基于神经网络的多轴教学机器人控制系统的设计与实现

论文摘要

多轴教学机器人是面向教学领域的多关节机械手或多自由度的机器人，已被国内许多院校用于机械设计和自动控制设计的教学实验课程中。教学机器人是自动执行工作的机器装置，通过对其进行编写程序控制步进电机来带动械臂运行。它可以由人机界面来进行操作控制，也可以按照预先在单片机中编辑的程序按固定轨迹和动作来运行。本文主要研究了教学多轴机器人的设计，其中内容包括了教学机器人硬件部分的设计，包括动力系统的设计，下位机系统中控制主板的设计。还有上位机控制系统中运行软件的设计。讨论了运动轨迹的插补算法，主要是直角空间和关节空间的插补算法，在此基础上讨论了分段多项式插补问题和多次插补问题。在本设计中给出了一种多轴教学机器人的组成结构和运行方式，设计了运动控制系统。采用了VB和C语言软件进行算法设计并且对机器人运动路径规划进行了仿真。由于传统机器人控制方法建模难、约束多，控制复杂，本文使用人工神经网络对机器人进行上位机控制，介绍了Hopfield神经网络、研究了Hopfield神经网络的设计思路，采用了改进的Hopfield神经网络来规划了三轴刻字机器人的运动轨迹和进行优化，通过对照了优化前后三轴刻字机器人的运动轨迹的仿真结果的对比，可以很明显的观察到三轴刻字机器人进行优化后，刻字机器人的移动路径比优化前的路径明显的缩短了很多。通过采用了改进的Hopfield进行轨迹优化后，得到了满意的实验结果，为后续的研究奠定了理论基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的背景以及思路
• 1.2 智能控制的发展和在机器人上的应用过程
• 1.2.1 智能控制的发展在机器人上的应用
• 1.2.2 神经网络的发展阶段和在机器人上的应用
• 1.3 选择本课题的意义及内容
• 第2章 机器人的位置表示与坐标变换
• 2.1 位置与姿态的描述
• 2.1.1 位置描述
• 2.1.2 姿态描述
• 2.2 坐标变换
• 2.2.1 平移坐标变换
• 2.2.2 旋转坐标的变换
• 2.2.3 复合坐标变换
• 2.2.4 齐次坐标变换
• 2.3 机器人数学建模
• 2.3.1 自由度、关节与连杆的介绍
• 2.3.2 机器人坐标系的几何建模
• 2.4 教学机器人的笛卡尔空间位置控制
• 2.5 小结
• 第3章 机器人运动轨迹插补
• 3.1 笛卡儿空间轨迹插补
• 3.1.1 直线插补
• 3.1.2 圆弧插补
• 3.2 关节轨迹的插补
• 3.2.1 过路径点的三次多项式插值
• 3.3 教学机器人的运动轨迹插补
• 3.3.1 分段多项式插补算法
• 3.3.2 直线插补和圆弧插补
• 3.4 小结
• 第4章 多轴教学机器人控制平台的设计
• 4.1 控制系统硬件总体设计
• 4.2 教学机器人的器件选型
• 4.2.1 单片机的选型
• 4.2.2 步进电机控制系统的选型
• 4.2.3 运动控制器的选型
• 4.2.4 步进电机驱动器的选型
• 4.2.5 电机选型
• 4.2.6 其他部件的选型
• 4.3 主控制电路
• 4.3.1 单片机主控制电路
• 4.3.2 复位电路
• 4.3.3 晶振电路
• 4.3.4 译码电路
• 4.3.5 步进电机手动启动电路
• 4.3.6 步进电机驱动信号放大电路
• 4.3.7 步进电机脉冲与方向电路
• 4.3.8 复位开关/行程开关光电耦合电路
• 4.3.9 键盘输入电路
• 4.3.10 中断控制电路
• 4.3.11 步进电机光栅检测电路
• 4.3.12 锁存电路
• 4.3.13 LCD 液晶电路
• 4.4 小结
• 第5章 教学三轴刻字机器人控制软件的设计与实现
• 5.1 控制软件的总体设计
• 5.1.1 PCI 总线
• 5.1.2 教学机器人软件控制总体设计
• 5.1.3 软件控制系统说明
• 5.2 多轴教学机器人的轨迹规划
• 5.2.1 人工神经网络
• 5.2.2 Hopfield 人工神经网络
• 5.3 教学三轴汉字刻字机运动轨迹的神经网络规划
• 5.3.1 连续型的 Hopfield 神经网络的应用
• 5.3.2 教学三轴刻字机的优化仿真以及结果
• 5.4 小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 附录 A 教学机器人下位机控制程序
• 致谢