基于网络的助餐机器人控制系统

论文摘要

开发了一种基于网络的助餐机器人控制系统。该系统利用以太网和CAN总线实现传感器信息的输入以及控制量的输出。利用两台x86指令集低功耗计算机作为数据处理计算机,其中一台计算机运行图像处理程序；另一台计算机实时运行Matlab/Simulink控制程序,所有控制信息以及图像处理信息均通过以太网与该计算机相连。本文的主要研究内容是基于网络的助餐机器人控制系统的软件与硬件设计及其实验研究。本文首先介绍了助餐机器人的课题背景以及研究意义,结合国内外发展现状,阐述了该控制系统的主要研究内容。针对助餐机器人的机械结构以及功能要求,分析了控制系统设计的主要挑战,制定了控制系统的实现策略,并简要阐述了软硬件的实现手段。图像处理计算机以及xPC目标机是该控制系统的主要组成部分。图像处理计算机负责图像采集、视频识别算法的实现、运算结果的输出和人机交互界面的显示等任务。xPC目标机包含各类接口模块与实时控制计算机,负责传感器信息的采集、控制算法与逻辑的实现、算法运行结果的输出等工作。本文对该控制系统的软硬件设计思路、相关算法、设计方法做了详尽的说明,设计了基于工业控制ARM与CPLD的通信节点硬件结构；基于该节点构成了模数、数模、开关量输入输出、编码器采集等功能模块；设计了基于μG/OS-Ⅲ实时操作系统的功能模块嵌入式软件,该软件与基于xPC目标机编写的Matlab接口软件结合,实现了以Simulink框图为基础的机器人控制程序的编译与下载。机器人控制程序与基于模板的面部表情识别算法共同构成了机器人的面部表情输入控制模式,实现了以视觉控制为基础的机器臂取餐、送餐、喂食和餐盘旋转功能,扩大了助餐机器人的使用人群。对该系统的软硬件进行了测试,证明了其各项指标达到了最初的设计要求,完成了基于网络的助餐机器人控制系统的设计任务。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的背景和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 国内研究现状
• 1.2.2 国外研究现状
• 1.3 国内外研究现状分析
• 1.4 助餐机器人发展趋势
• 1.5 本文的主要工作
• 第2章 控制系统总体方案设计
• 2.1 被控对象分析
• 2.1.1 助餐机器人机械臂
• 2.1.2 餐桌
• 2.1.3 移动小车
• 2.2 系统需求分析
• 2.2.1 系统硬件功能分解
• 2.2.2 控制系统设计的主要挑战
• 2.3 基于网络的助餐机器人控制系统设计
• 2.3.1 控制系统硬件开发总体思想
• 2.3.2 控制系统软件开发总体思想
• 2.3.3 底层嵌入式软件
• 2.3.4 实时控制与图像处理软件
• 2.3.5 人机交互界面软件
• 2.4 本章小结
• 第3章 助餐机器人控制系统硬件设计
• 3.1 引言
• 3.2 接口模块电路设计
• 3.2.1 通信节点设计
• 3.2.2 功能接口模块设计
• 3.3 功率驱动部分硬件设计
• 3.4 本章小结
• 第4章 控制系统算法及软件设计
• 4.1 引言
• 4.2 底层嵌入式软件设计
• 4.2.1 以太网驱动程序的编写
• 4.2.2 CAN总线驱动程序编写
• 4.3 Matlab接口软件及程序设计
• 4.3.1 编码器模块的Simulink接口函数设计
• 4.3.2 机械臂的数字PID控制器的设计
• 4.3.3 移动小车定位算法设计
• 4.4 图像处理软件设计
• 4.4.1 图像的输入
• 4.4.2 图像的搜索
• 4.4.3 图像的跟踪与辨识
• 4.4.4 图像的显示与发送
• 4.5 人机交互软件设计
• 4.5.1 界面设计
• 4.5.2 通信协议
• 4.5.3 程序实现
• 4.6 本章小结
• 第5章 助餐机器人控制系统实验研究
• 5.1 引言
• 5.2 伺服控制系统实验研究
• 5.2.1 单关节控制实验
• 5.2.2 轨迹跟踪实验
• 5.3 助餐机器人取餐实验
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢