机器人手臂及控制系统的设计与研究.pdf-资料库

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北京邮电大学硕士学位论文机器人手臂及控制系统的设计与研究姓名：陈志喜申请学位级别：硕士专业：机械设计及理论指导教师：廖启征;魏世民20050325

北京邮电夫学硕士学位论文独刨性(或创新性)声明本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。本人签名：一蝼：嫠董日期：如Df。孑、弓。关于论文使用授权的说明学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复E口件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。(保密的学位论文在解密后遵守此规定)保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。本人签名一≥堑：量毫导师签名：敏丛i垂勉d共卯页第2页

北京邮电太学硕士学位论文机器人手臂及控制系统的设计与研究摘要机器人技术综合了多学科的发展成果，代表了高技术的发展前沿，它在人类生活应用领域的不断扩大正引起国际上重新认识机器人技术的作用和影响。机器人学集力学、机械工程学、电子学、计算机科学和自动控制为一体，是--f-j综合性学科。机器人手臂是舞蹈机器人设计的一个重要部分，本论文就机器人手臂及控制系统的设计作了阐述。本论文的第一部分首先简要地介绍了机器人发展历程以及拟人型机器人的发展情况，然后介绍了本研究项目的背景和目标，提出了机器人自由度设置、机械设计和控制系统设计等三个研究要点。论文的第二部分介绍了机器人手臂的总体结构设计，提出了机器人的总体设计目标及任务，阐述了PRO-E下的CAD系统设计思想和设计过程，并对三维实体模型设计也进行了探讨。论文的第三部分介绍了本项目中所用到得动力源及传感器，对动力源及传感器的选用进行了详细的分析，并对电机和舵机的结构及原理及控制方法都有较详细介绍。论文的第四部分设计了机器人手臂的单片机控制系统方案，建立了以P[C16F76芯片为核心的硬件系统，然后确定了系统的软件结构，编写了汇编语言控制程序。最后，本文指出了一些不足之处，并提出了一些研究方向和改进意见。关键词：机器人手臂PRO-EPIC16F76控制系统共58页第3页

北京邮电大学硕士学位论文DESIGNANDRESEARCHOFROBoTARMANDITSCoNTROLSYSTEMABSTRACTThetechnologyofrobotsynthesizestheresearchanddevelopmentresultofmulti—subject，whichrepresentsthedevelopingdirectionofhightechnology．Thefieldofapplyingthetechnologyofrobotisconstantlyenlargedinthelifeofhumanbeings．Andthissituationisleadingthescientistsallovertheworntofocusontheeffectandinfluenceofthetechnologyofrobotagain．Thescienceofrobotisacomprehensivesubject，whichintegratesmechanics，mechanicalengineering，electronics，computerscienceandautomationcontr01．Thearrnofrobotisanimportantpartofthedesignofdancingrobot，thispaperanalysesthedesignofthearmofrobotanditscontrolsyStem．Thefirstpartofthispaperbrieflyintroducesthehistoryoftheevolutionofrobotandthesituationofthedevelopmentofhumanoidrobot，andthenpresentsthebackgroundandtargetoftheresearchprojectaswellasthreeresearchpointsofrobot—freedom-setup，mechanismdesignandcontrolsystemdesign．ThesecondpartofthepaperprimarilyintroducesthewholestructuredesignofthealTtlofrobot，nextpresentsthegeneralaimandtargetofthedesignandstatesthedesignideasanddesignprocessofCADsystemunderPRO-E．Atlast，itdiscussesthedesignoftree．dimensionaImodel．Thethirdpartofthispaperintroducesthepowersourcesandsensors共58页第4页

北京邮电走擘硕士学位论文usedintheprojectseparately．Thenitanalysestheselectionofthesepowersources￡111dsensorsindetail．Finally，itexplainsalotaboutthestructure，principleandcontrolmethodofDCmotorandservomotor．ThefourthpartofthepaperdiscussesthedesignoftheSCMcontrolsystemplanofthearmofrobot．ThehardwaresystemwhoseGoreisPIC16F76CMOSchipiSestablishedandtheSO羝VRI"estructureofthissystemisconfirmed，followedbythewritingofthecontrolprogramwithassemblelanguage．Thelastpartofthepaperpointsoutsomeshortcomingofitandpresentssomeresearchdirectionsandimprovements．KEYWORDS：RobotarrflPro-EPIC16F76Controlsystem共58页第5页

北京邮电大学硕士学位论文第一章绪论1．1机器人的发展过程现代机器人的研究始于二十世纪中期，其技术背景是计算机技术和自动化技术的发展。第一代遥控机械手1948年诞生于美国的阿贡实验室，当时用来对放射性材料进行远距离操作，以保护原子能工作者免受放射线照射。第一台工业机器人诞生于1956年，是英格尔伯格将数字控制技术与机械臂相结合的产物。第一台工业机器人的商用产品诞生于1962年。当时，其作业仅限于上料、下料。1968年，E]：i#lJl崎重工引进美国Unimation公司的Unimate机器人制造技术，开始了日本机器人的时代。经过近十年的努力，开发了点焊、弧焊及各种上下料作业的简易经济型机器人，成功地把机器人应用到汽车工业、铸造工业、机械制造业等。从而大大提高了产品的一致性及质量，形成了一定规模的机器人产业。20世纪70年代，出现了更多的机器人商品，并在工业发达国家的工业生产中逐步推广应用。1979年Unimation公司推出了PUMA系列工业机器人，它的关节由电动机驱动，可配置视觉、触觉、力觉传感器，是技术较为先进的机器人。到1980年，全世界有2万余台机器人在工业中应用。20世纪80年代工业机器人产业得到了巨大的发展。进入20世纪90年代后，装配机器人以及柔性装配技术进入大发展时期。日本一直拥有全世界机器人总数的60％左右。到1998年，美国拥有的机器人8万台，德国：勾7万台，分别占世界机器人总数的15％和13％左右。到2000年，服役的机器人总数约为100万台。我国机器人技术起步于70年代末，目前已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。我国的机器人技术及其应用的水平和国外相比还有一定的距离。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技术居世界领先水平，还开发出直接遥控机器人、双臂协调控制机器人、管道机器人、爬壁机器人等，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。共58页第8页

北京邮电大学硕士学住论文近年来，拟人机器人的研究方面取得了一定的成果。拟人机器人(HumanoidRobot)是先进机器人技术的高级发展阶段，它综合体现了高级机器人的机构学、运动与动力学、现代设计理论、信息检测和感知、微电子学、控制理论等诸多方面的研究和发展；农平，是一个复杂的综合系统。中国工程院院长宋健指出：“机器人学的进步和应用是20世纪自动控制最有说服力的成就，；黾当代最高意义上的自动化”。机器人技术综合了多学科的发展成果，代表了高技术的发展前沿，它在人类生活应用领域的不断扩大正引起国际上重新认识机器人技术的作用和影响。1．2拟人机器人的发展概况拟人机器人的研制开始于本世纪60年代末，只有三十多年的历史。然而，拟人机器人的研究工作进展迅速。国内外许多学者正从事于这一领域的研究，如今已成为机器人技术领域的主要研究方向之一。1968年，美国的R．Smosher(通用电气公司)试制了一台叫“Rig”的操纵型双足步行机器入机械，从而揭开了拟人机器人研制的序幕。日本本田公司从1986年至今已经推出了P系列l、2、3型拟人机器人。其研究宗旨是：“机器人应该要与人类共存并合作，做人类做不到的事，开拓机动性的新领域，从i『i对人类社会产生附加价值。”图卜1新型双脚步行机器ASIMO共弛页第9页

北京邮电大学硕士学位论文本田公司于2000年又推出了新型双脚步行机器人“ASIMO(AdvancedStepinInnovativeMobility)”，如图1．1所示。“ASIMO”与“P3”相比，实现了小型轻量化，使其更容易适应人类的生活空间，通过提高双脚步行技术使其更接近人类的步行方式。“ASIMO”高120cm，体重43kg，使用个人电脑或便携式控制器操作步行方向和关节及手的动作。2003年12月18日，日本索尼公司研制的新款机器人“QRIO”在东京举行的发布会上跳舞，如图卜2。当天，索尼公司宣布。他们研制出了世界上首个会跑的人形机器人。将拟人机器人的研制工作推上了一个新的台阶，使拟人机器入的研制和生产正式走向实用化，工程化和市场化。图卜2QRIO机器人美国、英国、加拿大、意大利、德国、韩国等国家，许多学者在拟人机器人的力学，模型和型号研制方面也作出了相应的工作。英国于1970年研制成功的“Witt”型拟人机器人。前南斯拉夫的MinorVokobratovic在《LeggedLocomotionRobots》——书中利用数学模型对拟人型双足机器人的步行进行了全面的分析，为双足拟人机器人的研究奠定了理论基础。为了进一步推动拟人机器人的发展，世界许多国家的研究机构纷纷推出了新的研究计划。在国内，哈尔滨工业大学、清华大学、上海交通大学、北京航空航天大学等高等院校和研究机构也在近几年投入了相当的人力、物力，进行智能类人机器人的研制工作。目前类人机器人与轮式、履带式机器人相比有许多突出的优点和它们无法比共58页第lO页

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