机器人技术之机械臂的制作

燕山大学
课程设计说明书
题目：智能车及采摘机器人系统的设计与制作
姓名：从轶陈丰张笑天王晓芸
分工：丛轶：机械手三维图形的制作及动画仿真
陈丰：资料收集，机械手臂编程及调试
张笑天：机械手臂的尺寸设计，轨迹规划
王晓芸：机械手臂方案论证，项目报告，PPT 课程名称：机器人技术基础
指导教师：赵永生、王洪波、赵铁石、李艳文、姚建涛、张庆玲、唐艳华、王志军、史小华、冯泽民
2011年10月
目录
1.摘要 (1)
2.前言 (1)
3.方案论证 (1)
4.硬件设计 (4)
5.软件设计 (5)
6.修改建议 (11)
7.项目心得 (12)
8.参考文献 (12)
智能车及采摘机器人系统的设计与制作说明书
1摘要
机器人技术是一个集环境感知、轨迹规划、机械手应用等功能于一体的机电一体化系统。

它是集中了计算机、机构学、传感技术、电子技术、人工智能及自动控制等多科而形成的高新技术。

本次课程设计的采摘机器人智能小车就是这种高新技术综合体的一种尝试。

采摘机器人智能小车主要由机械系统，环境识别系统，运动控制系统及机械臂控制系统组成。

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故障和循迹，并用软件控制小车及机械臂的运动，从而实现小车的自动行驶、转弯、寻迹检测、避障、停止及采摘等功能的智能控制系统。

2前言
果实采摘是农业生产的重要环节，其季节性强、劳动量大且费用高。

因而许多国家开始研发智能控制的果实采摘机器人。

果实采摘机器人作为农业机器人的一种类型，目前在日本、美国与荷兰等国家已有研制和初步使用，主要用于采摘番茄、黄瓜、草莓、葡萄、西瓜、甜瓜、苹果、柑桔与甘蓝等蔬菜和水果，具有很大的发展潜力。

各类果实采摘机器形式多样，但主要由机械手、末端执行器、视觉系统、控制系统与行走系统等部分组成。

本文介绍了智能车及采摘机器人系统。

它是在智能循迹小车的基础上，自主设计一个球形果采摘的机械手并装配到原有的智能小车上，完成采摘机电一体化系统的设计、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动作，如手抓张合、车体回转，智能循迹避障、协同作业等任务。

3机械手方案论证
3.1机械手臂方案设计
设计方案有如下三种:
A方案如图3-1（a）所示。

由于手臂要执行采摘作业，于是我们首先想到了平行四边行的稳定性，便设计了如下方案。

该方案稳定性较好，使用电机数量也少，节约了成本，但它同时也限制了机械手的灵活性，且机械手不能抓取地面上的物体，缩小了机械手的操作空间。

舵机一
舵
机
二
图3-1（a）
B方案如图3-1（b）所示。

该方案改进了方案A的机械手不能抓取到地面的缺点，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带来不便。

图3-1（b ）
C 方案如图3-1（c ）所示。

该方案在基座处又加了一个电机，改进了方案B 的缺点，在球形果偏离预定位置时仍能通过腰关机的转动来实现作业，增强了机械手的灵活性,并能实现预定工作空间。

图3-1（c ）
经过分析比较我们最终选定方案C 。

3.2机械手爪方案设计
方案一如图3-2（a ）所示。

该方案手爪张合灵活且结构简单，易于实现，但由于其为悬臂结构且铝合金材料强度有限，不能抓取强度很大的物体。

图3-2（a ）
舵机一
舵机二
舵机三
舵机一
舵机二
舵机四
舵机三
方案二如图3-2（b ）所示。

该方案了在支撑手爪处增加一个平行四边行机构，增加了手爪的强度和稳定性，且抓取自如，方便灵活。

图3-2（b ）
4硬件设计
4.1机械手臂的设计
4.1.1机械一尺寸的确定
设计用的尺寸包括：小车的高度75mm ，机械手所能达到的总高度为200-400mm ，小车在采摘时机械手机座距球形果175mm ，球形果直径38-40mm ，重量小于0.5kg 。

动作时小车到球的水平位置分别为350mm 。

根据实际的要求尺寸进行设计，首先我们需要确定手臂一的高度，手臂一的高度将会很大程度上影响手臂的长度，根据计算，手臂末端要达到的竖直高度为200mm ，如果机座太高则整个机械手稳定性将降低，而机座太低则手臂长度便会相应增长，影响其强度，因此选机座高度为40mm ；样基座将不会非常的稳定，为此，我们采用在三角铝合金的下面加木质垫片来稳定其位置，并用木质的支撑来支持基座，这样也可以很好的吸收舵机工作时产生的震动。

图4-1机械手抓球时的位姿
平行四边形机构
关节二
关节一
手臂二
手臂一
4.1.2机械臂二、三尺寸的确定
根据要求，基座到球形果的距离即机械手最大高度为400mm，而小车在采摘是的停车位置距球形果175mm。

为保证机械手能采摘到球形果，我们选定与末端执行器相连的手臂长为175mm；而为保证机械手能达到最大高度，我们选定与机座相连的手臂长为200mm。

横向距离：175+200=375>350mm；垂直距离：200+175+40=410>400mm，即所设计的尺寸符合任务要求。

4.2 机械手爪设计
手爪的外形如图所示，球形果的直径为30mm-80mm。

为保证在采摘过程中不致损伤球形果表面，在手爪上需要加装海绵，让手爪能够有效的抓紧球形果。

海绵的长度设计为80mm，同时设定手爪内部的海绵厚度为5mm，这样两边的厚度加和为10m。

并且保证小球在被夹紧时手爪是平行的（这样可以更有效的夹紧）
5软件设计
5.1位移分析
分析确定连杆参数
图5-1 机械手初始位姿
5.1.1运动学正解
说明：由几何关系算得连杆转角，带入验证x y z 的坐标关系。

a1 a2 a3 表示连杆1、2、T，矩阵最后一列表示小球在原点坐标系中的位置。

3的转角。

最后解得0
4
a1=0*pi/180;
a2=150*pi/180;
a3=-60*pi/180;
a4=0*pi/180;
d1=40;
d2=0;
d3=0;
d4=176;
%连杆间齐次变换矩阵
t10=[cos(a1) -sin(a1) 0 0;sin(a1)*cos(0) cos(a1)*cos(0) -sin(0) -d1*sin(0);
sin(a1)*sin(0) cos(a1)*sin(0) cos(0) d1*cos(0);0 0 0 1];
t21=[cos(a2) -sin(a2) 0 0;sin(a2)*cos(pi/2) cos(a2)*cos(pi/2) -sin(pi/2) -d2*sin(pi/2);
sin(a2)*sin(pi/2) cos(a2)*sin(pi/2) cos(pi/2) d2*cos(pi/2);0 0 0 1];
t32=[cos(a3) -sin(a3) 0 201;sin(a3)*cos(0) cos(a3)*cos(0) -sin(0) -d3*sin(0);
sin(a3)*sin(0) cos(a3)*sin(0) cos(0) d3*cos(0);0 0 0 1];
t43=[cos(a4) -sin(a4) 0 0;sin(a4)*cos(-pi/2) cos(a4)*cos(-pi/2) -sin(-pi/2) -d4*sin(-pi/2);
sin(a4)*sin(-pi/2) cos(a4)*sin(-pi/2) cos(-pi/2) d4*cos(-pi/2);0 0 0 1];
t=t10*t21*t32*t43
t =
-0.0000 -0.0000 -1.0000 -350.0711
0.0000 1.0000 -0.0000 -0.0000
1.0000 -0.0000 -0.0000 140.5000
0 0 0 1.0000
5.1.1运动学反解
说明：代入坐标x=-350，y=0，z=140。

根据等式左右两端对应相等。

解出关节旋转角度。

选择最优解。

syms a1 a2 a3
a4=0*pi/180;
d1=40;
d2=0;
d3=0;
d4=176;
x=-350;
y=0;
z=140;
t10=[cos(a1) -sin(a1) 0 0;sin(a1)*cos(0) cos(a1)*cos(0) -sin(0) -d1*sin(0);
sin(a1)*sin(0) cos(a1)*sin(0) cos(0) d1*cos(0);0 0 0 1];
t21=[cos(a2) -sin(a2) 0 0;sin(a2)*cos(pi/2) cos(a2)*cos(pi/2) -sin(pi/2) -d2*sin(pi/2);
sin(a2)*sin(pi/2) cos(a2)*sin(pi/2) cos(pi/2) d2*cos(pi/2);0 0 0 1];
t32=[cos(a3) -sin(a3) 0 201;sin(a3)*cos(0) cos(a3)*cos(0) -sin(0) -d3*sin(0);
sin(a3)*sin(0) cos(a3)*sin(0) cos(0) d3*cos(0);0 0 0 1];
t43=[cos(a4) -sin(a4) 0 0;sin(a4)*cos(-pi/2) cos(a4)*cos(-pi/2) -sin(-pi/2) -d4*sin(-pi/2);
sin(a4)*sin(-pi/2) cos(a4)*sin(-pi/2) cos(-pi/2) d4*cos(-pi/2);0 0 0 1];
t=t10*t21*t32*t43;
f1=x-t(1,4);
f2=y-t(2,4);
f3=z-t(3,4);
[a1,a2,a3]=solve(f1,f2,f3,a1,a2,a3);
%转化为角度值
a11=vpa(a1*180/pi,6)
a22=vpa(a2*180/pi,6)
a33=vpa(a3*180/pi,6)
a11 =
-.761823e-15
-180.000
-180.000
-.761818e-15
a22 =
149.960
30.0398
1.85098
178.149
a33 =
-59.7578
-120.242
-59.7578
-120.242
5.2速度分析
说明：先求出雅克比矩阵，我们可以得到末端执行器速度与各关节的速度关系。

在末端执行器速度已知的情况下求的各关节的速度。

a1=0*pi/180;
a2=150*pi/180;
a3=-60*pi/180;
a4=0*pi/180;
d1=40;
d2=0;
d3=0;
d4=176;
t10=[cos(a1) -sin(a1) 0 0;sin(a1)*cos(0) cos(a1)*cos(0) -sin(0) -d1*sin(0);
sin(a1)*sin(0) cos(a1)*sin(0) cos(0) d1*cos(0);0 0 0 1];
t21=[cos(a2) -sin(a2) 0 0;sin(a2)*cos(pi/2) cos(a2)*cos(pi/2) -sin(pi/2) -d2*sin(pi/2);
sin(a2)*sin(pi/2) cos(a2)*sin(pi/2) cos(pi/2) d2*cos(pi/2);0 0 0 1];
t32=[cos(a3) -sin(a3) 0 201;sin(a3)*cos(0) cos(a3)*cos(0) -sin(0) -d3*sin(0);
sin(a3)*sin(0) cos(a3)*sin(0) cos(0) d3*cos(0);0 0 0 1];
t43=[cos(a4) -sin(a4) 0 0;sin(a4)*cos(-pi/2) cos(a4)*cos(-pi/2) -sin(-pi/2) -d4*sin(-pi/2);
sin(a4)*sin(-pi/2) cos(a4)*sin(-pi/2) cos(-pi/2) d4*cos(-pi/2);0 0 0 1];
t40=t10*t21*t32*t43;
t20=t10*t21;
t30=t20*t32;
t41=t21*t32*t43;
t42=t32*t43;
z1=[t10(1,3);t10(2,3);t10(3,3)];
z2=[t20(1,3);t20(2,3);t20(3,3)];
z3=[t30(1,3);t30(2,3);t30(3,3)];
z4=[t40(1,3);t40(2,3);t40(3,3)];
p1=[t41(1,4);t41(2,4);t41(3,4)];
p2=[t42(1,4);t42(2,4);t42(3,4)];
p3=[t43(1,4);t43(2,4);t43(3,4)];
r1=[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)];
r2=[t20(1,1) t20(1,2) t20(1,3);
t20(2,1) t20(2,2) t20(2,3);
t20(3,1) t20(3,2) t20(3,3)];
r3=[t30(1,1) t30(1,2) t30(1,3);
t30(2,1) t30(2,2) t30(2,3);
t30(3,1) t30(3,2) t30(3,3)];
p11=cross(z1,r1*p1);
p22=cross(z2,r2*p2);
p33=cross(z3,r3*p3);
j=[p11(1,1) p22(1,1) p33(1,1);
p11(2,1) p22(2,1) p33(2,1);
p11(3,1) p22(3,1) p33(3,1);
z1(1,1) z2(1,1) z3(1,1);
z1(2,1) z2(2,1) z3(2,1);
z1(3,1) z2(3,1) z3(3,1);]
syms q1 q2 q3 q4 q5 q6 v1 v2 v3 w1 w2 w3
v=[v1;v2;v3;w1;w2;w3]
q=[q1;q2;q3]
ji=j*q
%等式左右两端矩阵中元素对应相等，列出三个方程
f1=v(1,1)-ji(1,1)
f2=v(2,1)-ji(2,1)
f3=v(3,1)-ji(3,1)
[q1,q2,q3]=solve(f1,f2,f3,q1,q2,q3)
q1=vpa(q1,6)
q2=vpa(q2,6)
q3=vpa(q3,6)
j =
0.0000 -100.5000 0.0000 -350.0711 -0.0000 -0.0000 0 -350.0711 -176.0000 0 0 0 0 -1.0000 -1.0000 1.0000 0.0000 0.0000 q1 =
-.345199e-34*v1-.285656e-2*v2+.174914e-18*v3 q2 =
-.131403e-18*v2-.198743e-17*v3-.995025e-2*v1 q3 =
-.568182e-2*v3+.261366e-18*v2+.197914e-1*v1
5.3轨迹规划
说明：程序中速度，加速度函数先通过diff 函数求得，再代入得到各曲线。

关节1 （假设旋转角度30度）
t/s
θ
位移时间曲
线
t/s
v
速度时间曲线
t/s
a
加速度时间曲线
关节2
t/s
θ
位移时间曲
线
t/s
v
速度时间曲线
t/s
a
加速度时间曲线
关节三
t/s
θ
位移时间曲
线
t/s
v
速度时间曲线
t/s
a
加速度时间曲线
5.4 详细程序
每个关节分别求出，改变a0,af值即可，其余部分不变。

syms a2 a3 tf t;
tf=5
af=-60*pi/180;
a0=84.3*pi/180;
a1=0;
f(tf)=a0+a1*tf+a2*tf^2+a3*tf^3-af ;
v(tf)=a1+2*a2*tf+3*a3*tf^2 ;
[a2,a3]=solve(f(tf),v(tf),a2,a3)
t=0:0.01:tf;
f3=a0+a1*t+a2*t.^2+a3*t.^3
subplot(2,2,1)
plot(t,f3)
grid
xlabel('t/s');
ylabel('θ');
title('位移时间曲线')
v =(481*pi*t.^2)/12500 - (481*pi*t)/2500
subplot(2,2,2);
plot(t,v);
grid;
xlabel('t/s')
ylabel('v')
title('速度时间曲线')
a =(481*pi*t)/6250 - (481*pi)/2500
subplot(2,2,3);
plot(t,a);
grid;
xlabel('t/s')
ylabel('a')
title('加速度时间曲线')
6项目改进意见
6.1智能小车车速调节
在小车调试过程中我们发现，如果把速度调的稍高时在拐弯时小车会冲出黑线，而速度太低时小车会出现震颤，因而只靠软件调速，不能完全实现预期目标，可在小车上安装一个调速器从而使调速过程更平稳。

6.2信号检测与响应
我们通过软件检测与其相连的芯片引脚的电平高低来判断其是否检测到信号，但由于在程序顺序执行且有延时，因此可能会造成小车来不及反应就撞上障碍物。

因此最好的方法就是使用中断，等芯片一检测到信号就优先处理中断程序，从而使小车反应更灵敏。

6.3小车车体
由于小车车体是由铝合金制成，重量较轻，而后仍需在车体上安装用来执行作业的机械臂，使小车受力不平衡，因而小车在行进过程中遇到上坡或障碍物时易震颤或翻车。

因而可在小车车体上安装木块等来平衡小车受力，增强小车的稳定性。

7心得体会
我们的智能车及采摘机器人系统设计主要有机械系统，环境识别系统，运动控制系统及机械手控制系统三大部分组成。

智能小车以单片机为核心，附以外围电路，采用红外线检测仪进行检测故障采用黑白线法进行循迹，并用软件控制小车及机械臂的运动，从而实现小车的自动行驶、转弯、寻迹检测、避障、停止及手臂弯曲，手爪张合，采摘等功能的智能控制系统。

刚拿到项目的时候，虽然对机器人很感兴趣，但是由于缺乏系统的理论知识而毫无头绪，在我们后来的边查资料，边焊电路板的过程中，才慢慢进入状态。

到后来的编写程序及调试，我们采取了“简单入手，循序渐进，模块化，分工合作”的方法。

即任务要求模块化，并根据我们组成员的相对优势进行任务分配；在调试程序时，先编写各段简单程序，等调试成功，再进行综合，调试；最后我们整合各成员的成果，并作进一步整理，分析，完善，最终调试成功。

在项目中我们也遇到了各种问题。

例如在完成电路板焊接进行初步测试时，我们发现驱动小车的一个电机不转，而另一个正常运转。

我们便开始排障，一根一根的检查线路的链接。

经过一下午的检查，最终才发现是光电耦合芯片的一个引脚有问题，这才进行了修正，而这显然对我们的项目进度造成影响，我们不得不在课后找时间赶上进度。

因此我们在做项目的过程中深刻的学习到了细心和耐心的重要性。

细节决定成败，真是至理名言。

在本次项目设计中，我们对机电一体化系统设计、单片机原理、机器人技术的基本理论又有了更深层次的认识同时还复习了Solidworks三维制图及模拟仿真；机械臂轨迹规划及速度、位移分析；单片机C51的原理及编程的内容。

我们对CDIO的设计理念——构思、设计、实现、运作，也有了进一步的认识，也体会到了在项目实施过程中一个团队合作的重要性。

此外它还训练了我们如何查资料及图、数据处理。

自动控制以及创新能力，培养了我们独立设计机电一体化产品的能了，提高我们综合应用已有知识解决问题的能和综合素质。

最后它还使我们“做中学”，以熟练运用系统的有机集成技术进行设计，同时加强团队协作能力，促进交流与合作，拓展视野，勇于创新，提高思考与决策水平，形成解决实际问题的能力和终身学习的能力。

感谢学院给了我们这次的锻炼机会，更感谢任课老师和实验室老师的理解、支持和不辞辛苦的悉心指导，这为我们项目的完成提供了莫大的帮助！最后，再一次衷心的感谢各位老师！
8参考文献
1. 刘杰机电一体化技术基础与产品设计冶金工业出版社,2003
2. W.BOLTON MECHATRONICS ELECTRONIC CONTROL SYSTEMSI IN MECHANICAL ENGINEERING Longman Scientific&technical
3. 李广弟朱月秀冷祖祁单片机基础北京航空航天大学出版社，2007
4. 熊有伦机器人技术基础华中科技大学出版社。