【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 正極 褐 — 負(fù)極 第三章 機(jī)器人總 體設(shè)計(jì) 8 本設(shè)計(jì)采用的是金屬對(duì)稱抓取機(jī)械手，實(shí)物圖如圖 。機(jī)械手長(zhǎng) ，寬 72mm，由一只舵機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的張開(kāi)與閉合，能穩(wěn)定的抓取大型圓球，圓柱體。 圖 機(jī)械手 小車驅(qū)動(dòng)方式 移動(dòng)機(jī)器人要想完成移動(dòng)、搬運(yùn)的功能必須要有運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，一個(gè)完善、高效的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)能夠讓機(jī)器人完整、穩(wěn)定的行駛。 本文研究的機(jī)器人主體類似于小型智能車， 小車按照驅(qū)動(dòng)方式可以分為單輪驅(qū)動(dòng)、差速驅(qū)動(dòng)和全方位驅(qū)動(dòng)。三輪式小車是單輪驅(qū)動(dòng)小車最常見(jiàn)的形式，小車的驅(qū)動(dòng)輪和轉(zhuǎn)向輪都是前輪， 兩個(gè)后輪起 從動(dòng)作用。 差速驅(qū)動(dòng)小車 ,采用兩個(gè)或四個(gè)航輪 ,分置在車體四周增加小車的穩(wěn)定性 ,當(dāng)每組航輪轉(zhuǎn)速不同時(shí)執(zhí)行車體轉(zhuǎn)向動(dòng)作 ,當(dāng)速度相同時(shí) ,車體執(zhí)行直線行動(dòng)或原地旋轉(zhuǎn)。全方位小車安裝有三個(gè)獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向組合輪 ,能夠朝任意方向行駛 而不改變車體姿態(tài) 。 考慮到小車必須要能支撐起機(jī)械臂和整個(gè)硬件系統(tǒng)，所以小車應(yīng)該是三輪或者四輪形式，由于三輪小車只有后面兩輪是驅(qū)動(dòng)輪動(dòng)力不足，所以最終采用四輪的結(jié)構(gòu)，并且是四輪差速驅(qū)動(dòng)方式 ，通過(guò)調(diào)節(jié)左右兩組航輪的速度可以做到直線行動(dòng)和轉(zhuǎn)彎。這種結(jié)構(gòu)承載能力強(qiáng)，易于控制，調(diào)速能力優(yōu)良。 四輪構(gòu)型如下圖 ： 南京工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 圖 四輪構(gòu)型 電源選擇 機(jī)器人驅(qū)動(dòng)需要有電池供電。普通干電池價(jià)格便宜，但是放電快，只能使用一次不符合循環(huán)使用的要求，因此決定采用充電電池，充電電池分為鋰電池和鎳氫電池，鎳氫電池高容量，大電流，可循環(huán)使用，且價(jià)格更便宜，所以使用鎳氫充電電池。我使用的 是 VB 品牌的 鎳氫電池 ，電壓 ，容量 3600 毫安，電池規(guī)格 ，電池實(shí)物圖如圖 ： 圖 鎳氫電池實(shí)物圖 第三章 機(jī)器人總 體設(shè)計(jì) 10 微控制器選擇 目前我們的課程學(xué)習(xí) 了 51系列單片機(jī)和 stm32 系列單片機(jī) ， 51單片機(jī)較簡(jiǎn)單，控制方便但是速度、功能沒(méi)有 stm32 強(qiáng)大，搬運(yùn)機(jī)器人涉及大量數(shù)據(jù)處理，所以單片機(jī)速度越快越好，而且 stm32 外圍接口豐富能滿足機(jī)器人的各種設(shè)計(jì)要求，為了將課堂學(xué)習(xí)的知識(shí)運(yùn)用到實(shí)際，本設(shè)計(jì)選擇了增強(qiáng)型 stm32 單片機(jī)stm32f103zet6 作為機(jī)器人的微控制器。 測(cè)距抓取 機(jī)器人搬運(yùn)物體需要知道在什么地方停下抓取物體，所以機(jī)器人和物體之間的測(cè)距是必要的。本設(shè)計(jì)剛開(kāi)始使用的方案是超聲波測(cè)距，圖 為超聲波傳感器。但是實(shí)際測(cè)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)超聲波測(cè) 距精度不高，機(jī)器人不能到達(dá)正確位置抓取物體，所以拋棄此方案。我轉(zhuǎn)而采用紅外測(cè)距，圖 為紅外光電開(kāi)關(guān)，事實(shí)證明紅外測(cè)距具有探測(cè)距離遠(yuǎn)，精度高的優(yōu)點(diǎn)，滿足設(shè)計(jì)要求。 圖 超聲波傳感器 圖 紅外光電開(kāi)關(guān) 機(jī)器人整體框圖 搬運(yùn)機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)如圖 所示： 南京工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 核 心 控 制 器（ s t m 3 2 f 1 0 3 z e t 6 ）直 流 電 機(jī)驅(qū) 動(dòng) 模 塊舵 機(jī)紅 外 光 電 開(kāi) 關(guān)灰 度 傳 感 器電 壓轉(zhuǎn) 換 模 塊電 源 模 塊 5 V7 . 2 V5 V 圖 機(jī)器人整體結(jié)構(gòu) 組建好的搬運(yùn)機(jī)器人硬件平臺(tái)如圖 所示： 圖 搬運(yùn)機(jī)器人 第三章 硬件電路設(shè)計(jì) 12 第 三章 硬件電路設(shè)計(jì) 微控制器 MCU 主控制器選用的是意法半導(dǎo)體公司出品的 stm32f103zet6 芯片 ，其內(nèi)核是 CortexM3。該芯片是增強(qiáng)型的 32 位單片機(jī)，具有 64KB SRAM、 512KB FLASH、基本定時(shí)器 和高級(jí)定時(shí)器各 2個(gè) 、通用定時(shí)器 4個(gè) 、 3個(gè) SPI、 2 個(gè) IIC、 5 個(gè)串口、 1 個(gè) USB、 1 個(gè) CAN、 3 個(gè) 12 位 ADC、 1 個(gè) 12位 DAC、 1 個(gè) SDIO 接口、 1 個(gè)FSMC 接口以及 112 個(gè)通用 IO 口。其主要特點(diǎn)如下： a) 超低的價(jià)格。 雖然是 32 位機(jī)卻只有 8 位機(jī)的價(jià)格。 b) 72MHz 的工作頻率，具有快捷 強(qiáng)力的的數(shù)值運(yùn)算和邏輯運(yùn)算能力。 c) 超多的外設(shè)。擁有包括 FSMC、 TIMER、 SPI、 USB、 CAN、 IIC、 IIS、 SDIO、ADC、 DAC、 RTC、 DMA 等眾多外設(shè)及功能，具有極高的集成度。 d) 優(yōu)異的實(shí)時(shí)性能。 84 個(gè)中斷， 16 級(jí)可編程優(yōu)先級(jí)，并且所有的引腳都可以作為中斷輸入。 e) 杰出的功耗控制。 STM32 擁有獨(dú)立時(shí)鐘開(kāi)關(guān)控制 各個(gè)外設(shè)， 不需要的外設(shè)可以關(guān)閉相應(yīng)時(shí)鐘來(lái)降低功耗。 f) 極低的開(kāi)發(fā)成本。 STM32 的開(kāi)發(fā)不需要昂貴的仿真器，只需要一個(gè)串口即可下載代碼，并且支持 SWD 和 JTAG 兩種調(diào)試口。 在本設(shè)計(jì)中采用 stm32f103zet6 正是利用了它的快速運(yùn)算處理能力以及豐富的片上資源，從而有效、快速、準(zhǔn)確地控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。 程序下載 本設(shè)計(jì)下載程序使用德國(guó) SEGGER 公司推出的 Jlink 仿真器，該仿真器 配合IAR EWAR ， ADS ， KEIL， WINARM ， RealView 等 集 成 開(kāi)發(fā) 環(huán) 境 支 持所 有ARM7/ARM9/ARM11,Cortex M0/M1/M3/M4,Cortex A4/A8/A9 等內(nèi)核芯片的仿真 適用于 Keil、 IAR 等編譯環(huán)境，操作 起來(lái)非常方便，學(xué)習(xí)也很簡(jiǎn)單 ，是 很好的 學(xué)習(xí)南京工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 開(kāi)發(fā) ARM 的開(kāi)發(fā)工具。 電源模塊 本設(shè)計(jì)采用兩塊 、 3600mah 的鎳氫電池供電，由于系統(tǒng)構(gòu)成復(fù)雜，各模塊供電要求不同，所以將電壓分為 ， 5V， 三個(gè)檔位。 穩(wěn)壓芯片 由于 STM 系列芯片需要 供電，供電電壓任何時(shí)刻都不能超過(guò) ，否則會(huì)導(dǎo)致主芯片燒毀，采用低壓線差線性穩(wěn)壓器 提供 電壓 ?；叶葌鞲衅鳌⒓t外光電開(kāi)關(guān)、觸碰開(kāi)關(guān)、舵機(jī)都需 要 5V 供電，如果還采用單片的線性穩(wěn)壓器件，當(dāng)輸入輸出壓差較大時(shí)器件就會(huì)因電流過(guò)大而被擊穿，所以最后決定采用開(kāi)關(guān)型集成穩(wěn)壓芯片 LM2596，該器件功耗很低，轉(zhuǎn)換效率可達(dá) 75%～88%。 穩(wěn)壓電路 輸入 5V電壓，通過(guò) 轉(zhuǎn)換輸出 給單片機(jī)供電，其電路圖如圖 所示。 圖 穩(wěn)壓芯片 LM2596 輸出 5V電壓供給各個(gè)模塊使用，其電路圖如圖 所示。 第三章 硬件電路設(shè)計(jì) 14 圖 LM2596穩(wěn)壓電路 驅(qū)動(dòng)模塊 本設(shè)計(jì)采用 直流減速電機(jī)為系統(tǒng)提供必須的的驅(qū)動(dòng)力。 單片機(jī)的 I/O口 能輸出的電流很小無(wú)法驅(qū)動(dòng)電機(jī)這種大功率器件，通過(guò)添加 驅(qū)動(dòng)電路 可以解決這一問(wèn)題 。 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊選擇 有兩種方案可供考慮： 方案 1：設(shè)計(jì)由分離元件組成的驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)，但是設(shè)計(jì) 反鎖，使用不便。 方案 2：采用專用的驅(qū)動(dòng)芯片加以實(shí)現(xiàn)。由于專用的驅(qū)動(dòng)芯片結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、 可靠性高 、 價(jià)格便宜 ，所以決定采用方案 2。 設(shè)計(jì)選擇 L298N 專用芯片驅(qū)動(dòng)電機(jī)。該芯片是 ST 公司生產(chǎn)的一種 工作 電壓高 ， 輸出 電流 大 的電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。其主 要特點(diǎn)是：工作電壓高，最 高工作電壓可達(dá) 46V，輸出電流大， 最大電流 可達(dá) 3A，持續(xù)工作電流為 2A，內(nèi)部集成了兩個(gè) H橋，能同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)電機(jī)。 圖 為 L298N 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。 南京工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 圖 L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng) 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 圖 為典型的 H 橋電路， H橋式電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 由四 個(gè)三極管和一個(gè)電機(jī) 組成 。 當(dāng)對(duì)角線上的一對(duì)三極管導(dǎo)通時(shí)電機(jī)工作 。 電流流向隨不同三極管對(duì)導(dǎo)通而改變，以此來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的方向。 圖 H橋電路 例如，如圖 所示， 當(dāng)三極管對(duì) Q Q4 導(dǎo)通時(shí)，電流從 電源 正極經(jīng)過(guò) Q1，流過(guò)電機(jī)，最后經(jīng)過(guò) Q4 流向負(fù)極，電流流向是從左至右，驅(qū)動(dòng)電機(jī) 順時(shí)針旋轉(zhuǎn)；當(dāng)三極管對(duì) Q Q3 導(dǎo)通時(shí)，電流從電源正極經(jīng)過(guò) Q3，流過(guò)電機(jī)，最后經(jīng)過(guò) Q2流向負(fù)極，電流流向是從右至左，驅(qū)動(dòng)電機(jī)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。 第三章 硬件電路設(shè)計(jì) 16 圖 電機(jī)正轉(zhuǎn) 圖 電機(jī)反轉(zhuǎn) 可以直接用單片機(jī)的 I/O 口 給 L298N 提供控制信號(hào) 。 IN IN2 和 IN IN4分別接在兩組單片機(jī)引腳上控制邏輯信號(hào)， 然后單片機(jī)輸出 PWM 來(lái)控制使能端ENA 和 ENB 的占空比從而調(diào)整轉(zhuǎn)速， OUT OUT2 和 OUT OUT4 分別接兩個(gè)電機(jī)輸出。 L298N 電機(jī)控制引腳功能表如圖 所示。 直流電機(jī) 旋轉(zhuǎn)方式 IN1 IN2 IN3 IN4 調(diào)速 PWM信號(hào) 調(diào)速端 A 調(diào)速端 B M1 正轉(zhuǎn) 高 低 / / 高 / 反轉(zhuǎn) 低 高 / / 高 / 停止 低 低 / / 高 / M2 正轉(zhuǎn) / / 高 低 / 高 反轉(zhuǎn) / / 低 高 / 高 停止 / / 低 低 / 高 圖 L298N邏輯功能圖 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的電路圖如圖 所示， IN IN IN IN4 直接接單片機(jī)引腳，單片機(jī)輸出兩路 PWM 給 ENA 和 ENB 端， VS 引腳接電源電壓，電壓范圍為+～ 46V， VSS 引腳接 5V 電壓，引腳 1 和 15 接地。 南京工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 圖 L298N電路圖 灰度檢測(cè)模塊 灰度傳感器 包含 高亮 LED 和光敏電阻 兩部分 。 其基本電路是讓 LED 串聯(lián)一個(gè)限流電阻接在電源兩端，在電路中并聯(lián)的電阻起到分壓作用， LED 是光源，光敏電阻阻值隨光照強(qiáng)度變化而變化。 電路圖如圖 所示。地面顏色越深，吸收光線的能力越強(qiáng)，則光敏電阻接受到的反射光越弱，光敏電阻值越大 ，灰度傳感器的輸出電壓也越大；反之，地面灰度淺，輸出電壓小。 圖 灰度檢測(cè)電路 本設(shè)計(jì)選用的灰度傳感器實(shí)物圖如圖 所示，該模塊內(nèi)置 AD 轉(zhuǎn)換模塊，第三章 硬件電路設(shè)計(jì) 18 輸出方式為數(shù)字輸出，即 1 或 0 輸出，可以直接接單片機(jī)引腳根據(jù)電平高低判斷線路。 舵機(jī)控制 電路 舵機(jī) 連接到單片機(jī)的 電路如圖 ： 圖 舵機(jī)和單片機(jī)連接電路 舵機(jī)有三條線，一條電源線，一條底線，一條信號(hào)線，由單片機(jī)產(chǎn)生周期為20ms，脈寬 1～ 2ms 的信號(hào)，通過(guò) PWM 設(shè)置占空比改變脈寬從而改變舵機(jī)旋轉(zhuǎn)角度。 舵機(jī)角度和脈寬的要求如圖 所示。 圖 舵機(jī)控制要求 南京工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 19 碰撞開(kāi)關(guān) 碰撞開(kāi)關(guān)即微動(dòng)開(kāi)關(guān)， 它具有很小間隔的接點(diǎn)機(jī)構(gòu)，用一定的力可以連接接點(diǎn)完 成開(kāi)關(guān)動(dòng)作。本設(shè)計(jì)利用車體前安裝的微動(dòng)開(kāi)關(guān)檢測(cè)觸碰病床并返回。下圖是碰撞 開(kāi)關(guān)原理結(jié)構(gòu)圖： 圖 碰撞 開(kāi)關(guān)原理結(jié)構(gòu) 紅外光電開(kāi)關(guān) 紅外光電開(kāi)關(guān)是 一種 光電傳感器， 可以發(fā)射和接受光信號(hào)。 檢測(cè)距離可以根據(jù)要求進(jìn)行調(diào)節(jié)，本設(shè)計(jì)選用的傳感器 工作電壓 5V，長(zhǎng) 5cm，直徑 17mm，有效距離 380cm 可調(diào)。 具有探測(cè)距離遠(yuǎn)、受可見(jiàn)光干擾小、價(jià)格便宜、易于裝配、使用方便等優(yōu)點(diǎn) ，由于是數(shù)字輸出可以直接接單片機(jī)引腳，前方無(wú)障礙輸出高電平，有障礙輸出低電平。紅外光電 開(kāi)關(guān) 與單片機(jī)連接圖如下： 圖 光電開(kāi)關(guān)和單 片機(jī)連接電路第四章 軟件設(shè)計(jì) 20 第四章 軟件設(shè)計(jì) 小車運(yùn)動(dòng)控制算法 搬運(yùn)機(jī)器人是由車體和機(jī)械臂兩部分組成。小車要循跡完整跑完賽道就需要有算法，依靠車體前方安裝的七路循跡傳感器和車體中間安裝的兩路循跡傳感器可以檢測(cè)道路信息并反饋給單片機(jī)，單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)做出處理并控制小車行駛。 (1)直線行駛 ①只有傳感器 3在白線上 放 ,傳感器 5都不在白線上 當(dāng)只有傳感器 3引腳輸出低電平時(shí)，則傳感器 3檢測(cè)到白線，此時(shí)傳感器分布如圖 所示，小車保持直線行駛。 圖 傳感器 3在白線上 ②只有傳感器 2或 1在白線上方 當(dāng)只 有傳感器 2或 1引腳輸出低電平時(shí)，則傳感器 2或 1檢測(cè)到白線，此時(shí)傳感器分布如圖 、 所示，小車右偏，單片機(jī)控制 左輪電機(jī)減速 同時(shí) 右輪電機(jī)加速，小車向左修正。 南京工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 21 圖 傳感器 2在白線上 圖 傳感器 1在白線上 ③只有傳感器 4或 5在白線上方 當(dāng)只有傳感器 4或 5引腳輸出低電平時(shí)，則傳感器 4或 5檢測(cè)到白線，此時(shí)傳感器分布如圖 、 所示，小車左偏，單片機(jī)控制左輪電機(jī)加速右輪電機(jī)減速，小車向右修正。 圖 傳感器 4在白線上 圖 傳感器 5在白線上 走直線的算法流程圖如圖 所示： 第四章 軟件設(shè)計(jì) 22 機(jī) 器 人 運(yùn) 行傳 感 器 輸