自动堆垛式载运机器人设计含SW三维及10张CAD图

自动堆垛式载运机器人设计含SW三维及10张CAD图,自动,堆垛,载运,机器人,设计,SW,三维,10,CAD 2012 年全国职业院校技能大年全国职业院校技能大赛中职组机器人赛项赛中职组机器人赛项 ZKRT300 自动堆垛式载运机器人说明手册自动堆垛式载运机器人说明手册 北京中科远洋科技有限公司北京中科远洋科技有限公司 2 目目 录录 一.主要功能 3 二.性能参数4 三.操作说明5 四.使用维护6 五.装配调试说明6 3 一、主要功能：ZKRT-300型自动堆垛式载运机器人是面向职业教育类、工程教育类学生教学与实训而开发的教学机器人。它体现了基于工程设计的机械机构、机械传动技术和控制技术的完美结合，基于工程设计理念而开发，结构精巧，符合工程化设计标准，典型机构运用别具匠心，采用工业传感器，工程化布线、接线，融合多项核心专利技术开发而成。本产品非常适合于中等职业教育和高等职业教育类学生机器人课程的教学以及机器人竞赛使用。ZKRT-300型自动堆垛式载运机器人由机器人行走底盘、回转机构、升降机构、平移机构、手爪机构以及单片机控制系统组成。主要可实现如下功能：1、循线计数行走、路径规划；2、自动取物、自动堆垛；3、多种货物取放任务方案可自由设计；4、可自行更换手爪结构以满足不同尺寸、形状货物的抓取任务。结构说明见图1-1：图1-1 ZKRT-300型自动堆垛式载运机器人结构 4 二性能参数说明二性能参数说明 1、设备组成设备组成 ZKRT-300 型自动堆垛式载运机器人由机械本体、微电脑控制系统、传感器系统组成。2、设备主要参数及规格设备主要参数及规格 最大外形尺寸：（长 X 宽 X 高）650mmX360mmX650mm 底盘尺寸：（长 X 宽 X 高）365mmX280mmX140mm 手爪行程：30mm 升降行程：230mm 平移行程：430mm 回转角度：90 度/次 回转精度：3 手爪抓取方式：上下移动、平行夹紧 最大抓取物尺寸：80mm 额定抓取重量：0.5Kg 最大载重：6Kg 直线运行速度：Max 0.5 m/S 纵向白条定位精度：3mm 自动导引传感器：专用 8 路光学循迹传感器 电池组工作电压：U=24VDC 电池续航时间：1 小时 充电方式：外置充电器 最大噪音：65db 5 三操作说明三操作说明 1、操作面板、操作面板 图图 3-1 操作面板操作面板 2、操作说明、操作说明（1）开电源时先打开 12V 电源开关，再打开 24V 电源开关；关电源时按以上顺序反向操作。（2）当电源/低电指示灯由绿色转为红色时为低电报警，此时需连接外置充电器充电或更换电池组。（3）控制系统支持在线下载程序，将连接电脑的串口线连接至面板上的下载口按下载软件操作指示下载程序。6 四、使用维护说明：四、使用维护说明：1、人推动小车时必须关闭所有电源开关，推动速度不宜过快，以免电机反电势过大损坏驱动器。2.光学循迹传感器在机器人前部下方，搬运过程中注意不得重压循迹传感器。3.机器人长期不用时，请务必将电池组充满电，并关闭所有电源开关。五、装配调试说明五、装配调试说明（一）、机械结构装配（一）、机械结构装配 1、主要装配任务、主要装配任务 A、行走轮组件装配 B、槽轮回转机构装配 C、丝杠升降机构装配 D、同步带平移机构装配 E、双曲线槽轮手爪机构装配 F、总装 2、使用工具、使用工具 A、内六角扳手 1 套 B、孔用卡簧钳 1 把、轴用卡簧钳 1 把 C、6活络扳手 1 把 D、尖嘴钳 2 把 E、十字螺丝刀 2 把 F、一字螺丝刀 1 把 G、小锤子 1 把 H、平口钳（80mm）1 台 I、25、34 铜棒各一根 J、润滑油枪 1 把 7 3、装配示意图、装配示意图（1）车轮部件装配示意图 图 5-1 车轮部件装配示意图（2）底盘部件装配示意图 8 图 5-2 底盘部件装配示意图 9（3）回转部件装配示意图 图 5-3 回转部件装配示意图 10（4）升降部件装配示意图 图 5-4 升降部件装配示意图 11（5）平移部件装配示意图 图 5-5 平移部件装配示意图 12（6）手爪部件装配示意图 图 5-6 手爪部件装配示意图 13（7）整机装配完成示意图 图 5-7 整机装配完成示意图 14（二）、电气接线（二）、电气接线 1、主要接线任务、主要接线任务 A、电机线走线 B、传感器安装、走线 C、电路板走线 D、压线端子、穿线号 E、接线 F、电缆拖链安装 2、使用工具、使用工具 A、内六角扳手 1 套 B、十字螺丝刀 2 把 C、一字螺丝刀 1 把 D、尖嘴钳 1 把 E、剥线钳 1 把 F、压线钳 1 把 G、万用表 1 只 H、电铬铁 1 把 I、斜口钳 1 把 3、电路板的安装、电路板的安装 1 将传感器信号处理板、电机驱动板、主控制板固定在机器人底盘上。2 连接信号线：按照图 5-8 所示，先连接三块电路板之间的接线，具体为：用 10 芯排线连接 8 路巡线传感器的输出和传感器信号处理板的传感器输入接口；用 10 芯排线连接传感器信号处理板的信号输出接口与主控制板的 8 路传感器输入接口；面板上的启动按钮连接主控制板的启动按钮插座；用 10 芯排线连接主控制板的行走电机接口与电机驱动板的行走电机接口；用 10 芯排线连接主控制板的电机 12 接口与电机驱动板的电机 12 接口；用 10 芯排线连接主控制板的电机 34接口与电机驱动板的电机 34 接口。3 连接电源线：面板上的 12V 开关电源线连接电机驱动板的 12V 电源输 15 入插座；驱动板的 12V 电源输出插座连接传感器信号处理板的 12V 电源输入插座；驱动板的 12V 电源输出插座连接主控制板的 12V 电源输入插座；面板上的 24V 电源连接电机驱动板的 24V 电源插座。连接电源时，务必确认主板上电源插座的正负极，切勿插反确认主板上电源插座的正负极，切勿插反。4 接线排连线：如图 5-9 所示，机器人上部安装了 2 个接线排，机器人上部 10 个接近传感器和 4 个电机的连线全部通过接线排实施连接，在连线时需要注意每根线上面的线号，接在接线排相同标号处。+12VGNDTO：主板FROM：驱动板FROM：传感器传感器板接线图 16 图 5-8 线路板之间连接示意图 图5-9 接线排的接线 接线排1接线图 17（三）、机器人控制系统说明（三）、机器人控制系统说明 1、概述、概述 机器人控制系统包括 8 路巡线传感器、传感器信号处理板、主控制板、电机驱动板组成。组成框图如图 5-10 所示 图 5-10 机器人控制系统组成框图 2、主控制板、主控制板 1概述 主控制板是机器人的大脑，承担着信息接收、处理、外部设备控制的重要任务，主控制板中处理器选用了 STC12C5A60S2 芯片为主控芯片，控制板支持两大类输入，既 8 通道专用巡线传感器输入，和 12 个接近传感器输入（实际使用了 10 个）；输出也是支持 2 大类，即可调速行走电机控制输出和不可调速行走电机控制输出。STC12C5A60S2 单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代 8051 单片机，指令代码完全兼容传统 8051,但速度快 8-12 倍。内部集成 MAX810 专用复位电路,2 路 PWM,8路高速 10 位 A/D 转换(250K/S),抗干扰能力强，适合应用在强干扰场合。具体功能和参数可以参考 STC12C5A60S2 数据手册。18 主控制板使用的是 40 个引脚的单片机，共有 35 个 I/O 接口。主控制板实物如图 5-11 所示。图中，12V 电源输入插座连接 12V 电源，12V 电源输出插座连接传感器信号处理板的 12V 电源插座（注意板子上的电源正极标志，不要插反），巡线传感器输入接口用于连接传感器信号处理板，启动按钮输入插座连接面板上启动按钮，左右车轮电机接口连接驱动板上的电机信号控制插座，程序下载接口用于程序的在线下载，8 通道传感器输入接口可以用于连接 8 个 NPN 型传感器，非调速电机输出接口用于上部机构各种电机的控制。图 5-11 主控制板实物图 主控制板的信号流程图如图 5-12 所示 图 5-12 主控制板信号流程图 10 通道接 近 开关输入 电机 12 输出接口 电机 34 输出接口 12V 电源，上端为正 下载口 行走电机 输出接口 19 2.巡线传感器输入接口 电路板上 JM15 插座即为巡线传感器输入接口，主要是用于接收 8 路巡线传感器信号。312 路接近传感器输入接口 12 路接近传感器输入接口连接了机器人上部机构的 10 个接近开关，用于探测运动机构位置，其中 4 路输入接口电路图如图 5-13 所示。图 5-13 4 通道传感器输入接口 图中，展示了 4路传感器输入接口，输入信号使用了单片机的P3.3-P3.6口，插座 JM11-JM14 分别接 4 个传感器，传感器使用了接近传感器，用于探测一些运动部件是否到位，探测距离一般在 5mm 以下，需要注意的是，装在机器人手爪上的圆柱形接近传感器探测距离在 1mm 左右，安装的时候需要特别注意。传感器上有 3 根引线，分别接 JM11-JM14 的 3 个引脚。图 5-13 所示的的电路均为低电平有效低电平有效，即传感器探测到目标时，反相器输出端即单片机的 P3.3-P3.6 脚为低电平信号，否则为高电平。4PWM 和电机方向控制电路 PWM 和电机方向控制电路如图 5-14 所示，STC12C5A60S2 本身具有 2 路 20 PWM 输出，即 P1.3 和 P1.4 为 PWM 输出端口，分别控制左（P1.4 控制）右（P1.3控制）电机的转速，单片机 PWM 的设置请详见 STC12C5A60S2 数据手册。图 5-14 中，P15 和 P12 分别是左（P1.5 控制）右（P1.2 控制）电机的方向控制信号，需要注意的是，P1.5 和 P1.2 是低电平有效，即 P1.5 和 P1.2是低电平时，行走电机反转。图 5-14 PWM 和电机方向控制电路 5非调速电机输出接口 本电路板上设置了 8 个非调速电机输出接口，可以用来控制机器人上部机构中 4 个正反转直流电机，电路图如图 5-15 所示 图 5-15 非调速电机输出接口 21 图 5-15 中，DJ1Z、DJ1F 为电机 1 控制信号，DJ2Z、DJ2F 为电机 2 控制信号，DJ3Z、DJ3F 为电机 3 控制信号，DJ4Z、DJ4F 为电机 4 控制信号。输出接口与单片机的连接如图 5-16 所示。4 个电机的 8 个控制信号使用了单片机的 P2.0-P2.3 引脚，需要注意，这些信号均是低电平有效。为了节省引脚，在此处利用 74HC373 锁存器实现引脚复用，当 P1.7 为低电平时，P2.0-P2.3 的信号发送给 DJ1Z-DJ2F，当P1.7 为高电平时，P2.0-P2.3 的信号发送给 DJ3Z-DJ4F，而 DJ1Z-DJ2F 的信号保持原来的数值。图 5-16 输出接口与单片机的连接图 6下载接口 本电路板上有一个 DB9 串口接口，可以用来实现程序的在线下载。在线下载的主要步骤为：1）首先关闭本电路板的 12V 电源，取出串口连接线。一头接本电路板的 DB9 下载口，另一头接 PC 机箱后的 9 针串口。如果你的电脑后面没有空余 9 针串口，可以使用 USB 转串口转接头。22 2）打开 STC-ISP 在线下载软件，进行程序的下载，具体操作方法见STC12C5A60S2 数据手册；下载完毕，从电路板上取下串口下载线。3、巡线传感器巡线传感器 机器人底部安装了 8 路巡线传感器，可以可靠地探测到地面白条以及白条的十字交叉点。传感器光源发射部分采用了 8 个高亮 LED 发射管，用 8 个光敏电阻接受地面反射回来的光线，输出插座连接传感器信号处理板的巡线传感器输入接口。4、传感器信号处理板传感器信号处理板 1概述 传感器信号处理板实物如图5-17所示。图中，巡线传感器输入接口连接安装在机器人平台底部的8路巡线传感器；信号输出接口连接单片机控制板，插座JP接12V电源，注意板子上的电源正极标志，不要插反。图 5-17 传感器信号处理板外图 传感器信号处理板电路原理框图如图 5-18 所示，完整的电路原理图和12V 电源插座 下端引脚为正极信号输出接口 信号测试点 巡线传感器输入接口 23 PCB 版图另见附件。8 路巡线传感器将采集到的地面白条信息送入本电路板，对于采集的信息先进行放大处理，放大后的信号跟标准电压比较，保留白条反射的有效信号，过滤掉地面背景反射信号，有效信号再通过稳压、反向、放大处理后送入单片机控制板，同时用发光二极管的亮暗指示当前某路传感器是否在地面白条上。图 5-18 传感器信号处理板原理框图 2信号放大电路 本电路板使用了 8 路信号放大电路，第一路传感器信号放大电路如图5-19 所示。（其余 7 路电路均相同）图 5-19 单路信号放大电路 24 图 5-19 中，Q0为单路传感器输入信号，数值很小，若巡线传感器在地面白条上，大约在 0.9V 左右；若巡线传感器不在地面白条上，数值大约在0.3V 左右，此信号输入到由运放 LM324 组成的同相放大电路，调节电位器RW1 可以改变整个放大电路的放大倍数（实际电路中，RL 使用了阻值 1K的排阻），即调节了放大电路输出的 QQ0。若 Q0为地面白条反射的有效信号，通过调节 RW1，使 QQ0的电压输出为 9.5V-10V 左右，若 Q0为地面背景反射的信号，根据地面背景的颜色以及光滑程度，QQ0大致在 4-6V 左右，越低越好。为了便于测量放大电路的输出 QQ0-QQ7的数值，电路板上专门设置了测试点。3信号比较电路 第一路信号比较电路如图 5-20 所示 图 5-20 单路信号放大电路图 图 5-21 基准电压电路 图中用 LM324 运放连接成一个电压比较器，反相输入端为信号放大电路的输出 QQ0，比较器的同相端接基准电压 QV0，图 5-21 为基准电压电路，12V电源电压通过稳压管 D16 产生大约 8V 左右的基准电压。当传感器检测到地面白条时，QQ0电压大约为 9.5V-10V 左右，比较器输出低电平，接近于 0V，通过反相器使得 QA0输出为 5V；若传感器检测的是地面背景，QQ0电压大约为 4-6V 左右，比较器输出高电平，接近于 12V，通过 4.5V 的稳压管，使得 25 反相器输入端为 4.5V 左右的高电压，反相器输出 QA0为 0V 左右。8 路的输出 QA0 QA7送入主控制板。4传感器信号处理板的调试 本电路板的调试主要是通过调节电位器，从而改变信号放大电路的放大倍数，保证放大电路的输出 QQ0-QQ7在合适的数值。调试步骤如下：（1）将机器人放到调试场地上，机器人底部的 8 路传感器全部对准白条，打开 12V 电源开关，先测量此时 12V 电压数值，确保电源电压在 11.8V以上，否则，应给电池充电。（2）用万用表测量测试点的电压，调节电位器，使得电压保证在9.5V-10V 左右，此时，电路板上 8 个指示发光二极管全亮。（3）移动机器人，使机器人底部的 8 路传感器全部对准地面背景，此时，8 个发光二极管全暗；测量测试点的电压，电压大约为 4-6V 左右。5、电机驱动板电机驱动板 1概述 电机驱动板接受主控制板发来的电机 PWM 脉宽调制信号和方向信号，驱动机器人平台上的 2 个 24V 直流减速电机。利用 PWM 信号占空比的不同，来控制电机的不同转速；利用方向信号，控制直流电机的正反转，从而实现机器人平台的前进、后退和转弯。电路板实物如图 5-22 所示。控制信号插座连接主控制板，24V 电源插座接 24V 电源（注意板子上的电源正极标志，不要插反），左右电机输出插座接左右电机。26 图 5-22 驱动板外形图 图 5-23 电机驱动板原理框图 2LMD18200 电路 本电路板使用了 2 块 LMD18200 直路电机驱动集成电路，分别用来驱动左轮和右轮电机，左轮电机驱动电路如图 5-24 所示。LMD18200 是一种常用的直流电机驱动集成电路，输出电流可以达到 3A 左右，可以实现单台电机的正反转控制，可靠性很高，具体参数可以参考 LMD18200 数据手册。24V 电源开关 12V 电源开关 左行走电机 右行走电机 旋转电机 上下电机 平移电机 手爪电机 电源插座 27 图 5-24 左轮电机 LMD18200 驱动电路 3.L298 输出电路 机器人上部结构所使用的4台直流电机采用了2片L298进行控制，L298也是一种常用的直流电机驱动电路，一片 L298 可以实现 2 台电机的正反转控制，与 LMD18200 相比，输出电流较小。L298 输出电路如图 5-25 所示 图 5-25 L298 输出电路 28（四）、机器人控制程序说明（四）、机器人控制程序说明 1、控制程序流程图、控制程序流程图 机器人的运行程序包括底盘巡线程序和上部机构运行程序，巡线程序的流程图如图 5-26 所示。机器人提供了 8 路巡线传感器信号接受处理，平台左右轮调速电机的控制以及相关程序，平台可以沿白色引导线巡线前进、经过了指定数量的白色引导线交叉点后停止、转弯等。图 5-26 巡线程序流程图 找到指定白条数停止运行否是否是初始化开始巡线运行按下启动按钮 29 图 5-27 机器人程序设计流程图 30 2、软件函数说明、软件函数说明 平台提供了一些常用的函数，用户可以直接使用这些函数，也可以自己定义和扩展函数。S_T()-程序初始化设置【功能】此函数为初始化程序设置。【说明】S_T()函数包括端口设置、PCA 时钟源、控制寄存器、计数初值、启动按键等设置，该函数只需在主程序开始时调用一次即可。delay_ms(T)-延时【功能】此函数为毫秒级延时函数。【说明】参数 T 用于调用时的延时时间设置，T 的取值范围是 160000。如：delay_ms(1000);表示延时时间为 1 秒。SER_SELECT(gd)-接近开关选择【功能】此函数为 PS_5 PS_8/PS_9 PS_12 接近开关选择函数。【说明】参数 gd 用于选择接近开关设置，PS_5 PS_8:PS58 /PS_9 PS_12:PS912。如：SER_SELECT(PS58)：表示选择接近开关 PS_5 PS_8。motor(m,z,n)-电机运行【功能】此函数为电机运行函数。【说明】参数 m：选择电机，l 代表左电机，r 代表右电机，DJ1 代表手抓电机，DJ2 代表平移电机，DJ3 代表上下电机，DJ4 代表旋转电机。参数 z：设置电机的正反转，f 代表正转，b 代表反转。参数 n：电机的占空比设置（转速）。注：电机 1-4 此参数任意。31 如：motor(l,f,50);表示左电机以 50%的占空比正转。stop(m)-电机停止【功能】此函数为电机停止函数。【说明】参数 m：选择电机，l 代表左电机，r 代表右电机，rl 代表同时选择左右电机，DJ1 代表手抓电机，DJ2 代表平移电机，DJ3 代表上下电机，DJ4 代表旋转电机。如：stop(rl)；表示左右电机同时停止。FOLL_LINE(S_B,R_B,L_B,ti)-巡线计数【功能】此函数为 8 位巡线传感器巡线计数函数。【说明】参数 S_B：巡线基准速度设置（即巡线时整机基本速度），范围 1 100。参数 R_B：巡线右电机基准速度设置（即巡线时右电机基本速度，用于巡线微调），范围 1 100。参数 L_B：巡线左电机基准速度设置（即巡线时左电机基本速度，用于巡线微调），范围 1 100。参数 ti：巡线条数设置（即寻到设定条数时会跳出此函数），范围 1 255。如：FOLL_FINE(70，70，70，3);表示平台沿引导线前进检测到 3 条交叉引导线。void TURN_90(e,r_s,l_s,qc_t,pb_t,end_t)-旋转 90 度【功能】此函数为机器人旋转 90 度（即寻找与前进方向 90 度交叉的白条）。【说明】参数 e：选择机器人左转或右转，l 左转 90 度，r 右转 90 度。32 参数 r_s：转弯右电机速度设置（即转弯时右电机速度），范围 1 100。参数 l_s：转弯左电机速度设置（即转弯时左电机速度），范围 1 100。参数 qc_t：机器人检测到白色引导条后前进到转弯位置的时间，根据前进速度调整，范围 1 60000。参数 pb_t：机器人转弯开始时屏蔽传感器正下方白色引导条的时间，根据转弯速度调整，范围 1 60000。参数 end_t：机器人转弯中指定传感器检测到白色引导条后，根据机器人惯性需要保持的时间，根据转弯速度和指定传感器调整，范围 1 60000。如：TURN_90(l,50,50,2900,500,2);表示机器人左转 90 度（机器人检测到白色引导条继续前进 2.9 秒以 50 的速度左转屏蔽时间 0.5 秒指定传感器检测到白色引导条继续运行 2 毫秒）DJ1_JS(js)-手爪夹紧/松开【功能】此函数为手爪夹紧/松开函数。【说明】参数 js：选择手抓夹紧或松开，夹紧（js=j）/松开（js=s）设定。如：DJ1_JS(j)；表示手抓夹紧。DJ2_PY(py)-手爪前后平移【功能】此函数为手爪前后平移函数。【说明】参数 py：选择手抓向前或向后平移，向前（py=qpy）/向后（py=hpy）设定。如：DJ2_PY(hpy)；表示手抓向后平移。DJ3_SX(sx,wz)-手爪上下升降【功能】此函数为手爪上下升降运动函数。33【说明】参数 wz：选择手抓上升或下降的位置，向上（sx=xs）/向下（sx=xx）设定。参数 sx：选择手抓上升或下降到达的位置，从上至下 wz1（接近开关S05）；wz2（接近开关 S06）；wz3（接近开关 S07）；wz4（接近开关 S08）；wz5（接近开关 S09）。如：DJ3_SX(xx,wz3)；表示手抓下降到位置 3。DJ4_HZ(hz)-手爪回转 90 度【功能】此函数为手爪回转 90 度函数。【说明】参数 hz：选择手抓逆时针或顺时针旋转 90 度，逆时针回转（hz=qhz）/顺时针回转（hz=hhz）设定。如：DJ4_HZ(qhz)；表示手抓逆时针回转 90 度。（五）、机器人调试说明（五）、机器人调试说明 在机器人全部装配完毕，初步检查无误后，下一步就进行必要的调试，主要的调试步骤如下：1先进行循线传感器信号处理板的调试。2.编写一个接近开关传感器测试程序，按照下列接近传感器的顺序给信号：S01-S02-S03-S04-S05-S06-S07-S08-S09-S10，选取升降电机 DJ3 作为测试电机，弹性联轴器上紧定螺钉松开，让电机空转。驱动板上其它电机接口先拔除，以免测试过程中发生误动作，损坏其它执行机构。测试程序可按如下方法编写：DJ3 正转S01 有信号时停止 2 秒后反转S02 有信号时停止 2 秒后正转S03 有信号时停止 2 秒后反转以此类推直至 S10。测试时按以上顺序用铁片给接近开关信号，查看每个接近开关是否正确接收信号。34 3、编写电机正反转测试程序，查看每个电机正反转的定义与对应功能是否符合。例：DJ1 正转 200ms对应手爪夹紧动作、DJ1 反转 200ms对应手爪松开动作。测试过程中注意动作时间给定，不要让电机超出极限位置而损坏机构或电机。4、单独测试每个功能函数动作是否正确，详见功能函数说明。5编写功能验证程序，机械手先逆时针旋转 180 度，停止 5 秒，再顺时针旋转 180 度后停止机械手从最低位上升，分别在 4 个位置处停止 5 秒，直至最高位停止机械手从最高位下降，分别在 4 个位置处停止 5 秒，直至最低位停止机械手从最前端开始向后移动，直至最后端停止 5 秒，再反向运动，直至最前端停止机械手夹紧一个工件后持续 5 秒，再松开到位机器人以恒定速度前进 5 秒，停止 3 秒，再以同样速度后退 5 秒，停止 3 秒，左转 90 度，停止 3 秒，右转 90 度后停止。6、编写任务程序，将机器人放到场地上进行调试。