开题报告手电筒光束引导机器人的设计.doc

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1、毕业设计（论文）开题报告题目：手电筒光束引导机器人的设计 专业： 过程装备与控制工程 指导教师： 一、课题任务与目的1、主要任务：完成机器人躯体的搭建和策略设计，进行软件的设计和编译工作，并进行调试。预期成果是一台装有编译好的软件，能够识别环境光与手电筒光束，跟随指向它前方表面的手电筒光束行走的两轮车机器人。2、课题目的：利用龙人宝贝（C51/AVR 二合一版）套件搭建一台两轮车机器人，设计策略，编写相应程序，使机器人能够识别环境光和手电筒光束，跟随指向它前方表面的手电筒光束行走。二、调研资料情况（选题背景、研究意义及文献综述）1、选题背景机器人是目前国外机器人研究领域中最活跃、投资最多的方向

2、之一，其发展前景非常看好。近年来，机器人技术引起美、法、德、意、日等国家学术界的极大关注，研究工作蓬勃兴起。二十世纪九十年代起，国际先进机器人计划(IARP)已召开过多届机器人研讨会。欧盟、法国国家科学研究中心也将机器人辅助及虚拟仿真系统作为重点研究发展的项目之一在发达国家已经出现机器人市场化产品。2、研究意义随着科学技术的发展，特别是计算机技术的发展, 机器人在生活中的作用越来越受到人们的重视。辅助导航系统作为机器人的眼睛，可以让专业技术人员进一步了解局部部位的内部结构，避免了因经验不足而造成的失误，使专业项目更安全、更可靠、更精确、更科学，具有极其广阔的应用前景。因为机器人具有定位准确、大

3、大减低工作强度等优势，而且，它还可以通过软件编程实现消颤、提高工作精度。光束引导机器人与传统的工业机器人在结构上相比，系统针对性更强,应用方面更广。对于光束引导式机器人，在操作过程中，操作人员的决策通过光源传递给机器人，调整或修正控制以达到预期的结果，实现工作目的。3、文献综述机器人的由来：机器人是众所周知的一种高新技术产品，然而，“机器人”一词最早并不是一个技术名词，而且至今尚未形成统一的、严格而准确的定义。“机器人”最早出现在上个世纪20年代初期捷克的一个科幻内容的话剧中，剧中虚构了一种称为Robota（捷克文，意为苦力、劳役）的人形机器，可以听从主人的命令任劳任怨地从事各种劳动。实际上，

4、真正能够代替人类进行生产劳动的机器人，是在20世纪60年代才问世的。伴随着机械工程、电气工程、控制技术以及信息技术等相关科技的不断发展，到20世纪80年代，机器人开始在汽车制造业、电机制造业等工业生产中大量采用。现在，机器人不仅在工业，而且在农业、商业、医疗、旅游、空间、海洋以及国防等诸多领域获得越来越广泛的应用。经过几十年的发展，机器人技术已经形成了综合性的学科机器人学（Robotics）。 机器人学有着及其广泛的研究和应用领域，主要包括机器人本体结构系统、机械手设计，轨迹设计和规划，运动学和动力学分析，机器视觉、机器人传感器，机器人控制系统以及机器智能等。尽管机器人已经得到越来越广泛应用，

5、机器人技术的发展也日趋深入、完善，然而“机器人”尚没有一个统一的、严格而准确的定义。一方面，在技术发展过程中，不同的国家、不同的学者给出的定义不尽相同，虽然基本原则一致，但欧美国家的定义限定多一些，日本等给出的定义则较宽松。另一方面，随着时代的进步、技术的发展，机器人的内涵仍在不断发展变化。国际标准化组织（ISO）定义的机器人特征如下：仿生特征：动作机构具有类似于人或其他生物体某些器官（肢体、感官等）的功能；柔性特征：机器人作业具有广泛的适应性，适于多种工作，作业程序灵活易变；智能特征：机器人具有一定程度的人类智能，如记忆、感知、推理、决策、学习等；自动特征：完整的机器人系统，能够独立、自动完

6、成作业任务，不依赖于人的干预。机器人的组成：机器人是典型的机电一体化产品，一般由机械本体、控制系统、传感器、和驱动器等四部分组成。机械本体是机器人实施作业的执行机构。为对本体进行精确控制，传感器应提供机器人本体或其所处环境的信息，控制系统依据控制程序产生指令信号，通过控制各关节运动坐标的驱动器，使各臂杆端点按照要求的轨迹、速度和加速度，以一定的姿态达到空间指定的位置。驱动器将控制系统输出的信号变换成大功率的信号，以驱动执行器工作。（1）机械本体机械本体，是机器人赖以完成作业任务的执行机构，一般是一台机械手，也称操作器、或操作手，可以在确定的环境中执行控制系统指定的操作。典型工业机器人的机械本体

7、一般由手部（末端执行器）、腕部、臂部、腰部和基座构成。机械手多采用关节式机械结构，一般具有6个自由度，其中3个用来确定末端执行器的位置，另外3个则用来确定末端执行装置的方向（姿势）。机械臂上的末端执行装置可以根据操作需要换成焊枪、吸盘、扳手等作业工具。（2）控制系统控制系统是机器人的指挥中枢，负责对作业指令信息、内外环境信息进行处理，并依据预定的本体模型、环境模型和控制程序做出决策，产生相应的控制信号，通过驱动器驱动执行机构的各个关节按所需的顺序、沿确定的位置或轨迹运动，完成特定的作业。（3）驱动器驱动器是机器人的动力系统，相当于人的心血管系统，一般由驱动装置和传动机构两部分组成。（4）传感器

8、传感器是机器人的感测系统，是机器人系统的重要组成部分，包括内部传感器和外部传感器两大类。内部传感器主要用来检测机器人本身的状态。外部传感器则用来感知机器人所处的工作环境或工作状况信息，又可分成环境传感器和末端执行器传感器两种类型。机器人的分类：经过几十年的发展，机器人的技术水平不断提高，应用范围越来越广，从早期的焊接、装配等工业应用，逐步向军事、空间、水下、农业、建筑、服务和娱乐等领域不断扩展，结构形式也多种多样。因此，机器人的分类也出现了多种方法、多种标准。（1）按照机器人的技术发展水平分按照机器人的技术发展水平可以将机器人分为三代。第一代机器人是“示教再现”型。这类机器人能够按照人类预先示

9、教的轨迹、行为、顺序和速度重复作业。目前在工业现场应用的机器人大多属于第一代。第二代机器人具有环境感知装置，能在一定程度上适应环境的变化。第三代机器人称为“智能机器人”，具有发现问题，并且能自主地解决问题的能力。作为发展目标，这类机器人具有多种传感器，不仅可以感知自身的状态，比如所处的位置、自身的故障情况等等；而且能够感知外部环境的状态，比如自动发现路况、测出协作机器的相对位置、相互作用的力等等。更为重要的是，能够根据获得的信息，进行逻辑推理、判断决策，在变化的内部状态与变化的外部环境中，自主决定自身的行为。这类机器人具有高度的适应性和自治能力。尽管经过多年来的不懈研究，人们研制了很多各具特点

10、的试验装置，提出大量新思想、新方法，但现有机器人的自适应技术还是十分有限的。（2）按机器人的机构特征来分机器人的机械配置形式多种多样，典型机器人的机构运动特征是用其坐标特性来描述的。按机构运动特征，机器人通常可分为直角坐标机器人、柱面坐标机器人、球面坐标机器人和关节型机器人等类型。（3）按照机器人的用途分机器人首先在制造业大规模应用，所以，机器人曾被简单地分为两类，即用于汽车等制造业的机器人称为工业机器人，其他的机器人称为特种机器人。随着机器人应用的日益广泛，这种分类显得过于粗糙。现在除工业领域之外，机器人技术已经广泛地应用于农业、建筑、医疗、服务、娱乐，以及空间和水下探索等多种领域。机器人技

11、术的进展。国际上第一台工业机器人产品诞生于20世纪60年代，当时其作业能力仅限于上、下料这类简单的工作。此后机器人进人了一个缓慢的发展期，直到进人20世纪80年代，机器人产业才得到了巨大的发展，成为机器人发展的一个里程碑，这一时代被称为“机器人元年”。为了满足汽车行业蓬勃发展的需要，这个时期开发出的点焊机器人、弧焊机器人、喷涂机器人以及搬运机器人等四大类型的工业机器人系列产品已经成熟，并形成产业化规模，有利地推动了制造业的发展。为进一步提高产品质量和市场竞争能力，装配机器人及柔性装配线又相继开发成功。20世纪90年代以来，随着计算机技术、微电子技术、网络技术等快速发展，工业机器人技术也得到了飞

12、速发展。现在工业机器人已发展成为一个庞大的家族，并与数控（NC）、可编程、控制器（PLC）一起成为工业自动化的三大技术支柱和基本手段，广泛应用于制造业的各个领域之中。工业机器人技术从机械本体、控制系统、传感系通行统，到可靠性、网络通信功能的拓展等方面都取得了突破性的进展。机械本体方面，通过有限元分析、模态分析及仿真设计等现代设计方法的运用，机器人操作机已实现了优化设计。以德国KUKA公司为代表的机器人公司，已将机器人并联平行四边形结构改为开链结构，拓展了机器人的工作范围，加之轻质铝合金材料的应用，大大提高了机器人的性能。此外采用先进的RV减速器及交流伺服电机，使机器人操作机几乎成为免维护系统。

13、控制系统方面，性能进一步提高，已由过去控制标准的6轴机器人发展到现在能够控制21轴甚至27轴，并且实现了软件伺服和全数字控制。传感系统方面，激光传感器、视觉传感器和力传感器在机器人系统中已得到成功应用，并实现了焊缝自动跟踪和自动化生产线上物体的自动定位以及精密装配作业等，大大提高了机器人的作业性能和对环境的适应性。日本KAWASAKI、YASKAWA、FANUC和瑞典ABB、德国KUKA、REIS等公司皆推出了此类产品。网络通信功能的拓展，日本YASKAWA和德国KUKA公司的最新机器人控制器已实现了与Canbus、Profibus总线及一些网络的联接，使机器人由过去的独立应用向网络化应用迈进

14、了一大步，也使机器人由过去的专用设备向标准化设备发展。另外，由于微电子技术的快速发展和大规模集成电路的应用，使机器人系统的可靠性有了很大提高。除了工业机器人水平不断提高之外，各种用于非制造业的机器人系统也有了长足的进展。农业生产环境的的复杂性和作业对象特殊性使得农业机器人研究难度更大，农业机器人的应用尚未达到商品化阶段，但农业机器人技术的研究已经在土地耕作、蔬菜嫁接、作物移栽、农药喷洒、作物收获、果蔬采摘等生产环节取得了一些突破性进展。例如，日本的耕作拖拉机自动行走系统、联合收割机自动驾驶技术、无人驾驶农药喷洒机，英国的葡萄枝修剪机器人、蘑菇采摘机器人和挤牛奶机器人，我国的农业机器人自动引导行

15、走系统、蔬菜嫁接机器人，法国的水果采摘机器人，以及荷兰开发的挤奶机器人等。机器人技术用于海洋开发，特别是深海资源的开发，一直是的许多国家积极关注的目标。法国、美国、俄罗斯、日本、加拿大等国从20世纪70年代开始先后研制了几百台不同结构形式和性能指标的水下机器人。法国的EPAVLARD、美国的AUSS、俄罗斯的MT-88等水下机器人已用于海洋石油开采、海底勘查、救捞作业、管道敷设和检查、电缆敷设和维护、以及大坝检查等方面。我国在90年代中期研制的“CR-01”水下机器人在太平洋深海试验成功，海深达 6000m 以上，使我国在深海探测和探索方面跃居世界先进水平。近年来随着各种智能能机器人的研究与发

16、展，能在宇宙空间作业的所谓空间机器人就成为新的研究领域，并已成为空间开发的重要组成部分。美、俄、加拿大等国已研制出各种空间机器人，如美国NASA的空间机器人Sojanor等。Sojanor是一辆自主移动车，重量为11.5kg，尺寸63048mm，有6个车轮，它在火星上的成功应用，引起了全球的广泛关注。服务机器人是近年来发展很快的一个领域，已成功地应用于医疗、家用、娱乐等人类生活的方方面面。作为服务机器人的一个重要分支，医用机器人的主要运用在护理、康复、辅助诊断和外科手术等场合。1998年5月德、法两国医生成功利用机器人完成了一例心脏瓣膜修复手术，包括对病人心脏瓣膜的修整和再造。这次手术中使用的

17、是美国直觉外科研究所研制的医用遥控机器人系统。1998年6月，机器人又完成了首例闭胸冠状动脉搭桥手术。机器人技术与外科技术的结合，为病人带来福音。我国机器人发展的基本概况。刚才谈到了日本在20世纪60年代和美国都在开始进行机器人的研究，由于我们国家存在很多其他的各种因素、问题。我们国家在机器人的研究，在20世纪70年代后期，当时我们在国家北京举办一个日本的工业自动化产品展览会，在这个会上有两个产品，一个是数控机床，一个是工业机器人，这个时候，我们国家的许多学者，看到了这样一个方向，开始进行了机器人的研究，但是这时候研究，基本上还局限于理论的探讨阶段，那么真正进行机器人研究的时候，是在七五、八五

18、、九五、十五将近这二十年的发展，发展最迅速的时候，是在1986年我们国家成立了863计划是高技术发展计划，就将机器人技术作为一个重要的发展的主题，国家投入将近几个亿的资金开始进行了机器人研究，经过十几年来的研制、生产、应用，从纵向看，有了长足的进步。目前在一些机种方面，如喷涂机器人、弧焊机器人、点焊机器人、搬运机器人、装配机器人、特种机器人(水下、爬壁、管道、遥控等机器人)，基本掌握了机器人操作机的设计制造技术，解决了控制，驱动系统的设计和配置、软件的设计和编制等关键技术，还掌握了自动化喷漆线、弧焊自动线(工作站)及其周边配套设备的全线自动通信、协调控制技术；在基础元件方面，谐波减速器、机器人

19、焊接电源、焊缝自动跟踪装置也有了突破；于此同时造就了一支具有一定水平的技术队伍。无疑，从技术方面来说，我国的机器人技术在世界机器人界已有一席之地，奠定了独立自主发展中国机器人事业的基础；从社会经济角度来看，我国机器人技术的发展，为中、外机器人产品打开中国市场准备了物质和人员条件。首钢莫托曼机器人有限公司是我国第一家生产机器人的合资企业。它的成立，标志着国外机器人公司开始正式涉足我国的工业机器人产业。首钢莫托曼机器人合资公司的建立，对我国在工业部门推广应用工业机器人是有益的，也有利于我们直接吸收日本先进的机器人技术。关键是要保证产品质量，搞好示范工程，尽快消化吸收外方的技术，早日实现国产化，缩短

20、国产机器人和世界名牌产品的差距。目前主要单位像中科院沈阳自动化所，原机械部的北京自动化所，像哈尔滨工业大学，北京航空航天大学，清华大学，还包括中科院北京自动化所等等的一些单位都做了非常重要的研究工作，也取得了很多的成果，而且目前这几年来看，我们国家在高校里边，有很多单位从事机器人研究，很多研究生和博士生都在从事机器人方面的研究，目前我们国家比较有代表性的研究，有工业机器人，水下机器人，空间机器人，核工业的机器人，都在国际上应该处于领先水平，总体上我们国家与发达国家相比，还存在很大的差距，主要表现在，我们国家在机器人的产业化方面，目前还没有固定的成熟的产品，但是在上述这些水下、空间、核工业，一些

21、特殊机器人方面，我们取得了很多有特色的研究成就。应该说继美国、俄国和法国之后，我们国家在水下机器人方面，也是走向了国际的前列，这是中科院沈阳自动化所开发和研制成功，水下六千米无缆自治水下机器人，那么这个机器人到水下六千米，能够无缆进行作业，这是刚被获得2000年我们国家十大科技成果之一，这个标志着我们国家在水下机器人这块，已经达到了国际先进水平，目前我们在863计划，通过开发水下七千米载人潜器来对海洋进一步的开发和作业，这也是投了很大的财力和物力。在工业机器人飞速发展的同时，在非制造业领域对机器人技术应用的研究和开发也非常活跃，这被称为特种机器人技术。在研究和开发特种机器人的过程中，人们逐步认

22、识到机器人技术是感知、决策、行动和交互四大技术的结合。随着人们对机器人技术智能化本质认识的加深，机器人技术正源源不断地向人类活动的各个领域渗透。结合这些领域的应用特点，人们发展了各种特种机器人和智能机器，如仿人机器人、仿生机器人、微机器人、医疗机器人、水下机器人、移动机器人、军用机器人、空间机器人、农林机器人等。它们从外观上看已经远远脱离了最初工业机器人的形状，其智能和功能也大大超出了工业机器人的范围，更加符合应用领域的特殊要求。传统的机器人是对人体的延伸，一般需要人来操作；而特种机器人和智能机器则是通过感知，由计算机推理进行响应和动作，是对人类智能的延伸。据专家预测，21世纪将是非制造业自动

23、化技术快速发展的时期。目前国际上很多国家，也对机器人对人类社会的影响的估计提出了新的认识，同时，我们也可以看到机器人技术，涉及到多个学科，机械、电工、自动控制、计算机测量、人工智能、传感技术等等，它是一个国家高技术实力的一个重要标准。单片机的简介：单片机（Micro Controller Unit）是把组成微型计算机的各功能部件：CPU、RAM、ROM、定时/计数器、中断控制器、并行和串行接口均集成在一个芯片中。其一个芯片就构成了一个比较完整的计算机系统。微型计算机与单片机是微电子领域的两个分支。微型计算机的特点是运算速度快、存储容量大，适合于信息管理、科学计算等领域；而单片机的特点为体积小、

24、价格低，适合于仪器、设备的控制，常常嵌入到仪器、设备中。故单片机也称作微控制器（Microcontroller）。目前，为了适应各种嵌入式系统的应用需求，单片机将向着高集成度、增强工能。提高速度、降低成本和功耗等方向发展。这组要表现在以下几个方面。（1）处理性能的增强：单片机的处理性能取决于其内部数据总线宽度、指令执行速度、片内存储器容量等指标。近几年发展起来的16位和32位单片机就体现了这个发展趋势。（2）增强功能：未来单片机的增强功能主要在网络功能。A/D和D/A功能、ISP功能、DMA功能、显示器驱动等方面另外为了能有效地保护嵌入式系统的知识产权，对单片机内部软件的加密是必要的，单片机的

25、内部的程序代码存储器带有加密特性是单片机的一种增强功能。（3）高集成度：随着集成电路技术的和工艺的不断提高，单片机技术的发展及其应用领域不断拓展提高单片机的集成度，增加片内功能器件，减少外围器件的扩展，实现真正的“单片”系统已成为发展趋势集成更多的I/O端口和特殊接口，直接驱动LED、VFD、LCD等显示器，带有直接中断方式键盘端口等。近年来，单片机结合专用集成电路（Application Specific Integrated Circuit, ASIC）和精简指令集计算机（Reduced Instruction Set Computer, RISC）技术，发展为嵌入式处理器（Embedde

26、d Processor），适用于数据与数值分析、信号处理、智能机器人及图像处理等高技术领域。AVR的主要特性：高可靠性、功能强、高速度、低功耗和低价位 , 一直是衡量单片机性能的重要指标，也是单片机占领市场、赖以生存的必要条件。AVR单片机硬件结构采取8位机与16位机的折中策略，即采用局部寄存器存堆(32个寄存器文件)和单体高速输入/输出的方案(即输入捕获寄存器、输出比较匹配寄存器及相应控制逻辑)。提高了指令执行速度(1Mips/MHz)，克服了瓶颈现象，增强了功能；同时又减少了对外设管理的开销，相对简化了硬件结构，降低了成本。故AVR单片机在软/硬件开销、速度、性能和成本诸多方面取得了优化平

27、衡，是高性价比的单片机。AVR单片机内嵌高质量的Flash程序存储器，擦写方便，支持ISP和IAP，便于产品的调试、开发、生产、更新。内嵌长寿命的EEProm可长期保存关键数据，避免断电丢失。片内大容量的RAM不仅能满足一般场合的使用，同时也更有效的支持使用高级语言开发系统程序，并可像MCS-51单片机那样扩展外部 RAM。AT89C51简介：AT89C51是一种带4K字节闪存可编程可擦除只读存储器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦

28、除1000次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器。AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。AT89S51具有以下特性：兼容MCS-51指令系统，32个双向I/O口，2个16位可编程定时/计数器、全双工UART串行中断口线、两个外部中断源、中断唤醒省电模式、看门狗(WDT)电路、灵活的ISP字节和分页编程、4KB可反复擦写（大于1000次）ISP Flash ROM、4.5V5.5V工作电压、时钟频率03MH

29、Z、128*8bit内部RAM、低功耗空闲和省电模式、三级加密位、软件空闲和省电功能、双数据寄存器指针。4、参考文献【1】：单片机原理及接口技术（第三版） 李朝清 北京航空航天大学出版社【2】：自动化MCS-51单片机原理及嵌入式系统应用 王忠飞、胥芳 西安电子科技大学出版社【3】：单片机典型系统设计实例精讲 彭为、黄科 电子工业出版社 【4】：电子电力技术西安交通大学（第四版）王兆安 黄俊 机械工业出版社【5】：自动控制技术 刘春 中国劳动社会保障出版社【6】：现代仿生机器人设计 罗庆生 韩宝玲 电子工业出版社【7】：智能机器人 方建军 何广平 化学工业出版社【8】：基于计算机视觉的机器人导

30、航综述 吴晓明 实验科学与技术 2007，5（5）【9】：单片机原理与应用及C51程序设计 唐颖 北京大学出版社 2008-8-1【10】：AVR单片机与小型机器人制作 秦志强 彭建盛 谭立新 电子工业出版社2009.6【11】：c51单片机应用与c语言程序设计 秦志强等 电子工业出版社 2008.7【12】：智能传感器应用项目教程基于教育机器人的设计与实现 秦志强 李唱帅 许国璋等 电子工业出版社 2010.9【13】：机器人设计与控制 （美）丹尼斯.克拉克 迈克尔.欧文斯 科学出版社 2008.4三、初步设计方法与实施方案1、设计步骤（1）确定设计对象；（2）阅读文献，提出要研究的问题，并

31、对要设计对象进行分析；（3）围绕设计的问题进行文献阅读，论证选题背景、现状、发展趋势及设计意义，找到本设计的起点；（4）研究设计，构建研究课题的理论模型，研究现有并联机器人的机械结构特性，并联机构理论及有关技术；（5）在理论成熟的基础上选择设计运动机构和控制方法；（6）把知识进行整理和汇总，对各个设计中遇到的问题进行分析解答，初步的完成整体设计；（7）通过实验调试过程，对设计结果进行讨论和分析，找出设计方案中的不足；（8）修正设计方案，完成毕业设计论文。2、实施方案（1）查阅和收集相关资料，了解国内外并联机器人发展现状。初步拟定设计方案。在方案确定的情况下进行机械结构的设计，并校核主要部件。（

32、2）结合设计的机械结构，进行三维建模，对结构强度等进行有限元分析，并进行运动仿真。结合仿真分析结果优化机械机构。（3）根据机械结构选择相应的运动控制卡和控制方法。（4）在三位模型的基础上制造实物样机，并进行实物模拟试验。观察机器人，再对机械结构和控制系统优化。最后制作成品的机器人。四、预期结果利用龙人宝贝（C51/AVR 二合一版）套件搭建一台两轮车机器人，完成机器人躯体的搭建和策略设计，进行软件的设计和编译工作，并进行调试。预期成果是一台装有编译好的软件，能够识别环境光与手电筒光束，跟随指向它前方表面的手电筒光束行走的两轮车机器人。五、研究工作进度2011.1.2028：认真领会设计任务，调研、查阅相关文献，完成课题的外文翻译资料 2011.3.1315：搜集、分析、整理文献资料，写文献综述，完成课题的开题报告 2011.3.164.20：完成机器人躯体的搭建和策略设计 2011.4.215.20：总体设计方案的拟定与论证，确定总体方案。软件的设计和编译，是机器人能够识别环境光和手电筒光束，跟随指向它前方表面的手电筒光束行走2011.5.215.30撰写论文，准备答辩