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本科生毕业论文(设计)
题目远程机器人力反馈遥控器设计
学院制造科学与工程学院
专业机械设计制造及其自动化
学生姓名张锐
学号0543021248年级2005级
指导教师罗华
教务处制表
二ΟΟ九年六月十日
远程机器人力反馈遥控器设计
机械设计制造及其自动化专业
学生张锐指导老师罗华
摘 要:远程机器人由于可以代替人在极限环境下进行作业而受到越来越多的重视和研究,力反馈遥控器对于提高远程机器人的操作性能和工作效率具有十分重要的意义.论文对力反馈遥控器进行了整体设计.首先,分析了当今力反馈技术以及力反馈装置的现状,在普通遥控器的基础上,安装了力矩电机和精密电位计,设计成为力反馈装置.其次,对遥控器控制系统的硬件进行了设计.本遥控器的单片机选用8051芯片,实现对编码器的信号进行处理,以及对力矩电机的控制.单片机系统与PC机系统的通信接口采用USB串行接口,论文设计了其接口电路,同时还进行了电动机的驱动电路,键盘接口电路以及单片机抗干扰的设计.再次,对遥控器部分驱动程序进行了设计,保证遥控器功能的实现.最后,用Pro/E设计了遥控器的外形.本论文设计是遥控器以实物为基础进行设计的,理论上能够实现对机器人的力反馈遥控操作.
关 键 词:远程机器人力反馈单片机遥控器
目录
第一章绪论1
1.1引言1
1.2选题的目的和意义1
1.3远程机器人的总体分析2
1.3.1远程机器人的构成2
1.3.2本课题机器人从手结构3
1.3.3双向力反应4
1.4本文研究内容4
第二章力反馈技术的分析5
2.1力反馈装置的分类5
2.2力反馈装置的特点7
2.2.1结构型式7
2.2.2力反馈实现方式8
2.2.3力反馈操纵装置的控制方式8
2.2.4力反馈操纵装置性能指标8
2.3力反馈装置的关键技术分析9
2.3.1.性能要求9
2.3.2结构设计11
2.3.3驱动方式12
2.3.4检测与控制系统结构12
第三章遥控器控制系统分析14
3.1通信模块14
3.2关节信号采集模块15
3.3力反馈模块15
3.4辅助指令模块15
第四章力反馈遥控器硬件设计16
4.1USB接口系统17
4.1.1USB总结拓朴结构17
4.1.2USB接口芯片选取17
4.1.3USB接口电路20
4.1.4RS-485接口电路20
4.2位置检测系统21
4.3力矩电机系统22
4.3.1力矩电机的选择22
4.3.2电机驱动电路22
4.4键盘接口设计24
4.5抗干扰设计26
第五章力反馈遥控器程序设计28
5.1USB接口程序设计28
5.1.1端点选择28
5.1.2整体固件结构29
5.1.3主程序设计29
5.1.4中断服务程序30
5.1.5请求处理程序30
5.2光电编码器信号处理部分程序31
5.3RS-485程序34
第六章力反馈遥控器结构及外形设计37
6.1遥控器任务分析37
6.2遥控器的结构设计38
6.2.1力反馈装置的主体设计38
6.2.2遥控杆的设计39
6.2.3遥控器外形的设计40
6.2.4底座的设计41
6.2.5最终装配41
6.3遥控器实现的功能42
第七章总结与展望43
参考文献44
致谢45
第一章绪论
1.1引言
随着现代科学技术的发展,机器人已深入应用于生活的各个领域,其中远程机器人应用最为广泛.远程机器人是指在人的操纵下,能在人难以接近,无法进人或对人体有害的环境中完成比较复杂操作的一种远距离操作系统.远程机器人从二十世纪六十年代出现,经过将近半个世纪的发展,已经取得了很大的成就,其成果已经广泛被运用于工业,民用的各个领域,并带来了巨大的经济效益,而且随着科学技术的进一步发展,它的应用前景将更加广阔[1].远程医疗机器人技术是远程机器人的一个重要应用,是一个集医学,生物力学,机械学,机械力学,材料学,计算机图形学,计算机视觉,数学分析,机器人等诸多学科为一体的新型交叉研究领域,已经成为国际机器人领域的一个研究热点.近年来,许多欧美发达国家纷纷设立专项投资,开展医疗手术机器人技术的研究,经过短时间的快速发展,目前该项技术已经在医疗外科手术规划模拟,微损伤精确定位操作,无损伤诊断和检测,新型手术医学治疗方法等方面得到了广泛的应用.将力反馈技术应用于远程医疗机器人是目前的研究热点之一,它通过力觉,触觉的实时反馈,使操作者产生身临其境的感觉,从而提高手术的成功率,缩短手术时间[2].
1.2选题的目的和意义
机器人技术一直沿着智能化的方向发展,智能机器人通常被认为是全自主系统,多年来人们按照这种思路去开发实际的智能系统.二十世纪八十年代以后,随着对智能机器人的进一步研究,研究人员认为工作在复杂或非结构化环境中的全自主式机器人系统在短期内难以实现,因此对于许多机器人系统应用来说,都需要有人的操作介入.这让人们认识到智能系统应该是一个人―机集成系统,这种认识的基本思想就是要充分利用人和机器人各自的优点,互补地完成更加复杂的工作.这种思想成功的关键不是开发出一种全自动系统而是允许操作者与机器人系统相互合作,以使总体的效率和生产力得以提高.
人-机集成系统可追溯到古老的主从操作机构,机器人是由这种方式发展演变而来的.最早期的主从操作机器人,是结构相同的两套机构,分别放置在不同的地方,其中主端系统放置在一个安全或方便的地方,从端系统放置在人不宜接近的地方,如有辐射,高温,水下,太空等环境.主从操作方式极大地延伸了机器人的应用空间,在许多危险或极限环境下,用机器人代替人是唯一可行的办法.因此,人类在外层空间开发,海洋深水作业及核电站的检测与维护方面,都离不开远程机器人.远程机器人已成为上述领域不可缺少的设备.此外,在一些危险,有毒有害的工业生产环境中,也是远程机器人的用武之地.但这种主从操作并没有真正体现人-机集成系统的人机互补特性,近年来人-机集成系统利用先进的电子技术和计算机技术,以及先进的控制技术,发展成为新型的主从式遥控作业系统.其中,具有感知能力的机器人技术和虚拟现实技术是开发这种集成系统的两项关键技术.作为系统中关键要素的操作者接受远端的视觉和非视觉信息在其上的"显示",并对远端系统进行交互性控制.这样操作者可以处在一个安全和虚拟的工作环境中,获得临场的感觉信息,协同机器人系统更具效能和效率的完成指定的工作[3].
临场感(TelepresenceorTele-existence)技术是指让本地操作者感受来自远端操作器的视觉,力觉,触觉以及其他传感器信息,使其感觉身处远地的工作现场,这样操作者可以对远端现场的作业情况做出准确的判断和决策,指导远端作业系统做出正确的动作,有效地完成任务.临场感分为视觉临场感和非视觉临场感.视觉临场感在遥控作业系统中的重要性已得到了广泛的认识并得到了较为深入的研究,力觉临场感技术的研究才开始不久.对人类获取信息能力的研究表明,视觉信息所占的比例最大,但是当机器人与环境相互作用时,比如组装工件,插销入孔等,如果仅仅提供视觉图像信息,操作者不能从中获得真实的感受,只有在力觉临场感的指导下,操作者才能完成这种复杂和精细的作业任务[4].遥控作业系统的实验还表明,力和接触感觉的反馈可以大大提高遥控作业的效率和精确性.例如,在对遥控机械臂的对比研究中,发现在有力反馈时的效率是仅用图象显示的两倍以上.另外,在没有力反馈的遥控作业系统中,远端机器人严格执行操作者的指令而运动,机械手的实际位置由于各种原因而同指令位置产生误差,这种误差会带来较大的不必要接触力,或偏离制定轨迹,因此在这种情况下很难保证系统的安全性和完成任务的可靠性.由此可见力觉临场感会给遥控作业系统带来很大的优越性,可以极大地提高其操作性能.具有临场感的遥控作业系统可以看作是主从式遥控机械手的一种发展,由于临场感技术可以大大地改善遥控
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