助餐机器人的机构设计与伺服系统研究

论文摘要

研究了一种新型机器人——助餐机器人,它通过模拟正常人上肢取食时的动作,帮助手部活动功能丧失的人进食。中国有大约1000万的肢体残疾人,其中手部残疾患者占了相当大的比例。解决这些患者的饮食问题成为非常困难的问题,研究助餐机器人对于提高这些人的生活质量具有重要的意义。在分析助餐机器人国内外发展现状的基础上,设计了助餐机器人的总体方案。确定了它的机械结构方案,设计了以ATmega128L为核心伺服控制系统方案。利用实体建模工具Pro/ENGINEER得出系统的质量参数,并利用MATLAB/Simulink仿真环境,采用模块化设计,构造了电机控制系统的仿真模型,给出了仿真结果。设计了伺服控制系统硬件和软件。硬件主要包括ATmega128L控制模块和功率模块。ATmega128L控制模块的主要作用是完成上、下位机通信,产生PWM信号。功率模块的主要作用是对控制信号放大,驱动电机运动。开发了基于C语言的下位机控制软件,并给出了程序流程图。研制了助餐机器人的实验样机,利用dSPACE RTI1104半物理仿真平台开发了伺服系统的速度闭环和位置闭环的程序,进行了系统性能实验。实验表明助餐机器人达到了设计要求,系统的工作性能稳定,控制精度良好,具有较好的可操作性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的目的及研究意义
• 1.1.1 课题研究的背景
• 1.1.2 课题的研究意义及目的
• 1.2 助餐机器人国内外研究现状
• 1.2.1 国内研究现状
• 1.2.2 国外研究现状
• 1.2.3 国内外研究现状分析
• 1.3 发展前景
• 1.4 本文主要研究工作
• 第2章 助餐机器人总体方案设计
• 2.1 引言
• 2.2 机械结构总体方案设计
• 2.2.1 坐标形式
• 2.2.2 机械结构方案选择
• 2.2.3 机械结构设计
• 2.2.4 机械结构参数的确定
• 2.2.5 驱动方式选择
• 2.2.6 驱动电动机选择
• 2.3 伺服系统总体控制方式设计
• 2.3.1 伺服系统概述
• 2.3.2 控制方式
• 2.3.3 工作原理
• 2.4 本章小结
• 第3章 伺服控制系统的建模与仿真
• 3.1 引言
• 3.2 伺服控制系统模型的建立
• 3.2.1 直流电动机伺服系统的模型
• 3.2.2 单关节直流电动机伺服系统模型的建立与仿真
• 3.2.3 其他关节直流电机伺服系统的仿真曲线
• 3.3 本章小结
• 第4章 控制系统硬件和软件设计
• 4.1 引言
• 4.2 控制系统硬件设计
• 4.2.1 单片机控制系统的设计
• 4.2.2 功率放大模块的设计
• 4.2.3 正交编码器接口的设计
• 4.3 控制系统软件设计
• 4.3.1 数字 PID控制原理
• 4.3.2 PID的程序流程
• 4.3.3 初始化标定模块程序设计
• 4.4 本章小结
• 第5章 实验研究
• 5.1 引言
• 5.2 实验系统平台简介
• 5.2.1 实验系统组成
• 5.2.2 dSPACE半物理仿真系统介绍
• 5.3 单关节伺服控制系统实验
• 5.4 实验中遇到的问题及解决方法
• 5.4.1 反馈信号不稳定
• 5.4.2 电机在速度闭环时振动
• 5.5 助餐机器人模拟人手取食实验
• 5.6 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