机器人基于树莓派的搬运机器人

北京工业大学学士学位论文题 目 基于树莓派的搬运机器人作 者 冯玮学 院 机械工程与应用电子技术学院专 业 机械工程及自动化导 师 郭军提交日期 2016.06. 16

摘要

本学位论文介绍了一种基于树莓派的搬运机器人实现方案。通过An dr o i d系统手机App对机器人控制系统发送指令实现了机器人对工件定位抓取质量不超过0.1 kg的物体 搬运及定点放置等功能。

论文首先介绍了搬运机器人及树莓派的发展现状然后对搬运机器人的机械结构、各部件的选择、硬件电路、系统软件设计、手机App设计等方面进行了详细设计。

通过一次完整的实验过程展示了本文设计的搬运机器人的操作方法及使用效果。理论分析及实验结果表明本设计方案对利用树莓派进行硬件开发具有一定的示范及指导意义。

关键词 树莓派、搬运机器人、蓝牙、Android系统

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Abstract

This thesis presents a kind of conveying robot based on Raspberry Pi ,whichcould be controled by an Android App. The App sends commands to the maincontroller (Raspberry Pi), and the robot could accomplish a series of action, includeposition, grabing(the weight of the workpiece should be less than 0.1kg),conveyingand release.

The developing status of conveying robot and Raspberry Pi are introduced in thefirst section, then the mechanical structure of the conveying robot, the option of themain components, hardware circuit, the software of the control system,App areanalyzed deeply.

The thesis shows the method and results of actual operation of the conveyingrobot through a complete process of debugging.Results shows that this research hasthe important practice instruction significance and demonstration of significance tothe hardware development through Raspberry Pi.

Key words:Raspberry Pi,conveying robot,Bluetooth,Android

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摘要. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .I

Abstract. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .I I

1 绪论. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1

1 1 引言. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1

1 2课题研究意义. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1

1 3研究现状. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1

1 3 1搬运机器人发展现状. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2

1 3 2树莓派发展现状及应用. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5

1 4毕业设计的主要工作. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7

2 机械结构设计方案. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .8

2 1机器人本体材料选择. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .8

2 2机械结构加工方式. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9

2 3搬运机器人各关节构成. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10

2 4机械结构连接方式. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .15

2 5本章小结. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .16

3 控制系统方案设计. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17

3 1控制系统整体方案设计. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17

3 2主控制器模块. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17

3 2 1Raspberry Pi控制器概述. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17

3 2 2控制系统芯片选择. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .18

3 3电机的选择. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .18

3 4蓝牙通信模块. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .19

3 5本章小结. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .21

4 控制系统硬件设计. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .22

4 1电路设计. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .22

4 2电源供电方式. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .23

4 3本章小结. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .23

5 控制系统软件设计. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .24

5 1编程语言选择. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .24

5 2控制系统程序设计思路. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .25

5 3舵机驱动程序设计. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .26

5 4蓝牙通信程序设计. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .28

5 4 1树莓派的串口(UART)配置. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .28

5 4 2蓝牙通信程序. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .29

5 5手机App程序设计. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .29

5 5 1编程环境介绍. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .30

5 5 2 App程序设计思路. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .31

5 6本章小结. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .32

6 系统整体调试. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .33

6 1调试内容及环境. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .33

6 2调试步骤. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .33

6 3测试结果. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .34

6 4本章小结. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .37

7 结论与展望. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .38

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7 1结论. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .38

7 2展望. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .38

致谢. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .39

参考文献. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .40

附录. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .41

附录1机器人主体装配图. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .41

附录2零件图. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .42

附录3机器人主体控制程序. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .45

IV

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1 .绪论

1 . 1 引言

工业机器人作为信息时代的新兴产业为现代工业的高速自动化生产和先进制造提供了极为重要的技术支撑其在扩大企业生产和促进社会发展等方面所起到的作用越来越重要。在日本、欧美等工业发达国家中各种类型的工业机器人已广泛应用于化工、食品加工与包装、物流、机械制造等诸多领域中并不断快速地向其他领域不断延伸、发展。作为现代企业生产过程中不可替代的重要手段与不可或缺的自动化工业装备工业机器人在很大程度上已经改变了整个社会的生产、生活方式[1-3]。

在我国长久以来工业机器人的主要市场是汽车、电子等行业的外资企业以及国有大型企业对于民营、中小型企业而言用不上、用不起、用不好工业机器人这种技术含量相对较高、生产成本相对昂贵的自动化装备。但近年来伴随着我国“刘易斯拐点”出现导致的劳动力成本加速上涨以及企业经济结构调整、产业优化升级的需要很多民营、中小型企业已经逐渐充分认识到自动化工业装备的优势因此在企业生产中已开始使用工业机器人代替传统的人工作业且发展速度很快、延续性很强。总体上尽管与上述企业依旧存在明显差距但潜力巨大不久便将成长为机器人产业市场中重要的组成部分[3-4]。

1 .2课题研究意义

工业化的机器人在制造业应用广泛而机器人的设计制造是一个复杂的过程需要运用多学科知识。本课题主要从机械结构的设计控制系统的设计两方面对搬运机器人进行深入研究。

在机械结构的设计中本设计的目的在于为相关人员提供一种小型的搬运机器人结构设计思路。

在控制系统的设计过程中本毕业设计采用树莓派。树莓派是一台功能强大的小型计算机兼具传统单片机和嵌入式系统的功能同时网络协议、图形库这些都是提前设置好的最重要的是只需将舵机与树莓派相连便能完成控制工作。操作起来比单片机和嵌入式系统更为简单省去了繁杂的开发流程。因此作为搬运机器人控制器。除此以外树莓派在现阶段主要以软件开发为主应用在硬件开发的领域还很少本设计希望能够为后来人做相关硬件产品提供借鉴。

1 .3研究现状

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1 .3. 1搬运机器人发展现状

在国外搬运机器人技术及其推广应用已经非常成熟。作为一种标准的工业自动化装备搬运机器人已经被广泛应用于各种生产、制造领域大部分自动化生产线都采用搬运机器人代替人工搬运作业。目前搬运机器人市场主要被日本、欧美等国家占据 日系中主要有YASKAWA、 FANUC、 PANASONIC、 OTC、NACHI、KAWAS AKI等欧美系中主要有KUKA、AB B、 C O MAU等其中很多公司甚至已经成为其所在国家的重要支柱企业[5]。其中2011年德国KUKA公司推出的 UltraK系列搬运机器人其负载可达270KG工作范围为2901mm重复精度可达±0.06mm最高速度可以达到2100次/时其推出的KA10001300 TITAN PA负载竟可高达1300KG是名符其实的“泰坦之手” [3,6,7]。

图1.1 FUJI搬运机器人

图1 .2 FANUC搬运机器人

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图1 .3KUKA搬运机器人

图1.4ABB搬运机器人

与国外相比国内的工业机器人研究技术基础较差、起步时间较晚。从1986年开始在国家相关部门的牵头及相关政策的扶持下针对多种类型的工业机器人譬如点焊、弧焊、喷漆、搬运等开展过重点科技攻关并取得了一大批科研成果造就了我国工业机器人研究的第一次高潮[8]。但由于受到诸多因素限制譬如机器人控制系统和AC伺服系统、 RV减速机等诸多关键零部件的进口配套困难、国产质量不过关等国内的机器人产业始终没有形成规模在关键配套零部件等方面一直主要依赖进口。

近年来由于劳动力成本大幅上涨、经济结构调整以及产业升级的需要中国工业机器人使用量呈现快速、大幅上升趋势其应用领域也已经从传统的制造行业向化工、食品加工包装、物流等行业迅速扩散。国内很多企业尤其是一批民营企业在看到市场潜在的巨大需求后纷纷开始加入搬运机器人的研发、生产和产业化应用推广行列并涌现出了一大批优秀的代表企业和产品如上海沃迪、安徽奇瑞、沈阳新松、盐城宏达等。例如沈阳新松机器人股份有限公司成功开

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北京工业大学毕业设计(论文

发的机器人码垛系统最高码垛作业速度可达1000次/时[3,9]。

图1 .5新松搬运机器人

图1 .6沃迪搬运机器人

但是就总体而言与国外相比 目前国内的搬运机器人不管是技术成熟度还是产业化推广应用方面都还仅仅处于起步阶段。 国产搬运机器人在安全可靠性、智能性、搬运作业速度、重复精度等诸多方面与国外产品相比都存在着一定的差距而且由于起步时间较晚国内的推广应用规模仍很小未能实现产业化这也直接造成国内搬运机器存在着生产规模较小导致供货周期长、研发生产成本高以及零部件无行业统一标准导致通用程度低等一系列不利于机器人产业化发展的共性问题。因此不但需要结合我国的实际国情对搬运机器人行业现状进行

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