信息技术4册第一单元 网上安家

浙江大学“中控杯”第八届机器人竞赛实物组Echo队（7295）比赛方案队长：申晓曼（3100105055）18768119094队员：谢敬伟（3100101364）15167145133队员：刘洋（3100100864）15958100199一、方案总述1.机器人功能设计1.1.1机器人功能设计我们采取四轮小车结构，用四个减速电机分别控制四个全向轮，使车身无需转向。车身下层铝板下面安装巡线传感器，实现定位。我们用手臂实现抓取第一、二层物体的功能，用两个舵机控制手臂的运动，一个舵机控制爪子的张开、合拢。手臂支架上利用丝杆和电机实现机械手的前进与后退，前进时抓取物体，后退时手臂松开物体，物体沿着斜面进入容器内。我们用一个泵支架来实现对第三层物体的抓取，手臂的末端是泵，利用吸力吸取第三层物体。泵手上有一个舵机，来实现泵的左右移动，同时利用丝杆来实现上下移动，吸取物体后，向左平移，将物体放入容器内。机器人的另一边上装有手机平台，用于图像采集和处理以识别物体和定位。1.1.2行走功能我们用四个减速电机分别控制四个全向轮，需要向一个方向前进时，沿该方向轴线两侧的两个全向轮受电机驱动运动，另外两个全向轮处于自由运动的状态。向另一方向行进亦然。1.1.3巡线功能我们在车身底板下安装了16个传感器，轮子前端的三个传感器用于寻线，确保机器人沿着白线直线行走，而轮子中间的传感器可以判断已经走过了几根白线，来保证行走距离，方便确定机器人在场地上的位置。由于中间没有引导线，我们考虑两种方案：（1）将使用超声波测距传感器（与场地边缘比较）来确定行进的距离（2）利用手机的每隔1秒的间隔进行照相拍摄，直到拍摄到的物品为正中心则证明走到了正确的位置上。1.1.4检测物体的功能我们采用手机拍照来实现物体的识别，在底板上将安装一个安放手机的平台，由于到时候要考虑到手机的调校，焦距的功能，这里仅作一个示意图来表示。超声波测速手机平台1.1.5抓取一二层物体抓取木块抓取易拉罐释放物体（由于释放木块与此相似，在这里就不再重复叙述）1.1.6吸取第三层物体释放到容器2.取胜思路1.2.1行走思路在启动区，我们将利用手机摄像将货架内所有木块的颜色拍下，并进行机器人从启动区出发，按照图中所示路线，依次到达每一个列物体中，进行物体的抓取。1.2.2抓取思路前进到每一列中后，我们想让机械手进行每列的一二层物体的抓取，然后让泵实现第三层物体的抓取。3．涉及研制重点主要涉及的研制重点有：AVR单片机技术电机舵机控制技术传感器技术（寻线传感器、红外超声波传感器、压敏传感器）机械设计技术图像识别opencv技术泵的技术。二、机械结构设计为实现各层物体的抓取，我们设计出两个机械臂来进行分层物体的拿取。2.1重要零件加工图2.1.1机械爪（由钢制成）2.1.2机械爪连接结构（铝）2.1.3机械手支架（铝）2.1.4泵升降台支架（铝）2.1.5泵机械手（铝）2.2主要机构装配图和功能简介2.2.1减速电机安装架实现减速电机在底板上的安装，底板上四个小孔用于与机器人底板连接，左边四个小孔用于减速电机的固定，右方大孔让减速电机穿过，从而与轮子相连接。红色木块是传感器。底部行进系统与传感器分布如下图所示（红色部分为传感器）2.2.2底板采用铝制成，厚度为3mm，主要用于机械手支架，丝杆，容器、传感器等的安装与连接。对称分布的四组四个小孔用于同之前的全向轮及减速电机相连接。四个矩形孔的设计便于全向轮的旋转，中间的两个孔用于丝杆和支撑杆的连接。2.2.3机械手2.2.3.1机械手支架机械手支架通过螺杆使机械手前后运动，上端安放舵机实现上下摆动2.2.3.2关节1关节1与舵机相连，实现机械手的上下摆动2.2.3.3关节2关节2与舵机相连，保持手臂的水平状态，方便抓取物体2.2.3.4机械手舵机与齿轮相连接，用于实现手臂的闭合，手臂的直径是70mm（弧形结构），能实现对木块和易拉罐的抓取。2.2.4泵支架泵支架用于对第三层物体的抓取，利用泵的吸力，能够准确地拿取第三层物体。通过螺杆实现吸嘴的上下移动，利用舵机实现吸嘴的左右移动。2.3传感器位置排布和电路板安装位置示意图2.3.1传感器位置排布（如下图）轮子前端的三个传感器用于寻线，确保机器人沿着白线直线行走，而轮子中间的传感器可以判断已经走过了几根白线，来保证行走距离，方便确定机器人在场地上的位置。2.3.2红外超声波测距由于中间处并没有引导线，我们采取向边缘发出红外信号，利用红外传感器确定行走距离。2.3.3电路板的安装（蓝色部分）电路板放在容器内的第二层，由于第三层物体积较小，故容器第二层拥有充分的空间容纳电路板。2．4电机选型和选型论证2.4.1减速电机减速电机通常称为齿轮马达或齿轮电机，输出力矩较大，用以驱动齿轮。2.4.2直流有刷电机【行走电机】我们选用ZGA37H261作为我们的行走电机。我们对我们选用轮子半径做了测量，半径为3CM，由比赛规则中知，摩擦因数取0.06，整个机器人质量估计在5千克左右。得轮子的周长为C=2πr=2*3.14*3=18.84cm电机扭矩理论计算：M=mgur=5kg*9.8N/kg*0.06*3cm=8.82N/cm假设实际操作过程中的最大运行速度为35cm/s因为N=v*60/cNmax=vmax*60/c=35*60/18.84=111r/min综合考虑以上因素，我们选用ZGA37H26i作为我们的行走电机。工作电压-------------------12VDC额定功率-----------------7W（消耗功率）额定转速-----------------100转/分最大输出力矩-----------5Kg.cm【升降平台】由于升降平台需要较大的力矩，我们选择输出力矩更大的电机。型号：行星直流减速电机24JX5K14G4D/2430-12100产品特征：电机直径-------------------24mm出轴直径-------------------4mm轴长-------------------------10mm电机长度--------------------60mm行星减速电机具有体积小电机消耗功率小转矩大使用寿命长噪音低等特点.。本台电机基本参数：额定电压----------------------12V输出功率----------------------7W（瓦）空载转速----------------------710转/分减速比------------------------1:16额定转矩----------------------3Kg.cm最大负载------------------------10Kg.cm（行星减速器齿轮是钢齿结构，能承受大负载）ZGA37H26124JX5K14G4D/2430-121002.4.3步进电机我们采用步进电机驱动舵机，通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。其控制电路采用L298来实现。L298芯片是一种高压、大电流双H桥式驱动器。2.4.4舵机我们选用的舵机是辉盛MG996R，如下图技术参数如下：净重:55g尺寸:40.7*19.7*42.9mm拉力:9.4kg/cm(4.8V),11kg/cm(6V)反应速度:0.17sec/60degree(4.8v)0.14sec/60degree(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)对于手臂的第二关节，假设其负载为0.26kg，长95mm，那么重力矩最大时为M=0.26×9.8×0.95=2.43kgcm。而我们给舵机供电6V，那么舵机可以产生11kgcm的扭矩，足以保证手臂的正常运动。对于手臂的第一关节，假设其负载为0.4kg,长110mm,那么重力矩最大时为M=0.4×9.8×1.1=4.312kgcm。。而我们给舵机供电6V，那么舵机可以产生11kgcm的扭矩，足以保证手臂的正常运动。对于泵支架的支节，假设其负载为0.15kg,长180mm，那么重力矩最大时为M=0.15×9.8×1.8=3.6kgcm。而我们给舵机供电6V，那么舵机可以产生11kgcm的扭矩，足以保证手臂的正常运动。2.4.5真空泵原产地：德国品牌:THOMAS型号:014CDC20/12-190D电压：DC12伏(直流12伏)电流:2.3A真空度:-550mmhg(-72kpa)流量:10升/每分钟尺寸:长130mm宽50mm高110mm重量：1KG2.5机械工图纸2.5.1机械爪（由钢制成）2.5.2机械爪连接结构（铝）2.5.3机械手支架（铝）2.5.4泵升降台支架（铝）2.5.5泵机械手（铝）2.5.6下底板2.5.7电机安装架2.5.8容器2.5.9斜坡2.5.10螺杆安装架2.5.11泵（装配图）二、电路设计1、电路功能设计设计思路：我们采用模块化设计思想，机器人整体电路分为若干部分：1.供电部分12V电源电路：机器人需要两种供电电压，12V电压用来驱动电机电路，5V电压用来驱动单片机、传感器等。因此我们采用12V锂电池和5V降压稳压芯片的供电电路。2.AVRMega16单片机最小系统是机器人的控制模块，有复位，ISP下载与TAG仿真电路。3.直流减速电机驱动电路采用光耦隔离的L298驱动芯片驱动机器人系统的直流减速电机。4.舵机控制电路：控制舵机转动角度，进行精确的取放。5.红外传感器巡线电路：识别场地白线，通过MCU处理判断，得到机器人所处的位置及自身姿态等相关信息，对机器人行走路线进行精确控制。6.气泵驱动电路控制吸嘴的吸和放，从而完成木块的抓取和放置动作。7.光耦隔离部分在MCU和直流电机之间加光耦隔离是为了达到既能传递信号，又防止电机电路对单片机电路的影响的目的。8.压力传感器靠压力传感器感知机械手抓取情况。9.红外启动电路利用相同型号手机发出红外信号，手机收到信号后启动机器人。10.图像采集处理利用手机拍照并用安装的OpenCV处理并通过蓝牙串口模块将信号传送给单片机。11.故障应对电路为了防止突发的单片机死机与程序跑飞等问题，我们采用AT24C02EEPROM芯片存储历史运行信息，在单片机死机或程序跑飞时，系统超时触发中断重启后，单片机可从芯片中读取运行信息，能正确执行后续任务。2、主控芯片选择最常见的单片机主要是AVRMega16和51单片机，我们选择的AVRMega16单片机主要有以下优点：1、AVRMega16单片机的指令周期较51的短，因此AVRMega16的代码执行速率更快。2、因为直流电机的控制需要不同频率的方波信号，而舵机的控制需要频率为50Hz但占空比不同的方波信号。51单片机上没有集成PWM功能，只能靠对I/O口的操作来完成方波的输出，这将占用十分巨大的资源。而AVRMega16在偏上集成了PWM功能，只用通过数据分配器就可以实现1路PWM对多个元器件的控制操作。AVRMega16芯片特性简介（摘自ATmega16中文版技术文档）：产品特性•高性能、低功耗的8位AVR微处理器•先进的RISC结构-131条指令–大多数指令执行时间为单个时钟周期-32个8位通用工作寄存器-全静态工作-工作于16MHz时性能高达16MIPS-只需两个时钟周期的硬件乘法器•非易失性程序和程序存储器-16K字节的系统内可编程Flash擦写寿命：10,000次-具有独立锁定位的可选Boot代码区通过偏上Boot程序实现系统内编程真正的同时读写操作-512字节的EEPROM擦写寿命：10,000次-1K字节的片内SRAM-可以对锁定位进行编程以实现用户程序的加密•JTAG接口（与IEEE1149.1标准兼容）-符合JTAG标准的边界扫描功能-支持扩展的片内调试功能-通过JTAG接口实现对Flash、EEPROM、熔丝位和锁定位的编程•外设特点-两个具有独立预分频器和比较器功能的8为定时器/计数器-一个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的16位定时器/计数器-具有独立振荡器的实时计数器RTC-四通道PWM-8路10位A