困难9。针对油样的自动化送样，斯派超公司设计的为 LaserNet 200 分析仪配置的全自动进行样系统（ASP）。在一个旋转的样品托盘中可同时保存 24 个样品，并在每次测量前可自动搅拌样品瓶，使样品均匀分布。在每次检测之后会自动清洗和冲洗搅拌桨和样品管。但是试剂瓶仍然需要人工取出并定期整理试剂瓶等。图 1-2 斯派超全自动进行样系统Figure 1-2 Spectro ultra-automatic sampling system移动机器人和机械臂的研究都始于 20 世纪 60 年代，进入 20 世纪 90 年代， 移动机器人与机械臂的组合开始更广阔的用于实际领域。2003 年美国“勇气” 号火星探测车就是一个具有手臂的移动机器人10。近年来各大机器人企业推出了更加灵活自主的移动机械臂系统11。KUKA 机器人 KMR iiwa 自主型机器人借助激光扫描器实现完全自主导航12；发那科公司将其生产的特色协作机器人，搭载在 AGV 小车上，实现在仓库内对制定物品的准确抓取和搬运；大族单手臂移动机器人采用磁带与激光 SLAM13，结合现场环境选择性地使用导航方式，并实现零部件0.5mm 的抓放。图 1-3 大族单手臂移动机器人Figure 1-3 Hanzu single-arm mobile robot尽管自动机械臂在电子、机加工车间的使用越来越普遍，但是，对于实验室这种活动范围小，要求成本低，且目前自动化程度不高的场合，仍然使用较少14。 选题意义（Significance）由于油液分析实验对于检测仪器、定性分析图像清晰度、定量分析结果准确度等方面的要求还是需要多台实验仪器配合工作。并且因此对于监测样本量不太大，仪器不便于整合的油液检测实验室，为了满足自动化实验室高效、智能的特点，为自动化监测机器配套自主搬运机器人可以大大提高油液分析实验效率，实现智能化测试报告。采用机器人搬运的方法对油样进行检测设备间的搬运工作， 并设计一种基于气压输送的、避免磨粒压损破坏的微量泵旋转送样平台，适应油液监测的使用，保证油液试验检测有效性。配合油液旋转送样平台，同时设计一款低成本的、结合移动机器人移动能力和机械臂执行能力的移动机械臂系统。为了实现低成本机器人的实用度，机械臂本体和移动机器人为可拆分连接，如需单独使用机械臂，拆下机械臂更换电源即作为固定机械臂使用，且机械臂臂身载重量可达到 10kg。同样末端执行器也是可更换结构，当需要时可以更换为吸盘或码垛机械手等。移动机器人也可单独执行搬运任务，实现了一机多用，保证设计的经济实用性。本设计在解决了机器代替人力的同时，设计了“柔性”的实验室检测设备， 实验室自动化将不再局限于设备是否兼容，自主运输可以使其他实验设备物尽其用，减少了实验室重新布局的复杂程度。对于未来实验室的发展具有重要意义15。 设计内容（Design Content）本课题设计内容主要包括机械臂模块、移动机器人模块、电控设计模块和油液旋转平台设计模块。本文主要研究内容如下：（1）第一章主要介绍了基于移动机器人的油样检测送样系统设计的选题背景，以及国内外研究现状，分析了该设计在实际使用中的价值和意义。（2）第二章内容是总体方案设计，按照四个模块分别展开，介绍了四自由度平行四边形机械臂的设计思路；油液实验室搬运移动机器人的驱动方式和结构设计思路；油液实验室移动机械臂整体的电路系统控制设计方案 和油液旋转平台的功能设计。（3）第三章进行了机械臂设计，对机械臂运用 D-H 参数法建模，进行正运动、逆运动分析；并对机械臂进行轨迹规划。根据机械臂的性能要求进行结构设计；选择相应伺服电机型号。用 SolidWorks 绘制三维模型图，对大臂、小臂和底座在 SolidWorks simulation 中进行应力应变仿真，校核其强度和变形。（4）第四章进行了移动机器人设计，先对其进行运动学分析，移动机器人采用两轮差速，主动轮分别由两个直流电机控制。根据传感器的布置，计算相应位置传感器监测到色带标识时，两只主动轮分别应到达的转速。对移动机器人进行动力学分析，计算其阻力，选择合适电机，并对底盘上放置的其他装置，进行选型和定位。对关键部件驱动轮轴和驱动轮轴承座进行校核。（5）第五章进行了移动机械臂的电控部分设计，选择移动机械臂的主控制芯片，设计控制电机速度的 PWM 调速电路。对红外线传感器、超声避障传感器、二维码识别摄像头、霍尔测速传感器、WiFi 通讯模块、压力传感器进行选型， 并分别设计相关电路。根据工作流程绘制程序控制流程图。（6）第六章进行了油液旋转平台设计，平台采用气压驱动，用微量泵和涡旋混匀仪实现油液注液、分瓶、稀释的一体化工作。设计旋转平台的传动装置， 选用同步带和同步带轮，配合滑块滑轨组合运输油样试剂瓶。对易损坏的同步带和滚轮进行校核。选用合适的芯片对旋转平台进行控制，选用合适的微量泵注液和软管输液，并通过位置传感器、条形码识别保证试剂瓶准确到达输液口停下。（7）第七章进行了整个系统设计的技术分析，从技术性能、经济指标、环保要求方面对设计进行了具体的分析。2 总体方案设计22 总体方案设计7 Overall Design 机械臂总体设计方案（Overall Design of the Robot Arm）本课题机械臂设计考虑油液机器人实验室实际操作使用中，机械臂部分只需要执行伸出机械臂-夹住试管-上移取出试管-收回机械臂的过程，放置试管时机械臂是其相反动作，因此该机械臂设计为四自由度机械臂。下图为机械臂机构简图， 可将机械臂设计分为手部、手部关节、小臂、肘关节、大臂、肩关节、腰部（转台）16。如图 2-1 所示，为平行四边形机机械臂机构简图。图 2-1 平行四边形机械臂结构简图Figure 2-1 Sketch of the structure of a parallelogram mechanical arm（1）运动学分析：本课题根据场景设置相应参数，利用数学工具软件，通过 D-H 参数法，对平行四边形机械臂建模,对平行四边形机械臂的在三维空间中， 进行正运动学和逆运动学分析，以探求平行四边形机械臂在空间中的运动规律是否满足设计需求。最后根据 MATLAB 算法库，设计恰当的算法对机械臂的轨迹进行规划与仿真。（2）机械臂结构设计：根据运动学分析结果、使用功能、位置精度、载荷应力分布情况和整体结构材料的选择原则，对机械臂进行结构设计和选材。常见的机械臂坐标形式有圆柱坐标型、极坐标等17。现代化工业生产中，经常使用多关节型结构。多关节机器人是一种用关节串联多个连杆的机械臂串联结构。因为多关节机器人灵活的操作和轻便的结构，选择其作为本设计的基本构型。本油液实验室机械臂根据使用情况，设计为四个自由度，包括机器人腰部的回转， 机械臂肩部的俯仰，机械臂肘部的俯仰，机械手腕部的俯仰。平行四边形机械手具有结构简单、速度快、性能高等优点，广泛用于搬运、点焊等众多领域18。在实际的工业生产、自动化运输等方面发挥了极大作用19。为了进一步提高平行四边形机构机械手的运动性能，在机械手的设计阶段对其进行动力学建模、分析、优化是十分必要的。平行四边形机械手由于具有平行四边形机构的特点，建立运动学模型时，不再需要复杂的坐标变换的过程。因此本机械臂采用平行四边形机械手设计方案。由给定设计参数，机械臂额定负载 10kg，参考实际使用场景为油液分析实验，并且参考市场上已经投入生产使用的同种类机械臂（KUKA KR AGILUS 系列机器人 KR10 R1100-2），在此对机械臂臂长以及各组成部分尺寸分布做出如下初步估算。表 2-1 为机械臂初步设计参数。表 2-1 机械臂初步设计参数Table 2-1 Preliminary design parameters of the manipulator最长展臂长负载度/mm腰部（高度）/mm大臂/mm小臂/mm手部/mm10kg110040056051590由于所设计的机械手为平行四边形机械手，大臂与小臂不能完全伸展开，设大臂末端达到最高点时，与竖直方向所成夹角为 0，即完全成竖直状态，而取小臂此时与水平方向的夹角最大为 30，即与竖直方向成 60，忽略末端执行器的位姿，此即为机械手末端所能达到的工作空间最高点时的位姿，同样，设小臂末端达到最远点时，与水平方向所成夹角为 0，即完全成水平状态，而取大臂此时与竖直方向的夹角最大为 70，即与水平成 20，忽略末端执行器的位姿， 此即为机械手末端所能达到的工作空间最远点时的位姿。当机械手处于工作空间最高点的位姿时，其所能达到的空间高度为：Hmth = 560 + 515 x sn0= 817.5mm当机械手处于工作空间最远点的位姿时，其所能达到的空间长度为：Lmth = 560 sn70+ 515 = 101mm（3）电机选型：本课题中，机械臂由三个电机控制运动，腰部电机控制整个机械臂的回转，肩部两电机根据平行四边形机械臂设计的原则，分别控制大臂和小臂的运动。根据载荷计算对机械臂电机进行选型。对末端夹持器的开合和俯仰进行舵机的选型。 油液实验室移动机器人总体设计方案（Overall Design of Mobile Robot in Oil Laboratory）移动机器人主要包括车体、转向-驱动总成、传感-控制设计。由于传感-控制设计涉及整个移动机械臂电路设计、控制逻辑、算法编写，因此本文单独在第 5 章进行说明和设计。本部分主要对移动机器人的机械结构进行分析对比。 油液实验室移动机器人车体总体设计油液实验室移动机器人的车体由车架、底盘和相应机械部分组成。其中移动机器人的底盘上安装有车轮、电机、减速器等重要机构20。移动机器人本体材料的选型应当考虑轻便型、稳定性、强度等因素。因此选 择铝合金作为移动机器人本体材料。根据移动机器人载重和机械臂部分尺寸要求， 应当尽量降低移动机械臂的整体的重心，提高移动机械臂整机抗倾翻能力。表2-2 为移动机器人初步设计参数。表 2-2 移动机器人初步设计参数Table 2-2 Preliminary design parameters of mobile robot考虑移动机械臂整体稳定性，移动机器人采用六轮结构，中部一对为驱动轮。移动机器人主动轮材质选用为铸铁橡胶面。橡胶材质对于瓷砖地面附着系数较大， 有良好的防滑功能。车底盘四个角上，分别布置了带弹簧的自减震万向轮，有效 保证运行平稳性与安全性。 油液实验室移动机器人驱动/转向总体设计（1）驱动电机选择：驱动移动机器人运行并具有速度控制和制动能力的子系统主要包括电机、减速器、驱动器、控制与驱动电路等。驱动电机的选择依据如表 2-3 所示。表 2-3 移动机器人电机选型及对比Table 2-3 Selection and comparison of mobile robot motors上表对比了常用的移动机器人电机类型，本设计的移动机器人在室内油液实验室中使用，对精度要求不太高，可以选择直流电机，节约成本，亦能满足转矩需求。（2）驱动方式选择：舵轮驱动转向：在小车前段设置舵轮，舵轮的角度的调整可以使移动机器人改变方向，实现变道或者转弯等动作；但舵轮对方向控制能力有限，不利于整机运行平稳。两轮差速转向：通过车两侧同轴的一对主动轮之前的速度差，启动移动机器人车身的整体旋转。量主动轮相互独立，并且两轮的速度差越大，移动机器人整体的旋转角度越大21。本移动机器人搭载机械臂在实验室内使用，运动空间小，速度低，要实现转弯，掉头等基本动作，地面平坦。因此，采用两轮独立驱动差速转向的驱动方式更为合适，在实验室试验台之间的过道里可以较为自由且稳定的转向，最大程度上保证了油液试剂瓶的平稳搬运。 移动机械臂电控系统总体设计方案（Overall Design of Mobile Robotic Arm Electric Control System） 导航总体方案设计移动机械臂室内导航的方式有很多种22，不同方案各有优缺点，在不同场合选择不同的导航方式可以有效降低成本，避免功能浪费，提高使用效果。各种导航方式特点概括如表 2-4 所示。表 2-4 导航方法特点概述Table 2-4 Overview of navigation method features由于实验室为室内环境，地面平坦，障碍物位置明确且固定；实验室仪器摆放位置较为固定且不常变动，在实验流程上也有很强的规律性。二维码导航制造成本低，灵活度高，非常适合在实验室内使用，因此采用二维码导航方式23。采用预定路径导航，预设引导路径采用光学色带引导，配合红外传感器光电导航。最大程度上实现功能，并降低了成本。 移动机械臂主控系统移动机机械臂主控单元主要有单片机控制和 PLC 控制两种选择。表 2-5 为单片机和 PLC 控制的对比。表 2-5 移动机械臂主控系统选型方案对比Table 2-5 Comparison of the selection schemes of the main control system of the mobile manipulator从上表可知，对于油液实验室使用的小型低成本移动机械臂，单片机功能足够且方便维护人员编程修改，有利于降低成本。 光学传感器排布在本设计中的光学传感器采用最为常见的红外传感器。具有价格低廉，使用方便、结构简单的优点。红外线接收-反射传感器监测色带信息，对于移动机械臂来说，对色带的判断位点越多、小车行驶的轨迹就越精确。但过多的色带监测位点，可能导致信息干扰，同时增大判断算法的运算量，影响反应速度。表 2-6 移动机器人光学传感器排布方式Table 2-6 Arrangement of mobile robot optical sensors本移动机器人在车体前端排布传感器如图 2-2 所示。油液实验室移动机器人依靠 7 个红外反射传感器检测色带，根据传感器检测范围，设置色带宽度 6 厘米。利用传感器射线延长线夹角，可计算转弯半径与偏移角度之间的关系，对油液搬运移动机器人实现精确控制。20图 2-2 光学传感器布局示意图Figure 2-2 Schematic diagram of optical sensor layout 油液实验室移动机器人避障移动机器人在油液实验室搬运过程中，可能碰到障碍物或者实验人员从其周围经过。如装载油液试剂瓶，很容易由于误撞或者晃动而油液倾翻。因此要在车上设计安全避障装置，除了触碰缓冲保护作为车载的机械保护，地面防追撞区段保护、障碍物探知保护，以传感器形式实现。表 2-7 为常用避障传感器的性能对比。表 2-7 避障传感器特点对比Table 2-7 Comparison of characteristics of obstacle avoidance sensors综合考虑实用性和性价比，由于对室内人员活动和玻璃容器的保护，不适用红外线传感器。因此选择超声波测距传感器。超声波传感器发射的超声波如果遇到障碍物（包括玻璃镜子等透明材质）就会反射到接收器，接收器将信号处理后发送给单片机，通过接收自身发射的超声波反射信号，根据超声波发出及回波接收时间差及传播速度，计算出与物体之间的距离。油液实验室搬运机器人在机身承载部分的四个侧面各安装 2 个超声波传感器，并设定安全距离为 1 米。图 2-3 超声波传感器Figure 2-3 Ultrasonic sensor 移动机器人站点识别由于小车要将油液样品送往不同试验台，因此小车必须能够准确到达试验台前的位置停止。因此需要站点识别进行辅助，站点识别方式对比如表 2-8 所示：表 2-8 移动机器人站点识别方式对比Table 2-8 Comparison of mobile robot site recognition methods在实验室内，二维码标签实现了低成本易更换，便于维护的优势，且实验室环境下，二维码标签损坏率低。因此采用二维码标签作为站点识别。 移动机器人通讯模块本设计中要求油液旋转平台和移动机械臂都能接收到 PC 端的指令，并且在自动运行模式下，两设备之间也可以相互通讯。表 2-9 为通讯方式对比结果：表 2-9 通讯方案对比Table 2-9 Comparison of communication solutions对比上述三种通讯方式，WIFI 无线遥控是目前最经常使用的无线通讯方式, 适合在同一局域网下，多设备通讯。利用 stm32 单片机可直接连接 WIFI 模块收发信号，适应性强，操作便捷。因此采用 WIFI 无线遥控方式。 电池选择市面上设计上常用电池电源是锂电池。锂电池最为突出的优点是较为环保， 并且工作性能稳定、电容量高、寿命长、质量轻，因此是现在的主流电源。因此，本油液实验室移动机械臂选择锂电池作为电源。锂电池额定电压 24V， 额定容量 100AH，质量 26kg。7.1 油液旋转平台总体设计方案（Overall Design of Oil Rotating Platform） 油液旋转平台总体方案概述油液旋转平台主要作用向试管中加注混合均匀的待测油液，使磨粒在油液中均匀分布，可以用于下一步的油液分析检测实验。油液旋转平台的组成部分主要有：（1）注液混匀模块（2）传动模块（3）载物装置模块。注液混匀模块由微量泵将油液注入混匀器；涡旋混匀器混匀油液磨粒后，微量泵再将其注入旋转平台的试管（试剂瓶）中。传动模块通过同步带的运动将注液完成的试管带离注液位置，并将下一个试管送到注液工位。载物装置模块是使试管的载物台，同时稳定且可滑动的连接同步带，保证试管安全且准确到达位置。根据实验室对油液旋转平台尺寸规格需求，本设计中，初步设定旋转平台的尺寸为 1000mm520mm500mm（长宽高）。 油液旋转平台注液方案总体设计方案 1：微量泵直接对油液进行泵取。油液直接被微量泵泵取，经过蠕动泵泵头凸块挤压，磨粒很可能被碾压抛光以至于失效，在铁谱分析时，造成对机器情况的误判。方案 2：气压式输送。微量泵首先向密封的存放油液装置输送空气，随着气压装置中压力的逐渐增大，迫使油液从气压装置下部输油口流出，实现了油液的气压式输送。使得油液中的磨粒保持原始状态而不在微量泵输送中被破坏。因此气压式输送更符合本设计的要求，更能保证油样的检测准确性。 油液旋转平台传动设计本设计中，试管或油样试剂瓶要在旋转平台内循环转动输送，因此选用环形导轨进行传送。环形传送的驱动形式多种多样，具体分析如表 2-10 所示。表 2-10 环形导轨系统驱动方式对比Table 2-10 Comparison of driving methods of ring rail system本设计中运载物为试管，载重轻，要求运行速度低求平稳，并在可能的情况下尽量降低成本，因此选用同步带形式的驱动系统。6.2 总体方案设计（Overall Design）根据上述设计过程进行分析，基于移动机器人的油样检测送样系统由油液旋转平台模块、机械臂模块、移动机器人模块、移动机械臂控制模块组成。图 2-4 基于移动机器人的油样检测送样系统结构框图Figure 2-4 Block diagram of oil sample detection and delivery system based on mobile robot6.3 本章小结（Summary）本章介绍了基于移动机器人的油样检测送样系统的总体方案设计。按照机械臂模块、移动机器人模块、移动机械臂控制系统模块和油液旋转平台四个模块分别展开。介绍了四自由度机械臂的设计思路；分析选择了移动机器人的驱动方式为差速驱动，并进行了结构设计与分析；对移动机械臂整体的电路控制方案进行设计在导航方式、通讯、导引方式上进行了比较选择；进行了油液旋转平台的油液注液，旋转驱动和控制系统进行了比较与分析。各个模块的详细设计在第 36 章具体分析。3 四自由度机械臂设计7 四自由度机械臂设计6 Four-Degrees-of-Freedom Manipulator Design6.1 四自由度机械臂运动学分析（Kinematics Analysis Of Four-degree-of-freedom Manipulator）对设计串联机械臂而言，对机构进行运动学分析，可以使每个连杆以不同的角度进行组合，使末端执行器到达所需的位置和姿态24。正运动学和逆运动学问题是机械臂运动分析的两大类问题: (1)正运动学问题：在已知组成机械臂的各个连杆的几何参数与矢量夹角的情况下，可计算机械臂末端的位姿，是运动学正问题。(2)逆运动学问题：相反，对于该机械臂如果知道连杆的几何参数，用末端的相对位姿参数反算杆件的夹角。图 3-1 机械臂正、逆运动问题关系框图Figure 3-1 Block diagram of the relationship between the forward and reverse motion of the robot armD-H 参数法25和螺旋理论法26是现阶段机械臂建模的常用方法。对于并联机器人，或者自由度大于 6 的机械臂，螺旋理论法通常适用。D-H 参数法在运用上很成熟，而螺旋理论法没有一套标准化的公式及方法，运算起来较为困难。本设计中用 D-H 参数法对四自由度平行四边形机械臂建模。下面是用 D-H 参数法建立机械臂模型的过程。(1)D-H 坐标系的建立方法建立 D-H 坐标系，一个建系单元通常是由一个连杆及其相连的关节组成的， 即将右手坐标系建立在每一个连杆及相连的关节上。坐标系的原点通常建立在机械臂的关节上。关节轴线所在的直线视为 Z 轴。Xi 轴为 Zi 轴和 Zi-1 轴的公共垂线方向。Y 轴根据 X、Z 轴方向，由右手定则确定。首先，在机械臂的基础上建立基础坐标系O。机械手的正向为 X 的正方向， 垂直于纸面为 Y 轴的正方向，垂直向上为 Z 轴的正方向。按照上述方法，可以依次建立坐标系O1、O2、O3、O4。平行四边形机械臂的 D-H 坐标系如图 3-2 所示。图 3-2 中，U符号含义为垂直纸面朝外方向。图 3-2 平行四边形机械臂 D-H 坐标系Figure 3-2 Parallelogram robot arm D-H coordinate system（2）D-H 参数的确定建立坐标系后，需要确定 D-H 参数。连杆扭角（twist angle）、连杆长度（link length）、连杆转角（link angle）、连杆偏移量（joint offset）是用于 D-H 建系的参数。表 3-1 中，为 D-H 参数的含义解释。表 3-1 机械臂 D-H 参数表Table 3-1 Robot arm D-H parameter table按照上述的参数含义，可以建立平行四边形机械臂的 D-H 参数表。本设计中，平行四边形机械臂都是旋转关节，因此连杆偏移 d 都为 0。根据上述方法继续确定其他参数。平行四边形机械臂的 D-H 参数如表 3-2 所示：表 3-2 平行四边形机械臂连杆与关节参数Table 3-2 Parallelogram mechanical arm connecting rod and joint parameters机械臂的运动常常是复合运动，因此相邻坐标洗的变换可能为平移加旋转的复合变换。假设存在两个相邻的笛卡尔坐标系 i 和 i+l，二者通过齐次变换矩阵Ti，可相互变换。根据坐标系建立过程中的分析可得到齐次变换矩阵 Ti：T = R(,0)(0,0,)(t,0,0)R(h,a)（3-1）(4)机械臂末端变换矩阵的建立在四自由度机械臂设计中，设参考坐标系为原始坐标系，平行四边形机械臂末端的位姿变换矩阵，就是把从参考坐标系到末端位姿坐标系之间所有变换矩阵的相乘得到的坐标变换矩阵。Tn0 = T1T2TTn（3-2）6.1.1 正运动分析根据 D-H 参数表求解出各个连杆的变换矩阵 Ti（i=1，2，3，4）。T =c0 s0 s0ca1 c0ca1 s0ca1 c0sa1 0 00a1 sa1 sa1 csa1ca101（3-3）c010s010s010 c01001000001本机械臂有四个关节连杆，对连杆分别计算变换矩阵：T1 =c02 s020t2c02s02c020t2s0201100001c0 s00tc0s0c00ts000100001c0 s00tc0s0c00ts00 1000001T2 =T =T =根据式 3-2，本四自由度机械臂的末端的位姿矩阵与原始坐标系的坐标系之间的变换矩阵为:T0 = T1T2TT nhohthphnyoytypynotp0001T0 =式 3-4 中，各参数对应为：nh = cos 01ty = 0（3-4）ny = sin 01n = 0oh = sin 01 oy = cos 01o = 0th = 0t = 1ph = cos 01 t cos 02 + 0 + t2 cos02+ tpy = sn 01 t cos 02 + 0 + t2 cos02+ t p = t sin 02 + 0 + t2 sn02当平行四边形机械臂初始位置时，按 D-H 坐标系1=0，2=90，3=-90（ 其 中 ， a2=560mm;a3=515;a4=90 ）。 代 入 上 述 公 式 时 , 可 得 到 初 始 位 姿P=605,0,560，考虑关节 1 高度 400mm，这与图中所示的处于初始位姿的机械臂坐标值完全吻合。6.1.2 逆运动分析运动学逆解实际上是正运动学分析的逆过程。它的意义在于知道机械手的空间位置和姿态，以反向求解诸如机械手的杆长和每个轴的倾斜度之类的参数。由于机械臂的杆长已经确定，因此最重要的是知道机械臂的位置和姿态转换所需的每个轴的旋转角度。逆运动计算的意义，是在实际应用中，控制电动机的旋转角度使末端执行器到达相应位置。此用（Px，Py，Pz）表示机械臂末端位置坐标。对平行四边形机械手而言，连杆扭角（twist angle）、连杆长度（link length）、连杆偏移量（joint offset）在上文中已经确定，根据正运动变换矩阵的逆矩阵， 反计算两连杆转角。四自由度机械臂逆运动的计算方式和正运动相似，各连杆的齐次变换矩阵为正运动逆矩阵，具体计算过程不再赘述。可推导出关节角的计算公式如式 3-5 到3-8 所示。01 = t推c出tn ( py/ph)（3-5）士 m2+ 2k220 = t推c出tn m + t推c出tn (k 士 m2+ 2k220 = t推c出tn m + t推c出tn (k )（3-6）)（3-7）0 = (0 + 02)（3-8）式 3-53-8 中：在机械臂的空间位姿描述中，采用的是笛卡尔坐标系进行计算分析的，与描述运动控制参数的关节坐标系相同。因此，通过正逆运动学进行分析，机械臂空间位姿和关节运动控制的联系可以被得出。6.1.3 正运动学仿真验证运用 MATLAB Robotics Toolbox 机械臂测试模块，可以对上述机器人理论为分析进行算法验证，调用link 函数L = (t pht A 出he出t D Sgmt，mo算e)。 (该函数中，alpha 为连杆扭角，A 为连杆长度，theta 为两岸两端关节角，D 为关节偏置距离，Sigma=0 表示平行四边形机械臂只有转动关节，没有移动关节。modified 为改进的 DH 参数)。Matlab 建模程序如下：模拟并验证机械手的正运动学。有两种验证方法，一种是通过 MATLAB GUI 界面进行验证，另一种是通过工具箱功能进行验证。机器人工具箱中机器人类提供的示教功能可以构建机器人手臂 GUI 界面。输入初始关节角度后获得的 GUI 界面如图所示。界面左侧的 x，y 和 z 是机器人手臂末端的位置，ax，ay，az 表29示机器人手臂末端的姿势，即机器人手臂末端的旋转角度机械手相对于基准标记的每个轴的位置。界面中 q1，q2，q3 表示平行四边形机械臂的连杆之间的关节角度。模拟图中的滑块可以自由拖动，关节角在这个过程中将会被自动计算，由此也可以验证关节角与末态位姿的一致性。按上述建模方式，可以得到的机械臂初始位置的仿真视图如图 3-3 所示;图 3-3 GUI 界面Figure 3-3 GUI interface机械臂末端变换矩阵 T，在 MATLAB Robotics Toolbox 中可由机械臂仿真函数 fkine 计算得到。fkine 函数调用格式为：T = 推.算kne(仿)R 在本设计中代表平行四边形机械臂，输入参数 q 是关节位移矩阵，输出机械臂末端变换矩阵 T 是 4 个 4*4 矩阵。在此示例中，假设起点 A 的联合向量为仿A = t0，p/2， * p/，p/，并代入 fkine（q）以获得变换矩阵。将 qA 带入变换矩阵，得到的末态位姿与正运动公式计算的结果一致，即可验证正确性。计算程序：仿 = t0, p/2, * p/, p/换 F = 推oo出.算kne(仿)；输出位姿矩阵如下图：图 3-4 方程验证位姿矩阵结果Figure 3-4 Equation verification pose matrix result此时，我们假设初始位置如下图所示。在 GUI 界面中通过角度调整使q=0,0,-pi/4,0，得到末端执行器所处位置。将该角度计算带入正运动方程，也可以验证其结果。图 3-4 GUI 界面验证机械臂终位姿Figure 3-4 GUI interface to verify the final position of the robot arm6.1.4 逆运动学仿真验证采用 MATLAB Robotics Toolbox 机械臂测试模块可以对逆运动学理论进行仿真验证。仿真过程将机械臂已知的模型参数输入，再给出所需末端位姿，进而反算关节转角。MATLAB Robotics Toolbox 的逆运动仿真函数为 ikine，函数调用形式为:Ikine 函数的输入参数为变换矩阵 T，机械臂初始关节位移 q0 和自由度限制矩阵 m；输出参数为连杆的关节转角 Q。机械臂你运动学建模过程中，首先要根据给定的平行四边形机械臂参数建立仿真模型，并按照实际运动中，设计所需的自由度对模型机械臂进行限制。平行四边形机械臂逆运动的仿真程序如下所示。仿真结果如图 3-5 所示：图 3-5 逆运动学仿真函数解得关节位移矩阵Figure 3-5 The inverse kinematics simulation function solves the joint displacement matrix经过计算，Q = t0,p/2, * p/,p/与目标矩阵 T 所对应的平行四边形机械臂连杆关节角是一致的。因此，该四自由度平行四边形机械臂模型和逆运动学求解过程的正确性再次被证明了。6.1.5 平行四边形机器人轨迹规划仿真通过平行四边形机械臂的轨迹规划，可以找到正逆运动学仿真的离散运动点之间的路径是否合理以及过程中是否存在奇异点，验证机械臂的设计合理性27。空间规划和关节规划都是验证机械臂轨迹行走方式的算法。笛卡尔坐标下的空间规划，机械臂末端的姿态轨迹通常更直观，大量的计算会由于点到点之间的逆运动计算产生，并可能导致奇异现象。因此关节规划的优点是计算量少并且机器人手臂坐标没有奇异性。MATLAB Robotics Toolbox 提供 ctraj 和 jtraj 函数，分别实现在笛卡尔坐标空间和关节坐标空间中的机械臂轨迹规划。Jtraj 的调用形式如下所示：本设计中，输入参数 Q0 为平行四边形机械臂的起始关节角度矩阵，Q1 为目标平行四边形机械臂连杆关节角度矩阵，T 为时间向量，N 是插值点数，QD0， QD1 于指定轨迹运动的边界速度，其默认值为 0。在 MATLAB 中输入如下轨迹规划代码：轨迹规划及运动学分析结果如下：图 3-6 机械臂轨迹规划及运动学分析结果Figure 3-6 Robot arm trajectory planning and kinematics analysis results从图中可以看出，左上图是机器人模型，左下图是 ctraj 轨迹计划的末端关节轨迹，右图从上到下依次是是角位置，角速度和角加速度。ctraj 轨迹计划的每个关节的位置。机械手臂的响应可以大致分为三个阶段：第一阶段：机械臂的初始响应阶段，从位置和加速度图像来看，该响应阶段中的位置变化很小，但是与每个轴的加速度相比，同时加速度越大，则越大职位变动。第二阶段：机械臂的中间响应阶段。从位置和速度图像可以看出，该响应阶段中的位置变化主要受速度影响。在此阶段，速度越大，位置变化越大。第三阶段：机械臂的最终状态响应阶段，从位置和加速度图像中可以看出， 该响应阶段中的位置变化很小，但是比较每个轴的加速度，相同轴上的加速度越大时间，头寸变化越大，这类似于第一阶段的结论。因此，如果在较小的位移运动空间中适当地增加加速度，则可以增加机械臂的响应。如果在长位移运动空间中，适当提高速度可以提高机械臂的响应速度。同时，图 3-6 还反映了机器人手臂的实际轨迹，反映了轨迹规划。在一定程度上规划了机械臂的实际轨迹，科学确定了机械臂在使用过程中的轨迹，为以后的使用和研究提供了理论依据。5.8 四自由度机械臂结构设计（Four-degree-of-freedom Mechanical Arm Structure Design） 手部该机械臂设计为可更换末端执行器形式，此处考虑到使用工况为室内实验室， 作用为抓取小型试管并且移动搬运，因此，手部设计为钳式卡爪的形式。并且，为手部的末端夹持部分设计一橡胶质地的包套，以增大摩擦力，增加弹性。为防止把玻璃试管夹碎，在夹持末端加设了一个压力传感器，通过实验法设定合理压力，防止压力过大导致试管破碎。钳式卡爪式末端夹持器的腕部由 SPT5535LV 35kg 数码舵机控制微调角度的俯仰。末端执行器开合部位选用 JX6221 舵机 20kg 防堵转防水舵机。二者区别在于开合处舵机需要在夹持试管过程中一直保持施加力，需要具有防堵转功能。图 3-7 机械臂手部平面图Figure 3-7 Plan view of the hand of the manipulator 臂部图 3-8 机械臂手部三维图（无橡胶套）Figure 3-8 Three-dimensional view of the hand of the robotic arm（1）大臂结构设计大臂是平行四边形机械臂设计中最重要的部分，承载着最大的扭转力矩。一方面承担着小臂、末端执行器、夹持试剂瓶的重量。另一方面，由于对运动平稳性的要求，大臂需要稳定的结构设计，保证抓取过程的顺利进行。因此大臂必须有足够的强度和刚度，并保证较为轻便的质量，以减轻移动机器人负载和回转支承所受的倾覆力矩。大臂结构的对称中空设计在保证机械臂稳定性的同时，使其具有了更轻的质量。大臂材质此处选择 45 号钢。图 3-9 平行四边形结构大臂驱动部位零部件装配图Figure 3-9 Assembly drawing of parts of parallel quadrilateral structure boom driving part在大臂驱动端，一个电机通过减速器控制与大臂侧板紧配合的长轴，该长轴带动大臂完成肩部的俯仰动作。另一个电机通过减速器连接与小臂形成平行四边形对边的连接板，通过与大臂平行的连架杆传递运动到小臂，完成肘部的俯仰运动。图 3-10 机械臂大臂三维图Figure 3-10 3D view of the robot arm（2）小臂结构设计小臂连接着末端执行器，与大臂之间运动相互独立，对整个机械臂的功能执行和末端运动轨迹的调整起着重要的作用。小臂承担着末端执行器、夹持试剂瓶的重量。由于油液试剂瓶对运动平稳性的要求，小臂需要稳定的结构设计，保证抓取过程的顺利进行。因此小臂必须有足够的强度和刚度，并保证较为轻便的质量，以减轻移动机器人负载和底座所受的倾覆力矩。小臂结构的对称中空设计在保证机械臂稳定性的同时，使其具有了更轻的质量。小臂材质此处选择 45 号钢。 腰部图 3-11 小臂三维图Figure 3-11 3D view of the forearm底座承载着四自由度平行四边形机械臂全部的重量，并且与移动机器人相连接，同时与负责腰部回转的回转支承梁连接，对配合精度要求很高。同时为了防止倾翻，要保证整体结构的稳定性，底座上要合理安置螺栓孔与移动机器人连接， 底座尺寸设计为 400mm400mm。此处选用回转支承是因为回转相对于轴承，固定更加稳固，更能保证机械臂回转的稳定性，提高承载能力，且便于安装。图 3-12 回转支承剖面尺寸图Figure 3-12 Dimensional drawing of slewing bearing本设计中采用内齿式单排四点接触球式回转支承（01 系列），根据载荷以及空间尺寸，选择型号为 010.25.315 的回转支承，平面示意图如图 3-12 所示。单排四点接触球式回转支承的结构紧凑、重量轻，能同时承受径向力、轴向力和倾翻力矩，性能优良。5.9 四自由度机械臂电机选型（Motor Selection）本机械臂设计考虑为末端执行器可更换形式，机械臂本体的设计上，采用富余方式，使其可承载重量为 10KG，当需要更换工作环境时，也可单独使用，作为固定式搬运机械臂。实验室工作时，夹持试管重量较轻，对电机功率、转矩要求比较低。此处为了机械臂适应其他场合的移植使用，电机选型按照机械臂臂身设计的最大负荷10KG 进行计算。取平行四边形机械臂大臂处于竖直状态，大臂长度为 560mm，平行四边形机械臂小臂处于水平状态时，小臂长度为 515mm。末端执行器的质量算入到平行四边形机械臂的小臂上。使用 Solidworks 体积计算工具计算小臂整体的体积， 材料设置为 45 号钢，然后用 Solidworks 体积计算工具估算小臂质量，元整之后， 取小臂质量为 7kg；连架杆质量为 3.4kg。由于平行四边形结构，大臂与连架杆等长。小臂质心距离肩部伺服电机输出轴垂直距离 L1=293mm；连架杆质心距离肩部伺服电机输出轴垂直距离 L2=66.8mm。根据转动惯量公式（式 3-9）和平行轴定理（式 3-10）可得转动惯量。JC = L2（3-9）J = JC + m2（3-10）根据公式 3-9 和 3-10 得到转动惯量为：J = 7 x 0.515 + . x 0.6 + 7 x 0.29 + . x 0.0668 = 7.78712kg m2本设计中，设平行四边形机械臂小臂被连架杆牵引，转动速度最大值为 20/s， 并且从 0 加速到最大转动速度的加速时间为 2s，可得：T1 = J x w/出 = 7.78712 0.5 2 = 1.6276N m查阅手册，此处取安全系数为 1.5：T = 1.6276 x 1.5 = 20.119N m平行四边形机械臂运动中，转矩 T = hL。其中，G 为所求旋转轴的重力 G=mg，L 为质心到平行四边形机械臂轴关节的距离。此时转矩最大值为：T2 = 7 x 9.8 x 0.29 + . x 9.8 x 0.0668 = 22.276N m根根据转动惯量公式和平行轴定理，JC = L2，J = JC + m2可得转动惯量为：J = 7 0.515 + 7 0.56 + 7 0.293 + 7 0.107 = 10.325 kg m 2本设计中，假设电机轴牵引大臂最大角速度为 20/s，旋转开始时的转矩为T = J w/出。假设加速时间为 2s，得到计算转矩：T1 = J x w/出 = 10.25 x 0.5 0.2 = 18.06875N m查阅手册并考虑机械臂各处摩擦力矩和转动惯量。取安全系数为 2，则转矩为：T = 18.06875 x 1.5 = 27.10125N m转矩最大值为：T2 = 7 x 9.8 x 0.29 + 7 x 9.8 x 0.107 = 27.N m底座的设计主要考虑腰部的回转，腰部回转支承外圈固定底座，内圈固定机械臂基座，连接机械臂上肢，电机轴通过联轴器与固定轴连接，固定于底座上， 电机回转，驱动整个机械臂90回转。底座回转的负载力矩计算（折算到电机轴）：L1T = NL T（3-11）Nri式 3-11 中，NL负载轴回转速度，单位 r/min； N电机轴回转速度，单位 r/min；ri 减 速 机 效 率 ； T1负载转矩（负载轴），单位 N m；回转支撑的摩擦力矩折算到电机轴上转矩的计算公式为：T1 = F 算 R = h 算 R（3-12）式 3-12 中，算滚动轴承摩擦系数，取 f = 0.002； h机械臂自身与负载物体的重量之和，为 50kg； R回转轴上传动等效圆半径，R = 500mm。将数值代入公式计算：T1 = 50 x 9.8 x 0.002 x 0.05 = 0.09N m取机身回转速度N1 = 5r/min，N1 = 1.7N。当小臂与地面水平时转动惯量和启动转矩最大，根据平行轴定理，可得此时转动惯量：J = 7 x 0.05 + 17 x 0.29 = 5.1kg m2设加速时间为 2s，由上式可得从转速为 0 开始加速时，转矩为：T = J w/ 出 = 5.1 x 0.26 2 = 6.90N m查阅手册，取安全系数为 2，则转矩为：T = 6.90 x 2 = 1.8606N m本设计中，该油液实验室四自由度平行四边形机械手的大臂、小臂以及底座部分驱动电机的最大转矩分别为 22.3276N m、27.44N m 和 13.8606N m，三处电机功率差值不大。出于设计美观经济，编程时方便控制在本次设计中，三个伺服电机均选用 180M-35015E-E 型直流伺服电机。图 3-13 180M-35015E-E 型直流伺服电机尺寸图Figure 3-13 Dimension drawing of 180M-35015E-E DC servo motor表 3-3 180M-35015E-E 型直流伺服电机参数Table 3-3 180M-35015E-E DC servo motor parameters从表 3-3 中可以看出，所选的电动机转矩完全满足驱动要求。尽管可以在较大范围内调节伺服电动机的速度，如果机械臂长时间工作，电机将一直出于低转速状态，为了更有效利用电机，在低速需求下增加转矩。本设计中，在伺服电机和机械臂关节之间增加了锥齿轮减速器。进一步降低输出速度并增加输出扭矩。表 3-4 锥齿轮减速器参数表Table 3-4 Parameters of bevel gear reducer39图 3-14 锥齿轮减速器Figure 3-14 Bevel gear reducer5.10 机械臂重要部件校核（Verification of Manipulator）四自由度平行四边形机械手的结构符合设计要求，不能保证整个机械手的正常运行。为了验证四自由度平行四边形操纵器是否可以正常运行以完成抓握和放置物体的功能，还必须进行有限元分析，以验证强度和刚度是否满足设计要求。只有当机械手各部分的强度和刚度满足要求时，才能确保在其工作过程中平稳地进行物体的搬运和放置。 大臂结构校核大臂是平行四边形机械臂设计中最重要的部分，承载着最大的扭转力矩。一方面承担着小臂、末端执行器、夹持试剂瓶的重量。另一方面，由于对运动平稳性的要求，大臂需要稳定的结构设计，保证抓取过程的顺利进行。因此大臂必须有足够的强度和刚度，并保证较为轻便的质量，以减轻移动机器人负载和回转支承所受的倾覆力矩。按上文所述，机械臂末端的最大载重量为 10kg，将载重和末端执行器重量算在小臂上，并取安全系数为 1.5，则大臂总压力为 500N。大臂受挤压面积 A 为：A = 2 x = 2 x 0 x 15 = 900mm2大臂应力值为：a = F = 500 t = 0.556t A900大臂结构的对称中空设计保证了机械臂稳定性的，但是大臂的主要承担载荷的部分集中在两块对称的侧板上。因此，此处利用 SolidWorks Simulation 工具箱对机械臂进行应力应变仿真分析。选定材料并对模型进行网格化，根据受力分析对大臂添加约束和力矩，生成仿真模型。（a）（b）（c）（d）图 3-15 大臂应力应变及位移分析结果图Figure 3-15 Boom stress, strain and displacement analysis results从图（a）可以看出，平行四边形机械臂大臂的结构基本满足在设计最大静载情况下的强度条件；结合图（b）应变分析结果图可以看出，平行四边形机械臂大臂的结构基本满足在设计最大静载情况下的刚度条件；从图（c）可以看出， 平行四边形机械臂大臂在末端，与小臂连接的关节部位，大约有 0.002999mm 的变形量，变形量微小，不影响正常使用。因此大臂结构满足设计要求。 小臂结构校核小臂连接着末端执行器，与大臂之间运动相互独立，对整个机械臂的功能执行和末端运动轨迹的调整起着重要的作用。小臂承担着末端执行器、夹持试剂瓶的重量。由于油液试剂瓶对运动平稳性的要求，小臂需要稳定的结构设计，保证抓取过程的顺利进行。因此小臂必须有足够的强度和刚度，并保证较为轻便的质量，以减轻移动机器人负载和底座所受的倾覆力矩。小臂结构的对称中空设计在保证机械臂稳定性的同时，使其具有了更轻的质量。机械臂末端能承载的最大外载荷 10kg，将末端执行器的质量计入外载荷，取安全系数 1.5，取整后假设小臂受到的总压力为 300N。小臂受挤压面积 A 为：A = 2 x = 2 x 0 x 15 = 900mm2小臂应力值为：a = F = 00 t = 0.t A900小臂结构的对称中空设计保证了机械臂稳定性的，但是小臂的主要承担载荷的部分集中在两块对称的侧板上。因此，此处利用 SolidWorks Simulation 工具箱对机械臂进行应力应变仿真分析。选定材料并对模型进行网格化，根据受力分析对小臂添加约束和力矩，生成仿真模型。（a）（b）（c）（d）图 3-16 小臂应力应变及静态位移分析结果图Figure 3-16 Analysis results of stress, strain and static displacement of the forearm从图（a）可以看出，平行四边形机械臂小臂的结构基本满足在设计最大静载情况下的强度条件；结合图（b）应变分析结果图可以看出，平行四边形机械臂小臂的结构基本满足在设计最大静载情况下的刚度条件；从图（c）可以看出， 平行四边形机械臂小臂在末端，与末端执行器连接部位，大约有 0.001436mm 的变形量，变形量微小，不影响正常使用。因此小臂结构满足设计要求。 底座结构校核底座承载着四自由度平行四边形机械臂全部的重量，要求其具有足够的强度和刚度。并且通过底座，四自由度机械臂与移动机器人相连接，同时与负责腰部回转的回转支承梁连接，对配合精度要求很高。为了防止倾翻，要保证整体结构的稳定性，底座上要合理安置螺栓孔与移动机器人连接，底座尺寸设计为 400mm400mm。对底座进行受力分析时，根据前文中的质量估算，此处底座承受的总压力取值 1000N，此处底座通过回转支承与机械臂上肢连接，因此底座的总挤压面积为：A = 兀R2 兀推2 = 1552 兀 102 兀 = 16900mm2故应力值为：a = F = 1000t = 0.059tA16900由于实际设计中，考虑到加工等诸多因素，底座的形状并不规则，在进行有限元分析时，需要对其结构进行简化处理。此处利用 SolidWorks Simulation 工具箱对底座进行应力应变仿真分析。选定材料 45 号钢并对模型进行网格化，根据受力分析对底座添加约束和力矩，生成仿真模型。（a）（b）（c）（d）图 3-17 底座应力应变及静态位移分析结果图Figure 3-17 Result of stress, strain and static displacement analysis of the base从图（a）可以看出，基座的简化结构基本满足强度条件；结合图（b）应变分析结果图可以看出基座的简化结构满足刚度条件；从图（c）可以看出，本结构受压力的外圈、最大变形处，大约有 0.001509mm 的变形量，不影响使用条件。因此基座的简化结构满足力学要求。5.11 四自由度机械臂三维图（3D Illustration of Robotic Arm）机械臂整体三维图如图 1-23 所示，底座处留有与移动机器人相连接的螺栓孔，移动机器人可以将机械臂送达工作位置。末端执行器此处安装为搬运试管的钳式卡爪机械手，当末端执行器更换为其他结构例如吸盘等，该机械臂即可执行其他操作，如码垛等。图 3-18 机械臂三维图Figure 3-19 Three-dimensional view of the robotic arm5.12 本章小结（Summary）本章进行了四自由度平行四边形机械臂设计。首先对机械臂运用 D-H 参数法建模，进行正运动、逆运动分析，并用 MATLAB 对机械臂进行运动学建模与分析。在 MATLAB 中用 Robotics Toolbox 对机械臂进行轨迹规划，验证设计合理性。根据机械臂的性能要求进行结构设计； 选择相应伺服电机型号。用SolidWorks 绘制三维模型图，对大臂、小臂和底座在 SolidWorks Simulation 中进行应力应变仿真，校核其强度和变形。本章设计的机械臂及其末端夹持器为可拆卸机构，可更换末端执行器进行工作。4 移动机器人设计6 移动机器人设计4 Design of Mobile Robot4.1 移动机器人运动学分析（Kinematics Analysis of Mobile Robots）本设计中，移动机器人采用差速驱动方式，由车体中部 3 号和 4 号轮为驱动轮，两个电机分别对其转速进行控制，结构简单，易于控制操作28。直行过程中， 两轮速度一致。主动轮前后两组万向轮作用为辅助支撑。图 4-1 所示为小车循迹原理示意图。图 4-1 小车循迹原理示意图Figure 4-1 Schematic diagram of car tracking principle由上图可知，红外传感器依靠辨别在室内地面上贴置的黑色引导色带，指导行走路线。当不同位置的传感器检测到信号时，传感器将信号发送给单片机，单片机判断要执行的运动方式，再把决策发送到直流电机编码器，霍尔元件测速反馈信号，达到准确测速的目的。传感器-单片机-电动机的决策逻辑如下:（1）当中央 4 号传感器可以检测到黑色导引带时，小车直行，即 n1=n2。（2）当左侧 3 号传感器可以检测到黑色引导色带时，左轮转速略降低，调整到中央 4 号传感器可见黑色引导色带，且左侧 3 号传感器不可检测到黑色引导色带时恢复直行（3）当右侧 5 号传感器可以检测到黑色引导色带时右轮转速略降低，调整到中央 4 号传感器可见黑色引导色带，且右侧 5 号传感器不可检测到黑色引导色带时恢复直行（4）当左侧 1 号或 2 号传感器检测到黑色色带且中间 4 号检测不到黑色色带时，左轮转速降低，运动调整到中央 4 号传感器可见黑色引导色带时恢复直行。（5）当右侧 6 号或 7 号传感器检测到黑色色带且中间 4 号检测不到黑色色带时，右轮转速降低，运动调整到中央 4 号传感器可见黑色引导色带时恢复直行。表 4-1 为传感器接收信号与移动机器人位置偏移的对应关系。表 4-1 传感器信号与位置偏移对应表Table 4-1 Correspondence table between sensor signal and position offset传感器编号机器人位置1 号传感器严重偏左2 号传感器偏左3 号传感器稍微偏左4 号传感器未发生偏移5 号传感器稍微偏右6 号传感器偏右7 号传感器严重偏右由上述运行描述可知，转弯运动半径由传感器排布方式以及移动机器人整机宽度与两主动轮转速差有关。移动机器人运行相关参数表如下所示：表 4-2 移动机器人运动学分析参数Table 4-2 Mobile robot kinematics analysis parameters小车转向时运动分析如图 4-2 所示：图 4-2 六轮小车转向运动分析示意图Figure 4-2 Schematic diagram of six-wheel car steering movement analysis由于只有中间两轮为驱动轮，前后两组万向轮均为辅助支撑，所以运动过程中，可转化为如图 4-3 形式：图 4-3 小车主动轮驱动转弯简化示意图Figure 4-3 Simplified schematic diagram of driving wheel driving of the trolley小车行进速度：V = V1+V22（4-1）由向心力Mg M V2，得转弯半径：R由两轮运动关系可知：即：R V2gD v2 R2兀推n1 = R +D v2 R2兀推n2 = R 1v = w R + D22v = w R D2（4-2）（4-3）（4-4）（4-5）（4-6）将上述公式经过推导，通过运算关系可以得到瞬时转弯半径 R：R = D(V1+V2)2(V1V2)（4-7）移动机器人的车体设计尺寸和检测色带的光学传感器的相对位置，决定了移动机器人在实验室内能够沿色带运动的半径范围。如图 4-4 所示，移动机器人的最小转弯半径 R = 1.2m，移动机器人两辅助轮之间的距离 D=700mm,根据上面推导的公式计算得：n1:n2 = 0.58图 4-4 移动机器人最小转弯半径示意图Figure 4-4 Schematic diagram of the minimum turning radius of the mobile robot因为移动机器人在油液实验室中转移装有油液试剂的试剂瓶，为了保证运行平稳安全，转弯线速度为 0.3m/s，即w = 0.225 推t s，即：R + D v1n = 2 = 6.18 推 mn R(2兀推)R D v2n = 2 = 21.12 推 mn R(2兀推)在移动机器人通过光学导引时，能达到最小转弯半径的情况下。要控制左电机转速为 21.12r/min，右电机转速为 36.18r/min。图 4-5 中圈转弯半径示意图Figure 4-5 Schematic diagram of the turning radius of the middle circle49图 4-6 大圈转弯半径示意图Figure 4-6 Schematic diagram of turning radius of large circle移动机器人两侧的 2、3 和 5、6 两组光学传感器监测到色带信息时，转弯半径分别为 2.472m 和 5.543m。左驱动轮电机和右驱动轮电机转速比分别为 0.752、0.881。根据转弯时线速度为 0.3m/s 的设计，易计算出 2 号或 6 号传感器有检测信号时，n1 = 2.7r/min,n2 = 2.59r/min，3 号或 5 号传感器有色带检测信号时n1 = 0.57r/min,n2 = 26.8r/min 。5.6 移动机器人动力学分析（Mobile Robot Dynamics Analysis）本油液实验室移动机器人采用铝合金作为车体材料，对小车进行质量估算时， 考虑其主要部分重量，即车底盘重量，电池重量，以及载重机械臂的质量。铝合金密度 = 2.8 10kg/m 。小车底盘尺寸： 长 宽 厚度 = 900mm 700mm 20mm，因此移动机器人底盘质量粗略估算为 m = 5.28kg。在上文中电池已经完成选型，质量 26kg,按照最大载重条件下计算，则小车总重量估算值为 M=60.28kg,计算机械臂重量后 M 总估算为 200kg。考虑到实验室 空间较小，搬运玻璃容器和液体油液速度不宜过快，正常行驶速度设置为 0.5m/s。移动机器人的动力学分析主要计算其运行过程中所受阻力，通常我们计算移动机器人与地面的摩擦力F算、移动机器人移动过程中的空气阻力Fw、移动机器人可能遇到的最大坡度的坡度阻力F以及达到最大加速度时的加速阻力Fj,即IF = F算 + Fw + F + Fj（4-8）（1）摩擦力F算计算F 算 = Mg = 0.02 200 9.8 = 9.2 N其中，为滚动摩擦系数，由于移动机器人的主动轮和辅助轮都选择了由较大附着系数的橡胶材质，工作环境油液实验室内，实际工作路面是大多为瓷砖路面，此处取 = 0.02。（2）空气阻力Fw计算F = CpSv2 = 1.50.70.0.52 = 0.006 N（4-9）w216式 4-9 中：C空气阻力系数，该值和物体的迎风面积，光滑程度和整体形状有关； 空气密度，正常的干燥空气可取 1.293g/l，特殊条件下可以实地监测；S为物体迎风面积V物体与空气的相对运动速度由上式可知，正常情况下空气阻力的大小与空气阻力系数及迎风面积成正比， 与速度平方成正比。计算后发现，由于室内环境，空气阻力很小，Fw数值相较于其他阻力，在本移动机器人动力学分析中，可以忽略，即Fw = 0 N 。（3）坡度阻力F计算油液实验室内，基本运动路径都是平坦的地面，但为了防止微小坡度或微小障碍物造成的阻力，此处计算时假设小车坡度能力为 2，则：F = g sin a = 200 9.8 sin 2 = 68.(N)（4-10）（4）加速阻力F计算本移动机器人设计中，因为设计要求在室内平稳缓慢运行，所以运行过程中不存在剧烈加速阶段，最大加速度硬度现在移动机器人由静止开始启动运行的过程中。设计移动机器人启动过程中最大加速度为 a = V2 = 0.52= 0.25m/s,加速阻力为：2SFj = t = 200 0.25 = 50(N)20.5综上可得移动机器人总阻力：IF = 9.2 + 68. + 50 = 157.6 ;: 160(N)5.7 电机选型和转向驱动设计（Motor Selection and Steering Drive Design）5.7.1 电机选型上文动力学分析中得知，移动机器人阻力最大的情况是在由静止到运动的加速阶段，当加速度达到最大值时，所需到电机输入的功率为： = 1 FV = 1600.9 = 5.66 W（4-11）式 4-11 中，2 ri20.876电机到轮轴输出端总的传递效率，减速器效率ri1 = 0.95，轴承效率ri2 = 0.98 。2ri = ri1 ri = 0.95 x 0.98 = 0.876根据设计的移动机器人行驶速度，直线行驶中，主动轮的转速为：6010Vn =兀=60 10 x 0.5200兀= 7.76 推 mn根据上述过程中对移动机器人功率和转速的要求对电机进行选型。选取型号为直流无刷减速电机型号为 Z6BLD200-36GU-30S-M；配合减速器 6GU60LC，具体参数如表 4-3、4-4 所示：表 4-3 Z6BLD200-36GU-30S-M 直流无刷电机参数表Table 4-3 Z6BLD200-36GU-30S-M brushless DC motor parameter table表 4-4 6GU60LC 减速器参数Table 4-4 6GU60LC reducer parametersL 型减速器 6GU60LC 为轴孔式连接结构，外形如图所示：图 4-7 L 型直流无刷电机实物图Figure 4-7 Physical diagram of L-type DC brushless motor5.7.2 电机校核本移动机器人运行过程平稳，在油液实验室运行过程中，基本不会发生超载等问题，因此对直流无刷电机的校核主要是对电机的驱动力矩进行校核。当移动机器人匀速行驶时：F F算 + F = 9.2 + 68. = 107.6(N)T = F 推 = 107.6 x 0.1 = 10.76(N) 20(N)当移动机器人加速行驶：F F算 + F + Fj = 107.6 + 50 = 157.6(N)T = F 推 = 160 x 0.1 = 16(N) 20(N)经过验算，在移动机器人处于不同运行阶段时，该减速电机的驱动力矩都可满足使用要求。5.8 移动机器人车体设计（Mobile Robot Body Design）移动机器人本体材料的选型应当考虑轻便型、稳定性、和强度等因素。因此选择铝合金作为移动机器人本体材料。根据移动机器人载重和机械臂部分尺寸要求，应当尽量降低移动机械臂的整体的重心，提高移动机械臂整机抗倾翻能力本移动机器人的车体包括底盘部分、底盘上相关的机械结构以及移动机器人外壳。移动机器人外壳的厚度为 10mm。车壳顶部安置四自由度机械臂。图 4-8 为车体底盘结构设计示意图。图 4-8 车体底盘布局Figure 4-8 Schematic diagram of car body chassis layout考虑车辆运行平稳性和承载能力，对轮胎进行选型。车轮选型为 ESUN 200*4， 轮径:200mm，轮宽:46mm，承载重量为 300kg 键槽宽 16mm，材质为橡胶，图-9 为主动轮轮胎参数。图 4-9 主动轮轮胎尺寸示意图Figure 4-9 Schematic diagram of driving wheel tire size前后两组支撑轮考虑到仅仅起支撑作用，不改变小车行驶方向，因此，采用橡胶万向轮，为了保证移动机械臂不发生倾斜，选用减震万向轮，因为其弹簧具有预压紧作用，因此更加稳定。图 4-10 减震万向轮Figure 4-10 Vibration damping universal wheel5.9 移动机器人主要零件校核（Verification of Mobile Robots）5.9.1 驱动轮轴校核驱动轮在整个移动机器人设计中有着重要的作用。当移动机器人直线行驶时， 假设六个轮子均匀载重，即每个轮子受到地面支持力为:F = g = 200 x 9.8 = 27 Nn66在动力学分析中，已经得到总阻力：F算 = 160 N 。主动轮轴在轴端受到减速电机的转矩 T，在主动轮安装处受到摩擦力矩，和支持力，两轴承连接处为支点，主动轮轴受力分析如图 4-11：图 4-11 主动轮轴受力分析图Figure 4-11 Force analysis diagram of driving axle其中 BC 段长度 34mm，AB 段长度 66mm，BD 段长度 86mm。在 SolidWorks Simulation 中导入轮轴三维模型，根据驱动轮轴受力情况，对其键连接和轴承连接进行设置。根据上述载荷计算值，在轮轴相应位置施加外载荷。运行算例后，可以得到驱动轮轮轴的应力应变分析。（a）（b） （c）（d）图 4-12 驱动轮轴应力应变及静态位移结果图Figure 4-12 Results of stress, strain and static displacement of the drive axle从图（a）可以看出，本结构基本满足强度条件；结合图（b）应变分析结果图可以看出本结构满足刚度条件；从图（c）可以看出，本结构在末端大约有有0.02377mm 的变形量，不影响使用条件。因此本结构满足力学要求。5.9.2 驱动轮轴承座校核本设计中根据轴径，选用 6202 深沟球轴承，为了方便安装，轴承座设计为剖分式轴承座。图 4-13 轴承座外形图Figure 4-13 Outer drawing of bearing housing考虑到轴承座连接螺栓较多，但螺栓并非主要受力部件，因此，在 SolidWorks Simulation 中导入轴承座简化三维模型。轴承座底部的安装螺栓的孔施加径向对称约束。对算例施加载荷，在于轴承座配合的内表面施加径向载荷，轴承座孔的圆周上施加径向推力载荷。 （a）（b）（c）（d）图 4-14 轴承座应力应变及静态位移结果图Figure 4-14 Results of stress strain and static displacement of bearing housing从图（a）可以看出，轴承座的简化结构基本满足在设计最大静载情况下的强度条件；结合图（b）应变分析结果图可以看出，轴承座的简化结构基本满足在设计最大静载情况下的刚度条件；从图（c）可以看出，轴承座的简化结构， 在于轴连接、变形最大的部位，大约有 2.8 x 106mm 的变形量，变形量微小， 不影响正常使用。因此大臂结构满足设计要求。4.6 本章小结（Summary）本章进行了移动机器人机械部分设计。首先对移动机器人进行运动学分析， 移动机器人采用两轮差速，主动轮分别由两个直流电机控制。本移动机器人采用光电导引加二维码导航的方案。根据传感器的布置，计算相应位置传感器监测到色带标识时，两只主动轮分别应到达到的转速。考虑运行速度和周围环境，对移动机器人进行动力学分析，计算其阻力，选择合适电机，并对底盘上放置的其他装置，进行选型和定位。对关键部件驱动轮轴和驱动轮轴承座进行校核。保证移动机器人平稳运行。5 移动机械臂电控系统设计6 移动机械臂电控系统设计5 Design of Electric Control System5.1 电控系统总体设计（Overall Design of Electronic Control System）图 5-1 移动机械臂整体三维模型Figure 5-1 Overall 3D model of the mobile robotic arm移动机器人和机械臂组装的而成的移动机械臂整体三维模型如图 5-1 所示。本设计中，移动式复合机器人需要完成在油液实验室内，夹取油液样品，并将其转移到另一实验平台上，搬运过程中，移动机器人还要进行路径规划和站点识别，包括一定范围内的避障。如图 5-2 所示为移动机器人的油样检测送样系统工作的总体流程图。图 5-2 移动机器人的油样检测送样系统总体流程图Figure 5-2 Overall flow chart of the mobile robots oil sample detection and delivery system如图 5-2 所示，总工作流程中包含两个子流程：（1）自动循环工作模式，即该移动机器人，反复往返于油液送样台和实验仪器站点之间，自动进行搬运动作。（2）逐步遥控模式：移动机器人根据 PC 端发出的站点运行指令执行操作， 可逐步完成道路循迹，站点识别和夹取动作。由流程图中的运行步骤可以发现，在工作执行过程中，该移动机器人的电控设计主要涉及一下工作模块：单片机主控模块；移动机械臂直流电机驱动模块； 平行四边形机械臂伺服电机驱动模块；移动机械臂行走测速模块；光学导引模块； 移动机器人行走避障模块；二维码导航识别模块；多方 WIFI 通讯模块以及末端夹持器压力测试模块。5.2 单片机主控模块（Main Control Module）主 控 模 块 MCU 采 用 STM32F407ZGT6 。MCU 在整个系统中发挥着绝对控制作用，与电机驱动模块、摄像头识别模块、测速传感器、红外传感器等都进行着实时通讯，并与 PC 端进行指令的传输，61对各个模块进行控制。表 5-1 所示为 STM32F407ZGT6 硬件参数。图 5-3 为STM32F407ZGT6 原理图。表 5-1 STM32F407ZGT6 硬件参数Table 5-1 STM32F407ZGT6 hardware parameters图 5-3 STM32F407ZGT6 原理图Figure 5-3 STM32F407ZGT6 schematic diagram5.3 直流电机驱动模块（DC Motor Drive Module）5.3.1 驱动器选型BD15L-C 直流无刷电机驱动器针对低压直流无刷电机驱动，适用于功率为48V、440W，或 24V、300W 的三相直流无刷电机的转速调节。图 5-4 为信号输出原理图。图 5-5 为驱动器接口示意图。图 5-4 信号输出原理图Figure 5-4 Schematic diagram of signal output图 5-5 驱动器接口示意图Figure 5-5 Schematic diagram of the drive interface5.3.2 PWM 调速电路设计脉冲宽度调制(PWM)，是一种常用的电机调速方式，其含义是利用“0”、“1”的数字输出形成脉冲，通过控制输出时间和频率，形成不同的脉宽，叨叨对模拟电路的控制29。STM32F407ZGT6 除了 TIM6 和 7，其他的定时器都可以用来产生 PWM 输出。STM32F407ZGT6 最多可以同时产生 30 路 PWM 输出。因此本设计中不再外接 PWM 波外部电路。本设计中移动机器人采用直流无刷电机，其机械特性公式:n = UItRCe（5-1）公式 5-1 中各参数含义如下：由上面公式可以计算出在电机额定工作状态下：C = UNINR = 211.60.2 = 0.216V/(推/mn)（5-2）e NnN100根据前面对小车的运动分析，得到了电机 7 种工作转速；n1 = 7.75推/mn， n2 = 6.18推/mn，n = 2.7推/mn，n = 0.6推/mn，n5 = 26.8推/mn，n6 = 2.59推/mn，n7 = 21.12推/mn。为了保证电机实处转矩不变，不影响移动机器人搬运能力，本设计采用用降压调速方法：U = CeNn + INR（5-3） 计算在转向中，针对上文中不同差速位置的转向速度要求，计算得到相应电压：U1 = 0.216 x 7.75 + 11.6 x 0.2 = 12.6(V) U2 = 0.216 x 6.18 + 11.6 x 0.2 = 10.1 V U = 0.216 x 2.7 + 11.6 x 0.2 = 9.8 VU = 0.216 x 0.6 + 11.6 x 0.2 = 8.9 V U5 = 0.216 x 26.8 + 11.6 x 0.2 = 8.12(V) U6 = 0.216 x 2.59 + 11.6 x 0.2 = 7.6 V U7 = 0.216 x 21.12 + 11.6 x 0.2 = 6.88(V)根据驱动器的信号-速度转换特性，PWM 变换器的输出平均电压公式：U = (2p 1)Us（5-4）Us直流电源电压U平均电压p占空比将占空比与电压的关系式进行转换，可得不同平均电压对应的 PWM 占空比为：p = Us + U = 2 + 12.6 = 76.2%12Us8p = Us + U = 2 + 10.1 = 71.11%22Us8p = Us + U = 2 + 9.8 = 69.5%2Us8p = Us + U = 2 + 8.9 = 68.5%2Us8p = Us + U = 2 + 8.12 = 66.91%52Us8p = Us + U = 2 + 7.6 = 65.90%62Us8p = Us + U = 2 + 6.88 = 6.%72Us85.4 移动机械臂行走测速模块（Speed Measuring Module）移动机器人依靠差速转向，因此需要对速度进行严格控制，霍尔传感器是常用的测速传感器，具有灵敏度高，使用便捷的特点。此处对霍尔元件进行选型， 本设计中选用 CZ400 霍尔式转速传感器。CZ400 霍尔式转速传感器采用霍尔效应，在传感器内用稀土磁钢给霍尔器件建立初始磁场，当被测体上带有凸起（或凹陷）的磁性或导磁材料（磁钢）经过霍尔器件前方时，因为霍尔效应，磁场变化被霍尔元件检测，产生交变信号，依靠调理电路，最终将矩形波信号输出到 AD 转换器，最终成为数字信号进入单片机，该数字信号中体现了被测物的转速信息。CZ400 霍尔式转速传感器工作电压 24VDC，测量范围 015kHz。图 5-6 霍尔测速传感器电路图Figure 5-6 Circuit diagram of Hall speed sensor5.5 光学导引模块（Optical Guidance Module）5.5.1 光学导引设计红外线检测方法，即使用红外线在不同颜色的物体表面上具有不同的反射强度特性，在移动机器人行驶过程中连续向地面发射红外线，当红外线遇到白色地板时会发生漫反射，产生反射光，移动机器人上的红外接收管正在接收状态，三极管被导通，接收管打开，模块的输出端处于低电平；检测到黑色色带时，发射的红外光被吸收，反射管接收不到反射光，接收管处于关断状态。在关断状态下， 三极管被截止，输出引脚为高电平。MCU 根据是否接收到反射的红外光来确定黑线的位置和移动机器人的行走路线。油液实验室移动机器人采用TCRT5000 红外反射传感器，图5-7 为TCRT5000传感器电路原理图。图 5-7 红外光学传感器电路图Figure 5-7 Infrared optical sensor circuit diagram5.5.2 循迹控制逻辑当循迹传感器照到黑线时输出电平 0，照到白色时输出 1。本设计中 7 只红外线传感器，因此传感器反馈给单片机的信号有 3 种程度的偏移，7 种不同结果的信号。将传感器按从左至右 1-7 号编号。由运动学分析中得出结论可知，当不同位置传感器检测到信号时，电机转速控制算法如图 5-8 所示。图 5-8 循迹模块电机转速控制算法Figure 5-8 Motor speed control algorithm of tracking module根据 5.3.2 章节的计算结果，表 5-2 所示为 PWM 信号占空比与传感器信号以及电机转速的对应关系。表 5-2 导引信号位点与 PWM 控制对应关系Table 5-2 Correspondence between pilot signal position and PWM control传感器序号11000000p左 = 6.%n左 = 21.12推/mn,n右 = 6.18推/mnp右 = 71.11%20100000p左 = 65.90%n左 = 2.59推/mn,n右 = 2.7推/mnp右 = 69.5%30010000p左 = 66.91%n左 = 26.8推/mn,n右 = 0.6推/mnp右 = 68.5%40001000p左 = p右n左 = n右 = 7.75推/mn= 76.2%50000100p左 = 71.11%n左 = 0.6推/mn,n右 = 26.8推/mn传感器信号左右电机转速PWM 对应占空比p右 = 6.%60000010n左 = 2.7推/mn,n右 = 2.59推/mnp左 = 69.5%p右 = 65.90%70000001n左 = 6.18推/mn,n右 = 21.12推/mnp左 = 68.5%p右 = 66.91%结合上述传感器信号传输结果，可以得出传感器传递给单片机的信号，与单片机反馈给电机驱动器之间的对应关系。4.2 移动机器人行走避障模块（Obstacle Avoidance Module）HC-SR04 超声波测距模块可提供 2cm-400cm 的非接触式距离感测功能， 测距精度可达高到 3mm。HC-SR04 模块已集成了超声波发射器、接收器与控制电路，可直接与 MCU 相连，不需要外接转换芯片。图 5-9 超声波传感器电路原理图Figure 5-9 Ultrasonic sensor circuit schematic超声波传感器基本工作原理:(1)采用 I0 口 TRIG 端口触发测距，单片机发送给 TRIG 端口 10s 的高电平信号即可出发测距。(2) HC-SR04 模块发射端自动发送 40khz 的方波，接收端不断检测返回信号; .(3)当检测到返回信号，ECHO 端口范送给单片机的信号由低电平变为高电平。超声波从发射到被检测到返回的时间就是单片机接收到的高电平时间。根据物理学中，声波的计算方法，测试距离 S 为，S = T x v/2，其中 T 是声波往返时间，v 是声速，取值 340m/s。图 5-10 超声波传感器时序图Figure 5-10 Timing chart of ultrasonic sensorHC-SR04 使用方法简单，一个控制口向 Trig 发一个 10s 以上的高电平，在接收口 Echo 等待高电平输出即可。一有输出就可以开定时器计时，当此口变为低电平时就可以读定时器的值，此时就为此次测距的时间，方可算出距离。如此不断的周期测，即可以达到你移动测量的值。STM32 有输入捕获模式可以用来测量脉冲宽度或者测量频率,在于超声波传感器一起使用时，可用输入捕获模式测量 ECHO 端输出回响信号时长。4.3 二维码导航识别模块（QR Code Navigation Module）4.3.1 摄像头选型OV5640 是一颗 CMOS QSXGA（25921944）图像传感器。OV5640 模块体积小（0.25 寸），工作电压适合连接单片机使用，且功能较为齐全，性价比高。图 5-11 OV5640 电路原理图Figure 5-11 OV5640 circuit schematic从图中可以看出，OV5640 自带有源晶振，用于产生 24M 时钟。作为 OV5640 的 XCLK 输入，模块的闪光灯(LED1&LED2)由 0V5640 的 STROBE 脚控制(可编程控制)。同时自带了稳压芯片，用于提供 OV5640 稳定的 2.8V 和 1.5V 工作电压，模块通过一个 29 的双排排针(P1)与外部（MCU）通信，与外部的通信信号如表 5-3 所示：表 5-3 OV5640 外部的通信信号Table 5-3 Communication signals external to OV5640图 5-12 OV5640 行输出时序Figure 5-12 OV5640 line output timing图 5-12 为 OV5640 的行输出时序。OV5640 与 STM32F407ZGT6 连接采用 8 位接口，每个时钟周期（PCLK）输出 8 位数据（一个字节），一个像素由两个字节组成。因此得到每行图形需要 5184 个 PCLK 周期。图 5-13 为帧输出时序图。图 5-13 OV5640 帧输出时序Figure 5-13 OV5640 frame output timing图 5-12 和 5-13 清楚的表示了 OV5640 在 QSXGA 模式下的数据输出。我们按照这个时序去读取 0V5640 的数据，就可以得到图像数据。4.3.2 二维码识别二维码是生活中非常常见的信息标识，黑白相间的图案组成代表特定安逸的几何图形，并且与计算机“0”、“1”的内部逻辑可以相互转换，巧妙实现了图形和数字逻辑的对应衔接。虽然二维码编码方式有很多种，目前主流的编码方式成为 QR Code。图 5-14 为二维码基本构造。图 5-15 为各构造区的功能示意图。二维码在信息存储量和存储种类上具有显著的优势，包含有数字、文本等各种信息。本设计中识别的二维码类型是我们最常用的和见到的 QR 二维码。图 5-14 QR 二维码构造框图Figure 5-14 Block diagram of QR code construction图 5-15 QR 码分区功能Figure 5-15 QR code partition function根据国家标准对二维码的编解码有关规定，在实际程序编写时，二维码解码流程如图 5-16 所示。70图 5-16 QR 二维码解码流程Figure 5-16 QR code decoding process3.2 WIFI 多方通讯模块（WIFI Communication）STM32F4 开发板带有一个无线模块（WIRELESS）接口，采用 8 脚插针方式与开发板连接，可以用来连接 NRF24L01/RFID 等无线模块。本设计中选用NRF24L01 为主芯片的无线模块。NRF24L01 是一款成熟的 2.4GWiFi 通讯芯片， 数据传输稳定，编程测试非常成熟。图 5-17 NRF24L01 电路原理图Figure 5-17 NRF24L01 circuit schematic在 PC 端，可以使用一个 USB 串口版本的 NRF24L01 无线芯片。USB 串口和 TTL 串口本质上都是串口，USB 版本是加了 USB 转串口 TTL 的芯片，接口形式在电脑上识别出来是 COM 设备，TTL 无线串口，串口电平是 TTL，可以直接接单片机串口。通过这两个 2.4G 无线芯片，STM32 单片机和 PC 端实现通讯和信息互传。图 3-18 为 PC 与一个或多个 MCU 通讯的原理图。图 5-18 PC 与一个或多个 MCU 通讯Figure 5-18 Communication between PC and one or more MCUs3.3 末端夹持压力传感模块（Pressure Sensing）上文中提到，机械臂手部的末端夹持器设计为卡钳式，并且在末端设计一橡胶质地的包套，以增大摩擦力，增加弹性。为防止把玻璃试管夹碎，在夹持末端加设了一个压力传感器，通过实验法设定合理压力，防止压力过大导致试管破碎。压力传感器模块采用 24 位高精度的 A/D 转换器芯片 HX711。HX711 具有两路模拟通道输入，内部集成 128 倍增益的可编程放大器。本设计中，输入电路全桥测量式压力传感器模式。使用时设计在末端执行器上贴应变片。应变片布置原理示意图和 HX711 转换芯片连接方式如图所示。图 5-19 应变片布置原理示意图Figure 5-19 Schematic diagram of strain gauge layout principle图 5-20 HX711 转换芯片连接方式Figure 5-20 HX711 conversion chip connection3.4 本章小结（Summary）本章进行了移动机械臂的电控部分设计。根据需求，选择了移动机械臂的主控制芯片，设计控制电机速度的 PWM 调速电路。根据 PWM 调速的控制方法，编写电机变速程序。对红外线传感器、超声避障传感器、二维码识别摄像头、霍尔测速传感器、WiFi 通讯模块、压力传感器进行选型，并分别设计相关电路。根据工作流程绘制了完整的程序控制流程图，使各个模块协调工作。6 油液旋转平台设计4 油液旋转平台设计3 Design of Oil Rotating Platform3.1 油液旋转平台结构设计（Structure Design）3.1.1 油液旋转平台注液模块设计根据第二章对油液分析实验要求，在进行油液定性定量分析时。要保证油液磨粒不受破坏，并且油液中的物质和磨粒均匀分布。因此采用气压输送，非接触涡旋混匀仪混合。首先，依据气压输送油液方案，对注液流程进行设计30。如图 6-1 所示，注液模块由三个微量泵和一个没涡旋混匀仪构成。其中微量泵 1 向涡旋混匀仪的封闭混匀区施加气压，将混匀区的待装油液泵出，输入试管中。微量泵 2 联通四氯乙烯试剂瓶，四氯乙烯用于清洗混匀区的油液残留，清洗完成后，混匀区的废液通过微量泵 1 加压排出混合区。微量泵 3 连接油样贮存瓶， 通过施加气压将油液压入涡旋混匀仪的混匀区。图 6-1 注液模块组成原理图Figure 6-1 Schematic diagram of the composition of the liquid injection module图 6-2 注液模块流程图Figure 6-2 Flow chart of liquid injection module如图 6-2 为注液模块的流程图，当注液模块接到指令开始工作时，首先，微量泵 3 将油液注入油液混匀区。微量泵 3 结束工作后，微量泵 2 按照微量泵 3 注入的油液量和给定稀释比例（通常为 1:10）泵入四氯乙烯。之后涡旋混匀仪开始工作，涡旋混匀仪将油液中的磨粒摇匀并使四氯乙烯和油液充分混合。最后微量泵 1 将油液通过气压压出，输送到旋转台上的试管。（3）硬件选型微量泵采用兰格 YZ1515X，涡旋混匀仪选用 WEISI 公司 NP30S。3.1.2 油液旋转平台传动设计（1）环形导轨选型在本设计中，考虑到载重物为小型试管，负载轻，因此主要基于对速度的要求对传动进行选型。其中，两个载物台之间距离为 150mm，从一个站点开始旋转到下一站点结束所用时间约为 5s，加速时间为 1s，设载物台和试管油液总重为 1kg。图 6-3 同步带驱动环形导轨线Figure 6-3 Timing belt drive ring guide line在本设计中，选用同步带传动形式。根据所占尺寸对环形导轨系统选型，将直线导轨+圆形导轨+滑块的装配体作为整体选型，此处选用 SB-LGV25A 550-CR25 351 R180 组合装配体。图 6-3 位同步带驱动的环形导轨输送线。其中直线导轨 SB-LGV25550，滑块型号 SB-SLC25A，滑块基本尺寸为 8080mm，导轨最宽度宽度 25mm，长度 550mm。圆形导轨 SB-CR25 351 R180，公称直径为 351mm，圆弧段角度为 180， 导轨最宽度宽度 25mm。（2）同步带及同步带轮选型根据实验室油液旋转平台的尺寸需求，对同步带以及带轮进行选型。H 规格同步带传动精度，传动效率高，且拥有较大范围的负载和速度比，可用于高精度传动和输送设计和大部分机构设备。因此本设计中采用 H 规格同步带及带轮。本设计中，选用 MISUMI 生产的成套的同步带及带轮。带轮型号：ATP50H100-A-P30同步带型号:ATBT-1500T10250-B-P150-NB表6-1为ATP50H100-A-P30同 步 带 轮 参 数 表 ， 表6-2为ATBT-1500T10250-B-P150-NB 参数表。表 6-1 ATP50H100-A-P30 同步带轮参数表Table 6-1 ATP50H100-A-P30 synchronous pulley parameter table种类使用皮带宽度带轮附件同步带轮25.4mm A 型带种类齿数材质H 50钢 S45C 相当表 6-2 ATBT-1500T10250-B-P150-NB 参数表Table 6-2 ATBT-1500T10250-B-P150-NB parameter table种类皮带宽度附件种类同步带25mm B 形状附件安装间距齿数材质150mm 150聚氨酯（3）电机及中空旋转平台选型根据同步带以及试管移动速度，对电机和减速器进行选型。已知皮带运行速度约为 0.03m/s，加速时间为 1s。对于在滑轨上的工件F = Ft + F算（6-1）其中 Fa 是最大加速力，Ff 是需要克服的摩擦力。所有滑座及其上工装/工件的总质量，乘于最大加速度，就可得出需要的最大加速力。所有滑座及其上工装/工件的总重量，乘于摩擦系数 0.02，就可算出需要克服的摩擦力。上述数值加在一起的值，乘于工况系数，就是需要的线性力 F。F = Ft+ F算= 0.0 + 1 x 9.8 x 0.02 = 0.226N 1假设 10 个载物台处于对称位置，如图 4-3 所示，测量得主动轴圆心距离远端两个载物台垂直距离为 0.564m，此时计算力矩 T：T = 0.226 x 0.1755 x 8 + 0.226 x 0.56 = 0.5N 图 6-4 转矩计算位置图Figure 6-4 Torque calculation position根据转矩，选择步进电机 HSTM42-1.8-S-60-6-1.2。主要参数见表 6-3。表 6-3 HSTM42-1.8-S-60-6-1.2 步进电机参数表Table 6-3 HSTM42-1.8-S-60-6-1.2 stepper motor parameter table通常所说的整步（一细分）是指一个脉冲步进电机运行 1.8，由此转一圈360需要 200 步，即 200 个脉冲信号。下表为细分数和电机转速之间的关系。表 6-4 细分数和电机转速关系Table 6-4 Relationship between subdivision number and motor speed对步进电机采用 16 细分，每秒转速为 0.3125r/s。配套中空旋转平台选择 ZJC84-200-ST-RR-10，为电机轴与转盘中心轴垂直为旁轴式旋转平台，在本设计中更为节省空间，并且定位精度很高，满足设计要求的前提下节约了成本。中空旋转平台因为其结构特点还具有方便安装维修的特点。图 6-5 中空旋转平台Figure 6-5 Hollow rotating flat 表 6-5 中空旋转平台参数表Table 6-5 Hollow rotating platform parameter tableHSTM42-1.8-S-60-6-1.2 步进电机和 ZJC84-200-ST-RR-10 中空旋转平台配合使用，在旋转过程中，步进电机额定转速为 n1=0.3125r/s，旋转平台的输出端转速为 n2=0.03125r/s，即皮带线速度为 34mm/s，基本满足设计要求。3.1.3 油液旋转平台关键零部件校核（1）同步带校核剪切应力验算rp为许用剪切应力p为许用压强r = x 10 r（6-2）p1.msZmvp = x 10 （6-3）0.6msZmv其中，为设计功率，=KA，m 为模数，bs 为带宽，Zm 为小带轮啮合齿数，v 为带速。根据选型相关规格，可知传递功率 P=0.088W,工况系数 PA 取 1.3。同步带轮模数 m=4，带速 v=0.98m/s，bs=25.4，Zm = en出t Z1 Z1 (Z2 Z1)22兀2A本设计中，由于两同步带轮齿数相同，所以 Zm=25。因此，代入数值可得r = 0.012； = 0.0288；查聚氨酯同步带许用压强 pp和许用剪切应力p 数值表后可知，转速 n100rpm 时，pp=2-2.5，p=0.5-0.8。由此可知，同步带设计强度符合要求。（2）滑块滑轨寿命校核选购导轨和滚轮时，滚轮的硬度和强度都弱与导轨，因此校核是应当滚轮的寿命。通常，滚轮寿命的计算需要预先指导其载荷系数。载荷系数跟系统的使用环境，载荷、润滑密切相关。图 6-6 为滑块哎=在滑轨上运行时的受力分析示意图。图 6-6 滑块导轨受力图Figure 6-6 Force diagram of the slide rail载荷系数计算公式如下：LF = Fy + F + h + y + （6-4）FyAFAhAyAA式 6-4 中，LF 载 荷 系 数 ，LF 必 须 小 于 1.0 FyY 向 的 实 际 载 荷 (N) FzZ 向 的 实 际 载 荷 (N) MxX 向 的 实 际 扭 矩 载 荷 (N.m) MyY 向 的 实 际 扭 矩 载 荷 (N.m) MzZ 向的实际扭矩载荷(N.m)FYmax、FZmax 分别为 Y、Z 向最大承载力；Mxmax、Mymax、Mzmax 是 X、Y、Z 向扭矩的最大承载能力(N.m)。根据选型查表可得，FYmax=400、FZmax=400、Mxmax=4.5、Mymax=200D、Mzmax=200D。图 6-7 导轨滑块装配体截面图Figure 6-7 Cross-sectional view of the rail slider assembly受力分析后计算得到各方向受力值和扭矩值：Fy=9.8 N Fz=5.7 NMx=5.70.05=0.285 N.M My=0Mz=0代入公式后可得：79因此，满足设计要求。LF = 0.102116.2 油液旋转平台电控设计（Electric Control Design）6.2.1 主控单元油液旋转平台主控模块选用 STM32F103ZET6 芯片。表 6-6 为 STM32 F103ZET6 基本参数。表 6-6 STM32F103ZET6 参数表Table 6-6 STM32F103ZET6 parameter table WIFI 通讯WiFi 通讯模块选用与移动机器人相同的通讯模块，NRF24L01 无线模块在前文中已经详细介绍，此处不再进行赘述。通过 TTL 串口，将 NRF24L01 与 MCU 主芯片的 wireless 无线模块 8 排针串口相连，即可实现与上文中由 USB 转接的 NRF24L01 芯片连接的 PC 端通讯， 或者与移动机器人上的 STM32F407ZGT6 通讯。当油液旋转送样平台完成油样分样以后，传输信号给 PC 端，PC 端发送指令使移动机器人前去取样，完成工作配合。 微量泵控制微量泵选用兰格恒流泵有限公司生产的 T60-S4/WX10-14 型微量泵。该微量泵属于底板安装方式，能够提供 0.1-24ml/min 的流量。转速可以调节，本设计中采用单片机外控，调节转速、开关量控制启停和方向。外形美观，体积小，操作简便直观，供电电源要求为直流 11.4-25.2V 范围均可以，适合 OEM 配套适用。图为所选微量泵的系统结构图。图 6-8 微量泵三维结构图Figure 6-8 Three-dimensional structure diagram of the micro pump 软管选型微量泵软管的质量在实际运输中起着十分重要的作用。对软管的选择需要考虑以下因素：软管弹性适中，受压后可较快恢复形状耐磨性较好具有一定抗压能力气密性较好软管主要选择参数是内经和壁厚，材质为橡胶、硅橡胶等。表 6-7 为常用微量泵的软管参数表。根据图 6-9 中 T60-S4/WX10-14 微量泵的拉转速流量关系， 对表 6-7 中软管进行选型。表 6-7 微量泵软管参数表Table 6-7 Micro pump hose parameter table图 6-9 T60-S4/WX10-14 转速流量曲线表Figure 6-9 T60-S4 / WX10-14 speed and flow curve table根据上文中微量泵规
- 温馨提示:
1: 本站所有资源如无特殊说明，都需要本地电脑安装OFFICE2007和PDF阅读器。图纸软件为CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.压缩文件请下载最新的WinRAR软件解压。
2: 本站的文档不包含任何第三方提供的附件图纸等，如果需要附件，请联系上传者。文件的所有权益归上传用户所有。
3.本站RAR压缩包中若带图纸，网页内容里面会有图纸预览，若没有图纸预览就没有图纸。
4. 未经权益所有人同意不得将文件中的内容挪作商业或盈利用途。
5. 人人文库网仅提供信息存储空间，仅对用户上传内容的表现方式做保护处理，对用户上传分享的文档内容本身不做任何修改或编辑，并不能对任何下载内容负责。
6. 下载文件中如有侵权或不适当内容，请与我们联系，我们立即纠正。
7. 本站不保证下载资源的准确性、安全性和完整性, 同时也不承担用户因使用这些下载资源对自己和他人造成任何形式的伤害或损失。
人人文库网所有资源均是用户自行上传分享，仅供网友学习交流，未经上传用户书面授权，请勿作他用。
川公网安备: 51019002004831号