搬运机器人设计开题报告

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本科毕业论文(设计)开题报告论文题目：搬运机器人调研论文专业：机械工程及自动化学生姓名：姚斌　　指导教师：朱立达　　2015年1月20日10 一、选题依据1．论文（设计）题目：搬运机器人调研2．研究领域：搬运机器人调研及控制设计3．论文（设计）工作的意义机器人开始迅猛的发展，是近几十年来快速发展起来的高新技术产品，其涉及自控技术、电力电子、传感器、机械、无线网络和人工智能等多学科的内容。机器人在我们的生活中越来越常见了而在发达国家，机器人的使用范围已经越来越广。随着科学技术的发展，机器人已经遍及工业、国防、宇宙空间、海洋开发等领域。所以，机器人已经成为人类生活和生产发展中不可或缺的一部分了随着科技的发展。“计算机主导了过去的20年，而未来的几十年属于机器人。”美国匹兹堡市卡内基·麦农大学机器人研究所主任麦克欧·卡纳德如是说。目前，我国的机器人发展正在以一种迅猛的趋势在追赶发达国。目前机器人上广泛使用舵机控制。所以舵机的控制对机器人的各种性能有着致关重要的作用。因此，对机器人舵机控制方法的研究就显得很有必要。本论文的主要任务是分析现有舵机特点和控制方法的基础上，使用计算机仿真的方法，对舵机控制系统进行仿真分析，研究机器人用舵机的控制方法，使用单片机做控制器，完成控制电路设计、制作，完成软件编程，构成舵机控制系统，实现对舵机的控制。在完成相关实验的基础上，寻找适合特定要求的控制方法，确定控制参数，构成舵机控制系统。4、单片机在控制领域的发展近几年来，随着单片机技术的应用，促进了开发系统的发展，功能不断完善，质量不断提高，品种层出不穷。刚起步时的单片机开发系统(装置)不具有和PC机通讯的能力，也没有仿真RAM区的断电保护功能，用户调试的程序保存在录音带上，操作十分不便；单片机的很多资源被开发系统占用，用户无法实现真正的仿真，用户在开发系统上完成的软件进行修改地址或在硬件设计时进行必要的调整与限制才能使用，即不能实现“一次仿真”等等，这些都给用户开发带来了极大不便，功能不断完善和质量的不断提高是单片机开发系统近年来发展的一个重要特点。品种多是近年来发展的另一重要特点。在品种方面，有PC机插卡式的，如北京科力新技术发展总公司的EMD-51单片机仿真器；有RS232C通讯方式的，如北京中软计算研究所的ATD系列开发系统，西南交大的JD-l10 通用多功能单片机开发系统，北京市单片机应用技术协会的BJ-98仿真器，北京金钟电子有限公司的8089单片机开发板；有模块式的，如复旦大学、苏州三电有限公司的SICE系列仿真器，14所的JDS-98单片机仿真开发系统，北工大、启东计算机厂等的STD系列模板；有单板式的，如启东、计算机厂的DVCC-51、98系列开发系统,珠海万利电子厂有限公司的MICE-51单板机仿真开发系统。除了开发Intel公司的MCS-51、98系列单片机开发系统外，还开发了日立公司IID64180的TP-180单板机（广东韶关计算机厂)、NEC公司uPD78系列的uPD7810/11单片机开发系统(广东工学院)、Motorola公司的MC68系列的开发系统(复旦大学和启东计算机厂)，除了单品种开发系统外，还有南京通讯兵工程学院的多微处理器仿真开发装置、湖北省机电研究院的通用微机开发系统和启东计算机厂的DVCC-MP多处理器开发系统。既有经济型的开发系统，也有像北京三环计算技术研究所的MDS-55系列高性能通用型微处理器开发系统。除了有8/16位单片机开发系统外，还有32位的80386单板机(北京航空航天人学)等。除此之外,国内有些科研单位和企业引进了部分开发系统，例如香港安得利电子有限公司MICE微处理器仿真器和Intel公司的ICE5100在线仿真器。10 二、论文（设计）研究的内容1、所要解决主要问题：（1）建议机器人制作问题（2）外用电路的解决问题（3）AVR单片机的组成、工作原理及其端口的应用10 三、论文（设计）工作安排1、析目前现有舵机的控制方法，采用单片机作为机器人的控制器控制舵机的输出角度，以满足机器人运动性能的要求。采用单片机产生PWM信号对舵机进行控制，由于单片机系统是一个数字系统，其控制信号的变化完全依靠硬件计数，所以受外界干扰较小，整个系统工作可靠。基于单片机的舵机控制方法具有简单、精度高、成本低、体积小的特点，并可根据不同的舵机数量加以灵活应用。2、析建立舵机运动的数学模型并根据自动控制原理确定及测量舵机的控制参数。3、PID控制法实现对舵机的控制以满足控制要求。4、于MATLAB仿真软件适用于复杂的动态系统，并可以在仿真过程中对仿真参数进行更精确的描述。通过MATLAB仿真观察所选参数的合理性，最后根据所选参数，建立舵机的控制系统。5、论文（设计）进度计划第1-2周：查阅相关文献，收集资料，了解设计内容第3-4周：撰写开题报告第5-6周：完成系统总体方案设计第7-10周：选好相应的舵机和单片机硬件，做好简易的控制实体。第11-13周：编写控制程序并调试完成；第14周：撰写论文，完成外文文献翻译；第15周：完善毕业设计各项内容，准备答辩10 四、需要阅读的参考文献[1]吴斌华，黄卫华，程磊编.基于嵌入式系统的拟人机器人控制器设计[M].北京：学术电子期刊，1989．[2]梁峰，王志良.多舵机控制在类人机器人上的应用[M]．长沙：学术电子期刊，2000．[3]冯文旭等著.单片机原理及应用[M].北京：械工业出版社，1996．[4]李朝青编著.单片机原理与接口技术[M].北京：北京航空航天大学出版社,2010[5]吴华波，钱春来.基于AT89C2051多路舵机控制器设计[M].浙江：嘉兴学院,1999．[6]王耀南著.机器人智能控制工程[M].北京：科学出版社,2004．[7]周兴华.AVR单片机C语言高级程序设计[M].北京:中国电力出版社,2008.3.[9]王敏，金波斯科，黄心汉.基于传感器和模糊规则的机器人在动态障碍环境中的智能运动控制[J].控制理论与应用，2000(6)：819-825.[10]杨进.应用AVR开发智能移动机器人的控制系统[J].MICROCOMPUTERAPPLICATIONS,2010,26(6):15-17．[11]AntonioLópezPeláez，Dimitris．uRobots，genesandbytestechnologydevelopmentandsocialchangestowardstheyear2020[J]．TechnologicalForecasting&SocialChange，2008（75）：1176–1201．[12]LiR，WallanceA，spefR，etal．Two-axismodeldevelopmentofcage-rotorbrushlessdoubly-fedmachines[J]．IEEETransonEnergyConversion，1991，6（3）：453-460．[13]Microcontrollerbaseddualmulti-channeldataacquisitionsystemdesign,[Papers]"JournalofScientificInstrument"，LinZhuliangWuLinYangJinhua。[14]UsingfederationsforflexibleSCMsystems，JackyEstublier,Anh-TuyetLe,JorgeVillalobos，May2003[15]DefiningandsupportingconcurrentengineeringpoliciesinSCM，JackyEstublier,SergioGarcía,GermánVega，May2003[16]Exploringpowerreductionoptionsforasingle-chipmultiprocessorthroughsystem-levelmodeling，PatrickAnthonyLaFratta,JamesM.Baker,Jr.April2006JournalofEmbeddedComputing,Volume2Issue2[17]ApplicationofAMESimandMatlabsimulationonhydraulicservocontrolsystemofspinninglathe，FeikuZhang,HuiLi,XudongYang，July2013SCSC'13:Proceedingsofthe2013SummerComputerSimulationConference。[18]FilipM.SZYMAńSKI,MarcinGRABOWSKI,KrzysztofJ.FILIPIAK,etal.AdmissionSt-segmentElevationinLeadAvrastheFactorImprovingComplexRiskStratificationinAcuteCoronarySyndromes[J].AmericanJournalofEmergencyMedicine,2008,26(4):408-412.10 文献综述机器人是一种可编程和多功能的操作机；或是为了执行不同的任务而具有可用电脑改变和可编程动作的专门系统。从它的定义上我们可以看出，它既可以运行预先编排的程序，还可以根据以人工智能技术制定的原则行动。机器人是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。它的任务是协助或取代人类的一些危险或是重复繁琐的工作。驱动装置是驱使执行机构运动的机构，按照控制系统发出的指令信号，借助于动力元件使机器人进行动作。它输入的是电信号，输出的是线、角位移量。机器人使用的驱动装置主要是电力驱动装置，如步进电机、伺服电机等。市面上常见的机器人主要使用伺服电动机对机械臂进行控制，所以伺服电动机对于机器人的研发起到重要的作用，因此对于伺服电动机的研究就显得非常的重要。这正是该论文的重要性。随着机器人技术的发展，机器人的驱动装置中诞生了一个新的词汇，那就是舵机，在各式各样的机器人中，舵机逐渐变成了最关键、使用最多的部件。能将信号转换成转轴的角位移或角速度，这就是舵机的功用。而随着社会科技的发展，舵机控制的发展成为了越来越重要的主题。依据控制方式的特点，舵机应该称为微型伺服马达。早期在模型上使用最多，主要用于控制模型的舵面，所以俗称舵机。用作自动控制装置中执行元件的微特电机，又称执行电动机。其功能是将电信号转换成转轴的角位移或角速度。舵机外壳、电路板、无核心马达、齿轮与位置检测器所构成。舵机是一种位置伺服的驱动器，适用于那些需要角度不断变化并可以保持的控制系统。其工作原理是：控制信号由接收机的通道进入信号调制芯片，获得直流偏置电压。它内部有一个基准电路，产生周期为20ms，宽度为1.5ms的基准信号，将获得的直流偏置电压与电位器的电压比较，获得电压差输出。最后，电压差的正负输出到电机驱动芯片决定电机的正反转。当电机转速一定时，通过级联减速齿轮带动电位器旋转，使得电压差为0，电机停止转动。目前现有的控制方法有：PID控制、自适应控制、滑膜变结构控制、模糊控制。PID控制：10 在以往传统的控制策略中，经典PID控制作为代表，具有结构简单、稳定性好、可靠性高等优点，所以在伺服控制系统中得到了广泛地应用。然而经典PID控制只适合于有精确数学模型的控制系统，当系统中存在未知或随机变化量时，这种控制方式就不能取得良好的控制效果，甚至会引起系统的不稳定。自适应控制：针对伺服系统结构与参数变化、各种非线性的影响，于是出现自适应控制。现在控制对象便得越来越复杂，当人们不知道被控对象的动态特性或者被控对象发生了某些不可预测的变化时，为了得到高性能的控制器。从而提出了这种控制方法。自适应的控制的控制目的是：使被控对象的运动状态或轨迹符合预定的要求。面对客观存在的各种不确定性，它能在控制过程中，进行不停的测量系统本身的输入量、状态量、输出量、或者各种动态性能参数，逐渐的掌握被控对象的各种信息，并根据从系统中获得的参数，根据特定的方法，得出控制决策来改变控制器的结构、参数和控制作用，一般在某个性能指标下，使控制效果达到最优或近似最优。自适应控制的优点：具有能适应坏境变化和满足系统要求的能力；学习能力；在内部参数失败时，有恢复的能力；良好的鲁棒性。然而自适应控制也存在一定的弊端，如：数学模型和运算繁琐，使控制系统复杂；辨识和校正都需要一个过程，所以对一些参数变化较快的系统，会因为来不及校正而难以产生很好的效果。滑模变结构控制：伺服系统的另一种控制方法—滑模变结构控制。这种控制方法本质上是一类特殊的非线性控制，其非线性体现在控制方法的不连续性。这种控制策略与其他控制策略的不同之处是控制系统的结构不固定，在动态过程中，根据系统当前的状态有目的地进行不断变化，迫使系统运动在预定的滑模面上。因为滑动模态能够进行设计，被控对象参数的变化也与其无关，所以变结构控制具有很多优点，如能快速响应输入、参数变化及给予扰动对其控制影响比较慢等优点。而且滑模变结构控制系统不需要在线辨识，而且控制实现比较简单。然而滑膜变结构控制也有它的缺点：当状态轨迹到达滑模面后，就不能严格的沿着滑模面运动向平衡点，而可能使其在滑模面的两侧来回穿越，这样就产生了震荡。这种震荡不但会影响控制的精度，增加资源消耗，而且会很容易激发出系统中的高频未建模动态特性，进而破坏系统的动态性能，甚至使系统失稳，损坏控制器部件。因此，关于变结构控制信号抖振消除的研究成为变结构控制研究的首要问题。模糊控制：10 由于以上两种控制方法的缺陷，于是又出现了模糊控制。模糊控制属于智能控制，模糊控制有三个基本组成部分：模糊化、模糊决策、精确化计算。模糊控制过程简单的可以描述为：把被控对象的测量值从数字量转化为模糊量，然后对模糊量按给定的模糊逻辑推理规则进行模糊推理，得出模糊控制器控制输出的推理结果，再把推理输出结果的模糊量转化为实际系统能够接受的精确数字量或者模拟控制量这次设计的核心控制部件采用TX-1C单片机开发板进行详细说面。51单片机是目前市场上使用比较多的单片机，TX系列单片机实验板完全支持51系列的单片机，对于S系列的51单片机可进行在线下载程序，用产品套件附带的ISP并口下载线将开发板与计算机并口相连，按照ISP下载操作教程便可直接下载程序。本次使用TC公司生产的C51单片机,它是一款性价比非常高的单片机，它完全兼容ATMEL公司的51单片机，除此之外它自身还有很多特点，如：无法解密、低功耗、高速、高可靠、强抗静电、强抗干扰等。其次STC公司的单片机内部资源比起ATMEL公司的单片机来要丰富的多，它内部有1280字节的SRAM、8-64K字节的内部程序存储器、2-8K字节的ISP引导码、除P0-P3口外还多P4口(PLCC封装)、片内自带AD(AD系列)，片内自带EEPROM、片机自带看门狗、双数据指针等。目前STC公司的单片机在国内市场上的占有率与日俱增。TX系列单片机开发板完全可做各种51单片机的实验板，用汇编语言或C语言对其进行编程。当用STC公司的单片机时，直接用产品套件附带的串口线将开发板与计算机串口相连，按照STC单片机下载操作教程便可下载程序，而且下载速度比起其它下载工具要快的多。基于单片机的舵机控制方法具有简单、精度高、成本低、体积小的特点，并可根据不同的舵机数量加以灵活应用。在机器人机电控制系统中，舵机控制效果是性能的重要影响因素舵机可以在微机电系统和航模中作为基本的输出执行机构，其简单的控制和输出使得单片机系统非常容易与之接口在实际应用中，采用51单片机简单方便地实现了舵机控制需要的PWM信号，机器人舵机控制的测试表明，舵机控制系统工作更加稳定。所以研究单片机控制舵机具有重要的价值。10 审核意见指导教师评阅意见（对选题情况、研究内容、工作安排、文献综述等方面进行评阅）签字：年月日教研室主任意见签字：年月日学院教学指导委员会意见签字：年月日公章：10