9組機器人項目報告

-.z智能車及采摘機器人系統(tǒng)的設計與制作**：*冠姣、李齊、胡浩松、*偉民課題分工：*冠姣：機械臂位移模型、PPT制作〔25%〕李齊：機械臂的軌跡規(guī)劃及軟件調試〔30%〕胡浩松：位移、速度和軌跡規(guī)劃軟件編寫〔25%〕*偉民：機械臂速度模型、撰寫工程報告(20%)課程名稱：機器人技術根底指導教師：李艷文馮澤民2011年10月目錄1.前言12.方案論證12.1機械臂的運動形式12.2手爪的運動形式22.3驅動形式確實定33.硬件設計33.1硬件系統(tǒng)框圖33.2設計要求數(shù)據(jù)33.3機械臂安裝位置及尺寸確定43.4機械臂的三維建模44.軟件設計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各關節(jié)軌跡規(guī)劃95.具體測試情況116.工程心得117.參考文獻12-.z智能車及采摘機器人系統(tǒng)的設計與制作*冠姣，李齊，胡浩松，*偉民〔燕山大學機械工程學院〕摘要：本次課程設計主要是在機電系統(tǒng)設計和單片機課程的根底上，利用機器人技術對小車進展總體設計，內容主要由機械臂和手爪方案的論證，硬件系統(tǒng)框圖，機械臂的位移、速度控制模型的建立，機械臂的軌跡規(guī)劃，程序框圖及matlab源代碼，工程測試與要求，測試和結果，心得體會等組成。前言本次工程報告的的目的是對采摘機器人的設計的一個總結，將我們實踐過程中的創(chuàng)新點、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過程所用到的原理以及自己的設計中的缺乏以及優(yōu)點，為以后的工作打好堅實的根底。研究報告的*圍主要是對設計中的方案論證，硬件設計，軟件設計以及具體測試情況做一下總結。本工程研究的采摘機器人具有重要意義。在果蔬生產作業(yè)中，采摘作業(yè)約占整個作業(yè)量的40%。采摘作業(yè)質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)的復雜性，其自動化程度仍然很低，目前國內采摘作業(yè)根本上都是手工進展。早在20世紀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械臂的研究。1983年，美國研制出了第一臺番茄采摘機械臂。隨著農業(yè)機械化的開展，各國對機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網絡的采摘機械臂。這次工程是大學所學課程的一個綜合運用，使學生更好的掌握和運用機電專業(yè)的相關知識。本次工程的預期結果是讓智能車及采摘機器人能夠按照事先給定的要求完成任務，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械臂運動形式的選擇，手爪運動形式的選擇和驅動方式確實定。這些因素對采摘機器人能否高效地、準確地、低功耗地完成任務有至關重要的影響，因此要慎重抉擇。2.1機械臂的運動形式根據(jù)主要的運動參數(shù)選擇運動形式是構造設計的根底。典型機器人系統(tǒng)機械臂的運動形式有五種：圓柱坐標型、極坐標型、直角坐標型、關節(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：極坐標型。臂部由兩個軸線垂直的轉動副組成。產生繞基座軸Y的轉動和繞關節(jié)軸Z的擺動。其手臂可作繞Z軸的俯仰運動，能抓取地面上的物體。方案二：關節(jié)型。由動力型旋轉關節(jié)和前、下兩臂組成。關節(jié)型機器人以臂部各相鄰部件的相對角位移為運動坐標。動作靈活，所占空間小，工作*圍大，能在狹窄空間內饒過各種障礙物。方案示意圖如下：圖1各方案圖示方案一占地空間較大，且可達工作空間狹小；方案二為平面2R機械手，不動作時是可將手臂折疊，占地空間小，可達工作空間為兩連桿長為半徑的圓。因此經比照優(yōu)先選擇方案二。2.2手爪的運動形式手爪用于抓取物體，并進展細微操作。不同的抓取方式決定手爪的構造和自由度。因為對象為球形果實，故手爪采取夾持形式。方案一：回轉型。當手爪夾緊和松開物體時，手指做回轉運動。當被抓物體的直徑大小變化是，需調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。手指由平行四桿機構傳動，當手爪夾緊和松開物體時，手指姿態(tài)不變，做平動。和回轉型手爪一樣，夾持中心隨被夾物體直徑的大小而變。方案三：平移型。當手爪夾緊和松開工件時，手指做平移運動，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，并將其進一步簡化，將兩手指的固連處縮至為一點，具體造型可參見實物制作。2.3驅動形式確實定機械臂的驅動與控制方式也要結合生產工藝的要求來選擇，選用原則為控制性能好、體積小、維修方便、本錢低。舵機就是能夠轉舵并保持舵位的裝置。由于它控制簡單，編程任務量小，故我們一致選取舵機驅動。圖3舵機硬件設計3.1硬件系統(tǒng)框圖核心局部為AT89S52，它發(fā)出控制信號，驅動舵機進展轉角，舵機帶動與它固連的機械臂進展轉動。安裝在手爪頭部的紅外傳感器檢測果實位置，并將信息傳達給單片機。3.2設計要求數(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舵機主軸與車板高度：60mm黑白線檢測傳感器距舵機距離：30mm小車車身長度：300mm數(shù)據(jù)與設計的內在聯(lián)系：承球臺距小車一側的黑色跡線的距離為270mm，而小車黑白線檢測傳感器距舵機是30mm，說明機械手臂必須可以伸出車身*圍去抓球，伸出距離的多少，如何去實現(xiàn)伸出動作在設計機械手臂時必須仔細考慮。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而不至于發(fā)生翻車的危險。3.3機械臂安裝位置及尺寸確定圖4圖中單位為毫米。假設α為30°，則由幾何關系可確定兩連桿的最短長度〔圖示情況即為最短〕，這里我們取兩連桿等長均為260mm。3.4機械臂的三維建模圖5機械臂的三維效果圖軟件設計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機械臂連桿參數(shù)運用D-H法建立連桿之間的運動關系連桿序號ai-1αi-1diθi關節(jié)變量初始值1000θ1θ1150°226000θ2θ2-60°3090°2600－－表1機械臂連桿參數(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)運算結果為：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)運算結果為：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]運算結果為：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t1=90,t2=0時，雅可比矩陣為j=-260.00000.0000260.0000260.00000000001.00001.0000當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) ;設置精度q22=vpa(q2,3)運算結果為：q11=-.289e-2*v1-.373e-2*v2q22=-.786e-3*v2+.426e-2*v14.4各關節(jié)軌跡規(guī)劃我們可以采用任意平滑函數(shù)作為關節(jié)差值函數(shù)，但由于平面2R機械手只能確立四個約束方程，因此采用三次多項式插值法進展關節(jié)的軌跡規(guī)劃。4.4.1中間位姿到過渡位姿的關節(jié)軌跡規(guī)劃關節(jié)角1：初值150終值90a0=150a1=0a2=-20a3=4.4444圖9過渡位姿關節(jié)1軌跡規(guī)劃關節(jié)角2：初值-60終值0a0=-60a1=0a2=20a3=-4.4444圖10過渡位姿關節(jié)2軌跡規(guī)劃4.4.2過渡位姿到抓取位姿的關節(jié)軌跡規(guī)劃關節(jié)角1：初值90終值70.9803a0=90a1=0a2=-6.3399a3=1.4089圖11過渡位姿關節(jié)1軌跡規(guī)劃關節(jié)角2：初值0終值-15.0911a0=0a1=0a2=-5.0304a3=1.1179圖12過渡位姿關節(jié)2軌跡規(guī)劃具體測試情況由于機械臂材料短缺，采摘情況只能在三維軟件里進展模擬仿真，