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基于图形化编程的教学机器人研究与设计

作　者: 董德礼
导　师: 李芳；吕恬生
学　校: 上海交通大学
专　业: 计算机应用技术
关键词: 图形化编程 运动规划 控制系统 教学机器人 工业机器人
分类号: TP242
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 75次
引　用: 1次
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内容摘要


工业机器人是机器人领域中最为成熟的一个分支,也是目前工业界广泛应用的一种机电一体化设备,熟悉并掌握其理论与相关技术对其他机器人领域的研究与开发十分有益。模拟工业机器人的基本结构、运动特点和控制方式等的教学机器人,为学习机器人相关技术提供很大的帮助,且具有适合教学的特点。论文研究并设计了一种教学机器人,这种教学机器人集中体现了工业中广泛应用的“示教再现型”工业机器人的结构和运动特点。同时,设计开发了一种具有三维图形仿真功能的控制软件,通过这个软件可以对教学机器人进行图形化编程,避免了工业机器人复杂的编程语言,便于操作和使用,方便借助教学机器人开展创新研究。论文首先分析了教学机器人的机械结构,讨论了运动学建模问题,包括运动学正解、逆解,并以“写字”任务为例,进行了逆解求解。其次,设计并开发了以教学机器人单轴或多轴运动协调为目的的控制系统,重点阐述了控制系统的硬件设计过程,具体包括电源设计、存储单元设计、直流微型伺服电机驱动单元设计、输入输出单元设计以及通信单元设计,并对相应的控制系统驱动程序的设计也进行了阐述。再次,阐述了基于三维图形控制的计算机软件控制系统设计过程,实现了教学机器人的图形化仿真及离线编程功能。最后,以搬运和写字任务为例,对教学机器人进行了验证,给出两种典型控制“点位控制”和“连续路径控制”的实现方法。论文基于图形化编程的教学机器人研究和设计,提高了教学机器人的教学适用性。同时,该教学机器人的控制系统硬件设计和图形化控制软件设计对其他机械运动控制系统的开发也具有参考价值。

全文目录


摘要  5-6
ABSTRACT  6-7
符号说明  7-10
第一章 绪论  10-20
  1.1 研究背景  10-11
  1.2 国内外工业机器人发展及应用现状  11-16
    1.2.1 国外工业机器人发展及应用现状  12-14
    1.2.2 国内工业机器人发展及应用现状  14-16
  1.3 国内外教学机器人发展及应用现状  16-17
  1.4 本文研究的内容及意义  17-18
  1.5 论文的组织结构及章节安排  18-20
第二章 运动学建模分析  20-30
  2.1 机械结构  20-23
  2.2 运动学分析  23-29
    2.2.1 灵巧机械手的正向运动学问题  24-25
    2.2.2 灵巧机械手的逆向运动学问题  25-29
  2.3 小结  29-30
第三章 控制系统设计  30-59
  3.1 控制方法  30-31
  3.2 硬件设计  31-41
    3.2.1 MCU 单元的设计  32-35
    3.2.2 电源管理单元的设计  35-36
    3.2.3 存储器单元的设计  36-37
    3.2.4 驱动单元  37-39
    3.2.5 开关量输入和信息指示单元的设计  39-40
    3.2.6 通讯单元的设计  40-41
  3.3 驱动程序设计  41-57
    3.3.1 微控制器初始化设计  42-49
    3.3.2 直流微型伺服电机控制  49-52
    3.3.3 数据存储设计  52-55
    3.3.4 中断系统设计  55-56
    3.3.5 关节运动子程序设计  56-57
    3.3.6 通讯协议的设计  57
  3.4 小结  57-59
第四章 上位机控制软件设计  59-71
  4.1 VISUAL STUDIO 和DIRECTX  59
  4.2 软件总体设计  59-63
    4.2.1 软件设计目的  60-61
    4.2.2 软件架构  61-62
    4.2.3 软件设计过程  62-63
  4.3 软件详细设计  63-70
    4.3.1 主界面设计  63-65
    4.3.2 应用XFile 绘制三维图形  65-67
    4.3.3 机器人编程设计  67-68
    4.3.4 通讯协议设计  68-70
  4.4 小结  70-71
第五章 规划与实验分析  71-85
  5.1 作业规划  71-73
  5.2 关节空间运动规划  73-77
    5.2.1 3 次多项式插值  74-76
    5.2.2 点到点运动实验：搬运物块  76-77
  5.3 笛卡儿空间运动规划  77-84
    5.3.1 直线插补算法  78-79
    5.3.2 圆弧插补算法  79-82
    5.3.3 连续路径运动实验：写字  82-84
  5.4 小结  84-85
第六章 总结与展望  85-89
  6.1 工作回顾  85-86
  6.2 论文创新点  86-87
  6.3 成果及应用  87-88
  6.4 存在的问题及今后的工作展望  88-89
参考文献  89-92
致谢  92-93
作者攻读学位期间发表的论文  93

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 机器人技术 > 机器人
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