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江西農(nóng)業(yè)大學(xué),基于五自由度機械手的遙控智能車,指導(dǎo)老師：康麗春周華茂專業(yè)名稱：農(nóng)業(yè)機械化及其自動化學(xué)生姓名：蔡曉亮學(xué)生學(xué)號：20100964,排險排爆機器人國外現(xiàn)狀,德國排爆機器人,美國Marcbot-4排爆機器人,英國“手推車”,法國TSR-200排爆機器人,排險排爆機器人國內(nèi)現(xiàn)狀,中國航天科工“雪豹－10”,北京博創(chuàng)Raptor-eod機器人,“靈晰-B”爆炸物處理機器人,作品展示,作品展示,,,,2：目前，排險排爆機器人價格昂貴，一般機構(gòu)或?qū)W校難以接受，學(xué)生難以接觸到實際的排險排爆機器人，學(xué)習(xí)相關(guān)的機械電子知識。,設(shè)計背景,1：目前的排險排爆機器人操作箱，多采用按鍵式一個一個調(diào)節(jié)各個機械關(guān)節(jié)臂的角度，遙控機械手時不像開車那樣靈活自如，操作人員需要經(jīng)過相關(guān)的操作培訓(xùn)后才能較好地控制機械手抓取，搬運物體。,設(shè)計意義,基于五自由度機械手的遙控智能車將重點突破這些弊端，以較低的設(shè)計成本投入以及切實可執(zhí)行的設(shè)計，做出帶機械手的遠程智能小車。1：采用五自由度模擬機械手，無線同步控制車載五自由度機械手，實現(xiàn)空間抓取物體一步到位，打破傳統(tǒng)的一個個微調(diào)的控制方式。2：將書本理論知識應(yīng)用實際，綜合機械和電子多門課程知識，可直接作為高等創(chuàng)新教育的典范科技類作品，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新意識，加強學(xué)生的專業(yè)知識和技能教育，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。,設(shè)計目標,1、無線靈活控制小車運動；2、機械臂抓取物體和搬運物體；3、視頻無線實時傳輸監(jiān)控；4、小車自主避障行駛。,總系統(tǒng)組成,,,具體設(shè)計,驅(qū)動裝置使用三級減速箱驅(qū)動，動力強勁。,使用履帶式底盤，穩(wěn)定性好及對地面壓強小；加獨立懸掛減震系統(tǒng)具有一定的越障能力。,,,機械臂由鋁合金L支架，U型支架，多功能支架等構(gòu)成，外加機械爪，構(gòu)成一個五自由度機械手，在各個關(guān)節(jié)臂上用舵機控制，實現(xiàn)機械手抓取空間任意角度的物體。,五自由度機械手遙控端采用薄鋁合金制作的模擬機械臂，操作模擬機械臂，即可實現(xiàn)遠程無線控制車載機械臂同步運動。,,攝像頭兩個，機械爪一個，另外一個安裝在車上的兩自由度云臺上，可以一鍵切換，能實現(xiàn)空間各個角度的攝像，然后無線實時傳輸回液晶屏。,7寸液晶顯示屏，實時顯示攝像頭采集的圖像。,,,,遙控端采用雙單片機控制。通過按鍵可以無線控制小車靈活地前后左右運動，加減檔；切換攝像頭；控制夜燈的開閉；切換小車自主行駛；數(shù)碼管顯示當前檔位。,小車前端有LED夜燈，在黑暗條件下也能看清周圍物體；前端還有超聲波模塊，通過遙控端按鍵切換能實現(xiàn)自主避障行駛。,,小車端采用雙單片機控制：高速處理遙控端模擬機械臂信號，使機械手五軸聯(lián)動，做和模擬機械臂一樣的動作；快速響應(yīng)遙控端的命令，靈活控制小車運動。,視頻演示,致謝,非常感謝康麗春老師和周華茂老師的指導(dǎo)和評改，同時感謝那些幫助和支持我的同學(xué)。謝謝所有評委老師，歡迎各位老師提出寶貴的意見和建議！,基于五自由度機械手的遙控智能車 JIANGXI AGRICULTURAL UNIVERSITY 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 題目： 基于五自由度機械手的遙控智能車 學(xué) 院： 江西農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院 姓 名： 蔡曉亮 學(xué) 號： 20100964 專 業(yè)： 農(nóng)業(yè)機械化及其自動化 年 級： 農(nóng)機1001 指導(dǎo)教師： 康麗春 職 稱： 講師 周華茂 職 稱： 副教授 二0 一 四 年 五 月 摘要 本文對基于五自由度機械手的遙控智能車進行了總體設(shè)計及分析，包括整體結(jié)構(gòu)設(shè)計、機械臂零件和小車底盤零件選用和分析、機械臂關(guān)節(jié)驅(qū)動舵機選用、小車減速箱和驅(qū)動電機選用、五自由度模擬機械臂的設(shè)計、遙控端電路和接收端電路設(shè)計，遙控端和接收端程序設(shè)計等。 本設(shè)計還做出了實物，能夠?qū)崿F(xiàn)無線靈活控制小車前進后退，左轉(zhuǎn)右轉(zhuǎn)；通過模擬機械臂無線同步控制車載五自由度機械手抓取物體和搬運物體；小車周圍環(huán)境視頻無線實時監(jiān)控；遙控端一鍵切換攝像頭；一鍵控制夜燈開閉；一鍵切換手動遙控小車和小車自主行駛。這個帶有機械手的無線小車，可以用于需要遠程移動巡邏的地方，也可用于化工廠等危險區(qū)域巡邏，搬運小型物體；另外綜合了機械和電子多門課程多個重要知識點，并且很好的結(jié)合在一起，非常適用于課堂現(xiàn)場實物教學(xué)。 關(guān)鍵詞:機械手；無線；單片機；視頻實時；智能車 III ABSTRACT In this paper, based on five -DOF manipulator remote intelligent vehicle carried the overall design and analysis, including overall design, robotic parts and car chassis parts selection and analysis , manipulator joint drive servo selection, car gear box and drive motor selection , five degrees of freedom manipulator design simulation , remote control of the circuit and the receiver circuit design, remote control and the receiver program design. This design is also made ??in-kind , to achieve flexible wireless control car forward and back, Turn left and turn right; synchronization control car radio by simulating five degrees of freedom robotic manipulator grab objects and moving objects ; trolley ambient video wireless real-time monitoring ; remote end of a key switch cameras ; opening and closing a key control nightlights ; a key switch manual remote control car and trolley autonomous driving. The wireless car with a mechanical hand , can be used for remote mobile patrols where needed , can also be used in hazardous areas such as chemical plants patrol , handling small objects ; another combination of mechanical and electronic multi- course a number of important knowledge and good together, ideal for classroom teaching physical site . Key word ：robot ， radio ，MCU ，video in real time ，smart car 基于五自由度機械手的遙控智能車 目錄 摘要 II ABSTRACT III 1 緒論 1 1.1 課題背景，國內(nèi)外現(xiàn)狀和意義 1 1.1.1 課題背景 1 1.1.2 國內(nèi)外現(xiàn)狀 1 1.1.3 設(shè)計意義 2 1.2 設(shè)計目標，總體設(shè)計和控制途徑 3 1.2.1 設(shè)計目標 3 1.2.2 總體設(shè)計 3 1.2.3 控制途徑 4 2 機械部分結(jié)構(gòu)設(shè)計與零件選用 5 2.1 模擬機械臂 5 2.2 車載端五自由度機械臂 6 2.3 二自由度攝像頭云臺 9 2.4 小車底盤選擇 9 2.5 減速齒輪箱 10 2.6 小車驅(qū)動電機 11 2.7 機械臂關(guān)節(jié)驅(qū)動 12 3 遙控端電路原理及設(shè)計 13 3.1 單片機的選擇與分析 13 3.2 小車遙控電路設(shè)計 14 3.3 模擬機械臂電路設(shè)計 15 4 車載端電路原理及設(shè)計 16 4.1 小車接收電路設(shè)計 16 4.2 車載五自由度機械手電路設(shè)計 16 4.3 小車電機驅(qū)動電路 17 4.4 小車超聲波避礙模塊 18 5 無線視頻實時傳輸 19 5.1 無線視頻方案選擇與分析 19 5.2 視頻發(fā)送模塊 19 5.3 視頻接收模塊 20 5.4 液晶顯示 21 6 程序設(shè)計 22 6.1 遙控小車程序 22 6.2 模擬機械臂程序 22 6.3 小車接收端程序 22 6.4 五自由度機械臂程序 22 7 結(jié)論與展望 24 7.1結(jié)論 24 7.2展望 24 參考文獻 25 附錄一 26 致謝 28 1 緒論 1.1 課題背景，國內(nèi)外現(xiàn)狀和意義 1.1.1 課題背景 隨著時代和高新技術(shù)的發(fā)展，機器人技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴大，工業(yè)機器人 、特種作業(yè)機器人、服務(wù)機器人、微小型機器人等已經(jīng)在各個方面得到廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。機器人技術(shù)是集機械、電子、控制和計算機技術(shù)的一項綜合技術(shù)。從某些意義上來說，機器人的技術(shù)水平的高與低反映了這個國家的綜合技術(shù)實力。 基于五自由度機械手的遙控智能車和排險排爆機器人類似。它是針對公安、核工業(yè)、軍事、化工等危險、惡劣、有害環(huán)境下應(yīng)用的特種作業(yè)機器人，它不受任何外界電磁干擾，可以代替人在危險、惡劣、有害環(huán)境中進行觀察、檢查、搬運、清理、操作及安放特殊裝置，代替現(xiàn)場安檢人員實地勘察，實時傳輸現(xiàn)場圖像；用以保證人員的安全、健康，避免不必要的人員傷亡。 1.1.2 國內(nèi)外現(xiàn)狀 在西方國家中，恐怖活動始終是個令當局頭疼的問題。英國由于民族矛盾，飽受爆炸物的威脅，因而英國在60年代就研制成功排爆機器人。英國研制的履帶式“手推車”及“超級手推車”排爆機器人（如圖1.1.a），已向50多個國家的軍警機構(gòu)售出了800臺以上。美國Remotec公司的Andros系列機器人受到各國軍警部門的歡迎，白宮及國會大廈的警察局都購買了這種機器人(如圖1.1.b)。Andros機器人可用于小型隨機爆炸物的處理，它是美國空軍客機及客車上使用的唯一的機器人。海灣戰(zhàn)爭后，美國海軍也曾用這種機器人在沙特阿拉伯和科威特的空軍基地清理地雷及未爆炸的彈藥。美國空軍還派出5臺Andros機器人前往科索沃，用于爆炸物及子炮彈的清理?？哲娒總€現(xiàn)役排爆小隊及航空救援中心都裝備有一臺Andros VI（引用自百度網(wǎng)頁）。 a　英國機器人　 b　美國國機器人 圖1.1 歐美機器人 與國外相比，中國的排爆機器人起步較晚。但是隨著這些年中國經(jīng)濟和科技的不斷崛起和創(chuàng)新，我國也有了自己的排險排爆機器人。Raptor-eod 機器人是北京博創(chuàng)集團開發(fā)的一款中型特種排爆排險機器人，用于處置各種突發(fā)涉爆、涉險使用排爆機器人事件。代替以往人工排出可疑爆炸物及在危險品搬運過程中對操作者帶來的危險，如圖1.1.c（引自百度網(wǎng)頁）；“雪豹－10”由中國航天科工集團公司自主研制，車體可進行前后擺臂，并根據(jù)地形，改變履帶形狀，從而完成不同地形的行走命令，如平地行走、跨越溝壑、上下樓梯等，如圖1.1.d（引自百度網(wǎng)頁）。 C 北京博創(chuàng)Raptor-eod 機器人 d 中國航天科工“雪豹－10” 圖1.1 中國機器人 1.1.3 設(shè)計意義 目前，排險排爆機器人價格昂貴，一般機構(gòu)或?qū)W校很少購買，學(xué)生難以接觸到實際的排險排爆機器人，學(xué)習(xí)相關(guān)的機械電子知識。另外目前的排險排爆機器人操作箱操作復(fù)雜，遙控機械手時不像真的開車那樣靈活自如，多采用按鍵式一個一個調(diào)節(jié)各個機械關(guān)節(jié)臂的角度，操作人員需要經(jīng)過相關(guān)的操作培訓(xùn)后才能較好地控制機械手抓取，搬運物體。本設(shè)計基于五自由度機械手的遙控智能車將重點突破這些弊端，以較低的設(shè)計成本投入以及切實可執(zhí)行的設(shè)計，做出一輛帶機械手的遠程智能小車，用于需要遠程移動巡邏的地方，也可用于化工廠等危險區(qū)域巡邏，搬運物體。將書本理論知識應(yīng)用實際，綜合機械和電子多門課程知識，可直接作為高等創(chuàng)新教育的典范科技類作品，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新意識，加強學(xué)生的專業(yè)知識和技能教育，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。 1.2 設(shè)計目標，總體設(shè)計和控制途徑 1.2.1 設(shè)計目標 （1） 無線靈活控制小車運動； （2） 機械手抓取物體和搬運物體； （3） 視頻無線實時傳輸監(jiān)控； （4） 小車自主避障。 1.2.2 總體設(shè)計 基于五自由度機械手遙控智能車分為遙控部分和小車及機械手部分。 遙控部分：以STC12C5A60S2單片機為主芯片，加NRF24L01無線芯片；實現(xiàn)無線控制小車前進，后退，左轉(zhuǎn)，右轉(zhuǎn)運動； 7寸液晶無線實時顯示小車終端圖像；加上五自由度模擬機械臂，直接控制小車端五自由度機械手抓取，搬運物體；操作人員根據(jù)液晶圖像，操作模擬機械臂和按鍵，即可無線控制遠距離小車及小車端五自由度機械臂。 小車及機械手部分：以STC12C5A60S2單片機為主芯片，加NRF24L01無線芯片，接收處理遙控端發(fā)來的命令。小車端帶有減速齒輪履帶式底盤，動力強勁，運動平穩(wěn)；車上裝有五自由度機械手，接收遙控端發(fā)送的指令，實現(xiàn)空間任意角度抓取物體；機械手上和小車二自由度云臺配有攝像頭，把小車周圍的圖像無線發(fā)回遙控端液晶顯示(小車總體完成效果圖如1.2)。 圖1.2 小車總體效果圖 1.2.3 控制途徑 1.無線靈活控制小車運動 利用STC12C5A60S2單片機和NRF24L01無線芯片,按鍵，數(shù)碼管，和其他外圍電路設(shè)計成電路控制板；按鍵控制小車加減檔和前進，后退，左轉(zhuǎn)，右轉(zhuǎn)，停止，攝像頭切換，開關(guān)夜燈，手動控制和超聲波自動駕駛切換；數(shù)碼管顯示當前檔位。 2.機械手抓取物體和搬運物體 遙控端用鋁合金和電位器做成一個小型模擬五自由度機械臂，加上STC12C5A60S2單片機和NRF24L01無線芯片，把模擬機械臂的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，無線發(fā)送給小車端，實現(xiàn)小車端機械臂做和模擬機械臂相同的動作。 3．視頻無線實時傳輸 采用2.4GHZ無線視頻傳輸模塊，發(fā)射模塊TX6722采集模擬攝像頭的信號，加載高頻，調(diào)制后通過天線發(fā)送出去；接收模塊RX6788接收到無線視頻信號，進行解調(diào)；視頻信號進入液晶驅(qū)動板，液晶驅(qū)動板通過解碼把視頻信號傳給7寸液晶屏，實現(xiàn)圖像顯示。 4．小車自主避障 采用HY_SRF05超聲波模塊，當小車遙控端通過按鍵切換為超聲波自動駕駛后，小車接收端單片機啟動自動行駛模式，控制超聲波模塊發(fā)送超聲波，根據(jù)小車周圍的障礙物回應(yīng)回來的超聲波信號，進行調(diào)速，前進，轉(zhuǎn)彎等功能；實現(xiàn)小車自動避障行駛。 2 機械部分結(jié)構(gòu)設(shè)計與零件選用 2.1 模擬機械臂 采用旋鈕電位器，鋁合金機械臂支架，螺母，摩擦片等做成。采用簡單的L支架，一字支架，一字薄木板，帶手指孔的長鋁片做成五自由度機械臂，支架連接處采用旋鈕電位器轉(zhuǎn)軸連接，連接軸中間加上摩擦片，是為了使模擬機械臂在操作后能自鎖在原來的位置；實物圖如圖2.1.a所示,運動示意圖如2.1.e。 圖2.1.a 模擬機械臂實物圖 模擬機械臂主要零件尺寸,見下圖：圖2.1.b長L支架； 圖2.1.c一字支架；圖2.1.d機械手指。 b 長L支架 c 一字支架 d 機械手指架 e 運動示意圖 圖2.1 模擬機械臂零件圖 2.2 車載端五自由度機械臂 采用制作機器人的支架，996舵機，加上小型軸承，螺母，螺栓連接，做成一個五自由度的機械臂，包括U梁，長U支架，L支架，多功能支架，機械爪，三維圖如圖2.2.a所示，運動示意圖如2.2.e。 圖2.2.a 車載五自由度機械臂 車載機械臂主要支架及相關(guān)零件圖，見下圖：圖2.1.b多功能支架； 圖2.1.c長U型支架；圖2.2.d短L支架。 b 多功能支架 c 長U型支架 d 短L支架 e 運動示意圖 圖2.2 車載機械臂主要零件圖 2.3 二自由度攝像頭云臺 為了實時監(jiān)控小車周圍的環(huán)境，五自由度機械手抓取物體看清物體，采用了兩個攝像頭。第一個攝像頭直接安裝在機械爪后端，第二個攝像頭裝在車載二自由度云臺上，通過遙控端的攝像頭切換按鍵，在液晶顯示終端實時觀看兩個攝像頭的圖像；二自由度云臺采用兩個舵機，兩個多功能支架，一個長U支架構(gòu)成等組成，能夠?qū)崿F(xiàn)空間360度的攝像。三維圖如圖2.3所示。 圖2.3 二自由度攝像頭云臺 2.4 小車底盤選擇 方案一：輪式小車底盤 優(yōu)點：速度快、效率高、運動噪聲低。 缺點：越障能力、地形適應(yīng)能力差、轉(zhuǎn)彎效率低，或轉(zhuǎn)外半徑大。 適合：野外、城市環(huán)境都可以，但是地形不能太復(fù)雜，如碎石地難以靈活控制。 方案二：履帶式小車底盤 優(yōu)點：地形適應(yīng)能力強，可原地轉(zhuǎn)彎，運動時車體減震，有負載輪可載重物。 缺點：速度相對較低、效率低、運動噪聲較大。 適合：野外、城市環(huán)境都可以，在平穩(wěn)、越障，負載重量等方面優(yōu)于輪式。 為實現(xiàn)小車平穩(wěn)運動，使搭載在小車上的攝像頭，在小車運動過程中不抖動，保證圖像傳輸清晰；小車加載機械手、電路板，電池后重量達到兩公斤，負載較重；另外適應(yīng)一定的復(fù)雜環(huán)境，使小車具有一定的越障功能，比較之下選擇坦克式小車平臺：坦克1：16虎式3818-1底盤，底盤尺寸：38*22*10（長寬高），塑料履帶2條、金屬驅(qū)動輪2個、塑料誘導(dǎo)輪2個，負重輪16個，加寬覆帶與地面的接觸面積更大，行走起來更穩(wěn)！每一個輪子都有獨立的減震彈簧。前進、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)操作靈活自如。實物圖如圖2.4所示。 圖2.4 履帶式小車底盤 2.5 減速齒輪箱 方案1：塑料齒減速齒輪箱 優(yōu)點：重量輕、運動噪聲低。 缺點：加載較重物體時，塑料齒輪剛度強度不夠，容易發(fā)生齒輪變形，磨損。 適合：小型輕載小車。 方案2：金屬齒減速齒輪箱 優(yōu)點：剛度和強度好，耐磨，傳動比精確，扭力更大。 缺點：運動噪聲稍高。 適合：大部分小車都可以，特別適合于重載小車。 小車加載機械手、電路板和電池等后重量達到兩公斤，負載較重，需要能輸出大扭矩的減速齒輪箱，來保證小車在較復(fù)雜的環(huán)境中也能運動自如；所以采用金屬三級減速齒輪箱，金屬齒輪為0.6模數(shù)的鋅合金雙聯(lián)齒輪和0.6模的直齒齒輪，雙聯(lián)齒輪1:小齒齒輪：14齒，齒厚5mm；大齒齒輪：46齒，齒厚5mm;內(nèi)孔：Φ3mm; 雙聯(lián)齒輪2:小齒齒輪：14齒，齒厚6mm；大齒齒輪：53齒，齒厚5mm;內(nèi)孔：Φ3mm; 雙聯(lián)齒輪3:小齒齒輪：40齒，齒厚5mm；大齒齒輪：53齒，齒厚5mm;內(nèi)孔：Φ3mm;直齒輸出輪：:齒輪：28齒，齒厚5mm；內(nèi)孔：Φ6mm;齒輪嚙合圖如圖2.5。 圖2.5 減速箱齒輪嚙合圖 2.6 小車驅(qū)動電機 基于五自由度機械手的遙控智能車為適應(yīng)小車的靈活運動和精確控制機械手抓取物體，速度分為3檔，用于不同環(huán)境不同速度的需要。 直流電機的控制方法比較簡單，只需給電機的兩根控制線加上適當?shù)碾妷杭纯墒闺姍C轉(zhuǎn)動起來，電壓越高則電機轉(zhuǎn)速越高。而且改變正負極可方便的改變電機轉(zhuǎn)動的方向，方便改變小車的行進狀態(tài)。對于直流電機的速度調(diào)高，可以采用改變電壓的方法，也可采用PWM調(diào)速方法。PWM調(diào)速就是使加在直流電機兩端的電壓為方波形式，通過改變方波的占空比實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。? 綜上所述采用小型380直流電機 ，電機輸出軸連接模數(shù)為0.6，齒數(shù)為10的齒輪與減速箱一級雙聯(lián)齒輪相連，實現(xiàn)小車驅(qū)動輪的大扭力輸出。380直流電機參數(shù)如下：使用電壓范圍?3.0-12V，額定電壓值?9V，無負荷轉(zhuǎn)速20160，無負載電流：680MA，最大電流3.8A，額定功率20W，尺寸約:直徑27.7MM,長38MM,軸徑2.3MM,軸長12.7MM，重量：75克。 2.7 機械臂關(guān)節(jié)驅(qū)動 機械臂采用機械式驅(qū)動，需要對關(guān)節(jié)的驅(qū)動電機進行選擇。一種好的電機不僅 會給機械臂的動作特性帶來提高，而且在運動精度上也會有很大改善，同時安裝，及控制方式也會帶來很大便利。目前，市面上的各種機械臂的驅(qū)動電機有：步進電機，伺服電機，舵機。下面表 2.1，將幾種電機的特點進行比較： 表 2.1電機的比較 項目 是否反饋 控制精度 低頻特性 過載能力 速度相應(yīng) 成本 步進電機 否 較高 不好 較差 較好 普通 伺服電機 是 高 好 較好 好 高 舵機 是 較高 較好 差 較好 低 由上表可以看出，步進電機和舵機成本較低，伺服電機從哪個方面都是較優(yōu)的。 其中步進電機和伺服電機一般是面向較為大型的工業(yè)機器人的關(guān)節(jié)驅(qū)動，而舵機則常 常應(yīng)用在小型的特殊機械臂上面，同時舵機小巧，安裝方便。本設(shè)計主要是面向小型 作業(yè)的機械臂，對于驅(qū)動力沒有太大要求，同時出于成本考慮，最終選擇舵機來驅(qū)動 關(guān)節(jié)。 選用的舵機參數(shù)如下：產(chǎn)品名稱：TOWER?PRO(輝盛)最新大扭力舵機MG996R?(MG995升級產(chǎn)品)6v/11Kg。廠家編號：MG996R；凈重:55g；產(chǎn)品尺寸:40.7*19.7*42.9mm；產(chǎn)品拉力:9.4kg/cm(4.8V),11kg/cm(6V)；反應(yīng)速度:?0.17S/60°(4.8v)，0.14 S /60°（6v)；工作電壓:?4.8-7.2V；工作溫度:?0℃-55℃；齒輪形式:金屬齒輪；工作死區(qū):?5us(微秒)。實物圖如圖2.6所示。 圖2.6 MG996R舵機 3 遙控端電路原理及設(shè)計 3.1 單片機的選擇與分析 基于五自由度機械手的遙控智能車，采用五自由度機械手五軸聯(lián)動控制，打破傳統(tǒng)的一個個按鍵微調(diào)的控制方式，實現(xiàn)空間抓取物體一步到位?？刂屏鞒虨椋何遄杂啥饶M機械臂采集AD數(shù)據(jù)，處理好AD數(shù)據(jù)，無線發(fā)送給車載端，車載端接收數(shù)據(jù)后快速響應(yīng)，車載五自由度機械手各個關(guān)節(jié)舵機響應(yīng)，轉(zhuǎn)動相應(yīng)角度，帶動車載機械臂，做和模擬機械臂相同的動作。 用單片機控制則簡要的流程為：遙控端單片機發(fā)出指令然后讀取AD值，接著處理AD值，加載打包數(shù)據(jù)，發(fā)送給無線模塊，無線模塊發(fā)送數(shù)據(jù)；接收端單片機不斷發(fā)出指令，讀取無線接收模塊收到的數(shù)據(jù)，然后處理分析，生成不同寬度的PWM脈寬信號，給機械臂各個關(guān)節(jié)的996R舵機，車載機械臂響應(yīng)完成相應(yīng)角度轉(zhuǎn)動。單片機處理AD數(shù)據(jù),無線發(fā)送數(shù)據(jù),無線接收數(shù)據(jù)，產(chǎn)生5路PWM信號，需要花費大量的時間，如果采用普通的51單片機，數(shù)據(jù)處理較慢，難以滿足車載機械臂和模擬機械臂同步運動的要求，需要采用更高處理速度的單片機。 經(jīng)過查閱資料得知STC12C5A60S2單片機是宏晶科技生產(chǎn)的單時鐘/機器周期(1T)的單片機，是高速/低功耗/超強抗干擾的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051,但速度快8-12倍。內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路,2路PWM,8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換(250K/S),針對電機控制，強干擾場合。能夠很好的滿足處理速度快，帶AD轉(zhuǎn)換的功能。STC12C5A60S2單片機特性參數(shù)如下： 1.增強型8051 CPU，1T，單時鐘/機器周期，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051; 2.工作電壓：STC12C5A60S2系列工作電壓：5.5V-3.3V(5V單片機); 3.工作頻率范圍：0 - 35MHz，相當于普通8051的 0～420MHz; 4.用戶應(yīng)用程序空間60K字節(jié); 5.片上集成1280字節(jié)RAM; 6.通用I/O口(36/40/44個)，復(fù)位后為：準雙向口/弱上拉(普通8051傳統(tǒng)I/O口)，可設(shè)置成四種模式：準雙向口/弱上拉，推挽/強上拉，僅為輸入/高阻，開漏，每個I/O口驅(qū)動能力均可達到20mA; 7. ISP(在系統(tǒng)可編程)/IAP(在應(yīng)用可編程)，無需專用編程器，無需專用仿真器 可通過串口(P3.0/P3.1)直接下載用戶程序，數(shù)秒即可完成一片; 8.共4個16位定時器 兩個與傳統(tǒng)8051兼容的定時器/計數(shù)器,16位定時器T0和T1，沒有定時器2，但有獨立波特率發(fā)生器 做串行通訊的波特率發(fā)生器 再加上2路PCA模塊可再實現(xiàn)2個16位定時器; 9.A/D轉(zhuǎn)換, 10位精度ADC，共8路，轉(zhuǎn)換速度可達250K/S(每秒鐘25萬次)18.通用全雙工異步串行口(UART)，由于STC12系列是高速的8051，可再用定時器或PCA軟件實現(xiàn)多串口; 3.2 小車遙控電路設(shè)計 采用STC12C5A6OS2為主控芯片，NRF24LO1無線模塊實現(xiàn)指令發(fā)送，按鍵響應(yīng)相應(yīng)的小車運動指令，切換攝像頭，開關(guān)小車端的LED夜燈，手動控制和超聲波自動行駛切 換，數(shù)碼管顯示當前速度檔位。具體電路原理圖如圖3.1所示。 圖3.1 小車遙控電路 3.3 模擬機械臂電路設(shè)計 模擬機械臂采用電位器和鋁合金機械支架做成；操作人員通過操作模擬機械臂，得到五路模擬電壓，進入STC12C5A6OS2主控芯片，進行AD轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，通過NRF24L01無線模塊發(fā)送信號。具體電路原理圖如圖3.2所示。 圖3.2 模擬機械臂發(fā)射模塊電路圖 4 車載端電路原理及設(shè)計 4.1 小車接收電路設(shè)計 采用STC12C5A6OS2為主控芯片，NRF24LO1無線模塊實現(xiàn)指令接收，數(shù)碼管顯示當前速度檔位。采用專用芯片L298N作為電機驅(qū)動芯片，一片L298N分別控制兩個直流電機；單片機P3.2.P3.3口接HY-SRF05超聲波模塊，具體電路原理圖如圖4.1所示。 圖4.1 小車接收電路 4.2 車載五自由度機械手電路設(shè)計 采用STC12C5A6OS2為主控芯片，NRF24LO1無線模塊實現(xiàn)指令發(fā)接收，單片機控制PWM,從而輸出信號給機械臂的996舵機，舵機轉(zhuǎn)動相應(yīng)角度帶動機械臂轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)與模擬機械臂同樣的動作。具體電路原理圖如圖4.2所示。 圖4.2 五自由度機械臂控制 4.3 小車電機驅(qū)動電路 小車采用雙電機驅(qū)動，電機驅(qū)動采用L298N專用電機驅(qū)動芯片做成電機驅(qū)動板。L298N是ST公司生產(chǎn)的一種高電壓，大電流電機驅(qū)動芯片。該芯片的主要特點是工作電壓高，最高工作電壓可達46V；輸出電流大，瞬間峰值電流可達3A,持續(xù)工作電流為2A;內(nèi)含兩個H橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動器，可以用來驅(qū)動直流電動機和步進電機，繼電器，線圈等感性負載；采用標準TTL邏輯電平信號控制；具有兩個使能控制端，在不受輸入信號影響的情況下允許或禁止器件工作；有一個邏輯電源輸入端，使內(nèi)部邏輯電路部分在低電壓下工作。小車檔位轉(zhuǎn)速采用PWM調(diào)速方法。PWM調(diào)速就是使加在直流電機兩端的電壓為方波形式，通過改變方波的占空比實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。驅(qū)動電路如4.3所示。? 圖4.3 電機驅(qū)動電路 4.4 小車超聲波避礙模塊 小車在遠程行駛或作業(yè)時，操作人員通過液晶顯示終端看到的視頻是攝像頭看到的小車周圍的局部圖像，如果小車進入狹長曲折的道路時，人為操控小車因為一時不能夠完全看清小車的周圍情況，雖然可以通過遙控端控制車載二自由度云臺來看清周圍的環(huán)境，但是這個過程比較費時；加載了HY-SRF05超聲波模塊則可以在這個時候一鍵切換為小車自主駕駛模式，使小車快速自主駛出狹長曲折的空間；另外在進入危險區(qū)域作業(yè)時，啟動超聲波自主避障，能夠很好的避開危險物體，防止小車在人為操作下誤撞危險物體。超聲波模塊如圖4.4所示。 圖4.4 超聲波模塊 5 無線視頻實時傳輸 5.1 無線視頻方案選擇與分析 無線視頻傳輸就是指不用布線（線纜）利用無線電波作為傳輸介質(zhì)，在空中搭建傳輸鏈路來傳輸視頻、聲音、數(shù)據(jù)等信號的監(jiān)控系統(tǒng)。在無線監(jiān)控系統(tǒng)中，無線監(jiān)控中心實時得到被監(jiān)控點的視頻信息，并且該視頻信息是連續(xù)、清晰的。在無線監(jiān)控點，通常使用攝像頭對現(xiàn)場情況進行實時采集，攝像頭通過無線視頻傳輸設(shè)備相連，并通過由無線電波將數(shù)據(jù)信號發(fā)送到監(jiān)控中心；目前主流的無線視頻傳輸有兩種方案。 方案1：基于網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字視頻傳輸，是解決城域間遠距離、點位極其分散的監(jiān)控傳輸方式，采用MPEG2/4、H.264音視頻壓縮格式傳輸監(jiān)控信號。優(yōu)點：采用網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器作為監(jiān)控信號上傳設(shè)備，有Internet網(wǎng)絡(luò)安裝上遠程監(jiān)控軟件就可監(jiān)看和控制。缺點：受網(wǎng)絡(luò)帶寬和速度的限制，只能傳輸小畫面、低畫質(zhì)的圖像;每秒只能傳輸幾到十幾幀圖像，動畫效果十分明顯并有延時，無法做到實時監(jiān)控。 方案2：微波信號模擬視頻傳輸：是解決幾公里甚至幾十公里不易布線場所監(jiān)控傳輸?shù)慕鉀Q方式之一。采用調(diào)頻調(diào)制或調(diào)幅調(diào)制的辦法，將圖像搭載到高頻載波上，轉(zhuǎn)換為高頻電磁波在空中傳輸。優(yōu)點：省去布線及線纜維護費用，可動態(tài)實時傳輸廣播級圖像。缺點：由于采用微波傳輸，頻段在1GHz以上，常用的有L波段(1.0～2.0GHz)、S波段(2.0～3.0GHz)、Ku波段(10～12GHz),傳輸環(huán)境是開放的空間很容易受外界電磁干擾;微波信號為直線傳輸，中間不能有山體、建筑物遮擋;Ku波段受天氣影響較為嚴重，尤其是雨雪 天氣會有嚴重雨衰想象。 基于五自由度機械手的遙控智能車，當小車在行駛中和用機械臂抓取物體時，都需要實時監(jiān)控；另外基于五自由度機械手的遙控智能車用于野外作業(yè)時，有便攜式要求，不管在何種環(huán)境下，只要打開液晶顯示終端就能收到視頻，不能夠依賴網(wǎng)絡(luò)，否則在沒有網(wǎng)絡(luò)或網(wǎng)絡(luò)信號不強的環(huán)境下難以作業(yè)。綜合考慮采用方案2符合我們的需求。 5.2 視頻發(fā)送模塊 采用2.4G遠距離無線監(jiān)控發(fā)射模塊TX6722，TX6722是工作在2414-2468MHz ISM頻段內(nèi)的FM音視頻接收解調(diào)模塊。模塊采用單芯片設(shè)計，該芯片集成了VCO、PLL、寬帶FM視頻解調(diào)、FM伴音解調(diào)，模塊體積小功耗低靈敏度高等特點。具體電路原理圖如圖5.1所示。 圖5.1 無線視頻發(fā)送 5.3 視頻接收模塊 采用2.4G遠距離無線監(jiān)控接收模塊RX6788， RX6788是工作在2414-2468MHz ISM頻段內(nèi)的FM音視頻接收解調(diào)模塊。模塊采用單芯片設(shè)計，該芯片集成了VCO、PLL、寬帶FM視頻解調(diào)、FM伴音解調(diào)，模塊體積小功耗低靈敏度高等特點；具體電路原理圖如圖5.2所示。 圖5.2 無線視頻接收 5.4 液晶顯示?? 采用7寸液晶顯示屏，加驅(qū)動板，連接視頻接收模塊信號線，實現(xiàn)視頻實時顯示；具體參數(shù)為： 產(chǎn)品名稱：7寸高清液晶屏 產(chǎn)品型號：AT070TN92 解析度：800*RGB*480 背光方式：LED 電源輸入：DC 9V-12V 額定功率：2.6W 輸入信號：AV 系統(tǒng)制式：PAL/NTSC 驅(qū)動板結(jié)構(gòu)尺寸(mm)：73(W)*60(H)*9.2(D) 液晶屏外觀尺寸(mm)：164.9（W）*100.0（H）*5.7（D） 工作環(huán)境溫度：Low(-10℃)-High(60℃) 1、一路AV輸入,有PAL制和NTSC兩種制式，可實現(xiàn)自動轉(zhuǎn)換； 2、電位器調(diào)節(jié)亮度及色彩； 3、電源9V--12V范圍； 適用范圍：顯示設(shè)備、可視樓宇對講、可視門鈴、樓宇對講、汽車倒車系統(tǒng)、安防監(jiān)控系統(tǒng)、廣告顯示、醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)控制等領(lǐng)域。實物圖如圖5.3所示。 圖5.3 液晶顯示模塊 6 程序設(shè)計 6.1 編寫程序軟件 采用Keil uVision4進行單片機C語言程序編寫，編譯與調(diào)試。 6.2 遙控小車程序 采用按鍵，數(shù)碼管，增強型單片機STC12C5A60S2，NRF24L01無線芯片,根據(jù)自己所學(xué)的單片機知識，電路硬件知識， C語言程序全原創(chuàng)，只要操作人員按相應(yīng)按鍵，實現(xiàn)小車響應(yīng)相應(yīng)指令如：前進，后退，左轉(zhuǎn)，右轉(zhuǎn)，加檔，減檔，攝像頭切換，車燈開關(guān)等。部分相關(guān)程序見附錄一：1遙控小車程序。 6.3 模擬機械臂程序 采用旋鈕電位器，模擬機械臂支架，增強型單片機STC12C5A60S2，NRF24L01無線芯片,轉(zhuǎn)動模擬機械臂，五個自由度關(guān)節(jié)的電位器得到相應(yīng)的模擬電壓值，進入STC12C5A60S2處理，進行AD轉(zhuǎn)換，此程序部分參考了STC單片機手冊程序，自己優(yōu)化，加入自己原創(chuàng)算法，處理相關(guān)AD值，實現(xiàn)實際機械臂與模擬機械臂同步運動。部分相關(guān)程序見附錄一：2模擬機械臂程序。 6.4 小車接收端程序 采用STC89C52RC單片機，NRF24L01無線芯片，L298N電機驅(qū)動芯片，HY-SRF05超聲波模塊，繼電器等組成接收電路；程序響應(yīng)遙控端小車指令，小車作出相關(guān)動作；接收到攝像頭切換指令，視頻信號在機械手攝像頭和小車兩自由度云臺攝像頭之間切換；接收到開啟LED夜燈命令，小車端開啟夜燈，程序全原創(chuàng)。部分相關(guān)程序見附錄一：3小車接收端程序。 6.5 五自由度機械臂程序 采用STC12C5A60S2C單片機，NRF24L01無線芯片，組成相關(guān)電路，自己編寫程序，原創(chuàng)算法，控制舵機，帶動機械臂，實現(xiàn)五自由度機械臂聯(lián)動，而且響應(yīng)快速。 舵機控制中最基本的概念是 PWM 脈沖寬度調(diào)制。脈沖寬度調(diào)制是一種模擬控制方式，其根據(jù)相應(yīng)載荷的變化來調(diào)制晶體管柵極或基極的偏置，來實現(xiàn)開關(guān)穩(wěn)壓電源輸出晶體管或晶體管導(dǎo)通時間的改變，這種方式能使電源的輸出電壓在工作條件變化時保持恒定，是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術(shù)。它是把每一脈沖寬度均相等的脈沖列作為PWM波形，通過改變脈沖列的周期可以調(diào)頻，改變脈沖的寬度或占空比可以調(diào)壓，采用適當控制方法即可使電壓與頻率協(xié)調(diào)變化?？梢酝ㄟ^調(diào)整 PWM 的周期、PWM 的占空比而達到控制充電電流的目的。 緊接著，舵機的控制一般需要一個 20ms 左右的時基脈沖，該脈沖的高電平部分般為 0.5ms~2.5ms 范圍內(nèi)的角度控制脈沖部分。以 180 度角度伺服為例，那么對應(yīng)的控制關(guān)系是這樣的： ·0.5ms——0度 ·1.0ms——45度 ·1.5ms——90度 ·2.0ms——135度 ·2.5ms——180度 部分相關(guān)程序見附錄一：4五自由度機械臂程序。 7 結(jié)論與展望 7.1結(jié)論 經(jīng)過三個半月的的思考、分析、設(shè)計、選器件、制作、編程、調(diào)試。最終完成了基于五自由度機械手的遙控智能車各個部分設(shè)計；整個過程下來后，對于如何設(shè)計一個五自由度機械手和制作一個遙控智能車有了一定的認識，同時也鞏固加深了課本上學(xué)到的機械和電子設(shè)計相關(guān)的知識。不僅如此，將模型制作出來，還鍛煉了自己的動手能力。整個設(shè)計包含了最基本的機械設(shè)計，電路設(shè)計，單片機編程，完成的主要工作如下： 1）進行了五自由度機械手機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計，小車底盤選用和相關(guān)零件的選用和分析。運用機械原理，機械設(shè)計，機器人技術(shù)基礎(chǔ)等課程中所學(xué)的知識，對機械臂的結(jié)構(gòu)尺寸進行了設(shè)計。 2）對機械臂的關(guān)節(jié)驅(qū)動進行設(shè)計。對關(guān)節(jié)驅(qū)動的多種方式，進行了比較選擇， 在步進電機，伺服電機，舵機中進行比較，羅列出各驅(qū)動方式的優(yōu)劣，最終選擇性價 比較高的舵機來驅(qū)動。同時對于多路舵機的驅(qū)動方式進行了設(shè)計，即多路 PWM 脈沖的 發(fā)生方式的設(shè)計。 3）對于控制電路和程序進行設(shè)計，包括遙控端小車控制和模擬機械臂控制系統(tǒng)，以及車載端小車運動，超聲波和車載機械臂控制系統(tǒng)。 4）制作出了實物，將各部分的設(shè)計運用其中，并且在一定精度許可內(nèi)滿足要求。 操作人員控制模擬機械臂即可控制車載五自由度機械臂，簡單實用；小車運動通過遙控端無線靈活控制；雙攝像頭，保證工作視區(qū)廣闊；超聲波避障，在一定環(huán)境下實現(xiàn)自主行駛。 7.2展望 目前對于基于五自由度機械手的遙控車有了一定的設(shè)計，但是還是有幾個方面有待完善，需要在以后的工作研究中深入： 1）五自由度模擬機械臂的剛度和自鎖性能需要改善。模擬機械臂采用1mm的鋁合金直角支架和一字支架構(gòu)成，操作人員操控模擬機械臂的時候有少量抖動，從而使采集的AD值不太穩(wěn)定，使車載端五自由度度機械手有時抖動；另外模擬機械臂關(guān)節(jié)處采用了摩擦片自鎖，長期使用后自鎖性能下降。 2）視頻實時傳輸信號有時和小車遙控有沖突。因為采用的都是2.4GHz信號無線傳輸，視頻信號采用的是1W的大功率傳輸，有時會干擾小車信號，后期視頻傳輸模塊可以改成1.2GHz或5.8Hz無線傳輸。 28 參考文獻 [1]林志煒. 履帶式移動機器人運動控制系統(tǒng)設(shè)計[D].南京理工大學(xué),2008. 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Transactions of Nonferrous Metals Society of China . 1997. 附錄一 1 部分遙控小車程序： void main() { init_NRF24L01(); P1M1=0x00; P1M0=0xFF; P1=Number[speed]; while(1) { Getdata(); NRF24L01_Txpacket(TXBuf); SPI_RW_Reg(WRITE_REG+STATUS,0xFF); SPI_RW_Reg(FLUSH_TX,0xFF) } } 2 部分模擬機械臂程序： void main() { uchar i; InitTimer0(); init_NRF24L01(); InitADC(); while(1) { for(i=0;i<8;i++) { TXBuf[i]=GetADCResult(i)/1.5; } } } 3 部分小車接收端程序： void init_NRF24L01(void) { delayus(10); CE=0; CSN=1; SCK=0; IRQ=1; SPI_Write_Buf(WRITE_REG+TX_ADDR,TX_ADDRESS,TX_ADR_WIDTH); SPI_Write_Buf(WRITE_REG+RX_ADDR_P0,RX_ADDRESS,RX_ADR_WIDTH); SPI_RW_Reg(WRITE_REG+EN_AA,0x00); SPI_RW_Reg(WRITE_REG+EN_RXADDR,0x01); SPI_RW_Reg(WRITE_REG+RF_CH,0x4D); SPI_RW_Reg(WRITE_REG+RX_PW_P0,RX_PLOAD_WIDTH); SPI_RW_Reg(WRITE_REG+RF_SETUP,0x07); } 4 部分五自由度機械臂程序： void main() { init_NRF24L01(); InitTimer0(); while(1) { SetRX_Mode(); if(IRQ==0) { nRF24L01_RxPacket(RXBuf); LED=~LED; } 致謝 本設(shè)計是在指導(dǎo)老師周華茂、康麗春老師的大力支持和悉心指導(dǎo)下完成的。在設(shè)計過程中我遇到了不少機械和電子的問題，老師都不知疲倦、不厭其煩的給我分析和講解，而且也給我灌輸了一些先進的設(shè)計方法和設(shè)計理念，使我大受裨益。他們嚴肅的科學(xué)態(tài)度，嚴謹?shù)闹螌W(xué)精神，深深地感染和激勵著我。從課題的選擇到項目的最終完成，周老師和康老師始終給予我細心的指導(dǎo)和不懈的支持。在此我謹向周老師和康老師兩位老師致以誠摯的謝意和崇高的敬意。 同時在設(shè)計過程中，有機制1003班王俊斌，電子信息工程1102王新海同學(xué)以及班上同學(xué)的幫助一起探討設(shè)計課題、步驟、方法等；但是由于該設(shè)計許多方面的細節(jié)問題涉及面太廣，而本人知識面和能力都極其有限，也因為時間倉促，因而不能科學(xué)詳盡地做出正確的判斷和選擇。所以設(shè)計中難免出現(xiàn)很多錯誤。雖然有這些不足和遺憾，但是總的來說，此次設(shè)計學(xué)到了很多東西的。并且最終獨立的完成總體機械設(shè)計，電路設(shè)計和程序編寫調(diào)試，成功的完成了老師布置的任務(wù)。如果有不夠完善的地方還請各位老師批評指正。 本文同時參考了大量的文獻資料，在此，我要感謝機械和電子行業(yè)的前輩們，是你們不斷的摸索和高超的智慧總結(jié)出來的經(jīng)驗給我夯實了學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)，在此表示衷心的感謝。