机电一体化项目报告

燕山大学课程设计说明书题目：智能车及采摘机器人系统的设计与制作姓名：从轶陈丰张笑天王晓芸分工：丛轶：智能车及手臂三维图形的制作及动画仿真陈丰：资料收集，智能车的编程及调试张笑天：机械手臂的尺寸设计，轨迹规划，PPT王晓芸：电路板的焊接，编程，项目报告，PPT课程名称：机电一体化系统设计指导教师：赵永生、王洪波、赵铁石、李艳文、姚建涛、张庆玲、唐艳华、王志军、史小华、冯泽民2011年10月1燕山大学课程设计（论文）任务书组号第七组学生姓名丛轶、陈丰、张笑天、王晓芸设计题目智能车及采摘机器人系统的设计设计要求在课程研究项目智能移动小车的基础上，自主设计采摘的机械臂和抓手，并装配或安装到原有的小车上，完成采摘机器人的设计、制作，进行机器人运动控制规划，控制机器人完成一系列复杂的动作，如手爪张合、车体回转、智能循迹和避障、协同作业等任务。要抓取的“球形果”直径30-80mm，重量500g。技术参数车体：（1）负载能力2kg（2）重量2kg（3）外形尺寸参照抓持物体手抓：（1）负载能力（含执行器）1kg（2）重复定位精度1cm（3）外形尺寸能够完成送料、灌篮并与车体和谐（4）重量5kg以内5）手爪张合30-150度（6）机械臂最大展开半径0.4m工作量（1）资料分析:查阅相关文献资料，对资料进行分析总结。（2）机器人总体设计:确定机器人的具体任务要求，根据任务初步拟定机器人的技术参数、运动形式、驱动方案、传动方案、控制方案等。（3）机器人机械结构设计:将机器人分解为车身结构、机械臂、手爪和传动结构等若干部分，分别对各个结构的关键部件进行详细设计并校核，绘制机器人总装图和关键零部件图。（4）运动控制方案设计:基于单片机完成机器人控制系统硬件和软件设计。（5）根据比赛要求，编程实现规定的动作，最终完成比赛。（6）编制课程设计说明书。（7）最终提交的文档：主要内容包括机械图纸一套，电气原理图一套，设计说明书一套。设计说明书必须包括方案论证、所用方案成本分析，必要的设计计算，市场前景分析与预测，设备的使用说明书，程序清单等。工作计划（1）资料查阅、设计准备，所需天数1天（2）资料分析、总结，所需天数1天（3）总体方案设计，所需天数2天（4）机械结构设计，所需天数2天（5）绘制总装图和关键零件图，所需天数3天（6）运动控制系统的设计，所需天数3天（7）绘制电路图所需天数2天（8）设计制作所需天数3天（9）编制课程设计说明书所需天数2天（10）答辩考核、演示所需天数1天参考资料通过校园网在我校订阅的电子资料库中可以搜索到大量的有关机电一体化以及电机的参考资料。同学们也可到学校的图书馆查找纸质期刊资料。机械学院的计算机中心上班时间免费对本院学生开放。2目录1.摘要···························································12.前言···························································13.方案论证·······················································34.硬件设计·······················································95.软件设计·······················································126.市场分析·····················································157.修改建议······················································168项目心得······················································169.参考文献······················································1731摘要机器人技术是一个集环境感知、轨迹规划、机械手应用等功能于一体的机电一体化系统。它是集中了计算机、机构学、传感技术、电子技术、人工智能及自动控制等多科而形成的高新技术。本次课程设计的采摘机器人智能小车就是这种高新技术综合体的一种尝试。采摘机器人智能小车主要由机械系统，环境识别系统，运动控制系统及机械臂控制系统组成。小车以单片机为核心，附以外围电路，采用光电检测器进行检测故障和循迹，并用软件控制小车及机械臂的运动，从而实现小车的自动行驶、转弯、寻迹检测、避障、停止及采摘等功能的智能控制系统。2前言果实采摘是农业生产的重要环节，其季节性强、劳动量大且费用高。因而许多国家开始研发智能控制的果实采摘机器人。果实采摘机器人作为农业机器人的一种类型，目前在日本、美国与荷兰等国家已有研制和初步使用，主要用于采摘番茄、黄瓜、草莓、葡萄、西瓜、甜瓜、苹果、柑桔与甘蓝等蔬菜和水果，具有很大的发展潜力。各类果实采摘机器形式多样，但主要由机械手、末端执行器、视觉系统、控制系统与行走系统等部分组成。本文介绍了智能车及采摘机器人系统。它是在智能循迹小车的基础上，自主设计一个球形果采摘的机械手并装配到原有的智能小车上，完成采摘机电一体化系统的设计、制作，进行机器人运动控制规划，控制机器人完成一系列复杂动作，如手抓张合、车体回转，智能循迹避障、协同作业等任务。3方案分析3.1智能小车的总体概述单片机是智能小车的控制核心，系统有黑线检测模块，电机驱动模块,LED灯指示模块，数码管显示模块，红外检测避障模块等几部分组成。总的电路图如下CPUAT89s52轨迹检测模块红外避障模块数码管显示模块电机驱动模块A/D转换模块串口通信模块电源模块LED指示灯模块速度检测模块43.2智能小车的驱动系统123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:23-Dec-2010SheetofFile:I:\PROTEL~1\PROTEL\SCH_1.SCHDrawnBy:J1BTPL521_4JICTPL521_4JIDTPL521_4J2ATPL521_2J2BTPL521_2J1ATPL521_4R21KR31KR41KR81KR91KR101KR1310KR1210KR1110KR710KR610KR510K5V5V5V5VVSSVSGNDSENBSENAOUT1OUT2OUT3OUT4IN1IN2IN3IN4ENAENBL298D2-D9400712V5V+12VC16100nC17100nJ5J6CON2CON21212IN_1IN_2IN_3IN_4PWM_1PWM_2JPOWPOW12Vin123CON3C2104104C6C8104C4104Vin1GND2+5V3U37805Vin1GND2+5V3U478055v5vR11KD1POWEREA/VP31X119X218RESET9RD17WR16INT012INT113T014T115P10/T1P11/T2P123P134P145P156P167P178P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728PSEN29ALE/P30TXD11RXD10U780C52Y111.0592C1422C1522RST5.6KR185V5VRESET5VALERCK1CLKR141KR151KR1610KR1710K1231231233215v5v黑白线检测蔽障检测55vCON3CON3CON3CON3P3.5P1.4P3.4P3.3Vin1GND2+6V3U27806Vin1GND2+6V3U17806C10104C12104104C16C14104C9220u/25C11220u/16C15220u/16C13220u/25C1220u/25C5220u/25C3220u/16C7220u/166VP0.0P0.1P0.2CON3CON3CON36v6v6vPWM_1PWM_2IN_1IN_2IN_3IN_4P0.1P0.1P0.2驱动舵机P3.5P1.4P3.4P3.3ISP下载线12456ISP5VMOSIMISOSCKRESETSCKMISOMOSIa1b2c3d4e5f6g7dp8com9com10D107LEDa1b2c3d4e5f6g7dp8com9com10D117LED12345678161514131211109R19IK*812345678161514131211109R201K*8SER14SRCLK11SRCLR10RCLK12E13O015O11O22O33O44O55O66O77Q79U574HC595SER14SRCLK11SRCLR10RCLK12E13O015O11O22O33O44O55O66O77Q79U674HC5955v5VM01M02M03M04M05M06M07M08M09M10M11M12M13M14M15M16SI1RCK15vCLK5VRCK1CLKR2110KR2210KR2310K5vSI13U8J1J2J3J4J7J8J9C1310u5小车的驱动包括电机的选择、驱动方案的选择、供电电源的选择下面将依次介绍。3.2.1电动机的选择及驱动3.2.1.1电动机的选择方案一：采用步进电机，步进电机的一个显著特点就是具有快速起停能力，如果负荷不超过步进电机所能提供的动态转矩值，就能够立即使步进电机启动或者反转，另一个显著特点就是转换精度高，正反转控制灵活。方案二：采用普通直流电机，直流电动机具有优良的调速特性，调速平滑、方便，调整范围广；过载能力强，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无级快速启动、制动和反转；能满足各种不同的特殊运行要求。综合考虑小车的各种要求，因需要寻迹和避障的等功能，对快速起停，转换精度正反转控制要求较高。3.2.1.2电动机的驱动方案的选择电动机驱动方案有以下几种：方案一：采用电阻网络或数字电位器调整电动机的分压，从而达到调速目的。但是电阻网络只能实现有级调速，而数字电阻的元器件价格比较昂贵，而且可能存在干扰，更主要的问题在于一般电动机的电阻比较小，但电流很大，分压不仅会降低效率，而且实现很困难。方案二：采用继电器对电动机的开或关进行控制，通过控制开关的切换速度实现对小车的速度进行调整，这个电路的优点是电路较为简单，缺点是继电器的响应时间长，易损坏，寿命较短，可靠性不高。方案三：采用四个大功率晶体管组成H桥电路，四个大功率晶体管分为两组，交替导通和截止，用单片机控制是指工作在开关状态，进而控制电动机的运行。该控制电路由于四个大功率晶体管之工作在饱和和截止状态下，效率非常高，并且大功率晶体管开关的速度很快，稳定性也极强，是一种广泛采用的电路。经过综合考虑选用方案三。该方案使用单片机控制易于实现集成化，减少体积和重量。而且晶体管效率极高，稳定性好，操作较为容易。考虑到电压电流的等级及尺寸，外观等因素，可选用集成电机驱动芯片L298。该芯片是双H桥高电压大电流集成电路，其输出脚（SENSEA和SENSEB）用来连接电流检测电阻。Vss接逻辑控制部分的电源，常用+5V。IN1~IN4输入引脚采用标准TTL逻辑电平信号，用来控制H桥的开与关，EnA，EnB，引脚则是是能控制端，其控制表如下：输入功能V=HC=H,D=L正转C=L,D=H反转C=D制动V=LC=X停止D=X3.2.2供电电源的方案选择6虽然整个机电系统都需要用到电源，但是为了叙述方便将此内容放到此处一起讨论。方案一：采用两个电源供电。将电动机驱动电源与单片机及其周围电路完全隔离，利用光电耦合器传输信号。这样可以使电动机驱动所造成的干扰彻底消除，提高了系统的稳定性，但是多一组电池，增加了车身重量，增大了小车的惯性。方案二：采用单一电源供电。电源直接给电动机供电，因电动机启动瞬间电流较大，会