單向移動(dòng)抓取機(jī)器人設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)-參考

ADDINCNKISM.UserStyle機(jī)器人專業(yè)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)設(shè)計(jì)題目：?jiǎn)蜗蛞苿?dòng)抓取機(jī)器人設(shè)計(jì)者：班級(jí)：機(jī)器人工程學(xué)號(hào)：指導(dǎo)教師：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院年月目錄1設(shè)計(jì)任務(wù) )滿足設(shè)計(jì)要求。3.2.9可靠性、安全性、經(jīng)濟(jì)性、綠色環(huán)保分析按照1.2的超載系數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，能夠滿足工作要求。設(shè)計(jì)均進(jìn)行校核，滿足每年工作300天，每天工作8小時(shí)，連續(xù)工作十年的壽命要求。能夠夾取34.78kg的物體，滿足10kg物體的設(shè)計(jì)要求。使用標(biāo)準(zhǔn)件或者成熟的產(chǎn)品來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，減少了制造非標(biāo)零件的花費(fèi)，有很好的經(jīng)濟(jì)型和環(huán)保性。4電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.1控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能(1)實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器控制(2)實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)位置傳感器的數(shù)據(jù)采集(3)實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的位置控制(4)實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的位置閉環(huán)控制(5)實(shí)現(xiàn)移動(dòng)平臺(tái)的速度控制(6)實(shí)現(xiàn)機(jī)械手步進(jìn)電機(jī)的控制(7)實(shí)現(xiàn)機(jī)械手步進(jìn)電機(jī)的夾持和閉合位置控制(8)實(shí)現(xiàn)電源各種規(guī)格和功率的電源輸出(9)實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)按鈕的控制(10)實(shí)現(xiàn)按照固定工作程序工作的控制(11)實(shí)現(xiàn)急停功能(12)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的人機(jī)交互(13)開(kāi)關(guān)量模擬量的輸入和輸出(14)實(shí)現(xiàn)故障報(bào)警功能(15)實(shí)現(xiàn)手動(dòng)調(diào)整功能(16)實(shí)現(xiàn)在線、離線編程功能4.2硬件選型計(jì)算選用搭載1.5GHz的64位四核處理器（BroadcomBCM2711,QuadcoreCortex-A72(ARMv8)64-bitSoC@1.5GHz）的RaspberryPi4B作為控制器進(jìn)行控制，根據(jù)4.1的功能要求，需要輸出：FL42SVA01直流無(wú)刷電機(jī)1個(gè)（移動(dòng)平臺(tái)），配套專用驅(qū)動(dòng)器1個(gè)（BLD2403TC無(wú)刷驅(qū)動(dòng)器），富興FL42STH33-1334A-IE2步進(jìn)電機(jī)1個(gè)（抓取機(jī)構(gòu)），內(nèi)置驅(qū)動(dòng)器1個(gè)。完成功能啟動(dòng)停止復(fù)位需要輸入：3個(gè)開(kāi)關(guān)量，分別是啟動(dòng)開(kāi)關(guān)、停止開(kāi)關(guān)和復(fù)位開(kāi)關(guān)。完成行程超出報(bào)警功能需要輸入：2個(gè)開(kāi)關(guān)量，分別是行程起點(diǎn)超出報(bào)警和行程終點(diǎn)超出報(bào)警。完成夾持狀態(tài)需要輸入：1個(gè)開(kāi)關(guān)量，是否夾持開(kāi)關(guān)量。完成位置的閉環(huán)控制需要輸入：串口通信和RS422與串口變換電路。選擇禹衡光學(xué)的光柵尺進(jìn)行位置測(cè)量，型號(hào)為JFT-40B-1640C5-9D3m。由于滾珠絲杠具有回程誤差，據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，回程誤差可達(dá)到1/4導(dǎo)程，即0.5mm，顯然不符合精度要求，故使用外部傳感器。位置傳感器有激光傳感器和光柵尺等傳感器。激光傳感器具有測(cè)量距離遠(yuǎn)、測(cè)量范圍大、分辨率高等特點(diǎn)。特別是測(cè)量距離遠(yuǎn)這一特點(diǎn)，使得激光傳感器應(yīng)用于各種場(chǎng)合。但是激光傳感器的測(cè)量精度一般是1mm，精度比較高的能達(dá)到0.1mm，設(shè)計(jì)要求為0.005mm，這是激光傳感器所不能達(dá)到的，因此選擇光柵尺。光柵尺的精度高，但是測(cè)量距離有限，根據(jù)行程1500mm的要求，選擇光柵尺的測(cè)量長(zhǎng)度需要大于1500mm，考慮到光柵尺滑塊的長(zhǎng)度以及安全距離，選擇光柵尺的測(cè)量范圍需要大于1600mm。禹衡JFT-40光柵尺具有封閉結(jié)構(gòu)，鋁殼保護(hù)標(biāo)尺光柵，避免了灰塵等雜物的進(jìn)入影響精度，體積小質(zhì)量輕。精確度等級(jí)為5μm，設(shè)計(jì)要求精度為0.005mm，即5μm，因此是滿足設(shè)計(jì)要求的。JFT-40B-1640C5-9D3m光柵尺的測(cè)量范圍是1640mm，電纜線長(zhǎng)度為3mm，插頭類型為9針D-SUB連接器。輸出形式為RS422，電源電壓為5V，最大移動(dòng)速度為180m/min，滿足設(shè)計(jì)要求。4.3電氣控制電路的設(shè)計(jì)根據(jù)功能要求和硬件選型，需要設(shè)計(jì)電壓轉(zhuǎn)換模塊：將交流電轉(zhuǎn)換為需要的5V和24V直流電源。RaspberryPi4B供電電路：保證控制器的正常運(yùn)行。RaspberryPi的中斷輸入：實(shí)現(xiàn)工作任務(wù)的啟動(dòng)和停止功能。行程檢測(cè)電路：開(kāi)關(guān)量，當(dāng)移動(dòng)平臺(tái)超過(guò)起點(diǎn)或者終點(diǎn)行程時(shí)被除法。傳感器電路變換模塊：將光柵尺輸出的RS422電平信號(hào)轉(zhuǎn)換為RaspberryPi的RX、TX串口信號(hào)。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路：主控板輸出的使能、方向和脈沖信號(hào)控制步進(jìn)電機(jī)專用驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器將信號(hào)轉(zhuǎn)換為步進(jìn)電機(jī)需要運(yùn)行的角度并驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行。無(wú)刷直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路：主控板輸出的使能、方向和脈沖信號(hào)控制BLD2403TC無(wú)刷驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器將信號(hào)轉(zhuǎn)換為電機(jī)需要運(yùn)行的信號(hào)并驅(qū)動(dòng)無(wú)刷直流伺服電機(jī)運(yùn)行。其電氣控制電路如圖25所示：圖25機(jī)器人電氣控制電路4.4軟件設(shè)計(jì)及說(shuō)明4.4.1控制系統(tǒng)功能框圖移動(dòng)平臺(tái)使用PI控制，可實(shí)現(xiàn)階躍輸入無(wú)靜差，且快速性較好，通過(guò)限制速度輸出值，可以保證最大速度穩(wěn)定在3m/s勻速運(yùn)行，且減速階段僅用時(shí)1.3s。通過(guò)合理的參數(shù)調(diào)節(jié)，可以保證加速度在1m/s以內(nèi)，但起步時(shí)會(huì)出現(xiàn)速度突變，可以使用二階插值做到平穩(wěn)起步，達(dá)到最大速度之后切換到PI控制。PI控制部分通過(guò)圖26Simulink系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖圖27PI控制位置、速度、加速度情況機(jī)器人手爪部分無(wú)精度要求、動(dòng)作簡(jiǎn)單，且使用步進(jìn)電機(jī)，故僅使用傳感器進(jìn)行限位控制即可?？刂葡到y(tǒng)功能框圖如圖28所示：圖28控制系統(tǒng)功能框圖4.4.2主程序設(shè)計(jì)主程序?yàn)殚_(kāi)機(jī)回到工作原點(diǎn)：圖29主程序流程圖4.4.3子程序設(shè)計(jì)圖30移動(dòng)平臺(tái)流程圖程序：import

RPi.GPIO

as

GPIO

#

引入GPIO模塊SV

=

38

#定義對(duì)應(yīng)的引腳變量FR

=

40hz

=

500

#定義頻率變量speed

=

0

#定義轉(zhuǎn)速，每

500

rpm對(duì)應(yīng)

1

m/minSpeedMax

=

3000GPIO.setmode(GPIO.BCM)

#

使用BCM編號(hào)方式GPIO.setup(SV,

GPIO.OUT)

#

將連接SV1的GPIO引腳設(shè)置為輸出模式GPIO.setup(FR,

GPIO.OUT)

#

將連接FR的GPIO引腳設(shè)置為輸出模式pwm

=

GPIO.PWM(SV,

hz)

#

設(shè)置向ENA輸入PWM脈沖信號(hào)，頻率為hz并創(chuàng)建PWM對(duì)象pwm.start(speed)

#

以speed的初始占空比開(kāi)始向ENA輸入PWM脈沖信號(hào)SpeedDuty

=

speed/5000.*100.class

Pid():

def

__init__(self,

exp_val,

kp

=

0.1,

ki

=

0.15,

kd

=

0.1):

self.KP

=

kp

self.KI

=

ki

self.KD

=

kd

self.exp_val

=

exp_val

self.now_val

=

0

self.now_err

=

0

self.last_err

=

0

self.last_last_err

=

0

self.change_val

=

0

def

cmd_pid(self):

self.last_last_err

=

self.last_err

self.last_err

=

self.now_err

self.now_val

=

PositionSelf()

self.now_err

=

self.exp_val

-

self.now_val

self.change_val

=

self.KP

*

(self.now_err

-

self.last_err)

+

self.KI

*

\

self.now_err

+

self.KD

*

(self.now_err

-

2

*

self.last_err

+

self.last_last_err)

self.now_val

+=

self.change_val

return

self.now_valmy_Pid

=

Pid(PositionSet

=

1000)while

abs(PositionSelf()-PositionSet)<5e-3:

if

my_Pid.cmd_pid()

>

0:

#前進(jìn)

GPIO.output(FR,GPIO.HIGH)

speed

=

my_Pid.cmd_pid()

if

speed>SpeedMax:

speed

=

SpeedMax

#限制速度最大值

SpeedDuty

=

speed/5000.*100.

pwm.ChangeDutyCycle(SpeedDuty)

#

更新PWM占空比

else:

#

后退

GPIO.output(FR,GPIO.LOW)

speed

=

-

my_Pid.cmd_pid()

if

speed>SpeedMax:

speed

=

SpeedMax

#限制速度最大值

SpeedDuty

=

speed/5000.*100.

pwm.ChangeDutyCycle(SpeedDuty)

#

更新PWM占空比GPIO.cleanup()圖31機(jī)器人夾爪流程圖程序（以打開(kāi)為例）：import

RPi.GPIO

as

GPIOimport

time

TERMINAL1

=

23

#

PUL

-TERMINAL2

=

24

#

DIR

-

def

setup():

#

初始化

GPIO.setwarnings(False)

GPIO.setmode(GPIO.BCM)

GPIO.setup(TERMINAL1,

GPIO.OUT)

GPIO.setup(TERMINAL2,

GPIO.OUT)

def

start(pulse_terminal):

#

開(kāi)啟脈沖

pulse_terminal.start(0)

pulse_terminal.ChangeDutyCycle(50)

#

設(shè)置脈沖帶寬

0~100

def

stop(pulse_terminal):

#

停止脈沖

pulse_terminal.stop()

def

set_direction(direction=1):

GPIO.output(TERMINAL2,

direction)

#

設(shè)置高低電平

if

__name__

==

'__main__':

#

Program

start

from

here

setup()

pulse_terminal

=

GPIO.PWM(TERMINAL1,

1000)

#

脈沖帶寬調(diào)制

set_direction(0)

start(pulse_terminal)

while(1):

jz_Opened

=

GPIO.input(27)

#

夾爪打開(kāi)完畢即停止反轉(zhuǎn)

if

jz_Opened:

break

stop(TERMINAL1)

#

停車(chē)

GPIO.cleanup()5設(shè)計(jì)小結(jié)本次課程設(shè)計(jì)使用到了許多以前學(xué)習(xí)過(guò)的知識(shí)：機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)、機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)、自動(dòng)控制原理、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、微機(jī)原理、傳感器原理、機(jī)電傳動(dòng)與控制等，是對(duì)各個(gè)專業(yè)課的系統(tǒng)性綜合性運(yùn)用，也是一次大復(fù)習(xí)。通過(guò)本次課程設(shè)計(jì)，我也學(xué)到了許多新的知識(shí)與技能：繪制電路圖、自主通過(guò)各大供應(yīng)商的官網(wǎng)進(jìn)行設(shè)備選型與設(shè)計(jì)，這些都使我收獲頗豐。但由于時(shí)間原因，本次設(shè)計(jì)還有一些不足：程序?yàn)閷?xiě)成函數(shù)以便于調(diào)用、二次插補(bǔ)程序未具體實(shí)現(xiàn)、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)部分仍有不嚴(yán)謹(jǐn)和有缺陷的地方等。不積硅步，無(wú)以至千里；不積小流，無(wú)以成江海。一次課程設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)與實(shí)踐帶來(lái)的收獲是有限的，但是今后學(xué)習(xí)提高的機(jī)會(huì)還多，我要把自己的小我融入祖國(guó)的大我、人民的大我之中，讓理想信念在創(chuàng)業(yè)奮斗中升華，讓青春在創(chuàng)新創(chuàng)造中閃光；在自己的崗位上扛起責(zé)任，在擔(dān)當(dāng)中歷練、在盡責(zé)中成長(zhǎng)；心系祖國(guó)，志存高遠(yuǎn)，腳踏實(shí)地，在奮斗中創(chuàng)造精彩人生，為祖國(guó)和人民貢獻(xiàn)青春和力量，讓青春在全面建設(shè)社會(huì)主義現(xiàn)代化國(guó)家的火熱實(shí)踐中綻放絢麗之花。參考文獻(xiàn)[1]潘豐,徐穎秦.自動(dòng)控制原理[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2015.[2]阮毅,陳伯時(shí).電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2018.[3]于海生.計(jì)算機(jī)控制技術(shù)[M].