9組機(jī)器人項(xiàng)目報(bào)告

-.z智能車及采摘機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制作**：*冠姣、李齊、胡浩松、*偉民課題分工：*冠姣：機(jī)械臂位移模型、PPT制作〔25%〕李齊：機(jī)械臂的軌跡規(guī)劃及軟件調(diào)試〔30%〕胡浩松：位移、速度和軌跡規(guī)劃軟件編寫〔25%〕*偉民：機(jī)械臂速度模型、撰寫工程報(bào)告(20%)課程名稱：機(jī)器人技術(shù)根底指導(dǎo)教師：李艷文馮澤民2011年10月目錄1.前言12.方案論證12.1機(jī)械臂的運(yùn)動形式12.2手爪的運(yùn)動形式22.3驅(qū)動形式確實(shí)定33.硬件設(shè)計(jì)33.1硬件系統(tǒng)框圖33.2設(shè)計(jì)要求數(shù)據(jù)33.3機(jī)械臂安裝位置及尺寸確定43.4機(jī)械臂的三維建模44.軟件設(shè)計(jì)54.1根本參數(shù)54.2位移模型的建立64.3雅可比矩陣及速度模型的建立74.4各關(guān)節(jié)軌跡規(guī)劃95.具體測試情況116.工程心得117.參考文獻(xiàn)12-.z智能車及采摘機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制作*冠姣，李齊，胡浩松，*偉民〔燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院〕摘要：本次課程設(shè)計(jì)主要是在機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)和單片機(jī)課程的根底上，利用機(jī)器人技術(shù)對小車進(jìn)展總體設(shè)計(jì)，內(nèi)容主要由機(jī)械臂和手爪方案的論證，硬件系統(tǒng)框圖，機(jī)械臂的位移、速度控制模型的建立，機(jī)械臂的軌跡規(guī)劃，程序框圖及matlab源代碼，工程測試與要求，測試和結(jié)果，心得體會等組成。前言本次工程報(bào)告的的目的是對采摘機(jī)器人的設(shè)計(jì)的一個(gè)總結(jié)，將我們實(shí)踐過程中的創(chuàng)新點(diǎn)、碰到的問題及心得體會形成書面文字，讓我們更加清楚地了解整個(gè)過程所用到的原理以及自己的設(shè)計(jì)中的缺乏以及優(yōu)點(diǎn)，為以后的工作打好堅(jiān)實(shí)的根底。研究報(bào)告的*圍主要是對設(shè)計(jì)中的方案論證，硬件設(shè)計(jì)，軟件設(shè)計(jì)以及具體測試情況做一下總結(jié)。本工程研究的采摘機(jī)器人具有重要意義。在果蔬生產(chǎn)作業(yè)中，采摘作業(yè)約占整個(gè)作業(yè)量的40%。采摘作業(yè)質(zhì)量的好壞直接影響到后續(xù)的儲存、加工和銷售。由于采摘作業(yè)的復(fù)雜性，其自動化程度仍然很低，目前國內(nèi)采摘作業(yè)根本上都是手工進(jìn)展。早在20世紀(jì)70年代，歐美國家和日本就開場了對蘋果、柑桔、番茄、西瓜和葡萄等采摘機(jī)械臂的研究。1983年，美國研制出了第一臺番茄采摘機(jī)械臂。隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械化的開展，各國對機(jī)械臂的研究都取得了長足的開展。我國甚至已制造出基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的采摘機(jī)械臂。這次工程是大學(xué)所學(xué)課程的一個(gè)綜合運(yùn)用，使學(xué)生更好的掌握和運(yùn)用機(jī)電專業(yè)的相關(guān)知識。本次工程的預(yù)期結(jié)果是讓智能車及采摘機(jī)器人能夠按照事先給定的要求完成任務(wù)，即能將球抓取并放到指定位置。方案論證各功能單元的方案論證主要包括機(jī)械臂運(yùn)動形式的選擇，手爪運(yùn)動形式的選擇和驅(qū)動方式確實(shí)定。這些因素對采摘機(jī)器人能否高效地、準(zhǔn)確地、低功耗地完成任務(wù)有至關(guān)重要的影響，因此要慎重抉擇。2.1機(jī)械臂的運(yùn)動形式根據(jù)主要的運(yùn)動參數(shù)選擇運(yùn)動形式是構(gòu)造設(shè)計(jì)的根底。典型機(jī)器人系統(tǒng)機(jī)械臂的運(yùn)動形式有五種：圓柱坐標(biāo)型、極坐標(biāo)型、直角坐標(biāo)型、關(guān)節(jié)型、SCARA型。課題組從中選取兩方案比照得出最有方案。方案一：極坐標(biāo)型。臂部由兩個(gè)軸線垂直的轉(zhuǎn)動副組成。產(chǎn)生繞基座軸Y的轉(zhuǎn)動和繞關(guān)節(jié)軸Z的擺動。其手臂可作繞Z軸的俯仰運(yùn)動，能抓取地面上的物體。方案二：關(guān)節(jié)型。由動力型旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和前、下兩臂組成。關(guān)節(jié)型機(jī)器人以臂部各相鄰部件的相對角位移為運(yùn)動坐標(biāo)。動作靈活，所占空間小，工作*圍大，能在狹窄空間內(nèi)饒過各種障礙物。方案示意圖如下：圖1各方案圖示方案一占地空間較大，且可達(dá)工作空間狹??；方案二為平面2R機(jī)械手，不動作時(shí)是可將手臂折疊，占地空間小，可達(dá)工作空間為兩連桿長為半徑的圓。因此經(jīng)比照優(yōu)先選擇方案二。2.2手爪的運(yùn)動形式手爪用于抓取物體，并進(jìn)展細(xì)微操作。不同的抓取方式?jīng)Q定手爪的構(gòu)造和自由度。因?yàn)閷ο鬄榍蛐喂麑?shí)，故手爪采取夾持形式。方案一：回轉(zhuǎn)型。當(dāng)手爪夾緊和松開物體時(shí)，手指做回轉(zhuǎn)運(yùn)動。當(dāng)被抓物體的直徑大小變化是，需調(diào)整手爪的位置才能保持物體的中心位置不變。方案二：平動型。手指由平行四桿機(jī)構(gòu)傳動，當(dāng)手爪夾緊和松開物體時(shí)，手指姿態(tài)不變，做平動。和回轉(zhuǎn)型手爪一樣，夾持中心隨被夾物體直徑的大小而變。方案三：平移型。當(dāng)手爪夾緊和松開工件時(shí)，手指做平移運(yùn)動，并保持夾持中心固定不變，不收工件直徑變化的影響。a)b)c)圖2各方案圖示通過比較，考慮到制作本錢及制作難易程度，取簡單合理之方案，即方案一，并將其進(jìn)一步簡化，將兩手指的固連處縮至為一點(diǎn)，具體造型可參見實(shí)物制作。2.3驅(qū)動形式確實(shí)定機(jī)械臂的驅(qū)動與控制方式也要結(jié)合生產(chǎn)工藝的要求來選擇，選用原則為控制性能好、體積小、維修方便、本錢低。舵機(jī)就是能夠轉(zhuǎn)舵并保持舵位的裝置。由于它控制簡單，編程任務(wù)量小，故我們一致選取舵機(jī)驅(qū)動。圖3舵機(jī)硬件設(shè)計(jì)3.1硬件系統(tǒng)框圖核心局部為AT89S52，它發(fā)出控制信號，驅(qū)動舵機(jī)進(jìn)展轉(zhuǎn)角，舵機(jī)帶動與它固連的機(jī)械臂進(jìn)展轉(zhuǎn)動。安裝在手爪頭部的紅外傳感器檢測果實(shí)位置，并將信息傳達(dá)給單片機(jī)。3.2設(shè)計(jì)要求數(shù)據(jù)承球臺與黑色跡線的距離：270mm小球高度：280mm小車車身與地面距離：120mm舵機(jī)主軸與車板高度：60mm黑白線檢測傳感器距舵機(jī)距離：30mm小車車身長度：300mm數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)的內(nèi)在聯(lián)系：承球臺距小車一側(cè)的黑色跡線的距離為270mm，而小車黑白線檢測傳感器距舵機(jī)是30mm，說明機(jī)械手臂必須可以伸出車身*圍去抓球，伸出距離的多少，如何去實(shí)現(xiàn)伸出動作在設(shè)計(jì)機(jī)械手臂時(shí)必須仔細(xì)考慮。車身的布局需要慎重考慮，由于手臂自身有一定的重量，如何合理安排手臂在車身上的安裝位置，是小車可以正常行進(jìn)而不至于發(fā)生翻車的危險(xiǎn)。3.3機(jī)械臂安裝位置及尺寸確定圖4圖中單位為毫米。假設(shè)α為30°，則由幾何關(guān)系可確定兩連桿的最短長度〔圖示情況即為最短〕，這里我們?nèi)蛇B桿等長均為260mm。3.4機(jī)械臂的三維建模圖5機(jī)械臂的三維效果圖軟件設(shè)計(jì)4.1根本參數(shù)4.1.1初始位姿圖6初始位姿圖6初始位姿4.1.2過渡位姿圖7過渡位姿圖7過渡位姿4.1.3抓取位姿圖8抓取位姿圖8抓取位姿4.1.4機(jī)械臂連桿參數(shù)運(yùn)用D-H法建立連桿之間的運(yùn)動關(guān)系連桿序號ai-1αi-1diθi關(guān)節(jié)變量初始值1000θ1θ1150°226000θ2θ2-60°3090°2600－－表1機(jī)械臂連桿參數(shù)4.2位移模型的建立4.2.1各齊次變換矩陣symst1t2T10=[cos(t1)-sin(t1)00;sin(t1)*cos(0)cos(t1)*cos(0)-sin(0)0;sin(t1)*sin(0)cos(t1)*sin(0)cos(0)0;0001];T21=[cos(t2)-sin(t2)0260;sin(t2)*cos(0)cos(t2)*cos(0)-sin(0)0;sin(t2)*sin(0)cos(t2)*sin(0)cos(0)0;0001];T32=[cos(t3)-sin(t3)00;sin(t3)*cos(pi/2)cos(t3)*cos(pi/2)-sin(pi/2)-260;sin(t3)*sin(pi/2)cos(t3)*sin(pi/2)cos(pi/2)260*cos(pi/2);0001];T30=T10*T21*T32;4.2.2中間位姿到過渡位姿*=260;y=260;f1=*-T30(1,4);f2=y-T30(2,4);[t1,t2]=solve(f1,f2,t1,t2)t1=vpa(t1/pi*180,6)t2=vpa(t2/pi*180,6)運(yùn)算結(jié)果為：t1=90. 0.t2=0. 180.過渡位姿到抓取位姿*=300;y=100;f1=*-T30(1,4);f2=y-T30(2,4);[t1,t2]=solve(f1,f2,t1,t2)t1=vpa(t1/pi*180,6)t2=vpa(t2/pi*180,6)運(yùn)算結(jié)果為：t1=-34.110570.9803t2=-164.909 -15.09114.3雅可比矩陣及速度模型的建立4.3.1我們利用矢量積法來構(gòu)造雅可比矩陣。symst1t2T10=[cos(t1)-sin(t1)00;sin(t1)*cos(0)cos(t1)*cos(0)-sin(0)0;sin(t1)*sin(0)cos(t1)*sin(0)cos(0)0;0001]T21=[cos(t2)-sin(t2)0-170;sin(t2)*cos(0)cos(t2)*cos(0)-sin(0)0;sin(t2)*sin(0)cos(t2)*sin(0)cos(0)0;0001]t3=0T32=[cos(t3)-sin(t3)00;sin(t3)*cos(pi/2)cos(t3)*cos(pi/2)-sin(pi/2)-130;sin(t3)*sin(pi/2)cos(t3)*sin(pi/2)cos(pi/2)130*cos(pi/2);0001]T31=T21*T32;T30=T10*T21*T32;T20=T10*T21;z1=T10(1:3,3);z2=T20(1:3,3);p1=T31(1:3,4);p2=T32(1:3,4);r1=T10(1:3,1:3);r2=T20(1:3,1:3);p11=cross(z1,r1*p1);p22=cross(z2,r2*p2);j=[p11p22;z1z2]運(yùn)算結(jié)果為：j=[-sin(t1)*(-170+130*sin(t2))+130*cos(t1)*cos(t2),130*cos(t1)*cos(t2)-130*sin(t1)*sin(t2)][cos(t1)*(-170+130*sin(t2))+130*sin(t1)*cos(t2),130*cos(t1)*sin(t2)+130*sin(t1)*cos(t2)][0,0][0,0][0,0][1,1]4.3.2各位姿的雅可比矩陣當(dāng)t1=90,t2=0時(shí)，雅可比矩陣為j=-260.00000.0000260.0000260.00000000001.00001.0000當(dāng)t1=70.9803,t2=-15.0911j=-43.3261205.4828-234.7604-159.30100000001.00001.00004.3.3操作速度模型symsq1q2v1v2v=[v1;v2;0;0;0;0];q=[q1;q2];je=j*q;f3=v(1,1)-je(1,1);f4=v(2,1)-je(2,1);[q1,q2]=solve(f3,f4,q1,q2)q11=vpa(q1,3) ;設(shè)置精度q22=vpa(q2,3)運(yùn)算結(jié)果為：q11=-.289e-2*v1-.373e-2*v2q22=-.786e-3*v2+.426e-2*v14.4各關(guān)節(jié)軌跡規(guī)劃我們可以采用任意平滑函數(shù)作為關(guān)節(jié)差值函數(shù)，但由于平面2R機(jī)械手只能確立四個(gè)約束方程，因此采用三次多項(xiàng)式插值法進(jìn)展關(guān)節(jié)的軌跡規(guī)劃。4.4.1中間位姿到過渡位姿的關(guān)節(jié)軌跡規(guī)劃關(guān)節(jié)角1：初值150終值90a0=150a1=0a2=-20a3=4.4444圖9過渡位姿關(guān)節(jié)1軌跡規(guī)劃關(guān)節(jié)角2：初值-60終值0a0=-60a1=0a2=20a3=-4.4444圖10過渡位姿關(guān)節(jié)2軌跡規(guī)劃4.4.2過渡位姿到抓取位姿的關(guān)節(jié)軌跡規(guī)劃關(guān)節(jié)角1：初值90終值70.9803a0=90a1=0a2=-6.3399a3=1.4089圖11過渡位姿關(guān)節(jié)1軌跡規(guī)劃關(guān)節(jié)角2：初值0終值-15.0911a0=0a1=0a2=-5.0304a3=1.1179圖12過渡位姿關(guān)節(jié)2軌跡規(guī)劃具體測試情況由于機(jī)械臂材料短缺，采摘情況只能在三維軟件里進(jìn)展模擬仿真，