机械毕业设计920基于五自由度机械手的遥控智能车.docx

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机械毕业设计920基于五自由度机械手的遥控智能车

题目：

基于五自由度机械手的遥控智能车

学院：

姓名：

学号：

专业：

年级：

农机1001

指导教师：

二0一四年五月

摘要

本文对基于五自由度机械手的遥控智能车进行了总体设计及分析，包括整体结构设计、机械臂零件和小车底盘零件选用和分析、机械臂关节驱动舵机选用、小车减速箱和驱动电机选用、五自由度模拟机械臂的设计、遥控端电路和接收端电路设计，遥控端和接收端程序设计等。

本设计还做出了实物，能够实现无线灵活控制小车前进后退，左转右转；通过模拟机械臂无线同步控制车载五自由度机械手抓取物体和搬运物体；小车周围环境视频无线实时监控；遥控端一键切换摄像头；一键控制夜灯开闭；一键切换手动遥控小车和小车自主行驶。

这个带有机械手的无线小车，可以用于需要远程移动巡逻的地方，也可用于化工厂等危险区域巡逻，搬运小型物体；另外综合了机械和电子多门课程多个重要知识点，并且很好的结合在一起，非常适用于课堂现场实物教学。

关键词:

机械手；无线；单片机；视频实时；智能车

ABSTRACT

Inthispaper,basedonfive-DOFmanipulatorremoteintelligentvehiclecarriedtheoveralldesignandanalysis,includingoveralldesign,roboticpartsandcarchassispartsselectionandanalysis,manipulatorjointdriveservoselection,cargearboxanddrivemotorselection,fivedegreesoffreedommanipulatordesignsimulation,remotecontrolofthecircuitandthereceivercircuitdesign,remotecontrolandthereceiverprogramdesign.

Thisdesignisalsomade​​in-kind,toachieveflexiblewirelesscontrolcarforwardandback,Turnleftandturnright;synchronizationcontrolcarradiobysimulatingfivedegreesoffreedomroboticmanipulatorgrabobjectsandmovingobjects;trolleyambientvideowirelessreal-timemonitoring;remoteendofakeyswitchcameras;openingandclosingakeycontrolnightlights;akeyswitchmanualremotecontrolcarandtrolleyautonomousdriving.Thewirelesscarwithamechanicalhand,canbeusedforremotemobilepatrolswhereneeded,canalsobeusedinhazardousareassuchaschemicalplantspatrol,handlingsmallobjects;anothercombinationofmechanicalandelectronicmulti-courseanumberofimportantknowledgeandgoodtogether,idealforclassroomteachingphysicalsite.

Keyword：

robot，radio，MCU，videoinrealtime，smartcar

1绪论

1.1课题背景，国内外现状和意义

1.1.1课题背景

随着时代和高新技术的发展，机器人技术的应用领域不断扩大，工业机器人、特种作业机器人、服务机器人、微小型机器人等已经在各个方面得到广泛的应用和发展。

机器人技术是集机械、电子、控制和计算机技术的一项综合技术。

从某些意义上来说，机器人的技术水平的高与低反映了这个国家的综合技术实力。

基于五自由度机械手的遥控智能车和排险排爆机器人类似。

它是针对公安、核工业、军事、化工等危险、恶劣、有害环境下应用的特种作业机器人，它不受任何外界电磁干扰，可以代替人在危险、恶劣、有害环境中进行观察、检查、搬运、清理、操作及安放特殊装置，代替现场安检人员实地勘察，实时传输现场图像；用以保证人员的安全、健康，避免不必要的人员伤亡。

1.1.2国内外现状

在西方国家中，恐怖活动始终是个令当局头疼的问题。

英国由于民族矛盾，饱受爆炸物的威胁，因而英国在60年代就研制成功排爆机器人。

英国研制的履带式“手推车”及“超级手推车”排爆机器人（如图1.1.a），已向50多个国家的军警机构售出了800台以上。

美国Remotec公司的Andros系列机器人受到各国军警部门的欢迎，白宫及国会大厦的警察局都购买了这种机器人（如图1.1.b）。

Andros机器人可用于小型随机爆炸物的处理，它是美国空军客机及客车上使用的唯一的机器人。

海湾战争后，美国海军也曾用这种机器人在沙特阿拉伯和科威特的空军基地清理地雷及未爆炸的弹药。

美国空军还派出5台Andros机器人前往科索沃，用于爆炸物及子炮弹的清理。

空军每个现役排爆小队及航空救援中心都装备有一台AndrosVI（引用自XX网页）。

a　英国机器人　b　美国国机器人

图1.1欧美机器人

与国外相比，中国的排爆机器人起步较晚。

但是随着这些年中国经济和科技的不断崛起和创新，我国也有了自己的排险排爆机器人。

Raptor-eod机器人是北京博创集团开发的一款中型特种排爆排险机器人，用于处置各种突发涉爆、涉险使用排爆机器人事件。

代替以往人工排出可疑爆炸物及在危险品搬运过程中对操作者带来的危险，如图1.1.c（引自XX网页）；“雪豹－10”由中国航天科工集团公司自主研制，车体可进行前后摆臂，并根据地形，改变履带形状，从而完成不同地形的行走命令，如平地行走、跨越沟壑、上下楼梯等，如图1.1.d（引自XX网页）。

C北京博创Raptor-eod机器人d中国航天科工“雪豹－10”

图1.1中国机器人

1.1.3设计意义

目前，排险排爆机器人价格昂贵，一般机构或学校很少购买，学生难以接触到实际的排险排爆机器人，学习相关的机械电子知识。

另外目前的排险排爆机器人操作箱操作复杂，遥控机械手时不像真的开车那样灵活自如，多采用按键式一个一个调节各个机械关节臂的角度，操作人员需要经过相关的操作培训后才能较好地控制机械手抓取，搬运物体。

本设计基于五自由度机械手的遥控智能车将重点突破这些弊端，以较低的设计成本投入以及切实可执行的设计，做出一辆带机械手的远程智能小车，用于需要远程移动巡逻的地方，也可用于化工厂等危险区域巡逻，搬运物体。

将书本理论知识应用实际，综合机械和电子多门课程知识，可直接作为高等创新教育的典范科技类作品，激发学生的创新思维和创新意识，加强学生的专业知识和技能教育，培养学生的创新能力。

1.2设计目标，总体设计和控制途径

1.2.1设计目标

（1）无线灵活控制小车运动；

（2）机械手抓取物体和搬运物体；

（3）视频无线实时传输监控；

（4）小车自主避障。

1.2.2总体设计

基于五自由度机械手遥控智能车分为遥控部分和小车及机械手部分。

遥控部分：

以STC12C5A60S2单片机为主芯片，加NRF24L01无线芯片；实现无线控制小车前进，后退，左转，右转运动；7寸液晶无线实时显示小车终端图像；加上五自由度模拟机械臂，直接控制小车端五自由度机械手抓取，搬运物体；操作人员根据液晶图像，操作模拟机械臂和按键，即可无线控制远距离小车及小车端五自由度机械臂。

小车及机械手部分：

以STC12C5A60S2单片机为主芯片，加NRF24L01无线芯片，接收处理遥控端发来的命令。

小车端带有减速齿轮履带式底盘，动力强劲，运动平稳；车上装有五自由度机械手，接收遥控端发送的指令，实现空间任意角度抓取物体；机械手上和小车二自由度云台配有摄像头，把小车周围的图像无线发回遥控端液晶显示（小车总体完成效果图如1.2）。

图1.2小车总体效果图

1.2.3控制途径

1.无线灵活控制小车运动

利用STC12C5A60S2单片机和NRF24L01无线芯片,按键，数码管，和其他外围电路设计成电路控制板；按键控制小车加减档和前进，后退，左转，右转，停止，摄像头切换，开关夜灯，手动控制和超声波自动驾驶切换；数码管显示当前档位。

2.机械手抓取物体和搬运物体

遥控端用铝合金和电位器做成一个小型模拟五自由度机械臂，加上STC12C5A60S2单片机和NRF24L01无线芯片，把模拟机械臂的模拟信号转换成数字信号，无线发送给小车端，实现小车端机械臂做和模拟机械臂相同的动作。

3．视频无线实时传输

采用2.4GHZ无线视频传输模块，发射模块TX6722采集模拟摄像头的信号，加载高频，调制后通过天线发送出去；接收模块RX6788接收到无线视频信号，进行解调；视频信号进入液晶驱动板，液晶驱动板通过解码把视频信号传给7寸液晶屏，实现图像显示。

4．小车自主避障

采用HY_SRF05超声波模块，当小车遥控端通过按键切换为超声波自动驾驶后，小车接收端单片机启动自动行驶模式，控制超声波模块发送超声波，根据小车周围的障碍物回应回来的超声波信号，进行调速，前进，转弯等功能；实现小车自动避障行驶。

2机械部分结构设计与零件选用

2.1模拟机械臂

采用旋钮电位器，铝合金机械臂支架，螺母，摩擦片等做成。

采用简单的L支架，一字支架，一字薄木板，带手指孔的长铝片做成五自由度机械臂，支架连接处采用旋钮电位器转轴连接，连接轴中间加上摩擦片，是为了使模拟机械臂在操作后能自锁在原来的位置；实物图如图2.1.a所示,运动示意图如2.1.e。

图2.1.a模拟机械臂实物图

模拟机械臂主要零件尺寸,见下图：

图2.1.b长L支架；图2.1.c一字支架；图2.1.d机械手指。

b长L支架c一字支架

d机械手指架e运动示意图

图2.1模拟机械臂零件图

2.2车载端五自由度机械臂

采用制作机器人的支架，996舵机，加上小型轴承，螺母，螺栓连接，做成一个五自由度的机械臂，包括U梁，长U支架，L支架，多功能支架，机械爪，三维图如图2.2.a所示，运动示意图如2.2.e。

图2.2.a车载五自由度机械臂

车载机械臂主要支架及相关零件图，见下图：

图2.1.b多功能支架；图2.1.c长U型支架；图2.2.d短L支架。

b多功能支架c长U型支架

d短L支架e运动示意图

图2.2车载机械臂主要零件图

2.3二自由度摄像头云台

为了实时监控小车周围的环境，五自由度机械手抓取物体看清物体，采用了两个摄像头。

第一个摄像头直接安装在机械爪后端，第二个摄像头装在车载二自由度云台上，通过遥控端的摄像头切换按键，在液晶显示终端实时观看两个摄像头的图像；二自由度云台采用两个舵机，两个多功能支架，一个长U支架构成等组成，能够实现空间360度的摄像。

三维图如图2.3所示。

图2.3二自由度摄像头云台

2.4小车底盘选择

方案一：

轮式小车底盘

优点：

速度快、效率高、运动噪声低。

缺点：

越障能力、地形适应能力差、转弯效率低，或转外半径大。

适合：

野外、城市环境都可以，但是地形不能太复杂，如碎石地难以灵活控制。

方案二：

履带式小车底盘

优点：

地形适应能力强，可原地转弯，运动时车体减震，有负载轮可载重物。

缺点：

速度相对较低、效率低、运动噪声较大。

适合：

野外、城市环境都可以，在平稳、越障，负载重量等方面优于轮式。

为实现小车平稳运动，使搭载在小车上的摄像头，在小车运动过程中不抖动，保证图像传输清晰；小车加载机械手、电路板，电池后重量达到两公斤，负载较重；另外适应一定的复杂环境，使小车具有一定的越障功能，比较之下选择坦克式小车平台：

坦克1：

16虎式3818-1底盘，底盘尺寸：

38*22*10（长宽高），塑料履带2条、金属驱动轮2个、塑料诱导轮2个，负重轮16个，加宽覆带与地面的接触面积更大，行走起来更稳！

每一个轮子都有独立的减震弹簧。

前进、后退、左转、右转操作灵活自如。

实物图如图2.4所示。

图2.4履带式小车底盘

2.5减速齿轮箱

方案1：

塑料齿减速齿轮箱

优点：

重量轻、运动噪声低。

缺点：

加载较重物体时，塑料齿轮刚度强度不够，容易发生齿轮变形，磨损。

适合：

小型轻载小车。

方案2：

金属齿减速齿轮箱

优点：

刚度和强度好，耐磨，传动比精确，扭力更大。

缺点：

运动噪声稍高。

适合：

大部分小车都可以，特别适合于重载小车。

小车加载机械手、电路板和电池等后重量达到两公斤，负载较重，需要能输出大扭矩的减速齿轮箱，来保证小车在较复杂的环境中也能运动自如；所以采用金属三级减速齿轮箱，金属齿轮为0.6模数的锌合金双联齿轮和0.6模的直齿齿轮，双联齿轮1:

小齿齿轮：

14齿，齿厚5mm；大齿齿轮：

46齿，齿厚5mm;内孔：

Φ3mm;双联齿轮2:

小齿齿轮：

14齿，齿厚6mm；大齿齿轮：

53齿，齿厚5mm;内孔：

Φ3mm;双联齿轮3:

小齿齿轮：

40齿，齿厚5mm；大齿齿轮：

53齿，齿厚5mm;内孔：

Φ3mm;直齿输出轮：

:

齿轮：

28齿，齿厚5mm；内孔：

Φ6mm;齿轮啮合图如图2.5。

图2.5减速箱齿轮啮合图

2.6小车驱动电机

基于五自由度机械手的遥控智能车为适应小车的灵活运动和精确控制机械手抓取物体，速度分为3档，用于不同环境不同速度的需要。

直流电机的控制方法比较简单，只需给电机的两根控制线加上适当的电压即可使电机转动起来，电压越高则电机转速越高。

而且改变正负极可方便的改变电机转动的方向，方便改变小车的行进状态。

对于直流电机的速度调高，可以采用改变电压的方法，也可采用PWM调速方法。

PWM调速就是使加在直流电机两端的电压为方波形式，通过改变方波的占空比实现对电机转速的调节。

综上所述采用小型380直流电机，电机输出轴连接模数为0.6，齿数为10的齿轮与减速箱一级双联齿轮相连，实现小车驱动轮的大扭力输出。

380直流电机参数如下：

使用电压范围 3.0-12V，额定电压值 9V，无负荷转速20160，无负载电流：

680MA，最大电流3.8A，额定功率20W，尺寸约:

直径27.7MM,长38MM,轴径2.3MM,轴长12.7MM，重量：

75克。

2.7机械臂关节驱动

机械臂采用机械式驱动，需要对关节的驱动电机进行选择。

一种好的电机不仅

会给机械臂的动作特性带来提高，而且在运动精度上也会有很大改善，同时安装，及控制方式也会带来很大便利。

目前，市面上的各种机械臂的驱动电机有：

步进电机，伺服电机，舵机。

下面表2.1，将几种电机的特点进行比较：

表2.1电机的比较

项目是否反馈控制精度低频特性过载能力速度相应成本

步进电机否较高不好较差较好普通

伺服电机是高好较好好高

舵机是较高较好差较好低

由上表可以看出，步进电机和舵机成本较低，伺服电机从哪个方面都是较优的。

其中步进电机和伺服电机一般是面向较为大型的工业机器人的关节驱动，而舵机则常

常应用在小型的特殊机械臂上面，同时舵机小巧，安装方便。

本设计主要是面向小型

作业的机械臂，对于驱动力没有太大要求，同时出于成本考虑，最终选择舵机来驱动

关节。

选用的舵机参数如下：

产品名称：

TOWER PRO（辉盛）最新大扭力舵机MG996R （MG995升级产品）6v/11Kg。

厂家编号：

MG996R；净重:

55g；产品尺寸:

40.7*19.7*42.9mm；产品拉力:

9.4kg/cm（4.8V）,11kg/cm（6V）；反应速度:

 0.17S/60°（4.8v），0.14S/60°（6v）；工作电压:

 4.8-7.2V；工作温度:

 0℃-55℃；齿轮形式:

金属齿轮；工作死区:

 5us（微秒）。

实物图如图2.6所示。

图2.6MG996R舵机

3遥控端电路原理及设计

3.1单片机的选择与分析

基于五自由度机械手的遥控智能车，采用五自由度机械手五轴联动控制，打破传统的一个个按键微调的控制方式，实现空间抓取物体一步到位。

控制流程为：

五自由度模拟机械臂采集AD数据，处理好AD数据，无线发送给车载端，车载端接收数据后快速响应，车载五自由度机械手各个关节舵机响应，转动相应角度，带动车载机械臂，做和模拟机械臂相同的动作。

用单片机控制则简要的流程为：

遥控端单片机发出指令然后读取AD值，接着处理AD值，加载打包数据，发送给无线模块，无线模块发送数据；接收端单片机不断发出指令，读取无线接收模块收到的数据，然后处理分析，生成不同宽度的PWM脉宽信号，给机械臂各个关节的996R舵机，车载机械臂响应完成相应角度转动。

单片机处理AD数据,无线发送数据,无线接收数据，产生5路PWM信号，需要花费大量的时间，如果采用普通的51单片机，数据处理较慢，难以满足车载机械臂和模拟机械臂同步运动的要求，需要采用更高处理速度的单片机。

经过查阅资料得知STC12C5A60S2单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期（1T）的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051,但速度快8-12倍。

内部集成MAX810专用复位电路,2路PWM,8路高速10位A/D转换（250K/S）,针对电机控制，强干扰场合。

能够很好的满足处理速度快，带AD转换的功能。

STC12C5A60S2单片机特性参数如下：

1.增强型8051CPU，1T，单时钟/机器周期，指令代码完全兼容传统8051;

2.工作电压：

STC12C5A60S2系列工作电压：

5.5V-3.3V（5V单片机）;

3.工作频率范围：

0-35MHz，相当于普通8051的0～420MHz;

4.用户应用程序空间60K字节;

5.片上集成1280字节RAM;

6.通用I/O口（36/40/44个），复位后为：

准双向口/弱上拉（普通8051传统I/O口），可设置成四种模式：

准双向口/弱上拉，推挽/强上拉，仅为输入/高阻，开漏，每个I/O口驱动能力均可达到20mA;

7.ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器，无需专用仿真器可通过串口（P3.0/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片;

8.共4个16位定时器两个与传统8051兼容的定时器/计数器,16位定时器T0和T1，没有定时器2，但有独立波特率发生器做串行通讯的波特率发生器再加上2路PCA模块可再实现2个16位定时器;

9.A/D转换,10位精度ADC，共8路，转换速度可达250K/S（每秒钟25万次）18.通用全双工异步串行口（UART），由于STC12系列是高速的8051，可再用定时器或PCA软件实现多串口;

3.2小车遥控电路设计

采用STC12C5A6OS2为主控芯片，NRF24LO1无线模块实现指令发送，按键响应相应的小车运动指令，切换摄像头，开关小车端的LED夜灯，手动控制和超声波自动行驶切

换，数码管显示当前速度档位。

具体电路原理图如图3.1所示。

图3.1小车遥控电路

3.3模拟机械臂电路设计

模拟机械臂采用电位器和铝合金机械支架做成；操作人员通过操作模拟机械臂，得到五路模拟电压，进入STC12C5A6OS2主控芯片，进行AD转换，转换成数字量，通过NRF24L01无线模块发送信号。

具体电路原理图如图3.2所示。

图3.2模拟机械臂发射模块电路图

4车载端电路原理及设计

4.1小车接收电路设计

采用STC12C5A6OS2为主控芯片，NRF24LO1无线模块实现指令接收，数码管显示当前速度档位。

采用专用芯片L298N作为电机驱动芯片，一片L298N分别控制两个直流电机；单片机P3.2.P3.3口接HY-SRF05超声波模块，具体电路原理图如图4.1所示。

图4.1小车接收电路

4.2车载五自由度机械手电路设计

采用STC12C5A6OS2为主控芯片，NRF24LO1无线模块实现指令发接收，单片机控制PWM,从而输出信号给机械臂的996舵机，舵机转动相应角度带动机械臂转动，实现与模拟机械臂同样的动作。

具体电路原理图如图4.2所示。

图4.2五自由度机械臂控制

4.3小车电机驱动电路

小车采用双电机驱动，电机驱动采用L298N专用电机驱动芯片做成电机驱动板。

L298N是ST公司生产的一种高电压，大电流电机驱动芯片。

该芯片的主要特点是工作电压高，最高工作电压可达46V；输出电流大，瞬间峰值电流可达3A,持续工作电流为2A;内含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器，可以用来驱动直流电动机和步进电机，继电器，线圈等感性负载；采用标准TTL逻辑电平信号控制；具有两个使能控制端，在不受输入信号影响的情况下允许或禁止器件工作；有一个逻辑电源输入端，使内部逻辑电路部分在低电压下工作。

小车档位转速采用PWM调速方法。

PWM调速就是使加在直流电机两端的电压为方波形式，通过改变方波的占空比实现对电机转速的调节。

驱动电路如4.3所示。

图4.3电机驱动电路

4.4小车超声波避碍模块

小车在远程行驶或作业时，操作人员通过液晶显示终端看到的视频是摄像头看到的小车周围的局部图像，如果小车进入狭长曲折的道路时，人为操控小车因为一时不能够完全看清小车的周围情况，虽然可以通过遥控端控制车载二自由度云台来看清周围的环境，但是这个过程比较费时；加载了HY-SRF05超声波模块则可以在这个时候一键切换为小车自主驾驶模式，使小车快速自主驶出狭长曲折的空间；另外在进入危险区域作业时，启动超声波自主避障，能够很好的避开危险物体，防止小车在人为操作下误撞危险物体。

超声波模块如图4.4所示。

图4.4超声波模块

5无线视频实时传输

5.1无线视频方案选择与分析

无线视频传输就是指不用布线（线缆）利用无线电波作为传输介质，在空中搭建传输链路来传输视频、声音、数据等信号的监控系统。

在无线监控系统中，无线监控中心实时得到被监控点的视频信息，并且该视频信息是连续、清晰的。

在无线监控点，通常使用摄像头对现场情况进行实时采集，摄像头通过无线视频传输设备相连，并通过由无线电波将数据信号发送到监控中心；目前主流的无线视频传输有两种方案。

方案1：

基于网络的数字视频传输，是解决城域间远距离、点位极其分散的监控传输方式，采用MPEG2/4、H.264音视频压缩格式传输监控信号。

优点：

采用网络视频服务器作为监控信号上传设备，有Internet网络安装上远程监控软件就可监看和控制。

缺点：

受网络带宽和速度的限制，只能传输小画面、低画质的图像;每秒只能传输几到十几帧图像，动画效果十分明显并有延时，无法做到实时监控。

方案2：

微波信号模拟视频传输：

是解决几公里甚至几十公里不易布线场所监控