【正文】 燕 山 大 學(xué) 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告 課題名稱： 基于單片機(jī)的六自由度機(jī)械臂控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 學(xué)院（系）： 里仁學(xué)院 年級(jí)專業(yè)： 2020 級(jí)檢測(cè)技術(shù)與儀器 學(xué)生姓名： 劉健 指導(dǎo)教師： 潘釗 完成日期： 2020 年 3 月 20 日 1 一、綜述本課題國(guó)內(nèi)外研究動(dòng)態(tài)，說(shuō)明選題的依據(jù)和意義 隨著世界日新月異的變化發(fā)展，自動(dòng)化智能科技變得不再神秘。遠(yuǎn)至太空，隨著空間技術(shù)的飛速發(fā)展，特別是空間站、航天飛機(jī)、空間機(jī)器人等的誕生及成功應(yīng)用，機(jī)械臂作為在軌支持、服務(wù)的一項(xiàng)關(guān)鍵性技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入太空，并越來(lái)越受到人們的關(guān)注。近至我們的生產(chǎn)生活，基于生產(chǎn)力的發(fā)展及新的要求，自動(dòng)化機(jī)械臂技術(shù)也是自動(dòng)化技術(shù)蓬勃發(fā)展的一個(gè)典例 [1]。 機(jī)械手主要以執(zhí)行機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，控制機(jī)構(gòu)和 位置檢測(cè)裝置等構(gòu)成。其中執(zhí)行機(jī)構(gòu)由手臂，立柱，以及基座等構(gòu)成。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)形成的傳動(dòng)裝置。控制系統(tǒng)多為電氣控制，它使機(jī)械手按照限定程序邏輯運(yùn)動(dòng)。位置檢測(cè)裝置屬于反饋環(huán)節(jié)，能夠?qū)崟r(shí)反饋給機(jī)械臂進(jìn)行運(yùn)動(dòng)變化的信息 [2]。 本次課題設(shè)計(jì)以機(jī)械臂為題目的意義在于，既能夠運(yùn)用所學(xué)的電氣自動(dòng)化和計(jì)算機(jī)單片機(jī)等相關(guān)知識(shí)，又能夠進(jìn)行二次學(xué)習(xí)。并且機(jī)械臂實(shí)用性很強(qiáng)，不但對(duì)于我們運(yùn)用知識(shí)的能力有鍛煉的作用，更能夠運(yùn)用到以后實(shí)際工作當(dāng)中。 國(guó)外機(jī)器人領(lǐng)域發(fā)展近幾年有如下幾個(gè)趨勢(shì) : (1)工業(yè)機(jī)器人性能 不斷提高 (高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修 )，而單機(jī)價(jià)格不斷下降，平均單機(jī)價(jià)格從 91 年的 萬(wàn)美元降至 97年的 65 萬(wàn)美元。 (2)機(jī)械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機(jī)、減速機(jī)、檢測(cè)系統(tǒng)三位一體化 :由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機(jī)器人整機(jī) 。國(guó)外已有模塊化裝配機(jī)器人產(chǎn)品問市。 (3)工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)向基于 PC 機(jī)的開放型控制器方向發(fā)展，便于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化 。器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu) :大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。 (4)機(jī)器人中的傳感器作用 日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速 2 度等傳感器外，裝配、焊接機(jī)器人還應(yīng)用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機(jī)器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術(shù)來(lái)進(jìn)行環(huán)境建模及決策控制 。多傳感器融合配置技術(shù)在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟應(yīng)用。 (5)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)器人中的作用已從仿真、預(yù)演發(fā)展到用于過(guò)程控制，如使遙控機(jī)器人操作者產(chǎn)生置身于遠(yuǎn)端作業(yè)環(huán)境中的感覺來(lái)操縱機(jī)器人。 (6)當(dāng)代遙控機(jī)器人系統(tǒng)的發(fā)展特點(diǎn)不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機(jī)器人的人機(jī)交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構(gòu)成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使智 能機(jī)器人走出實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入實(shí)用化階段。美國(guó)發(fā)射到火星上的“索杰納”機(jī)器人就是這種系統(tǒng)成功應(yīng)用的最著名實(shí)例。 (7)機(jī)器人化機(jī)械開始興起。從 94 年美國(guó)開發(fā)出“虛擬軸機(jī)床”以來(lái)，這種新型裝置已成為國(guó)際研究的熱點(diǎn)之一，紛紛探索開拓其實(shí)際應(yīng)用的領(lǐng)域。 我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人從 80 年代“七五”科技攻關(guān)開始起步，在國(guó)家的支持下，通過(guò)“七五”、“八五”科技攻關(guān)，目前己基本掌握了機(jī)器人操作機(jī)的設(shè)計(jì)制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)技術(shù)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機(jī)器人關(guān)鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點(diǎn)焊、裝配、搬運(yùn)等機(jī)器人 。其中有 130 多臺(tái)套噴漆機(jī)器人在二十余家企業(yè)的近 30 條自動(dòng)噴漆生產(chǎn)線 (站 )上獲得規(guī)模應(yīng)用，弧焊機(jī)器人己應(yīng)用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來(lái)看，我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國(guó)外比還有一定的距離，如 :可靠性低于國(guó)外產(chǎn)品；機(jī)器人應(yīng)用工程起步較晚，應(yīng)用領(lǐng)域窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術(shù)與國(guó)外比有差距 。在應(yīng)用規(guī)模上，我國(guó)己安裝的國(guó)產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人約 200 臺(tái)，約占全球已安裝臺(tái)數(shù)的萬(wàn)分之四。以上原因主要是沒有形成機(jī)器人產(chǎn)業(yè)，當(dāng)前我國(guó)的機(jī)器人生產(chǎn)都是應(yīng)用戶的要求，“一客戶，一次重新設(shè)計(jì)”，品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周 期長(zhǎng)、成本也不低，而且質(zhì)量、可靠性不穩(wěn)定。因此迫切需要解決產(chǎn)業(yè)化前期的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、模塊化設(shè)計(jì)，積極推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程 .我國(guó)的智能機(jī)器人和特種機(jī)器人在“ 863”計(jì)劃的支持下，也取得了不少成果。其中最為突出的是水下機(jī)器人， 6000m 水下無(wú)纜機(jī)器人的成果居世 3 界領(lǐng)先水平，還開發(fā)出直接遙控機(jī)器人、雙臂協(xié)調(diào)控制機(jī)器人、爬壁機(jī)器人、管道機(jī)器人等機(jī)種 :在機(jī)器人視覺、力覺、觸覺、聲覺等基礎(chǔ)技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用上開展了不少工作，有了一定的發(fā)展基礎(chǔ)。但是在多傳感器信息融合控制技術(shù)、遙控加局部自主系統(tǒng)遙 控機(jī)器人、智能裝配機(jī)器人、機(jī)器人化機(jī)械等的開發(fā)應(yīng)用方面則剛剛起步，與國(guó)外先進(jìn)水平差距較大，需要在原有成績(jī)的基礎(chǔ)上，有重點(diǎn)地系統(tǒng)攻關(guān)，才能形成系統(tǒng)配套可供實(shí)用的技術(shù)和產(chǎn)品，以期在“十五”后期立于世界先進(jìn)行列之中。 從 1961 年世界上第一個(gè)真正意義上的實(shí)用機(jī)器人在美國(guó)問世，到如今機(jī)器人已經(jīng)從一個(gè)夢(mèng)想中的角色真真正正的走入了人類的生活， 48 年來(lái)，世界各國(guó)都前赴后繼地奔跑在“研究利用人工智能”這條新路上，特別是美國(guó)和日本已經(jīng)逐步發(fā)展成為了“人工智能強(qiáng)國(guó)”。而對(duì)于中國(guó)在人工智能領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀，鐘義信教授表示，中國(guó)人工 智能學(xué)科起步晚， 但在理論研究方面已“趕超日本、追平美國(guó)”，完全達(dá)到了世界領(lǐng)跑水平， 特別是中國(guó)科學(xué)家協(xié)同配合國(guó)外傳統(tǒng)研究方法，開發(fā)出的新的綜合創(chuàng)新性研究體系， 為世界科 那么，在人工智能的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用方面，中國(guó)的水平又如何呢？“我國(guó)雖然在 人工智能 的軟件方面水平不低，但在硬件、機(jī)器制造方面水平還不高，和日本等應(yīng)用水平和普及度都較高的國(guó)家相比，中國(guó)還處于一個(gè)‘很初級(jí)’的階段?！辩娏x信坦言，“這并不代表我們不能開發(fā)出具有強(qiáng)大功能的機(jī)器人，事實(shí)上我國(guó)的實(shí)驗(yàn)室研究生產(chǎn)水平已經(jīng)完全可以制造出與日本同等水平的人工智能成果?！辩娏x 信表示，當(dāng)前影響我國(guó)人工智能應(yīng)用發(fā)展的原因主要是，工業(yè)化生產(chǎn)水平相比于美日還存在較大差距，對(duì)資源和能源的消耗也都難以達(dá)到需求，此外，一項(xiàng)先進(jìn)的人工智能成果在剛開始投入市場(chǎng)生產(chǎn)時(shí)需要較高的成本，這對(duì)于我國(guó)一些普通家庭來(lái)說(shuō)還屬于奢侈品，因此在市場(chǎng)需求和推廣上也難以跟上國(guó)外的腳步。 “雖然有差距，但是我們也在不斷的進(jìn)行努力和嘗試?！敝袊?guó)人工智能學(xué)會(huì)副理事長(zhǎng)何華燦介紹，在 2020 年中國(guó)就曾經(jīng)進(jìn)行過(guò)一次“中國(guó)象棋”的人機(jī)大戰(zhàn)，其過(guò)程和效果堪比美國(guó)的“深藍(lán)”人機(jī)競(jìng)賽，另外，以哈工大為首的國(guó)內(nèi)眾多高校的人工智能研發(fā)水平近 年來(lái)發(fā)展迅猛，在一些國(guó)際水平的“機(jī)器人足球賽” 、 “機(jī)器人起重大賽”等人工智能競(jìng)賽中都取得優(yōu)異 成績(jī) 4 未來(lái)景象：機(jī)器人存在潛在威脅？ 盡管目前人工智能的發(fā)展還未達(dá)到人類智能的水平，但仍有很多人對(duì)此產(chǎn)生顧慮。日本高級(jí)通信技術(shù)國(guó)際研究所硅腦制造工程負(fù)責(zé)人雨果德加里斯就曾表示：總有一天，我創(chuàng)造出的東西可能會(huì)“像拍蒼蠅一樣把我拍死”。對(duì)于這些擔(dān)心，鐘義信教授表示，人工智能的研究是希望機(jī)器的智能能夠接近于人類，但是人類所具有的最重要的智能表現(xiàn) —— 創(chuàng)造性，卻是機(jī)器人永遠(yuǎn)都難以超越的，它只能遵照人類為它設(shè)定的程序來(lái) 執(zhí)行，因此機(jī)器人也永遠(yuǎn)不會(huì)成為人類的“掘墓人”。另?yè)?jù)何華燦教授介紹，當(dāng)前國(guó)際人工智能領(lǐng)域已將“給機(jī)器人設(shè)計(jì)制造者立法”提上了日程，希望能以此來(lái)約束設(shè)計(jì)者和使用者們合理合法、安全善意地使用機(jī)器人，讓人工智能延伸擴(kuò)大人類的力量。 常言心靈手巧，機(jī)械臂作為仿生學(xué)的一個(gè)分支，具備良好的靈活性和實(shí)用性。并且由于其智能化的要求，能夠更好地讓我們結(jié)合自動(dòng)化類專業(yè)知識(shí)去研究它。 本次課題的研究方向如下：研究核心在機(jī)械臂的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，采用六自由度關(guān)節(jié)式成品機(jī)械臂為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)部分為以 STM32 為核心的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)以及位置檢測(cè)系統(tǒng)。硬件如圖 1。 5 圖－１ 二、研究步驟、方法及措施 STM32 單片機(jī)的工作原理與編程方法，掌握六自由度機(jī)械臂工 作原理與使用方法； ；按照模塊化設(shè)計(jì)思想，完成各功能模塊與系統(tǒng)調(diào)試； ：以 STM32 單片機(jī)為核心，控制機(jī)械臂按照合理的軌跡運(yùn)動(dòng)，在遙控或自主控制下完成較精確的位置移動(dòng)和抓取功能。 本次課題設(shè)計(jì)思路如下：以 STM32 作為控制樞紐，以 NRF24L01 作為信號(hào)輸出，接收端， 規(guī)劃若干實(shí)用性較強(qiáng)的運(yùn)動(dòng)軌跡，完成機(jī)械臂的一個(gè)控制系統(tǒng)。如果有精力，進(jìn)一步增加遙控器以達(dá)到實(shí)時(shí)控制的效果。 三、研究途徑與措施 資料收集，收集 STM32 編程手冊(cè)資料，各模塊資料，以及機(jī)器人設(shè)計(jì)和電路設(shè)計(jì)的相關(guān)資料并且整理。 6 基于原有知識(shí)并進(jìn)一步理論學(xué)習(xí)，掌握與本課題相關(guān)的各種專 業(yè)知識(shí)，以達(dá)到能夠?qū)崟r(shí)編程控制系統(tǒng)的程度。 。 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行實(shí)際驗(yàn)證。 改進(jìn)完善，修改方案以達(dá)到設(shè)計(jì)的期望要求。 四、 研究工作進(jìn)度 第 13 周： 畢業(yè)設(shè)計(jì)前期 搜尋查閱資料，掌握 STM32 的基本工作原理，熟悉其基 本功能運(yùn)作，完成系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)。完成開題報(bào)告及文獻(xiàn) 綜述，進(jìn)行開題審核。 第 4 周： 開題考核 第 58 周： 畢業(yè)設(shè)計(jì)中期 完成設(shè)計(jì)，基本完成系統(tǒng)調(diào)試，并撰寫論文初稿。 第 9 周： 中期考核 第 1115 周：畢業(yè)設(shè)計(jì)后期 完成系統(tǒng)測(cè)試工作，在功能模塊基礎(chǔ)上，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行更 深設(shè)計(jì)加工，并完成 論文。 第 16 周： 答辯資格審查，論文評(píng)閱。 第 17 周： 論文答辯，成績(jī)?cè)u(píng)定。 五、主要參考文獻(xiàn) [1]徐國(guó)保 ,尹怡欣 ,周美娟 .智能移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)現(xiàn)狀及展望 [J].機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用 ,2020,(02) [2]王建軍 ,搬運(yùn)機(jī)械手仿真設(shè)計(jì)與制作 [J].機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用 ,20209 [3]蔡衛(wèi)國(guó) ,關(guān)節(jié)型搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計(jì) [J].機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用 ,202011 [4]鄭樺 .叢爽 ,魏子翔 .基于網(wǎng)絡(luò)機(jī)械臂遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)延時(shí)補(bǔ)償?shù)难?究與實(shí)現(xiàn) [J].機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用 ,2020 [5]郭 宗仁等 ,可編程控制器應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)及通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù) [M].通信網(wǎng)絡(luò) 7 技術(shù) .北京人民 出版社 ,2020 [6]李允文 工業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè) [J].北京機(jī)械工業(yè)出版社 .機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用 ,19948 [7]張建民 工業(yè)機(jī)器人 [M].機(jī)器人技術(shù) .北京理工大學(xué)出版社 ,1996 [8]李洪劍 西方機(jī)器人技術(shù) [D].機(jī)器人技術(shù) .哈爾濱工業(yè)大學(xué) ,2020 [9]蔡自興 機(jī)器人學(xué) [M].清華大學(xué)出版社 ,2020 [10]李壽剛 關(guān)節(jié)型機(jī)器人 [M].北京理工大學(xué)出版社 ,2020 [11]Noshikondon,Ting K 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