大学生创新训练项目申请书基于stm32的电动式机械手控制系统的研究与设计.docx
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大学生创新训练项目申请书基于stm32的电动式机械手控制系统的研究与设计
大学生创新训练计划项目申请书
项目编号
项目名称
基于stm32的电动式机械手控制系统的研究与设计
项目负责人
许慧
联系电话
学号
电子信箱
所在学院
电气工程学院
年级、专业
指导教师
李珍国
联系电话
填表日期
2014年4月29日
燕山大学教务处制
填写说明
一、本申请书要按照《燕山大学“大学生创新训练计划”管理办法》的相关要求，逐项认真填写，“项目编号”一栏不填。
二、项目申请书填写内容应实事求是、明确严谨、言简意赅，思路清晰，论证充分。
一、基本情况
项目名称
基于stm32的电动式机械手控制系统的研究与设计
选题来源
学生自主创新项目指导教师课题子项目
学科竞赛延伸项目其他
申请经费
3000元
起止年月
2014年5月至2015年5月
项
目
团
队
情
况
序号
姓名
学号
所在学院
专业班级
联系电话
项目中分工
负责人
许慧
分配任务，初期整合收集资料，设计及实验操作
成员1
张艳娇
初期收集资料，设计及实验操作
成员2
白江鹏
初期收集资料，主要负责编程，实验操作
成员3
刘新伟
初期收集资料，设计及实验操作
项目团队简介（内容应包括自身具备的知识条件、特长、兴趣、科研经历及已有的知识基础）
我们团队是电气工程及其自动化专业的自行组队，必将有强电与弱电的基础理论结合，同时我们有数字电路、模拟电路、单片机、电路原理、电机与拖动基础、c语言等课程技术的支持，我们还将不断学习和了解与本次研究项目有关的知识，我们有信心完成本次的创新训练。
许慧：
作为本次项目的组长，学习成绩优异并多次获得特等奖学金，善于团结同学，责任心强，有较好的语言表达能力，想象力丰富，逻辑清晰，有扎实的专业知识基础，希望通过本次机会锻炼自己。
张艳娇：
学习成绩优异，理论知识扎实。
自身性格方面，思想积极向上，乐观开朗，曾参加了燕山大学暑期实践活动，并取得了优秀小分队的称号，并在2013年燕山大学世纪杯科技竞赛中作品获得了一等奖荣誉。
白江鹏：
学习态度端正，具有良好的学习和创新兴趣，动手能力强，思维活跃，并熟练掌握对单片机编程和软件操作知识。
业余爱好为自行设计小型自动控制小车。
刘新伟：
学习成绩良好，专业知识扎实，具备良好的创新及团队合作能力，动手操作能力强，并自行组队成立暑期实践小分队，被评为校级优秀先进小分队及先进个人。
指导教师
联系电话
所在学院
学历
博士
职称
副教授
研究方向
电机控制（包括常用电机与特种电机）
PLC控制
电力电子
指导教师简介（内容应包括承担科研课题情况及已有的工作积累和成绩等）
一、教学信息：
1.电机学（本科大二春季学期）
2.现代电力传动控制理论与系统（硕士研究生学位课秋季学期）
3.现代电力传动系统的控制与设计（博士研究生学位课秋季学期）
二、科研信息：
1、学科及研究方向：
电机控制（包括常用电机与特种电机）
PLC控制
电力电子
2、科研项目信息：
1.教育厅项目：
高效率开关磁阻电机瞬时转矩控制系统（负责人）
2.留学回国人员科技活动择优资助项目：
基于非线性模型的开关磁阻电机驱动系统高性能控制研究（负责人，完成）
3.省自然科学基金：
直驱式风能开关磁阻发电机系统研究（负责人,完成）
三、教材著作编写情况：
交流电机控制基础
四、社会兼职：
1.中国电力电子学会会员
2.大韩电气学会会员（审稿人）
3.韩国电力电子学会会员（审稿人）
五、发表过的学术论文达17篇左右：
17）"Single-PhaseSRMDriveWithTorqueRippleReductionandPowerFactorCorrection",IEEETRANSACTIONS
ONINDUSTRYAPPLICATIONS,VOL.43,NO.6,2007
16）"InstantaneousTorqueControlofSRMwithaLogicalTorqueSharingMethod",PESC2007
15）"基于四电平功率变换电路的开关磁阻电机瞬时转矩控制",电工技术学报、第22卷、第8期,2007
14）"基于DITC的开关磁阻电机转矩脉动最小化研究",电工技术学报、第22卷、第7期,2007
13）"基于二维模糊推理的开关磁阻电机无位置传感器速度控制",电工技术学报、第22卷,2007
12）"基于模糊控制的光伏电池系统最大功率点跟踪",电工技术学报、第22卷,2007
11）"DITCofSRMDriveSystemUsing4-levelConverter",ICEMS2006
10）"TorqueRippleReductionDriveofSingle-PhaseSRMwithPFC",IAS2006
9）"PerformanceAnalysisofSingle-phaseSRMDriveSystemwithSingle-stagePowerFactorCorrection",The
TransactionsofTheKIPE,Vol.11,No.4,2006
8）"MicrocontrollerbasedSingle-phaseSRMDrivewithHighPowerFactor",TheTransactionsofTheKIPE,
Vol.11,No.1,2006
7）"VibrationRejectionSchemeofServoDriveSystemwithAdaptiveNotchFilter",37thIEEEPower
ElectronicsSpecialistsConference,2006
6）"HighSpeedSRMDriveSystemwith4-levelInverter",JournalofResearchInstituteofEngineering&
Technology,Vol.12,No.12,2005
5）"PerformanceAnalysisofSRMDriveSystemforHoistApplication",JournalofResearchInstituteof
Engineering&Technology,Vol.12,No.12,2005
4）"RobustControlagainstRotorResistanceVariationforSpeedSensorlessInductionMotors",IEMDC2005
3）"On-lineIdentificationofRotorResistanceforSensorlessInductionMotorsUsingVariableRotor
Flux",Trans.KIEE.Vol.54B,No.2,FEB,2005
2）"SensorlessControlofInductionMotorswithSimultaneousEstimationSpeedandRotorResistanceinthe
VeryLowSpeedRegion",Trans.KIEE.Vol.53B,No.9,SEP,2004
1）"SensorlessControlofInductionMotorswithSimultaneousOn-lineEstimationofRotorResistanceand
SpeedBasedontheFeedforwardTorqueControlScheme",IEMDC2003
二、立项依据（可加页）
（一）项目简介（200字以内）
本项目为基于stm32单片机的对机械手臂的直流伺服电机的控制系统的研究与设计，意欲通过pid算法的计算通过传感系统对通过传感器脉冲采集的电路和译码成单片机能用的数据的电路和控制器连接把伺服电机运行的真实情况反应给控制器以实现stm32单片机对直流伺服电机进行控制，以增强机械手在生产工作中的生产效率和精度。
（二）研究目的
在目前广泛应用的人机工程学科中，工业机器人技术越来越受到重视，工业生产领域中应用的机械手又叫做“工业机械手”，是工业机器人学科的一个分支。
在实际的生产过程中，应用机械手系统不但可以提高生产的自动化水平和劳动生产率，还可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产。
传统机械手的运动主要有伸缩、回转、垂直六个方向，各方向运动功能实现依靠气缸，由 PLC 控制的电磁阀的得电、失电来实现。
而本次设计选用以stm32单片机为基础的伺服电机控制系统，是基于stm32单片机的以下优点：
高性能，低成本，低功耗，运行速度快，平稳可靠。
另外采用pid算法设计，和传感器技术相结合以实现机械手臂的直流伺服电机的高速，准确的控制系统。
此外，本次研究的选题紧密结合以后学习的课程，本着在研究中不断提高自己的专业知识水平，锻炼自己的创新和实践能力的目的展开研究。
（三）国内外研究现状和发展动态
工业机械手是一种用于再现人手功能的自动控制装置。
对其研究源于 20 世纪40年代末，最早由美国橡树岭国家实验室开始研究搬动核原料的遥控机械手，逐渐发展成为现代自动控制领域的新技术，涉及力学、机械学、电器液压技术、传感器技术和计算机技术等的综合，成为一门新兴学科。
经过美国几年的科研攻关，于 1958 年联合控制公司研制出了世界第一台机械手，在机体上安装一个回转长臂，并在端部装有电磁铁的工件抓放机构。
之后经过四年的发展由美国的机械铸造公司制造了一台数控示教再现型机械手，取名为Unimate（即万能自动），运动系统采用仿造坦克炮塔，臂回转、俯仰是用液压驱动。
后来的许多机械手就是按此模型为基础发展起来的。
1962 年美国的机械铸造公司制造又成功研制了一款叫Versatran 机械手，能实现点位和轨迹控制，实现灵活搬运。
这些成果为全世界的工业机械手发展奠定了扎实基础。
我国机械手应用主要分布在上海、辽宁等，华东地区占全国 56%左右。
主要应用于焊接、装配、喷涂、搬运等制造行业机械手；水下机械手、农业机械手、微操作机械手、医疗机械手、军用机械手、娱乐机械手等非制造业机械手。
其控制方式主要基于单片机技术和 PLC 技术为核心，且 PLC 应用发展趋势更为出众。
1972年我国第一台机械手在上海开发成功。
随后各大型公司都逐渐开始研制和应用机械手。
从1986年到1990年政府的第七年“五年计划”就将工业机械器人列入了优先发展的地位，通过立项投入了较大的人力与物力研究工业机器人应用于工农业生产的活动。
并且研究制造了相关的工业机器人成果，如北京机械自动化研究所设计制造的喷涂机器人；大连机床研究所设计制造的氩弧焊机器人等等。
相关的专用机器人的配套部件如专用轴承、传感器、伺服电动机等也研制出来并广泛使用。
其中的关键性部件――控制器是由中国科学院沈阳自动化研究所和北京科技大学机械人研究所共同科研攻关的成果。
随着计算机技术、机械制造技术及自动控制理论的发展，我国在许多工业上采用了机器人控制技术，尤其是近年以来，柔性制造技术和工厂的自动化技术不断应用生产实践，代替了许多繁重的体力劳动，改善了工人的劳动条件，也体现了工业机器人应用生产的强大生命力，不断推动科技更新，设备更新。
Stm32单片机的推出标志着ST公司在两条产品主线（低价位主线和高性能主线）上迈出了重大一步。
STM32最初发布时有14个不同型号，分为两个版本：
最高CPU时钟为72MHZ的“增强型”和最高CPU时钟为36MHZ的“基本型”。
这些不同STM32型号里内置的Flash最大可达128KB，SRAM最大为20KB，在STM32发布之初，配置更大Flash,RAM和更复杂外设的版本就已经在规划之中了。
不管是什么版本，什么型号的STM32器件，它们在引脚功能和应用软件上是兼容的。
这就使得开发人员在使用STM32系列微控制器时，不必改动PCB就可以根据需要随意更换器件型号。
PID算法在过程控制中，按偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）进行控制的PID控制器（亦称PID调节器）是应用最为广泛的一种自动控制器。
它具有原理简单，易于实现，适用面广，控制参数相互独立，参数的选定比较简单等优点；而且在理论上可以证明，对于过程控制的典型对象──“一阶滞后+纯滞后”与“二阶滞后+纯滞后”的控制对象，PID控制器是一种最优控制。
PID调节规律是连续系统动态品质校正的一种有效方法，它的参数整定方式简便，结构改变灵活。
（四）创新点与项目特色
本项目采用stm32单片机编程软件并加入pid算法（在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。
PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。
）作为机械手的控制系统，以通过反馈调节实现机械手的精准控制。
在驱动电机的选择上控制性能好，控制灵活性强，可实现速度位置精确控制且较经济易于维修的直流伺服电机作为驱动系统。
通过控制与驱动方式的设计预计将提高机械手工作中的经济性和准确性。
（五）技术路线、拟解决的问题及预期成果
技术线路：
首先通过对机械手系统的设计，包括程序设计、电路设计、手臂的机构设计等作出示意图纸，然后通过仿真软件对控制系统、驱动系统进行模拟与验证，最终制作出简易模型；
拟解决的问题有：
单片机与算法控制的调试，控制电路的设计及伺服电机型号的选择等；
预期成果为：
通过本次项目的研究实现仿真状态下的单片机控制的电动式机械手的设计，并最终可以制作出反映设计目的及创新性的模型。
（六）项目研究进度安排（查阅资料、选题、自主设计项目研究方案、实验研究、数据统计、处理与分析、研制开发、填写结题表、撰写研究论文和总结报告、参加结题答辩和成果推广等）
2014年4月到5月：
查询资料，选题
2014年5月到6月：
自主设计项目研究方案
2014年6月到2014年11月（暑期放假时间除外）：
模拟验证设计的方案，并进行数据统计，处理和分析
2014年11月到2015年1月：
根据模拟结果的不断改进确定最终设计结论，研制模型
2015年3月到4月：
填写结题表，撰写研究论文和总结报告、参加结题答辩。
2015年5月：
成果推广
三、经费预算
开支科目
预算经费（元）
主要用途
阶段下达经费计划（元）
前半阶段
后半阶段
预算经费总额
3000
1、业务费
200
分析、测试及资料费用
（1）计算、分析、测试费
100
研究初期的计算分析数据费用
（2）会议、差旅费
0
（3）文献检索费
50
（4）论文出版费
0
（5）资料费
50
资料购买及下载费用
（6）调研费
0
2、材料费
800
零件的购买费用
3、实验装置试制费
1000
仿真系统模拟费用
4、仪器设备购置费
1000
电路板、传感器、电机内部装置的购买费用
学校批准经费
四、指导教师意见
基于stm32的电动式机械手控制系统主要由以stm32为主的控制器和伺服电机及机械手机构构成。
该系统的研究和设计需要学生扎实的本专业基础、较强的动手和编程能力，需要的知识面将贯穿着已经学到和将来要开设的课程。
项目的完成，有助于学生将来独立完成科学研究工作并将积累一定经验，有助于学生巩固和加深理解所学专业知识。
本项目团队成员品学兼优、学习刻苦、肯钻研的较强信念等优点，综合素质较高。
导师签名：
2014年 4月29 日
五、院（系）评审专家意见
专家组组长签名：
专家签名：
年 月 日
六、院（系）意见
学院签字盖章：
年月日
七、学校评审专家意见
专家组组长签名：
学校盖章
年 月 日
升级会员 