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1、沈阳理工大学学士学位论文摘 要机器人技术综合了机械学、电子学、计算机科学、自动控制工程、人工智能、仿生学等多个学科的最新研究成果，代表了机电一体化的最高成就，是当今世界科学技术发展最活跃的领域之一。本文较系统的介绍了移动式机器人的发展历史和现状，分析了移动式机器人的机械结构，并对其进行了运动学分析，建立了运动学方程，为对移动式机器人的运动轨迹控制提供了理论基础。搭建出了以单片机AT89C51为核心的控制系统，同时应用了Visual Basic 语言在计算机上编写出操作界面和控制程序，为完成控制提供了操作平台。计算机和单片机之间采用的是RS485串口进行通讯，使操作者利用计算机完成了对移动式机器
2、人运动轨迹的控制。关键词: 移动式机器人；运动学；控制系统；单片机AbstractNowadays the development of the robot technology, which integrates the mechanics,electronics, computer science, automatic control engineering, artifitial intelligence andbionicsetc., represent the highest achievement on the integration of machinery and electr
3、icity and is one of the most active realms in the science technique of the world.This thesis introduces the development history and present situation about series robot. The mechanical structure of series robot is analyzed and the equation of kinematics was built up , for which is the basis of contr
4、olling the movement path. And then, we established the control system which is the core of single-chip AT89C51.The Visual Basic language was used to write the control program and designed the interface of operation in this thesis .The communication between single-chip and computer was carried out by
5、 RS-485 which make the manipulator can control the robot by a computer.Keywords: series robot; kinematics; control system; single-chip.目 录1 绪论11.1 移动机器人的发展11.1.1 发展历史11.1.2 国外发展情况11.1.3 国内发展情况21.1.4 发展趋势21.2 机器人的分类31.3 课题简介41.3.1 本课题研究的意义41.3.2 本设计的主要工作42 机器人小车系统概述62.1 小车机械结构方案比较62.2 小车机械结构方案确定72.3
6、机器人小车各部分构成83 运动学分析103.1 运动学模型103.2 几种基本的运动方式143.2.1 直线运动143.2.2 圆弧运动143.2.3 本体质心不变条件下的运动154 控制系统硬件设计174.1 小车计算机控制系统结构174.2 主控制器件的选择184.3 通讯方式的选择214.3.1 通讯种类的比较214.3.2 通讯讯号传输模式的确定224.4 总体控制电路244.4.1 复位电路244.4.2 时钟电路244.4.3 电机驱动电路255 控制系统的软件设计295.1 编程语言C51简介295.2 单片机控制系统软件设计295.2.1 AT89C51定时器设置315.2.2
7、 中断设置325.2.3 串行协议设置366 系统操作界面设计386.1 设计方案简介386.2 利用MSComm控件实现VB中的串行通讯386.3 操作窗口设计396.4 运动轨迹的实现40结 论42致 谢43参考文献443411 绪论1.1 移动机器人的发展1.1.1 发展历史 机器人的应用越来越广泛，几乎渗透到所有领域。机器人的发展体现了一个国家技术水平的高低，现代机器人从其诞生到现在，已经发展到第三代。 第一代机器人是示教再现型机器人，它是通过一个计算机，来控制一个多自由度的机械，通过示教存储程序和信息，工作时把信息读取出来，然后发出指令，这样的机器人可以重复地根据示教者当时示教的结果
8、，再现出这种动作。第二代机器人是带感觉的机器人，这种带感觉的机器人是类似人拥有某种功能的感觉，比如说力觉、触觉、滑觉、视觉、听觉。和人进行相类比有了各种各样的感觉，比方说在机器人抓一个物体的时候，它实际上力的大小能感觉出来，它能够通过视觉，去感受和识别它的形状、大小、颜色。 第三代机器人，也是我们机器人学中一个理想的所追求的最高级的阶段，叫智能机器人，那么只要告诉它做什么，不用告诉它怎么去做，它就能完成运动，感知思维和人机通讯的这种功能和机能，那么这个目前的发展还是相对的只是在局部有这种智能的概念和含义，但真正完整意义的这种智能机器人实际上并没有存在，而只是随着我们不断的科学技术的发展，智能的
9、概念越来越丰富，它内涵越来越宽1。1.1.2 国外发展情况 早在60年代，就已经开始了关于移动机器人的研究。关于移动机器人的研究涉及许多方面。首先，要考虑移动方式，可以是轮式的、履带式的、腿式的，对于水下机器人则是推进式。其次，必须考虑驱动器控制，以使机器人达到期望的行为。第三，必须考虑导航和路径规划，对于后者有更多的方面要考虑，如传感器信息融合、特性提取、避障和环境映射等。因此，移动机器人是一个集环境感知、动态决策与规划、行为控制与执行等多功能于一体的综合系统。 从80年代开始，美国国防高级研究计划局专门立项，制定了地面无人作战平台的战略计划。能源部制定了为期10年的机器人和职能系统计划，以
10、及后来的空间机器人计划。美国NASA研制的火星探测机器人与1997年登上火星。为了在火星上进行长距离探险，又开始了新一带样机的研制，命名为Rocky7，并在Lavic湖的岩溶流上和干枯的湖床上进行了成功的实验。德国研制了一种轮椅机器人，并在乌尔姆市中心车站的客流高峰期的环境中和1998年汉诺威工业商品展览会大厅环境中进行了现场表演3、。1.1.3 国内发展情况 国内在移动机器人的研究上起步较晚，大多数尚处于某个单项研究阶段，主要的研究工作有： 清华大学智能移动机器人于1994年通过鉴定，涉及五个方面的关键技术：基于地图的全局路径规划研究；传感器技术、信息融合技术研究；智能移动机器人的设计和实现
11、。另外，还有中国科学院沈阳自动化研究所的AGV和防暴机器人；中国科学院自动化所设计、制造的全方位移动式机器人视觉导航系统；哈尔滨工业大学于1996年研制成功的导游机器人4。1.1.4 发展趋势 机器人技术涉及很多学科领域，是多学科综合交叉的边缘学科，机器人技术的发展依赖于很多相关技术的进步。从当前各种技术的应用来看，机器人的发展会出现如下几个趋势： 智能化：从技术角度而言，机器人智能化无疑是一个重要的发展方向。目前智能研究可分两个层次，一是利用诸如模糊控制、神经元网络控制等智能控制策略，利用被控对象对模型依赖性不强的特点来解决机器人的复杂动作问题；二是使机器人具有与人类类似的逻辑推理和问题求解
12、能力，面对非结构性的复杂环境和任务，能够自主寻求解决方案并加以执行。 多机协调性：这是现代生产规模不断扩大所决定的。在大型生产线上，往往是很多机器人共同完成一个生产过程，随着CAD、CAM、CAPP 等技术的发展，更多地把设计、工艺规划、生产制造、零部件的仓储和配送等有机地结合起来，机器人不再是一个独立的作业机械，而是整个生产过程中一个与其它环节密切结合的因素。 标准化：由于各家公司生产的机器人品种很多，机器人的配件也五花八门。不同厂家生产的机器人相互之间很难进行部件互换，这给机器人的使用、维护和更新换代带来了很大麻烦。因此，这是一项十分重要而又艰巨的任务。 微型化：受微电子技术的启发，人们开
13、始设想将微型传感器、微处理器、微型执行机构等器件在极小的空间内进行集成，组成微型机电系统（MEMS）或微型机器人。这样的机器人，在生物血管疾病诊断和治疗，高级仪器设备的检修清洗等多个领域中有重要应用2。1.2 机器人的分类按不同的分类方式，机器人可以分为不同的类型。1、按技术特征划分，机器人可分为第一代机器人、第二代机器人、第三代机器人。第一代机器人以顺序和示教再现为基本控制方式工作；第二代机器人是有感觉的机器人；第三代机器人是智能机器人。2、按控制类型来划分，可分为以下几种： （1）伺服控制机器人。采用伺服手段，包括位置、力等伺服方法进行控制的机器人。 （2）非伺服控制机器人。采用伺服以外的
14、手段，如顺序控制、定位开关控制等进行控制的机器人 （3）PTP 控制机器人。只对手部末端的起点和终点位置有要求，而对起点和终点的中间过程无要求的控制方式。 （4）CP 控制机器人。除了对起点和终点的要求以外，还对运动轨迹的中间各点有要求的控制方式。3、按机械结构来划分，可分为直角坐标机器人，圆柱坐标机器人，极坐标机器人，关节型机器人，SCARA 型机器人以及移动机器人。4、按用途分，可分为工业机器人，农业机器人，医疗机器人，海洋机器人，军用机器人，太空机器人，管道机器人，娱乐机器人等。5、按执行机构的动力方式来划分，可分为电动机器人，液压机器人，气动机器人等10。1.3 课题简介1.3.1 本
15、课题研究的意义实际意义：机器人按机座形式可以分成固定式和行走式两种，一般的工业机器人大多为固定式。但随着社会需要的不断增长，这种机器人也越来越不能满足社会需求。由于海洋科学、原子能工业及宇宙空间事业的发展，移动机器人、自动行走机器人的应用也越来越多了。行走机构是行走机器人的重要执行部件，它由行走的驱动装置、传动机构、位置检测原件和传感器、电缆机关电路等组成。它一方面支撑机器人的机身、臂、和手臂，另一方面还根据工作任务的要求，带动机器人实现在广阔的空间内运动。 理论意义：几乎所有的关于机器人运动学的文章和书籍中，都是以固定基座的机器人模型作为研究对象，通常把腰部的基座作为基坐标系，将机器人手部夹手指尖的中心作为要描述的坐标系原点位置，这样建立的模型，不能满足也不适合移动式机器人。而专门关于移动式机器人运动学的研究就少
