智能搬运机器人设计

简易搬运机器人设计

摘要：该设计主要是针对第十届全国机器人大赛比赛要求设计，具有手动自动的搬运固定物体的能力。大体分为机械部分和电子质控部分，机身采用铝合金框架结构，使用三角全向轮作为底盘，制控部分由DSP2812作为主CPU与下位机进行并行通信控制系统。

关键词：铝合金；全向轮；上位机；下位机；DSP2812；并行通信。

Manual Control Robot Design of Simple Handling Robotics

Abstract:The design is directed to rules of Tenth National Robotics Competition, witch has manual operation and automatic operation.This robot roughly decompose mechanical parts and electronics parts.Aluminum cover all robot,it is base use triangle with mecanum.Control part use DSP2812 as the main CPU and lower CPU use mega128,use parallel communication contact main and lower.

Keywords:Aluminum; Mecanum;DSP2812;Lower CPU;Main CPU;Parallel Communication

目录

1 前言 (1)

1.1 选题背景 (2)

1.2 设计的研究内容与意义 (2)

2 方案的设计 (3)

2.1 总体方案的设计 (3)

2.2 运动控制 (4)

2.2.1 全向轮结构和特性 (4)

2.2.2 以全向轮为基础的三角底盘 (5)

2.2.3 升降机构的特性（结构简图见附录） (7)

2.2.4 夹取机构特性（结构简图见附录） (7)

2.3 电子功能模块的选择和特性 (7)

2.3.1 伺服器 (8)

2.3.2 编码盘 (12)

2.3.3 光电传感器 (14)

3 中央控制系统 (16)

3.1 CPU的选择与软件控制 (16)

3.1.1 主CPU的选择 (16)

3.1.2 C28x系列芯片的主要性能如下 (16)

3.1.3 DSP电源模块 (18)

3.2 下位机的功能简介 (19)

3.3 DSP的最小工作系统以及采样 (19)

3.3.1 DSP2812的最小工作系统原理图 (19)

3.3.2 DSP对码盘的采样以及定位算法 (20)

3.3.3 DSP对传感器采样 (23)

3.4 下位机的工作以及与主机通信 (25)

3.4.1 升降机构 (25)

3.4.2 抓取机构 (25)

3.4.3 人机对话模块 (27)

3.5 DSP在线仿真的界面 (30)

3.6 AVR单片在线仿真界面 (30)

4 总结 (31)

参考文献 (32)

致谢............................................... 错误！未定义书签。

1 前言

机器人技术是一个国家的综合实力的重要体现，现在国际社会对机器人的发展越来越重视，从军用机器人到民用机器人[1-5]。机器人技术的更新日新月异。我国为发展机器人技术储备新兴力量与亚太传媒合作举行了亚太机器人比赛的国内选拔活动，该比赛需要机器人能自动识别场地路线，拾取目标搬运到指定区域，机器人必须有巧妙地机械结构设计和高性能的电子控制，对机电一体化要求很高[6]。针对这些要求机械部分我设计了能灵活移动的全向轮底盘，它可以在平面内向任何一个方位移动不需要机身转向，为了保证升降和抓取物体的稳定传动部分采用同步带传动。大部分的加工使用线切割和激光切割；电子制控部分为了实现多功能能联动和精确定位使用并行总线通信也就是一个主CPU采集传感器数据发送到并行总线上与多个丛机进行电机控制[7]。主CPU使用DSP2812芯片，它是拥有150M左右的高速运算能力和强大的采集数据功能。在程序方面为缩短研发周期大量使用模块化设计，这样不仅方便现场调试而且更新版本更加容易[8-10]。

1.1 选题背景

随着计算机技术和人工智能技术的飞速发展，使机器人在功能和技术层次上有了

很大的提高，移动机器人和机器人的视觉和触觉等技术就是典型的代表。由于这些技

术的发展，推动了机器人概念的延伸。80年代，将具有感觉、思考、决策和动作能力

的系统称为智能机器人，这是一个概括的、含义广泛的概念[11-13]。

为了普及机器人知识，促进机器人技术的研究发展，世界上很多国家和地区纷纷

开展了各种类型的机器人比赛。“亚太大学生机器人大赛国内选拔活动”是中央电视台

负责组织的在全国高校范围内选拔代表中国参加“亚广联亚太地区机器人大赛”的预

选赛。“亚广联亚太地区机器人大赛”的前身是日本广播协会的机器人比赛，该项赛事

从1988年开始，于1989年成为日本NHK每年的赛事，命名为“全日本机器人大赛”。1990年第一次邀请除日本之外的国外代表队参赛，成为一项国际性比赛，历时十年。

该活动的宗旨是致力于培养各国青少年对于开发、研制高科技的兴趣与爱好，提高各

参与国的科技水平，为机器人工业的发展发掘培养后备人才。本次毕业设计的题目就

来自中央电视台“亚太大学生机器人大赛国内选拔活动” [14]。

由于我校的参赛经验、制作水平的不足，成绩并不理想；在第6届比赛中，我校凭借良好的技术和灵活的作战策略，制作的灵巧机器人表现出色，杀入全国32强；第9届比赛我校凭借先进、稳定的技术和灵活的策略，拿到全国16强的好成绩。由于前五届比赛为我们积累了宝贵的开发经验，今年的开发和比赛工作进行得有条不紊，我们先后研制了十余台机器人，目前已经取得了国内选拔赛的冠军，在剩下的时间里，我们将根据

机器人在国内赛场上的表现，对其进行改进，为“亚太大学生机器人大赛”的国际赛作最后的准备[15-18]。

1.2 设计的研究内容与意义

随着微电子技术的快速发展越来越多的高智能产品诞生，我们的生产时间大大减少。大量具有特定功能的模块的产生使得电子研发周期大大缩短，领域也更加广泛。

针对这次比赛设计的机器人就是将很多已经很成熟的模块进行拼装用软件将其有机的

结合实现智能寻路和抓取物品。研究的主要内容就是如何对这些模块进行拼装和改进

以及软件的程序编写[19]。大体可细化为以下几个方面：

1)．机器人机械结构设计：灵活的升降机构和抓取机构，在升降过程中除了有足够的力矩还要保持整个机体的稳定性使整体重心不超过允许偏离范围，抓取机构的工作部分要能很好适应不同尺寸的物体。机器人底盘在能灵活移动的前提下必须有良好的爬坡能力是其能爬上30度左右的斜坡。

2)．硬件模块的拼装：使用已有的功能模块进行组装必须使其相互兼容，这几就涉及到电源和信号的兼容，所以研发电频转换模块是该项目的一个重点

3)．控制部分：使用DSP2812对外界环境采样通过算法变成2-8位2进制数据发送给下位机进行工作。DSP2812是目前算法处理的尖端芯片，对它的使用也是一个漫长的学习和研究阶段。程序算法的开发是本项目的核心。

该项目的主要技术有广阔的发展前景，凡是需要智能定位的地方都需要这项技术，包括数控机床、自动包装机、太阳能系统等。

机器人尤其是机器人大赛的参赛机器人是需要机械和电路紧密配合的，巧妙的机

械结构会减轻控制方面的难度并带来稳定性的提升；良好的控制和多种传感器的使用

使得机器人的功能能够完全发挥。机械和电路两方面任何一方做不好都会影响到比赛

机器人的最终效果。以往，做机械的队员，往往因为对电和各种传感器了解不多而设

计不出好的机器人；做电路的队员，往往因为对机器人的机械特性不够而发挥不了机

器人的性能。因此本人深感有必要在机电机构优化设计方面做一次深刻的探讨，本人

的研究工作也正是机电结构的优化设计。但是对机电结构的优化设计往往是一点一滴

的改进，很难系统地、大篇幅地做出叙述。本人尽力在各种零碎的改进中整理出条理。

本人工作主要是：

1)．对比赛规则的研究与分析，从而确定比赛机器人的研发、制作目标；

2)．在机器人制作过程中，对手动与自动机器人的结构进行优化与改进；

3)．在机器人调试过程中，提出机器人坐标定位的校正方法，打滑检测的方法，

障碍区分的方法等并在机器人上实现[20]。

2 方案的设计

2.1 总体方案的设计

总的方案设计如图1所示。注意箭头方向表示信号传输方向,具体的设计的PCB见附图1，实物图见附图2, 原理图见附录。

图1 总体方案设计图

Fig.1 Overall scheme design

文字说明：本机器人采用TMSF320F2812芯片作为上位机，通过编码盘和光电开关

运算距离及准确定位，主芯片TMSF320F2812控制3个Mega32下位机。下位机1号Mega32

通过控制1号伺服电机来控制底盘电机，从而控制三角底盘；下位机2号Mega32直接

控制2号伺服电机，从而控制升降电机，控制齿盘，最终控制四杆机构；3号下位机Mega32通过控制舵机而控制同位带，从而控制曲柄摇杆机构，最终控制执行部分；下

位机2号与3号，也通过控制手柄来控制；机器人正是通过3个Mega32的下位机分别

管理底盘升降机构和曲柄机构，从而实现机器人在X、Y、Z轴三维空间的运动[21-23]。

2.2 运动控制

2.2.1 全向轮结构和特性

假设移动机器人具有刚性外壳,不变形的轮子,运动局限在平面上。则机器人在平面上的位置可以由图2表示。平面世界坐标系定义xoy ,点P 为在机器人本体上的参考点,车体坐

标系为X PY ,则机器人的位置和姿态可以由ξ= ( x , y ,θ) T 表示, 其中( x , y) 为点P 在平面世界坐标系中的位置,θ为世界坐标系下x 轴到机器人坐标系X 轴的角度, 逆时针为正. 用点P 来代表机器人,若能在平面世界坐标系下实现( x , y , θ) 三个自由度的运动,则称其为全方位移动机器人.

将轮子划分为传统轮系,包括固定方向轮( fixed wheel ) 、同心方向轮( centered orientablewheel) 和偏心方向轮(off2centered orientable wheel) ,和自由方向轮

系,如Swedish 轮、球轮等. Swedish 轮也称Mecanum 轮,由轮辐和固定在外周的许多

小滚子构成,轮子和滚子之间的夹角为γ,通常夹角γ为45°,如下图所示，每个轮子具

图2 坐标图

Fig.2 Coordinates figure

有三个自由度, 一个是绕轮子轴心转动,第二个是绕滚子轴心转动,第三个是绕轮子和

地面的接触点转动. 轮子由电机驱动,其余两个自由度自由运动. 由三个或以上的其Swedish 轮子可以构成全方位移动机器人。

图3 轮子图

Fig.3 Wheels figure

2.2.2 以全向轮为基础的三角底盘

为了使机器人能够快速的定位就需要有足够的灵活性，在使用全向轮作为动力轮的时候我们就必须考虑底盘形状的问题。底盘大体可分为三角底盘和四边形底盘它们的功能特性也有很大差别。

（1）四边形底盘：动力轮分布在底盘的四个方向两两同轴且相互垂直，轮心到P底盘重心O的距离都等于a如下图所示，假设每个轮子能提供的反向摩擦力分别为f1、f2、f3、f4,按照力学公式推导如下

∑Fx = f1 + f3

∑Fy = f3 + f4

∑Mo = (f1 * a) + (f2 * a) + (f3 * a) + (f14 * a)

图4 底盘重心图1

Fig.4 Chassis gravity map1

1).当f1=f2；f1与f2方向相同 f2=f4=0此时机器人向f1方向运动；

2).当f2=f4；f2与f4方向相同 f1=f2=0此时机器人向f2方向运动；

3).当f1=f2=f3=f4方向一致时，此时机器人原地旋转；

4).当f1=f3=F1,f2=f4=F1，F1方向与F2相反此时机器人向F1与F2的合力方向移动。(2) 三角形底盘：三角形底盘为等边三角形，动力轮分布在三条垂直平分轴线上，且到重心距离相等。假设每个轮子能提供的反向摩擦力分别为f1、f2、f3,按照力学公式推导如下：

∑Fx = f1 + f2*cos30°+ f3*cos30°

∑Fy = f2*sin60°+ f3*sin60°

∑Mo = (f1 * a) + (f2 * a) + (f3 * a)

图5底盘重心图2

Fig.5 Chassis gravity map2

1).当f3=f2；f3与f2方向相反f1=0，此时机器人向f3与f2合力方向运动；

2).当f1=2*f2=2*f3f2与f3方向相同f1=f2=0，此时机器人向f1方向运动；

3).f1=f2=f3方向一致时，此时机器人原地旋转；

4).此时如果依照四边形底盘第4种情况分析不能得到，能产生一个朝向任意方向

的合力但无法使Mo =0这样机器人就会走出一个弧线。只有当合力方向在大约35°时Mo=0,也就是三角形底盘只能朝与水平线相差35°的斜线方向直线移动。

综上分析两种底盘都能实现平移和走莫一方向斜线均可以满足设计需求。但是两者均有利弊必须进一步分析确定设计思路

我们可以看出行走方向可以通过软件程序进行补偿但是过定位的精度影响会对整个机体造成很大影响，走后我选择三角地盘的设计思路[24]。

2.2.3 升降机构的特性（结构简图见附录）

2.2.4 夹取机构特性（结构简图见附录）

2.3 电子功能模块的选择和特性

一台智能化的机器人不仅需要一个稳定可靠的机械结构更需要高性能的电子制控。制控可分为机器人底盘的定位和识别需夹取物体的坐标两大块。底盘的定位首先需要对距离的识别和保证电机的转动距离满足定位精度不会产生失步和打滑现象，再次就是要良好的控制性能模块化管理，最后就能简化程序编写。我们选择了伺服器和编码盘两种定位功能模块[24]。