機械手-智能巡線機器人設計
機械手-智能巡線機器人設計,機械手,智能,機器人,設計
四川理工學院畢業(yè)設計(論文)開題報告設計(論文)名稱智能巡線機器人設計設計(論文)類型機械類設計指導教師孫祥國學生姓名彭進秀學號030110528系、專業(yè)、班級機電03.3一、選題依據:(簡述研究現狀或生產需求情況,說明該設計(論文)目的意義。)現代數控機床是綜合應用計算機、自動控制、自動檢測以及精密機械等高等技術的產物,是典型的機電一體化產品,作為數控車床的一部分三坐標數控機械定位系統(tǒng),也是全新型的自動化產品。通過對三維掃描檢測裝置的機械傳動系統(tǒng)的設計和總體結構的設計,能初步掌握機電一體化系統(tǒng)或產品機械傳動設計方法和重點考慮的問題、總體機構設計的基本要求和方法等方面的技能,并能對該機構的運動學仿真進行設計與分析。由于產品變化的頻繁,為有效的保證產品質量,提高勞動生產率和降低成本,要求機床不僅具有較好的通用性和靈活性,而且要求加工過程實現自動化,那么所設計的定位系統(tǒng)也同樣應該具備高精度、高效率、高質量、高可靠性的優(yōu)點。在老師的指導下,對三維掃描檢測裝置的機械傳動系統(tǒng)設計和總體結構設計的摸索過程中,不但能對已有知識進行查缺補漏,而且接觸、掌握更多的零件選型原則,還能吸收前延知識理念,從而為畢業(yè)后能更好的適應機電產品不斷更新?lián)Q代的新環(huán)境奠定基礎。二、設計(論文研究)思路及工作方法l X,Y,Z三方向的伺服電機選擇與傳動機構設計。l 各個方向定位導向機構設計。l 三維掃描檢測裝置總體結構設計。l 合理選用相關標準件、通用件、外購件。l 應用Pro/E繪制裝配圖進行動態(tài)仿真。l 根據要求完成設計報告及圖紙。 三、設計(論文研究)任務完成的階段內容及時間安排。l 查閱和搜集設計資料,在此基礎上指定設計方案 07.03.05-07.03.25l 進行整體方案設計 07.03.25-07.04.02 l 機械整體設計 07.04.02-07.05.03l 控制設計 07.05.03-07.05.22l 編寫設計說明書 07.05.22-07.05.26l 檢查 07.05.29-07.06.02指導教師意見 指導教師簽字: 年 月 日教研室畢業(yè)設計(論文)工作組審核意見難度分量綜合訓練程度 教研室主任: 年 月 日設計(論文)類型:A理論研究;B應用研究;C軟件設計;D-其它等。前 言 四 川 理 工 學 院畢 業(yè) 設 計 說 明 書題 目 智能巡線機器人設計 學 生 彭 進 秀 系 別 機電工程系 專 業(yè) 班 級 機械設計制造及其自動化機電03.3班學 號 030110528 指 導 教 師 李 開 世 四 川 理 工 學 院畢業(yè)設計(論文)任務書設計(論文)題目: 智能巡線機器人設計 系: 機電系 專業(yè): 機械設計制造及其自動化(機電一體化) 班級: 2003級3班 學號: 030110528 學生: 彭進秀 指導教師: 李開世 接受任務時間 2007/3/5 教研室主任 (簽名)系主任 (簽名)1畢業(yè)設計(論文)的主要內容及基本要求 1.總體方案設計; 2機械整體設計; 3.控制設計; 4編寫設計說明書;2指定查閱的主要參考文獻 1.機器人控制電子學 2.機器人探索 3.機器人的創(chuàng)意設計與實踐 4MSP430系列FLASH型超低功耗16位單片機 (電子和機械方面的書)3進度安排設計(論文)各階段名稱起 止 日 期1查閱和搜集設計資料,在此基礎上指定設計方案2007.3.52007.3.252進行整體方案設計2007.3.252007.4.23機械整體設計2007.4.22007.5.34控制設計2007.5.32007.5.225編寫設計說明書2007.5.222007.5.296檢查2007.5.292007.6.2 前 言 第3頁摘 要近年來機器人的研究和應用已經不僅僅局限于軍用領域。許多應用于軍用機器人上的成功技術已經在民用機器人中得到了一定的應用。在工業(yè)機器人的基礎上,運用了傳感器技術和單片機智能控制技術,設計出了一種能自動運送貨物的職能巡線機器人。論文首先對智能巡線機器人總體設計方案進行敘述,闡述其各要素的工作原理,然后就整個智能巡線機器人系統(tǒng)劃分為五個模塊,分章節(jié)對各個模塊設計制作進行闡述。機器人機械結構部分,通過分析常用的車輪驅動配置方式,擇優(yōu)選擇了前排安裝兩個萬向輪、后排安裝兩個獨立驅動輪的設計方案,充分考慮到了巡線的簡易性和穩(wěn)定性。機器人傳感器接口與驅動電路部分,詳細闡述了光電傳感器檢測信號原理,敘述了設計所采用的光電傳感器接口電路詳細設計方案,分析了傳感器采用該種布局方案的原因。針對機器人的機械特性和速度要求,選用了L298N驅動芯片驅動電機,分析了它的優(yōu)缺點和可行性。機器人主控系統(tǒng)硬件部分闡述了主控芯片選型,主控電路設計方案,以及相應的接口說明。軟件部分在MSP430平臺上實現了快速、穩(wěn)定、準確的巡線方法。關鍵詞: 機器人;巡線;光電檢測;PWM驅動。AbstractIn recent years, research and design of robot has not been limited just in military field. Many technologies, which had been used in the military field cuccessfully, have been used in the field of civilian robot. Based on the industrial robot, and by applying sensor interface control and SCM intelligent control, this project has designed one kind of biranpower line walking robot that is able to carry the goods by itself. In this thesis, the overall design of autonomous line-tracking robot and principle of each essential element have been described. The robot system has been divided into five parts as fellow.The autonomous line-tracking arithmetic is the key of this project research. The relative position relationship between the robot and the leading line is divided into seven typical states; the adjustment strategy has been described respectively. An implementation principle to enable centerline approaching the leading-line gradually has been described by adjusting continuously chassis posture.In mechanical structure part, by analyzing the normal wheel drive configurations, it has been choiced that two universal wheels are installed in the front and two independent driving wheels are installed in the rear, which takes fully into account the simplicity and stability of the line-tracking. In sensor interface and drive circuit part, a detail explanation of photoelectric sensor and interface circuit has been discussed carefully. To adapt the robot mechanical properties and speed requirement, two motor driving circuits based on different principles have been designed and their advantages and feasibility analyied.In robot control system part, hardware and software have been discussed such as CPU choosing, control circuit designing, and hardware interface assigning, etc. Based on the MSP430, the speed difference from left and right wheel created by the Pulse-Width Modulation adjusts the position of the robot and leading line, which carries out the autonomous runs along with the leading line quickly, stably and accurately.Keywords: Robot; Line-tracking; Photoelectric Sensor; PWM. 前言機電一體化是綜合應用機械技術、微電子技術、信息技術、自動控制技術、傳感測試技術、電力電子技術、接口技術及軟件編程技術等,機器人則是機電一體化的顯著代表。機器人根據系統(tǒng)功能目標和優(yōu)化組織結構目標,以智力、動力、結構、運動和感知組成要素為基礎,對各組成要素及其間的信息處理、接口耦合、運動傳遞、物質運動、能量變換機理進行研究,使得整個系統(tǒng)有機結合與綜合集成,并在系統(tǒng)程序和微電子電路的有序信息流控制之下,形成物質和能量的有規(guī)則運動,在高功能、高質量、高精度、高可靠性、低能耗意義上實現各種技術功能組合以得到最佳功能價值的系統(tǒng)工程技術。機器人技術作為20世紀人類最偉大的發(fā)明之一,自1960年代初問世以來,經歷40年的發(fā)展已取得長足的進步。機器人的出現并高速發(fā)展是社會和經濟發(fā)展的必然,是為了提高社會的生產水平和人類的生活質量,讓機器人代替人干那些人干不了、干不好的工作。在現實生活中有些工作會對人體造成傷害,比如噴漆、重物搬運等;有些工作要求質量很高,人難以長時間勝任,比如汽車焊接、精密裝配等;有些工作人無法身臨其境,比如火山探險、深海探密、空間探索等;有些工作不適合人去干,比如一些惡劣的環(huán)境、一些枯燥單調的重復性勞作等;這些都是機器人大顯身手的地方。服務機器人還可以治病保健、保潔保安;水下機器人可以幫助打撈沉船、鋪設電纜;工程機器人可以上山入地、開洞筑路;農業(yè)機器人可以耕耘播種、施肥除蟲;軍用機器人可以沖鋒陷陣、排雷排彈??梢哉f,機器人的應用范圍非常之廣。據國外專家預測,2l世紀將是機器人技術革命的世紀,機器人作為全面延伸和擴展人的體力和智力的手段將實現“當代最高意義上的自動化”。機器人的應用和普及正在改變人類的生產方式、生活方式和作戰(zhàn)方式。 編者 2007.5 四川理工學院畢業(yè)設計 第11頁目 錄摘要1Abstract2前言3第1章 緒論111 機電一體化技術簡介11. 2智能巡線機器人的概況21. 3 課題的主要內容2第2章 自動巡線機器人總體方案設計421 機器人要素分析422 機器人總體分析52.2.1 場地分析52.2.2 機械結構分析52.2.2控制系統(tǒng)框架設計52.2.4運動姿態(tài)分析5第3章 機械結構設計731 移動機器人的車輪驅動配置73.1.1 機器人常用車輪驅動配置介紹73.1.2 本系統(tǒng)所采用的車輪驅動方式配置1032 機器人機械尺寸設計11第4章 傳感器接口電路設計1341 機器人對巡線傳感器的要求1342 超聲波傳感器134.2.1超聲波傳感器的原理134.2.2 超聲波的發(fā)射與接受電路1543 紅外光電反射式傳感器154.3.1 紅外光電反射式傳感器原理164.3.2 基于反射光強度測量的紅外光電反射式傳感器電路1744 紅外光電反射式傳感器布局19第5章 電機驅動電路設計2151 驅動電機的選用215.1.1電機減速器的選擇225.1.2 所選電機性能校核2352 直流電機的轉動控制2453 直流電機的速度控制2654基于L298的驅動電路28第6章 智能巡線機器人之態(tài)調整方法3161 總體分析3162 姿態(tài)分析32第7章 主控系統(tǒng)的設計3671 主控制芯片的選型367.1.1 MSP430系列與89C51系列單片機367.1.2 選用的MSP430F449的原因387.1.3 MSP430F449的引腳3972 主控單元電路設計3973 MSP430實現巡線算法437. 4巡線改進方法的實現467. 5轉彎分析51總結與展望56致謝57參考文獻58附件一:程序60附件二:元件76第1章 緒論本章首先從機器人的發(fā)展歷程引出機器人研究的發(fā)展趨勢,再具體到本次設計針對的任務要求,明確了設計任務的主要內容。11 機電一體化技術簡介“機電一體化”源于“Mechatronic”,是一個新興的邊緣學科,國內外都處于發(fā)展階段,她代表著機械工業(yè)技術革命的前沿方向。她是當代科學技術發(fā)展最為活躍的領域之一。機電一體化是綜合應用機械技術、微電子技術、信息技術、自動控制技術、傳感測試技術、電力電子技術、接口技術及軟件編程技術等,根據系統(tǒng)功能目標和優(yōu)化組織結構目標,以智力、動力、結構、運動、和感知組成要素為基礎,對各組成要素及其間的信息處理、接口耦合、運動傳遞、物質運動、能量變換機理進行研究,使得整個系統(tǒng)有機結合與綜合集成,并在系統(tǒng)程序和微電子電路有序信息流控制之下,形成物質和能量的有規(guī)則運動,在高功能、高精度、高可靠性、低能耗意義上實現各種技術功能組合以得到最佳功能價值的系統(tǒng)工程技術。機電一體化技術的產生與發(fā)展的根本原因在于社會的發(fā)展和科學技術的進步,系統(tǒng)工程、控制工程和信息論是機電一體化的理論基礎,是機電一體化技術的方法論。半導體大規(guī)模集成電路制造技術的進步則為機電一體化奠定了物質基礎,機電一體化技術的研究與應用融合于學科交叉。機電一體化依賴于相關技術的發(fā)展,同時也促進了相關技術的發(fā)展。目前世界上普遍認為機電一體化可以分為兩大類:生產過程機電一體化和機電產品一體化。機電產品的機電一體化是機電一體化的核心,是生產過程機電一體化的物質基礎。傳統(tǒng)的產品加上微機控制即可轉變?yōu)樾乱淮漠a品,而新產品較之舊產品具有功能強、性能好、密度高、體積小、重量輕、更可靠、更方便、經濟效益顯著等優(yōu)點。機電一體化產品小到兒童玩具、家用電器、辦公設備,大到數控機床、機器人、自動化生產線、航空航天器,因此,可以說機電一體化技術幾乎涉及到社會的各個方面。其中,生產過程的機電一體化包括產品設計、加工、裝配、檢測的自動化,生產過程自動化,經營管理自動化等。當傳統(tǒng)機電產品引入電子技術、計算機技術和自動控制技術時,就形成所謂的新一代機電一體化產品。典型的機電一體化產品體現了機械技術、電子技術、計算機技術等的有機結合,幾種多種高新技術,并把多種功能集成在一起,在市場上具有極強的競爭能力。機電一體化是機械、微電子、控制、計算機、信息處理等多學科的交叉融合,起發(fā)展和進步有賴于相關技術的進步與發(fā)展。其主要發(fā)展方向為數字化、智能化、模塊化、網絡化、人性化、微型化、集成化、帶源化和綠色化。機電產品高性能一般包含高速、高精度、高效率和高可靠性,人工智能在機電一體化技術中的研究日益得到重視,機器人與數控機床的智能化就是機電一體化技術的重要應用。1.2智能巡線機器人的概況智能巡線機器人的產生已有20多年的歷史,它被人們關注于機器人賽事?,F在各種機器人賽事,范圍普及世界。截止到2000年共有20余項公認的機器人賽事,如機器人足球世界杯比賽、微機器人世界杯錦標賽、日本相撲機器人大賽、機器鼠比賽等。這些機器人賽事有些就是巡線機器人。把比賽的尋線機器人和玩具機器人進行一定的改進,使它具有一定的承載能力,能夠被運用于工業(yè)的機器人。1.3 課題的主要內容針對機器人的巡線特征,設計出能夠自動巡線的智能巡線機器人,內容包括機器人機械外形的設計、傳感器設計、驅動電路設計、智能巡線的控制設計。具體工作是:1、 根據一定要求設計出機器人的機械結構。該機器人可以用于不同場合的循跡,但是必須是引導線的顏色與地面的顏色成鮮明對比。由于考慮到傳感器的使用比較多,所以該次設計的機器人主要是用于10cm50cm寬的引導線循跡。2、選擇辨色傳感器,必須可靠地識別出淺色引導線和深色地板。傳感器是機器人的眼睛,需要選擇幾種效果很好的傳感器,通過比較,擇優(yōu)選擇當前條件下最好的傳感器,才能給機器人一雙明亮的眼睛。辨色傳感器需要識別淺色引導線和深色地板,能夠很好將檢測到的高低電平傳送給控制系統(tǒng)。3、傳感器的布局策略制定。在布置傳感器的過程中,需要考慮到機器人底盤的外形和驅動方法,充分考慮到機器人在行進時可能遇到的各種情況,在調整過程中是否可能會讓所有傳感器偏離出檢測物體,使得巡線失敗。要考慮機器人直走和轉彎等狀態(tài)可能產生的各種情況。4、選擇合適的電機。由于是載重機器人,電機不僅要有足夠大的力矩驅動機器人動作,速度也要快。5、選擇驅動芯片。芯片要求能夠同時驅動兩臺電機,且能夠實現速度控制。6、選擇適合本次設計的單片機型號,設計制作性能良好的主控制板。選型是根據單片機輸入量的個數和輸出量的個數,還要合理留出備用端口方便擴展使用。輸入量除了用于巡線的光電傳感器信號以外,還包括用超聲波傳感器檢測有無障礙物和是否到達目的地;輸出量主要是所有電機需要提供的控制信號的個數。除了端口選擇的要求外,還應該滿足單片機的運行速度較高,處理信息及時穩(wěn)定,友好的開發(fā)環(huán)境,易于在市場上購得等條件。采用主-從式控制或是單-單片機控制都需要在試驗中驗證可靠性和簡易性。7、設計穩(wěn)定準確快速的巡線方法。這是本設計的關鍵技術問題,在傳感器檢測機器人所在位置的基礎上,制定穩(wěn)定、快速的行進方法。第2章 智能巡線機器人總體方案設計完整的機器人系統(tǒng)就是一個移動的測控系統(tǒng),包括檢測部分、控制部分以及相應的驅動部分。這幾個部分是彼此相互關聯(lián)的,檢測部分根據機械結構選擇合理的檢測手段,驅動部分根據任務要求和機械結構設計相應的驅動電路,控制部分則需從機械結構、檢測手段、驅動方法綜合考慮。21 機器人要素分析智能巡線機器人裝備包含以下幾個要素:機械機構、動力與驅動單元、執(zhí)行機構、傳感測試單元以及信息處理與控制單元五個部分。這五個基本組成要素可以與人體的五大要素進行對比,如圖2-1所示。圖2-1 機器人設備與人體五大要素比較圖機械機構的作用類似于人體的骨骼。包括工作模塊以及裝備所有功能元素的機械支持結構以及機身、框架、連接等。機械機構要在結構、材料、加工工藝性以及幾何尺寸等方面可靠、小型、輕量、美觀等要求。傳感與測試單元的作用相當于人體的五官,對裝備本身和外界環(huán)境的各種參數及狀態(tài)進行檢測,并將其變換成可識別信號,傳輸到信息處理單元。它由各種類型的傳感器和信號處理電路或測試儀表構成。傳感器與測試單元的主要問題在于提高可靠性、靈敏度和精密度。而提高可靠性的關鍵在于提高抗干擾能力。傳感器包括光電傳感器(巡線和計數)、超聲波傳感器(檢測是否到達目標和有無障礙物)。執(zhí)行機構相當于人體的手和足。它根據控制單元的指令,快速高精度地完成要求的動作。目前常用的執(zhí)行機構是電磁式、液壓式和氣動式機構。此外,還有一些新型的執(zhí)行機構如超聲波驅動器、形狀記憶合金驅動器等。執(zhí)行機構需要根據機器人裝備的匹配性要求,考慮改善性能,如何提高精度和快速性,減輕重量,實現組件化、標準化和系列化,提高系統(tǒng)整體的可靠性。動力和驅動單元相當于人體的內臟或肌肉。它在控制單元作用下,提供動力驅動和各種執(zhí)行機構完成要求的動作和功能。機器人裝備一方面要求驅動的高效率和快速反應特性,同時要求對水、油、溫度、塵埃等外部環(huán)境的適應性和可靠性。智能巡線機器人的動力單元包括步進和直流電機。信息處理與控制單元相當于人體中的頭腦。將來自傳感器與測試單元的檢測信息和外部輸入命令進行集中、存貯、分析、加工,根據信息處理結果和預設的控制算法,發(fā)出相應的指令控制整個系統(tǒng)有目的地運行。一般由計算機、可編程控制器(PLC)和計算機外部設備等組成。機器人系統(tǒng)對控制和信息處理單元的基本要求是:提高信息處理速度,提高可靠性,增強抗干擾能力以及完善系統(tǒng)自我診斷功能,實現信息處理智能化和小型、輕量、標準化等。22 機器人總體分析221 場地分析智能巡線機器人是在針對特定的場地,找到適合自身機械特點的定位方法,通過不斷調整到達目標,最終完成設定的任務。如何采用簡潔、快速、穩(wěn)定的控制方法和檢測設備是機器人的關鍵。它是在深色地板上放置白色引導線,特點是地面必須與引導線呈鮮明對比。機器人通過傳感器循跡,實時反映巡線信息直到CPU發(fā)出中斷請求停止循跡。一般的工廠不可能絕對無障礙物,為了避免機器人碰撞損傷,機器人需具有蔽障能力和終點停止的功能。222 機械結構分析智能巡線機器人是用于運送貨物,它的承載能力為150kg。將機器人設計為小車形式,這樣運送貨物就更加的方便。為滿足運動的準確性,避免在轉彎的時候因慣性而偏出路線導致巡線失敗,所以機器人的自身重量 F2 時,驅動輪才不至于打滑或空轉。初定驅動機構雙輪承受重力的60%,兩個萬向輪承受其余的40%,取驅動輪輪胎與地面間的摩擦系數=0.02,驅動輪直徑=15cm,支撐輪直徑D2=4cm.單個驅動輪承受的正壓力: (5.4)單個支撐輪承受的正壓力: (5.5)單個驅動輪克服的摩擦力: (5.6)單個支撐輪承受的摩擦力: (5.7)在一定的轉矩作用下驅動輪克服摩擦力,則轉向輪處于從動狀態(tài)。而在轉彎的狀態(tài)下,一個驅動輪將推動兩個萬向輪運動,從而在這種要考慮兩個驅動輪的摩擦阻力。機器人在運動時承受的最大阻力: (5.8)機器人驅動所需的電機的功率:
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