基于单片机的六自由度机械臂控制系统设计毕业设计-开题报告.docx

1、燕山大学本科毕业设计（论文）开题报告课题名称：基于单片机的六自由度机械臂控制系统设计学院（系）：里仁学院年级专业：2011级检测技术与仪器学生姓名：刘健指导教师：潘钊完成日期：完成年3月20日一、综述本课题国内外研究动态，说明选题的依据和意义1 .选题的背景及意义随着世界日新月异的变化发展，自动化智能科技变得不再神秘。远至 太空，随着空间技术的飞速发展，特别是空间站、航天飞机、空间机器人 等的诞生及成功应用，机械臂作为在轨支持、服务的一项关键性技术已经 进入太空，并越来越受到人们的关注。近至我们的生产生活，基于生产力 的发展及新的要求，自动化机械臂技术也是自动化技术蓬勃发展的一个典 例【1】。

2、机械手主要以执行机构，驱动机构，控制机构和位置检测装置等构成。 其中执行机构由手臂，立柱，以及基座等构成。驱动机构是执行机构驱动 形成的传动装置。控制系统多为电气控制，它使机械手按照限定程序逻辑 运动。位置检测装置属于反馈环节，能够实时反馈给机械臂进行运动变化 的信息。本次课题设计以机械臂为题目的意义在于，既能够运用所学的电气自 动化和计算机单片机等相关知识，又能够进行二次学习。并且机械臂实用 性很强，不但对于我们运用知识的能力有锻炼的作用，更能够运用到以后 实际工作当中。2 .国内外研究动态国外机器人领域发展近几年有如下几个趋势：(1)工业机器人性能不断提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操

3、作和 维修)，而单机价格不断下降，平均单机价格从91年的10.3万美元降至97 年的65万美元。(2)机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、 减速机、检测系统三位一体化:由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器 人整机;国外已有模块化装配机器人产品问市。(3)工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标 准化、网络化;器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构:大大 提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。(4)机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速 度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机 器人则采用视觉、

4、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模 及决策控制;多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。(5)虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控 制，如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器 人。(6)当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于 操作者与机器人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥 控操作系统，使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。美国发射到火星上 的“索杰纳”机器人就是这种系统成功应用的最著名实例。(7)机器人化机械开始兴起。从94年美国开发出“虚拟轴机床”以来， 这种新型装置已成为国际研究的热

5、点之一，纷纷探索开拓其实际应用的领 域。我国的工业机器人从80年代“七五”科技攻关开始起步，在国家的支 持下，通过“七五”、“八五”科技攻关，目前己基本掌握了机器人操作机 的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术， 生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机 器人;其中有130多台套喷漆机器人在二十余家企业的近30条自动喷漆生产 线(站)上获得规模应用，弧焊机器人己应用在汽车制造厂的焊装线上。但总 的来看，我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距 离，如:可靠性低于国外产品；机器人应用工程起步较晚，应用领域窄，生 产线系统技术与

6、国外比有差距;在应用规模上，我国己安装的国产工业机器 人约200台，约占全球已安装台数的万分之四。以上原因主要是没有形成机 器人产业，当前我国的机器人生产都是应用户的要求，“一客户，一次重新 设计”，品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本也 不低，而且质量、可靠性不稳定。因此迫切需要解决产业化前期的关键技术, 对产品进行全面规划，搞好系列化、通用化、模块化设计，积极推进产业化 进程.我国的智能机器人和特种机器人在“863”计划的支持下，也取得了不 少成果。其中最为突出的是水下机器人，6000m水下无缆机器人的成果居世 界领先水平，还开发出直接遥控机器人、双臂协调控制机器人、爬

7、壁机器人、 管道机器人等机种:在机器人视觉、力觉、触觉、声觉等基础技术的开发应 用上开展了不少工作，有了一定的发展基础。但是在多传感器信息融合控制 技术、遥控加局部自主系统遥控机器人、智能装配机器人、机器人化机械等 的开发应用方面则刚刚起步，与国外先进水平差距较大，需要在原有成绩的 基础上，有重点地系统攻关，才能形成系统配套可供实用的技术和产品，以 期在“十五”后期立于世界先进行列之中。从1961年世界上第一个真正意义上的实用机器人在美国问世，到如今机器 人已经从一个梦想中的角色真真正正的走入了人类的生活，48年来，世界 各国都前赴后继地奔跑在“研究利用人工智能”这条新路上，特别是美国和 日本

8、已经逐步发展成为了 “人工智能强国”。而对于中国在人工智能领域的 发展现状，钟义信教授表示，中国人工智能学科起步晚，但在理论研究方面 已“赶超日本、追平美国”，完全达到了世界领跑水平，特别是中国科学家 协同配合国外传统研究方法，开发出的新的综合创新性研究体系，为世界科 那么，在人工智能的现实应用方面，中国的水平又如何呢？ “我国虽然在人 工智能的软件方面水平不低，但在硬件、机器制造方面水平还不高，和日本 等应用水平和普及度都较高的国家相比，中国还处于一个很初级的阶段。” 钟义信坦言，“这并不代表我们不能开发出具有强大功能的机器人，事实上 我国的实验室研究生产水平已经完全可以制造出与日本同等水平

9、的人工智 能成果。”钟义信表示，当前影响我国人工智能应用发展的原因主要是，工 业化生产水平相比于美日还存在较大差距，对资源和能源的消耗也都难以达 到需求，此外，一项先进的人工智能成果在刚开始投入市场生产时需要较高 的成本，这对于我国一些普通家庭来说还属于奢侈品，因此在市场需求和推 广上也难以跟上国外的脚步。“虽然有差距，但是我们也在不断的进行努力和尝试。”中国人工智能学会 副理事长何华灿介绍，在2006年中国就曾经进行过一次“中国象棋”的人 机大战，其过程和效果堪比美国的“深蓝”人机竞赛，另外，以哈工大为首 的国内众多高校的人工智能研发水平近年来发展迅猛，在一些国际水平的“机器人足球赛”、“机

10、器人起重大赛”等人工智能竞赛中都取得优异成绩 未来景象：机器人存在潜在威胁？尽管目前人工智能的发展还未达到人类智能的水平，但仍有很多人对此 产生顾虑。日本高级通信技术国际研究所硅脑制造工程负责人雨果德加里 斯就曾表示：总有一天，我创造出的东西可能会“像拍苍蝇一样把我拍死”。 对于这些担心，钟义信教授表示，人工智能的研究是希望机器的智能能够接 近于人类，但是人类所具有的最重要的智能表现一一创造性，却是机器人永 远都难以超越的，它只能遵照人类为它设定的程序来执行，因此机器人也永 远不会成为人类的“掘墓人”。另据何华灿教授介绍，当前国际人工智能领 域已将“给机器人设计制造者立法”提上了日程，希望能以

11、此来约束设计者 和使用者们合理合法、安全善意地使用机器人，让人工智能延伸扩大人类的 力量。3 .关于课题研究方向的简介常言心灵手巧，机械臂作为仿生学的一个分支，具备良好的灵活性和 实用性。并且由于其智能化的要求，能够更好地让我们结合自动化类专业 知识去研究它。本次课题的研究方向如下：研究核心在机械臂的驱动系统和控制系统, 采用六自由度关节式成品机械臂为研究对象，设计部分为以STM32为核心 的驱动控制系统以及位置检测系统。硬件如图-1。图一1二、研究步骤、方法及措施1 .掌握STM32单片机的工作原理与编程方法，掌握六自由度机械臂工 作原理与使用方法；2 .形成整体结构设计；按照模块化设计思想

12、，完成各功能模块与系统 调试；3 .系统性能要求：以STM32单片机为核心，控制机械臂按照合理的轨 迹运动，在遥控或自主控制下完成较精确的位置移动和抓取功能。本次课题设计思路如下：以STM32作为控制枢纽，以NRF24L01作 为信号输出，接收端，规划若干实用性较强的运动轨迹，完成机械臂的一 个控制系统。如果有精力，进一步增加遥控器以达到实时控制的效果。、研究途径与措施1、资料收集，收集STM32编程手册资料，各模块资料，以及机器 人设计和电路设计的相关资料并且整理。2、基于原有知识并进一步理论学习，掌握与本课题相关的各种专 业知识，以达到能够实时编程控制系统的程度。4 .系统的详细设计与研究

13、。5 、实验验证，在实验平台上进行实际验证。6 、改进完善，修改方案以达到设计的期望要求。四、研究工作进度第1-3周：毕业设计前期搜寻查阅资料，掌握STM32的基本工作原理，熟悉其基 本功能运作，完成系统总体设计。完成开题报告及文献 综述，进行开题审核。第4周：开题考核第5-8周： 毕业设计中期完成设计，基本完成系统调试，并撰写论文初稿。第9周：中期考核第11-15周：毕业设计后期完成系统测试工作，在功能模块基础上，对系统进行更 深设计加工，并完成论文。第16周： 答辩资格审查，论文评阅。第17周：论文答辩，成绩评定。五、主要参考文献1徐国保，尹怡欣,周美娟.智能移动机器人技术现状及展望J.机

14、器人技 术与应用,2007,(02)王建军，搬运机械手仿真设计与制作J.机器人技术与应用,2012-93蔡卫国，关节型搬运机械手设计J.机器人技术与应用,2008-114郑桦.丛爽，魏子翔.基于网络机械臂远程控制系统延时补偿的研究与实现J.机器人技术与应用,2007郭宗仁等，可编程控制器应用系统设计及通信网络技术M.通信网络技术.北京人民出版社,20026李允文工业机械设计手册J.北京机械工业出版社.机器人技术与应 用,1994-87张建民工业机器人M.机器人技术.北京理工大学出版社,19968李洪剑西方机器人技术D.机器人技术.哈尔滨工业大学,20089蔡自兴 机器人学M.清华大学出版社,2

15、00010李寿刚关节型机器人M.北京理工大学出版社,200211 Noshikondon,Ting K C. Robotics for bio-production system. ASAE paper, 1998.12Brock , D.L. and SalisburyJ.K. 1991 .implementation of Bahavioral Control on a Robot Hand/Arm. SystemJ.Brooks,R.A.1994.L. IS Robotics,Inc.13Ceres R, Pons FL, Jimenez AR.Design and implementation of an aided fruit-harvesting Robot J Industrial Robot, 1998,25(5):337-346.14Bue mi F,Massa M,Sandini Get al.The robot project J. Advanced Space Research. 1996.18(1/2):185-189.15Craig,John J.Introduction to roboticsJ.机器人技术.北京机械工业出版 社.2006六、指导教师意见指导教师签字：年 月日七、系级教学单位审核意见：审查结果：通过 口完善后通过 口未通过负责人签字：