基于单片机控制的搬运机器人开题报告

北京北京 XX 大学毕业设计 论文 开题报告大学毕业设计 论文 开题报告 题目 基于单片机控制的搬运机器人设计 专业 电子信息工程 指导教师 学院 学号 班级 姓名 一 课题任务与目的一 课题任务与目的 本课题是设计并制作一台基于单片机控制的搬运机器人 该机器人能在规 定区域内沿寻迹线行走 按要求停在指定地点 通过操作手的控制实现对货物的 抓取 升降及放下等操作 机器人控制系统以 51 单片机作为检测和控制的核心 采用相应传感器检测各种信号 采用 PWM 控制方式实现寻迹行走速度 行走 方向及机器手的各种运动控制 课题设计要求完成以下工作与任务 1 基于 51 单片机的智能搬运机器人的电路与机械设计 实现 51 单片机与循迹单元的传感器 移动单元的电机和抓取单元的舵机与 电磁铁的电路的设计与制作 进行单片机对各执行单元的控制命令的编程 2 通过实验完成成品并进行基础搬运工作 二 调研资料情况二 调研资料情况 1 机械人的发展情况 从 1959 年美国第一台工业机器人到本世纪 80 年代初 机器人技术经历 了一个长期缓慢的发展过程 经过 40 年的发展 美国已经是机器人强国之一 在日本机器人的起步晚于美国五 六年 在经历了摇篮期和实用期后 在 1980 年进入普及提高并广泛应用期 一跃成为 机器人王国 在出口和使用方面 都居于世界的榜首 但自 20 世纪 90 年代中期 随着欧洲和北美工业机器人的 崛起 国际市场由日本转向欧洲和北美 在经过几年低迷后 在 21 世纪初期随 着我国和周边几个国家对工业机器人的大量需求 日本的工业机器人又重新焕 发了生机 而我国的机器人起步较晚 经过 七五 起步 八五 和 九五 进行攻关 在近几年取得了较大的发展 截止 2007 年底 我国共有工业机器人 2 39 万台 是日本的 1 15 北美的 1 7 其中完全国产工业机器人占三成左右 其余都是从日本 美国 德国等 20 多个国家引进 从 20 世纪 90 年代以来 机 器人技术的应用已经从制造领域扩充到非制造领域 研究发展基于非机构环境 极限环境下的先进特种机器人技术已经成为主要方向 这种研究有不断的向智 能化 模块化 系统化 以适应多样化 个性化的需求 适应各种多变的作业 环境 2 机器人的分类 按用途分类 主要分为军用机器人和民用机器人 军用机器人又分为地面 军用机器人 无人机 水下机器人和空间机器人 而民用机器人又分为工业机 器人 服务机器人 娱乐机器人 类人机器人和农业机器人 按主要功能分类 操作机器人 移动机器人 信息机器人和人机机器人 按技术级别分类 第一代工业机器人 第二代工业机器人和第三代工业机 器人 按坐标系统分类 直角坐标型 圆柱坐标型 球坐标型和关节型 按受控方式分类 点位控制型和连续控制型 按驱动方式分类 液压驱动 气压驱动和电气驱动等 3 机器人的应用 在 70 年代初期 机器人应用在点焊 喷漆和弧焊先后出世 70 年代末这 些机器人在汽车行业开始广泛的应用 很快的就推广到了整个工业部门 到今 天工业机器人已经在应用在很多领域中 大体上可以分为两大类 一类是制造 类 另一类是服务类 当然 利用机器人最多的是制造类 所以我们详细的介 绍机器人在工业中的应用 在制造业中 机器人已经可以进行毛坯制造 机械加工 焊接 热处理 表面涂覆 装配及仓库堆垛等作业中 点焊作业是工业机器人的典型应用领域 80 年代初 各汽车厂在点焊工艺 中采用 工业机器化 的生产方式 使得工业机器人的应用每年都成倍的增长 弧焊机器人的使用主要还是集中在汽车制造业 随着识别和跟踪焊缝的传 感器的应用 弧焊的机器人将进一步的升级 使弧焊机器人更好的应用 装配是产品生产的后续工序 在当今这个工业发达的年代 对于装配机器 人的需求每年都在增高 在电气设备制造业里 装配作业自动化程度比汽车行 业的需求还要高 在我国基本掌握了装配机器人机构的设计制造技术 移动机器人 以下简称 AGV 是广泛应用于智能生产线 自动化物流运输 无人车间等场合的一种无人驾驶的物资输送设备 具有智能 柔性 安全 高 效等特点 经过不断的发展 日趋成熟的 AGV 已经在汽车制造 电子 电力 纺织 造纸 医药 卷烟 食品 图书出版等多种行业得到了广泛应用 与今天的机器人相比 未来的机器人应具有更高的智能 随着计算机技术 专家系统技术 模糊控制技术 智能工程技术和人工神经网络技术等高新技术 的不断发展 更能提高工业机器人在制造业中的灵活应用 并具有视觉 力觉 等感知能力 能根据环境的变化做出相应的反应 快速的自我调整 4 机器人的控制方法 机器人的控制技术分为以下几种 1 基于模型的控制方法 和一般的机械系统一样 在机器人的结构及 机械参数确定后 其动态特性将由动力学方程即数学模型来描述 但在实际工 程中 由于机器人是一个非线性和不确定系统 机器人的精确数学模型是很难 得到的 所以这种方法很难实现 2 自适应控制 自适应控制是根据要求的性能指标与实际系统的性能 指标相比较所获得的信息来修正控制规律或参数 让系统能够保证最优或次最 优工作状态的控制方法 3 鲁棒控制 鲁棒控制是一种保证不确定系统的稳定性以及达到满意 控制效果的控制方法 它可同时仰制补偿结构和非结构不确定性的影响 4 PID 控制 机器人一般采用 PD 控制和 PID 控制 其优点是控制律 简单 易于实现 但其有两个缺点很明显 一是很难保证受控机器人具有良好 的动态和静态特性 二是需要较大的控制能量 5 机器人的各个 器官 人在搬运的时候主要用到手 脚 眼和大脑等身体器官 而机器人也需要这 些 器官 图 1 机器人的构成 机器人 手臂 脚眼睛 大脑 1 机器人的 大脑 控制系统 机器人在运动过程中需要处理很多数据 这就需要让机器人有个处理数据 的 大脑 处理器 PLC 其主要优点是灵活通用 可靠性高 抗干扰性强 编程简单 使用方便 接线简单 功能强 体积小 重量轻 易于实现机电一体化 采用 PLC 控制的机器人初衷是替代继电器 增强其相应功能 因此 它擅 长处理逻辑量 PLC 能够方便地对离散生产过程的顺序进行控制 PLC 用于机器人伺服系统的开启 停止 重启动与回零等输入的控制 DSP 其主要优点是接口简单 编程容易 稳定性好 精度高 可重复性好 集 成方便等 利用 DSP 的实时运算速度快的特点 用于机器人的控制系统 易于构成并 行处理网络 大大提高控制系统的性能 单片机 单片机的有点是功能强 编程简便 体积小 可靠性高 低电压 低功耗 价格便宜等 在智能机器人中单片机需要接收传感器传输的输入信号 达到对现场信息 分析 比较 判断 然后根据要求 输出 PWM 波信号 控制机器人的行为 2 机器人的 眼睛 检测装置 机器人在特定的工作中 需要自行发现需要处理的工作位置 这就需要机 器人有一个发现问题的 眼睛 传感器 在机器人的移动过程中需要 眼睛 认路 也就是循迹 而智能机器人有 很多种循迹方案 许多智能机器人采用 CCD 图像传感器获取路径信息 虽然控制精确 但成 本较高 而且数据处理算法复杂 超声波传感器是利用超声波的特性研制成的传感器 它对液体和固体的穿 透性强 并且不受环境影响 碰到分界面会产生明显的反射形成波形 但其驱 动电压较高 一般在 100V 1500V 之间 用在低压设备上需要脉冲变压 会带 来很多问题 光电传感器具有控制简单 数据处理方便 成本低 安装灵活以及不受可 见光干扰等特点 而且在稳定性和可靠性方面来说 也是比较突出的 3 机器人的 脚 驱动装置 现在轮式机器人为主流机器人 直流电机又具有体积小 重量轻 维护方 便 高效节能 易于控制等一系列的优点 常被用在轮式机器人的领域 所以 直流电机就成为轮式机器人不可或缺的一部分 4 机器人的 手臂 执行机构 机器人的机械臂组成有操作臂的杆件 活动关节 自由度 和抓取工具 机械臂的活动关节可以用舵机进行控制 它使用简单 动力强劲 可以按 照信号的要求精准的控制关节位移的角度 抓取工具安装在机械臂的自由端 根据不同的场合 它可以是一个夹具 一个焊枪 一个电磁铁或是其他装置 三 初步设计方法与实施方案三 初步设计方法与实施方案 本设计方案所要做的机器人为 移动机器人 AGV 是工业机器人的一种类型 它由计算机控制 具有移 动 自动导航 多传感器控制 1 系统设计思想 基于单片机实现机器人的循迹与位置检测 并到预定位置进行搬运 用单 片机发出 PWM 波进行控制移动的直流电机和舵机的目的 2 系统主体结构框图 图 2 主体结构框图 3 设计方案 控制系统 选用单片机作为控制芯片 型号为 STC89C52RC 单片机 它 是一种低功耗 高性能的单片机 拥有 8k 字节的程序存储空间 512k 字节的 数据存储空间 32 位 I O 口以及内带 2k 字节 EEPROM 存储空间 单片机 电机驱动运动单元 舵机 电磁铁机械手 循迹 位置检测单元 检测装置 选用光电传感器作为检测器件 通过 A D 转换装置与单片机 的 I O 口相连接 被测信号 图 3 传感器系统 运动装置 采用三轮结构 前轮为万向轮 起支撑作用 后两轮用两 个直流电机独立驱动 具有转弯灵活 控制简单等特点 执行机构 采用两舵机 即两个自由度 进行机械臂的控制 采用电 磁铁连接在机械臂的自由端作为抓取工具 用单片机控制舵机以及电磁铁的动 作 4 软件编程 利用 Keil uVision3 编程软件与 C 语言实现多路 PWM 波的产生 并且根据 传感器传回的信号 对电机和舵机进行有效的控制 四 预期结果四 预期结果 1 基于单片机应用设计的硬件电路原理图 2 基于单片机应用设计的软件流程图及软件程序语言 3 完成搬运机器人电路与系统 实现设计要求 五 进度计划五 进度计划 学期周次任务内容 第 7 学期 19 进行机器人领域的资料调研 第 7 学期 20 写开题报告 第 8 学期 1 完成开题报告并开题 第 8 学期 2 购买各部分元件 第 8 学期 3 了解各元件的工作原理及特性 第 8 学期 4 设计小车循迹电路 第 8 学期 5 调试小车 传感器信号整型器 A B 单片机 第 8 学期 6 设计机械臂 第 8 学期 7 机械臂与小车的连接调试 第 8 学期 8 写论文并进行软件的编程 第 8 学期 9 对搬运工作的实验 第 8 学期 10 对搬运工作精准的调试 第 8 学期 11 修改论文准备答辩 第 8 学期 12 毕业答辩 参考文献参考文献 1 机器人学导论 原书第 3 版 克来格 貟超 著 机械工业出版社 2 PID 控制器参数整定与实现 黄友锐曲立国 著 科学出版社 3 伺服与运动控制系统设计 田宇 著 人民邮电出版社 4 机器人控制系统的设计与 MATLAB 仿真 刘金琨 清华大学出版社 5 DSP 在机器人控制系统中的应用 刘建群 黄浩权等著 组合机床与自动 化加工技术 2001 年第 2 期 6 单片机在智能机器人中的应用 李维谦 吴耀彬 著 福建电脑 2002 年第 9 期 7 低成本教育型机器人控制器的设计与实现 李学荣 吴金波 孙容磊 著 华中科技大学学报 2004 年 10 月 8 仿人机器人的发展现状及展望 卢璥 著 科技信息 2012 年第 21 期 9 工业机器人的应用及发展趋势 杜志俊 著 机械工程师 2002 年 5 月 10 工业机器人的应用现状与展望 李如松 著 组合机床与自动化加工技术 1994 年第 4 期 11 国内外工业机器人的发展现状 毕胜 著 机械工程师 2008 年第 7 期 12 机器人的应用现状及发展趋势 王亚辉 何耀民 著 经济师 2005 年第 8 期 13 机器人控制技术的认识论思考 杨树栋 著 山西高等学校社会科学学报 2005 年 2 月 14 机器人控制器的二次开发 戴栋 陈海秀等著 重庆理工大学学报 自然 科学 第 26 卷第 7 期 15 基于 16 位单片机机器人控制技术的研究 赵汝海等著组合机床与自动 化加工技术 2007 年第 10 期 16 基于 DSP 的移动机器人驱动系统设计 孙涛等著 工业控制计算机 2011 年第 24 卷第 8 期 17 基于 PLC 的焊接