喂饭机器人设计

PAGEI摘要喂饭机器人属于服务机器人范畴，它通过模拟正常人进食时餐勺的取饭、送饭和喂饭动作，来帮助人就餐。世界上的肢体残疾人很多，且在这些人中上肢残疾者占有很大的比重，因此设计一款简单实用的喂饭机器人来帮助残疾人就很必要。本文主要目的是介绍我组的这阶段的工作内容以及取得的阶段性成果，并且对项目过程中所遇到的问题进行总结分析。我组的主要工作是结合国内外喂饭机器人的研究现状，在分析现有喂饭机器人的优缺点后，自主设计一款四自由度喂饭机器人，包括机器人的总体方案以及整体的控制方案。首先经过小组讨论确定了项目题目--喂饭机器人，并且在机电一体化讨论课上进行了汇报，通过分析验证确定了喂饭机器人的总体方案，通过solidworks软件对喂饭机器人进行了三维建模及仿真，确定了机器人各部分的尺寸，同时对重要受力部分进行了受力分析，并且运用Ca'x'a对机器人主要零件进行了详尽的二维图设计；利用机器人学的方法以及Matlab软件进行了运动的正逆分析以及轨迹规划，为编写控制程序确定基础；利用接口技术、微机原理、单片机等学科知识进行电路的搭接以及软件的编写，通过STM32芯片控制喂饭机器人各关节的运动。通过小组各成员的共同努力，我们完成了主要的工作，包括三维建模，二维图绘制以及STM32芯片的控制程序，经过不断的调试，虽然最后系统不是很稳定，但是也可以实现了喂饭动作，我们会在今后进行更深入的研究。关键词：STM32PWM控制舵机串口喂饭机器人PAGEIII目录TOC\o"1-3"\h\u5697第一章设计综述 1315361.1智能机器人系统国内外发展现状 1225581.1.1我国智能服务机器人发展状况分析 1302991.1.2国外智能服务机器人发展状况分析 2133101.1.3喂饭机器人发展状况分析 3193801.2智能机器人系统设计任务概述 414421.3课程设计主要内容 515320第二章方案设计 6306302.1机械结构方案设计 6188432.2驱动方案选择 685922.3功能模块的选择 7221172.4结构的合理性及参数的合理性 920279第三章机械系统设计 12303313.1机械系统总体方案 1211383.2关键尺寸设计 13257143.3关键零部件结构设计 13100343.4驱动关节运动轨迹规划 1730051第四章控制系统设计 21193134.1控制系统总体方案 21152554.2运动控制器选型 22132564.3舵机控制设计 24116384.4电源供电电路设计 2587874.5传感检测外围电路设计 257874第五章软件系统设计 26111515.1软件系统总体方案 262645.1.1STM32固件库简介 26180305.1.2软件总体设计 26144575.1.3子程序设计 2783405.2位姿控制方案与流程 29242585.3速度控制方案与流程 30279445.4轨迹控制方案与流程 308665第六章装配与调试 31297066.1机器人系统整体装配 31155736.2系统调试流程与状况 31132606.2.1系统调试流程 31277906.2.2调试出现状况及解决方法 32297676.3设计创新点 32187326.4系统缺陷与改进 327127第七章市场应用前景分析 3316957.1应用前景分析 33172407.2目标人群 33260297.3营销策略 3317951项目心得 347077参考文献 353826附录一成本分析 364129附录二系统数学建模与轨迹规划 375952（1）运动学正解 3719979（2）运动学反解 4016548（3）雅可比矩阵 4229089（4）轨迹规划 436975附录三程序源代码 4491751.主程序（main.c） 4420922.定时器驱动代码（timer.c） 56300853.串口（usart.c） 60PAGE64第一章设计综述智能机器人系统国内外发展现状信息技术革新催生新型智能终端的兴起。相较工业机器人而言，在非结构化环境工作，智能\o"祈飞智能服务机器人"服务机器人具有更为灵活的智能化特征和服务特性，能够实现感知、决策、执行的系列功能，是一种新型的智能终端设备。智能终端经历了以PC为代表的个人计算机时代和以智能手机、平板电脑为代表的移动智能设备时代。随着机器人制造水平的不断提高，以及传感技术、智能技术、网络技术和云计算技术的持续突破，以智能服务机器人等为代表的新型智能终端逐渐兴起，在应用场景、应用模式方面更为多元便捷，成为互联网时代的发展新蓝海，是下一代连接人类与互联网的终端设备。应用升级推动“互联网+机器人”步入家庭。随着城乡居民消费结构的持续升级，以及信息消费、宽带中国、智慧城市、智慧家庭战略的不断推进，以智能服务机器人为代表的智能服务产品对提高生活品质、促进生活方式智慧化的作用日益凸显。智能服务机器人在养老看护、医疗保健、情感关爱方面具有独特的应用优势，其与互联网的融合创新，将推动智能服务机器人步入家庭，解决居民实际的生活需求。我国智能服务机器人发展状况分析智能服务机器人成为互联网巨头竞逐的新焦点。当前，智能服务机器人正处于产业发展初期，广阔的市场前+景致使科技巨头和各大互联网公司竞相布局，抢占战略制高点。谷歌相继收购Schaft、RedwoodRobotics、IndustrialPerception等9家机器人公司，在类人型机器人制造、人工智能、机器人协同等方面布局。不仅如此，谷歌还积极研发超快“量子计算机芯片”，使用亚原子粒子编码数据，显著提升计算速度，为机器人提供“智慧大脑”。百度成立的深度学习研究院，在语音识别、文字识别、人脸识别、异构计算、图像搜索等方面达到了世界领先水平。Facebook与纽约大学数据科学中心合作，共同探究数据科学、机器学习和人工智能等领域，并且成立了新的人工智能实验室。

产品功能持续升级，应用范围逐步扩大。以家庭智能服务机器人为例，按功能可分为居家养老类、社区服务类、家政清洁类和教育娱乐类。其中，中国科学院深圳先进技术研究院的老人助行机器人、上海弗徕威的社区监控管理机器人、苏州科沃斯/深圳银星科技的扫地机器人、北京紫光优蓝机器人都是其典型代表。按形态可分为硬件型和软件型，其中软件型机器人的代表是上海小i机器人，在语义理解、人工智能方面拥有多年技术积累，其智能客服、智能知识库、智能搜索产品得到广泛应用。当前，家庭智能服务机器人在扫地机器人、擦窗机器人等领域发展较早，基础较好，全球领先的机器人解决方案公司iRobot主打扫地机器人产品，2015年第四季度营收2.06亿美元，同比增长29.6%。世界机器人协会IFR预测，2013-2016年全球家庭智能服务机器人销量将达到1500万台，世界服务机器人2018年市场规模是2014年的五倍。

产业链日益完善，国内外仍有一定差距。智能服务机器人产业链可分为硬件设备层、平台支撑层、人工智能层和应用服务层。其中，硬件设备层包括控制系统、感知系统和移动系统，平台支撑层包括应用软件、操作系统和云计算/大数据，人工智能层涉及语音识别、语义识别和机器视觉，应用服务层包括居家养老服务、社区服务、家政服务和教育娱乐服务等。

目前，智能服务机器人产业正处于培育期，产业成熟度有待提高。智能终端和工业机器人起步较早，硬件设备层的控制系统和移动系统发展基础较好，但在人工智能方面仍有较大的提升空间。我国智能服务机器人与发达国家仍有一定差距，特别在伺服电机、人机交互、智能决策等方面技术对外依存度高。在我国智能服务机器人以科研院所为主导的研究体系中，产业化进程较为缓慢，产学研协同创新能力和产业链管控能力有待提升。

政府高度重视，多项政策相继出台。智能服务机器人是产业转型升级的重要前沿方向，受到企业和政府的高度重视。科技部印发《服务机器人科技发展“十二五”专项规划》，明确了要着力突破制约我国服务机器人技术和产业发展的关键技术，不断推出更具应用价值和市场前景的产品，积极探索新的投融资模式和商业模式，努力打造若干龙头企业，把服务机器人产业培育成我国未来战略性新兴产业。深圳、上海、北京等地高度重视智能服务机器人等智能服务产品的发展，将其作为重点培育的新经济增长点。国外智能服务机器人发展状况分析美、欧、日是工业机器人主要生产国家和地区，掌握着大多数的核心技术，美、德、日、韩等国家都已形成了各具特色的发展模式。美国模式的特点是整体研发设计与对外采购机器人本体相结合，重在系统开发与应用。德国模式的特点是一揽子“交钥匙工程”，即机器人本体的生产和用户所需要的系统设计制造全由一家机器人厂商完成。日本模式的特点是产业链整体推进。韩国模式是采购与成套设计、集成相结合，机器人企业通常通过进口关键零部件，自行设计、制造配套的外围设备。美国：占领军用产品前瞻高端市场，军民转化带动整体发展。美国是机器人的诞生地，在机器人高端技术领域拥有绝对的优势，特别是美国国防先进计划局（DARPA）在服务机器人领域的技术遥遥领先，占据军用服务机器人产品的前瞻市场，2013年，世界销售的15000台军用机器人之中，有63%来自美国。美国信息、材料、制造、生物等各方面技术基础雄厚，借助先进的军用服务机器人发展契机，大力发展服务机器人产业，特别是高端拟人服务机器人。随着美国制造业转型和回归，美国工业机器人市场增长速度迅猛，工业机器人使用量和市场规模仅次于日本。日本：保持工业机器人领先优势的前提下，大力发展服务机器人应对老龄化社会。日本是工业机器人使用量最大的国家，工业机器人产业发展最具竞争力。世界前10位工业机器人生产商占据了全球工业机器人生产总量的8%，其中4个在日本。日本工业机器人产量占世界总产量的70%以上，特别是工业机器人减速机，占据超过85%的世界市场，工业机器人成为日本的支柱性产业。2010年以后，随着日本老龄化社会加剧，日本将发展服务机器人作为重大国策予以全面推进。欧洲：以“工业4.0计划”创造巨大市场需求，标准化、模块化带动机器人产业整体发展。欧洲将机器人的概念进一步延伸，标准化、模块化、智能化、网络化成为欧洲机器人发展的重要方向。工业4.0计划、智能工厂等创造了机器人技术和零部件的巨大需求市场，机器人和传统机器的结合、机器通过网络和人的结合等，使得工业机器人、服务机器人之间概念开始模糊，机器人技术和产品开始向传统产业渗透。俄罗斯：注重军用机器人技术，重大科考类服务机器人技术领先。前苏联早在第九个五年计划（1970年一1975年）开始时，就把发展机器人列入国家科学技术发展纲领之中。经过30多年的努力，俄罗斯机器人在数量、质量水平上均处于世界前列地位。特别是俄罗斯轮式、多足军用机器人技术、水下服务机器人、航天服务机器人等，可以和美国竞争。喂饭机器人发展状况分析随着社会的发展和进步，喂饭机器人越来越引起人们重视。喂饭机器人涉及了许多技术并已经成为服务机器人领域的研究热点之一。助餐机器人的研究源于欧美。80年代初，荷兰，法国分别开发了机械手RSI及MANUS服务机器人，虽然这两款机器人不是专门应用于喂饭，但揭开了全球喂饭机器人研究的序幕。之后欧、美、日、加、澳等发达国家出现了一系列喂饭机器人，较成功的有英国的Handy1，日本的MySpoon，德国的FRIENDII，美国的ISAChumanoidrobot等喂饭机器人。我国早在十一五期间，国家科技部组织863计划课题组先进制造与自动化技术领域和国家自然科学基金会信息科学领域专家，联合召开了智能服务机器人发展战略研讨会，国内外相关领域的专家重点围绕世界及我国服务机器人的发展动态、方向及机器人技术的发展重点等问题进行深入研讨。中国残联近年成立了直属的中国残联康复部，地方各级残联成立了各级康复机构，从此我国康复服务机器人有了技术、市场和国家宏观政策的大力支持，步入高速发展的快车道，各种康复、服务、护理辅具及机器人产品相继问世，逐渐改善着残疾人群的日常生活质量。随着我国社会主义和谐社会的建立，人们对康复助残，敬老扶弱等社会服务问题越来越关注。爱老，助残成为我国社会发展的一大主题。近年来，手残患者的饮食护理问题逐渐引起政府，社会和商家的关注。个人家庭，养老机构，大中型医院，社区服务中心，康复中心等逐渐引进了一些喂饭机器人产品。在国际市场上，残疾人助餐服务类机器人产品已经成为一颗新星。有些喂饭机器技术已经产品化，走进了残疾患者的饮食护理生活。目前我国喂饭机器人产品全部依赖进口，这就给我国具有自主知识产权和高性能价格比的喂饭机器人提出了迫切的需求。我国对喂饭机器人研究较晚，随着需求的牵引和对服务机器人发展的重视，国内相继涌现出一些喂饭装置和设备。2006年全国大学生机械设计创新大赛主题为“康复与爱心”，期间涌现出了一批喂饭机器人科技创新作品，拉开了我国喂饭机器人的研究序幕。广东工业大学开发的助餐作品，该喂饭机器人虽然具有帮助残疾患者进餐和翻书的双重功能，但是该作品无任何电机驱动，所以机器人的功能实现全靠患者脚部运动，因此该作品还停留在学生科技创新作品的初级阶段。2006年全国机械设计创新大赛中，海军工程大学研制的喂饭机器人仅采用了一个动力源就实现了取餐动作，餐桌具有旋转功能，三个餐盘可轮流出现在正前方的取餐位置，在一定程度上弥补了取反机械臂无空间旋转自由度的缺点，使机械臂能取到所有餐盘中的食物。然而由于机器人只有一个自由度，餐勺在餐盘中的取餐位置比较固定不利于使用。哈尔滨工程大学开发的早期MYTABLE系列助餐机器人，为国内较成熟的助餐机器人作品，包括桌面旋转机构，机械手旋转、升降机构和取餐机构。加入旋转餐桌结构后，减少了机械臂的自由度，机器人的人机交互方式为脚踏开关输入。残疾人能够像常人就餐一样坐于餐桌前，分别脚踏“供电”、“选餐”、“进餐”三个开关即可实现自主进餐。其应用基理是通过患者身体方便的部位来控制机器按钮，来帮助残疾人饮食。智能机器人系统设计任务概述在课程研究项目的基础上，自主设计一机械臂，进行机器人运动控制规划，完成如下具体功能：(1)按动开关，启动喂饭机器人；(2)实现定点取饭喂饭功能。机器人将完成一系列复杂的动作，进行协同作业。自主设计加工喂饭机器人的机械系统，并完成喂饭机器人系统的装配与调试。课程设计主要内容（1）资料分析：查阅相关文献资料，对资料进行分析总结。（2）机器人总体设计：确定机器人的具体任务要求，根据任务初步拟定机器人的技术参数、运动形式、机械结构、驱动方案、传动方案、控制方案等。（3）机器人机械结构设计：将机器人分解为底盘、旋转关节、执行机构等若干部分，分别对各个结构的关键部件进行详细设计并校核，绘制机器人总装图和关键零部件图。（4）信息检测及信息传输：根据任务要求，完成相关信息检测、处理，并完成信息的正确传输。（5）运动控制方案设计；基于位置信息，通过MATLAB反解角度，通过STM32完成机器人控制系统硬件和软件的设计和系统调试。（6）编制课程设计说明书。第二章方案设计2.1机械结构方案设计我组设计的喂饭机器人要能够实现从餐盒中取餐，并且对人喂饭，机器人要能够放在餐桌上，结构简单轻便，设计负载重量为0.2Kg。通过查阅诸多资料，发现喂饭机器人基本上都是由机械臂、执行机构、餐盘等部分组成。取饭装置有夹持方式和模拟人取食的“勺子运动取食”方式。采用夹持方式的机器人自由度较少，但只能取部分食物，对于汤等食物无法盛取；勺子运动取食由于需要依靠勺子模拟人类取食时勺子的运动轨迹取食，需要勺子能够有更多的自由度才能够实现多位置的取餐。因为初始阶段预定待取食物为米饭，为简化设计，采用勺子运动取食的方式。为了完成喂饭功能，讨论出以下几种结构方案。方案一：五自由度机械臂，本方案自由度较多，控制系统较复杂，机械精度等各方面要求较高；方案二：三自由度机械臂，本方案系统体积较大，机器人不便于使用也不人性化；方案三：四自由度机械臂，本方案控制系统较五自由度系统简单，且较三自有系统轻便，因此采用方案三，图2.1为其机构简图。喂饭机器人由底盘、连接臂、执行臂、执行机构组成，通过底盘回转关节、肩关节、肘关节、腕关节串联组成。图2.1喂饭机器人机构示意图2.2驱动方案选择电机是机器人所有运动的原动力，所以电机的性能好坏直接决定了整个机器人系统性能的优劣，减速器的作用是将电机输出的速度降低得到更高的输出力矩，电机的种类很多，有直流电机，交流电机，直流电机又有有刷电机和无刷电机等，为了提高机器人的稳定性和可靠性，机器人机械臂的惯量和质量越小越好，所以在选择电机时应在满足要求的前提下尽量选择体积小，质量轻的电机。下面是几种不同种类的电机。一是伺服电机，主要用于比较精准的位置、速度或力矩输出。准确讲，伺服电机不是一个电机，而是一个系统。伺服电机是一个电机系统，包含有电机、传感器和控制器；二是舵机，舵机是一个低端的伺服电机系统。它将PWM信号与滑动变阻器的电压相比较，通过硬件电路实现固定控制增益的位置控制，价格低廉，结构紧凑，但精度低，位置镇定能力较差，能够满足低端要求；三是步进电机，主要是依靠定子线圈序列通电，顺次在不同的角度形成磁场，推拉定子旋转。步进电机的好处是可以省去用于测量电机转角的传感器，因此在结构和价格上较伺服电机有一定优势。而且其位置和速度控制相对简单，其缺点是，第一，与同等功率的电机相比载荷比较小，没有角度传感器的情况下不能输出大力矩。第二，功耗相对较大，要么全开，要么全关。所以要么接近满功耗，要么就不能出力。步进电机一般只用于载荷较小且十分确定，位置精度要求不高，对体积敏感或在较低价格想要做到较高可靠性的场合。考虑到创新基地所具有的环境，以及从成本，控制成本等方面考虑，驱动方案采用舵机驱动。喂饭机器人用到两种舵机，分别为MG995舵机和舵机SM-S8166M。图2.2.1为MG995舵机参数，表2.2.1为SM-S8166M舵机参数。表2.2.1SM-S8166M舵机参数。2.3功能模块的选择1.降压模块LM2596数显可调降压模块

是直流降压稳压模块，带有电压显示功能，按键可切换输入或输出电压测量；具有输入反接保护，输出短路保护，过流过热保护等措施；模块全部采用优质元器件，用料讲究，布局合理，外观精美，性能稳定可靠。带电压表显示，电压表量程0～40V，误差±0.1V；轻触按键（短按）即可切换测量输入或输出电压，并有指示灯显示正在测量的是哪路电压；；特有的输入和输出自动转换显示功能，可实时监控电压；带电源指示灯，可指示是否有电源输入；带反接保护，反接不会损坏模块；带接线端子，方便使用。图2.2.1MG995舵机参数超声波模块DYP-ME007超声波测距模块可提供3cm--3.5m的非接触式距离感测功能，图1为DYP-ME007外观，包括超声波发射器、接收器与控制电路。其基本工作原理为给予此超声波测距模块一触发信号后发射超声波，当超声波投射到物体而反射回来时，模块输出一回响信号，以触发信号和回响信号间的时间差，来判定物体的距离。3.蓝牙模块HC05无线蓝牙串口透传模块引出接口包括VCC,GND,TXD,RXD,预留LED状态输出脚，单片机可通过该脚状态判断蓝牙是否已经连接，KEY引脚对从机无效。底板3.3VLDO，输入电压3.6~6V，未配对时电流约30mA，配对后约10mA，输入电压禁止超过7V。空旷地有效距离10米，超过10米也是可能的，但不对此距离的连接质量做保证。配对以后当全双工串口使用，无需了解任何蓝牙协议，但仅支持8位数据位、1位停止位、无奇偶校验的通信格式，这也是最常用的通信格式，不支持其他格式。在上述功能模块中，降压模块为系统必须的功能模块，而超声波模块和蓝牙模块将在后续设计中完善。2.4结构的合理性及参数的合理性为验证结构的合理性，进行有限元分析有限元分析（FEA，FiniteElementAnalysis）针对分析的真实物理系统使用数学近似的方法进行模拟。即利用单元（简单又相互作用的元素）去模拟真实的系统，这样就可以用有限数量的未知量去逼近拥有无限未知量的真实系统。有限元分析是一种简化分析方法，它使用较简单的问题替代复杂问题，然后对简单的问题进行求解并将其近似地认为是复杂问题的解。它把求解域看成是有许多称为有限元的小的而且在节点处相互连接的单元组成，根据其模型给出基本方程的单元近似解，然后推导求解这个域总的满足条件，从而得到分析对象的解。然而这个解并不是实际问题的实际解，而是近似解，因为分析时用了比较简单的问题去替代实际的分析对象。工程实践中，许多真实系统想要求得准确解释非常困难的，虽然有限元法分析出来的是近似解，但是使用计算机辅助手段进行分析后精度很高，而且能够适用在各种复杂系统当中，因而成为行之有效的工程分析手段。有限元法是用于求解工程中各类问题的数值方法。固体力学中的强度、稳定性、震动和瞬态问题；传热问题；电磁场问题；流体力学线性问题或者非线性问题都可以用有限元法来进行分析和研究。虽然不同的系统其物理性质和数学模型不一定相同，但其通过有限元法求解的基本过程是相同的，只是推导公式的具体过程和对方程进行求解过程不同。用有限元求分析系统的基本步骤通常由前处理、求解、后处理组成，具体细分可分为以下六步，第一步：对求解问题的求解域定义；第二步：对第一步中的求解域进行离散化；第三步：确定系统的状态变量及边界控制方法；第四步：对系统的单元进行推导；第五步：对单元方程进行求解；第六步：联立方程组求解和结果分析。目前有限元分析软件很多，如ANSYS、ABAQUS、ADMINA等，同时现在基本上所有的三维CAD软件都集成了有限元分析功能，由于采用的是SolidWorks软件对机器人各部分零件进行建模的，为了减少模型在格式转换过程中出现的错误和误差，采用SolidWorks自带的有限元模块对机器人的关键零部件进行静力学分析。由于底盘是整个机器人的基础，而且采用的是ABS材料，所以必须通过有限元分析底盘能否满足要求。材料选择底盘材料选择ABS材料，螺栓为标准件，材料定义如表2.4所示。材料的安全系数都采用材料的屈服强度。约束定力及载荷施加为了减少计算机的运算量，将底盘装配中没有必要的零件去掉，由于机器人所有重量是通过舵机摇臂将力传递到底盘上。所以分析时部件只包含底盘、舵机。名称材料常规质量密度屈服强度40.33MPa极限拉伸强度40MPa应力杨氏模量2.89GPa泊松比0.38ul切变模量1.0471GPa表2.4底盘应力分析主要材料特性根据上述分析，底盘受力是从舵机上传递过来的，所以在图2.4.1中给出了机器人所受的驱动的力为竖直向下的力，由SolidWorks软件测得机器人除去底盘的重量2kg，由于机器人还有惯性力以及工作时的阻力等，取底盘受力为50N，图2.4.2为固定约束。分析类型为静力学分析。图2.4.1受力图图2.4.2固定约束网格划分网格划分是有限元过程中极其重要的一步，特别是对于几何形状比较复杂的模型，网格划分的好坏直接影响到求解精度和求解时间，有时不合理的网格可能会导致求解过程的中断或者失败，网格划分精度越高，求解精度越高，分析结果也就会越精确，但是计算时间会越长，由于底盘结构不是很复杂，所以在进行划分时不需要进行局部细化等操作。图2.4.3为网格划分图。接触定力由于本分析是对装配图进行应力分析，所以分析时需要指定接触类型。如图2.4.3所示，底盘和舵机采用滑动/不分离的接触方式，所以选用粘合方式。图2.4.3网格划分当上述所有的前处理工作已经做完后，点击SolidWorks应力分析模块中的运行此算例按钮SolidWorks会根据上述定义的接触、载荷、网格情况等自动对底盘的受力情况进行计算。计算完后点击应力分析报告，会输出应力分析文档报告，从中可以获取所需要的信息。图2.4.4为应力彩图，图2.4.5为位移彩图。由图可知，整个底盘部件都在应力允许范围内。图2.4.4应力彩图图2.4.5位移彩图综合上述分析可知底盘能够满足使用要求。采用同样的方法对其他重要零部件，如连接臂、执行臂等进行静力学分析后都能够满足要求。机械系统设计3.1机械系统总体方案经过第二章中对喂饭机器人的结构方案设计选择，驱动方案的选择，以及SolidWorks中的simulation仿真分析，确定了机械系统的总体方案。下图3.1.1和图3.1.2为喂饭机器人系统的总装图，图3.1.3-3.1.6为各部件的装配图：图3.1.3为底盘装配图，图3.1.4为旋转底座装配图，图3.1.5为连接臂装配图，图3.1.6为末端执行器装配图。图3.1.1总装图图3.1.2总装图图3.1.3底盘装配图图3.1.4旋转底座装配图图3.1.5连接臂装配图图3.1.2末端执行器装配图3.2关键尺寸设计通过SolidWorks测量各部件的距离，得出下列尺寸：连接臂总长：275mm执行臂总长：155mm末端执行器总长：57mm旋转底座中心距离：114.27mm底盘长144mm高54mm勺子长154mm装配关系有MG995舵机与舵机盖的装配关系为，舵机盖与底盘装配关系为，舵机MG995与执行臂装配关系为，第四关节1与第四关节2的装配关系为，勺子与第四关节2的装配关系为。其他详细尺寸见二维图纸。3.3关键零部件结构设计关键零部件的结构设计采用SolidWorks软件建模，并且考虑到应力集中，加工以及装配等因素的影响，设计了如图3.3.1-图3.3.18所示的零部件。图3.3.1底盘图3.3.2底盘盖图3.3.3第四关节1图3.3.4第四关节2图3.3.5MG995舵机图3.3.6SM-S8166M舵机图3.3.7舵机盖图3.3.8舵机摇臂1图3.3.9舵机摇臂2图3.3.10舵机摇臂3图3.3.11饭盒图3.3.12勺子图3.3.13连接臂1图3.3.14连接臂2图3.3.15旋转底座1图3.3.16旋转底座2图3.3.17执行臂图3.3.18底板3.4驱动关节运动轨迹规划机器人轨迹规划通常有两种描述方法：关节空间描述法和直角坐标空间描述法；关节空间法首先需要在空间中找到期望的路径点，通过逆运动学方程计算得到期望的关节位置，然后在工作空间内，针对各个关节找到一个经过中间点到达目标终点的光滑函数，同时必须保证每个关节在起点、经过中间点、到达终点的时间为同一时间，这样便可保证机械手末端能够到达工作空间中期望的位姿。各个关节的光滑函数之间相互独立，只需要保证在关节点位置的时间一样即可。该方法有一个缺点就是在中间位置机器人的姿态是不可知的；其优点是计算量较小，不会出现奇异点。直角坐标空间描述法进行轨迹规划时需要反复求解逆运动学方程来求解机器人各个关节的角度，即关节空间轨迹规划方程求解出的是关节的关节角度值，直角坐标空间描述法轨迹规划方程求解出的值是机械手的末端位姿，然后需要通过计算逆运动学方程得到关节角度值。直角坐标空间描述法首先将起点到终点的轨迹分成若干段，使机器人在运动时经过这些分段轨迹的端点，并且在这些端点上计算机器人各个关节的关节变量。该方法的优点是路径可知其可控，但是其计算量大，容易出现奇异点。由于机器人在取餐时对勺子的姿态有要求且对运动过程中的路径也有要求，所以采用直角坐标空间来进行轨迹规划。在进行轨迹规划可以采用直线插补、圆弧插补、椭圆插补、样条曲线插补等等。在工业应用中，最实用的轨迹是点到点之间的直线运动，但也经常碰到多目标点(例如有中间点)间需要平滑过渡的情况。为了减少计算量我们采用直线插补，机器人在进行直线插补过程中，对机器人勺子关节的姿态有要求，具体规划步骤如下：（1）将时间增加一个增量t=t+△；（2）根据勺子末端运动轨迹的函数计算出勺子的位置和姿态；（3）根据机械手逆运动学方程求解得到对应于该位姿的各个关节角度；（4）将各个关节变量输送到机器人控制器。为了保证勺子的轨迹为直线，需要求解起点与终点位姿之间的变换，并将其划分为许多段。至少有以下三种不同方法可用来将该总变换化为许多的小段变换。保证在起点与终点之间有平滑的线性变换，因此需要大量很小的分段，从而产生了大量的微分运动。利用微分运动方程，可将末端手坐标系在每个新段的位姿与微分运动、雅可比矩阵及关节速度通过下列方程联系在一起。该方法需要进行大量的计算，并且仅当雅可比矩阵逆存在时才有效。（2）在起点和终点之间的变换分解为一个平移和两个旋转。平移是将坐标原点从起点移动到终点，第一个旋转是将末端手坐标系与期望姿态对准，而第二个旋转是手坐标系绕其自身周转到最终的姿态。所有这3个变换同时进行。（3）在起点和终点之间的变换R分解为一个平移和一个K轴的旋转。平移仍是将坐标原点从起点移动到终点，而旋转则是将手臂坐标系与最终的期望姿态对准。两个变换同时进行。机器人操作手插补运动方程的求解：由于只考虑在X-Z平面的运动，可以设起始点为速度为末端点为速度为，则通过机器人逆运动学即可求出各个关节分别在起点和末端点的角度，设第i各关节的运动方程为，则用三次函数表示为：（3-1）根据初始条件和末端条件：（3-2）对式（3-1）求导后得到（3-3）联合求解即可求出各个关节的运动方程为：（3-4）机器人运动从初始位置P1点开始运动到P2点从P1到P2点的运动为第一段运动轨迹，为一条直线，且是在X-Z面，所以y坐标为0，且运动轨迹为由于该条轨迹只需要知道起点和终点的位姿，即PTP方式，因此采用关节空间法进行轨迹规划：首先将运动直线分为n段来运行，通过逆运动学解出在点及处各个关节的角度。然后根据实际要求给定的各个关节在起点和终点的角加速度即可求出各个关节的运动方程，在此过程中，各关节运动终点的时间必须相等。第二段运动轨迹：机器人从点开始以圆弧运动，其中圆弧半径为R，圆心坐标为O2，终点为，在此过程中轨迹函数见式（3-5）（3-5）由于在这个过程中对机器人的路径有要求，所以采用直角坐标系空间法进行轨迹规划，设机器人通过n步从起点运动到终点。则对应于第i步有：（3-6）o与z夹角为（3-7）所以（3-8）通过逆运动学解出各关节角度及根据要求给定的角加速度后，按直线插补方式进行插补。只要在硬件条件满足的前提下，n越大，步数越多，精度越高。第三段轨迹：当机器走到圆弧终点后沿直线运动到点，取餐过程结束。由于机器人已经取完了食物，所以机器末端必须时刻保持水平状态，即有姿态要求：（3-9）所以采用直角坐标系空间法来进行轨迹规划，设机器人通过n步从起点运动到终点。则对应于第i步有：x4（3-10）（3-11）o与z的夹角为度，即：（3-12）通过逆运动学解出各关节角度后再根据给定的角加速度可解出各关节运动学方程。第四段轨迹：机器人喂食路径为末端从点沿直线运动到点。轨迹规划方法同第三段。第五段轨迹：机器人第五段轨迹为从点运动到，轨迹规划与第一段相同。控制系统设计4.1控制系统总体方案机器人的控制系统用于驱动器的驱动控制、路径控制、插补和坐标变换、周边装置控制等功能。控制系统涉及到了传感技术、驱动技术、控制理论和控制算法等相关理论和技术，机器人控制系统的优劣直接影响到整个机器人系统的性能，在机器人系统中有重要的作用。控制系统能准确无误地控制机器人的运动，该控制系统能够将24V的开关电源转换为能够供各部分使用的电源。由于机器人的工作对象为人，所以机器人控制系统必须能够保证机器人人机交互的安全。从而机器人必须满足以下要求：取饭要求：机器人能完成所有功能第一步是机器人必须能够取到食物，机器人在取餐时不能够将食物弄出餐盘，也不能对机器人本体造成伤害。喂饭要求：机器人取完食物后，需要将食物送到人能够吃的位置，必须保证机器人在将食物从餐盘里送到喂食位置这段过程中运动平稳安全要求：机器人必须保证在各种突发情况不会对人或者机器人本身造成伤害。机器人的运动会受到程序错误、控制电路出现故障、外界干扰、人类运动不确定性等因素的影响，所以机器人控制系统必须包含严格的安全保护系统。根据控制系统的要求建立如图4.1.1所示的机器人功能框图。图4.1.1机器人功能框图图4.1.2为喂饭机器人电路图图4.1.2喂饭机器人系统电路图4.2运动控制器选型运动控制器采用STM32芯片控制，作为喂饭机器人上的主控制器，需要处理的数据和事件比较多，因此需要一款功能强大的处理器——STM32这款32位的微处理器正是最佳的选择。下面将着重介绍STM32的强大的功能。STM32的突出的功能包括以下几点：1．性能强劲。在相同的主频下能做处理更多的任务，全力支持劲爆的程序设计。2．功耗低。延长了电池的寿命——这简直就是便携式设备的命门（如无线网络应用）。3．实时性好。采用了很前卫甚至革命性的设计理念，使它能极速地响应中断，而且响应中断所需的周期数是确定的。4．代码密度得到很大改善。一方面力挺大型应用程序，另一方面为低成本设计而省吃俭用。5．使用更方便。现在从8位/16位处理器转到32位处理器之风刮得越来越猛，更简单的编程模型和更透彻的调试系统，为与时俱进的人们大大减负。6．低成本的整体解决方案。让32位系统比和8位/16位的还便宜，低端的Cortex‐M3单片机甚至还卖不到1美元。7．遍地开花的优秀开发工具。免费的，便宜的，全能的，要什么有什么。正是基于以上这么多的优点，使得STM32成为本设计中喂饭机器人上的主处理器的最佳选择。下图4.2.1为STM32的系统结构图。图4.2.1STM32的系统结构图高级控制定时器由一个16位的自动装载计数器组成，它由一个可编程预分频器驱动。它适合多种用途，包含测量输入信号的脉冲宽度(输入捕获)，或者产生输出波形(输出比较，PWM，嵌入死区时间的互补PWM……)。使用定时器预分频器和RCC时钟控制预分频器，可以实现脉冲宽度和波形周期从几个微秒到几个毫秒的调节。高级控制(TIM1)和通用(TIMx)定时器是完全独立的，它们不共享任何资源TIM1定时器的功能包括：1.16位上，下，上/下自动装载计数器2.16位可编程预分频器，计数器时钟频率的分频系数为1～65535之间的任意数值3.4个独立通道：输入捕获，输出比较，PWM生成(边缘或中间对齐模式)，单脉冲模式输出，死区时间可编程的互补输出4.使用外部信号控制定时器和定时器互连的同步电路5.在指定数目的计数器周期之后更新定时器寄存器6.刹车输入信号可以将定时器输出信号置于复位状态或者一个已知状态7.如下事件发生时产生中断/DMA：（1）更新：计数器向上溢出/向下溢出，计数器初始化(通过软件或者内部/外部触发)（2）触发事件(计数器启动，停止，初始化或者由内部/外部触发计数)（3）输入捕获─输出比较─刹车信号输入4.3舵机控制设计舵机是一种位置（角度）伺服的驱动器，适用于那些需要角度不断变化并可以保持的控制系统

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舵机都有外接三根线，分别用棕、红、橙三种颜色进行区分，棕色为接地线，红色为电源正极线，橙色为信号线。电源线和地线用于提供舵机内部的直流电机和控制线路所需的能源．电压通常介于4～6V，一般取5V。图4.3舵机接线图其工作原理是：控制信号由接收机的通道进入信号调制芯片，获得直流偏置电压。它内部有一个基准电路，产生周期为20ms，宽度为1.5ms的基准信号，将获得的直流偏置电压与电位器的电压比较，获得电压差输出。最后，电压差的正负输出到电机驱动芯片决定电机的正反转。当电机转速一定时，通过级联减速齿轮带动电位器旋转，使得电压差为0，电机停止转动。舵机的控制一般需要一个20ms左右的时基脉冲，该脉冲的高电平部分一般为0.5ms~2.5ms范围内的角度控制脉冲部分。以180度角度伺服为例，那么对应的控制关系是这样的：

0.5ms—90度；

1.0ms—45度；

1.5ms0度；

2.0ms45度；

2.5ms90度；舵机的转动的角度是通过调节PWM（脉冲宽度调制）信号的占空比来实现的，标准PWM（脉冲宽度调制）信号的周期固定为20ms（50Hz），理论上脉宽分布应在1ms到2ms之间，但是，事实上脉宽可由0.5ms到2.5ms之间，脉宽和舵机的转角0°～180°相对应。有一点值得注意的地方，由于舵机牌子不同，对于同一信号，不同牌子的舵机旋转的角度也会有所不同。控制说明：舵机的响应时间对于控制非常重要，一方面可以通过修改PWM周期获得。另一方面也可以通过机械方式，利用舵机的输出转距余量，将角度进行放大，加快舵机响应速度。4.4电源供电电路设计图4.4供电电路图4.5传感检测外围电路设计图4.5.1超声波模块图4.5.2无线模块软件系统设计5.1软件系统总体方案5.1.1STM32固件库简介STM32的函数库是一个固件函数包，它由程序、数据结构和宏组成，包括了微控制器所有外设的性能特征。该函数库还包括每一个外设的驱动描述和应用实例。通过使用本固件函数库，无需深入掌握细节，用户也可以轻松应用每一个外设。因此，使用本固态函数库可以大大减少用户的程序编写时间，进而降低开发成本。每个外设驱动都由一组函数组成，这组函数覆盖了该外设所有功能。每个器件的开发都由一个通用API(applicationprogramminginterface应用编程界面)驱动，API对该驱动程序的结构，函数和参数名称都进行了标准化。所有的驱动源代码都符合“StrictANSI-C”标准（项目于范例文件符合扩充ANSI-C标准）。驱动源代码已经文档化，他们同时兼容MISRA-C2004标准（根据需要，我们可以提供兼容矩阵）。由于整个固态函数库按照“StrictANSI-C”标准编写，它不受不同开发环境的影响。仅对话启动文件取决于开发环境。该固态函数库通过校验所有库函数的输入值来实现实时错误检测。该动态校验提高了软件的鲁棒性。实时检测适合于用户应用程序的开发和调试。但这会增加了成本，可以在最终应用程序代码中移去，以优化代码大小和执行速度。因为该固件库是通用的，并且包括了所有外设的功能，所以应用程序代码的大小和执行速度可能不是最优的。对大多数应用程序来说，用户可以直接使用之，对于那些在代码大小和执行速度方面有严格要求的应用程序，该固件库驱动程序可以作为如何设置外设的一份参考资料，根据实际需求对其进行调整。本设计即是利用STM32中的固件库为基础而编写的，直接调用现成的外设驱动函数使得主程序变的更加简洁，可读性比较高。本设计中用到的固件库函数主要有时钟初始化相关的固件库函数、I/O口初始化相关的固件库函数和SPI总线接口相关的固件库函数。5.1.2软件总体设计设计程序时采用模块化的思想，将程序划分为几块，这样做即使得程序结构清晰、增强可读性，又使得程序在调试的时候可以单独对每个子程序分别调试，减少了程序调试的时间。本设计的源程序主要分为以下几个部分：时钟初始化子程序，GIPO初始化子程序，嵌套向量中断控制器(NVIC)初始化子程序，串口初始化，定时器初始化。软件的总体流程图如下图5.1.2所示。图5.1.2软件控制流程图5.1.3子程序设计时钟初始化子程序系统时钟SYSCLK可以选择三种类型的时钟提供：HSE、HIS和PLLCLK，其中HSE为外部高速时钟，可以由外部晶振电路提供，晶振电路分别接到SOC_IN和SOC_OUT即可，而HSI时钟信号由内部8MHz的RC振荡器产生，可直接作为系统时钟或在2分频后作为PLL输入，由于外部时钟源工作稳定而且时钟频率精确，所以本设计采用外部时钟源作为系统的时钟。STM32的系统时钟可以有内部的振荡器提供，也可以由外部的由晶振构成是振荡电路提供时钟，本设计中采用外部振荡电路为STM32提供稳定的时钟脉冲。由于STM32中的包含的大部分外设是在连续的时钟脉冲下才能正常工作，所以STM32中存在一些分频器和倍频器，这些分频器或倍频器将系统时钟进行分频或者倍频用来为相应的外设提供合适的时钟信号。本设计所需的STM32的模块包括TIM3和GPIOA、B口，串口，所以也要对外设的时钟进行设置。由于在APB1和APB2系统总线外设上，所以要对APB1和APB2总线的时钟频率进行设置。经过APB1与APB2的分频，将SYSCLK转换成可以进行外设及TIMX可以接收的系统时钟。在时钟初始化子程序中先对系统时钟的模式进行选择，即将系统时钟设置为HSE模式（外部时钟模式），然后设置AHB时钟等于系统时钟，且设置了低速或高速AHB，最后使能的时钟，时钟初始化子程序的流程图如下图5.1.3。图5.1.3时钟初始化流程图I/O口初始化子程序每个GPI/O端口有两个32位配置寄存器(GPIOx_CRL，GPIOx_CRH)，两个32位数据寄存器(GPIOx_IDR和GPIOx_ODR)，一个32位置位/复位寄存器(GPIOx_BSRR)，一个16位复位寄存器(GPIOx_BRR)和一个32位锁定寄存器(GPIOx_LCKR)。每个I/O端口位可以自由编程，然而I/0端口寄存器必须按32位字被访问。GPIOx_BSRR和GPIOx_BRR寄存器允许对任何GPIO寄存器的读/更改的独立访问；这样，在读和更改访问之间产生IRQ时不会发生危险。当作为输出配置时，写到输出数据寄存器上的值(GPIOx_ODR)输出到相应的I/O引脚。可以以推挽模式或开漏模式(当输出0时，只有N-MOS被打开)使用输出驱动器。输入数据寄存器(GPIOx_IDR)在每个APB2时钟周期捕捉I/O引脚上的数据。本设计使用的STM32的TIM_Channel_1234,其接口对应的是STM32上的PA6、PA7、PB0、PB1口。设计中PA6的通讯方式是推挽式输出方式，设置的最高输出速率为50MHz。PWM信号子程序脉冲宽度调制（PWM）是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。脉冲宽度调制模式可以产生一个由TIM3_ARR寄存器确定频率、由TIM3_CCRx寄存器确定占空比的信号。在TIM3_CCMRx寄存器中的OCxM位写入’110’，确定PWM模式1，能够独立地设置OC1输出通道产生一路PWM。通过设置TIM3_CounterMode设置其为向上计数，通过设置TIM3_CCMRx寄存器的OC1_PE位使能相应的预装载寄存器，最后还要设置TIM3_CR1寄存器的ARPE位使能自动重装载的预装载寄存器。因为仅当发生一个更新事件的时候，预装载寄存器才能被传送到影子寄存器，因此在计数器开始计数之前，必须通过设置TIM3_EGR寄存器中的UG位来初始化所有的寄存器。OCx的极性可以通过软件在TIMx_CCER寄存器中的CCxP位设置，它可以设置为高电平有效或低电平有效。OCx的输出使能通过(TIMx_CCER和TIMx_BDTR寄存器中)CCxE、CCxNE、MOE、OSSI和OSSR位的组合控制。在PWM模式1下，TIMx_CNT和TIMx_CCRx始终在进行比较，依据计数器的计数方向以确定是否符合TIMx_CCRx≤TIMx_CNT或者TIMx_CNT≤TIMx_CCRx。根据TIMx_CR1寄存器中CMS位的状态，定时器能够产生边沿对齐的PWM信号或中央对齐的PWM信号。5.2位姿控制方案与流程位姿控制是基于Matlab运动学反解，通过在Matlab程序中输入位置变量，求解出转角，再通过串口发送到STM32的控制程序中，控制舵机转动一定角度，从而到达设定的位置。下图5.2为位姿控制流程图图5.2位姿控制流程图5.3速度控制方案与流程速度控制及控制PWM波发生后的延时时间，延时时间短，则舵机转动相应转角的速度快，延时时间长，则速度慢。通过控制延时时间就可控制速度的快慢。5.4轨迹控制方案与流程喂饭机器人轨迹控制主要是基于MATLAB反解程序，根据给定的空间坐标点来反解出转角，再通过串口输送到STM32程序中，控制舵机运动。装配与调试6.1机器人系统整体装配根据3.2节中的装配关系，使用一系列的五金工具，完成硬件的装配。通过电路原理图进行电路的搭接。如图6.1.1为喂饭机器人整体装配效果图。6.2系统调试流程与状况6.2.1系统调试流程系统调试过程是在机械系统装配完成后，将程序下载到STM32芯片，进行联调。由于STM32的集成度都比较高，所以本设计所用到的元器件比较少，电路的链接也比较简单。STM32与舵机之间只有三条连接线，即舵机的电源线、地线和信号线。硬件部分的调试系统主要是采用逐块调试法。先对整个电路板的STM32处理器进行检测，当确信焊接无误后，在对四个舵机进行测试。当这些工作都完毕后，才能开始整机连调。图6.1.1装配效果图软件的调试和硬件的调试都是独立进行的，软件部分包括时钟初始化子程序、PWM信号子程序。软件调试中需要用到的测量信号可以用仿真实验台上的电压信号进行模拟，整个测试过程可以通过keiluvision5软件进行模拟仿真调试。完成程序的设计和硬件的搭接之后要能确保软件调试和硬件调试各自都正确无误，接着再对硬、软件进行联合调试。在调试中继续找出单独调试中无法显现的故障，反复进行改进软件、修改硬件设计的工作，直到所设计的舵机控制系统能够进行正确仿真后，才能进行最后的软件固化与整机的组装工作。6.2.2调试出现状况及解决方法一、180°舵机刚开始时输出的PWM波使舵机角度到达死区，导致舵机不停地旋转解决方法：测试出舵机死区角度，再控制舵机的PWM波避免输出死区角度。二、最开始调试舵机时，只考虑到单纯的轨迹规划，没有考虑到勺子取饭后水平问题解决方法：盛饭后舵机2、3不能分开运动，必须同时运动相同的角度以保证勺子的水平，以免饭洒出。三、串口接受数据的存储问题开始时，以为是以数值方式存储，最后经过逐步仿真是以ASCII码方式存储。四、舵机会老发出吱吱的响声？原因分析：舵机老发出吱吱的来回定位调整响声，是由于有的舵机无滞环调节功能，控制死区范围调得小，只要输入信号和反馈信号老是波动，它们的差值超出控制死区，舵机就发出信号驱动电机。另没有滞环调节功能，如果舵机齿轮组机械精度差，齿虚位大，带动反馈电位器的旋转步，步范围就已超出控制死区范围，那舵机必将调整不停，吱吱不停。6.3设计创新点结构方面：通体结构自主设计，并采用时下比较先进的3D打印技术，打印成型。编程方面：采用MATLAB软件，通过坐标位置反解角度，用串口模块控制机械臂运动轨迹。6.4系统缺陷与改进1.机械臂运动过程中抖动情况时有发生，这一情况出现的原因是受舵机精度、舵机力矩等影响。改进方法是更换高精度舵机，以及大力矩舵机，并且改进机械臂结构2.由于旋转底座部件中舵机重量偏大，会导致底盘部分受力不均，使底盘部分舵机寿命下降，为改善这一情况，在旋转底座与底盘间加4个表面光滑的小圆柱体，从而使得这一状况得以改善。3.系统当下依靠人工确定喂饭空间点，属于半智能化，后续需要加装诸如摄像头一类的传感检测元件，以实现智能化。4.现阶段喂饭机器人系统过于笨重，并且四自由度机械臂系统运动不够灵活，需要进行优化设计。市场应用前景分析7.1应用前景分析中投顾问在《2016-2020年中国服务机器人产业深度调研及投资前景预测报告》中指出，纵观国内外服务机器人的发展，可以发现服务机器人在我国具有广阔的市场空间。首先是老龄化社会和残疾人服务对服务机器人的市场需求。目前我国60岁以上人口已超过总人口的15%，预计到2020年，我国老年人数量将达到2.43亿，人口的老龄化问题将成为中国面临的前所未有的新挑战；此外，我国残疾人占总人口比重位居全世界较高国家之列。可以预计，在不远的将来，老年人和残疾人的护理将成为社会的一个重要负担，需要一大批护理机器人提供诸如取物、喂饭、翻书等服务，帮助、照顾老年人和残疾人的日常生活，提高他们的生活质量，从而减少整个社会对护理人员数量和质量的需求。从预测报告中可以看出喂饭机器人在市场上具有很可观的应用前景，并且我国市场上此类型产品较少，发展空间比较大。7.2目标人群（1）主要消费人群年龄集中在30-45岁之间，主要是为孝敬老人以及提高生活水平。思想觉悟水平比较高，密集分布于华东地区，经济能力属于中高等级，接受新鲜事物的能力比较高。（2）年龄在50-65之间，性别上男性居多，属于老顽童一系，对新鲜事物接受能力比较强（3）一群对自动化控制热爱/对新鲜事物具有很强的好奇型人群，价值人群年龄：25-40之间，职业：计算机领域自动化领域网络周边教育程度：高7.3营销策略（1）可以搞免费征集试用活动，条件是混迹于论坛流量好且在论坛的威望较高的成员，利用他们的高威望在论坛写试用帖子做软宣传，他们会觉得受到重视有价值而用心写评测，产品则因此会受到更多人关注。（2）通过视频专业拍摄产品介绍产品评测产品比较来影响受众人群，视频背景需要暖色调，简洁。将视频应用于各大视频网站。（3）商家应该深度挖掘出用户对与机器人的需求；可以在专门的论坛中做广告投放通过精准的广告投放和自发式影响身边的人来导入品牌，提高品牌认知度。（4）定向广告投入，垂直媒体（汽车媒体、财经媒体、影音媒体等）合作创意活动，或者寻找跨界合作机会（比如家庭电视剧植入、电影植入或者科技类题材电影贴片）在充分展示功能性强大的同时，更多的是表达出高科技和酷炫的感觉，让顾客感受到，拥有这样一件电器，是件很酷的事。项目心得这次项目我们充分发挥了团队合作精神，在组长的带领下，我们分工明确，积极，努力认真的完成了此次项目。有苦有累也有欢笑。通过这次课程设计，我们学到了很多东西，也加强锻炼了动手能力。我们体会到了学以致用是一个过程，这需要不断地探讨、实践、总结。在整个过程中，我们遇到了许多困难，有些问题很难查出原因，但是我们坚持了下来，很好的锻炼了我们的耐心和毅力。在设计中，考虑问题越全面、分析问题越细，所做出来的产品的层次才会越高。这次课程设计也使我们对机械本体和电子、电气控制的软硬件的设计过程有了较全面的了解，使我们掌握机电工程设计的基本方法，提高了分析问题和解决实际工程问题的能力，加强了工程观念，将整个课程内容有机而系统地结合起来。同时，这促进我们的交流与合作，使我们提高了团队协作能力，让我们学到了很多知识，使我们得到了较全面的发展。在项目的完成过程中，我们遇到了许多问题，经过老师的帮助、各组之间的探究以及同组成员的讨论，我们克服了这些困难，最终完成项目任务。项目充分运用了我们所学的各项知识，从机械原理，机械设计到本学期所学的各科知识，是对我们综合素质的一次考验，也是一次挑战。在本次项目过程中，我们大量查阅了各种资料，丰富了我们的知识，开阔了我们的视野，是我们能够进行一次真正的产品设计，了解到了在设计产品的过程中所遇到的各项问题，互相帮助，共同完成。此次项目得益于学院的对我们机电系的大力支持，感谢所有老师对我们的帮助。参考文献邵晓荣.互换性与测量技术基础[M].第二版，北京：中国标准出版社，2011.20-47页，80-82.贾春玉张树存.画法几何与机械制图[M].第三版，北京：中国标准出版社，2011.171-176.北京兆迪科技有限公司.SolidWorks工程图教程[M].2015版，北京：电子工业出版，2015.7.29-179.龚溎义潘沛霖陈秀等.机械设计课程设计图册[M].第三版，北京：高等教育出版社，2011.55-10.（美）哈比森（Harbison,S.P.）等著；徐波等译.C语言参考手册[M].原书第5版，北京：机械工业出版社，2011.6.246-254.何应俊曾祥云.51单片机C语言编程一学就会[M].北京：机械工业出版社，2014.7.9-36.王正林王胜开陈国顺.MATLAB/Simulink与控制系统仿真[M].北京：电子工业出版社，2005.711-73.李彦涛.助餐机器人轨迹控制与仿真研究[D].哈尔滨工程大学：机电工程学院，2008.喻大发.Adroit助餐机器人结构设计及运动规划研究[D].哈尔滨工程大学：机电工程学院，2013.3吴磊史仪凯王萑.四自由度机械手臂运动学分析及雅克比矩阵求解[J].机械科学与技术，2009.6.28，第28卷第6期：764-767页.祈飞科技有限公司.智能服务机器人发展现状及前景分析[EB/OL]./news/news489.html.2016.7.14百度文库.国外机器人发展现状和趋势[DB/OL]./view/404973ddc5da50e2524d7fe7.html.2015.12.18百度文库.步进电机、伺服电机、舵机以及交流电机在生活中的应用[DB/OL]./view/bb573aba1a37f111f1855b3b.html.2011.7.22电子发烧友论坛.常用单片机优缺点详细剖析[EB/OL]./jishu_938153_1_1.html.2016.9.12中国科技部官方网站./kjbgz/200503/t20050313_19642.htm.王岚，邹宇鹏，李彦涛.助餐机器人轨迹跟踪控制实验研究[J].测控技术，2010(8)：1-2页李彦涛，张立勋，孙树强.基于XPC的助餐机器人实时控制系统研究[J].中国康复协会医学杂志，2011(04)知乎.步进电机、舵机、伺服电机的区别[EB/OL]./27695.html.2015.11.15王学恭.机器人控制研究[M].杭州：浙江大学出版社，2006：3-42页李学军.基于STM32的舵机控制系统[D].沈阳航空航天大学：北方科技学院，2010.6范守文，徐礼锯.机器人工作分析的解析法.第十四届全国机构学术研讨会暨第二届海峡两岸机构学学术交流会，1-4页张立勋，董玉红.机电系统仿真与设计.哈尔滨工程大学出版社，2009(1)：31-62页附录一成本分析名称STM32芯片MG995舵机SM-S8166M舵机3D打印费用亚克力板降压模块电源其他单价3025125109.550数量131111总计3075125300109.55025624.5（单位：元）附录二系统数学建模与轨迹规划（1）运动学正解symsnxoxaxpxnyoyaypynzozazpzrealsymsAA1A2A3A4A5e0e6e7theta11qrealtheta1=pi/3;theta2=pi/4;theta3=-pi/6;theta4=pi/5;T01=[cos(theta1)-sin(theta1)00;sin(theta1)cos(theta1)00;0010;0001];T12=[cos(theta2)-sin(theta2)076.32;001112.96;-sin(theta2)-cos(theta2)00;0001];T23=[cos(theta3)-sin(theta3)0197.59;sin(theta3)cos(theta3)00;0010;0001];T34=[cos(theta4)-sin(theta4)023.5;0010;-sin(theta4)-cos(theta4)00;0001];T04=T01*T12*T23*T34T04=0.89980.4168-0.129421.54200.3829-0.8962-0.2241263.2319-0.20940.1521-0.9659-145.79950001.0000theta1=pi/6;theta2=pi/7;theta3=-pi/8;theta4=pi/9;T04=[0.98350.1741-0.0486184.1066;0.1729-0.9845-0.0280236.7290;-0.05270.0192-0.9984-87.04870001.0000T04=[0.98350.1741-0.0486184.1066;0.1729-0.9845-0.0280236.7290;-0.05270.0192-0.9984-87.0487；0001.0000];symsnxoxaxpxnyoyaypynzozazpzrealsymsNAA11A12A2A3A4A5e0theta1theta2theta3theta4theta5e6e7theta11qrealT01=[cos(theta1)-sin(theta1)00;sin(theta1)cos(theta1)00;0010;0001];T12=[cos(theta2)-sin(theta2)076.32;001112.96;-sin(theta2)-cos(theta2)00;0001];T23=[cos(theta3)-sin(theta3)0197.59;sin(theta3)cos(theta3)00;0010;0001];T34=[cos(theta4)-sin(theta4)023.5;0010;-sin(theta4)-cos(theta4)00;0001];T04=[0.89980.4168-0.129421.5420;0.3829-0.8962-0.2241263.2319;-0.20940.1521-0.9659-145.7995;0001.0000];T11=inv(T01);%T11为T1_0的逆矩阵T411=T12*T23*T34%求杆件4相对于杆件1的转换矩阵T41=T11*T04f1=T411(2,4)-T41(2,4);%矩阵方程对应元素相等[theta1,]=solve(f1,theta1)%求解theta1theta1=vpa(theta1,2)T411=[cos(theta4)*(cos(theta2)*cos(theta3)-sin(theta2)*sin(theta3)),-sin(theta4)*(cos(theta2)*cos(theta3)-sin(theta2)*sin(theta3)),-cos(theta2)*sin(theta3)-cos(theta3)*sin(theta2),(19759*cos(theta2))/100+(47*cos(theta2)*cos(theta3))/2-(47*sin(theta2)*sin(theta3))/2+1908/25][-sin(theta4),-cos(theta4),0,2824/25][-cos(theta4)*(cos(theta2)*sin(theta3)+cos(theta3)*sin(theta2)),sin(theta4)*(cos(theta2)*sin(theta3)+cos(theta3)*sin(theta2)),sin(theta2)*sin(theta3)-cos(theta2)*cos(theta3),-(19759*sin(theta2))/100-(47*cos(theta2)*sin(theta3))/2-(47*cos(theta3)*sin(theta2))/2][0,0,0,