38120字硕士毕业论文基于运动学的遥控机械手体感控制系统的研究
论文类型：硕士毕业论文
论文字数：38120字
论点：机器人,机械,运动学
论文概述：
机械臂控制系统上位机软件开发。用C#编写的人体骨豁夹角检测程序，详细介绍了本文设计的LabVIEW监控系统，最后，对比了传统的滑动平均滤波算法和本文提出的改进算法一限幅加权滑动平均滤
论文正文：
介绍
1.1机械手控制系统的研究背景和意义
1.1.1机械手控制系统的研究背景
机器人的定义是什么？在国际学术界，有不同的观点，包括美国机器人协会(RIA)、国际标准组织(标准化组织)、日本工业机器人协会(JIRA)等的不同定义。一般来说，机器人是能够自动工作的机器。它可以由人编程，也可以根据人工智能和其他技术规定的准则执行任务。从1920年捷克作家卡佩克在他的作品《罗森的通用机器人》(Rossum\'s Universal Robots)中提到机器人一词(意为奴役)开始，机器人开始从幻想发展到现实的34年后，世界上第一个能够通过手动编程控制的机器人于1954年诞生于美国。美国发明家乔治·德沃尔发明了一种机器人，它可以接受不同的程序命令来执行不同的任务，并获得了[专利。1959年，乔治·德和JLO·塞辛格伯制造了第一个工业机器人。此后，随着计算机技术、人工智能、机械加工和理论基础的飞速发展，机器人技术得到了进一步的提高。21世纪，机器人技术正逐步向网络化、智能化和与人和谐发展。美国已经为军事应用开发了多种无人作战平台和作战机器人系统。在欧洲，家用机器人和医疗机器人得到了进一步发展。仿人机器人在日本发展迅速，可以模仿人类的动作、语言、表情等。机械臂作为一种复杂而实用的机器人，是力学、人类学、计算机科学、控制科学、电子工程、生物学等多学科高度交叉融合的结果。多关节机械手是常见而实用的。
2。1机械臂运动学
为了描述机械臂与周围物体(如抓取目标)之间的关系，有必要学习刚体的坐标变换。机械臂运动学包括正向运动学和反向运动学。正向运动学是指通过机械传递的每个关节的飞行度来找到末端执行器的位置的问题。反向运动学正好相反。给定末端执行器的位置，获得机械臂每个关节角度问题的示意图如图2.1所示。具有灵活、惯性小、工作范围大的特点。典型的有美国优美公司生产的PUMA系列机械手和日本山梨大学的穆杨叶发明的SCARA机械手。
1.1.2机械臂控制系统的研究意义
机器人在不同领域发挥着重要作用，从天堂到地球，从工业扩张到农业、林业、畜牧业，甚至到普通人的家中。机器人的种类、广泛应用和深远影响出人意料。机器人可以分成许多种类。从机器人的应用环境来看，它们可以分为两类:工业机器人和特种机器人(微型机器人、水下机器人、军用机器人、农业机器人等)。)11)。根据国际机器人联合会(IFR)发布的数据，2012年发现了16万多个工业机器人，与2011年基本持平。没有人吗？由于全球经济危机的影响，美国的需求继续增加。这表明机器人的研究市场是广阔的。机械臂是一种重要的工业机器人。它可以完成各种工业生产任务，如搬运、装配、干燥、钻孔等。在一些危险的工作环境中(如核辐射、高温高压、强光、缺氧等地方)，非常适合替代人类，完成既定的目标和任务，减少恶劣环境对人类的伤害，甚至完成人类无法完成的任务。2012年，当中国的启龙深潜探测器成功完成7000米深潜任务时，令人振奋。然而，它用于水下取样、探测等工作的系泊力武器是它自己的机械臂。机柜1.2使用机械臂将五星红旗插入海底用于绞刑架。机械臂可以代替人类活动离开船，完成人类在海底高压无氧等恶劣条件下无法完成的任务。2012年8月6日，美国宇航局的好奇号火星探测器成功登陆火星。它是一个移动机械臂，大约有一辆汽车那么大，可以与多种科学仪器合作完成火星探索任务。
1.2机器人遥操作技术
机器人遥操作技术可以跨越空并将人、机器和任务对象置于一个闭环中，实现客观世界中人与机器之间的同步交互操作，大大提高人的感知和行为能力。机器人擅长完成诸如感知、路径规划、信号处理、重复动作、微操作等任务。在底部。人类擅长感知理解、行动计划、行动分解和解决实际问题等。遥操作技术可以让人们完成智能分析，然后通过肢体语言控制机器人完成底层工作。这种人机交互模式可以取得更好的效果。在电影《铁甲和钢拳》中，机器人Atom可以模仿查理的动作，表演行走、舞蹈和拳击等各种动作。人们对这种体感技术充满好奇。它还可以广泛应用于日常生活、工业生产和军事领域。自从20世纪40年代美国阿尔贡实验室(Argonne Laboratory)开始研究用于放射性物质处理的遥控主从机械手以来，世界各国都致力于这项技术的研究。1990年，当日本长崎县云仙岳山(Mount云仙岳)火山爆发后需要修路时，政府派出了一个配备前馈立体摄像机和力反馈操纵杆的遥操作机器人进行远程操作，但效率比人类的实际操作要低50%。Vivek Ramakrishnan和印度的其他人使用现场可编程门阵列(FPGA)远程控制手术机械手，但他们仍处于模拟和实验阶段。它们通过与机械手同轴安装的旋转电阻检测关节角度，并利用ATmegal6单片机将采样的模拟电压值转换成ti2]；自从泰勒和西澳大利亚大学的其他人在1994年将ABB的工业机器人远程机器人(Telerobot)连接到公众可访问的互联网后，这个由互联网控制的远程机器人在美国、日本、德国、意大利等国家开创了一个新的研究方向。体感技术是近年来在游戏行业流行的一种技术，已经逐渐应用于科学研究。1996年，任天堂将全新的Wii遥控器引入家庭游戏控制台。用一个小的遥控手柄，可以无线控制游戏中的角色，大大提高了传统游戏控制台的空极限。其次，索尼、华硕和其他公司也推出了自己的体感游戏控制系统。
2机械臂模型的建立
[6]
3机械手控制系统的硬件开发........14
3.1六自由度机械手控制系统........14
3.2可编程逻辑控制器........16
3.3 ZigBee无线传感器网络设计........16
3.4测量关节角度的加速度传感器........19
3.5°角陀螺仪和模数转换........20
3.6 DC电机驱动........21
3.7微软Kinect传感器........21
4机械手控制系统下位机软件开发........23
4.1可编程逻辑控制器的编程........23
4.2紫蜂无线通信........35
5机械手控制系统上位机软件开发........37
开发5.1连接器传感器软件........37
5.1.1发展平台........37
5.1.2动态骨骼跟踪........38
5.1.3空矢量法计算关节角........39
5.2实验室视图计划开发........44
5.3平滑关节角的滑动平均滤波算法........59
结论
随着计算机技术、传感器技术、芯片制造技术等的蓬勃发展。，机器人研究获得了前所未有的机会。本文采用现场可编程门阵列控制器、动觉摄像头Kinect、Lab VIEW图形编程语言、MATLAB、传感器、紫蜂无线通信等软硬件实现远程六自由度机械臂和移动平台的运动传感控制，运行稳定。结果如下:
(1)搭建了六自由度机械臂和移动平台等硬件。Altera公司编写的VerilogHDL程序采用高性价比的EP2C8Q208 FPGA芯片作为核心处理器，采集各传感器的数据，并进行串行通信、控制命令分析等。正确运行。
(2)给出实验机械臂的D-H模型，利用MATLAB机器人工具箱建立机械臂模型，求解机械臂运动学和逆运动学，获得轨迹规划，计算关节角转角矢量，自动计算机械臂各舵机的转角，达到智能控制的目的。
(3)微软公司的Kinect传感器用于分析机械手操作者的骨骼，并编写C #程序找出两臂的主要关节角度。关节角度数据通过文本文件传输传输到LabVIEW程序，效率高，满足系统运行的需要。
(4)采用点对点通信方式，由协调节点和终端节点组成的紫蜂无线通信模式，在现场可编程门阵列和控制中心计算机之间建立无线通信桥。
(5)编写了功能齐全的LabVIEW上位机程序，包括登录程序、控制命令的逻辑和串行收发、加速度传感器采样值的关节角计算方法、由LabVIEW和MATLAB混合编程计算的机械臂笛卡尔空之间的路径规划、LabVIEW和C#之间的数据交换。
(6)上位机对Kinect传感器采集的人体骨骼关节角度数据进行滤波，介绍了移动平均滤波算法，提出了带裁剪的加权移动平均滤波算法。实验结果表明，该算法能有效平滑原始数据，且延时优于移动平均滤波算法。出现异常数据时，可以过滤掉数据，有效避免机械臂误操作。
参考
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