南京工业大学 开题报告

毕业设计(论文)开题报告学生姓名：学号：所在学院：自动化与电气工程学院专业：测控技术与仪器设计(论文)题目：光电导引自主式搬运机器人设计指导教师：2015年1月22日重要提示：1．本电子文档标准格式中的各类说明（用蓝色字体表示）仅供参考，在参阅后请自行删除（包括本提示），黑色字体的内容全部保留。2．本文档中日期的填写务必与“毕业设计任务书”中的工作进度计划相符。开题报告填写要求1．开题报告（含“文献综述”）作为毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。此报告应在指导教师指导下，由学生在毕业设计（论文）工作前期内完成，经指导教师签署意见及所在专业审查后生效；2．开题报告内容必须用黑墨水笔工整书写或按教务处统一设计的电子文档标准格式（可从教务处网页上下载）打印，禁止打印在其它纸上后剪贴，完成后应及时交给指导教师签署意见；3．“文献综述”应按论文的格式成文，并直接书写（或打印）在本开题报告第一栏目内，学生写文献综述的参考文献应不少于15篇（不包括辞典、手册）；4．有关年月日等日期的填写，应当按照国标GB/T7408—94《数据元和交换格式、信息交换、日期和时间表示法》规定的要求，一律用阿拉伯数字书写。如“2004年4月26日”或“2004-04-26”。毕业设计（论文）开题报告1．结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写2000字左右的文献综述：文献综述一．题目：光电导引自主式搬运机器人设计二．课题意义：机器人作为人类的新型生产工具，在减轻劳动强度，提高生产率，改变成产模式，把人从危险、恶劣、繁重的工作环境下解放出来，显示出极大的优越性[1]。21世纪以来，国内外对机器人技术的发展越来越重视。机器人技术被认为是对未来新兴产业发展具有重要意义的高技术之一。欧盟在第七框架计划（FP7）中规划了“认知系统与机器人计划”、日本、韩国在服务型机器人方面也制定了相应的研究规划，我国在国家高技术研究发展计划（863计划）、国家自然科学基金、国家科技重大专项等规划中对机器人技术研究给予了极大的重视。国内外产业界对机器人技术引领未来产业发展也寄予厚望。由此可见，机器人技术是未来高技术、新兴产业发展的基础之一，对于国民经济和国防建设具有重要意义[2]。三．研究现状：随着计算机、微电子、信息技术的快速进步，机器人技术的开发速度越来越快，智能度越来越高，应用范围也得到了极大地扩展。在海洋开发、宇宙探测、工农业生产、军事、社会服务、娱乐等各个领域机器人都有着广阔的发展空间与应用前景[3]。机器人正朝着智能化和多样化等方向发展。目前，国内外对机器人的研究不断深入，已经开发出各式各样的具有感知、决策、行动和交互能力的特种机器人和各种智能机器人[3]。智能移动机器人是机器人的一个重要分支，是一个集人机交互、环境感知、规划与决策、运动控制等多功能于一体的综合装置[6]。本文对移动机器人的发展和技术做出了研究。国外研究现状：移动机器人的研究可以追溯到20世纪60年代。斯坦福大学研究所成功地研制一种典型的自主移动机器人Shakey。它具有在复杂环境下，对象识别，自主推理，路径规划及控制功能。于此同时，以GeneralElectricQuadruped为代表的步行机器人也研究成功。70年代末，随着计算机技术的发展和应用，以及传感器技术的发展，移动机器人的研究又出现新的高潮[4]。美国国家科学委员会曾预言：20世纪的核心武器是坦克，21世纪的核心武器是无人作战系统，其中2000年以后遥控地面无人作战系统将连续装备部队，并走向战场[5]。为此80年代开始，美国国防部DARPA支助之下，由CMU，Standford大学和MIT等单位开展的ALV研究，：能源部制定的为期10年的机器人和智能系统计划，以及后来的空间机器人计划；日本通产省的极限环境下作业机器人计划和人形机器人计划；欧洲尤里卡中心的机器人计划等。除此之外，很多世界著名公司不惜投入重金，纷纷开始研究移动机器人。进入90年代末后，随着技术的迅猛发展，移动机器人向实用化、系列化、智能化进军。涌现出许许多多智能移动机器人。如CMU的Navlab系列移动机器人系统，德国Vamors-P和Caravelle系列移动机器人系统，日本本田公司的P系列和ASIMO人形机器人，日本索尼的SDR-3X人形机器人等代表着移动机器人各个方面的先进研究成果[4]。国内研究现状：我国移动机器人是从八五期间开始这方面研究。同世界主要机器人大国相比，尽管我国在移动机器人的研究起步较晚，但是发展却很迅速。对于一些室外移动机器人的某些关键技术达到了或者接近国际先进水平。国内移动机器人的主要研究成果如下：清华大学的智能移动机器人THMR-III，V型机器人；中科院沈阳自动化所的AGV自主车和防爆机器人；香港城市大学的自动导航车及服务机器人；哈尔滨工业大学的导游机器人；中科院自动化所的全方位移动式机器人视觉导航系统；国防科技大学的双足机器人；由南京理工大学，北京理工大学，浙江大学等多所院校联合研究的军用室外移动机器人[4]。然而，从总体来讲，无论在规模还是深度上，与美、日等国还有相当差距。面对真实世界的非结构化和动态特点，高适应性、高鲁棒性、高柔性的协作理论、方法与技术将是今后的研究重点[5]。四．研究内容：本课题就是从一个小型的智能搬运机器人的开发出发，在机器人传感器系统和直行系统硬件基础上，进行智能搬运机器人移动功能和自主搬运功能的设计分析。其中主要包括两大项工作：1．通过学习机械手的工作原理，熟悉运动手的工作机理，在此基础上完成了机械手机械方面的设计（包括传动部分、执行部分、驱动部分）：最初的机器人是固定于基座的机械臂，直至今日，机械臂依然是机器人重要的执行部件。多年来，机械臂的控制问题一直是机器人领域和控制领域的重要课题，也发展出了不少理论及控制方法。随着机器人应用领域的扩展，固定基座的机械臂已不能满足新的应用要求。于是，从80年代开始，各国开始研究移动机械臂。在移动机器人的定位、导航等主要问题上的研究取得进展同时，以移动机器人为平台，通过加载特殊功能模块来扩展功能的特种机器人也越来越多[7]。机器人手爪按照驱动源的方式可以分为电机、液压、气动、形状记忆记忆合金等，机器人灵巧手传动系统把驱动器产生的运动和力以一定的方式传递到手指关节，从而使关节做相应的运动。这里按照驱动和传动的方式，将灵巧手分为以下几种类型：腱传动方式、连杆传动方式、其他传动方式、人工肌肉的驱动方式、形状记忆合金驱动方式、欠驱动方式[8]。机械爪的应用环境千差万别，抓取可靠、环境适应性好、控制简单、自适应性强、自主能力提高时衡量机器人手爪设计水平的重要标志，如：（1）苹果采摘机器人：利用工业机器人的六自由度手臂作为机械手主体，手臂整体可在架子上进行水平和竖直方向的移动[15]；（2）1913年美国福特汽车公司研制成功给机床上下料的的机械手：机械手是为特定的自动机床上下料的，多由主机驱动，其动作程序时固定的[16]；（3）建造旋转体零件：一般都采用机械手在机床之间传送工件如大连电机厂的4号和5号电机轴自动线；（4）铸、锻、焊、热处理等热加工方面：上海跃进电机厂电机轴中频热套机械手，上海汽车配件厂散热器浸锡机械手等；（5）车辆检修：在加工、检验、运输、转运和存放等方面实现自动化和半自动化[17]等。2．移动机器人导航技术的设计分析：目前移动机器人的成熟产品中，自动导引车是使用最为广泛的。自动导引车中具有充电电池盒自动导引装置。在内置程序及导引装置的作用下，自动导引车可以不借助人力帮助自动抵达指定位置[9]。移动机器人有多种导航方式：（1）惯性导航：它利用机器人装备的陀螺仪和光电解码器，计算机器人所走航程，以此来推断机器人的当前位置以及下一步的目标位置10]。（2）电磁导航：其原理是在路径上连续埋设多条引导电缆，分别流过不同频率的电流，通过感应线圈对电流的检测来感知路径信息[11]。（3）激光导航：激光导航是准确的说是一种多传感器信息融合导航，需要利用装配在机器人上的里程计和激光测距仪。将里程计采集的数据进行航迹推算结合激光测距仪实时扫描的数据与环境地图的匹配，来获得机器人在环境中的精确位姿。（4）光学反射导引：移动机器人设置2个或者多个红外或者紫外等发光元件，对色带进行照射。通过多个光学传感器对反射回的光学信号进行检查来确定移动机器人和色带相对位置并进行导引[13]。（5）视觉导航：通常采用CCD敏感元件，采用摄像机来感知地面上的有色路径或者采用CCD记忆示教的软体路径，而后再现的方法来获取路径信息[1]。（6）超声波导航：使用超声传感器导航，就是通过超声传感器测量行驶环境中存在的障碍物的距离，依据距离信息作出行驶决策的导航方法[14]。五．参考文献：[1]张明路,丁承君,段萍.移动机器人的研究现状与趋势[J].河北工业大学学报,2014(2)[2]谭民.机器人技术研究进展[J].自动化学报,2013,39（7）:963~972[3]孟庆春.智能机器人及其发展[J].中国海洋大学学报,2004(5)[4]徐国保,尹欣怡,周美娟.移动机器人技术现状及展望[J].机器人技术与应用,2007(2)[5]张辉.非完整性移动机器人体系结构设计与轨迹跟踪控制研究[D].湖南:湖南大学,2007[6]刘承俊.一种基于视觉信息的自主搬运机器人[J].科学技术与工程,2007（3）[7]陈建业.移动机械臂动力学控制与基于视觉的物体抓取[D].杭州:杭州电子科技大学,2010[8]骆敏舟,杨秀清,梅涛.机械人手爪的研究现状与进展[J].机器人技术与应用.2008(2)[9]魏全盛,丁莉英.移动机器人关键技术分析[J].科技资讯,2014(26)[10]李灿.智能移动机器人导航策略研究与实现[D].浙江:浙江工业大学,2013[11]王志文.移动机器人导航技术现状与展望[J].机器人,2003(5)[12]王川.移动机器人导航中的路径规划与运动控制技术研究[D].武汉:武汉科技大学,2009[13]杨奇.轮式机器人的实时障碍物识别和视觉导引[D].沈阳:沈阳理工大学,2011[14]李爱莲,高策,梁惠明.移动机器人导航方法的分析与研究[J].仪表技术,2013(5)[15]杨文亮.苹果采摘机器人机械手结构设计与分析[D].镇江:江苏大学,2009[16]何发昌.我国机械手和机器人[J].吉林工业大学学报,1981(1)[17]姚昆炎.机械手在车辆检修方面的应用[J].国外机车车辆工艺,1983(3)毕业设计（论文）开题报告２．本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：一．研究内容和要解决的问题：本课题旨在完成一个小型的光电导引式自主搬运机器人的设计，并能够自主完整的完成以下规定动作：（1）机器人查病房；（2）机器人为病人端茶水。（1）机器人查病房。机器人从起点出发前行，沿白线，查甲床、乙床两病床上的病人。只需与病床前的挡板轻接触，能明显看出挡板晃动（或指示灯亮），即可认为查房成功。（2）机器人为病人端茶水。机器人必须模拟人手动作竖拿杯子，不能拖和粘。将S1处竖放的杯子端到目的地1，再将S2处竖放的杯子端到目的地2。然后返回起点。场景示意图如下：二．研究手段：硬件设计：搬运机器人的整体设计我采用智能小车搭载机械爪的方式。小车采用四轮差速驱动，使用直流电机，因为直流电机控制简单、启动转矩大、体积小、转速和转矩容易控制效率高。路径识别有两种方案，一种是采用CCD摄像头循迹，另一种是采用反射式红外光电管循迹，根据两种方案的优缺点，权衡稳定性、精度和速度后,我选择采用反射式红外光电管循迹。电机驱动采用两个L298N模块分别驱动左边两个电机和右边两个电机，该模块具有驱动能力强，发热量低，抗干扰能力强的特点。电源设计方面我使用两块7.2V的镍氢电池，一块用来给电机供电并且通过L298N模块上的外置5V接口给单片机控制板供电，另一块通过LM2596稳压模块转5V给传感器模块和机械爪上的舵机供电。核心板我使用的是stm32f103zet6软件设计：编程使用C语言，