仿生夹持器驱动与运动控制开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述）

1.1论文选题的目的及意义

随着信息化时代的进步与发展，数据中心在生活中承担起越来越重要的信息整合与处理任务，而随着硬件的更新换代加快，以及为了满足更大的用户需求并提高数据中心处理信息的能力，数据中心的升级换代速度也变得频繁。目前国内数据中心机房均采用7×24小时专人值守的方式工作人员需要按时巡检机房基础设施，并对基础运行数据进行检查核对分析。这种方式耗时费力，生产效率低，巡检标准化程度也相对较低^[1-3]。对企业而言，这是个实际困难。机房设备类型多、数量大，需要巡检人员具有相当的专业知识背景，招聘培养新人并不容易，而数据中心扩容很快，现有配置的人员数量远远跟不上实际发展的需求。因此，智能机器人可以借助先进的深度学习算法、领先的机器视觉技术完美替代传统的人工巡检，可以解决了工错检、漏检等问题^[4]。

巡检机器人近年来才开始出现在现实生活中，其应用仍处于萌芽阶段，而对于已经出现的巡检机器人来看，大多数机器人只具备规划路径、采集图像、温度、湿度等信息感知等功能，并不具备维修功能。为了使巡检机器人具备维修的功能，省去维修人员在收到信息后再修复的时间，提高巡检效率，该项目为巡检机器人加装机械臂，使其能完成硬盘插拔的工作。

2. 研究的基本内容与方案

2.1 基本目标与内容

（1）查阅关于机械爪快速抓取执行的驱动设计的相关文献，了解机械爪的驱动与运动控制的设计过程。了解不同的驱动设计方式的优缺点，选择合适的驱动方式。

（2）据项目指标要求，选择合适的驱动芯片和电机。

（3）根据项目指标要求，设计合理的驱动控制系统，实现电机控制、传感器检测、上下位机通讯、补光等相关工作。

（4）设计上位机通讯系统，满足项目所需要的通讯功能控制。

（5）设计补光模块，实现抓取过程中机器人识别时的补光工作。

（6）撰写详细的设计说明书和测试文档。

2.2 拟采用的技术方案及措施

本项目的夹持器需要完成的工作是数据中心硬盘的插拔，硬盘的尺寸为长，宽，高。夹持器需要从硬盘存放框中将硬盘夹取出，由于在夹取时，不能准确保证所夹持的硬盘在夹持器的正中央，为了能精准地将硬盘插入数据中心的服务器中，需要通过装置对所夹持的硬盘进行位置调整，保证硬盘的精确定位。最后在硬盘插入后，再松开夹持器。为此，本项目所要驱动的夹持器设计如下图2.1所示。该夹持器分为上下卡爪部分和导向机构两个部分。采用上下卡爪实现稳固夹持，使用导向机构实现硬盘与夹持装置的位姿调整。

图2.1夹持器装置图

夹持卡爪采用平行四边形连杆机构，通过电机驱动，带动同步带和丝杆螺母装置，实现直线运动，从而实现对于硬盘的上下夹持，对称设计可以实现因公盘的对中找正。

第一次夹爪夹持位置可能在左右有偏置，导向机构起到二次校正姿态作用。二次校正时，一侧导向机构先运动到位，小幅度松开夹爪，硬盘依靠重力紧贴在一侧的导向机构中，夹爪再次合上夹紧，此时另一侧导向机构运动到中心提供夹紧力。

2.2.1电机的选型

根据上述模型分析，本项目的设计目标是设计三个电机选型及驱动。为了控制方便，项目决定采用三个相同的电机，通过对主要受力的上下夹爪进行受力分析，满足其电机的设计需求。因为夹爪的电机是带动夹爪实现硬盘的抓取，所需要的力量相对较大，而由于装置在导向过程中存在夹爪微微松开的过程，因此对电机的控制精度有着较高的要求。控制导向的电机需要精确地保证对中，同样对电机的控制精度有较高的要求。而电机中舵机的控制精度和步进电机的控制精度都相对较差，伺服电机不仅控制精度高，而且启动特性较好，因此本次选用的电机为伺服电机。

该夹持器的受力图分析如下图2.2所示。

（a）机构简图受力分析

（b）装置上下夹爪侧视图

图2.2 上下夹爪侧视受力图

所需要驱动的夹爪在夹紧时，丝杆螺母与推杆的夹角，

设过程中摩擦损耗为，则推杆收到的转矩力为：

（1）

由模型数据可知，，则可以得出C点受到的转矩力为：

（2）

硬盘质量为，硬盘与夹爪的静摩擦系数为，因此要夹取到硬盘时保证硬盘在任意情况下不脱落，就需要满足在垂直地面时不脱落的最大条件即可。此时，需要的夹持力为：

（3）

模型中，C点到夹爪中心D点的距离，CD连线与夹爪平面的夹角为，根据C点的转矩对D点产生的垂直向硬盘的力为：

（4）

联立式（1）-（4）可以求得需要的丝杆的水平推力为。

丝杆的轴向负载,则电机带动同步带需要的转矩为：

（5）

其中为丝杠导程，为进给正效率，取0.94，求得同步带转矩为。按同步带传动效率为0.95，丝杆传动效率为0.90，则需要的电机的扭矩为7.52，即0.0075。

所以本次电机拟优先选取maxon DCX系列电机DCX 26L刷式直流伺服电机，其驱动力矩为0.057，考虑到在机械夹持器运转过程中，运行时间相对较短，为了能达到速度快、夹持力大的效果，需要驱动电机工作在高于长时间运转的额定电流的短时间允许的电流状态下，该电机能很好地满足设计需求。

2.2.2硬件的选取与系统的设计

根据夹持器的需求，所需要控制的电机为上下夹爪的电机和左右导向机构的两个电机，同时，主控芯片需要控制夹持器摄像头识别时的补光，所以选取的主控芯片为STM32系列的STM32F103RCT7，驱动器选择刷式直流电机驱动器DRV8842。其电路控制系统总体框图如下图2.3所示。主控芯片与三个DRV8842驱动芯片连接分别控制三个电机（为表述方便，图中简化为一个），同时三个电机的电机编码器与主控芯片连接，将电机的信息反馈给主控芯片。上位机通过USB通信方式与STM32芯片连接，将对夹持器的控制参数传递给STM32芯片，并接收STM32收集的电机信息。为了能够给夹持器的电机进行复位操作，设置了电机复位电路模块与STM32芯片连接，能随时对夹持器电机进行复位操作。

图2.3 硬件电路系统框图

2.2.3Labview上位机环境搭建

为了能方便控制夹爪，通过Labview搭建虚拟上位机环境，与主控芯片进行通讯。上位机控制电机的使能、位置、电流及速度，因此在上位机环境搭建时，应将这些参数按钮都设计出来。下图2.4为上位机环境预搭建情况。包含了两个导向电机（左电机和右电机）和夹爪电机（爪电机），能直接控制各个电机位置、电机速度和电机电流大小，同时能开关电机，显示串口通讯数据。同时，设置了三个电机的归零按钮，方便夹持器的位置复原。

（a）参数输入部分 （b）按钮部分

图2.4 Labview上位机环境搭建

3. 研究计划与安排

第1-4周：查阅相关文献资料，明确研究内容。对系统要求进行分析，确定方案，完成开题报告和外文文献翻译。

第5-6周：深入了解嵌入式系统控制和电机控制。

第7-8周：学习使用基本工具（编程语言、开发环境、相关库等）完成驱动程序和labview环境搭建。

4. 参考文献（12篇以上）

[1]杨曹.一种数据中心巡检机器人的设计[j].机电信息,2020(02):111 113.

[2]吴健.数据中心的发展趋势和面临问题[j].智能建筑与城市信息,2008(07):69-72.

[3]罗建,王刚,幸彦飞.能源计量数据中心建设及其面临的问题[j].计量与测试技术,2012,39(01):58-59.