除障机器人毕业设计Word文档下载推荐.docx

除障机器人毕业设计Word文档下载推荐.docx

《除障机器人毕业设计Word文档下载推荐.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《除障机器人毕业设计Word文档下载推荐.docx（33页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

3.2.2MultiFLEX2控制器简介............................9

3.2.3控制器底盘选用要求..............................10

3.3执行机构..............................................11

3.3.1机器人舵机选用要求...............................11

3.3.2CDS5516舵机简介................................11

3.3.3夹取机构........................................12

3.3.4舵机连接件......................................13

3.3.5其他连接件.......................................13

3.4检测部分..............................................13

3.4.1传感器选用要求...................................14

3.4.2红外光电传感器简介...............................14

4组装除障机器人全过程.........................................15

4.1组装除障机器人全过程...................................15

5软件系统设计................................................23

5.1软件总设计............................................23

5.2编程语言和软件的选用...................................23

5.2.1编程语言选择....................................23

5.2.2NorthSTAR软件介绍..............................23

5.3软件实现...............................................24

5.3.1使用函数与模块简介..............................24

5.3.2除障机器人动作分解..............................25

5.3.3NorthSTAR软件编程实现..........................27

6除障机器人完成与测试........................................28

6.1除障机器人设计实体....................................28

6.2除障机器人功能测试....................................28

结束语.........................................................31

致谢...........................................................32

参考文献.......................................................33

1课题设计背景和目的

1.1设计背景

二十一世纪的今天，随着智能化发展越来越快人们迫切寻找一种能代替人工作的机器。

这种机器能按照人所规定的思路去执行。

我国近几年机器人自动化生产线已经不断出现，并给用户带来显著效益。

随着我国工业企业自动化水平的不断提高，机器人自动化线的市场也会越来越大，并且逐渐成为自动化生产线的主要方式。

我国机器人自动化生产线装备的市场刚刚起步，而国内装备制造业正处于由传统装备向先进制造装备转型的时期，这就给机器人自动化生产线研究开发者带来巨大商机。

据预测，目前我国仅汽车行业、电子和家电行业、烟草行业、新能源电池行业等，年需求此类自动化线就达300多条，产值约为60多亿元人民币。

预计在2005年左右需求此类自动化生产线达到600条。

据初步测算，“十一五”期间汽车制造业的需求市场容量将达到800多亿元人民币。

经过四十多年的发展，工业机器人已在越来越多的领域得到了应用。

在制造业中，尤其是在汽车产业中，工业机器人得到了广泛的应用。

如在毛坯制造（冲压、压铸、锻造等）、机械加工、焊接、热处理、表面涂覆、上下料、装配、检测及仓库堆垛等作业中，机器人都已逐步取代了人工作业。

随着工业机器人向更深更广方向的发展以及机器人智能化水平的提高，机器人的应用范周还在不断地扩大，已从汽车制造业推广到其他制造业，进而推广到诸如采矿机器人、建筑业机器人以及水电系统维护维修机器人等各种非制造行业。

此外，在国防军事、医疗卫生、生活服务等领域机器人的应用也越来越多，如无人侦察机（飞行器）、警备机器人、医疗机器人、家政服务机器人等均有应用实例。

机器人正在为提高人类的生活质量发挥着重要的作用

目前，国际制造业中心正向中国转移，用信息化带动工业化、用高新技术改造传统产业已成为江苏省工业发展的必由之路。

作为先进制造装备之典型代表的机器人必将有一个大的产业发展空间，市场前景广阔。

工业机器人技术特点：

1、技术先进工业机器人集精密化、柔性化、智能化、软件应用开发等先进制造技术于一体，通过对过程实施检测、控制、优化、调度、管理和决策，实现增加产量、提高质量、降低成本、减少资源消耗和环境污染，是工业自动化水平的最高体现。

2、技术升级工业机器人与自动化成套装备具备精细制造、精细加工以及柔性生产等技术特点，是继动力机械、计算机之后，出现的全面延伸人的体力和智力的新一代生产工具，是实现生产数字化、自动化、网络化以及智能化的重要手段。

3、应用领域广泛工业机器人与自动化成套装备是生产过程的关键设备，可用于制造、安装、检测、物流等生产环节，并广泛应用于汽车整车及汽车零部件、工程机械、轨道交通、低压电器、电力、IC装备、军工、烟草、金融、医药、冶金及印刷出版等众多行业，应用领域非常广泛。

4、技术综合性强工业机器人与自动化成套技术，集中并融合了多项学科，涉及多项技术领域，包括工业机器人控制技术、机器人动力学及仿真、机器人构建有限元分析、激光加工技术、模块化程序设计、智能测量、建模加工一体化、工厂自动化以及精细物流等先进制造技术，技术综合性强。

工业机器人由主体、驱动系统和控制系统三个基本部分组成。

主体即机座和执行机构，包括臂部、腕部和手部，有的机器人还有行走机构。

大多数工业机器人有3～6个运动自由度，其中腕部通常有1～3个运动自由度；

驱动系统包括动力装置和传动机构，用以使执行机构产生相应的动作；

控制系统是按照输入的程序对驱动系统和执行机构发出指令信号，并进行控制

工业机器人按臂部的运动形式分为四种。

直角坐标型的臂部可沿三个直角坐标移动；

圆柱坐标型的臂部可作升降、回转和伸缩动作；

球坐标型的臂部能回转、俯仰和伸缩；

关节型的臂部有多个转动关节。

工业机器人按执行机构运动的控制机能，又可分点位型和连续轨迹型。

点位型只控制执行机构由一点到另一点的准确定位，适用于机床上下料、点焊和一般搬运、装卸等作业；

连续轨迹型可控制执行机构按给定轨迹运动，适用于连续焊接和涂装等作业。

工业机器人按程序输入方式区分有编程输入型和示教输入型两类。

编程输入型是将计算机上已编好的作业程序文件，通过RS232串口或者以太网等通信方式传送到机器人控制柜。

具有触觉、力觉或简单的视觉的工业机器人，能在较为复杂的环境下工作；

如具有识别功能或更进一步增加自适应、自学习功能，即成为智能型工业机器人。

它能按照人给的“宏指令”自选或自编程序去适应环境，并自动完成更为复杂的工作。

将此引进自动化的生产设备，让直接地人工操作转为间接地控制机器，工业机器人成为生产中至关重要的一部分被广泛运用于现代生产中。

1.2设计目的

作为机器人家族中重要一员的工业机器人在工业生产中能代替人做某些单调、频繁和重复的长时间作业，或是危险、恶劣环境下的作业，例如在冲压、压力铸造、热处理、焊接、涂装、塑料制品成形、机械加工和简单装配等工序上，以及在原子能工业等部门中，完成对人体有害物料的搬运或工艺操作。

正常的生产中一些工厂的重复乏味劳动对一线工人的心理会造成一定影响，车间里的有毒有害物质则直接影响到了工作人员的身体健康，高温高强度的恶劣工作环境甚至能给操作人员带来生命危险，为此工业机器人的发明和使用显得尤为重要。

它将在实际生活中取代人手，使人在工作中得到解放，有充分的自由区服务其他。

本次课题设计除障机器人将由出发点到达目标点（障碍物所在区域），机器人通过控制器底板所固定的红外光电传感器寻找到障碍物恰当的位置，并在适当的位置停下来。

通过控制器板上固定的机械手臂将障碍物牢牢夹住，并将障碍物放在机器人小车的车身板子上。

机器人排障能适应任何恶劣的环境。

在军事和工业生产中起到检查并排除障碍的作用，这将大大减少人力的运用。

节约了成本，也提高了工作效率。

2除障机器人总设计

2.1除障机器人的设计要求

本次设计的除障机器人要求在任何恶劣环境中，机器人能独立直线行走，运用红外光电传感器作为障碍物检测装置。

机器人直行过程中，如遇到障碍物。

机器人将在障碍物前适当的位置停止下来。

其机身上的机械手将弯曲下来。

到达障碍物所在位置将障碍物牢牢夹住（舵机使用舵机模式），并将障碍物举起反方向平稳的放在机器人小车的车身板子上。

这时机器人将回到初始状态，如机器人检测范围内无其他障碍物。

机器人将继续沿直线前行，寻找下一个障碍物。

本次完成除障机器人硬件与软件的设计，且让硬件与软件良好的结合起来使得除障机器人能够顺利地完成障碍物的清除工作。

2.2除障机器人总体设计思路

除障机器人需要行走。

因此本人运用四个舵机加上轮子安装在控制器地板上。

组成行走机构。

由于本人实际的除障机器人目的是出去直线工作范围内的障碍物。

因此只需要一个红外光电传感器。

考虑到障碍物的高低，所以必须将传感器安装在比较接近地面的位置。

所以本人打算将他安装在控制器底板上。

除障机器人需要一个可以帮助它抓取障碍物的手臂。

本人用3个舵机（舵机使用舵机模式），使用一些接件组成可弯曲的手臂。

将手臂安装在控制板边沿位置。

MultiFLEX2控制器紧挨着手臂横向安装在控制板上。

然后用连接线将所有舵机与MultiFLEX2控制器相连。

最后在控制器底板上方安装一块同样的控制器底板（用于盛放障碍物）这样完成了硬件的安装。

机器人需要在直行过程中，如遇到障碍物。

到达障碍物所在位置将障碍物牢牢夹住，并将障碍物举起反方向平稳的放在机器人小车的车身板子上。

根据设计思路做以下除障机器人设计流程图如下（图2.1）：

图2.1设计流程图

3硬件系统的组成

3.1博创模块化机器人套件

本次采用的是来自于博创兴盛公司出售的创意之星套件。

“创意之星”机器人套件是具备多种基本“积木”构件的模块化零件套装，包括多种数百个结构零件，一个控制器，多个电机、舵机执行器，多种传感器，以及电池、电缆等附件。

用这些“积木”可以搭建出各种发挥想象力的机器人模型来。

机器人的结构件和创新的连接方式专为创作机器人而设计，连接刚度和结构强度不逊色于铝合金构件，并且连接方便。

这一套机器人套件可以根据需要搭建出各种机器人构型。

由于该套件的灵活性正好符合本次除障机器人的设计需要，所以采用此套件。

3.2控制部分

3.2.1控制器选用要求

控制器需要提供的各个接口适合连线，可以实现与除障机器人的夹取机构和传感器的连线，完成除障机器人的控制。

3.2.2MultiFLEX2控制器简介

MultiFLEX2控制器是一款专为智能机器人和小型智能设备设计的多功能控制器，适合作为为智能机器人的主控制器。

它具备以下功能：

1、具备520MHz、32位的高性能嵌入式处理器和Linux操作系统，运算处理能力强大，而功耗只有2瓦，尺寸只有11厘米X7厘米，重不到250克；

2、控制直流电机（须配合BDMC系列伺服驱动器），控制舵机（包括所有的传统航模舵机、博创的机器人舵机、韩国AX12+等机器人舵机）；

调速、位置控制、力矩控制；

可控制多达64路电机/舵机；

3、连接各种传感器。

通过20个数字/模拟量的输入/输出端口，可以连接数百种传感器，采集传感器数据并处理、决策；

4、可连接摄像头，实现人联识别、颜色识别、形状识别等智能特性；

可实现中文语音识别和语音合成，非常适合家庭服务机器人、教育娱乐机器人和特种服务机器人使用；

5、具备RS422总线、USB总线、CAN总线和无线以太网（WiFi），市场上的各种功能模块，例如U盘、网络、视频监控系统、电子罗盘、GPS等设备，均可以直接连接到这款控制器上。

由于MultiFLEX2控制器提供的各个接口适合连线，可以实现与除障机器人的夹取机构和传感器的连线，所以使用该控制器作为机器人的控制部分。

如下图（图3.1）所示为MultiFLEX2控制器

图3.1MultiFLEX2控制器

3.2.3控制器底盘选用要求

本次选用的机器人结构件的须符合小巧，承重量大，套件的所提供的六边形底盘恰好合适，采用此底盘作为机器人底盘。

它将与机器人控制器连接成为固定的控制部分。

如下图（图3.2）所示为控制器底板（本机器人使用2块相同规格控制器底板）

图3.2控制器底板

3.3执行机构

3.3.1机器人舵机选用要求

舵机选用必须满足除障机器人出去障碍物时力矩输出、运动控制的要求，完成除障机器人夹取动作。

3.3.2CDS5516舵机简介

机器人舵机的概念起源于对“航模舵机”的改进。

长期在各种教育娱乐机器人上大量使用的“航模舵机”可以实现位置伺服的功能；

由于它具有高度集成、标准统一、控制简单、价格较低等特点，因此广泛使用在各类教育娱乐机器人上。

博创科技开发的proMOTIONCDS系列机器人舵机，解决了传统舵机用在机器人上的各种问题，同时继承了传统舵机的各种优势。

CDS5516机器人舵机的主要特色（与航模舵机对比）

1、控制精度高。

位置伺服控制分辨率可达0.35度。

2、响应速度快。

响应时间可达2ms，而传统航模舵机为20ms。

3、通过串行总线控制，可最多连接数百个单元；

每个单元均具有位置、速度、力矩等反馈，用CDS系列舵机搭建的机器人可以用人工示教来设定动作；

即用户用手调整机器人的各个关节姿态，机器人舵机能够自动记录位置、速度等参数，并由用户播放。

不再需要一个关节一个关节地设置参数，不再需要设置参数后再观察关节是否到位、参数是否合适。

多关节机械手的优点是:

动作灵活、运动惯性小、通用性强、能抓取靠近机座的工件，并能绕过机体和工作机械之间的障碍物进行工作.随着生产的需要，对多关节手臂的灵活性，定位精度及作业空间等提出越来越高的要求。

多关节手臂也突破了传统的概念，其关节数量可以从三个到十几个甚至更多，其外形也不局限于像人的手臂，而根据不同的场合有所变化，多关节手臂的优良性能是单关节机械手所不能比拟的。

除障机器人的舵机作为机器人的执行机构，此次课题设计采用的是舵机型号为CDS5516。

由于此舵机出色的性能，满足除障机器人清除障碍物时力矩输出、运动控制的要求，所以选用此舵机。

如下图（图3.3）为CDS5516舵机

图3.3CDS5516舵机

3.3.3夹取机构

作为连接件的大小要实现舵机控制，伸缩范围要符合夹取工件的大小，提供防滑设计防止工件掉落。

套件中的机械夹取构件满足此要求，并提供连接件与舵机接合。

如下图（3.4）所示

图3.4夹取机构

3.3.4舵机连接件

在结构件中选择矩形构件作为舵机外壳，它的结合性好，两面镂空，符合舵机要求，外有锯齿形孔，方便与其他构件连接。

下图（图3.5所示）

图3.5舵机连接件

3.3.5其他连接件

对其他连接件必须与舵机底盘、夹取机构形成良好的接合，不再使用中脱落，套件中提供的锯齿与其他构件有良好的接合性，故选用套件提供的连接件。

图3.6其他机构连接件

3.4检测部分

3.4.1传感器选用要求

本次设计的除障机器人判断障碍物是否在机器人前方，使用的传感器在遮挡时回馈一个高电平信号，无物体遮挡时为低电平信号，完成检测反馈工作。

3.4.2红外光电传感器简介

除障检测和处理采用一种集发射与接受于一体的光电传感器，如下图.检测距离距离可以根据要求通过尾部的电位器旋钮进行调节。

该传感器具有探测距离远，收可见光干扰小，价格便宜，易于装配，使用方便等特点。

遇到障碍物时，立即由高电平跳变为低电平。

本次设计的除障机器人使用此此传感器，大大加强了除障的成功率。

图3.7红外传感器细节图

4组装除障机器人全过程

4.1组装除障机器人全过程

A．准备好的所需零部件

图4.1所需部件

B．装轮子使用舵机的固定件

图4.2驱动部件组装

C．装轮子

图4.3装轮子

D．将轮子装在控制器底板上

图4.4装好控制器底板的实物图

E．固定控制器并接好轮子舵机连接线

图4.5装好控制器的实物图

F．为底板装红外光电传感器

图4.6装好红外传感器实物图

G．装载盛物板固定件

图4.7装好装成板支架实物图

H．安装障碍物物装盛板

图4.8装好装盛板实物图

I．安装抓取机构固定件1

图4.9抓取机构固定件安装后实物图

J安装抓取机构固定件2

图4.10抓取机构固定件安装后实物图

k.安装抓取机构固定件3

图4.11抓取机构安装图

L．安装抓取机构舵机1

图4.12抓取机构舵机安装图

M．安装抓取机构活动部分

图4.13抓取机构弯曲机构安装图

N．安装抓取机构舵机2

图4.14抓取机构第二舵机安装图

O．完成组装的成品

图4.15抓取机构安装完成图

5软件系统设计

5.1软件总设计

依据实现想好的除障机器人原理开始编程。

除障机器人应首先检测前方是否有障碍物，当红外传感器在检测范围内检测到障碍物，机械小车将立即停下，通过控制器板上固定的抓取机构将障碍物牢牢夹住，并将障碍物放在机器人小车的车身板子上。

如此往复进行。

5.2编程语言和软件的选用

5.2.1编程语言选择

此次软件编程采用的是C语言，作为一个高级语言，功能齐全，适用范围大，文件由数据序列组成符合设计需要。

C的优点：

1、简洁紧凑、灵活方便；

2、运算符丰富；

3、数据类型丰富；

4、表达方式灵活实用；

5、允许直接访问物理地址，对硬件进行操作；

6、生成目标代码质量高，程序执行效率高；

7、可移植性好，表达力强。

根据C语言的特性和优点选用它完成除障机器人控制的编程。

5.2.2NorthSTAR软件介绍

为了简化C语言编程流程，我们将机器人的运动相关函数集成为图形化模块。

该机器人的设计使用NorthSTAR软件开发环境。

它是一个图形化模块编程软件，图形化模块编程方便简洁，因其精简的模块更有利于编程者理解和使用。

在当前机器人硬件标准不统一的阶段，博创科技为降低机器人软件开发难度，推出了NorthSTAR图形化机器人开发环境。

包括以下三个部分的功能：

1、用图形化、可视化的方式给机器人编程，同步生成C语言代码，在后台编译、并下载到机器人控制器上执行；

2、集成3D仿真。

可进行动作仿真、步态及路径规划等。

仿真数据能输入图形化编程环境；

3、集成实时、可视化数据采集与显示。

由于上文优势可