【第四篇】论文题目：基于Robotino机械手设计与应用
摘要：移动机器人是机器人学中一个重要的分支, 随着我国经济的发展和自动化水平的不断提高, 移动机器人的应用越来越广泛, 几乎渗透到所有的领域。与此同时, 传感技术、计算机科学、人工智能及其他相关学科的迅速发展, 使移动机器人更加智能化, 随着其智能化程度的提高和成熟, 移动机器人正朝着具有操作能力的方向发展。给移动机器人装配机械手是该领域的一个研究热点和发展方向。基于Robotino的机械手就是搭载在的可以全方位移动的德国Festo移动机器人上, 通过编写移动机器人的程序和手柄无线控制来实现对一定质量物块的抓取, 定位、转移, 放置功能的机械手臂, 通过平台的移动来扩大机械手的工作空间, 使机械手能以更适合的姿态执行任务。它具有稳定性、快速性、准确性等优点, 同时具有很强的可操作性, 可用于工业上对货物的自动搬运、对生产部件的组装等方面, 具有很好的发展前景。
关键词：移动机器人; 机械手臂; STM32; 驱动电机;
1 绪论
1.1 Robotino移动机器人概述
移动机器人是机器人研究领域中的一个重要分支, 是一种具有环境感知、动态决策、行为规划与执行等功能的综合系统, 它集合了机械工程、电子工程、传感器技术、自动控制技术以及人工智能等多种学科的研究成果, Robotino移动机器人的驱动单元是由三个步进电机和三个可以全方位移动的万向轮构成的, 使得Robotino移动机器人可以向任何方向、任何角度进行移动。三个步进电机集中在一个坚固的, 激光焊接的不锈钢底盘上, 地盘上装有防碰撞的橡胶保护装置, Robotino移动机器人的尺寸是直径370毫米, 高度是210毫米, 整体为11公斤重, 工业级的直流电动机, 衔接的齿轮以及编码器可以使得移动机器人运行速度高达10公里/小时, 两个12V的电池可以供Robotino运行时间长达2个小时。
Robotino移动机器人的控制部分是基于高性能嵌入式PC, 它是基于PC 104和AMD Geode处理器, 一个实时的Linux内核。同时它的操作系统, 程序和数据都可以存储在一个可换的紧凑型闪存卡。Robotino移动机器人的嵌入式PC提供几个不同的接口, 如以太网, 无线LAN, USB, RS232, 和VGA端口, 通过这些接口可以计算机对移动机器人程序的编写, 下载以及控制。同时Robotino移动机器人还包括有电气驱动单元、光电传感器单元、电感传感器单元、视觉系统单元等基础单元, 通过这些基础单元与控制系统地结合, 通过Robotino View编程软件实现对机器人的无线控制, 可以实现Robotino移动机器人进行循线、壁障、图像识别、定位等功能。
Robotino移动机器人共有两个光电传感器 (位于移动机器人底面中部) 、九个红外传感器 (位于移动机器人侧面) 和两个电感传感器 (位于移动机器底面中部) , 其中光电传感器用于黑色线段的循线功能, 电感传感器用于金属线的循线功能, 位于机身外侧的红外传感器用于保持距离和保护作用。Robotino移动机器人顶部装有陀螺仪, 可以实现机器人的定位功能。
1.2 基于Robotino移动机器人机械手的应用
基于Robotino的机械手工作流程主要如下:移动机器人开始运行程序后, 移动机器人主控系统根据编写的程序, 通过步进电机控制万向轮的运动, 实现位置的移动, 移动机器人可以根据要求通过自身的光电传感器和电感传感器实现对位置的矫正, 当移动机器人到达指定位置后机器人停止运动, 操作手通过操作遥控器控制步进电动机、直流电动机和舵机的运动实现对物件的抓取功能, 在机械手移动到接近物件的位置时, 可以将遥控器的精准移动按钮按下, 实现机械手慢速移动, 提高机械手活动的精准度。当物件抓取成功之后, 操作手通过遥控器给定机器人触发信号, 移动机器人继续执行设定程序, 直到抓完所有的物件, 程序终止。
2 系统硬件结构
2.1 滚珠丝杠
基于Robotino的机械手共有X、Y、Z三个轴, 同时将步进电机与滚珠丝杠相连接, 使传动的精度、效率大大提高。使用三个1204滚珠丝杠, 导程为4mm转一圈, 精度为0.001MM, 水平负载56KG, 垂直负载10KG, 所配步进电动机型号为42BYGH48长48mm。
2.2 舵机
舵机, 又称伺服电机, 它接收一定的控制信号, 输出一定的角度, 是一种位置伺服的驱动器, 主要适用于需要角度不断变化并可以保持的控制系统。本系统通过在机械手抓上加入舵机, 可以对机械手抓旋转的角度进行调整, 可以夹持不同方位的木块。
2.3 直流电动机
直流电动机就是将直流电能转化成为机械能的电动机, 由于直流电动机具有良好的调速性能, 因此它在电力拖动中得到比较广泛的应用。本系统通过直流电机来控制机械手的加紧和放松。
2.4 歩进电动机
步进电动机又称为脉冲电动机或阶跃电动机, 国外一般称为Step motor或Stepping motor、Pulse motor、Stepper servo、Stepper等等。
本系统所选用的步进电动机型号为BS42HB33-01 1.8°, 高33mm。步进电动机与滚珠丝杠的进行连接, 通过STM32单片机控制步进电动机的运动, 再带动滚珠丝杠运动, 使机械手臂可以在X轴、Y轴、Z轴全方位移动。在步进电机前方装有限位开关, 可以避免滚珠丝杠到达极限位置对步进电动机造成的损害, 提高了系统的安全性和可靠性。
2.5 机械抓手
基于Robotino机械抓手工作原理:驱动电机经过联轴器带动机械结构运动, 带动抓手张合, 实现夹持物体。本设计的机械手共有三个不同的部位可以进行抓放动作, 分别适用于对不同宽度、长度的物体的抓放。在机械抓手的抓取部位分别贴有橡胶皮, 可以增强摩擦力, 防止物体在抓取过程中由于抓取不牢而产生的意外, 避免了不稳定的因素, 有利于提高机械抓手的稳定性。
3 系统电路设计
本系统的电路设计有电源电路、直流电机驱动电路、舵机驱动电路、步进电机驱动电路, 无线模块电路等, 最核心的是步进电动机驱动电路的设计, 步进电动机不能直接接到交直流电源上工作, 而必须使用步进电动机驱动器。
M_PWMA+和M_PWMA-信号中间连有非门, 使得M_PWMA+和M_PWMA-信号为相反的信号, 当M_PWMA+为高电平时U2 (IR2184) 中LO输出低电平, HO输出高电平, MOS管D7导通, D12关闭, 此时M_PWMA-为低电平信号, U1中LO为高电平, HO为低电平, MOS管D6关闭, D11导通形成H桥步进电机开始启动, 同理, 当M_PWMA+为低电平时, U2 (IR2184) 中LO输出高电平, HO输出低电平, MOS管D7关闭, D12导通, 此时M_PWMA-为高电平信号, U1中LO为低电平, HO为高电平, MOS管D6导通, D11关闭, 形成H桥。同时该电路通过运算放大器将反馈的电流值作比较, 起到对驱动电路的保护作用。
4 移动机器人程序设计
Robotino View是编写Robotino移动机器人程序的软件, 通过Robotino View编程, 可以实现移动机器人的动作指令, 同时可以通过信号线接入数字信号输入端或者模拟信号输入端将外部机械手与移动机器人相结合实现相应的抓取、转移、放置等一系列动作。
Robotino View采用的是图形化编程, 主程序为是顺序控制, 它通过主程序调用子程序实现程序的执行, 子程序采用的对是各种不同功能的模块库进行调用, 同时自定义模块还可以实现C++和Lua程序的开发。
机器人在初始位置进行坐标的初始化, 50毫秒之后, 移动机器人移动到指定的坐标, 当移动机器人移动到指定的位置后停止运动, 进入下一步指令。当移动机器人移动到指定位置的时候, 操作手开始操作机械手进行物体的抓取, 机械手动作完成之后按下遥控器上的确定按钮, 之后移动机器人执行第三步程序。遥控器上的按钮按了之后, 移动机器人抓起物体回到起始区域, 程序结束。
5 操作步骤、工作流程与注意事项
5.1 操作步骤
基于Robotino的机械手在装配、操作以及调试过程中应参照以下步骤:
(1) 先将机械手X轴、Y轴、Z轴步进电动机固定好。通过外接电源检查步进电动机是否正常工作, 滚珠丝杠能否平滑移动。
(2) 将X轴、Y轴、Z轴组合在一起。拧紧螺丝。
(3) 装配好机械抓手, 通电观察直流电动机是否正常运行、机械手臂能否加紧, 并将机械手与Z轴末端相连接。
(4) 将搭建好的机械手与Robotino移动机器人进行连接, 将信号线接入到移动机器人的数字信号输入端。
(5) 将机械手的供电电源固定到移动机器人后部, 并将电源线接入到控制电路上。
(6) 确保无误后打开电源供电, 开启遥控器电源检查机械手臂是否可以正常运行, X轴、Y轴、Z轴、舵机、直流电机是否正常。
(7) 开始移动机器人的程序, 到达指定位置后开始操作机械手, 抓取完物体后按信号键, 移动机器人回到起始区域。
5.2 注意事项
基于Robotino的机械手在装配、操作以及调试过程中应注意以下几点:
(1) 注意电源的电压值是否稳定, 以免烧坏控制电路。
(2) 注意各机构之间的连接是否完好, 以免损坏机械结构。
(3) 机械手的信号端连接的是Robotino移动机器人的数字信号输入端。
(4) 机械手抓住物件之后将手柄上控制直流电动机的按键推回到起始位置, 以免烧坏直流电动机。
(5) 当机械手以及移动机器人不使用时应采取断电保护。
6 结论
本文阐述了基于Robotino机械手设计与应用的组成、基本原理以及设计方案。随着科技的进步和移动机器人的发展, 基于移动机器人上的机械手设计也变得越来越重要。通过基于Robotino机械手的设计与应用使其具有代替人类在某些苛刻的场合从事生产, 同时节约人的体力, 使人类的生产率有大幅的提高, 也改善了我们的工作环境, 让人类的生活变得越来越智能化。
参考文献
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