国内码垛机械臂需求分析
制造业:制造业是码垛机械臂的主要需求市场之一。在制造业中,需要对成品或零部件进行堆垛、搬运和包装,以提高生产效率和产品质量。制造业的细分领域包括汽车制造、电子设备制造、食品和饮料加工等,这些行业都对码垛机械臂有较高的需求。
物流行业:随着电商和物流业的快速发展,物流行业对自动化堆垛设备的需求也在不断增加。码垛机械臂可以用于仓储中心的货物分拣、堆垛和装载等环节,提高物流操作效率,降低人力成本,并实现快速、准确的货物处理。
仓储行业:仓储行业对码垛机械臂的需求主要集中在大型仓库、分拨中心和物流园区等场景。码垛机械臂可以根据仓库的货物类型和堆垛需求,实现高度定制化的堆垛方案,提高仓储效率和空间利用率。
食品和饮料行业:食品和饮料行业对卫生和食品安全要求较高,因此需要具备适用于食品加工环境的码垛机械臂。这些机械臂通常需要采用不锈钢材料和防污染设计,以满足行业标准和卫生要求。
其他行业:除了上述行业,码垛机械臂在其他领域也有需求。例如,医药行业需要对药品进行堆垛和包装;家电行业需要对家电产品进行堆垛和装配;纸品行业需要对纸张和纸板进行堆垛等。
1.2 设计的目的和意义
提高效率:码垛机械臂能够以更高的速度和准确性进行货物的堆垛和搬运,相比于人工操作,可以显著提高工作效率。机械臂可以持续不断地工作,减少了人工操作中的疲劳和人为错误,从而提高生产线的产能和效率。
降低劳动强度:传统的堆垛和搬运工作对人员的体力和精力要求较高,容易导致劳动强度大、工作压力大等问题。自动化的码垛机械臂可以取代人工操作,减轻了劳动者的负担,提高工作环境的人性化程度。
提高安全性:码垛机械臂在工作过程中可以遵循预设的安全规则和程序,减少人为因素引起的事故风险。机械臂可以精确地控制货物的堆垛和搬运过程,避免了人工操作中可能发生的错误和意外情况,保障了操作人员和设备的安全。
实现智能化管理:智能物联网码垛机械臂可以通过与物流管理系统或仓储系统的连接,实现实时数据的传输和共享。这样可以实现对堆垛过程的监控和追踪,提供实时的状态和性能信息,为管理人员提供决策支持,优化物流流程,提高仓储管理的效率和精度。
适应多样化需求:码垛机械臂的设计可以根据不同的堆垛需求进行灵活调整。它可以适应不同尺寸、重量和形状的货物堆垛,具有较强的适应性和可扩展性,可以应对不同行业和应用领域的需求。
综上所述,码垛机械臂的设计旨在提高生产效率、降低劳动强度、提高安全性、实现智能化管理,并适应多样化的堆垛需求。它在物流和仓储领域的应用,可以为企业带来更高的生产效益和竞争力。
第2章 结构设计内容和步骤
2.1 机械结构分析
本次设计参考了ABB的IRB机械臂,其底座是旋转轴A,上方时旋转轴B,高处的是旋转轴C,而末端是旋转轴C,B轴两端均具有电机,在B轴处还有一根遥杆连接一根连杆与C轴所在的连杆相连,这样电机虽然安装在B轴位置,却可以通过双摇杆连杆机构将旋转运动传递到C轴上,但是无论BC轴如何运动D轴所在的轴线都可以保证其相对于地面垂直,D轴与C轴是通过两根连杆相连的
接下来用草图块展现机构原理
图 1 草图模拟机械运动
2.2 夹爪设计
机械臂夹爪具有以下几个优势:
- 多功能性:机械臂夹爪可以设计成不同形状和尺寸,以适应不同类型和大小的物体。通过更换夹爪的形式或附件,可以实现对不同形状、重量和材质的物体的抓取和搬运,具有较强的适应性和灵活性。
- 精准性:机械臂夹爪可以通过精确的控制和传感器反馈来实现对物体的准确抓取和放置。具备高精度的位置控制和力传感器等技术,可以调整夹爪的力度和姿态,确保物体的稳定抓取和放置,提高操作的准确性。
- 自适应性:一些机械臂夹爪具备自适应能力,可以根据物体的形状和特性进行调整。例如,一些夹爪具有可变形结构或软性材料,可以根据物体的形状和表面特性进行适应性抓取,增加接触面积和抓握稳定性。
- 安全性:机械臂夹爪在设计中可以考虑安全性因素,采用防护措施来避免对人员和周围环境的伤害。例如,设置触发器或力传感器来检测夹爪与物体的接触力,避免过大的压力或损坏物体。
- 可编程性:机械臂夹爪可以与机械臂的控制系统进行编程和集成,以实现自动化操作。通过编写适当的算法和程序,可以实现自动识别、抓取和放置的功能,提高生产线的自动化程度和效率。
- 可扩展性:机械臂夹爪的设计可以具备可扩展性,以适应不同的应用需求和工作场景。可以根据具体任务的要求,选择合适的夹爪类型、材料和附件,提供更广泛的功能和适应性。
综上所述,机械臂夹爪具有多功能性、精准性、自适应性、安全性、可编程性和可扩展性等优势,使其成为机械臂应用中重要的组成部分,用于抓取、搬运和操作各种物体。
以下是机械臂夹爪的设计细节
在设计时,在夹爪头部预留了舵机空间,通过舵机转动带动齿轮的啮合来带动夹爪的运动,并且进行了限位设计确保机械系统在工作过程中不会超出安全范围,避免发生危险情况。通过设置合理的限位位置和触发器,当机械系统达到或接近设定位置时,限位装置会触发停止或切换操作,从而保护设备、人员和周围环境的安全。
防止机械系统在操作过程中超过其额定负荷或运动范围,从而避免损坏机械部件或引起系统故障。限位装置可以设置在机械系统的极限位置或受力部位,一旦超过设定的极限,限位装置会触发停止或切换操作,保护机械系统免受过载的影响。
避免机械部件之间的碰撞或干涉,减少损坏和磨损。通过设置适当的限位装置,可以限制机械部件或工具的运动范围,防止它们相互碰撞,提高机械系统的可靠性和寿命。
图 2 机械臂夹爪设计
2.3 同步带的选择
同步带(Synchronous Belt),也称为齿形带、正齿带或齿轮带,是一种传动装置,用于传递动力和运动。它由一条带状的弹性材料制成,带上有一系列齿形凸起,与齿轮或滚子齿轮的齿槽相啮合。
同步带的主要特点是其齿形结构,这使得它可以在传动过程中保持精确的同步性。当同步带与齿轮或滚子齿轮啮合时,齿形凸起和齿槽之间形成正确定位,使得传动比例和转速保持恒定,从而实现精确的动力传递。
同步带具有以下几个优点:
- 同步性:由于齿形结构的特点,同步带可以实现精确的同步传动,保持传动比例的恒定性,避免滑动和漂移。
- 高效率:同步带的传动效率较高,通常在95%以上,因为它没有滑动损耗和滑移现象。
- 高承载能力:同步带由于采用了强韧的材料制造,能够承受较大的负载和张力。
- 轻巧、紧凑:同步带相对于其他传动装置来说比较轻巧、紧凑,适用于空间有限的应用。
在考虑确定传动需求,所需的传动功率、转速范围、传动比例和轴距,考虑负载和张力,确定传动中的负载和张力,确保所选同步带具有足够的承载能力和张力范围。选定同步带的材料为橡胶通过仔细分析这些因素选定同步带的规格为Misumi供应的型号为264-S3M、宽度为6毫米的同步带
该同步带的具体规格如下:
- 型号:264-S3M
- 齿距:3毫米(S3M)
- 宽度:6毫米
图 3 同步带设计
2.4 双摇杆连杆机构设计
双摇杆连杆机构是一种由两个摇杆和连杆组成的机械结构。它的设计旨在将两个摇杆的运动转化为特定的连杆运动,从而实现特定的机械动作或控制目标。
在双摇杆连杆机构中,每个摇杆都与一个连杆相连,而连杆又通过关节连接在一起。当摇杆移动时,通过连杆的连接,它们的运动将相互影响。这种机构通常通过控制一个摇杆的运动来实现特定的操作,而另一个摇杆则用于控制其他功能或参数。
双摇杆连杆机构在机械系统和机器人应用中具有广泛的应用。例如,在某些机器人手臂的控制系统中,通过双摇杆连杆机构可以实现手臂的运动和姿态调整。摇杆的运动可以控制关节的角度,从而使机器人手臂实现精确的位置和姿态控制。
2.5 DH参数法
DH参数法(Denavit-Hartenberg parameters)是机器人学中一种常用的表示机器人链接和关节之间几何关系的方法。它是由Jacques Denavit和Richard S. Hartenberg在1955年提出的。
DH参数法基于以下几个假设:
- 每个关节都是沿着某个坐标轴旋转或沿着某个坐标轴平移。
- 关节轴之间是相互垂直的。
使用DH参数法,可以通过一组参数来描述机器人的链接和关节之间的几何关系。这些参数包括:
- d:关节轴之间的距离,即相邻关节之间的平移距离。
- θ:关节轴之间的夹角,即相邻关节之间的旋转角度。
- a:关节轴的长度,即绕z轴的平移距离。
- α:关节轴之间的夹角,即绕x轴的旋转角度。
使用这些参数,可以定义一个DH变换矩阵,它描述了相邻关节之间的变换关系。通过将这些DH变换矩阵组合起来,可以计算机器人末端执行器的位置和姿态。
DH参数法的优点包括简单、直观,并且容易在数学计算中处理。它广泛应用于机器人学中的运动学分析和控制算法中,用于建立机器人的正运动学和逆运动学模型。
图 5 三维模型成品
2.6 3D模型打印
对于材料的选择,选择PLA作为打印材料,以下是材料性能介绍
PLA(聚乳酸)是一种常见的3D打印材料,它具有以下几个优势:
- 易于使用和打印:PLA是一种非常流动的材料,容易在3D打印机上操作和打印。它不需要高温加热床,粘附性较好,因此适合初学者和日常打印需求。
- 环保和可生物降解:PLA是一种生物基塑料,由可再生资源如玉米淀粉等制成。它在打印过程中不会释放有害气体,不产生刺激性气味,而且可生物降解,对环境友好。
- 耐热性和稳定性:虽然PLA相对于其他材料如ABS来说耐热性较低,但在一般温度下具有良好的稳定性。对于不需要高温耐受性的应用,PLA可以提供足够的强度和稳定性。
- 颜色和外观选择多样:PLA材料在市场上有广泛的颜色和效果可供选择,包括固体颜色、透明、半透明、金属质感等。这使得它非常适合打印需要多样化外观和装饰效果的模型。
- 低翘曲性和良好的细节表现:相对于其他材料,PLA具有较低的翘曲性,因此在大型和高温变化的打印项目上表现较好。此外,PLA能够保持较好的细节表现,打印出来的模型具有较高的精度和质量。
- 味道较低:与其他塑料材料相比,PLA在打印过程中产生的味道较低。这对于那些对气味敏感的人来说是一个优势。
打印成品展示
图 6 3D打印展示
第3章 控制系统设计
3.1 微控制芯片的选择
选用的是意法半导体(STMicroelectronics)推出的一款32位ARM Cortex-M3内核的微控制器芯片STM32F103C8T6,以下是关于STM32F103C8T6的主要特点和特性:
处理器核心:STM32F103C8T6芯片采用ARM Cortex-M3内核,工作频率为72MHz。Cortex-M3内核具有高性能、低功耗和高度可靠的特性,适用于广泛的应用领域。
存储器:该芯片配备了64 KB的Flash存储器和20 KB的静态RAM(SRAM),用于存储应用程序代码和数据。Flash存储器可用于存储程序和固件,SRAM用于存储变量和临时数据。
外设接口:STM32F103C8T6芯片提供了丰富的外设接口,包括多个通用输入输出引脚(GPIO)、UART串行通信接口、SPI串行外设接口、I2C总线接口、定时器、PWM输出、ADC模数转换器、DAC数模转换器等。这些接口可用于连接和控制外部设备,实现各种功能和通信。
时钟和电源管理:芯片内置了多个时钟源和电源管理单元,包括主时钟源、内部振荡器、外部晶体振荡器、低功耗模式和休眠模式等。这些功能可实现灵活的时钟和电源管理,以满足不同应用需求和功耗要求。
通信协议支持:STM32F103C8T6芯片支持多种通信协议,如UART串口通信、SPI串行外设接口、I2C总线接口等,可用于与其他设备进行数据交换和通信。
开发支持:为了方便开发者使用和调试,STM32F103C8T6芯片具备广泛的开发工具和资源支持。ST提供了包括STM32Cube软件包、STM32CubeMX配置工具、嵌入式开发环境等在内的一系列开发工具和支持文档,帮助开发者进行软件开发、调试和系统集成。
原理图如下
图 7 最小系统板原理图
3.2 电机选择
选择舵机时,有几个关键因素需要考虑:
- 扭矩(承载能力):舵机的扭矩决定了它能够承受的负载或力矩。确保选择的舵机具有足够的扭矩来满足应用需求。
- 速度:舵机的速度指的是它能够快速响应指令并执行动作的能力。不同的应用可能需要不同的速度要求,因此根据应用需求选择合适的舵机速度。
- 精度:舵机的精度是指它能够准确到达给定位置或角度的能力。如果应用需要高精度的位置控制,选择具有更高精度的舵机。
- 电源电压:舵机通常有特定的工作电压范围。确保选择的舵机适用于电源系统,并且能够在提供的电压范围内正常工作。
- 尺寸和重量:考虑舵机的尺寸和重量对应用是否有限制。有时空间受限或需要轻量级设计的应用可能需要选择小型或轻量级的舵机。
- 品质和可靠性:选择来自可靠品牌的高品质舵机,以确保其性能和寿命符合预期,并提供良好的技术支持和售后服务。
最终选取的舵机为MG996r,以下列出舵机的常用参数 - 扭矩:最大扭矩约为 9 公斤·厘米(4.8-6V 电压下)。
- 速度:在无负载情况下,大约为 0.17 秒/60°(4.8V 电压下)或 0.14 秒/60°(6V 电压下)。
- 工作电压:一般为 4.8V 到 6V。可以使用 4 个 AA 电池组成的电源或其他适当的直流电源。
- 工作角度:通常为 180°(可以有一定的误差范围)。
- 尺寸:通常为标准的 40.7mm x 19.7mm x 42.9mm 尺寸。
- 重量:大约为 55 克。
- 齿轮类型:通常采用金属齿轮,提供较好的耐久性和可靠性。
- 控制信号:通常使用脉冲宽度调制(PWM)信号进行控制。
图 8 舵机
3.3 串口通信
串口通信是一种常见的计算机和外部设备之间进行数据传输的通信方式。它通过串行传输的方式将数据以连续的位(bit)序列发送和接收。
在串口通信中,有几个重要的概念和要点:
串口接口:串口通信使用串口接口连接计算机和外部设备。常见的串口接口标准包括RS-232、RS-485、USB等。
通信参数:串口通信需要设置一些通信参数,包括波特率(Baud rate)、数据位数、停止位数、校验方式等。这些参数需要在计算机和外部设备之间保持一致才能正确地进行数据传输。
数据帧:串口通信将数据分成小的数据块,称为数据帧(Data Frame)。数据帧由起始位、数据位、校验位和停止位组成。起始位和停止位用于标识每个数据帧的开始和结束,校验位用于验证数据的准确性。
通信流程:在串口通信中,通常有一个主设备(如计算机)和一个从设备(如传感器、执行器等)。主设备发送数据帧给从设备,从设备接收并处理数据,然后返回响应给主设备。
串口编程:为了实现串口通信,需要在计算机上编写相应的串口通信程序。根据不同的操作系统和编程语言,有不同的串口编程接口和库可供使用。
错误处理:在串口通信中,可能会出现各种错误,如数据丢失、传输错误等。合理的错误处理机制可以确保数据的可靠传输和系统的稳定运行。
串口通信在许多应用中得到广泛使用,例如机器人控制、传感器数据采集、嵌入式系统等。它具有简单、可靠的特点,并且适用于长距离传输和与多种设备的连接。
3.4 舵机控制
使用STM32F103C8T6控制舵机,用PWM输出来生成适当的控制信号。下面是控制舵机的步骤:
- 确定PWM引脚:首先,选择STM32F103C8T6芯片上可用的一个或多个PWM输出引脚,用于连接舵机。这些引脚通常标有特殊功能的标识,例如"TIMx_CHy",其中x表示定时器号,y表示通道号。
- 配置定时器:选择一个可用的定时器,并根据舵机的工作频率和分辨率进行定时器的配置。定时器决定了PWM信号的频率和精度。可以使用STM32的定时器模块来生成PWM信号。
- 设置PWM参数:配置定时器的工作模式、周期和占空比等参数。周期决定了PWM信号的周期,而占空比则决定了PWM信号的高电平时间比例,从而控制舵机的位置。舵机通常使用20ms的周期和0.5ms到2.5ms的占空比范围。
- 初始化定时器:使用相关的库函数或编程接口初始化定时器,设置PWM参数并启动定时器。
- 控制舵机位置:根据舵机的具体控制协议,编程控制PWM信号的占空比来控制舵机的位置。通常使用PWM信号的占空比与舵机位置的映射关系来实现控制。
- 更新舵机位置:如果需要改变舵机的位置,可以通过改变PWM信号的占空比来更新舵机的位置。通过改变占空比,可以控制舵机的角度或位置。
3.5 OLED模块
OLED(Organic Light-Emitting Diode)模块是一种显示设备,使用有机发光二极管作为光源。它具有以下特点:
- 显示质量:OLED模块提供高对比度、鲜明的颜色和广视角的显示效果。每个像素点都能够独立发光,不需要背光源,因此可以实现真正的黑色和更高的色彩饱和度。
- 超薄性设计:OLED模块采用柔性基板和薄膜材料制造,具有非常薄和柔性的特点。这使得OLED模块可以适应曲面表面、弯曲和定制形状的设计需求。
- 低功耗:OLED模块只有在需要显示内容时才会消耗电力,因为每个像素点都可以独立发光。相比传统的液晶显示技术,OLED模块在相同亮度下具有更低的功耗。
- 快速响应时间:OLED模块具有快速的像素切换速度,可以实现流畅的动态显示效果,适用于高刷新率的应用。
- 宽温度范围:OLED模块可以在较宽的温度范围内工作,具有良好的温度适应性。
- 多种尺寸和分辨率:OLED模块可用于各种尺寸和分辨率的显示需求,从小型设备(如手持设备)到大型屏幕。
3.6 蓝牙模块
HC-05是一种常见的蓝牙串口模块,它基于蓝牙2.0规范,并且支持SPP(串口配置文件)协议。以下是关于HC-05蓝牙模块的一些特点和使用方法:
- 功能:HC-05蓝牙模块提供了一个简单的串口接口,可以通过串口与其他设备进行通信。它支持无线数据传输,可以与其他蓝牙设备(如智能手机、电脑等)进行连接和通信。
- 通信距离:HC-05蓝牙模块的典型通信距离为10米左右,具体距离受环境和其他因素的影响。
- 通信速率:HC-05蓝牙模块支持串口通信速率为9600 bps,可以通过AT指令进行配置。
- 配对方式:HC-05蓝牙模块可以通过固定的PIN码进行配对。默认的PIN码为"1234",但可以通过AT指令修改为其他的PIN码。
- 工作模式:HC-05蓝牙模块支持主从模式切换。在从模式下,它可以与主设备(如智能手机)进行连接和通信;在主模式下,它可以主动连接其他蓝牙设备。
- 配置和控制:HC-05蓝牙模块可以通过AT指令进行配置和控制。通过串口与模块通信,发送特定的AT指令可以设置参数、查询状态和执行操作。
- 电源供电:HC-05蓝牙模块通常使用3.3V电源供电,可以通过外部电源或者MCU提供电源。
HC-05蓝牙模块广泛应用于各种嵌入式系统和电子设备中,例如远程控制、无线数据传输、蓝牙音频设备等。它的简单接口和易于使用使其成为很多项目中的常用选择。在使用HC-05蓝牙模块时,可以根据具体需求和应用场景使用AT指令进行配置和控制,实现所需的无线通信功能。
3.7 通信和物联网连接
选择ESP8266作为智能物联网机械臂的通信模块是因为这是是一款低成本、高性能的Wi-Fi模块,它集成了Wi-Fi功能和TCP/IP协议栈,可以作为一个独立的处理器使用,或者作为其他微控制器的Wi-Fi模块。
以下是ESP8266模块的一些主要特点和功能:
- Wi-Fi连接:ESP8266模块支持无线局域网(Wi-Fi)连接,可以通过Wi-Fi与其他设备进行通信,实现互联网连接和数据传输。
- 强大的处理能力:ESP8266模块内部集成了一个32位的Tensilica处理器,提供高性能和较大的存储空间,可以运行复杂的应用程序。
- 低功耗设计:ESP8266模块采用了低功耗设计,可以在待机模式下降低功耗,以延长电池寿命或节省能源。
- 多种接口:ESP8266模块提供了多种接口,包括UART串口、GPIO引脚、SPI总线和I2C总线等,方便与其他设备进行连接和通信。
- 编程和开发支持:ESP8266模块可以使用Espressif提供的ESP-IDF(ESP8266 IoT Development Framework)进行开发,也可以使用Arduino IDE进行编程。这使得开发人员可以使用广泛的开发工具和库来开发应用程序。
- 支持固件升级:ESP8266模块支持通过网络进行固件升级,可以方便地更新模块的功能和性能。
- 丰富的应用场景:ESP8266模块可以应用于物联网设备、智能家居、传感器网络、远程监控、智能电子设备等领域。
连接流程
将ESP8266连接到OneNet平台的流程如下: - 注册和登录:首先,在OneNet平台上注册一个账户,并登录到OneNet的开发者平台(https://open.iot.10086.cn)。
- 创建产品和设备:在OneNet平台上创建一个产品,然后在该产品下创建一个设备。产品是设备的逻辑分类,设备是具体的物理设备。为设备分配一个唯一的标识符(如设备ID)。
- 获取API Key:在设备创建完成后,获取该设备的API Key,这将用于设备与OneNet平台进行通信的认证。
- 连接ESP8266到Wi-Fi网络:使用ESP8266模块的相关代码,将ESP8266连接到你的Wi-Fi网络。这通常涉及设置Wi-Fi SSID和密码等参数,并在ESP8266上启动Wi-Fi连接。
- 设置与OneNet平台的通信:使用ESP8266的编程工具(如Arduino IDE)编写代码,通过Wi-Fi连接与OneNet平台进行通信。
- 数据上传:在ESP8266代码中,使用OneNet提供的API接口,将传感器数据或设备状态数据上传到OneNet平台。指定设备ID和API Key,以及要上传的数据。
- 数据接收和控制:在ESP8266代码中设置相应的接口。通过订阅OneNet平台的数据流或使用HTTP请求,可以接收来自OneNet平台的指令,并对设备进行相应的操作。
- 数据展示和分析:在OneNet平台上,可以配置数据流和数据视图,以展示和分析从ESP8266上传的数据。可以创建仪表盘、图表和报告,以实时监测设备状态和数据趋势。
需要注意的是,具体的代码实现会因使用的开发环境和库而有所不同。
第4章 课程设计总结与实体展示
在机械臂课程设计中,我获得了以下一些心得体会:
- 需求分析的重要性:在设计机械臂之前,充分理解项目的需求非常重要。明确课程设计的目标和任务,确保设计方案能够满足实际需求。
- 综合运用知识:机械臂设计是一个综合性的项目,涉及到机械、电子、控制等多个领域的知识。在设计过程中,需要综合运用这些知识,从机械结构到电路设计、控制算法等方面进行考虑和实现。
- 迭代优化设计:设计机械臂是一个迭代的过程。在初步设计完成后,进行测试和评估,根据实际表现进行调整和优化。通过反复迭代,逐步改进机械臂的性能和功能。
- 实践与理论结合:机械臂课程设计是将理论知识应用于实际的项目。在设计过程中,理论知识是基础,但实践经验和问题解决能力同样重要。实践中遇到的挑战和解决方案可以加深对理论知识的理解和应用。
- 持续学习和探索:机械臂领域的技术和方法不断发展和创新。在课程设计之后,要保持持续学习和对新技术的探索。参与相关的研讨会、竞赛或项目,深入了解机械臂的最新发展动态。
通过机械臂课程设计,我不仅学到了理论知识和实践技能,还培养了团队合作和问题解决的能力。这些经验和体会对我在机械臂领域的学习和职业发展都有很大帮助。