基于KE15Z MCU的体操机器人及其控制系统的设计与研究
发布时间：2022-01-10 08:01
机器人技术,综合机械设计、材料学、电路电子、伺服驱动、计算机科学、自动控制、通信等前沿学科与技术,是众多重要学科的综合实验平台。本论文以体操机器人设计为切入点,系统地阐述体操机器人机械设计、电路设计、嵌入式控制软件设计及上位机编程软件设计等各个环节,为机器人的研究及NXP微控制器的使用提供良好的参考,为图像识别、机器学习等算法的研究提供良好的实验平台。首先介绍当前各类关节型机器人的发展现状,深入了解其性能及特点。针对体操机器人竞赛的要求,研究常见的体操机器人的结构及控制特点,选用总线舵机作为动力元件,并搭建实验平台分析总线舵机性能特点,TS-315总线舵机角位移误差在1.8°以内,没有加速度冲击和速度超调。通过SolidWorks设计体操机器人机械结构并通过Altium Designer09设计其硬件电路。选用恩智浦的KE15Z系列微控制器,设计其核心电路及外围电路,包括电源电路、MOS管开关电路、ZigBee串口通信电路、舵机驱动电路、模数转换电路、EEPROM外存储器电路等。其次设计体操机器人控制系统嵌入式软件及上位机动作编程软件。根据体操机器人控制要求及硬件电路特点,设计KE15...
【文章来源】：中国石油大学(华东)山东省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：75 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图1-2串联机器人Fig1-2Seriesrobot
中国石油大学（华东）硕士学位论文1第一章绪论1.1研究背景近些年来，世界上工业比较发达的国家，如德国、美国、日本等，都已经建立了比较完备的工业机器人产业体系，并逐步发展起来少数占据主导地位的机器人龙头企业，如发那科、ABB（艾波比机器人公司）、Yaskawa（安川机器人公司）、Kuka（库卡机器人公司）以及谷歌等，这些企业力求在国际上保持领先态势。我国机器人产业起步较晚，但是在国家政策及市场刺激下，也发展起来一批优秀的工业机器人公司，如新松机器人、大疆无人机、广州数控等。我国工业机器人市场潜力巨大，机器人代替人类进行重复性体力劳动的趋势不可逆转，各类关节型工业机器人（如图1-1，1-2所示）发展迅速，应用范围日益广泛，在搬运、码垛、焊接、喷漆、组装等工艺流程中的优势日趋明显。图1-1并联机器人图1-2串联机器人Fig1-1ParallelrobotFig1-2Seriesrobot在医疗康复、教育娱乐、家庭服务等领域，机器人发展空间巨大[1]。例如，在未来临床治疗的某些方面，多关节手术机器人依靠其高运行精度将比人类更加优秀。在教育娱乐领域，机器人作为一个备受好评的寓教于乐的产品之一，深受孩子们的喜爱[2]。为了培养大学生的实践能力与创新能力，不断推进机器人产业的研究与发展，国内先后涌现出一系列机器人大赛，如全国机器人大赛暨国际公开赛、RoboCup、国际机器人奥林匹克竞赛等。机器人比赛已经发展为培养学生科研兴趣，提高动手实践能力的有效途径之一。本论文难点有：（1）机器人具有十一个自由度，需要控制多个执行器（总线舵机）同时运动；（2）基于将NXP的KE15Z微控制器，应用于体操机器人的控制；
中国石油大学（华东）硕士学位论文2（3）控制系统需要较强抗干扰及抗碰撞需求；（4）基于Qt集成开发环境，开发体操上位机动作编程软件。1.2国内外研究现状1.2.1工业机器人发展现状近年来，各个领域关节型机器人发展迅猛。在工业领域，ABB艾波比机器人公司专注于自动化及机器人技术。其多关节型机器人、协作机器人、并联机器人、喷涂机器人等各个系列关节型机器人性能均居世界前列，其IRB系列多关节型机器人负载能力最大达到500kg，工作范围最大达到3.5m。工业机器人的发展提高了工业生产的生产效率，改善了产品质量，提高了车间的安全水平。一些危险或者危害人体健康的生产工序采用机器人，则会极大地保障人类的自身安全和健康[3]。图1-3ABBIRB7600多关节机器人Fig1-3ABBIRB7600multijointrobot我国的工业机器人在政策和市场的刺激下发展迅速，在沈阳自动化研究所的支持下，新松机器人自动化股份公司在国内机器人产业处于龙头地位。其产品范围广，研发出多系列功能的机器人，包括移动机器人、松康医疗机器人、码垛机器人、智能物流装备、智能交通装备等，广泛用于工业生产现常其全新SRB360/500A系列机型作为重载级的机器人提供了非常大的作业空间，采用钢性的手臂设计，提升了手臂负载能力，扩大了适用范围。水平搬运能力重达500kg，作用半径长达约2525mm[3]。工业机器人的轨迹规划算法广泛用于自动化生产线。此外，还通过传感器的反馈调节简化编程过程及提高机器人的自动化程度，因而工业机器人的实用性不断提高[4]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]浅析机器人的研究现状与发展前景[J]. 刘磊. 科技创新导报. 2016(06)
[2]“十三五”机器人总动员 千亿元智能制造产业盛宴将开席——盘点《机器人产业发展规划（2016-2020年）》里的那些干货[J]. 翟万江. 中国科技产业. 2016(05)
[3]码垛机器人在工业生产中的应用研究综述[J]. 程启良,于复生,王波,李欢欢,张艳芳. 机电技术. 2016(02)
[4]机器人与自动化技术[J]. 卞正岗. 自动化博览. 2015(03)
[5]微型PSA制氧机电池智能管理系统设计[J]. 刘志猛,朱孟府,陈平,邓橙,苑英海,宿红波. 电子设计工程. 2014(22)
[6]STM32微控制器的可靠串口通信技术研究[J]. 张爱民,王云沼,龚松显. 单片机与嵌入式系统应用. 2013(10)
[7]AVR单片机和Matlab串口通信的计时器系统[J]. 顾星辰,胡仁杰,马智勇. 单片机与嵌入式系统应用. 2013(03)
[8]基于TMS320F28069的自平衡机器人控制系统设计[J]. 吕红涛,王国胜,吕强,刘峰. 单片机与嵌入式系统应用. 2012(09)
[9]基于STC89C52单片机的体操机器人系统设计[J]. 陈强,王麒鉴,寇金金,张小畏,熊传亮,董拓,许耀,夏天宏. 自动化技术与应用. 2012(04)
[10]一种基于状态机的串口通信协议的设计与实现[J]. 李莹,贾彬. 电子设计工程. 2012(07)
硕士论文
[1]基于AVR的体操机器人设计与实现[D]. 韩玉龙.南京师范大学 2016
[2]便携式传感器数据存储系统的设计[D]. 李建其.中北大学 2015
[3]PCB设计规则自动化审查的研究与实现[D]. 杨菊.西安电子科技大学 2014
[4]舵机控制步行机器人系统设计[D]. 何乙琦.南京理工大学 2012
[5]类人机器人运动控制关键技术研究[D]. 刘学菁.天津大学 2008
[6]异构双腿行走机器人联合仿真分析及人工腿的设计[D]. 程军.东北大学 2006
本文编号：3580349
【文章来源】：中国石油大学(华东)山东省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：75 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图1-2串联机器人Fig1-2Seriesrobot
中国石油大学（华东）硕士学位论文1第一章绪论1.1研究背景近些年来，世界上工业比较发达的国家，如德国、美国、日本等，都已经建立了比较完备的工业机器人产业体系，并逐步发展起来少数占据主导地位的机器人龙头企业，如发那科、ABB（艾波比机器人公司）、Yaskawa（安川机器人公司）、Kuka（库卡机器人公司）以及谷歌等，这些企业力求在国际上保持领先态势。我国机器人产业起步较晚，但是在国家政策及市场刺激下，也发展起来一批优秀的工业机器人公司，如新松机器人、大疆无人机、广州数控等。我国工业机器人市场潜力巨大，机器人代替人类进行重复性体力劳动的趋势不可逆转，各类关节型工业机器人（如图1-1，1-2所示）发展迅速，应用范围日益广泛，在搬运、码垛、焊接、喷漆、组装等工艺流程中的优势日趋明显。图1-1并联机器人图1-2串联机器人Fig1-1ParallelrobotFig1-2Seriesrobot在医疗康复、教育娱乐、家庭服务等领域，机器人发展空间巨大[1]。例如，在未来临床治疗的某些方面，多关节手术机器人依靠其高运行精度将比人类更加优秀。在教育娱乐领域，机器人作为一个备受好评的寓教于乐的产品之一，深受孩子们的喜爱[2]。为了培养大学生的实践能力与创新能力，不断推进机器人产业的研究与发展，国内先后涌现出一系列机器人大赛，如全国机器人大赛暨国际公开赛、RoboCup、国际机器人奥林匹克竞赛等。机器人比赛已经发展为培养学生科研兴趣，提高动手实践能力的有效途径之一。本论文难点有：（1）机器人具有十一个自由度，需要控制多个执行器（总线舵机）同时运动；（2）基于将NXP的KE15Z微控制器，应用于体操机器人的控制；
中国石油大学（华东）硕士学位论文2（3）控制系统需要较强抗干扰及抗碰撞需求；（4）基于Qt集成开发环境，开发体操上位机动作编程软件。1.2国内外研究现状1.2.1工业机器人发展现状近年来，各个领域关节型机器人发展迅猛。在工业领域，ABB艾波比机器人公司专注于自动化及机器人技术。其多关节型机器人、协作机器人、并联机器人、喷涂机器人等各个系列关节型机器人性能均居世界前列，其IRB系列多关节型机器人负载能力最大达到500kg，工作范围最大达到3.5m。工业机器人的发展提高了工业生产的生产效率，改善了产品质量，提高了车间的安全水平。一些危险或者危害人体健康的生产工序采用机器人，则会极大地保障人类的自身安全和健康[3]。图1-3ABBIRB7600多关节机器人Fig1-3ABBIRB7600multijointrobot我国的工业机器人在政策和市场的刺激下发展迅速，在沈阳自动化研究所的支持下，新松机器人自动化股份公司在国内机器人产业处于龙头地位。其产品范围广，研发出多系列功能的机器人，包括移动机器人、松康医疗机器人、码垛机器人、智能物流装备、智能交通装备等，广泛用于工业生产现常其全新SRB360/500A系列机型作为重载级的机器人提供了非常大的作业空间，采用钢性的手臂设计，提升了手臂负载能力，扩大了适用范围。水平搬运能力重达500kg，作用半径长达约2525mm[3]。工业机器人的轨迹规划算法广泛用于自动化生产线。此外，还通过传感器的反馈调节简化编程过程及提高机器人的自动化程度，因而工业机器人的实用性不断提高[4]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]浅析机器人的研究现状与发展前景[J]. 刘磊. 科技创新导报. 2016(06)
[2]“十三五”机器人总动员 千亿元智能制造产业盛宴将开席——盘点《机器人产业发展规划（2016-2020年）》里的那些干货[J]. 翟万江. 中国科技产业. 2016(05)
[3]码垛机器人在工业生产中的应用研究综述[J]. 程启良,于复生,王波,李欢欢,张艳芳. 机电技术. 2016(02)
[4]机器人与自动化技术[J]. 卞正岗. 自动化博览. 2015(03)
[5]微型PSA制氧机电池智能管理系统设计[J]. 刘志猛,朱孟府,陈平,邓橙,苑英海,宿红波. 电子设计工程. 2014(22)
[6]STM32微控制器的可靠串口通信技术研究[J]. 张爱民,王云沼,龚松显. 单片机与嵌入式系统应用. 2013(10)
[7]AVR单片机和Matlab串口通信的计时器系统[J]. 顾星辰,胡仁杰,马智勇. 单片机与嵌入式系统应用. 2013(03)
[8]基于TMS320F28069的自平衡机器人控制系统设计[J]. 吕红涛,王国胜,吕强,刘峰. 单片机与嵌入式系统应用. 2012(09)
[9]基于STC89C52单片机的体操机器人系统设计[J]. 陈强,王麒鉴,寇金金,张小畏,熊传亮,董拓,许耀,夏天宏. 自动化技术与应用. 2012(04)
[10]一种基于状态机的串口通信协议的设计与实现[J]. 李莹,贾彬. 电子设计工程. 2012(07)
硕士论文
[1]基于AVR的体操机器人设计与实现[D]. 韩玉龙.南京师范大学 2016
[2]便携式传感器数据存储系统的设计[D]. 李建其.中北大学 2015
[3]PCB设计规则自动化审查的研究与实现[D]. 杨菊.西安电子科技大学 2014
[4]舵机控制步行机器人系统设计[D]. 何乙琦.南京理工大学 2012
[5]类人机器人运动控制关键技术研究[D]. 刘学菁.天津大学 2008
[6]异构双腿行走机器人联合仿真分析及人工腿的设计[D]. 程军.东北大学 2006
本文编号：3580349
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