毕业设计论文履带车式机械臂结构及智能系统设计.docx

《毕业设计论文履带车式机械臂结构及智能系统设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《毕业设计论文履带车式机械臂结构及智能系统设计.docx（31页珍藏版）》请在第一文库网上搜索。

1、摘要：诞生于20世纪80年代的机器人视觉伺服控制技术是智能机器人研究开发中的一项关键技术。它是多传感器信息融合与集成技术在机器人技术中的重要应用。与基于传统非视觉传感器的机器人控制技术相比，具有明显的优点：更高的灵活性,更高的精度，能够对机器人的误差标定具有更高的鲁棒性。它使得传统的机器人向智能化、类人化较强的环境自适应能力方面迈进了一大步。主定位技术是移动机器人自主导航的基础和关键。近年来，随着图像传感器生产成本的降低，以及图像处理、模式识别等相关技术的迅速发展，视觉定位受到越来越多的关注。移动机器人视觉定位是指借助于摄像机采集的视觉信息，确定机器人的当前位置。近年来，移动机器人在户外环境下

2、，特别是城市区域中的应用越来越广泛。因此，城市环境中的移动机器人视觉定位研究具有非常重要的理论意义和极其广泛的应用前景。本计划书从上述背景下建立，从概况、背景到营销计划，财务及风险分析。整体上基本说明了校园创业的过程和准备工作。对创业的前期做了初步的财务预算，介绍了我们创立的定位机器人产品有限公司的由来，性质以及前景。公司产品提供的服务也在策划书中做了说明，设计了一款利用GPS定位和视觉定位的机器人实现对目标的精确定位，应用于救援、搬运等方面。关键词：公司创业移动机器人定位目录摘要错误!未定义书签。第一章设计综述11.1 智能机器人系统国内外发展现状11.1.1 智能机器人发展历史及现状11.

3、1.2 国外机器人发展历史与现状11.1.3 国内机器人发展历史与现状11.2 课程设计主要内容2第二章方案设计32.1 机械结构方案设计32.2 各部分结构介绍32.3 驱动方案选择42.4 传感器的选择42.5 GPS空间定位原理：52.6 视觉定位工作原理：5第三章机械系统设计53.1 机械系统总体方案53.2 关键尺寸设计63.3 关键零部件结构设计63.4 驱动关节运动轨迹规划83.4.1 轨迹规划程序调试结果分析8第四章控制系统设计94.1 控制系统总体方案94.2 控制电路设计104.3 流程图11第五章装配与调试125.1 机器人系统整体装配125.2 系统调试流程与状况125

4、.3 设计创新点125.4 系统缺陷与改进12第六章市场应用前景分析136.1 市场调查及分析136.2 目标市场的确定136.3 产品未来市场描述136.4 可能遇到的风险与对策13项目心得14参考文献14附录一数学建模与轨迹规划15附录二成本分析18附录三程序源代码19第一章设计综述1.1 智能机器人系统国内外发展现状1.1.1 智能机器人发展历史及现状移动机器人的研究始于20世纪60年代末，最开始主要从理论上研究室内机器人的体系结构、控制技术、传感器技术、运动规划和不确定性等问题的处理办法。到70年代末，机器人的研究又受到计算机和传感器技术等新工具的影响，机器人的研究有了极大的进展。特别

5、在80年代中期，在全世界范围内掀起了研究机器人的热潮。90年代，移动机器人的研究发展到了更高的层次，主要有高精度的环境信息传感器的应用、信息融合技术的出现、移动机器人控制技术的适应性的不断增强和在真实环境下的环境信息的规划技术的应用等。21世纪以后，随着人类对深海和外太空的不断探索，移动机器人成为世界各个科技发达的国家进行深海资源和太空资源探测的最主要的工具之一。人类对深海和太空资源的不断探索成为了移动机器人等相关前沿技术发展的强大推动力。1.1.2 国外机器人发展历史与现状在自主移动机器人从低级到高级的发展过程中，有很多比较经典的移动机器人出现。计算机能够操纵机器人的标志是机器人Shakey

6、的成功研制。其主要目标是探测在复杂程度不同的场景中移动机器人与智能技术的实时控制问题。Shakey机器人安装了触觉传感器和TV摄像机，机器人和计算机由无线通讯系统进行连接，其中计算机实现任务规划和视觉数据处理的操作。Shakey机器人完成了一定程度上人工智能，能够自主进行感知、环境建模、行为规划并执行任务。当时计算机运算速度非常缓慢，Shakey需要使用很长时间才能够感知到环境，分析出规划路径，但它却是当时把人工智能应用于移动机器人中最为成功的研究成果，为机器人的研究工作创造了一个好的开端。2004年1月美国研制的探测机器人OPPortUnity和SPirit在火星表面顺利登陆。Opportu

7、nity和SPirit的成功着陆标志着智能移动机器人的研究工作已经上升到了一个前所未有的高度，同时也标志着人类发射的星际探测器自动化程度也提高到了新的阶段，正在为人类的发展进步贡献着力量。迄今为止，移动机器人的工作环境几乎进入到地面、水下、空中、行星表面和太空等每个区域。2011年，本农业研究机构研制出了草寿采摘机器人。该机器人主要由1ED照明灯、CCD摄像头、机械臂和采果手组成。草慈采摘机器人首先通过摄像头获取草莓方位情况，判断草莓是否成熟，如果草莓己经成熟，架置在机械臂上端的采果手就会通过果梗的倾斜程度对自身角度进行校正，进而实现对草莓的采摘。采摘机器人的成功应用说明了机器人的在农业发展上

8、还具备广大的推广前景，它不但可以减轻农民的负担，还可以提高生产效率，在未来将会有较大的发展空间。1.1.3 国内机器人发展历史与现状在移动机器人研究领域，我国的发展比较落后，但是国家的重视程度越来越高，资金和人员上面的投入也越来越多，许多高校也相继展开了基于计算机视觉的机器人技术的研究。各个机器人研究基地如：清华大学、中科院自动化研究所、哈尔滨工业大学、国防科技大学和东北大学等，在机器人的理论研究和实际应用上取得了丰硕的研究成果。比较突出的研究成果有：中科院自动化研究所研制出的我国第一代智能轮椅平台，此轮椅上装备了超声波、红外等传感器，能够进行自主导航。哈尔滨工业大学机器人研究所研制出了移动机

9、器人“飘雪”它非常灵活，具有两只仿真人的机械臂，能够灵活的进行抓举。在其身上设置安装了多个传感器，可以灵活地自主避障。这种机器人可以应用于医学和高危作业领域，它可以通过遥控指令为病人倒水喂药，通过屏幕传达医嘱，非常人性化。在有毒、有害、有辐射的高危作业领域，这种机器人能够代替工作人员完成危险工作。这些科研硕果说明我国在智能机器人研究方向已经取了突出成就。但从总体上看，我国移动机器人的技术与发达国家相比，还需要更加努力。机器人技术的迅猛发展，不仅对国家工业发展、太空和深海探索、国防做出了贡献，还为社会经济和人民生活提供了便利。目前，针对移动机器人技术的研究热点主要有机器视觉、路径规划和多移动机器

10、人协作等。在机器人的发展过程中，机器人导航一直是衡量机器人智能性的重要标准，机器人视觉又是机器人自主导航的重点研究内容之一。因此科研工作者在移动机器人视觉问题方面进行深入的研究。1.2 课程设计主要内容本公司主要销售的是一种空间定位机器人，该机器人的结构主要采用轮式行走机构，结合GPS和视觉定位，实现对目标对象的精确的定位。空间定位机器人是基础机器人系列,根据实际需要，进行二次开发，实现定位后完成特定任务如应用在防爆、搬运、救援等方面。产品特点：(1)基于GPS定位实现对目标的大致定位，应用范围广，可实现大范围的定位。(2)基于视觉定位，采用视觉传感器，与激光和声纳等其他传感器不同，视觉传感器

11、的优点是信息获取量丰富、成本低廉、探测角度广、特征量多且易于提取。利用移动机器人的视觉导航可以准确地获得环境中物体的大小、高度、颜色与位置等信息,这往往是声纳、红外等传感器无法达到的。(3)进行二次开发，定位之后生产相关机器人来完成特定任务，在大面积搜索范围内效率高。图1-1图1-2图2-1图2-2第二章方案设计2.1 机械结构方案设计产品的三维设计产品三维结构如图2-1。该产品机械结构主要由行走部分，图像识别部分，机械手三部分组成。2.2 各部分结构介绍2.2.1 行走部分车体总装：采用履带式底盘。具有越障能力、地形适应能力强，可原地转冲等优点。适合在野外、城市产叼境，在爬楼梯、越障等方面优

12、于轮式区别I结构如图2-2。222机械手部分机械手为4自由度，可以实现绕底座旋转；弯曲，抓取物体等动作。其结构如图2-9。我们设计的机械臂主要完成对物体的水平和垂直方向的抓取，四个自由度就能完成任务，各关节由舵机实现控制，设计的机械臂如下图：图2-3为方案一。图2-4为方案图2-3两种设计方案中，轴三与轴四之间的连接方式不同，方案一连接方式轴间距短，但转角角最大为只有90度；方案二轴间距大一些，且转角最大为298度。考虑到实际要求，故选取方案二为机械臂结构。2.3 驱动方案选择驱动方案为直流电机驱动的舵机驱动两种。直流电机采用电机驱动板控制。舵机直接采用STM32控制。2.4 传感器的选择蓝牙

13、传输模块传输原理本产品选用hc-06蓝牙传输模块。SH-HC-06蓝牙模块是深圳市创联发科技有限公司专为智能无线数据传输而开发的一款蓝牙模块，此采用英国CSR公司B1UeCOre4-Ext芯片，遵循蓝牙V2.0+EDR蓝牙规范，最高传输速率可达2.1M,传输距离超过20米。图2-5本模块支持UART接口，并支持SPP蓝牙串口协议，具有成本低、体积小、收发灵敏性高等优点，只需配备少许的外围元件就能实现其强大功能。在软件方面支持AT指令，用户可根据需要使用AT指令更改串口波特率、设备名称、配对密码等参数，使用灵活。其外形尺寸如图2-5。2.5 GPS空间定位原理：能够捕捉到按一定卫星高度截止角所选

14、择的待测卫星的信号,然后跟踪这些卫星信号的运行状况，将这些所接收的信号进行放大、变换与处理，以便可以测量出GPS信号从卫星到接收机天线的传播时间，解译出GPS卫星所发送的导航电文，实时地计算出测站的三维位置，位置，甚至三维速度和时间。2.6 视觉定位工作原理：1）视频采集、传输与处理部分，EDI-D30摄像机采集视频图像并转化为视频信号，视频信号经过机器人本体上的无线视频信号发射器、台式机侧的无线视频接收设备、视频采集卡，送入计算机，通过图像处理与分析得到场景信息。2）远程交互控制与通讯部分，移动机器人与台式机之间通过由无线网卡和无线HUB组成的无线局域网相连接，完成状态反馈信息及远端控制命令

15、的双向传输；3）移动机器人控制部分，通过hc-06蓝牙传输模块实现pc端与单片机的无线数据传输。由STM32完成机器人状态信号的采集和运动执行机构的控制。第三章机械系统设计3.1 机械系统总体方案产品三维结构如图3-1。该产品机械结构主要由行走部分，图像识别部分，机械手三部分组成。图3-13.2 关键尺寸设计3.3 关键零部件结构设计细节展示：侧履：带图3-5；车底：盘图3-6。图3-5侧履带3.3.1 图像识别部分图像识别部分采用双摄像头，可以实现对目标的定位。将目标的坐标传输给PC端,经处理后发送指令给单片机，其结构如图3-7和图3-8。3.3.2机械手部分机械手为4自由度，可以实现绕底座旋转；弯曲，抓取物体等动作。图310云台整体结构图3-12舵机*图314舵盘二图3-11云台内部结构AOGSOO图313航机支架q图315能机安装云台：图3-10至图3-11；舵机安装：图2312至图3-15；支架安装：图3-16至图3-17。图3/6U型架图3-17V型架安装