灌篮机器人设计说明书.docx

1、灌篮机器人设计说明书燕山大学课 程 设 计 说 明 书题目：智能车及灌篮机器人系统的设计与制作学院（系）：机械电子工程系燕山大学课程设计（论文）任务书院（系）：机械工程学院 基层教学单位：机器人及机电系统研究所组号2（S1）学生姓名设计题目智能车及灌篮机器人系统的设计与制作设计要求在课程研究项目智能移动小车的基础上，自主设计一个灌篮的机械臂和抓手，并装配或安装到原有的小车上，完成灌篮机器人的设计、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“篮球”直径38-40mm，重量500g。技术参数车体：（1）负载能力 2k

2、g（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 0.4-0.5m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

3、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

4、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和电力拖动的参考资料。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。指导教师签字基层教学单位主任签字燕山大学课程设计评审意见表指导教师评语：成绩： 指导教师： 年 月 日答辩小组评语：成绩： 评阅人： 年 月 日课程设计总成绩：答辩小组成员签字：年 月 日目录1.摘要52.方案分析63.成本预算214.市场分析225.心得体会236.参考文献24摘要灌篮智能小车是一个集环境感知、

5、轨迹规划、机械手应用等功能于一体的机电一体化系统。它集中地运用了计算机、传感器、信息、通讯、导航、人工智能及自动控制等技术是典型的高新技术综合体。本次课程设计的灌篮智能小车就是这种综合体的一种尝试。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信号和循线运动。运用单片机的运算和处理能力来实现小车的自动行驶、停止、转弯、寻迹检测、蔽障等功能的智能控制系统。方案分析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2.智能小车的驱动系统小车的驱动包括电机的选择、驱动方案的选择、

6、供电电源的选择下面将依次介绍。2.1电动机的选择及驱动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。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：

7、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

8、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。IN1IN4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=

9、LC=X停止D=X2.2供电电源的方案选择 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，会造成电源电压波动，因而控制与检测部分通过集成稳压块供电。其供电电路比较简单。经过综合的考虑，采用方案二。这样既可以减轻小车的重量，减小惯性；而且通过集成稳压块又可以是电压稳定，不受启动时的波动。2

10、.3驱动系统的电路和程序设计 驱动模块电路图根据电路图连接单片机和此模块。其中：80c51的p2.5与p2.6分别和驱动芯片L298的两个使能控制口相连。然后进行直走调试。程序如下： SETB P2.5;使能控制1 SETB P2.6;使能控制2 SETB P2.1 cpl P2.2 SETB P2.3 cpl P2.4 jmp $程序输入后，小车能够直走，则驱动系统完成。3.智能小车寻迹功能的实现3.1方案选择探测路况黑线的基本原理：光线照射到路面并反射，由于黑线和白纸对光线的反射系数不同，可根据接收到的反射光强弱来判断黑线，可实现的方案有以下方案：方案一：采用普通发光二极管及光敏电阻组成的

11、发射接收方案。该方案在实际使用时，容易受到外界光源的干扰，有时甚至检测不到，主要是因为可见光的反射效果跟地表的平坦程度，地表材料的反射情况均对检测效果产生直接影响。虽然可采取超高亮度的发光二极管降低一定的干扰，但这又增加额外的功率损耗。方案二：脉冲调制的反射式红外发射接收器。由于采用该有交流分量的调制信号，则可大幅度减少外界干扰。另外红外发射接收管的最大工作电流取决于平均电流，如果采用占空比小的调制信号，在平均电流不变的情况下，瞬时电流很大（50100mA），则大大提高了信噪比，并且其反映灵敏，外围电路也很简单。比较以上两种方案，方案而有很大的优势。市场上很多红外光电探头都是基于这个原理。这样

12、不但准确完成测量，而且能避免电路的复杂性。3.2设计实现过程路面黑线检测主要通过黑白线检测传感器实现，黑白线检测传感器，有效探测距离5cm，通过调节电位器，最远可以达到10cm（该距离下，探测黑白线的精度较低）。本项目选用的黑白线传感器受可见光干扰小，输出量为开关量，信号处理简单。输出的TTL电平可以直接和单片机连接，但需要在输出端加上拉电阻，以使电平输出稳定。当检测黑线是红外光管就收到反射回来的红外光，其输出立即发生高低电平跳变，该信号经逻辑比较后送单片机处理。为保证小车沿黑线行驶，采用了两个检测器并行排列。在校车行走过程中，若向左方向偏离黑线，则右侧的探头就会检测到黑线，把信号传给单片机，

13、单片机控制车头向右转。相关程序见7.2.24.智能小车路程检测功能的实现方案一：采用霍尔元件的集成片，该器件内部有三片霍尔元件组成，当磁铁正对金属板时，由于霍尔反应，可以产生电流的变化，对此加以判断，但需要在车轮上安装磁片，将霍尔元件集成片安装在固定轴上，通过对脉冲的计数进行车速的测量。方案二：采用光电码盘进行检测。旋轴转动，带动码盘转动，码盘上刻有许多狭缝，码盘转动时发射光透过狭缝接收元件接收。用计数器对接收到的信号进行计数，用这种方案能很精确的算出小车已经走过的距离。由于霍尔元件成本较光电码盘低很多，虽然精度也低些，但是对小车整体的精度已经足够了，所以选择方案一。5.智能小车的避障功能实现

14、方案一：脉冲调制的反射式红外发射接收器。由于采取该有交流分量的调制信号，则可大幅度减少外界干扰；另外红外发射接收管的最大工作电流取决于平均电流，如果采用占空比小的调制信号，在平均电流不变的情况下，瞬时电流（50100mA），则可大大提高了信噪比并且其反应灵敏，外围电路也很简单。方案二：采用超声波传感器，如果传感器接收到反射的超声波，则如果单片机前方有障碍物，否则通知单片机可以向前行驶。脉冲调制的反射式红外发射接收器较超声波灵敏度高，符合此次要求，故选用方案一。避障检测和处理采用集发射与接收于一体的光电传感器，该传感器具有探测距离远，受可见光干扰小，易于安装的有点。避障原理统寻迹相似，通过A/D

15、将模拟信号转换为数字信号传给单片机，再由单片机做出分析判断，发出信号，控制路子启停，从而完成避障。6.智能小车的数码管显示功能实现为实现小车速度的两位显示需要两个数码显示器。但是显示器与单片机的连接如果采用并行连接，虽然连接简单，但出现单片机引脚不够的矛盾。所以采用8位串行输入转并行输出移位寄存器74HC595。只要三个引脚连接即可，而且相对简单。其电路图如下图。74HC595电路连接图7机械手的选定及夹取动能实现7.1 设计方法和设计方案论证设计方案有如下三种：A方案如图2-1所示，该方案虽然灵活性好，但Z轴转动只能靠小车的转动来实现，耗能多，不符合“多动小关节、少动大关节”原则，而且需要控

16、制车轮方能实现，车轮依靠步进电机控制，从而给编程和后期调试。图2-1B方案如图2-2所示，该方案改进了方案A的机械手不能Z0轴转动的缺点，但是由于电机数量有限，就限制了该机械手的灵活性，抓手方向不能保证垂直地面，抓球时容易把球碰离原来位置，从而难于实现功能。图2-2C方案如图2-3所示，该方案灵感源于IRB1410二关节和三关节处的设计。此方案改进了方案B的缺点，通过平行四边形的特点，使抓手所在臂能够垂直地面，从而加持稳定。图2-3经过分析比较，最终决定选用方案才C7.2任意位姿控制iai-1i-1diii1001301021259002032000030根据运动学公式，可知：cos1 sin

17、1 0 0 01 T= sin1 cos1 0 0 0 0 1 130 0 0 0 1 cos2 sin2 0 125 0 0 -1 012T= sin2 cos2 0 0 0 0 0 1 cos3 sin3 0 20023T= sin3 cos3 0 0 0 0 1 00 0 0 11 0 0 034T= 0 1 0 -60 0 0 1 0 0 0 0 1 7.3 速度控制当初值如上表所示应用MATLAB编程syms s1 s2 s3 s4s1=0* pi/180s2=(0)*pi/180s3=(0)*pi/180s4=0T10=cos(s1) -sin(s1) 0 0;sin(s1) co

18、s(s1) 0 0;0 0 1 130;0 0 0 1;T21=cos(s2) -sin(s2) 0 125;0 0 -1 0;sin(s2) cos(s2) 0 0;0 0 0 1;T32=cos(s3) -sin(s3) 0 200;sin(s3) cos(s3) 0 0;0 0 1 0;0 0 0 1;T43=1 0 0 0;0 1 0 -60;0 0 1 0;0 0 0 1;T2=T10*T21;T3=T2*T32;T4=T3*T43T42=T32*T43;T41=T21*T32;Z1=T10(1,3);T10(2,3);T10(3,3);Z2=T2(1,3);T2(2,3);T2(3

19、,3);Z3=T3(1,3);T3(2,3);T3(3,3);Z4=T4(1,3);T4(2,3);T4(3,3);P44=0;0;0;P43=T43(1,4);T43(2,4);T43(3,4);P42=T42(1,4);T42(2,4);T42(3,4);P41=T41(1,4);T41(2,4);T41(3,4);R10=T10(1,1) T10(1,2) T10(1,3);T10(2,1) T10(2,2) T10(2,3);T10(3,1) T10(3,2) T10(3,3);R20=T2(1,1) T2(1,2) T2(1,3);T2(2,1) T2(2,2) T2(2,3);T2

20、(3,1) T2(3,2) T2(3,3);R30=T3(1,1) T3(1,2) T3(1,3);T3(2,1) T3(2,2) T3(2,3);T3(3,1) T3(3,2) T3(3,3);R40=T4(1,1) T4(1,2) T4(1,3);T4(2,1) T4(2,2) T4(2,3);T4(3,1) T4(3,2) T4(3,3);A1=CROSS(Z1,R10*P41);A2=CROSS(Z2,R20*P42);A3=CROSS(Z3,R30*P43);A4=CROSS(Z4,R40*P44);A=A1 A2 A3 A4;Z=Z1 Z2 Z3 Z4;J=A;Z算的结果： 0 6

21、0 60 0 325 0 0 0 J = 0 200 0 0 0 0 0 0 0 -1 -1 -1 1 0 0 0 1 0 0 325 0 0 -1 0 T4 = 0 1 0 70 0 0 0 18程序清单SDATA_595 EQU P1.3 ;串行数据输入SCLK_595 EQU P1.1 ;移位时钟脉冲RCK_595 EQU P1.2 ;输出锁存器控制脉冲codd: db 0c0h,0f9h,0a4h,0b0h,099h,92h,82h,0f8h,80h,90h,77h,7ch,39h,51h,79h,71h,00horg 0000hajmp startorg 0000bhajmp tim

22、er0org 001bhajmp timer1 start:mov tmod,#00010001bmov th0,#0b8hmov tl0,#0hmov th1,#0fehmov tl1,#34hmov 30h,th1mov 31h,tl1 mov 33h,#0h mov r1,#0h ;电机2的初始化mov ie,#10001010bmov 41h,#46d ;mov 45h,#7hmov 46h,#18hMOV 44h,#128d ;44存放电机一要到的位置mov 34h,#0feh ;电机二要到的位置mov 35h,#34hmov 36h,#0f8hmov 37h,#0d0hmov 38

23、h,#0fehmov 39h,#34hmov 3ah,#0fDhmov 3bh,#08h mov 40h,#0hmov 61h,#0acall delay2;-初始化 SETB P2.5;使能控制1SETB P2.6;使能控制2setb p2.1clr p2.2;直行程序jb p1.4, rightspanduan4:jnb p3.5 ,nextjb p3.5 ,lefts next: setb p2.3setb p2.4setb p2.1setb p2.2mov a,61hcjne a,#0h,finish; ajmp displayacall shou ajmp go leftp: clr

24、 p2.2;左转子程序setb p2.1setb p2.3clr p2.4mov 60h,#6h;ajmp displayacall delay8ajmp goleft: clr p2.2 ;左转子程序setb p2.1setb p2.3clr p2.4mov 60h,#6h;ajmp displayajmp goright: setb p2.4 ;右转子程序clr p2.3clr p2.1setb p2.2mov 60h,#7h;ajmp display ajmp golefts: setb p2.3setb p2.4clr p2.2setb p2.1mov 60h,#8;ajmp disp

25、lay;快速左转ajmp gorights: clr p2.1clr p2.2setb p2.4;快速右转clr p2.3mov 60h,#9ajmp displayajmp gofinish: mov 40h,#3hmov r1,#0h last: cjne r1,#0ffh,lastacall delay8acall delay8acall delay8acall delay8acall delay2mov 40h,#2hllll: nopajmp lllljmp $display:MOV SP,#60Hmov r6,#02hmov a,60h ;a为要显示的数send: mov dptr

26、 ,#coddmovc a,a+dptrMOV R0,aMAIN1: CALL OUT_595CALL DELAYmov a,60hdjnz r6,sendajmp goshou: setb p0.1setb tr0setb tr1mov 2ch,#50 ;控制舵机1到初始位置mov 2dh,#200 mov 41h,#114acall motormov 40h,#1hmov r1,#0h ggg: nopcjne r1,#0ffh,gggacall DELAY0mov 40h,#2hmov r1,#0hgg: cjne r1,#0h,momov 44h,#46d ajmp ggmo:mov

27、2ch,#114;控制舵机1到初始位置mov 2dh,#130 mov 41h,#48acall motor1 setb p2.1clr p2.2 ;直行程序setb p2.4clr p2.3acall delay8inc 61hrettimer0:; mov a,33hcjne a,#0,equamov th0,#0b8hmov tl0,#0hmov th1,30hmov tl1,31hsetb p0.1setb tr0setb tr1equa: retitimer1: push accclr p0.1mov a,40hcjne a,#1h,onemov 34h,36hmov 35h,37h

28、ajmp timeeone: jc timeecjne a,#2h,twomov 34h,38hmov 35h,39hajmp timeetwo: mov 34h,3ahmov 35h,3bhtimee: mov a,31h ;比较实际位置和理想位clr csubb a,35hmov a,30hsubb a,34hjc inccjz equalclr cmov a,31hsubb a,#5h ;控制电机二的速度，460 divmov 31h,amov a,30hsubb a,#0hmov 30h,amov r1,#0hpop accretiequal:mov r1,#0ffh ;r7为到位标志pop accretiincc: clr c mov a,31haddc a,#0Ah ;mov 31h,amov a,30haddc a,#0hmov 30h,amov r1,