基于Robotino機(jī)械手設(shè)計(jì)與應(yīng)用

杭州市蕭山區(qū)高級(jí)技工學(xué)校 張 祺

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基于Robotino機(jī)械手設(shè)計(jì)與應(yīng)用

杭州市蕭山區(qū)高級(jí)技工學(xué)校 張 祺

【摘要】移動(dòng)機(jī)器人是機(jī)器人學(xué)中一個(gè)重要的分支，隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和自動(dòng)化水平的不斷提高，移動(dòng)機(jī)器人的應(yīng)用越來越廣泛，幾乎滲透到所有的領(lǐng)域。與此同時(shí)，傳感技術(shù)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、人工智能及其他相關(guān)學(xué)科的迅速發(fā)展，使移動(dòng)機(jī)器人更加智能化，隨著其智能化程度的提高和成熟，移動(dòng)機(jī)器人正朝著具有操作能力的方向發(fā)展。給移動(dòng)機(jī)器人裝配機(jī)械手是該領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)和發(fā)展方向。基于Robotino的機(jī)械手就是搭載在的可以全方位移動(dòng)的德國Festo移動(dòng)機(jī)器人上，通過編寫移動(dòng)機(jī)器人的程序和手柄無線控制來實(shí)現(xiàn)對一定質(zhì)量物塊的抓取，定位、轉(zhuǎn)移，放置功能的機(jī)械手臂，通過平臺(tái)的移動(dòng)來擴(kuò)大機(jī)械手的工作空間，使機(jī)械手能以更適合的姿態(tài)執(zhí)行任務(wù)。它具有穩(wěn)定性、快速性、準(zhǔn)確性等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)具有很強(qiáng)的可操作性，可用于工業(yè)上對貨物的自動(dòng)搬運(yùn)、對生產(chǎn)部件的組裝等方面，具有很好的發(fā)展前景。

【關(guān)鍵詞】移動(dòng)機(jī)器人；機(jī)械手臂；STM32；驅(qū)動(dòng)電機(jī)

1　緒論

1.1Robotino移動(dòng)機(jī)器人概述

移動(dòng)機(jī)器人是機(jī)器人研究領(lǐng)域中的一個(gè)重要分支，是一種具有環(huán)境感知、動(dòng)態(tài)決策、行為規(guī)劃與執(zhí)行等功能的綜合系統(tǒng)，它集合了機(jī)械工程、電子工程、傳感器技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)以及人工智能等多種學(xué)科的研究成果，Robotino移動(dòng)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)單元是由三個(gè)步進(jìn)電機(jī)和三個(gè)可以全方位移動(dòng)的萬向輪構(gòu)成的，使得Robotino移動(dòng)機(jī)器人可以向任何方向、任何角度進(jìn)行移動(dòng)。三個(gè)步進(jìn)電機(jī)集中在一個(gè)堅(jiān)固的，激光焊接的不銹鋼底盤上，地盤上裝有防碰撞的橡膠保護(hù)裝置，Robotino移動(dòng)機(jī)器人的尺寸是直徑370毫米，高度是210毫米，整體為11公斤重，工業(yè)級(jí)的直流電動(dòng)機(jī)，銜接的齒輪以及編碼器可以使得移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)行速度高達(dá)10公里/小時(shí)，兩個(gè)12V的電池可以供Robotino運(yùn)行時(shí)間長達(dá)2個(gè)小時(shí)。

Robotino移動(dòng)機(jī)器人的控制部分是基于高性能嵌入式PC，它是基于PC 104和AMD Geode處理器，一個(gè)實(shí)時(shí)的Linux內(nèi)核。同時(shí)它的操作系統(tǒng)，程序和數(shù)據(jù)都可以存儲(chǔ)在一個(gè)可換的緊湊型閃存卡。Robotino移動(dòng)機(jī)器人的嵌入式PC提供幾個(gè)不同的接口，如以太網(wǎng)，無線LAN，USB，RS232，和VGA端口，通過這些接口可以計(jì)算機(jī)對移動(dòng)機(jī)器人程序的編寫，下載以及控制。同時(shí)Robotino移動(dòng)機(jī)器人還包括有電氣驅(qū)動(dòng)單元、光電傳感器單元、電感傳感器單元、視覺系統(tǒng)單元等基礎(chǔ)單元，通過這些基礎(chǔ)單元與控制系統(tǒng)地結(jié)合，通過Robotino View編程軟件實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人的無線控制，可以實(shí)現(xiàn)Robotino移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行循線、壁障、圖像識(shí)別、定位等功能。

Robotino移動(dòng)機(jī)器人共有兩個(gè)光電傳感器（位于移動(dòng)機(jī)器人底面中部）、九個(gè)紅外傳感器（位于移動(dòng)機(jī)器人側(cè)面）和兩個(gè)電感傳感器（位于移動(dòng)機(jī)器底面中部），其中光電傳感器用于黑色線段的循線功能，電感傳感器用于金屬線的循線功能，位于機(jī)身外側(cè)的紅外傳感器用于保持距離和保護(hù)作用。Robotino移動(dòng)機(jī)器人頂部裝有陀螺儀，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的定位功能。

1.2基于Robotino移動(dòng)機(jī)器人機(jī)械手的應(yīng)用

基于Robotino的機(jī)械手工作流程主要如下：移動(dòng)機(jī)器人開始運(yùn)行程序后，移動(dòng)機(jī)器人主控系統(tǒng)根據(jù)編寫的程序，通過步進(jìn)電機(jī)控制萬向輪的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)位置的移動(dòng)，移動(dòng)機(jī)器人可以根據(jù)要求通過自身的光電傳感器和電感傳感器實(shí)現(xiàn)對位置的矯正，當(dāng)移動(dòng)機(jī)器人到達(dá)指定位置后機(jī)器人停止運(yùn)動(dòng)，操作手通過操作遙控器控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、直流電動(dòng)機(jī)和舵機(jī)的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)對物件的抓取功能，在機(jī)械手移動(dòng)到接近物件的位置時(shí)，可以將遙控器的精準(zhǔn)移動(dòng)按鈕按下，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手慢速移動(dòng)，提高機(jī)械手活動(dòng)的精準(zhǔn)度。當(dāng)物件抓取成功之后，操作手通過遙控器給定機(jī)器人觸發(fā)信號(hào)，移動(dòng)機(jī)器人繼續(xù)執(zhí)行設(shè)定程序，直到抓完所有的物件，程序終止。

2　系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

2.1滾珠絲杠

基于Robotino的機(jī)械手共有X、Y、Z三個(gè)軸，同時(shí)將步進(jìn)電機(jī)與滾珠絲杠相連接，使傳動(dòng)的精度、效率大大提高。使用三個(gè)1204滾珠絲杠，導(dǎo)程為4mm轉(zhuǎn)一圈，精度為0.001MM，水平負(fù)載56KG，垂直負(fù)載10KG，所配步進(jìn)電動(dòng)機(jī)型號(hào)為42BYGH48長48mm。

2.2舵機(jī)

舵機(jī)，又稱伺服電機(jī)，它接收一定的控制信號(hào)，輸出一定的角度，是一種位置伺服的驅(qū)動(dòng)器，主要適用于需要角度不斷變化并可以保持的控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)通過在機(jī)械手抓上加入舵機(jī)，可以對機(jī)械手抓旋轉(zhuǎn)的角度進(jìn)行調(diào)整，可以夾持不同方位的木塊。

2.3直流電動(dòng)機(jī)

直流電動(dòng)機(jī)就是將直流電能轉(zhuǎn)化成為機(jī)械能的電動(dòng)機(jī)，由于直流電動(dòng)機(jī)具有良好的調(diào)速性能，因此它在電力拖動(dòng)中得到比較廣泛的應(yīng)用。本系統(tǒng)通過直流電機(jī)來控制機(jī)械手的加緊和放松。

2.4歩進(jìn)電動(dòng)機(jī)

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)又稱為脈沖電動(dòng)機(jī)或階躍電動(dòng)機(jī)，國外一般稱為Step motor或Stepping motor、Pulse motor、Stepper servo、Stepper等等。

本系統(tǒng)所選用的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)型號(hào)為BS42HB33-01 1.8°，高33mm。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)與滾珠絲杠的進(jìn)行連接，通過STM32單片機(jī)控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)，再帶動(dòng)滾珠絲杠運(yùn)動(dòng)，使機(jī)械手臂可以在X軸、Y軸、Z軸全方位移動(dòng)。在步進(jìn)電機(jī)前方裝有限位開關(guān)，可以避免滾珠絲杠到達(dá)極限位置對步進(jìn)電動(dòng)機(jī)造成的損害，提高了系統(tǒng)的安全性和可靠性。

2.5機(jī)械抓手

基于Robotino機(jī)械抓手工作原理：驅(qū)動(dòng)電機(jī)經(jīng)過聯(lián)軸器帶動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)抓手張合，實(shí)現(xiàn)夾持物體。本設(shè)計(jì)的機(jī)械手共有三個(gè)不同的部位可以進(jìn)行抓放動(dòng)作，分別適用于對不同寬度、長度的物體的抓放。在機(jī)械抓手的抓取部位分別貼有橡膠皮，可以增強(qiáng)摩擦力，防止物體在抓取過程中由于抓取不牢而產(chǎn)生的意外，避免了不穩(wěn)定的因素，有利于提高機(jī)械抓手的穩(wěn)定性。

3　系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)有電源電路、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、舵機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，無線模塊電路等，最核心的是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)不能直接接到交直流電源上工作，而必須使用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器。

M_PWMA+和M_PWMA-信號(hào)中間連有非門，使得M_PWMA+和M_PWMA-信號(hào)為相反的信號(hào)，當(dāng)M_PWMA+為高電平時(shí)U2（IR2184）中LO輸出低電平，HO輸出高電平，MOS管D7導(dǎo)通，D12關(guān)閉，此時(shí)M_PWMA-為低電平信號(hào)，U1中LO為高電平，HO為低電平，MOS管D6關(guān)閉，D11導(dǎo)通形成H橋步進(jìn)電機(jī)開始啟動(dòng)，同理，當(dāng)M_PWMA+為低電平時(shí)，U2（IR2184）中LO輸出高電平，HO輸出低電平，MOS管D7關(guān)閉，D12導(dǎo)通，此時(shí)M_PWMA-為高電平信號(hào)，U1中LO為低電平，HO為高電平，MOS管D6導(dǎo)通，D11關(guān)閉，形成H橋。同時(shí)該電路通過運(yùn)算放大器將反饋的電流值作比較，起到對驅(qū)動(dòng)電路的保護(hù)作用。

4　移動(dòng)機(jī)器人程序設(shè)計(jì)

Robotino View是編寫Robotino移動(dòng)機(jī)器人程序的軟件，通過Robotino View編程，可以實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人的動(dòng)作指令，同時(shí)可以通過信號(hào)線接入數(shù)字信號(hào)輸入端或者模擬信號(hào)輸入端將外部機(jī)械手與移動(dòng)機(jī)器人相結(jié)合實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的抓取、轉(zhuǎn)移、放置等一系列動(dòng)作。

Robotino View采用的是圖形化編程，主程序?yàn)槭琼樞蚩刂疲ㄟ^主程序調(diào)用子程序?qū)崿F(xiàn)程序的執(zhí)行，子程序采用的對是各種不同功能的模塊庫進(jìn)行調(diào)用，同時(shí)自定義模塊還可以實(shí)現(xiàn)C++和Lua程序的開發(fā)。

機(jī)器人在初始位置進(jìn)行坐標(biāo)的初始化，50毫秒之后，移動(dòng)機(jī)器人移動(dòng)到指定的坐標(biāo)，當(dāng)移動(dòng)機(jī)器人移動(dòng)到指定的位置后停止運(yùn)動(dòng)，進(jìn)入下一步指令。當(dāng)移動(dòng)機(jī)器人移動(dòng)到指定位置的時(shí)候，操作手開始操作機(jī)械手進(jìn)行物體的抓取，機(jī)械手動(dòng)作完成之后按下遙控器上的確定按鈕，之后移動(dòng)機(jī)器人執(zhí)行第三步程序。遙控器上的按鈕按了之后，移動(dòng)機(jī)器人抓起物體回到起始區(qū)域，程序結(jié)束。

5　操作步驟、工作流程與注意事項(xiàng)

5.1操作步驟

基于Robotino的機(jī)械手在裝配、操作以及調(diào)試過程中應(yīng)參照以下步驟：

（1）先將機(jī)械手X軸、Y軸、Z軸步進(jìn)電動(dòng)機(jī)固定好。通過外接電源檢查步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是否正常工作，滾珠絲杠能否平滑移動(dòng)。

（2）將X軸、Y軸、Z軸組合在一起。擰緊螺絲。

（3）裝配好機(jī)械抓手，通電觀察直流電動(dòng)機(jī)是否正常運(yùn)行、機(jī)械手臂能否加緊，并將機(jī)械手與Z軸末端相連接。

（4）將搭建好的機(jī)械手與Robotino移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行連接，將信號(hào)線接入到移動(dòng)機(jī)器人的數(shù)字信號(hào)輸入端。

（5）將機(jī)械手的供電電源固定到移動(dòng)機(jī)器人后部，并將電源線接入到控制電路上。

（6）確保無誤后打開電源供電，開啟遙控器電源檢查機(jī)械手臂是否可以正常運(yùn)行，X軸、Y軸、Z軸、舵機(jī)、直流電機(jī)是否正常。

（7）開始移動(dòng)機(jī)器人的程序，到達(dá)指定位置后開始操作機(jī)械手，抓取完物體后按信號(hào)鍵，移動(dòng)機(jī)器人回到起始區(qū)域。

5.2注意事項(xiàng)

基于Robotino的機(jī)械手在裝配、操作以及調(diào)試過程中應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

（1）注意電源的電壓值是否穩(wěn)定，以免燒壞控制電路。

（2）注意各機(jī)構(gòu)之間的連接是否完好，以免損壞機(jī)械結(jié)構(gòu)。

（3）機(jī)械手的信號(hào)端連接的是Robotino移動(dòng)機(jī)器人的數(shù)字信號(hào)輸入端。

（4）機(jī)械手抓住物件之后將手柄上控制直流電動(dòng)機(jī)的按鍵推回到起始位置，以免燒壞直流電動(dòng)機(jī)。

（5）當(dāng)機(jī)械手以及移動(dòng)機(jī)器人不使用時(shí)應(yīng)采取斷電保護(hù)。

6　結(jié)論

本文闡述了基于Robotino機(jī)械手設(shè)計(jì)與應(yīng)用的組成、基本原理以及設(shè)計(jì)方案。隨著科技的進(jìn)步和移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展，基于移動(dòng)機(jī)器人上的機(jī)械手設(shè)計(jì)也變得越來越重要。通過基于Robotino機(jī)械手的設(shè)計(jì)與應(yīng)用使其具有代替人類在某些苛刻的場合從事生產(chǎn)，同時(shí)節(jié)約人的體力，使人類的生產(chǎn)率有大幅的提高，也改善了我們的工作環(huán)境，讓人類的生活變得越來越智能化。

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